磁性纳米材料的合成及在细菌检测和去除中的应用

晋银佳 雷立 赵凯 朱跃 王丰吉

摘要 由于磁性纳米材料具有特殊的物理化学性质，它在环境污染治理中的应用已成为研究的热点，而其合成方法对磁性纳米材料的性能具有重要影响。在分析、总结近年来磁性纳米材料合成方法研究进展的基础上，比较了不同合成方法的特点;同时，对磁性纳米材料在细菌检测、捕获去除以及杀菌方面的研究进展进行了总结，并且在此基础上对磁性纳米材料在微生物污染控制领域的研究方向进行了展望。

关键词 磁性纳米材料;合成;细菌;检测;去除

中图分类号 S273.5;TB383;X703  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2015）03-001-03

Research Progress in Magnetic Nanomaterial Synthesize and Its Application in Bacteria Detection and Removal

JIN Yinjia¹， LEI Li²， ZHAO Kai³et al

（1. Huadian Electric Power Research Institute， Hangzhou， Zhejiang 310030; 2. Waterborne Transportation Institute， Department of Transportation， Beijing 100088; 3. Huadian Junliangcheng Power Plant， Tianjin 300300）

Abstract The application of magnetic nanomaterial in environment pollution treatment has been a hot study field due to its unique physical and chemical property. Preparation method has important effect on the property of magnetic nanomaterials. Different synthesize methods were summarized and analyzed， and the features of the methods were concluded. Moreover， the research progress in magnetic nanomaterial applications in bacteria detection， capture and removal， as well as bacteria inactivation were also reviewed， and the future research direction in this research field was proposed.

Key words Magnetic nanomaterial; Synthesize; Bacteria; Detection; Removal

基金項目 国家自然科学基金项目（21177002）。

作者简介 晋银佳（1986- ），男，河南偃师人，工程师，博士，从事污水处理与处置方面的研究。

收稿日期 20141211

磁性纳米材料主要包括纳米零价铁（Nano zerovalent iron，Fe⁰）、磁铁矿（Fe₃O₄）和磁赤铁矿（γFe₂O₃）及其衍生物^[1]。其中，Fe₃O₄由于具有很好的生物相容性成为最有应用前景的磁性材料^[2]。纳米级磁性材料的表面能很高，易团聚，并且裸露的磁性材料易被空气中的氧气氧化而失去磁性。为了提高磁性纳米材料的稳定性，防止合成的磁性铁氧化物被氧化，通常在磁性铁氧化物的合成过程中加入一些有机或无机的包覆材料，使之包覆在磁性材料上，避免被氧化。磁性纳米材料的表面保护层不仅能够使纳米材料更加稳定，而且可以用于对磁性纳米材料的进一步修饰，使之具有特异性的功能，用于催化、生物标记、生物分离等。对磁性纳米材料进行特异性改造后，可以广泛地应用于磁共振成像^[3]、药物传输^[4]、生物分离^[5]以及环境治理等领域^[6]。磁性纳米材料可以在外加磁场的作用下很容易地从水中分离出来，并且磁性纳米材料易与其他材料复合，形成复合材料，使之具有优异的微生物检测、去除性能，成为近年来的研究热点。笔者对近年来磁性纳米材料的功能化合成及在细菌检测和分离中的研究进展进行归纳、总结，并且提出将来的研究方向。

1 磁性纳米材料的合成

近年来，磁性纳米材料的合成得到了深入研究。一些形貌可控、高稳定性、单体分散的磁性纳米材料的合成方法被开发出来，主要有共沉淀法、热解法、微乳液法、水热法等。

1.1 共沉淀法

共沉淀法是合成铁氧化物磁性纳米材料（Fe₃O₄和γFe₂O₃）的常用方法，具有简单、方便等优点。在一定温度下，向Fe²⁺/Fe³⁺盐溶液中加入碱即可反应生成铁氧化物磁性纳米材料。采取共沉淀法合成Fe₃O₄纳米颗粒可以用下式表示：

2Fe³⁺+Fe²⁺+8OH-→Fe₃O₄+4H₂O

在一般情况下，反应体系中Fe³⁺/Fe²⁺的比例为2/1，在搅拌条件下逐滴加入浓氨水，快速调节pH至8.5～10.0，即可得到黑色的Fe₃O₄沉淀物。通过共沉淀法合成的铁氧化物磁性纳米材料的粒径、形貌及成分與所用铁盐的类型、Fe²⁺/Fe³⁺比例、反应温度、反应体系的pH及离子强度有关。共沉淀法较简单，具有很好的重复性，但是所合成的铁氧化物磁性纳米材料的磁性较低，饱和磁性强度一般在30～50 emu/g，低于纯Fe₃O₄纳米材料的90 emu/g^[7]。

磁性纳米材料的稳定性主要依靠纳米材料表面电荷形成的静电斥力，然而静电斥力造成的稳定性对分散体系的要求很高，需在强酸性或强碱性且较低的离子强度下才能实现。加入亲水性/疏水性平衡的表面活性剂做稳定剂，磁性纳米材料就可以在水中稳定存在^[8]。合成的磁性材料也可以用多种聚合物来稳定，如多糖、葡萄糖^[8]、聚乙烯醇^[9]、聚乙二醇^[10]等。不同的稳定剂会对合成的磁性纳米材料的粒径产生影响^[11]。如在反应体系中加入浓度1%聚乙烯醇（Polyvinlyalcohol，PVA）即可得到粒径为4～10 nm的Fe₃O₄纳米颗粒，而加入含有0.1%羰基的PVA作为稳定剂则会得到链状的Fe₃O₄纳米颗粒^[12]。有研究对比了几种稳定剂，结果证明油酸是合成Fe₃O₄纳米颗粒最好的稳定剂^[13]。在反应体系中加入有机稳定剂后，磁性纳米材料的形成受2个竞争机制的控制。一方面，金属离子与有机稳定剂形成络合物，抑制成核作用，从而使得成核数目减少，并且导致大的颗粒的形成;另一方面，有机稳定剂吸附在纳米材料表面，并且抑制纳米材料的生长，使得纳米颗粒的粒径不至于太大。

1.2 热解法

通过在含有表面活性剂的高沸点有机溶剂中热解有机金属化合物，可以得到粒径更小、形貌可控的磁性纳米材料^[14]。热解法合成磁性铁氧化物的操作相对简单，合成材料的成分、粒径和形貌更容易控制，合成过程同样需要有表面活性剂作为稳定剂。热解法所用的金属有机前驱体包括乙酰丙酮化合物、金属羰基化合物等。脂肪酸^[15]、油酸^[16]和十六烷基胺是常用的表面活性剂。金属有机物前驱体、表面活性剂以及有机溶剂之间的比例是控制磁性纳米材料粒径和形貌的决定性因素，反应温度、反应时间与老化时间也对磁性纳米材料的粒径和形貌控制有重要影响。在有稳定剂的条件下，通过热解五羰基铁（Fe（CO）₅）可以得到粒径为10～20 nm的单体分散的Fe₃O₄纳米颗粒^[17]。在热解过程中，温度的控制直接决定合成的Fe₃O₄纳米颗粒的粒径和聚合度^[18]。热解法合成的磁性纳米材料通常是疏水性的，很难在水中分散，而在实际应用中需要的更多的是亲水性的磁性材料。以FeCl₃·6H₂O为原料，以2吡咯烷酮为溶剂，在煮沸条件下回流一段时间后即可生成亲水性的Fe₃O₄纳米颗粒。

1.3 微乳液法

微乳液是由2种互不相溶的热动力学稳定的各向同性的液体混合而成的。在水-甲苯反相胶团中，以Mn（NO₃）₂和Fe（NO₃）₃为原料，以十二烷基磺酸钠为表面活性剂可以合成粒径为4～15 nm的MnFe₂O₄纳米颗粒，材料的粒径可以通过调节水和甲苯的比例进行控制^[19]。在由油酸和二苄醚形成的反相胶团中，以FeCl₃·6H₂O为原料，以氧化丙烯为质子捕获剂，通过溶胶-凝胶反应合成铁氧化物纳米杆，并且可以通过改变反应温度、凝胶的水化状态控制纳米杆的形貌^[20]。通过微乳液法合成的磁性纳米材料具有较高的分散度，能够得到不同的形貌如球形和管状，但是所合成的纳米材料的粒径和形貌通常变化较大，会分布在一个较宽的范围内。另外，由于微乳液法的合成要求较高，合成磁性纳米材料的产量相对于热解法和共沉淀法要低一些，并且需要消耗大量的溶剂，因此微乳液法的合成效率较低，不适宜进行规模化应用。

1.4 水热法

水热法是一种基于在液-固-溶液界面之间的相转移分离机制的合成方法。粒径为9～12 nm的Fe₃O₄和CoFe₂O₄纳米颗粒可以通过水热法合成^[7]。铁氧化物和铁的氢氧化物的混合物在超临界状态（200 ℃，14 MPa）下进行水热反应也可以生成磁性纳米材料。水热法合成的纳米材料的粒径和形貌由反应时间和反应温度控制，而合成材料的纯度与反应体系的pH有关。水热法合成磁性纳米材料主要有2个反应：Fe（II）的水解和氧化反应以及混合金属氢氧化物的中和反应。将FeCl₃、乙二醇、乙酸钠和聚乙二醇的混合物放在密封的不锈钢高压釜中加热到200 ℃，反应8～72 h即可得到单体分散的、亲水性的磁性纳米颗粒，粒径在200～800 nm之间^[21]。水热法合成磁性纳米材料的试验要求较高，并且产物的性质（磁性、粒径、粒径分布）不具优势，因此水热法合成磁性材料的性价比不高^[8]。

2 磁性纳米材料在细菌检测和去除中的应用

磁性铁氧化物在细菌检测去除方面的研究主要集中在3个方面。①将磁性纳米材料进行功能化修饰，使之能够和细菌结合，从而将低浓度的细菌富集起来，并进行微生物的检测;②对磁性铁氧化物表面通过负载与细菌有亲和力的官能团来实现细菌的吸附絮凝，并在磁场作用下与细菌一起从水中分离出来;③将磁性鐵氧化物与具有杀菌活性的其他物质复合，合成具有杀菌活性的复合材料，将细菌灭活。

2.1 功能化磁性纳米材料在细菌检测中的应用

目前水中低浓度（<10²个/ml）微生物的检测主要用培养法和聚合酶链式反应（Polymerase chain reaction，PCR）等方法，需要的时间较久。磁性纳米材料与细菌结合后可以很容易地在外加磁场的作用下将材料和细菌一起分离出来。由于磁性纳米材料的粒径比细菌要小2～3个数量级，磁性纳米材料的表面经过修饰后可以提供大量的可以与细菌络合的位点，与细菌的接触面积也大大增加。如，在磁性铁氧化物表面负载一层万古霉素分子，万古霉素分子能够通过氢键与细菌表面结合，并在外加磁场的作用下易将细菌分离出来，以此实现细菌的检测^[22]。Gu等^[22]将万古霉素负载到磁性纳米材料（FePt）上，并用于吸附和检测细菌，检测过程仅需要1 h，检测限可以低至4 个/ml。这种磁分离方法比基于荧光的检测方法的灵敏度要高一个数量级。Huang等^[23]先在Fe₃O₄表面包裹一层硅，并且通过苯三唑或氨基化合物将甘露糖连接在包裹硅的Fe₃O₄表面，得到的复合磁性纳米材料不仅能够快速地检测大肠杆菌（5 min即可），而且能够去除超过88%的大肠杆菌。由于蛋白质/多肽可以与金属氧化物结合形成单齿、双齿、三齿的复合结构，在磁性铁氧化物表面负载金属氧化物如二氧化钛、氧化锆、氧化铝可以提高对磷酸化的蛋白质/多肽的吸附能力。如Liu等^[24]将鸽卵清蛋白负载到氧化铝包裹的Fe₃O₄表面，得到的复合材料对大肠杆菌具有很好的络合效果。

2.2 功能化磁性纳米材料捕获去除细菌研究进展

磁性纳米材料可以与多种生物分子络合，用于生物质的磁性分离。Honda等合成壳聚糖复合的磁性铁氧化物，并且比较不同合成方法所得到的复合材料对细菌的吸附去除性能，结果表明共沉淀法合成的复合材料的除菌性能最好，E.coli在加入复合材料后1 min就能被去除90%，而壳聚糖-磁性铁氧化物对E.coli的吸附容量达到1 g细菌干重/g 复合材料^[25]。Gao等^[26]将万古霉素包覆在掺Pt的磁性铁氧化物表面，用于特异性吸附水中的革兰氏阴性菌，在细菌含量为15个/ml水中加入改性的磁性材料可以将水中的细菌捕获并分离出来。Kell等^[27]合成了一系列万古霉素修饰的磁性铁氧化物，对水中的多种细菌均有很好的络合去除效果。在Fe₃O₄表面通过乳化聚合方法负载甲基丙烯酸形成的功能化磁性纳米材料在pH 2～4的条件下对E.coli细菌具有很好的去除作用，细菌去除率可以达到90%以上^[28]。Liu等^[24]先在Fe₃O₄表面负载一层Al₂O₃，又通过鸽子卵白蛋白中的磷酸基团与Fe₃O₄@Al₂O₃连接，形成磁性复合物，可以用于特异性地捕获带毛E.coli细菌。EIBoubbou等^[29]研究发现，在硅包裹的Fe₃O₄表面通过三唑连接物或氨基化合物将甘露糖均匀地负载在Fe₃O₄@Si表面，可以用来检测和捕获E.coli细菌，所合成的磁性复合材料不仅可以在5 min内检测出水中E.coli细菌的浓度，而且能够去除水中超过88%的细菌。此外，通过磷酸盐功能化的全氟叠氮苯胺的光化学反应，可以将单糖固定在磁性铁氧化物上，所得的复合磁性铁氧化物对E.coli ORN178细菌也具有很强的络合去除能力^[30]。

2.3 功能化磁性纳米材料灭活细菌研究进展

磁性铁氧化物自身对细菌没有明显的灭活性能，将磁性纳米材料与具有杀菌作用的其他物质结合即可形成具有抗菌性能的复合磁性纳米材料，使之同时具有易分离和杀菌特性，成为一个新的研究方向。Chen等^[31]在Fe₃O₄表面负载了一层TiO₂，得到Fe₃O₄@TiO₂，不仅具有光催化杀菌活性，而且可以与细菌表面络合，将细菌分离出来。此外，Chen等^[32]将多巴胺负载到Fe₃O₄@TiO₂表面，进而连接琥珀酰酐分子，并且最终将免疫球蛋白G负载到Fe₃O₄@TiO₂表面，合成IgGFe₃O₄@TiO₂复合材料。这种复合材料能够在低功率的紫外作用下将多种细菌快速杀死。Ag具有很强的杀菌活性，也被用来修饰磁性铁氧化物，用于杀死水中的细菌和病毒等。研究表明，银含量为0.1%的磁性铁氧化物在1 min内即可杀死90%的初始浓度为1×10⁶个/ml的E.coli细菌，60 min可以杀死90%的MS2病毒，并且复合材料的杀菌效果要高于单独等量的Ag的杀菌效果^[33]。由此可知，Ag与磁性材料复合具有协同杀菌作用。此外，在磁性铁氧化物表面负载一些抗菌有机物分子，也是一种合成杀菌活性磁性材料的途径。Bromberg等^[34-35]发现，在Fe₃O₄表面负载聚环己烷缩二胍形成核-壳结构的磁性抗菌纳米材料可以络合在细菌表面，并在外加磁场的作用下提取细菌的DNA，也能够从革兰氏阴性菌中提取脂多糖，杀死细菌。之后，Bromberg等^[36]为了提高Fe₃O₄聚环己烷缩二胍复合材料的稳定性和生物相容性，又在Fe₃O₄和聚环己烷缩二胍之间引入一层聚硅氧烷，形成新的磁性抗菌纳米材料，并且新的抗菌纳米材料对哺乳动物细胞没有毒性，使得复合材料具有更好的应用前景。

43卷3期                晋银佳等 磁性纳米材料的合成及在细菌检测和去除中的应用

3 结论

不同的磁性纳米材料合成方法各有优缺点。从合成方法的难易程度来讲，共沉淀法是最简单的合成方法;从合成磁性纳米材料的粒径和形貌的可控性角度，热解法是最适宜的方法。微乳液法可以合成单体分散的磁性纳米颗粒，多种形貌的材料都可以合成，但是溶剂的消耗量较大，限制其应用。

磁性纳米材料经过修饰后具有特定的功能，在微生物快速检测、分离去除等领域具有特殊的优势，将会得到越来越多的关注。开发高效的、广谱的功能化磁性纳米材料，不仅能将微生物捕获分离，而且能将捕获的微生物灭活。这将是今后的一个重要的研究方向。此外，功能化磁性纳米材料的开发应用研究也需要考虑其对哺乳动物的生物毒性，避免产生新的污染。

参考文献

[1] TANG S C N，LUO I M C.Magnetic nanoparticles：essential factors for sustainable environmental applications [J].Water Research，2013，47（8）：2613-2632.

[2] SCHWERTMANN U，CORNELL R M.Iron oxides in the laboratory：preparation and characterization [M].Weinheim，Cambridge：VCH，1991.

[3] ARBAB A S，BASHAW L A，MILLER B R，et al.Characterization of biophysical and metabolic properties of cells labeled with superparamagnetic iron oxide nanoparticles and transfection agent for cellular MR imaging [J].Radiology，2003，229（3）：838-846.

[4] PANKHURST Q A，CONNOLLY J，JONES S K，et al.Applications of magnetic nanoparticles in biomedicine [J].Journal of Physics D：Applied Physics，2003，36（13）：167-181.

[5] 郭祖鵬，师存杰，焉海波.磁性纳米材料在分离和检测中的应用研究进展[J].磁性材料及器件，2012（1）：9-19.

[6] 杨瑞洪.磁性纳米材料在废水处理中的应用及其改性研究进展[J].磁性材料及器件，2012（1）：71-74.

[7] LU A H，SALABAS E L，SCHTH F.Magnetic nanoparticles：synthesis，protection，functionalization，and application [J].Angewandte Chemie International Edition，2007，46（8）：1222-1244.

[8] HORAK D，BABIC M，MACKOVA H，et al.Preparation and properties of magnetic nanoand microsized particles for biological and environmental separations [J].Journal of Separation Science，2007，30（11）：1751-1772.

[9] PARDOE H，CHUAANUSORN W，PIERRE T G S，et al.Structural and magnetic properties of nanoscale iron oxide particles synthesized in the presence of dextran or polyvinyl alcohol [J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2001，225（1/2）：41-46.

[10] ZHANG Y，KOHLER N，ZHANG M.Surface modification of superparamagnetic magnetite nanoparticles and their intracellular uptake [J].Biomaterials，2002，23（7）：1553-1561.

[11] SHAFI V P M，ULMAN A，YAN X，et al.Sonochemical synthesis of functionalized amorphous iron oxide nanoparticles [J].Langmuir，2001，17（16）：5093-5097.

[12] JIWON LEE T I，MAMORU SENNA.Magnetic properties of ultrafine magnetite particles and their slurries prepared via insitu precipitation [J].Colloids Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，1996，109（20）：121-127.

[13] WILLIS A L，TURRO N J，O'BRIEN S.Spectroscopic characterization of the surface of iron oxide nanocrystals [J].Chemistry of Materials，2005，17（24）：5970-5975.

[14] REDL F X，BLACK C T，PAPAEFTHYMIOU G C，et al.Magnetic，electronic，and structural characterization of onstoichiometric iron oxides at the nanoscale [J].Journal of American Chemical Society，2004，126（44）：14583-14599.

[15] JANA N R，CHEN Y，PENG X.Sizeand shapecontrolled magnetic（Cr，Mn，Fe，Co，Ni）oxide nanocrystals via a simple and general approach [J].Chemistry of Materials，2004，16（20）：3931-3935.

[16] SAMIA A C S，HYZER K，SCHLUETER J A，et al.Ligand effect on the growth and the digestion of co nanocrystals [J].Journal of American Chemical Society，2005，127（12）：4126-4127.

[17] GONZALES M，KRISHNAN K M.Synthesis of magnetoliposomes with monodisperse iron oxide nanocrystal cores for hyperthermia [J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2005，293（1）：265-270.

[18] PEI W，KUMADA H，NATUSME T，et al.Study on magnetite nanoparticles synthesized by chemical method [J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2007，310（3）：2375-2377.

[19] LIU C，ZOU B，RONDINONE A，et al.Reverse micelle synthesis and characterization of superparamagnetic MnFe₂O₄spinel ferrite nanocrystallites [J].The Journal of Physical Chemistry：B，2000，104（6）：1141-1145.

[20] WOO K，LEE H J，AHN J P，et al.Solgel mediated synthesis of Fe₂O₃nanorods [J].Advanced Materials，2003，15（20）：1761-1764.

[21] DENG H，LI X，PENG Q，et al.Monodisperse magnetic singlecrystal ferrite microspheres [J].Angewandte Chemie International Edition，2005，44（18）：2782-2785.

[22] GU H W，XU K M，XU C J，et al.Biofunctional magnetic nanoparticles for protein separation and pathogen detection [J].Chemical Communications，2006（9）：941-949.

[23] HUANG Y F，WANG Y F，YAN X P.Aminefunctionalized magnetic nanoparticles for rapid capture and removal of bacterial pathogens [J].Environmental Science & Technology，2010，44（20）：7908-7913.

[24] LIU J C，TSAI P J，LEE Y C，et al.Affinity capture of uropathogenic Escherichia coli using pigeon ovalbuminbound Fe₃O₄@Al₂O₃ magnetic nanoparticles [J].Analytical Chemistry，2008a，80（14）：5425-5432.

[25] HONDA H，KAWABE A，SHINKAI M，et al.Development of chitosanconjugated magnetite for magneticcell separation [J].Journal of Fermentation and Bioengineering，1998，86（2）：191-196.

[26] GAO J，GU H，XU B.Multifunctional magnetic nanoparticles：design，synthesis，and biomedical applications [J].Accounts of Chemical Research，2009，42（8）：1097-1107.

[27] KELL A J，STEWART G，RYAN S，et al.Vancomycinmodified nanoparticles for efficient targeting and preconcentration of grampositive and gramnegative bacteria [J].Acs Nano，2008，2（9）：1777-1788.

[28] SHAN Z，WU Q，WANG X，et al.Bacteria capture，lysate clearance，and plasmid DNA extraction using pHsensitive multifunctional magnetic nanoparticles [J].Analytical Biochemistry，2010，398（1）：120-122.

[29] ELBOUBBOU K，GRUDEN C，HUANG X.Magnetic glyconanoparticles：aunique tool for rapid pathogen detection，decontamination，and strain differentiation [J].Journal of American Chemical Society，2007，129（44）：13392-13393.

[30] LIU L H，DIETSCH H，SCHURTENBERGER P，et al.Photoinitiated coupling of unmodified monosaccharides to iron oxide nanoparticles for sensing proteins and bacteria [J].Bioconjugate Chemistry，2009，20（7）：1349-1355.

[31] CHEN W J，CHEN Y C.Fe₃O₄/TiO₂ core/shell magnetic nanoparticlebased photokilling of pathogenic bacteria [J].Nanomedicine，2010，5（10）：1585-1593.

[32] CHEN W J，TSAI P J，CHEN Y C.Functional Fe₃O₄/TiO₂ core/shell magnetic nanoparticles as photokilling agents for pathogenic bacteria [J].Small，2008，4（4）：485-491.

[33] NANGMENYI G，LI X，MEHRABI S，et al.Silvermodified iron oxide nanoparticle impregnated fiberglass for disinfection of bacteria and viruses in water [J].Material Letters，2011，65（8）：1191-1193.

[34] BROMBERG L，RADUYK S，HATTON T A.Functional magnetic nanoparticles for biodefense and biological threat monitoring and surveillance [J].Analytical Chemistry，2009，81（14）：5637-5645.

[35] BROMBERG L，CHANG E P，ALVAREZLORENZO C，et al.Binding of functionalized paramagnetic nanoparticles to bacterial lipopolysaccharides and DNA [J].Langmuir，2010，26（11）：8829-8835.

[36] BROMBERG L，CHANG E P，HATTON T A，et al.Bactericidal coreshell paramagnetic nanoparticles functionalized with poly（hexamethylene biguanide）[J].Langmuir，2011，21（7）：420-429.