磁性纳米颗粒在法医学痕量分析中的应用进展

程忠平，刘燕飞，徐兴敏，莫耀南

1.河南科技大学基础医学与法医学院，河南 洛阳 471000；2.河南科技大学物理工程学院，河南 洛阳471000

磁性纳米颗粒（magnetic nanoparticle，MNP）是一种由铁、锰、钴等金属元素及其氧化物组成的新型纳米材料。其中，Fe3O4纳米颗粒凭借其毒性小、稳定性好、生物相容性好且具有超顺磁性、高比表面积等特性已在医学影像诊断、肿瘤热疗、药物递送、分离与纯化、食品、环境污染检测等领域得到广泛应用[1-4]。近年来，已有学者尝试利用MNP 在痕量样本中提取到足够的、高质量的目标物，以满足法医学痕量分析要求[5-7]。为此，本文综述了MNP 在法医毒物分析、环境法医学、痕量物证分析和刑事侦查领域中的应用进展，以期为MNP 在法医学痕量分析领域的应用提供研究思路。

1 MNP 在法医毒物分析中的应用

MNP 通过与其他物质结合产生的聚合物具有独特的疏水性、π-π 作用、极性官能团、离子交换性质和主客体识别作用，可提高吸附的选择性、生物相容性、可重复性、易分离性等[8]，适用于法医毒物分析和药物滥用领域对痕量物质的筛查。

1.1 在毒品检测中的应用

目前，毒品的种类多样，隐蔽性强，相似毒品难以区分，这就对毒品的高效检测提出了较高的要求。近年来的研究表明，MNP 经表面修饰与分子印迹技术（molecular imprinting technology，MIT）或固相萃取（solid phase extraction，SPE）相结合已成功应用于相关毒品的分析检测。如BOOJARIA 等[9]将硅烷修饰改性的MNP 作为一种新型吸附剂，结合高效液相色谱（high performance liquid chromatography，HPLC）测定人头发中吗啡，优化实验条件下线性范围为1～800 μg/L，检出限（limit of detection，LOD）可达到0.1 μg/L。SUPIYANI 等[10]以稻壳为原料通过溶胶-凝胶法制备了二氧化硅纳米颗粒并应用于水中甲基苯丙胺（methamphetamine，MA）的检测，最大吸附量达到333.3 mg/g，甲基苯丙胺的吸附动力学符合准二级动力学。YILMAZ 等[11]综述了分子印迹技术在法医科学中的应用，其中多处是分子印迹技术与MNP 的综合应用。EL-BEQQALI 等[12]基于固相微萃取生物流体样品制备的苯丙胺选择性分子印迹溶胶-凝胶MNP 对尿液中的甲基苯丙胺具有特异性结合能力，可多次再利用，LOD为1.0 ng/mL，定量限（limit of quantitation，LOQ）为5 ng/mL，准确度为91.0%～104.0%。BATTAL 等[13]制备了大麻素印迹的纳米颗粒聚合物传感器，LOD 达到0.20～0.45 pg/mL。ZHANG 等[14]合成了一种磁性多壁碳纳米管（Fe3O4/O-MWNT）用于磁性固相萃取（magnetic solid phase extraction，MSPE），结合气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）技术定量分析了1 名无吸毒志愿者和1 名疑似吸毒者的尿液和全血样本中的甲基苯丙胺和氯胺酮，此方法线性关系良好，甲基苯丙胺和氯胺酮的LOD 分别为0.04 ng/mL 和0.02 ng/mL，远低于联合国毒品和犯罪问题办公室建议的阈值（甲基苯丙胺为10.0 ng/mL，氯胺酮为1.0 ng/mL）[15]。但MNP 在空气中容易团聚、化学性质不稳定且对目标物的吸附和富集作用力弱，需要对其表面的修饰或改性进一步研究使之成为生物相容性更高和更加稳定的磁性纳米材料。

1.2 在毒（药）物检测中的应用

磁性固相萃取在样品前处理中可选择性地将目标物吸附到分散的磁性吸附剂表面，通过外部磁场促进固体物质与液体的分离，具有分散性、无毒、吸附能力强、重现性好等特点，被广泛应用于各种生物检材中痕量目标物的分离富集[16]。王泽岚等[17]制备的核壳结构的MNP（Fe3O4@SiO2@PANI）可选择性地富集分离牛奶中4 种痕量磺胺类抗生素，结合高效液相色谱-质谱（high performance liquid chromatography-mass spectrometry，HPLC-MS）进行分析检测，结果在10～500 μg/L 范围内线性关系良好，LOD 为1.3～8.2 ng/mL，该方法具有灵敏度高、选择性强、抗干扰性好的特点，适用于乳制品中痕量磺胺类抗生素的检测。叶学敏等[18]制备合成的Fe3O4@SiO2@C14mimBF4聚合物可用于固相萃取环境水中痕量磺胺类药物（磺胺噻唑、磺胺甲二唑、苯甲酰磺胺、磺胺氯吡嗪）的定量分析检测。冯祖飞等[19]将羟基化修饰的多壁碳纳米管与MNP 结合，可固相萃取血浆样品中的士的宁和马钱子碱，在萃取时间30 min、吸附剂量3.38 mg 的条件下，LOD 和LOQ 分别为6.2～6.3 ng/mL 和20.5～21.0 ng/mL，此方法无需离心、过滤，在外加磁场作用下即可将血浆中的目标化合物萃取分离，为生物样本中痕量物质的检测提供了新的技术手段。

精神类药物滥用对人体身心健康均造成不良影响，近年来利用精神类药物进行的犯罪活动也逐渐增多[20-22]。FARNOUDIYAN-HABIBI 等[23]将 咪 唑 类离子液体修饰的MNP（Fe3O4@SiO2-Imz）作为固相萃取剂，对血清中两种三环类抗抑郁药阿米替林及其代谢物去甲替林进行吸附，通过分光光度法测定，结果显示，阿米替林和去甲替林的LOD 分别为0.90 ng/mL 和0.19 ng/mL，LOQ 分别为2.93 ng/mL 和0.63 ng/mL，线性范围均为1～5 ng/mL。氟西汀，也称为“百忧解”或“萨拉菲”，是目前全球处方最多的抗抑郁药，但引起了严重的公共健康问题[24]。基于表面印迹法制备的一种磁性分子印迹聚合物（magnetic molecularly imprinted polymer，MMIP）可对人体尿液中的氟西汀进行痕量萃取，该方法的动态检测范围为0.8～10.0 ng/mL，LOD为0.03 ng/mL，具有选择特异性、无毒、生物降解性和高吸附能力，为氟西汀在体内药物代谢以及毒理学研究提供了一种更加便捷的分析方法[25]。陈建虎等[26]合成了C18修饰的MNP（Fe3O4@SiO2@C18），通过固相萃取提取并富集尿液样品中9 种常见安眠类药物，再联合GC-MS 进行定量分析，结果表明，9 种常见安眠类药物的LOD 为0.2～0.6 μg/mL，回收率为60.5%～89.5%，该方法可用于大批量尿液样本中常见安眠类药物的定性定量检测。

2 MNP 在环境法医学中的应用

2.1 在环境污染物取证中的应用

环境污染物取证涵盖了水污染、空气污染和土壤污染等各个方面，包括识别污染物、确定其可能的来源、估计其释放和分布到环境中的大致时间、分配污染物来源之间的损害责任以及起诉责任人等。如三氯苯酚由于其高效的抗菌作用被广泛应用于各行业，然而，大量三氯苯酚释放到水生态环境中后，会对生态系统和人类健康构成潜在风险[27]。LU等[28]以柠檬酸盐修饰的MNP 为核心，利用溶胶-凝胶法包裹SiO2合成具有核壳结构的载体，结合分子印迹技术以三氯苯酚为模板分子制备了MMIP，该MMIP 对水环境中的三氯苯酚具有特异选择性，2 min 内吸附量为53.12 mg/g，作为环境友好型吸附剂，MMIP 显著减轻了三氯苯酚对莱茵衣藻的毒害作用。

邻苯二甲酸酯（phthalic acid ester，PAE）是大气颗粒物、淡水、沉积物、土壤和垃圾填埋场中最常见的持久性有机污染物之一，人或动物长期接触PAE 可导致体内雌性激素失调、内分泌混乱，甚至诱发癌症[29]。GUO 等[30]通过介孔二氧化硅修饰磁性氧化石墨烯的表面，与双模板分子邻苯二甲酸二丙酯和邻苯二甲酸二异壬酯结合制备的MMIP 较单一模板分子对水中6 种PAE 具有更高的吸附量，LOD 和LOQ 分别为0.01～0.05 μg/L 和0.05～0.20 μg/L，其加标回收率高于92.9%。

2.2 在有毒重金属监测中的应用

有毒重金属对生态环境的污染是多方面的[31-34]，如何更好地监测环境生态系统中的重金属污染物是治理和维护环境生态系统稳定的关键，在环境法医学中也具有重要意义。六价铬［Cr（Ⅵ）］由于其高毒性、致癌性和致突变性，对人体健康和环境构成严重威胁[35]。ZHONG 等[36]通过微波共热解法将稻壳与硫酸亚铁（FeSO4）混合，制备了具有活性的MNP 和磁性生物炭的混合体用于去除水中的六价铬，研究结果表明，磁性生物炭中多孔型的MNP 对六价铬具有高吸附性，比稻壳生物炭对六价铬的吸附和还原效率分别高出3.2 倍和11.7 倍，从而具有更高的去除效率（84.3%）和平衡吸附量（8.35 mg/g）。

金属有机骨架（metal-organic framework，MOF）凭借其较大的表面积、可调节的孔隙和足够的活性吸附位点，在气体分离、能量储存和药物输送等研究领域已得到广泛应用[37]。ZHOU 等[38]以MNP 为核、UiO-66为内壳、聚吡咯为外壳，采用直接外延生长和原位聚合法制备了一种核-双壳结构的锆基磁性纳米复合材料（UiO-66@Ppy），该磁性锆基MOF 具有较高的比表面积（52.49 m2/g）、可控的孔径以及更高的吸附量（259.1 mg/g），可选择性地从水中有效去除六价铬。

2.3 在农药残留取证中的应用

三嗪类农药是水果、蔬菜及谷物种植的常用除草剂之一，但毒理学研究[39]表明，三嗪类农药残留物有致癌作用，可导致婴儿先天性生理缺陷及免疫系统紊乱。ZHOU 等[40]基于静电效应用沸石咪唑骨架材料（ZIF-8）修饰MNP 表面以减小聚合物空间阻力，经过锌离子（Zn2+）和咪唑配体的π-π 效应与π-络合效应，增强了目标物之间的作用力，提高了比表面积和稳定性，该方法可萃取不同环境样品中4种三嗪类除草剂，LOD 为0.18～0.72 ng/mL。此外，周恋[41]还利用反相乳液交联和水热法，合成了壳聚糖和MIL-101（Cr）修饰的新型磁性功能化MOF 复合材料，由于壳聚糖分子和MOF 材料两者独特的优势，制备的功能化磁性纳米材料分散性和稳定性较好，可用于茶饮料和果汁样品中4种苯甲酰脲类杀虫剂的检测。吸附实验结果显示，在优化条件下线性范围为1.0～100 ng/mL，相关系数均大于0.999 2，对4 种杀虫剂目标物的绝对回收率和加标回收率分别为80.3%～90.8%和88.0%～102.1%。姚伟宣等[42]通过化学共沉淀法将MNP 负载于酸化多壁碳纳米管（acid multi-walled carbon nanotubes，AMWNTs）表面，制备了磁性纳米材料Fe3O4/AMWNTs，可用于富集萃取水样及蜂蜜样品中痕量拟除虫菊酯类农药残留，并联合气相色谱对6 种菊酯类农药残留进行了定量检测。张凌怡等[43]将C18修饰的MNP 用于水样中7 种农药的固相萃取，采用GC-MS 进行定性定量分析，结果表明，C18修饰的MNP 在萃取水中不同浓度化合物时分配不同，非极性化合物保留较好，极性化合物较弱。同时，该方法用于3 例水样中未知农药投毒案件的取证检测，2 例水样中检测出农药氟胺氰菊酯，质量浓度分别为5.16 μg/L 和0.47 μg/L，另一样品中检测出甲氰菊酯，质量浓度为3.72 μg/L。

3 MNP 在痕量物证分析中的应用

在法医物证学中，痕量证据对于现场勘验中发现与犯罪者相关的痕迹、物品，犯罪嫌疑人认定以及犯罪地点判定等具有重要意义。然而，在“痕量证据”中获取足够高质量的样本困难重重。MNP 因其具有超顺磁性和生物相容性的特点，在核酸提取[44-45]、细胞免疫磁性分离[46]、蛋白质分离[47]中的应用越来越受到关注。

3.1 在痕量核酸提取中的应用

高纯度、高质量的RNA 是在分子水平研究生物个体遗传的基础，MNP 拥有独特的结构和超顺磁性、生物相容性，可直接从血液、组织匀浆、培养基、水等粗制样品中将核酸提取出来，避免了离心步骤[44]。MENG 等[48]合成的深共熔溶剂修饰的磁性复合材料（Fe3O4-COOH@UiO-66-NH2@DES）可从药用酵母中选择性提取RNA，而不是DNA、牛血红蛋白和氨基酸，且吸附剂在循环6 次后仍具有稳定性和再生性。有研究[49]表明，表面功能化的MNP 可从高浓度污染物中有效捕获纯化核酸生物标志物。如采用水热法制备多巴胺修饰的MNP（Fe3O4@PDA），以磁性固相萃取为基础，结合PCR 和琼脂糖凝胶电泳技术，能够高效捕获原始生物样本中的DNA 分子，无需预先洗脱分离，且对于不同DNA 片段均可有效提取，较免疫磁珠和旋转柱核酸提取方法更方便、快速和有效[50]。

3.2 在复杂生物样本免疫细胞分离中的应用

程昉等[51]利用磁性微核-砜基-聚乙二醇链的核-壳结构的MNP，分别对人、牛、羊和兔的免疫球蛋白G（immunoglobulin G，IgG）吸附性能进行研究，经氨基聚乙二醇2000 修饰后，具有最优的抗体分离性能，IgG 的吸附量为132.8 mg/g，选择性为32.5［IgG 吸附量/牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）吸附量］，该方法应用于复杂生物样本的抗体分离，可从胎牛血清中得到纯度为96%的IgG，同时从无血清细胞培养基中得到纯度为99%的奥马珠单抗，较传统的Protein A 配基具有物种特异性、亲和性和快速分离的优势。许炎等[52]利用免疫磁珠有效分离了女性阴道上皮细胞中混有的精子细胞，能完全获得女性阴道拭子中单个嫌疑男性的基因型，进而为法庭审判提供有力证据。

3.3 在复杂生物检材蛋白质识别中的应用

对基质复杂的生物检材中的目标蛋白进行快速高效的特异性识别，是蛋白质分离领域的难点。王文静等[53]利用溶剂热法制备了羧基功能化的MNP，经过3-（异丁烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷和聚丙烯酸修饰，使其表面富含双键并与NTA-Ni2+螯合成Fe3O4/MPS/PAA/NTA-Ni2+磁性纳米复合材料，该复合材料5 min内对组氨酸标签蛋白的选择性吸附能力为15.0 g/mg，富集力为90%，将其运用于复杂基质中的蛋白质分离与纯化具有高度特异性。陈炯等[54]利用人脂质运载蛋白6（human lipocalin 6，hLCN6）单克隆抗体偶联包被的免疫磁珠捕获分离精子细胞，并对混合斑进行STR 分型，该方法成功应用于法医学性侵案件中混合检材精子的分离，且操作简单、高效。

4 MNP在刑事侦查潜指印显现中的应用

在法庭科学中，犯罪嫌疑人在案发现场留下的指纹是侦查人员分析、鉴别、认定犯罪嫌疑人的依据，也是刑侦人员查验、揭露和证实犯罪嫌疑人犯罪的有效途径[55]。MNP可与潜指印中无机、有机类物质相结合，并利用光子晶体或高效发光体照射激发结合在潜指印上的纳米材料，使其发出荧光，然后通过识别荧光光谱图，从而有效识别出犯罪嫌疑人指纹图谱[56-57]。刘嘉扬等[58]制备的MNP 辅以微波辐射，可用于多种客体表面（金属门把手、玻璃、塑料、油漆、纸张、桌面等）潜指印的显现，且悬浮在溶液中的MNP可在5 s内被吸到永磁体的表面，与指纹残留物中的湿润物质或油脂类物质间进行静电吸附，呈现出清晰的纹线和细节特征。与传统的金、银粉末显现的指纹线相比，MNP展现出明显的优势，在刑事侦查个体识别中具有实际作用。

5 机遇与挑战

MNP 在不断的发展过程中逐渐形成了“纳米磁医学工程”，包括磁共振成像、生物传感器、靶向载药等新的交叉学科，继而为各学科的应用提供了更加广阔的发展空间。目前研究[59-60]表明，两种或两种以上具有不同物理化学性质的MNP 聚合物具有尺寸小、磁性强、耐酸碱腐蚀、生物相容性强、比表面积大、催化吸附能力强等特性，可尝试将MNP 运用于法医毒物分析、环境法医学、痕量物证分析等的检材取样和处理等方面。利用先进的磁学理论和纳米技术，进行创新性的科学研究，建立新型的痕量分析方法，可为法医学研究提供更加有效的技术手段。然而，在法医学应用中，痕量目标物的取样和制备是一个多样化的研究领域，往往受到样品量、杂质、人为因素的影响，因此，将MNP 应用于法医学痕量分析也面临如下挑战：（1）磁性探针的生物相容性、毒性的评价、靶向效能和长期稳定性，必须使用体外或体内模型进行研究；（2）为了提高磁性纳米材料的生物靶向性和增强其物理化学性能，还需要进一步探索MNP 的功能化；（3）如何将MNP 与智能传感器、量子光学研究相结合，更加快捷、高效地对犯罪嫌疑人残留痕量目标物进行分离提取，再利用计算机高通量的处理能力建立应用广泛的数据库，将会极大地提高MNP 在法医学鉴定中的应用效率。