生物分離用超順磁微米顆粒的特征及制備

劉冬，龍高波

(1.重慶市南川區(qū)人民醫(yī)院藥劑科，重慶 408400；2.重慶博藍鷹生物技術有限公司，重慶 401332)

Fe3O4或γ-Fe2Ο3納米粒子具有超順磁性，稱納米磁芯。有機物或無機物和此類超順磁納米磁芯復合所得0.1～10 μm左右的顆粒稱超順磁亞微米顆粒(paramagnetic submicron particles，PMSP)[1]。無外加磁場時，PMSP中納米磁芯極性隨機化而無磁性，在外加磁場下磁芯定向排列而呈現磁性和定向運動。在PMSP表面固定生物活性分子，通過這些固定化生物分子的親和作用選擇性結合混合物中特定成分，用外部磁場產生的磁力選擇性分離復合物，從而選擇性分離出所結合的成分，此過程稱生物親和磁分離[2]；該技術依賴親和作用及磁力分離，其操作簡便、設備易得、高效，尤其分離過程中不引入新的化學物質，這使得磁分離技術成為分離及分析的核心技術，廣泛用于生物醫(yī)藥領域，包括全自動化學發(fā)光免疫分析[3]、全自動核酸檢測[4]、配體混合物組合庫集群篩選[5-6]、固定化酶用于生物催化合成[7]。因此，PMSP是醫(yī)藥生物技術的一個研究熱點。

樣品中非目標成分在功能化PMSP表面結合稱非特異吸附(nonspecific adsorption)。功能化PMSP的非特異吸附、磁響應速度、結構穩(wěn)定性、懸浮穩(wěn)定性/單分散性和固定生物分子的活性決定其應用價值。功能化PMSP表面結構決定其非特異性吸附，同時影響PMSP顆粒間相互作用、單分散狀態(tài)和懸浮穩(wěn)定性。PMSP內部結構決定其磁響應速度、結構穩(wěn)定性和懸浮穩(wěn)定性。PMSP表面用于固定化生物分子的高反應活性基團性質決定了生物分子固定化方式及固定后活性的保留比例，顆粒表面此類基團的總量決定了生物分子固定化容量。可見，PMSP的內部結構及包括表面高反應活性基團性質在內的表面結構是其應用價值的決定因素，制備PMSP時需同時考慮多方面因素的優(yōu)化。

磁力驅動分子在體內定向運動后靶向釋放藥物、磁分離分選細胞及磁信號作為標記物[8]，都要求粒徑在100 nm以內磁顆粒即納米磁珠。生物醫(yī)藥應用對PMSP和納米磁珠性能要求有差異。現就生物分離應用對PMSP性能要求及其制備與表征方法作一綜述。

1 PMSP表面的非特異吸附

PMSP在應用時需維持單分散狀態(tài)使其表面所固定生物分子發(fā)揮作用，且非特異吸附足夠低而懸浮穩(wěn)定性好。理論上，固定化生物分子后PMSP剩余表面仍可非特異吸附溶液中成分，這種剩余表面相互接觸還會造成PMSP聚集團聚而降低懸浮穩(wěn)定性。在生物親和磁分離中，非特異吸附會顯著提高來自非目標分子的本底信號而降低分析靈敏度。PMSP表面對混合物中目標分子特異結合與對非目標分子的非特異吸附的比值(信噪比)是PMSP應用價值的關鍵指標。顯然，要提高PMSP應用價值，其表面非特異性吸附應盡可能低，固定化生物分子密度盡可能高，固定化生物分子比活性盡可能接近游離狀態(tài)。現有方法制備的PMSP，其表面對來自生物樣品的很多成分都有較強非特異吸附。對PMSP進行表面修飾改性是降低PMSP非特異吸附的關鍵策略。聚集的PMSP懸浮穩(wěn)定性顯著降低而妨礙所固定化分子的活性，表面修飾覆蓋抗聚集成分也有利于抗聚集和提高PMSP懸浮穩(wěn)定性。可見，表面修飾改性方法是制備PMSP的關鍵技術之一。

生物樣品中，在PMSP表面發(fā)生非特異吸附成分包括大分子和小分子兩類，現有方法制備的PMSP表面都有一定疏水性，而疏水相互作用是各類物質非特異吸附的關鍵機制和發(fā)生聚集的關鍵作用力，增加PMSP表面親水性成為降低其非特異吸附的重要途徑。因此，用親水修飾劑對表面進行修飾改性是制備PMSP的關鍵技術之一。蛋白和核酸是來自生物親和磁分離樣品的主要大分子成分。核酸在有機聚合物包裹PMSP表面非特異吸附一般較低。膜蛋白在PMSP表面很容易發(fā)生非特異吸附且難以解決；水溶性蛋白質因其特殊的構象，也容易在PMSP表面發(fā)生非特異吸附。用強親水修飾劑對PMSP表面修飾改性是降低PMSP表面對水溶性蛋白質非特異吸附和抗PMSP聚集的關鍵策略；這類強親水修試劑包括聚乙二醇[9]、兩性離子化合物/聚合物[10-13]及天然生物大分子三類。理論上，用強親水物質為單體聚合包裹納米磁芯制備PMSP，有望同步實現制備和表面修飾，但其所需單體在設計和制備過程很難同時滿足聚合和修飾功能而無法達到預期效果。因此，制備PMSP后再用強親水修飾劑對其表面修飾改性仍是主要策略。

肝素和清蛋白是天然生物大分子修飾劑的代表[14]，但其與樣品中成分產生非預期的特異相互作用，且此類修飾劑穩(wěn)定性低，尤其這兩類蛋白對PMSP表面進行親水修飾后很難固定化生物分子，故應用受限。聚乙二醇是中性親水物質，其分子量越大則修飾后對降低PMSP表面的非特異相互作用越顯著，越有利于維持單分散狀態(tài)。但長鏈聚乙二醇分子量大，官能基團少且處于兩端，能夠固定在PMSP表面的量太少，無法顯著降低PMSP表面的非特異性吸附；用短鏈聚乙二醇修飾對降低PMSP表面非特異相互作用的效力太弱。用小分子兩性離子化合物修飾PMSP降低非特異相互作用很有吸引力，但此類修飾劑體積小，必需有很高修飾度才能封閉PMSP表面的疏水位點，而現有修飾工藝很難保障修飾度。因此，需綜合考慮成本和效力，制定PMSP表面用親水物質修飾的綜合性策略。

測定PMSP表面對水溶性蛋白的非特異性吸附需選擇模型蛋白和高靈敏度定量方法，所用模型蛋白吸附狀態(tài)檢測信號要與游離狀態(tài)相同或更高。洗脫吸附蛋白后變性電泳并染色顯示能表征PMSP表面非特異吸附，但其靈敏度低且只能定性。用吖啶酯標記三種模型蛋白(親和素、牛血清多抗和牛纖維蛋白原[15])，測定磁分離吸附蛋白的化學發(fā)光信號能高靈敏度測量PMSP的非特異吸附。用此方法發(fā)現Thermo Fisher Scientific的Dynal M280-鏈親和素結合生物素化山羊抗PTH多克隆抗體后，復合物對上述三種模型蛋白的非特異性吸附都低于0.1%。這類測定方法靈敏度高，但成本高。用吸附在PMSP 表面后活性不降低的水解酶為模型蛋白，分離吸附的水解酶后測定PMSP吸附酶的活性，是測定PMSP表面非特異吸附更簡便的定量技術[16]。

小分子化合物的疏水性是其在PMSP表面非特異吸附的主要驅動力。4-硝基-1-萘酚苯甲酸酯的LogP約4.0且便于反相HPLC測定；用此化合物為模型，發(fā)現用2種聚乙二醇不飽和酸單酯共聚合包被Fe3O4制備PMSP的非特異吸附很低[17]。但選用LogP接近6.0的4-硝基-1-萘酚辛酸酯，則此類PMSP表面的非特異性吸附仍很強[18]。這說明用聚乙二醇不飽和酸酯聚合包裹所得PMSP仍不適合篩選配體混合物組合庫。

目前生物醫(yī)藥應用的PMSP幾乎全部依賴于進口。傳統的方法是用磁珠先偶聯功能分子(鏈親和素，抗體等)后再用白蛋白進行封閉來降低磁珠表面的非特異性吸附，此方法能非常顯著的降低非特異性吸附，用于科學研究沒有問題，但在要求靈敏度更高的發(fā)光免疫領域依然無法勝任；更簡單適用且低成本的PMSP表面修飾技術仍然是制備PMSP的關鍵技術之一[19]。

2 磁響應速度

PMSP的磁響應速度是全自動分析測試速度的決定性因素。PMSP表面應有固定化生物分子所需有機官能團；有機單體和納米磁芯共聚合是制備PMSP的基本策略。制備過程中，常需先將納米磁芯用表面活性劑分散而防止聚集，以便獲得納米磁芯含量均勻的顆粒；納米磁芯用表面活性劑穩(wěn)定分散所得超順磁膠體稱磁流體[20]。將磁流體和所選有機單體分散均勻后再聚合包裹是制備PMSP的基本策略。相應地，所得PMSP的磁響應速度取決于其所含磁流體的比飽和磁化率及磁流體質量百分比兩個因素，同時也受PMSP形狀、粒徑大小、粒徑均一性和表面性質等因素的影響。PMSP中磁流體比飽和磁化率越高、所含磁流體質量比例越大，無疑其磁響應速度越快。但PMSP中磁流體含量越高則其密度必然很高，所得PMSP的懸浮穩(wěn)定性也就越低。故提高磁流體的比飽和磁化率對提高PMSP磁響應速度更有價值。

2.1 制備高比飽和磁化率磁流體的常用策略

制備磁流體方法包括物理法和化學法兩大類。化學法工藝簡單，設備要求低，粒徑易于控制，其又可分為共沉淀法、高溫熱分解法、水熱合成法及微乳液法等。現有方法所得Fe3O4磁流體的比飽和磁化率通常接近60 emu/g[21]。亞微米磁簇通過多個單疇磁性納米晶體的偶極相互作用提高了其磁飽和強度和磁響應性。近年來合成超順磁性亞微米磁簇的報道越來越多[22-24]。亞微米磁簇雖有很高的磁響應性，但其尺寸大于臨界超順磁尺寸，所以其粒子本身剩磁不為零，在水中容易聚集而應用受到限制。

2.1.1 共沉淀法制備磁流體 共沉淀法是制備磁流體最常用的方法，所制備的Fe3O4磁流體粒徑及磁響應性能穩(wěn)定，比飽和磁化率通常可達60 emu/g。共沉淀法所得磁流體的磁響應性能影響因素很多[25]。Qiu等[26]發(fā)現共沉淀體系加入1 M的NaCl后所得Fe3O4粒徑可減小約1.5 nm，但其飽和磁化強度由71 emu/g降低到63 emu/g。共沉淀法所得Fe3O4微粒晶體結構不完整而比飽和磁化率低，經加熱處理熟化后晶體結構完善而比飽和磁化率顯著提高；熟化過程促進了Fe3O4顆粒中雜質熔解分離，提高Fe3O4顆粒純度進而提高比飽和磁化率。熟化溫度一般在70～90 ℃，溫度過高會造成Fe3O4氧化而使得磁性下降。特殊的是，用反滴定化學沉淀法制備的Fe3O4磁流體比飽和磁化強度能達到104 emu/g[27]。

2.1.2 高溫熱分解法制備磁流體 高溫分解法以鐵的有機物作為前驅體熱分解成鐵原子，再由鐵原子生成鐵納米粒，通過控制氧化等途徑制備納米鐵氧化物。該法制備Fe3O4納米顆粒分散性好，晶型完整，粒徑均一。以乙酰丙酮鐵為前驅體，在二苯醚和乙醇分散體系中以油胺和油酸作為穩(wěn)定劑，熱分解制得粒徑為4 nm的Fe3O4納米粒，比飽和磁化強度高達82 emu/g[28-32]。

2.1.3 溶劑熱法制備磁流體 溶劑法是采用高沸點極性有機溶劑作為反應介質，鐵鹽作為鐵源，加入堿，在高于溶劑沸點的溫度下，生成亞微米磁性粒子或磁簇。用乙二醇作為溶劑和還原劑，醋酸鈉和聚乙二醇為穩(wěn)定劑，將六水合三氯化鐵在高壓釜中加熱到200 ℃反應得到粒徑從200 nm到800 nm的磁性顆粒(圖1)，比飽和磁化率接近 82 emu/g[33]。乙二醇作為溶劑和還原劑，無水三氯化鐵作為鐵源，檸檬酸鈉和無水乙酸鈉為穩(wěn)定劑，在高壓反應釜內200 ℃反應10 h，得到粒徑從80 nm到410 nm水溶性更好超順磁Fe3O4磁簇 (圖2)，比飽和磁化率接近 80 emu/g[34]。用一縮乙二醇作為溶劑和還原劑，無水三氯化鐵作為鐵源，聚丙烯酸作為穩(wěn)定劑，并加入氫氧化鈉，在反應釜中220 ℃反應1 h，得到粒徑從31 nm到174 nm水溶性更好的超順磁Fe3O4磁簇，比飽和磁化率接近 64 emu/g[35-36]。

2.2 提高納米磁芯比飽和磁化率的特殊策略：無機金屬離子摻雜

常見方法所得Fe3O4納米顆粒的飽和磁化率很難超過80 emu/g[37]。Fe3O4順磁顆粒有特殊晶格且晶格內有間隙。某些雜離子以填充方式進入這些晶格空隙，能改變所得超順磁顆粒的飽和磁化率。將少量NiO摻雜入Fe3O4粉體中進行高溫煅燒后可提高Fe3O4的磁化率[38]。用化學沉淀法所得Ni摻雜Fe3O4納米粉末，其飽和磁化率達到114 emu/g[39]。

2.3 PMSP中磁流體含量

提高PMSP中納米磁芯的質量比例/含量是提高PMSP磁響應性的關鍵[40]。在使用單體共聚合包裹磁流體制備PMSP的策略中，盡可能增加磁流體量并嚴密包裹是制備結構穩(wěn)定且高磁響應速度PMSP的最直接策略。將Fe3O4納米磁芯在磁性聚合物微球中的質量含量從17.4%增加到59.4%顯著提高了磁響應速度(圖3)；但難以解決懸浮穩(wěn)定性的問題[41]。有報道用乳液聚合包埋方法制備了納米磁芯含量高達70%的PMSP，但未提及如何進行表面修飾降低非特異吸附及保障懸浮穩(wěn)定性[42-43]。因此，據各種性能要求綜合考慮優(yōu)化制備PMSP過程和成分組方，依然是嚴峻的技術挑戰(zhàn)。

3 聚合成型和粒徑：粒徑和聚合成型的方式有關

制備PMSP主要用磁流體與單體分散后共聚合法，但不同聚合模式所得PMSP 粒徑不同。乳液聚合所得PMSP粒徑在0.05～0.5 μm，分散聚合所得PMSP粒徑在0.5～10 μm，懸浮聚合所得PMSP粒徑在100～1000μm，沉淀聚合所得PMSP粒徑為mm級(圖4)。制備PMSP也采用原位生成法，即先制備微球再在微球內部縫隙中原位沉淀生成磁性顆粒獲得所需PMSP。

3.1 原位生成法

原位法又被稱為浸漬法、滲磁法或化學轉化法。該方法首先制得單分散的致密或多孔聚合物微球，此微球含有可與鐵鹽形成配位鍵或離子鍵的基團(如各種含NH2基團、環(huán)氧基、OH、COOH、SO3H等)，隨后據聚合物微球所具有的不同功能基團以不同的方法來制備PMSP。上世紀80年代，Ugelstad等[44]用原位生成法合成了粒徑從0.5到20 μm的 PMSP，聚合物微球中無機磁性組分到達30%，并用該方法開發(fā)了系列商品化PMSP，包括Thermo Fisher Scientific目前暢銷的產品Dynabeads系列。

3.2 懸浮聚合法

溶有引發(fā)劑的單體以液滴狀懸浮于溶劑中進行自由基聚合的方法稱為懸浮聚合法。將水溶性單體的水溶液懸浮于油中，在引發(fā)劑的作用下進行聚合的方法，稱為反相懸浮聚合法。通過一步懸浮聚合法，水為溶劑，聚乙烯醇-1788(PVA-1788)為分散劑，過氧化苯甲酰作為引發(fā)劑，苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯為單體，二乙烯苯作為交聯劑，攪拌加熱到80 ℃聚合2 h制備得到40 μm 左右的大粒徑磁性微球[45]。

3.3 乳液聚合法

懸浮聚合法所得PMSP粒徑分布寬，而乳液聚合法所得PMSP粒徑分布窄。乳液聚合是在乳化劑的作用下借助機械攪拌，使單體在連續(xù)相中分散成乳狀液，在乳液內聚合成形。通過反相微乳聚合法，以琥珀酸二辛酯磺酸鈉(Aerosol OT，AOT)為乳化劑，聚乙二醇-1540-雙馬來酸單酯為單體，甲叉雙丙烯酰胺為交聯劑，過硫酸銨為引發(fā)劑，加熱到37 ℃聚合8 h一步聚合制備得到400～800 nm的磁性微球[18]。用一步無皂乳液聚合技術，用丙烯酸鈉為主要單體在磁流體存在下合成出表面含羧基、平均粒徑接近80 nm的磁性復合微球[46]。用反相微乳聚合法制備了丙烯酰胺包覆的尺寸在80 nm左右的磁性復合微球，飽和磁化強度明顯隨磁性顆粒含量的升高而增大[47]。

3.4 分散聚合

分散聚合法合成大粒徑、單分散性且粒徑范圍窄的PMSP有顯著優(yōu)勢，且能方便引入PMSP表面的功能基。分散聚合是一種特殊的沉淀聚合，反應之前單體、溶劑、引發(fā)劑、分散劑等是一個分散均一的體系，反應開始以后，聚合物達到一定分子量后，從反應體系中沉淀出來。用高溫分解法制備Fe3O4磁流體，表面改性劑12-羥基正十二烷酸對其進行表面修飾并分散在無水乙醇中；再通過一步分散聚合，選擇乙醇/水(8∶2)作為溶劑，有機高分子聚乙烯吡咯烷酮為分散劑，偶氮二異丁腈作為引發(fā)劑，苯乙烯為單體，機械攪拌加熱到70 ℃聚合24 h制備得到1 μm到5 μm 的磁性微球[48]。

4 單分散性及懸浮穩(wěn)定性

PMSP維持單分散狀態(tài)時很穩(wěn)定，而PMSP團聚后懸浮穩(wěn)定性顯著降低而易出現沉降；PMSP的單分散性及懸浮穩(wěn)定性主要與粒徑、密度和表面性質有關。Hirschein[49]定量描述了磁分離速度與外部磁場強度、PMSP比飽和磁化率及其粒徑的關系，表明大粒徑PMSP(>10μm)磁分離速度快，原因是粒徑越大其包裹的磁性物質越多對應磁力越大，但所含磁性物質多則密度高而易自然沉降，即懸浮穩(wěn)定性低。相反，小粒徑磁性微球(<0.03 μm)通過振蕩混勻就能夠分散在溶液中而不沉降，但在分離時則需要很強磁場。因此，應據應用需求，綜合考慮這兩方面來選擇磁性微球的粒徑。

PMSP懸液有很強的濁度且能用可見光的吸收近似定量。PMSP顆粒發(fā)生聚集后很容易沉降，使得PMSP分散液的濁度顯著降低；檢測PMSP分散液濁度變化可方便地檢測其懸浮穩(wěn)定性。用此近似方法，發(fā)現Thermo Fisher Scientific的Dynabeads系列商品化磁珠在中性緩沖溶液中3.75 h自然沉降達到15% (圖5)。已報道數據中，用親水的聚乙二醇雙順丁烯二酸單酯為單體聚合包裹磁流體制備的PMSP在緩沖液中懸浮穩(wěn)定性最好，10 h自然沉降比例仍然僅約15%，但其磁響應速度很慢[18](見圖6)。

5 表面的高反應活性基團、對生物分子的固 定化容量

PMSP表面用于固定化生物分子的官能團可在有機單體和磁流體復合過程中引入，也可在制備PMSP后通過表面修飾生成。決定PMSP結合容量及固定化產物活性的因素包括：(1) 暴露在磁珠表面的活性官能團含量；(2) 官能團的活化方式；(3) 生物分子的固定化反應及條件；(4) 固定化生物分子和PMSP的間距，即是否有足夠長的連接臂。

PMSP表面結合或固定化生物分子的容量受到很多因素的影響。非特異吸附固定化的蛋白容易失去活性，固定化的強度很低而容易丟失，故常需共價固定化。固定化蛋白的過程需在水溶液中進行，PMSP表面官能團的活化程度和反應活性，影響固定化容量和固定化蛋白的比活性。很多文獻報道，PMSP表面固定化非特異性吸附能力很強的脂肪酶、血清清蛋白的最大容量可遠遠大于10 mg/g[50-52]，但固定化非特異吸附很弱的酶或蛋白時結合容量通常僅有1～3 mg/g[18,53](圖7)。顯然，只有保持固定化蛋白的比活性相對于游離狀態(tài)無明顯下降而顯著增大固定化容量才有意義。

綜上所述，為了同時滿足應用對PMSP各項性能的要求，PMSP制備策略需系統性優(yōu)化。限于PMSP的巨大商業(yè)價值，其制備的很多核心信息未曾公開，對探索更好的PMSP制備方法帶來挑戰(zhàn)。

PMSP目前應用最廣的是在體外診斷行業(yè)(IVD)，在其細分領域分子診斷的核酸提取中和免疫診斷的磁分離全自動發(fā)光免疫檢驗中都是必需原材料。除此之外，在科研領域，比如細胞分選，免疫共沉淀，核酸提取等應用也非常廣泛。由于所屬行業(yè)的差距，對PMSP的要求也有所不同。目前國產磁珠基本能夠滿足科研領域研究的需要，甚至在IVD中分子診斷領域的核酸提取也能勝任；但是在要求靈敏度更高的磁分離全自動發(fā)光免疫檢驗中，國產磁珠能勝任的就寥寥無幾。其主要原因在于，綜述所提到的幾個性能指標不能同時滿足。

非特異性吸附決定磁珠的信噪比；磁響應速度決定磁珠的分離時間，這個也是決定單機測試數目的關鍵因素；懸浮穩(wěn)定性決定反應的均一性，反應測試項目的重復性；結合容量決定單次需要磁珠的用量，反應的是單次測試磁珠的成本；結構穩(wěn)定性決定的是磁珠的保質期；除此之外，客戶最關心的是磁珠的批內和批間差，反應的是產品的穩(wěn)定性，重復性。

目前國內全自動發(fā)光免疫檢驗所需微米磁珠市場超 2.0億，但至今全部依賴進口，全球主要供應商依次是美國 Thermo Fisher Scientific(鏈親和素磁珠和羧基磁珠)、日本 JSR (鏈親和素磁珠)、德國 Merck(羧基磁珠)。中國和歐美日發(fā)達國家產生貿易爭端造成發(fā)光免疫磁珠供應不穩(wěn)定。所以，國內 IVD 行業(yè)雖已有較大規(guī)模但仍“缺芯少魂”；發(fā)光免疫磁珠作為 IVD 核心原料，實現其國產替代是我國 IVD 行業(yè)持續(xù)快速發(fā)展的必要前提。

由于國外技術壟斷，要想實現技術突破，沒有捷徑，唯有積累更多的數據、明確各種性能的影響因素并綜合考慮優(yōu)化整體的制備策略，是最終獲得滿足應用要求的PMSP的必要途徑。