磁性納米顆粒在法醫(yī)學痕量分析中的應用進展

程忠平，劉燕飛，徐興敏，莫耀南

1.河南科技大學基礎醫(yī)學與法醫(yī)學院，河南 洛陽 471000；2.河南科技大學物理工程學院，河南 洛陽471000

磁性納米顆粒（magnetic nanoparticle，MNP）是一種由鐵、錳、鈷等金屬元素及其氧化物組成的新型納米材料。其中，F(xiàn)e3O4納米顆粒憑借其毒性小、穩(wěn)定性好、生物相容性好且具有超順磁性、高比表面積等特性已在醫(yī)學影像診斷、腫瘤熱療、藥物遞送、分離與純化、食品、環(huán)境污染檢測等領域得到廣泛應用[1-4]。近年來，已有學者嘗試利用MNP 在痕量樣本中提取到足夠的、高質量的目標物，以滿足法醫(yī)學痕量分析要求[5-7]。為此，本文綜述了MNP 在法醫(yī)毒物分析、環(huán)境法醫(yī)學、痕量物證分析和刑事偵查領域中的應用進展，以期為MNP 在法醫(yī)學痕量分析領域的應用提供研究思路。

1 MNP 在法醫(yī)毒物分析中的應用

MNP 通過與其他物質結合產生的聚合物具有獨特的疏水性、π-π 作用、極性官能團、離子交換性質和主客體識別作用，可提高吸附的選擇性、生物相容性、可重復性、易分離性等[8]，適用于法醫(yī)毒物分析和藥物濫用領域對痕量物質的篩查。

1.1 在毒品檢測中的應用

目前，毒品的種類多樣，隱蔽性強，相似毒品難以區(qū)分，這就對毒品的高效檢測提出了較高的要求。近年來的研究表明，MNP 經表面修飾與分子印跡技術（molecular imprinting technology，MIT）或固相萃?。╯olid phase extraction，SPE）相結合已成功應用于相關毒品的分析檢測。如BOOJARIA 等[9]將硅烷修飾改性的MNP 作為一種新型吸附劑，結合高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）測定人頭發(fā)中嗎啡，優(yōu)化實驗條件下線性范圍為1～800 μg/L，檢出限（limit of detection，LOD）可達到0.1 μg/L。SUPIYANI 等[10]以稻殼為原料通過溶膠-凝膠法制備了二氧化硅納米顆粒并應用于水中甲基苯丙胺（methamphetamine，MA）的檢測，最大吸附量達到333.3 mg/g，甲基苯丙胺的吸附動力學符合準二級動力學。YILMAZ 等[11]綜述了分子印跡技術在法醫(yī)科學中的應用，其中多處是分子印跡技術與MNP 的綜合應用。EL-BEQQALI 等[12]基于固相微萃取生物流體樣品制備的苯丙胺選擇性分子印跡溶膠-凝膠MNP 對尿液中的甲基苯丙胺具有特異性結合能力，可多次再利用，LOD為1.0 ng/mL，定量限（limit of quantitation，LOQ）為5 ng/mL，準確度為91.0%～104.0%。BATTAL 等[13]制備了大麻素印跡的納米顆粒聚合物傳感器，LOD 達到0.20～0.45 pg/mL。ZHANG 等[14]合成了一種磁性多壁碳納米管（Fe3O4/O-MWNT）用于磁性固相萃取（magnetic solid phase extraction，MSPE），結合氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）技術定量分析了1 名無吸毒志愿者和1 名疑似吸毒者的尿液和全血樣本中的甲基苯丙胺和氯胺酮，此方法線性關系良好，甲基苯丙胺和氯胺酮的LOD 分別為0.04 ng/mL 和0.02 ng/mL，遠低于聯(lián)合國毒品和犯罪問題辦公室建議的閾值（甲基苯丙胺為10.0 ng/mL，氯胺酮為1.0 ng/mL）[15]。但MNP 在空氣中容易團聚、化學性質不穩(wěn)定且對目標物的吸附和富集作用力弱，需要對其表面的修飾或改性進一步研究使之成為生物相容性更高和更加穩(wěn)定的磁性納米材料。

1.2 在毒（藥）物檢測中的應用

磁性固相萃取在樣品前處理中可選擇性地將目標物吸附到分散的磁性吸附劑表面，通過外部磁場促進固體物質與液體的分離，具有分散性、無毒、吸附能力強、重現(xiàn)性好等特點，被廣泛應用于各種生物檢材中痕量目標物的分離富集[16]。王澤嵐等[17]制備的核殼結構的MNP（Fe3O4@SiO2@PANI）可選擇性地富集分離牛奶中4 種痕量磺胺類抗生素，結合高效液相色譜-質譜（high performance liquid chromatography-mass spectrometry，HPLC-MS）進行分析檢測，結果在10～500 μg/L 范圍內線性關系良好，LOD 為1.3～8.2 ng/mL，該方法具有靈敏度高、選擇性強、抗干擾性好的特點，適用于乳制品中痕量磺胺類抗生素的檢測。葉學敏等[18]制備合成的Fe3O4@SiO2@C14mimBF4聚合物可用于固相萃取環(huán)境水中痕量磺胺類藥物（磺胺噻唑、磺胺甲二唑、苯甲酰磺胺、磺胺氯吡嗪）的定量分析檢測。馮祖飛等[19]將羥基化修飾的多壁碳納米管與MNP 結合，可固相萃取血漿樣品中的士的寧和馬錢子堿，在萃取時間30 min、吸附劑量3.38 mg 的條件下，LOD 和LOQ 分別為6.2～6.3 ng/mL 和20.5～21.0 ng/mL，此方法無需離心、過濾，在外加磁場作用下即可將血漿中的目標化合物萃取分離，為生物樣本中痕量物質的檢測提供了新的技術手段。

精神類藥物濫用對人體身心健康均造成不良影響，近年來利用精神類藥物進行的犯罪活動也逐漸增多[20-22]。FARNOUDIYAN-HABIBI 等[23]將 咪 唑 類離子液體修飾的MNP（Fe3O4@SiO2-Imz）作為固相萃取劑，對血清中兩種三環(huán)類抗抑郁藥阿米替林及其代謝物去甲替林進行吸附，通過分光光度法測定，結果顯示，阿米替林和去甲替林的LOD 分別為0.90 ng/mL 和0.19 ng/mL，LOQ 分別為2.93 ng/mL 和0.63 ng/mL，線性范圍均為1～5 ng/mL。氟西汀，也稱為“百憂解”或“薩拉菲”，是目前全球處方最多的抗抑郁藥，但引起了嚴重的公共健康問題[24]?；诒砻嬗≯E法制備的一種磁性分子印跡聚合物（magnetic molecularly imprinted polymer，MMIP）可對人體尿液中的氟西汀進行痕量萃取，該方法的動態(tài)檢測范圍為0.8～10.0 ng/mL，LOD為0.03 ng/mL，具有選擇特異性、無毒、生物降解性和高吸附能力，為氟西汀在體內藥物代謝以及毒理學研究提供了一種更加便捷的分析方法[25]。陳建虎等[26]合成了C18修飾的MNP（Fe3O4@SiO2@C18），通過固相萃取提取并富集尿液樣品中9 種常見安眠類藥物，再聯(lián)合GC-MS 進行定量分析，結果表明，9 種常見安眠類藥物的LOD 為0.2～0.6 μg/mL，回收率為60.5%～89.5%，該方法可用于大批量尿液樣本中常見安眠類藥物的定性定量檢測。

2 MNP 在環(huán)境法醫(yī)學中的應用

2.1 在環(huán)境污染物取證中的應用

環(huán)境污染物取證涵蓋了水污染、空氣污染和土壤污染等各個方面，包括識別污染物、確定其可能的來源、估計其釋放和分布到環(huán)境中的大致時間、分配污染物來源之間的損害責任以及起訴責任人等。如三氯苯酚由于其高效的抗菌作用被廣泛應用于各行業(yè)，然而，大量三氯苯酚釋放到水生態(tài)環(huán)境中后，會對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構成潛在風險[27]。LU等[28]以檸檬酸鹽修飾的MNP 為核心，利用溶膠-凝膠法包裹SiO2合成具有核殼結構的載體，結合分子印跡技術以三氯苯酚為模板分子制備了MMIP，該MMIP 對水環(huán)境中的三氯苯酚具有特異選擇性，2 min 內吸附量為53.12 mg/g，作為環(huán)境友好型吸附劑，MMIP 顯著減輕了三氯苯酚對萊茵衣藻的毒害作用。

鄰苯二甲酸酯（phthalic acid ester，PAE）是大氣顆粒物、淡水、沉積物、土壤和垃圾填埋場中最常見的持久性有機污染物之一，人或動物長期接觸PAE 可導致體內雌性激素失調、內分泌混亂，甚至誘發(fā)癌癥[29]。GUO 等[30]通過介孔二氧化硅修飾磁性氧化石墨烯的表面，與雙模板分子鄰苯二甲酸二丙酯和鄰苯二甲酸二異壬酯結合制備的MMIP 較單一模板分子對水中6 種PAE 具有更高的吸附量，LOD 和LOQ 分別為0.01～0.05 μg/L 和0.05～0.20 μg/L，其加標回收率高于92.9%。

2.2 在有毒重金屬監(jiān)測中的應用

有毒重金屬對生態(tài)環(huán)境的污染是多方面的[31-34]，如何更好地監(jiān)測環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)中的重金屬污染物是治理和維護環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的關鍵，在環(huán)境法醫(yī)學中也具有重要意義。六價鉻［Cr（Ⅵ）］由于其高毒性、致癌性和致突變性，對人體健康和環(huán)境構成嚴重威脅[35]。ZHONG 等[36]通過微波共熱解法將稻殼與硫酸亞鐵（FeSO4）混合，制備了具有活性的MNP 和磁性生物炭的混合體用于去除水中的六價鉻，研究結果表明，磁性生物炭中多孔型的MNP 對六價鉻具有高吸附性，比稻殼生物炭對六價鉻的吸附和還原效率分別高出3.2 倍和11.7 倍，從而具有更高的去除效率（84.3%）和平衡吸附量（8.35 mg/g）。

金屬有機骨架（metal-organic framework，MOF）憑借其較大的表面積、可調節(jié)的孔隙和足夠的活性吸附位點，在氣體分離、能量儲存和藥物輸送等研究領域已得到廣泛應用[37]。ZHOU 等[38]以MNP 為核、UiO-66為內殼、聚吡咯為外殼，采用直接外延生長和原位聚合法制備了一種核-雙殼結構的鋯基磁性納米復合材料（UiO-66@Ppy），該磁性鋯基MOF 具有較高的比表面積（52.49 m2/g）、可控的孔徑以及更高的吸附量（259.1 mg/g），可選擇性地從水中有效去除六價鉻。

2.3 在農藥殘留取證中的應用

三嗪類農藥是水果、蔬菜及谷物種植的常用除草劑之一，但毒理學研究[39]表明，三嗪類農藥殘留物有致癌作用，可導致嬰兒先天性生理缺陷及免疫系統(tǒng)紊亂。ZHOU 等[40]基于靜電效應用沸石咪唑骨架材料（ZIF-8）修飾MNP 表面以減小聚合物空間阻力，經過鋅離子（Zn2+）和咪唑配體的π-π 效應與π-絡合效應，增強了目標物之間的作用力，提高了比表面積和穩(wěn)定性，該方法可萃取不同環(huán)境樣品中4種三嗪類除草劑，LOD 為0.18～0.72 ng/mL。此外，周戀[41]還利用反相乳液交聯(lián)和水熱法，合成了殼聚糖和MIL-101（Cr）修飾的新型磁性功能化MOF 復合材料，由于殼聚糖分子和MOF 材料兩者獨特的優(yōu)勢，制備的功能化磁性納米材料分散性和穩(wěn)定性較好，可用于茶飲料和果汁樣品中4種苯甲酰脲類殺蟲劑的檢測。吸附實驗結果顯示，在優(yōu)化條件下線性范圍為1.0～100 ng/mL，相關系數(shù)均大于0.999 2，對4 種殺蟲劑目標物的絕對回收率和加標回收率分別為80.3%～90.8%和88.0%～102.1%。姚偉宣等[42]通過化學共沉淀法將MNP 負載于酸化多壁碳納米管（acid multi-walled carbon nanotubes，AMWNTs）表面，制備了磁性納米材料Fe3O4/AMWNTs，可用于富集萃取水樣及蜂蜜樣品中痕量擬除蟲菊酯類農藥殘留，并聯(lián)合氣相色譜對6 種菊酯類農藥殘留進行了定量檢測。張凌怡等[43]將C18修飾的MNP 用于水樣中7 種農藥的固相萃取，采用GC-MS 進行定性定量分析，結果表明，C18修飾的MNP 在萃取水中不同濃度化合物時分配不同，非極性化合物保留較好，極性化合物較弱。同時，該方法用于3 例水樣中未知農藥投毒案件的取證檢測，2 例水樣中檢測出農藥氟胺氰菊酯，質量濃度分別為5.16 μg/L 和0.47 μg/L，另一樣品中檢測出甲氰菊酯，質量濃度為3.72 μg/L。

3 MNP 在痕量物證分析中的應用

在法醫(yī)物證學中，痕量證據(jù)對于現(xiàn)場勘驗中發(fā)現(xiàn)與犯罪者相關的痕跡、物品，犯罪嫌疑人認定以及犯罪地點判定等具有重要意義。然而，在“痕量證據(jù)”中獲取足夠高質量的樣本困難重重。MNP 因其具有超順磁性和生物相容性的特點，在核酸提取[44-45]、細胞免疫磁性分離[46]、蛋白質分離[47]中的應用越來越受到關注。

3.1 在痕量核酸提取中的應用

高純度、高質量的RNA 是在分子水平研究生物個體遺傳的基礎，MNP 擁有獨特的結構和超順磁性、生物相容性，可直接從血液、組織勻漿、培養(yǎng)基、水等粗制樣品中將核酸提取出來，避免了離心步驟[44]。MENG 等[48]合成的深共熔溶劑修飾的磁性復合材料（Fe3O4-COOH@UiO-66-NH2@DES）可從藥用酵母中選擇性提取RNA，而不是DNA、牛血紅蛋白和氨基酸，且吸附劑在循環(huán)6 次后仍具有穩(wěn)定性和再生性。有研究[49]表明，表面功能化的MNP 可從高濃度污染物中有效捕獲純化核酸生物標志物。如采用水熱法制備多巴胺修飾的MNP（Fe3O4@PDA），以磁性固相萃取為基礎，結合PCR 和瓊脂糖凝膠電泳技術，能夠高效捕獲原始生物樣本中的DNA 分子，無需預先洗脫分離，且對于不同DNA 片段均可有效提取，較免疫磁珠和旋轉柱核酸提取方法更方便、快速和有效[50]。

3.2 在復雜生物樣本免疫細胞分離中的應用

程昉等[51]利用磁性微核-砜基-聚乙二醇鏈的核-殼結構的MNP，分別對人、牛、羊和兔的免疫球蛋白G（immunoglobulin G，IgG）吸附性能進行研究，經氨基聚乙二醇2000 修飾后，具有最優(yōu)的抗體分離性能，IgG 的吸附量為132.8 mg/g，選擇性為32.5［IgG 吸附量/牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）吸附量］，該方法應用于復雜生物樣本的抗體分離，可從胎牛血清中得到純度為96%的IgG，同時從無血清細胞培養(yǎng)基中得到純度為99%的奧馬珠單抗，較傳統(tǒng)的Protein A 配基具有物種特異性、親和性和快速分離的優(yōu)勢。許炎等[52]利用免疫磁珠有效分離了女性陰道上皮細胞中混有的精子細胞，能完全獲得女性陰道拭子中單個嫌疑男性的基因型，進而為法庭審判提供有力證據(jù)。

3.3 在復雜生物檢材蛋白質識別中的應用

對基質復雜的生物檢材中的目標蛋白進行快速高效的特異性識別，是蛋白質分離領域的難點。王文靜等[53]利用溶劑熱法制備了羧基功能化的MNP，經過3-（異丁烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷和聚丙烯酸修飾，使其表面富含雙鍵并與NTA-Ni2+螯合成Fe3O4/MPS/PAA/NTA-Ni2+磁性納米復合材料，該復合材料5 min內對組氨酸標簽蛋白的選擇性吸附能力為15.0 g/mg，富集力為90%，將其運用于復雜基質中的蛋白質分離與純化具有高度特異性。陳炯等[54]利用人脂質運載蛋白6（human lipocalin 6，hLCN6）單克隆抗體偶聯(lián)包被的免疫磁珠捕獲分離精子細胞，并對混合斑進行STR 分型，該方法成功應用于法醫(yī)學性侵案件中混合檢材精子的分離，且操作簡單、高效。

4 MNP在刑事偵查潛指印顯現(xiàn)中的應用

在法庭科學中，犯罪嫌疑人在案發(fā)現(xiàn)場留下的指紋是偵查人員分析、鑒別、認定犯罪嫌疑人的依據(jù)，也是刑偵人員查驗、揭露和證實犯罪嫌疑人犯罪的有效途徑[55]。MNP可與潛指印中無機、有機類物質相結合，并利用光子晶體或高效發(fā)光體照射激發(fā)結合在潛指印上的納米材料，使其發(fā)出熒光，然后通過識別熒光光譜圖，從而有效識別出犯罪嫌疑人指紋圖譜[56-57]。劉嘉揚等[58]制備的MNP 輔以微波輻射，可用于多種客體表面（金屬門把手、玻璃、塑料、油漆、紙張、桌面等）潛指印的顯現(xiàn)，且懸浮在溶液中的MNP可在5 s內被吸到永磁體的表面，與指紋殘留物中的濕潤物質或油脂類物質間進行靜電吸附，呈現(xiàn)出清晰的紋線和細節(jié)特征。與傳統(tǒng)的金、銀粉末顯現(xiàn)的指紋線相比，MNP展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，在刑事偵查個體識別中具有實際作用。

5 機遇與挑戰(zhàn)

MNP 在不斷的發(fā)展過程中逐漸形成了“納米磁醫(yī)學工程”，包括磁共振成像、生物傳感器、靶向載藥等新的交叉學科，繼而為各學科的應用提供了更加廣闊的發(fā)展空間。目前研究[59-60]表明，兩種或兩種以上具有不同物理化學性質的MNP 聚合物具有尺寸小、磁性強、耐酸堿腐蝕、生物相容性強、比表面積大、催化吸附能力強等特性，可嘗試將MNP 運用于法醫(yī)毒物分析、環(huán)境法醫(yī)學、痕量物證分析等的檢材取樣和處理等方面。利用先進的磁學理論和納米技術，進行創(chuàng)新性的科學研究，建立新型的痕量分析方法，可為法醫(yī)學研究提供更加有效的技術手段。然而，在法醫(yī)學應用中，痕量目標物的取樣和制備是一個多樣化的研究領域，往往受到樣品量、雜質、人為因素的影響，因此，將MNP 應用于法醫(yī)學痕量分析也面臨如下挑戰(zhàn)：（1）磁性探針的生物相容性、毒性的評價、靶向效能和長期穩(wěn)定性，必須使用體外或體內模型進行研究；（2）為了提高磁性納米材料的生物靶向性和增強其物理化學性能，還需要進一步探索MNP 的功能化；（3）如何將MNP 與智能傳感器、量子光學研究相結合，更加快捷、高效地對犯罪嫌疑人殘留痕量目標物進行分離提取，再利用計算機高通量的處理能力建立應用廣泛的數(shù)據(jù)庫，將會極大地提高MNP 在法醫(yī)學鑒定中的應用效率。