CN108998001A - 一种利用光镊装置捕获磁性粒子及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用光镊装置捕获磁性粒子及其制备方法，取含有磁性的金属研磨成粉，依次用乙醇、水、丙酮清洗，然后将其真空干燥2‑8小时；将金属粉末和正硅酸乙酯分散在体积比为(1∶10)‑(10∶1)的乙醇和水混合溶剂中；分散20‑30min后向体系中加入氨水的乙醇溶液，所述的氨水的乙醇溶液中质量分数为3％‑15％的氨水，乙醇；室温反应1‑12h后产物用磁铁分离，然后分别用乙醇、水、丙酮清洗，在36‑100℃真空干燥1‑12h，得到产物；将得到的产物超声并机械搅拌分散在的甲苯中。本发明制备的纳米粒子兼备了磁性、生物活性和荧光性能三方面的优良特性，使得其在生命科学、基因学、药物学以及细胞成像等生物医药领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及生物制备领域，尤其涉及一种利用光镊装置捕获磁性粒子及其制备方法。
背景技术
磁性微球是由磁性纳米粒子和高分子骨架材料制备而成的。其中的高分子 材料包括聚苯乙烯、硅烷、聚乙烯、聚丙烯酸、淀粉、葡聚糖、明胶、白蛋白、 纤维素等。有天然材料也有合成材料，可以单独应用也可以合用作骨架材料。 这些骨架材料性质稳定、强度较高、无毒副作用，故可称为免疫磁性微球。无 论是实验研究或是临床应用均表明，免疫磁性微球在生物医学及药物释放中正 发挥着巨大的作用。表面修饰改性后的纳米磁性粒子广泛应用于细胞分离、免 疫分析、酶同定化、磁共振成像、靶向载药、肿瘤磁介导热疗等方面。
近年来，在纳米材料领域，研究最为广泛的就是应用各种荧光探针进行生 物活性物质的检测，这些荧光探针应该有如下特点：有较好的光稳定性、不易 被光解或漂白、对生物体本身功能的影响小、有良好的激发和荧光效率、对所 测的生物体有很好的成像和标记作用。同时，通过对荧光粒子的改性，引入不 同的表面结构，使得粒子在一定程度上可以作为基因和药物的载体，同时不破 坏粒子本身的荧光特性，使得我们可以对基因的转染和药物的释放过程进行跟 踪。
磁性微球的核为四氧化三铁。四氧化三铁的最主要性质为超顺磁性。当磁 性纳米粒子的颗粒粒径小于临界尺寸时，磁体的极性呈现随意性，没有磁滞现 象，撤去外磁场后，其剩磁就会很快消失，剩余磁化强度几乎为零，这就是超 顺磁效应。超顺磁性的产生与磁性纳米材料的粒径有很大的关系，不同的磁性 纳米材料其临界尺寸不同，低于临界尺寸的材料，称为超顺磁材料。这种材料 的最大优点就是在外加磁场去除后，没有剩余磁化强度。这种磁学特性使得磁 性纳米材料在磁共振成像、磁分离、磁靶向药物输运等诸多领域中具有广泛用 途。
在众多荧光化合物中，稠环芳烃是一类有强烈荧光的芳香烃化合物，具有大的共轭π体系。衍生物具有优异的化学、热和光化学稳定性，对从可见区到 红外区的光有很强的吸收，是一类性能特异的分子电子学材料，在激光材料、 生物荧光探针分子、液晶显示材料、电致发光器件、感光体及太阳能电池方面 已经有广泛的应用。其中，萘、苝以及三萘嵌二苯等分子内的电子共轭度和分 子共平面度极大，因此具有很高的荧光量子产率。由于这类化合物荧光性很强， 因此对它们的性质研究和应用探索一直以来都是异常活跃的课题。
申请号为CN201210119809.7的发明专利，公开了一种具有生物活性的磁性荧光纳米粒子及其制备方法，本发明制得的纳米粒子为核壳结构，其中粒子的核为四氧化三铁，为粒子提供了良好的磁性性能；粒子的壳层为二氧化硅，起到了保护四氧化三铁的作用，同时为表面改性提供平台；然后通过氨基和羧基的反应向粒子表面引入具有生物活性的带有羧基或氨基的生物分子和带有氨基或羧酸基团的荧光化合物，使得该纳米粒子具有良好的生物相容性和优异的光学性能。本发明制备的纳米粒子兼备了磁性、生物活性和荧光性能三方面的优良特性，使得其在生命科学、基因学、药物学以及细胞成像等生物医药领域具有广阔的应用前景。
光镊技术基于光的力学效应，能够捕获操纵微米、纳米级的微粒，并对所施加的力进行测量，具有非接触、无损伤、高精度的特点，被广泛用于生物单分子、细胞等测量领域中，极大的促进了定量生物学的发展。光镊技术主要利用高度聚焦的激光光束产生三维势阱从而对微小粒子产生吸引，通过测量微球与光阱中心的距离计算相应受到的作用力。微球往往均匀分布于样品池中，传统的光镊系统在使用时缺少选择性和排他性，处于光阱附近的任何介电粒子都有可能被捕获。为防止同时捕获多个微粒而影响实验测试过程，目标样品必须以非常低的浓度分散在液体中。对于手动操作与半自动操作的光镊，往往需要花费较多时间用于微球的捕获上面，大大降低了实验效率，加重了操作者的实验负担。光镊技术的自动化因而成为研究的重点。
光镊技术的自动化技术目前已有很多成果与进展。Grover等人利用图像处理技术实现了一种自动分拣单细胞的方法，Wu等人实现了一种A*算法用于单细胞搬运的路径规划。同样，Banerjee等人实现了一种自由路径规划算法用于单细胞的搬运。Chapin等人将交通规则引入粒子的搬运，实现了粒子的排列。CHeah等人建立了包含粒子布朗运动的运动模型，实现了一种用于控制粒子运动的控制器。
以上研究多数建立在一种过度理想环境当中，如干净、稳定的液体环境。并且更多针对的是细胞等较大的粒子在具有较大视场下的运动控制算法，对于测量应用所需的算法还不多。针对用于力谱测量的光镊系统，其所需微粒直径更小，一般在1-2um左右；所需光阱的刚度更高，往往需要达到0.5pn/nm,也就意味着使用的物镜具有更高的数值孔径，从而使得观察视场和景深都变得有限，最终使得粒子重复捕获的现象更容易发生。同时由于刚度的提升也需要更高的激光功率，这样也导致了在样品池中加热效应更加明显，并导致了样品池中液体的对流。粒子除了布朗运动还要收到液体环境对流的影响，使得针对性的捕获粒子变得更加困难。
基于上述所述，我们提供一种利用光镊装置捕获磁性粒子及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种利用光镊装置捕获磁性粒子及其制备方法，本发明制备的纳米粒子兼备了磁性、生物活性和荧光性能三方面的优良特性，使得其在生命科学、基因学、药物学以及细胞成像等生物医药领域具有广阔的应用前景。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种利用光镊装置捕获磁性粒子及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：
1) 取含有磁性的金属研磨成粉，依次用乙醇、 水、丙酮清洗，然后将其真空干燥2-8小时；
2) 将步骤1的金属粉末和正硅酸乙酯分散在体积比为(1∶10)-(10∶1)的乙醇和水混合溶剂中；分散20-30min后向体系中加入氨水的乙醇溶液，所述的氨水的乙醇溶液中质量分数为3％-15％的氨水，乙醇；室温反应1-12h后产物用磁铁分离，然后分别用乙醇、水、丙酮清洗，在36-100℃真空干燥1-12h，得到产物；
3) 将步骤2得到的产物超声并机械搅拌分散在的甲苯中；然后加入氯丙基三乙氧基硅烷，室温反应1-12h后用磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮清洗，36-100℃真空干燥1-12h；
4) 将带有羧基或者氨基的生物分子和催化剂溶解于PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液中，然后加入步骤3得到的产物，进行超声反应30-60min，然后室温搅拌反应24-48h，磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液清洗，在36-100℃真空干燥1-12h；
5) 将带有氨基或者羧基的荧光染料和催化剂溶解于PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液中；然后加入步骤4得到的产物，在冰浴中超声搅拌反应20-40min，然后室温下搅拌反应24-48h；磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液清洗，36-100℃真空干燥1-12h，得到具有生物活性的磁性荧光粉末；
6) 将其得到的磁性荧光粉末置于粒子分离池，并在粒子分离池中倒入悬浮液；
7) 将粒子分离池置于光镊装置，
8) 调整光镊装置中的显微物镜，放大粒子分离池磁性荧光粉末，使其能够清晰的看到磁性荧光粉末中的磁性荧光纳米粒子；
9) 打开光镊装置中的激光发射器，使其发射的激光束在粒子分离池形成光镊，用于捕获粒子分离池中的磁性荧光纳米粒子；
10)将捕获的磁性荧光纳米粒子分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液清洗，36-100℃真空干燥1-12h，从而得到具有生物活性的磁性荧光粒子。
作为优选，所述光镊装置包括显微物镜、激光发射器、光线分束器、空心光纤锥、粒子分离池和计算机控制单元，所述计算机控制单元连接激光发射器，所述激光发射器发射的激光光束经由光线分束器反射到空心光纤维，在其尖端产生倐逝场光镊，实现对粒子分离池中的磁性荧光粒子的捕获和转移；所述激光发射器发射的部分激光光束经由光线分束器反射到显微物镜。
作为优选，所述粒子分离池包括垫片、分流垫片、石英窗口片、粒子通道和粒子收集容器。
作为优选，所述显微物镜上方还设置有连接计算机控制单元的图像传感器，所述图像传感器包括摄像机、CCD或摄像头中的一种。
作为优选，所述光线分束器设置为半透的反射镜。
作为优选，所述图像传感器前面设置有滤光片。
作为优选，所述激光发射器采用可调谐激光光源或可调强度激光光源的光镊发射器。
作为优选，步骤4中所述的带有羧基或者氨基的生物分子为羧甲基壳 聚糖、羧甲基纤维素、羧甲基淀粉或聚氨基酸。
作为优选，所述的带有氨基或者羧基的荧光染料的结构式为：其中，R 1为C1-C10的带有磺酸基以及季铵盐的离子型基团；R 2为C1-C20 的带有羧基或氨基的基团。
作为优选，所述的催化剂为质量比为(1∶10)-(10∶1)的1-乙基-(3-二甲 基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺。
作为优选，所述的具有生物活性的磁性荧光纳米粒子以粒径6-200nm的 四氧化三铁为内核，以二氧化硅为壳层，粒子表面为生物分子和荧光基团。
本发明的有益效果是：
1.本发明制备的纳米粒子兼备了磁性、生物活性和荧光性能三方面的优良特性，使得其在生命科学、基因学、药物学以及细胞成像等生物医药领域具有广阔的应用前景；
2.本发明粒子的壳层为二氧化硅，起到了保护四氧化三铁的作用，同时为表面改性提供平台；然后通过氨基和羧基的反应向粒子表面引入具有生物活性的带有羧基或氨基的生物分子和带有氨基或羧酸基团的荧光化合物，使得该纳米粒子具有良好的生物相容性和优异的光学性能片；
3.本发明实现了对粒子的精确操控，利用光镊捕获和操控粒子，不仅精度高、可调性强，而且有助于精确捕获、搬运、筛选等操作。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明涉及的结构示意图；
图2为本发明涉及的粒子分离池示意图。
图中标号说明：显微物镜1，激光发射器2，光线分束器3，空心光纤锥4，粒子分离池5，计算机控制单元6，图像传感器7，滤光片8，磁性荧光纳米粒子9，垫片501，分流垫片502，，粒子通道503，粒子收集容器504。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
参照图1至图2所示，一种利用光镊装置捕获磁性粒子及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：
1) 取含有磁性的金属研磨成粉，依次用乙醇、 水、丙酮清洗，然后将其真空干燥2-8小时；
2) 将步骤1的金属粉末和正硅酸乙酯分散在体积比为(1∶10)-(10∶1)的乙醇和水混合溶剂中；分散20-30min后向体系中加入氨水的乙醇溶液，所述的氨水的乙醇溶液中质量分数为3％-15％的氨水，乙醇；室温反应1-12h后产物用磁铁分离，然后分别用乙醇、水、丙酮清洗，在36-100℃真空干燥1-12h，得到产物；
3) 将步骤2得到的产物超声并机械搅拌分散在的甲苯中；然后加入氯丙基三乙氧基硅烷，室温反应1-12h后用磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮清洗，36-100℃真空干燥1-12h；
4) 将带有羧基或者氨基的生物分子和催化剂溶解于PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液中，然后加入步骤3得到的产物，进行超声反应30-60min，然后室温搅拌反应24-48h，磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液清洗，在36-100℃真空干燥1-12h；
5) 将带有氨基或者羧基的荧光染料和催化剂溶解于PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液中；然后加入步骤4得到的产物，在冰浴中超声搅拌反应20-40min，然后室温下搅拌反应24-48h；磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液清洗，36-100℃真空干燥1-12h，得到具有生物活性的磁性荧光粉末；
6) 将其得到的磁性荧光粉末置于粒子分离池5，并在粒子分离池5中倒入悬浮液10；
7) 将粒子分离池5置于光镊装置，
8) 调整光镊装置中的显微物镜1，放大粒子分离池5磁性荧光粉末，使其能够清晰的看到磁性荧光粉末中的磁性荧光纳米粒子9；
9) 打开光镊装置中的激光发射器2，使其发射的激光束在粒子分离池5形成光镊，用于捕获粒子分离池5中的磁性荧光纳米粒子9；
10)将捕获的磁性荧光纳米粒子9分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液清洗，36-100℃真空干燥1-12h，从而得到具有生物活性的磁性荧光粒子。
作为优选，所述光镊装置包括显微物镜1、激光发射器2、光线分束器3、空心光纤锥4、粒子分离池5和计算机控制单元6，所述计算机控制单元6连接激光发射器2，所述激光发射器2发射的激光光束经由光线分束器3反射到空心光纤维4，在其尖端产生倐逝场光镊，实现对粒子分离池5中的磁性荧光粒子9的捕获和转移；所述激光发射器2发射的部分激光光束经由光线分束器3反射到显微物镜1。
作为优选，所述粒子分离池5包括垫片501、分流垫片502、石英窗口片、粒子通道503和粒子收集容器504。
作为优选，所述显微物镜1上方还设置有连接计算机控制单元6的图像传感器7，所述图像传感器7包括摄像机、CCD或摄像头中的一种。
作为优选，所述光线分束器3设置为半透的反射镜。
作为优选，所述图像传感器7前面设置有滤光片8。
作为优选，所述激光发射器2采用可调谐激光光源或可调强度激光光源的光镊发射器。
作为优选，步骤4中所述的带有羧基或者氨基的生物分子为羧甲基壳 聚糖、羧甲基纤维素、羧甲基淀粉或聚氨基酸。
作为优选，所述的带有氨基或者羧基的荧光染料的结构式为：其中，R 1为C1-C10的带有磺酸基以及季铵盐的离子型基团；R 2为C1-C20 的带有羧基或氨基的基团。
作为优选，所述的催化剂为质量比为(1∶10)-(10∶1)的1-乙基-(3-二甲 基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺。
作为优选，所述的具有生物活性的磁性荧光纳米粒子以粒径6-200nm的 四氧化三铁为内核，以二氧化硅为壳层，粒子表面为生物分子和荧光基团。
本发明制得的纳米粒子为核壳结构，其中粒子的核为四氧化三铁，为粒子提供了良好的磁性性能。
具体实施例：
本发明取含有磁性的金属研磨成粉，依次用乙醇、 水、丙酮清洗，然后将其真空干燥2-8小时；将上述的金属粉末和正硅酸乙酯分散在体积比为(1∶10)-(10∶1)的乙醇和水混合溶剂中；分散20-30min后向体系中加入氨水的乙醇溶液，所述的氨水的乙醇溶液中质量分数为3％-15％的氨水，乙醇；室温反应1-12h后产物用磁铁分离，然后分别用乙醇、水、丙酮清洗，在36-100℃真空干燥1-12h，得到产物；将上述得到的产物超声并机械搅拌分散在的甲苯中；然后加入氯丙基三乙氧基硅烷，室温反应1-12h后用磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮清洗，36-100℃真空干燥1-12h；将带有羧基或者氨基的生物分子和催化剂溶解于PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液中，然后加入步骤3得到的产物，进行超声反应30-60min，然后室温搅拌反应24-48h，磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液清洗，在36-100℃真空干燥1-12h；将带有氨基或者羧基的荧光染料和催化剂溶解于PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液中；然后加入步骤4得到的产物，在冰浴中超声搅拌反应20-40min，然后室温下搅拌反应24-48h；磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液清洗，36-100℃真 空干燥1-12h，得到具有生物活性的磁性荧光粉末；将其得到的磁性荧光粉末置于粒子分离池5，并在粒子分离池5中倒入悬浮液10；将粒子分离池5置于光镊装置，调整光镊装置中的显微物镜1，放大粒子分离池5磁性荧光粉末，使其能够清晰的看到磁性荧光粉末中的磁性荧光纳米粒子9；打开光镊装置中的激光发射器2，使其发射的激光束在粒子分离池5形成光镊，用于捕获粒子分离池5中的磁性荧光纳米粒子9；将捕获的磁性荧光纳米粒子9分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液清洗，36-100℃真空干燥1-12h，从而得到具有生物活性的磁性荧光粒子。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种利用光镊装置捕获磁性粒子及其制备方法，其特征在于：该制备方法包括以下步骤：
取含有磁性的金属研磨成粉，依次用乙醇、 水、丙酮清洗，然后将其真空干燥2-8小时；
将步骤1的金属粉末和正硅酸乙酯分散在体积比为(1∶10)-(10∶1)的乙醇和水混合溶剂中；分散20-30min后向体系中加入氨水的乙醇溶液，所述的氨水的乙醇溶液中质量分数为3％-15％的氨水，乙醇；室温反应1-12h后产物用磁铁分离，然后分别用乙醇、水、丙酮清洗，在36-100℃真空干燥1-12h，得到产物；
将步骤2得到的产物超声并机械搅拌分散在的甲苯中；然后加入氯丙基三乙氧基硅烷，室温反应1-12h后用磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮清洗，36-100℃真空干燥1-12h；
将带有羧基或者氨基的生物分子和催化剂溶解于PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液中，然后加入步骤3得到的产物，进行超声反应30-60min，然后室温搅拌反应24-48h，磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液清洗，在36-100℃真空干燥1-12h；
将带有氨基或者羧基的荧光染料和催化剂溶解于PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液中；然后加入步骤4得到的产物，在冰浴中超声搅拌反应20-40min，然后室温下搅拌反应24-48h；磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液清洗，36-100℃真 空干燥1-12h，得到具有生物活性的磁性荧光粉末；
将其得到的磁性荧光粉末置于粒子分离池（5），并在粒子分离池（5）中倒入悬浮液（10）；
将粒子分离池（5）置于光镊装置，
调整光镊装置中的显微物镜（1），放大粒子分离池（5）磁性荧光粉末，使其能够清晰的看到磁性荧光粉末中的磁性荧光纳米粒子（9）；
打开光镊装置中的激光发射器（2），使其发射的激光束在粒子分离池（5）形成光镊，用于捕获粒子分离池（5）中的磁性荧光纳米粒子（9）；
将捕获的磁性荧光纳米粒子（9）分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液清洗，36-100℃真空干燥1-12h，从而得到具有生物活性的磁性荧光粒子。
2.根据权利要求1所述的一种利用光镊装置捕获磁性粒子及其制备方法，其特征在于：所述步骤7中的光镊装置包括显微物镜（1）、激光发射器（2）、光线分束器（3）、空心光纤锥（4）、粒子分离池（5）和计算机控制单元（6），所述计算机控制单元（6）连接激光发射器（2），所述激光发射器（2）发射的激光光束经由光线分束器（3）反射到空心光纤维（4），在其尖端产生倐逝场光镊，实现对粒子分离池（5）中的磁性荧光粒子（9）的捕获和转移；所述激光发射器（2）发射的部分激光光束经由光线分束器（3）反射到显微物镜（1）。
3.根据权利要求2所述的一种利用光镊装置捕获磁性粒子及其制备方法，其特征在于：所述粒子分离池（5）包括垫片（501）、分流垫片（502）、石英窗口片、粒子通道（503）和粒子收集容器（504）。
4.根据权利要求2所述的一种利用光镊装置捕获磁性粒子及其制备方法，其特征在于：所述显微物镜（1）上方还设置有连接计算机控制单元（6）的图像传感器（7），所述图像传感器（7）包括摄像机、CCD或摄像头中的一种。
5.根据权利要求2所述的一种利用光镊装置捕获磁性粒子及其制备方法，其特征在于：所述光线分束器（3）设置为半透的反射镜。
6.根据权利要求4所述的一种利用光镊装置捕获磁性粒子及其制备方法，其特征在于：所述图像传感器（7）前面设置有滤光片（8）。
7.根据权利要求2所述的一种利用光镊装置捕获磁性粒子及其制备方法，其特征在于：所述激光发射器（2）采用可调谐激光光源或可调强度激光光源的光镊发射器。
8.根据权利要求1所述的一种利用光镊装置捕获磁性粒子及其制备方法，其特征在于：所述步骤4中羧基或者氨基的生物分子为羧甲基壳 聚糖、羧甲基纤维素、羧甲基淀粉或聚氨基酸。
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| CN (1) | CN108998001A (zh) |
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2018
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