基本介紹
內容簡介
《生物醫用磁性納米材料與器件》是一部系統介紹磁性納米材料的學術著作。書中針對磁性納米材料的合成、質量控制與套用進行了深入的探討。書中詳細介紹了磁性納米材料的主要合成方法，包括化學合成、生物合成和仿生合成；在磁性納米材料的質量控制方面，分別從巨觀製備、電子束分析、表面修飾等角度予以闡述；磁性納米材料的生物安全性問題有一章專論；最後一部分，也是很重要的部分，集中介紹了磁性納米材料與器件在催化、體內外檢測、疾病診斷與治療、生物感測以及工農業等領域的套用。全書內容均來源於作者第一手的研究資料以及國內外權威的學術期刊，內容準確、詳細，並注重報導最新最前沿的研究成果，同時也高瞻遠矚地對於磁性納米材料將來的研究與套用發展提出建議與展望。 《生物醫用磁性納米材料與器件》適合生物醫學、藥學、材料科學及相應領域的研究生與科研工作者閱讀。
《生物醫用磁性納米材料與器件》編輯推薦：國家科學技術學術著作出版基金資助出版的優秀圖書。
作者簡介
顧寧，教育部長江學者特聘教授，國家傑出青年基金獲得者。東南大學生物科學與醫學工程學院院長、超細材料製備與套用教育部重點實驗室學術委員會委員、中國生物醫學工程學會理事等。主要研究興趣在分子功能材料薄膜、納米加工以及納米材料製備、表征、及其在生物醫（藥）學領域中的套用研究。研究製備出一系列磁性的核/殼納米複合材料，研究將其套用於臨床診斷（如醫學分子醫學影像）與治療（如熱療）腫瘤的功能、相關器械以及設備；等等。
圖書目錄
第1章磁性納米材料的化學合成1
1.1磁性材料的納米尺度效應1
1.2納米顆粒的形核和生長4
1.3磁性納米顆粒的化學合成6
1.3.1共沉澱法6
1.3.2熱分解法9
1.3.3微乳液法11
1.3.4水熱法和溶劑熱法13
1.3.5化學還原法15
1.4磁性納米材料的保護和穩定16
1.4.1金屬氧化物保護17
1.4.2表面活性劑和高分子聚合物保護17
1.4.3貴金屬保護18
1.4.4二氧化矽保護18
1.4.5碳保護19
1.5形貌各向異性磁性納米結構的化學合成19
1.5.1零維磁性納米結構20
1.5.2一維磁性納米結構21
1.5.3二維磁性納米結構22
1.6磁性納米異質結構的化學合成22
1.6.1異質結構形成過程中的能量平衡23
1.6.2異質形核24
1.6.3核殼異質結構納米晶26
1.6.4異質二聚物和低聚物27
1.6.5以一維納米結構為基礎的磁性納米異質結構29
1.7小結與展望30
參考文獻31
第2章細菌合成的磁性納米材料35
2.1趨磁細菌的發現及生理特點35
2.1.1趨磁細菌的發現及定名35
2.1.2趨磁細菌的分類35
2.1.3趨磁細菌細胞的生理特點39
2.2磁小體的種類及特徵40
2.2.1磁小體的種類40
2.2.2磁小體的物理、化學性質41
2.3趨磁細菌的培養42
2.3.1人工培養趨磁細菌存在的問題42
2.3.2趨磁細菌的深層培養43
2.3.3趨磁細菌的半連續培養44
2.4趨磁細菌細胞內磁小體合成機制44
2.5納米磁小體的純化與質量檢測45
2.5.1趨磁細菌的細胞破碎方法46
2.5.2磁小體的純化步驟及設備46
2.5.3納米磁小體的質量標準48
2.6納米磁小體的套用基礎研究52
2.6.1磁小體的生物相容性52
2.6.2磁小體與腫瘤治療53
2.6.3磁小體與基因傳遞55
2.6.4磁小體與病原物檢測56
2.7小結與展望57
參考文獻59
第3章磁性納米材料的仿生合成61
3.1鐵蛋白的結構與生物功能61
3.1.1鐵蛋白殼的構象與功能61
3.1.2鐵蛋白核的成分與精細結構63
3.1.3鐵蛋白在生物體內的分布與功能63
3.2鐵蛋白的生物礦化機理64
3.2.1鐵蛋白殼介導的Fe2+的進入64
3.2.2鐵蛋白殼上氧化酶位點與鐵催化64
3.2.3鐵蛋白殼控制鐵核的結晶65
3.3反鐵磁性鐵蛋白核的重構與套用66
3.3.1鐵蛋白的去核與核的重構66
3.3.2超反鐵磁性重構鐵蛋白的磁學性質66
3.3.3反鐵磁性鐵蛋白在環境催化領域的套用69
3.4亞鐵磁性鐵蛋白的仿生合成及套用69
3.4.1亞鐵磁性鐵蛋白的仿生合成69
3.4.2亞鐵磁性鐵蛋白的磁學性質70
3.4.3亞鐵磁性鐵蛋白在動脈粥樣硬化MRI診斷中的套用72
3.4.4亞鐵磁性鐵蛋白在腫瘤早期MRI診斷中的潛在套用74
3.5其他金屬納米材料的鐵蛋白仿生合成與套用75
3.6以其他籠形蛋白為模板的磁性納米材料的仿生合成及套用75
3.7小結與展望76
參考文獻76
第4章磁性納米材料的宏量製備與質量控制80
4.1引言80
4.2生物醫用磁性納米材料的宏量製備技術81
4.2.1磁共振成像造影劑的製備技術81
4.2.2磁感應腫瘤熱療發熱劑的製備技術84
4.2.3生物分選用磁性微球的製備技術86
4.3生物醫用磁性納米材料的質量控制91
4.3.1生物醫用磁性納米材料的關鍵納米特性91
4.3.2生物醫用磁性納米材料質量控制的環節與技術93
4.3.3生物醫用磁性納米材料的標準化研究95
4.4小結與展望97
參考文獻98
第5章磁性納米材料與結構的高分辨電子束分析100
5.1高分辨透射電鏡成像與電子全息100
5.1.1透射電子顯微鏡的基本原理100
5.1.2高分辨電子全息的原理103
5.2磁性納米顆粒的顯微結構分析110
5.2.1金屬填充碳納米管的製備110
5.2.2金屬填充碳納米管的分析112
5.3磁性納米顆粒的電子能量損失譜學分析123
5.3.1電子能量損失譜的作用原理123
5.3.2磁性納米顆粒的能量損失譜分析123
5.4磁性納米顆粒的電子全息分析130
參考文獻134
第6章磁性納米材料的表面修飾及其對生物膜的作用139
6.1磁性納米材料的表面修飾139
6.1.1納米材料表面修飾的一般方法139
6.1.2氧化鐵納米顆粒的若干種表面修飾141
6.1.3其他磁性納米顆粒表面的分子修飾145
6.2磁性納米顆粒相關製劑146
6.2.1磁性納米顆粒製劑的研究進展146
6.2.2磁性納米顆粒製劑的體內外要求148
6.3磁性納米材料對生物膜的作用152
6.3.1生物膜簡介152
6.3.2影響納米材料對生物膜作用的主要因素154
6.3.3磁性納米材料對生物膜的作用156
6.4小結與展望159
參考文獻160
第7章磁性納米材料與結構的生物安全性165
7.1納米材料生物安全性研究的重要意義與國內外概況165
7.1.1國際研究概況165
7.1.2我國研究現狀166
7.2氧化鐵磁性納米材料的生物安全性167
7.2.1研究概況167
7.2.2動物實驗研究168
7.2.3體外實驗研究172
7.3複合磁性納米材料的生物安全性176
7.3.1動物實驗研究176
7.3.2體外實驗研究179
7.4植入器件納米化表面的生物相容性181
7.4.1概況181
7.4.2實驗研究181
7.5小結與展望183
參考文獻184
第8章氧化鐵納米顆粒的模擬酶特性188
8.1氧化鐵納米顆粒模擬酶的發現及催化機理188
8.1.1氧化鐵納米顆粒催化活性的發現188
8.1.2氧化鐵納米顆粒模擬酶的催化動力學190
8.1.3氧化鐵納米顆粒模擬酶催化機理191
8.2氧化鐵納米顆粒模擬酶中的納米效應192
8.2.1尺寸效應192
8.2.2表面修飾193
8.3氧化鐵納米顆粒模擬酶的特點195
8.3.1氧化鐵納米顆粒模擬酶的製備195
8.3.2氧化鐵納米顆粒模擬酶的穩定性195
8.3.3氧化鐵納米顆粒模擬酶的磁學性能196
8.4氧化鐵納米顆粒模擬酶的套用197
8.4.1在免疫檢測中的套用197
8.4.2在葡萄糖檢測中的套用198
8.4.3在幹細胞研究中的套用198
8.4.4在環境監測中的套用198
8.4.5氧化鐵納米顆粒模擬酶在污水處理中的套用199
8.5小結與展望200
8.5.1非氧化鐵納米顆粒模擬酶200
8.5.2納米模擬酶的提出及意義200
參考文獻201
第9章基於磁性納米材料的體外檢測202
9.1引言202
9.2體外檢測用磁性納米材料及表面分子設計203
9.2.1體外檢測用磁性納米材料的特性203
9.2.2磁性納米顆粒的製備與表面分子設計204
9.2.3磁性微球的製備與表面分子設計206
9.3以磁性納米材料為信號標記物的體外檢測207
9.3.1基於巨磁阻原理的磁性生物晶片檢測技術207
9.3.2基於交流磁化率的免疫與分子檢測技術210
9.3.3基於磁性納米顆粒模擬酶的檢測技術213
9.4以磁性納米材料為載體的體外檢測215
9.4.1基於磁性微球的液相晶片技術215
9.4.2基於磁流體與微流控的檢測技術218
9.4.3基於磁性材料的飛行時間質譜技術220
9.4.4基於磁性納米顆粒的色譜檢測技術222
9.4.5基於免疫磁分離的全自動管式化學發光檢測技術223
9.4.6基於磁性微球分離技術的條形碼與免疫PCR檢測225
參考文獻227
第10章生物醫學影像用磁性納米探針231
10.1醫學影像增強與分子影像231
10.1.1醫學影像增強與基於納米材料的影像對比劑232
10.1.2分子影像學概要239
10.1.3分子探針與納米探針241
10.2磁性納米材料套用於磁共振影像的增強244
10.2.1納米顆粒尺寸對MRI的影響247
10.2.2納米顆粒表面修飾對MRI的影響248
10.2.3MRI分子與細胞成像250
10.3磁性納米材料對超聲、CT等影像的增強252
10.3.1超聲顯影增強253
10.3.2CT顯影成像253
10.4基於磁性納米材料或結構的多模態影像探針與診療器件254
10.4.1多模態磁性納米材料影像探針254
10.4.2基於磁性納米材料或複合結構的醫學診療器件257
10.5小結與展望259
參考文獻260
第11章基於磁性納米材料的腫瘤熱療264
11.1磁性材料在交變磁場作用下的產熱機制264
11.2磁致腫瘤熱療的原理266
11.2.1磁致腫瘤熱療的概念266
11.2.2熱療用磁性材料267
11.2.3磁致腫瘤熱療的治療方式270
11.2.4熱療劑量的確定271
11.2.5磁介導熱療與其他治療方法的聯合套用273
11.3磁致腫瘤熱療的臨床進展275
11.4小結與展望277
參考文獻277
第12章生物醫用磁性微納感測器280
12.1引言280
12.1.1生物醫學感測器簡介280
12.1.2磁性微納感測器簡介282
12.1.3磁性微納感測器在生物醫學中的套用284
12.2巨磁電阻（GMR）感測器及其在生物醫學方面的套用287
12.2.1GMR感測器簡介287
12.2.2GMR感測器在生物醫學中的套用294
12.3超導量子干涉儀及其在生物醫學方面的套用298
12.3.1SQUID簡介298
12.3.2SQUID在生物醫學中的套用301
12.4其他生物醫用磁性感測器304
12.4.1霍爾感測器及其在生物醫學方面的套用304
12.4.2各向異性磁阻（AMR）感測器及其在生物醫學方面的套用307
12.4.3隧道磁電阻（TMR）感測器及其在生物醫學方面的套用311
12.4.4巨磁阻抗（GMI）感測器及其在生物醫學方面的套用314
12.5小結與展望318
參考文獻319
第13章生物技術中的磁性納米材料與方法326
13.1磁性納米材料在發展食品先進技術方面的作用326
13.1.1磁性納米材料在食品安全檢測方面的套用326
13.1.2磁性納米材料在食品工業中的其他套用328
13.2磁性納米材料套用於生物分離過程328
13.2.1磁分離的基本原理329
13.2.2用於生物分離的磁性納米材料的特點330
13.2.3磁性納米材料在生物分離中的套用332
13.3磁性納米材料在環境生物技術與生物防恐等方面的套用340
13.3.1生物技術處理、淨化廢污水中的磁性納米材料340
13.3.2磁性納米材料套用於治理空氣污染342
13.3.3污染土壤的生物修復中磁性納米材料的套用342
13.3.4磁性納米材料在先進肥料與農藥等方面的套用前景344
參考文獻347
序言
對磁和電，特別是磁現象的發現與觀察，可上溯至人類最早的一些記錄。不斷激發起的對磁的奧秘的好奇與探究，也逐漸在日常生活、生產等活動中獲得許許多多的套用。毋庸置疑，磁學屬於最古老的學科之一，同時也始終充滿活力，其發展經歷了最早期的觀察與猜想。從我國東漢時期的司南，到18世紀的奧斯特發現電流產生磁場，法拉第發現的電磁感應效應（法拉第效應）以及與安培定律等共同構成了電磁學的根基，奠定了以電動機、發電機等為核心的現代電氣工業的重要基礎。20世紀以來的諸多發現與發展，如磁疇的發現與分子場假說、巴克豪森效應、基於海森堡模型解釋分子場起源、基於顯微鏡對磁疇的觀測及研究、含鈷的永磁鐵氧體的發現、軟磁鐵氧體的發明、核磁共振效應的發現、亞鐵磁理論的建立、穆斯堡爾效應的發現、稀土永磁材料的發現與不斷加工製造獲得更高的磁學性能等，為現代信息技術社會的發展起到了巨大的推進作用。特別是近年來，高溫超導體研究的快速進展、對巨磁電阻、龐磁電阻以及隧道磁電阻的發現及深入研究，為自旋電子學的提出與發展打下了基礎，展現出新一代信息學發展的光明前景。磁學發展的勃勃生機，彰顯其是一個既古老又年輕、充滿生命活力的學科。
縱觀磁學的發展歷程，一個重要的特點或發展的主線是其緊密圍繞相關磁性材料與器件的研究與發展，同時相關的理論與實驗技術等也即時跟進並與之相輔相成。納米技術的出現與快速發展，為磁性材料及相關器件乃至系統的進步帶來了新的機遇，展現出廣闊的發展前景。不同維數的磁性納米材料不斷被製備出來，其依賴尺度的磁學特性為相關器件與系統的發展注入了強大的活力。磁性納米材料與器件已經並將更多地在電子信息、生物醫藥、航空航天、交通運輸、環境與能源等眾多領域中獲得套用。這其中，磁性納米材料與器件在生物與醫藥領域中的發展前景更是引人入勝。除了磁性納米材料具有新奇的磁學特性之外，由於氧化鐵納米材料以及一些貴金屬磁性納米材料具有很好的生物相容性，使其在腫瘤的磁致熱療、藥物的人體內磁靶向輸送、醫學圖像增強與分子影像、生物分子與細胞的磁分離、生物與醫學感測器等許多方面都將獲得重要的運用。目前，相關的研究論文與專利已呈逐年快速上升之勢。
納米材料與器件套用於生物與醫藥的嶄新方向，引發越來越多研究者的工作熱情。2010年在武漢參加全國納米生物與醫學學術會議期間，應化學工業出版社李曉紅編輯的熱情邀約，希望將具有生物與醫藥套用前景的磁性納米材料與器件的有關研究進展進行歸類整理與分析，為相關研究人員、學生提供一本研究與教學的參考書。本書主要分成四大部分：第一部分主要涉及磁性納米材料與結構的製備與表征，由於目前採用物理方法製備的磁性納米材料套用於生物醫藥方面的研究相對較少，所以，在第1章中主要介紹磁性納米材料的化學合成，第2章為磁性納米材料的生物方法合成，第3章為磁性納米材料的仿生方法製備，第4章為磁性納米材料的宏量製備與質量控制，第5章則重點介紹利用電子束技術對磁性納米材料與結構的分析與表征；第二部分主要介紹磁性納米材料因其不同的化學組成與表面化學修飾等，在與生物作用過程及之後出現的一些效應、生物安全性及相關機理等，其中第6章磁性納米材料對生物膜的作用，第7章為磁性納米材料的生物安全性研究進展，第8章為氧化鐵納米材料的模擬酶特性；第三部分主要介紹磁性納米材料在生物醫學檢測與診斷、治療等方面的內容，包括第9章基於磁性納米材料的生物體外檢測，第10章生物醫學影像中的磁性納米探針，第11章為基於磁性納米材料的腫瘤熱療等；第四部分包括第12、13章，主要介紹基於磁性納米材料與結構的生物感測器，以及磁性納米材料在生物技術與農業等方面的套用基礎研究等。
本書專門邀請了一些非常知名的學者參與編著，主要包括：中國科學院生物物理所閻錫蘊研究員、北京大學侯仰龍教授、中國農業大學李穎教授、中國科學院地球所潘永信研究員、復旦大學車仁超教授、清華大學任天令教授、東南大學唐萌教授等，他們均在各自的研究方向上做出了重要的貢獻。此外，參與編撰的還包括我的同事，東南大學的張宇教授、楊芳副教授、柳東方博士、熊非博士、何世穎博士、南通大學陳忠平博士等。參與這項工作的還包括閻錫蘊研究員的研究生高利增、莊潔；李穎教授的研究生張維佳、孫建波、陳彥平；潘永信研究員的研究生曹長乾、田蘭香、蔡垚；唐萌教授的研究生孔璐、劉曉閏等；以及我的研究生陳忠文、林旭波、柏婷婷等。東南大學的研究生陳忠文、董金來、李楊等同學在書稿的整理與修校等方面做了大量細緻的工作。在此，我要特別感謝大家在百忙中為這本書所做出的努力，使之能如願呈現給各位讀者。
顧寧2013年1月20日
