磁性納米材料在分離中應(yīng)用

PART01PART02PART03PART04PART05在污水處理中的應(yīng)用膜分離中的應(yīng)用生物分離催化劑中的應(yīng)用日常生活中的應(yīng)用第一頁，共25頁。磁性納米材料的特點(diǎn)磁性納米顆粒是一類智能型的納米材料，既具有納米材料所特有的性質(zhì)如表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、偶連容量高，又具有良好的磁導(dǎo)向性、超順磁性、類酶催化特性和生物相容性等特殊性質(zhì)，基于這些特性，磁性納米顆粒廣泛應(yīng)用于分離。磁導(dǎo)向性生物相容性表面效應(yīng)超順磁性比表面積大，表面原子數(shù)增大，表面能大，提供眾多的表面活性中心。如吸附能力強(qiáng)、具有不飽和性、化學(xué)活性很強(qiáng)。具有導(dǎo)向的能力安全無毒，可降解，不與組織器官產(chǎn)生免疫原性。沒有外磁場(chǎng)，則通常它們不會(huì)表現(xiàn)出磁性。但是，如果施加外磁場(chǎng)，則會(huì)被磁化。第二頁，共25頁。01PARTONE磁性納米材料在污水處理中的應(yīng)用第三頁，共25頁。01磁性納米材料在污水處理中的應(yīng)用010203在染料廢水中的應(yīng)用染料大多是芳香類化合物，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，生物降解性低，具有潛在的毒性及致癌致畸作用。聚丙烯酸結(jié)合的氧化鐵磁性納米顆粒能夠高效吸附水溶液中的堿性染料羅丹明6G。在重金屬?gòu)U水中的應(yīng)用重金屬離子會(huì)對(duì)自然界的生態(tài)平衡及人類健康造成極大的傷害。利用纖維素和殼聚糖還有Fe3O4

制成的一種磁性混合水凝膠來吸附重金屬離子。在有機(jī)廢水中的應(yīng)用水中有機(jī)污染物除了具有致癌致畸致突變外，還有可能具有積累性。納米磁性還原氧化石墨烯用于吸附水體中的雙酚A，吸附效果顯著。第四頁，共25頁。01磁性納米材料在污水處理中的應(yīng)用Xu[1]等成功地將PAA引入到Fe3O4

表面，合成了Fe3O4@PAANPs磁性納米顆粒。這種材料能夠高效吸附水溶液中的堿性染料羅丹明6G，20min即可達(dá)到吸附平衡，具有非?？焖俚奈絼?dòng)力學(xué)。XuYY,ZhouM,GengHJ,etal.AsimplifiedmethodforsynthesisofFe3O4@PAAnanoparticlesanditsapplicationfortheremovalofbasicdyes[J].AppliedSurfaceScience,2012,258(8):3897-3902.制備Fe3O4@NH2納米顆粒原料：FeCl3.6H2O，1,6-己二胺，無水乙酸鈉，乙二醇通過劇烈機(jī)械攪拌，高溫處理，洗滌干燥等步驟得到胺官能化的磁鐵礦納米粒子（Fe3O4@NH2NPs）制備Fe3O4@PAANPs原料：Fe3O4@NH2NP、EDC·HCL、三乙胺、乙醇溶液、PAA（30％）通過超聲處理，機(jī)械攪拌，洗滌干燥等步驟得到Fe3O4@PAANPs。第五頁，共25頁。01磁性納米材料在污水處理中的應(yīng)用a胺官能化磁鐵礦納米顆粒bFe3O4@PAANPs

圖a和b分別表示磁分離前后的標(biāo)準(zhǔn)溶液的照片。顯然，堿性染料R6G可以通過所制備的磁性吸附劑幾乎完全除去。（a和b）吸附前后1.0×10-5molL-1R6G標(biāo)準(zhǔn)溶液。（c）加入1.0×10-5molL-1R6G后的黃河水樣，只過濾，然后被Fe3O4@PAANPs吸附。（d）與（c）相同的樣品，其由732種陽離子交換樹脂處理，（e）樣品，是（d）在吸附和磁分離后。第六頁，共25頁。02PARTTWO膜分離中的應(yīng)用第七頁，共25頁。02膜分離中的應(yīng)用超濾膜分離技術(shù)由于其操作簡(jiǎn)單、分離效率高、無相變、不損害生物活性，已廣泛應(yīng)用于食品、中藥多糖分離等方面。目前,在膜的性能改進(jìn)方面已進(jìn)行了大量的研究，其中就磁性納米粒子引入膜的改性中，利用納米粒子的尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)，重新構(gòu)建和調(diào)控膜的無序孔隙結(jié)構(gòu)，提高膜的氣體滲透性能，并賦予膜磁性，拓展膜新的應(yīng)用途徑。趙選英等[2]采用共混法在聚酰亞胺前驅(qū)體中引入Fe3O4磁性納米粒子，經(jīng)高溫?zé)峤馓炕苽淞穗s化功能炭膜。趙選英,王同華,李琳,等.Fe3O4摻雜制備氣體分離功能炭膜[J].無機(jī)材料學(xué)報(bào),2010,25(1):47-52.制備方法：Fe3O4納米粒子加入到溶劑N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)中,經(jīng)超聲分散2h后加入到聚酰胺酸溶液中強(qiáng)力攪拌2h，超聲脫泡10min后靜置待用。由此配置了Fe3O4納米粒子的涂膜液，采用刮涂法制膜，40℃恒溫干燥24h。然后進(jìn)行升溫?zé)峤馓炕?，將Fe3O4摻雜所制備的炭膜稱為功能炭膜,膜厚度約為45μm。所制備的功能炭膜由于Fe形態(tài)物質(zhì)的存在均能被磁鐵石吸引。第八頁，共25頁。02膜分離中的應(yīng)用透射電鏡照片：（ａ）Fe3O4納米粒子；（ｂ）功能炭膜；（ｃ）膜中顆粒的包裹層；（ｄ）膜中顆粒周圍的炭基體第九頁，共25頁。02膜分離中的應(yīng)用摻雜Fe3O4納米粒子后，功能炭膜的氣體滲透系數(shù)較之純炭膜明顯增加，同時(shí)隨著Fe3O4添加量的增加，功能炭膜對(duì)各氣體的滲透系數(shù)進(jìn)一步增大，可見，F(xiàn)e3O4納米粒子的引入提高了功能炭膜的氣體滲透性能，這是因?yàn)榧{米粒子的引入，在炭相母體與納米粒子間發(fā)生了微相分離形成界面，產(chǎn)生了界面孔，增加了炭膜中微孔的數(shù)量，因而提高了炭膜的氣體滲透性能。特別是小分子氣體H2的滲透系數(shù)增加最為明顯，當(dāng)Fe3O4納米粒子添加量為20%時(shí)，H2滲透系數(shù)較純炭膜提高了61倍。而分離系數(shù)除H2／CO2比純炭膜有較顯著的提高外,O2/N2、CO2/N2和CO2/CH4的分離系數(shù)均有不同程度的下降。這表明Fe3O4納米粒子的引入有利于提高功能炭膜對(duì)小分子氣體的滲透性能。第十頁，共25頁。03PARTTHREE生物分離第十一頁，共25頁。03生物分離生物分離是指利用功能化磁性納米顆粒的表面配體與受體之間的特異性相互作用（如抗原-抗體和親和素-生物素等）來實(shí)現(xiàn)對(duì)靶向性生物目標(biāo)的快速分離。而磁分離技術(shù)具有快速、簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，能夠高效、可靠地捕獲特定的蛋白質(zhì)或其它生物大分子。原理：基于磁性納米顆粒的超順磁性，在外加磁場(chǎng)下納米顆粒被磁化，然而一旦去掉磁場(chǎng)，它們將立即重新分散于溶液中。通常磁分離技術(shù)主要包括以下兩個(gè)步驟：(1)將要研究的生物實(shí)體標(biāo)記于磁性顆粒上；(2)利用磁性液體分離設(shè)備將被標(biāo)記的生物實(shí)體分離出來。第十二頁，共25頁。03生物分離細(xì)胞分離：基本原理是，磁性納米材料作為不容性載體，在其表面上接有生物活性的吸附劑或其他配體等活性物，利用他們與目標(biāo)細(xì)胞的特性結(jié)合，在外加磁場(chǎng)作用下將細(xì)胞分離?？捎糜诩?xì)胞的分類以及對(duì)其種類數(shù)量進(jìn)行研究。核算分離：經(jīng)典的DNA/RNA分離方法有柱分離法和一些包括沉積、離心步驟的方法，這些方法的缺點(diǎn)是耗時(shí)多，難以自動(dòng)化，不能用于分析小體積樣品，分離不完全，使用磁性納米材料進(jìn)行核算的分離可避免這些局限。蛋白質(zhì)分離：是基于在磁性粒子表面上修飾離子交換基團(tuán)或親和配基等與可目標(biāo)蛋白質(zhì)產(chǎn)生特異性吸附作用的功能基團(tuán)，使經(jīng)過表面修飾的磁性粒子在外加磁場(chǎng)的作用下從生物樣品中快速選擇性的分離目標(biāo)蛋白質(zhì)。

酶分離：目前常用的酶分離方法存在的問題是酶在分離后很容易失活，影響到他的催化活性，用磁性納米材料分酶可以很好地保持它的活性和穩(wěn)定性，同時(shí)也使得體系中酶的回收更加方便，提高了酶的使用效率。生物分離CDBA第十三頁，共25頁。03生物分離表面接上配體（如抗體、外源凝結(jié)素），進(jìn)而與指定細(xì)胞特異性結(jié)合。有人將磁性微球外接抗小鼠Fc抗體，用于小鼠骨髓中正常細(xì)胞和癌細(xì)胞的分離，分離率達(dá)99.9%以上。細(xì)胞分離：免疫磁珠分離細(xì)胞已被廣泛應(yīng)用于人類各種細(xì)胞的分離，如T、B淋巴細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、造血祖細(xì)胞、單核/巨噬細(xì)胞、胰島細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞等。第十四頁，共25頁。03生物分離通過直接或間接法的磁分離細(xì)胞第十五頁，共25頁。03生物分離與傳統(tǒng)方法相比：磁分離法操作緩和，確保生物活性成分結(jié)構(gòu)為完整性操作簡(jiǎn)單，所有純化步驟可在一個(gè)試管中完成；無需昂貴的離心機(jī)、色譜系統(tǒng)何超濾裝置磁分離技術(shù)很容易實(shí)現(xiàn)分離分析的自動(dòng)化無需復(fù)雜的洗脫，去雜等精細(xì)步驟，產(chǎn)物濃度大第十六頁，共25頁。04PARTFORE催化劑中的應(yīng)用第十七頁，共25頁。04催化劑中的應(yīng)用BC

更高活性更高穩(wěn)定性可重復(fù)利用磁性納米固體堿催化劑在酮縮合反應(yīng)中的應(yīng)用磁性納米光催化劑在光催化降解反應(yīng)中的應(yīng)用磁性納米材料在氧化反應(yīng)中的應(yīng)用磁性納米貴金屬催化劑在Heck反應(yīng)中的應(yīng)用磁性納米固體酸催化劑在酯化反應(yīng)中的應(yīng)用第十八頁，共25頁。04研究數(shù)據(jù)磁性納米固體酸催化劑在酯化反應(yīng)中的應(yīng)用

梅長(zhǎng)松等[3]成功地制備出磁性納米固體酸ZrO2/Fe3O4/SO42-—ZrO2/Fe3O4催化劑梅長(zhǎng)松,景曉燕,林茹春,等.磁性固體超強(qiáng)酸的制備及催化酯化反應(yīng)的研究[J].化學(xué)試劑,2002,24(1):1-2.在酯化反應(yīng)中，傳統(tǒng)方法多采用濃硫酸、磷酸等無機(jī)酸或金屬鹵化物，如AlCl3/SnCl4、TiCl4等催化劑。而這些傳統(tǒng)催化劑存在易腐蝕設(shè)備、污染環(huán)境、副反應(yīng)多、產(chǎn)物選擇性低，不易分離等弊端。而磁性納米固體超強(qiáng)酸催化劑，不僅具有優(yōu)越的催化性能還有良好的回收率。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，新型催化劑以磁性材料為核，固體酸催化劑活性組分包覆在其外部形成包覆型的磁性納米催化劑。該系列催化劑均具有較小的粒子尺寸、較強(qiáng)的磁性及較高的催化活性，并且易于通過磁場(chǎng)進(jìn)行回收，使用壽命較長(zhǎng)。第十九頁，共25頁。05PARTFIVE日常生活中的應(yīng)用第二十頁，共25頁。05日常生活中的應(yīng)用有機(jī)磷殺蟲劑的去除和富集Shen等選擇C18作為功能基團(tuán)修飾Fe3O4納米磁性粒子形成磁性納米Fe3O4-C18復(fù)合材料，希望所得復(fù)合材料既具有SPE固定相的吸附作用，又能呈現(xiàn)出Fe3O4的優(yōu)良磁性。該研究小組制備了粒徑約為5～10nm的磁性納米Fe3O4-C18復(fù)合材料用傅里葉紅外光譜(FFIR)、原子吸收光譜、x射線衍射(XRD)和透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及微觀特征進(jìn)行表征，并將該復(fù)合材料用于去除和富集水果和蔬菜中殘留的l4種OPs(包括甲胺磷、敵敵畏、高滅磷、久效磷、甲拌磷、樂果、甲基對(duì)硫磷、殺螟松、馬拉硫磷、倍硫磷、對(duì)硫磷、殺撲磷、三唑磷和乙硫磷)。第二十一頁，共25頁。05日常生活中的應(yīng)用化妝品中對(duì)羥基苯甲酸酯的富集對(duì)羥基苯甲酸酯具有廣泛的抗菌能力、低毒、穩(wěn)定性好并且難溶，被廣泛應(yīng)用于化妝品行業(yè)。但近來，Memon等研究指出，在被研究的20個(gè)病例的乳房腫塊內(nèi)，對(duì)羥基苯甲酸酯的平均含量(20.6±4.2)ng／g,這說明在化妝品、食品、藥物中有一定比例的對(duì)羥基苯甲酸酯存在,并能被吸收和儲(chǔ)存在身體的神經(jīng)組織中而不被水解。聚合物—功能化—Fe3O4磁性復(fù)合粒子,進(jìn)行了一系列表征確證其結(jié)構(gòu),并將這些復(fù)合材料應(yīng)用于去除和富集10種商業(yè)化妝品中含有的4種類型的對(duì)羥基苯甲酸酯(對(duì)羥基苯甲酸甲酯、對(duì)羥基苯甲酸乙酯、對(duì)羥基苯甲酸丙酯和對(duì)羥基苯甲酸丁酯)。聚合物一功能化一Fe3O4磁性復(fù)合粒子已被用于10種化妝品中對(duì)羥基苯甲酸酯的去除和富集，其中包括護(hù)發(fā)素、香水、芳香劑、乳膏、洗劑等。第二十二頁，共25頁。05日常生活中的應(yīng)用——靶向藥物生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，磁性納米粒子經(jīng)過表面修飾而帶有一定電荷或功能基團(tuán)，可與特異性抗體結(jié)合，作為藥物載體用于藥物運(yùn)輸。提高藥效，減少毒副作用。靶向藥物對(duì)磁性載體粒子要求比較嚴(yán)格，如生物相容性好，可生物降解，無毒性，尺寸小，磁性強(qiáng)。第二十三頁，共25頁。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，磁