現在讓我們更詳細地瞭解一下被稱為超順磁性的物理現象。超順磁性是一種發生在足夠小的鐵磁或鐵磁奈米粒子中的磁性。通常情況下，鐵磁或鐵磁材料在其居里溫度以上會過渡到順磁狀態。
這種形式的磁性描述的行為，當材料被外部磁場吸引，並在材料中誘匯出一個內部場，這是沿著應用場的方向定向的。順磁性材料的特點是相對磁導率大於或等於1，由外加磁場在材料中誘發的磁矩相當弱。
超順磁性在轉變溫度方面與順磁性不同，因為它發生在材料的居里溫度以下。
此外，奈米粒子是磁各向異性的基礎：磁特性取決於方向。這意味著，磁矩傾向於沿著材料的易軸排列，而在各向同性的材料中，在沒有外場的情況下，沒有發現其磁矩的偏好方向。
由於奈米粒子的磁各向異性，磁矩通常有兩個方向，沿易軸方向彼此反平行排列。這兩個方向被一個能量屏障分開。在有限的溫度下，磁化有一定的機率翻轉並扭轉其方向。
磁化方向在這兩種狀態之間隨機翻轉，有一個典型的弛豫時間，稱為Néel弛豫時間。這個特徵時間指數地取決於Néel-Arrhenius方程給出的項
與材料的特定嘗試週期0（通常在1-100ps的數量級）、磁各向異性係數K（J/m）、樣品體積V、玻爾茲曼常數
和絕對溫度T。
鐵磁或鐵磁奈米粒子可以被類似於傳統順磁的外部磁場所磁化。在沒有外部磁場的情況下，平均磁化為零。
超順磁效能是樣品操作的理想選擇，因為透過外部磁場可以實現固定化和定向傳輸，而且透過簡單地關閉磁場，可以很容易地將繫結在磁珠上的樣品從固定化狀態中釋放出來，從而中斷磁力作用。
超順磁性的另一個優點是，在關閉或移除外部磁場後，超順磁性珠子不會結塊，因為沒有永久磁化。
圖1勾勒出一個多域結構、一個單域粒子和一個超順磁性樣品的磁性行為。根據Néel-Arrhenius方程，磁性行為指數地取決於磁性體積V（即顆粒大小）、磁性各向異性係數K（這是由材料決定的），以及樣品的環境溫度T。磁矩自發地翻轉，以Néel弛豫N時間為特徵週期。
圖1. 具有(a)多域結構、(b)單域和(c)超順磁特性的磁性樣品的磁行為
根據它們的大小和磁性含量，通常由磁鐵礦（Fe3O4）或磁鐵礦（主要是在面心立方晶體改性γ-Fe2O3）組成，磁性奈米粒子具有超順磁或鐵磁行為。
圖2比較了超順磁性或鐵磁性行為的特點。圖2比較了球形磁性奈米粒子和微粒子的超順磁和鐵磁行為。圖2a左圖是一個具有磁性核心和非磁性塗層的球形奈米粒子，具有超順磁特性。
中間相應的磁化環顯示了超順磁性奈米粒子集合的特徵磁特性：既沒有磁滯，也沒有殘餘磁化，這是由曲線的零交叉點證明的。在圖2a的右邊，顯示了一個在磁場H存在下的奈米粒子上層結構的示意圖。
當磁場關閉時，上層結構會分解成單個顆粒。這歸因於沒有殘餘的磁化。在沒有外部磁場的情況下，單顆粒之間不會發生相互作用。
圖2b在左邊表示一個球形磁性微粒子的示意圖。中間相應的磁化環示意圖說明了這種鐵磁粒子集合的磁特性，其特點是有磁滯現象。殘餘磁化Mrem和飽和磁化Msat被指出。
在磁場H的存在下，一個微粒子的上層結構被創造出來，其外觀呈鏈狀，如圖2b的右圖所示。當磁場H被移除時，微粒子保持一個殘餘的磁矩。因此，超結構不會像圖2a中右圖所示的超順磁性粒子那樣分解，因為磁相互作用仍然存在。
圖2. 超順磁性和鐵磁性粒子的比較，從左到右。
a)帶有非磁性塗層的球形磁性奈米粒子的示意圖（左），奈米級超順磁性粒子集合的磁化環（中心），以及暴露於磁場H的奈米粒子上層結構和去除磁場後上層結構的分解（右）。
a)帶有非磁性塗層的球形磁性奈米粒子的示意圖（左），奈米級超順磁性粒子集合的磁化環（中心），以及暴露於磁場H的奈米粒子上層結構和去除磁場後上層結構的分解（右）。
當由磁各向異性係數乘以粒子體積KV所描述的磁能，即公式（1）中已知的磁能小於熱能kBT的10倍時，單域磁性粒子就成為超順磁性的：
在室溫下，由鐵製成的超順磁性球形粒子的最大半徑為6奈米。
對於其他磁性材料，表現出超順磁性行為的極限是在3~50奈米的範圍內。除了粒子的大小之外，施加的磁場和樣品的環境溫度也發揮了作用。磁化的大小與施加的磁場
成正比。這種比例關係隨著溫度的升高而降低。
對於一個恆定的磁場，磁化作用會隨著溫度的升高而降低。對於一個恆定的磁場，磁化程度大約與溫度成反比。這種行為是由居里定律描述的。
磁化M、磁感應強度B、絕對溫度T和C是一個特定的材料常數，稱為居里常數，專門用於紀念瑪麗·居里。溫度的增加導致原子的熱激盪增加。這破壞了原子沿磁場的排列。因此，磁性材料的磁化程度下降。
暴露在外部磁場中的流體中的磁性粒子會受到各種力量的影響。最重要的是流體力學阻力或粘性力，以及外部磁場對粒子施加的磁力。
為了能夠透過磁場來操縱顆粒，磁力必須超過流體的粘性流動所造成的力。在設計各自的微流控系統時，必須考慮這一點。粘性力Fv可以按照基於斯托克定律的公式計算。
本部分內容介紹了納米粒子和磁珠的製造方法，然後指出了相關的挑戰。隨著磁珠的推廣應用，作為磁珠前體的磁性奈米粒子的屬性調整能力變得更加重要。設計標準，如尺寸、塗層和表面功能化必須得到適當的調整和滿足。
Veiseh等人介紹了影響體內磁性奈米粒子效能的設計引數，涵蓋了奈米粒子表面改性和物理化學特性，而Park等人展示了製造具有可調控尺寸、磁效能和表面結合能力的磁性奈米粒子的基礎知識。
他們展示了具有特定核殼奈米結構的金塗層磁性奈米粒子的製造，用於蛋白質固定化。可以合成尺寸在5~100nm範圍內可控的氧化鐵（Fe2O3和Fe3O4）奈米顆粒，並表現出高的單分散性。
最後，Park的研究小組透過磁場演示了表面蛋白結合的反應性和分離的典範，用於生物測定。
Zhao等人描述了具有磁性核心的介孔矽殼奈米球的合成，其特點是均勻的顆粒直徑約為270奈米。由於其介孔結構，矽殼提供了一個高的表面積，適合於藥物輸送和分離應用的樣品附著。
奈米球結合能力的效率透過布洛芬的捕獲和釋放得到了示範性的體現。Kim等人制備了含有金塗層的氧化鐵（Fe3O4）的二氧化矽奈米球，用於磁共振成像和癌症治療。透過聚乙二醇（PEG）連線劑，一個特定的抗體被連線到奈米球表面，使其能夠特定地捕獲癌細胞。
Ito等人提出基於磁力的組織工程，其基本思想是磁鐵礦奈米顆粒被相應的目標細胞所吸收，研究了兩種型別的組織：泌尿組織和血管組織。併為了證明這一概念，透過磁力建立了管狀組織結構。
Thanh［21］介紹了在基質中嵌入磁性奈米粒子以建立順磁微珠的三種形式。這些變化以其外觀命名為“水果蛋糕”（磁性奈米粒子均勻地分佈在基體中）、“橘子皮”（粒子靠近珠子表面排列）和“李子蛋糕”（粒子集中在珠子中心）。圖3示意性地展示了這三種類型的奈米粒子嵌入非磁性基體的情況。
b) 球形磁性微粒子的示意圖（左），鐵磁性粒子集合體的磁化環（中心），以及在磁場中保持殘餘力矩的上層結構和磁場消除後的鏈狀上層結構（右）。
b) 球形磁性微粒子的示意圖（左），鐵磁性粒子集合體的磁化環（中心），以及在磁場中保持殘餘力矩的上層結構和磁場消除後的鏈狀上層結構（右）。
磁珠的製造在很大程度上已經被研究和理解。儘管如此，在合成磁性奈米粒子方面仍有一些挑戰需要應對。一個重要的任務是實現統一的尺寸和形狀。此外，製造的顆粒在磁性和化學性質方面的均勻性不僅是科學結果的可重複性的前提，也是商業化的前提。
此外，在生物醫學應用中使用的磁性顆粒應該是水分散性的。這意味著它們應該具有親水的表面塗層。它們的表面應該適合於特定的樣品功能化，在大多數應用中必須具有生物相容性。
Jing等人使用了一種簡單的一步反向沉澱法，利用具有生物相容性的檸檬酸鈉鹽合成水分散性、生物相容性和羧酸鹽功能化的超順磁性磁鐵礦（Fe3O4）奈米顆粒。
透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）、傅立葉變換紅外光譜（FTIR）、Zeta電位測量和動態光散射（DLS）被用於表徵所製備的磁鐵礦奈米顆粒。
透過在25~125mM的範圍內改變檸檬酸鈉的濃度，磁鐵礦奈米顆粒的大小可以從27±3。8到4。8±1。9 nm進行調整。Jing等人發現，檸檬酸鈉濃度對製造的磁鐵礦奈米顆粒的水分散穩定性有影響。這種影響歸因於顆粒之間的靜電排斥效應。
Colombo等人對磁性奈米粒子的最佳粒徑的討論一直是一個爭議點。必須在大磁矩和生物相容性之間找到一個折中點，前者與較大的顆粒有關，後者在顆粒過小時變得至關重要。
根據作者的觀點，鐵素體奈米顆粒的最佳尺寸是在10奈米（相當於所考慮的材料在室溫下的超順磁性尺寸極限）和約70奈米（即臨界域尺寸）之間。對各種磁性奈米粒子的特性進行了比較，並評估了表面功能化的方法，包括其對生物結合的適用性。
現在，市場上有大量的磁珠，它們具有很大的多樣性，可用於不同的應用。這些商業磁珠的主要用途是結合、純化和磁性分離生物大分子，包括蛋白質、細胞、DNA片段和其他生物大分子，如核酸、酶、抗體或細菌。
在廣泛的可購買的珠子中，市面上也存在一種數字條碼磁珠，這類磁珠旨在顯著提高分子診斷的分離和識別能力。這對於高通量應用或多重檢測尤其重要。數字光學條碼在磁珠上以光刻方式生成，磁珠的表面塗層能夠特異性地結合核酸、蛋白質或其他感興趣的生物分子。
檢測方面的一個長期挑戰是要有足夠的檢測工具和方法，因為磁性檢測訊號是隨著樣品中的磁性體積而縮放的，而在磁珠的情況下，磁性體積非常小。
超導量子干涉裝置（SQUIDs）通常用於高精度測量磁性奈米粒子產生的極小的磁場變化。除了SQUIDs之外，還使用了磁阻（MR）感測器或霍爾感測器。在Thanh的書中，對這些方法進行了列表式的概述。
然而，檢測接近零的場強的能力並不能確保樣品中的所有顆粒都被記錄下來：例如，在免疫分析中用作標籤的超順磁性珠子就存在這樣的問題：大量的珠子透過感應區而沒有被檢測到。
為了解決這個問題，已經開發了各種採用磁力、超聲波駐波、甚至流體力學效應的解決方案。Eickenberg等人對這些方法進行了更詳細的描述，並提出了一個新的感測器概念，以規避之前指出的問題。
這個新概念是基於在含有磁性奈米顆粒的凝膠中發現的顆粒狀巨磁電阻（GMR）效應。其原理如下：凝膠表面的抗體與流體樣品中的珠子表面的抗原結合。磁珠的雜散場透過顆粒狀的GMR效應改變了凝膠的電阻，使結合的磁珠得到檢測和定量。
在一篇關於磁粒子感測的評論中，Takamura等人報告了一種透過柱狀粒子排列檢測200奈米以下磁粒子的方法。Llandro等人在磁性生物感測器的應用領域中描述了用於檢測磁性標籤的各種感測器型別的物理概念。
本文也討論了磁性基質的生物相容性。這一概述表明，現在有各種方法和工具，但對產生的極弱場的檢測，但這種小尺寸的顆粒仍然是一個挑戰，刺激了磁性檢測的進一步和新的發展。
膠體奈米晶體被應用於各種科學領域。其中包括生物學、醫學、新的診斷方法和工具的開發、藥物輸送、成像，直至物理學和工程學以及能源轉換和儲存的新裝置。它們可能配備了多功能特性，以擴大其適用範圍或使其使用更有效率。
這種奈米晶體的特性的控制是透過在化學合成過程中對其尺寸、形狀和組成的設定以及對其有機塗層的仔細選擇來進行的。Chen等人報告了控制鉑金奈米晶體的形狀和形態以提高其催化活性和電催化效能的方法。
義大利萊切的奈米科學研究所和義大利熱那亞的義大利技術研究所的科學家們用磁性奈米粒子（負責磁性）、量子點（用於珠子的發光功能）和兩親聚合物的混合物合成了三功能聚合物奈米珠。
可以檢測到隨著量子點濃度的增加，奈米珠的發光也會增加。這對成像應用是很重要的。磁性奈米粒子在珠子內的分佈以及因此在磁場中系統的磁性反應速度可以透過調整不穩定劑來調整。
作為不穩定劑，可以使用水或乙腈。除了磁性和發光之外，第三個功能是由特定的表面塗層提供的。透過在珠子上塗抹葉酸，可以將過量表達葉酸受體的癌細胞作為目標。癌細胞對奈米顆粒的攝取量增加被歸因於葉酸受體的過度表達。
Bigall等人提出了具有混合功能的膠體奈米晶體，它至少結合了以下兩種特性：熒光、磁性和質子。表面質子是在兩種材料的介面上發現的脫域電子振盪，由光與某些電介質材料的相互作用產生。它們對材料的光學特性有影響。
如圖4所示，提供具有混合功能的奈米晶體的可能性，為生物技術和醫學的應用開闢了一個廣闊的領域。
圖3. 在非磁性球形基體中嵌入奈米粒子的變化，產生了超順磁珠。
謝謝讀完！
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