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磁学性能又取决于纳米颗粒的化学计量组成、结构、形状、尺寸及分布、表面修饰、聚集状态等特性。这一期我们将分享下生物磁珠的这些特性表征方法。

1.形貌：
材料的形貌是材料分析的重要组成部分，材料的很多重要性能都与形貌有关。磁珠的形貌包括几何形状、表面粗糙度以及内部结构等。
扫描电子显微镜（SEM），利用聚焦的电子束扫描样品表面产生样品的图像。电子与样品中的原子相互作用，产生包含样品表面形貌和成分信息的各种信号。电子束以光栅扫描模式扫描，并且光束的位置与检测到的信号组合从而产生图像。

左图的磁珠表面光滑、为规整球形（BeaverBeadTM Mag COOH）。右图的磁珠表面粗糙，形貌不规整（对比品牌）。

透射电子显微镜（TEM），是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。透射电子显微镜可以用于观察样品的精细结构。

TEM：可清晰看出磁核的直径及二氧化硅层的厚度（BeaverBeadTM Mag COOH）

2.磁珠材质
一般而言磁珠由聚合物、二氧化硅和Fe3O4纳米颗粒通过不同的方式组成。

EDS，能量色散X射线谱（Energy-dispersive X-ray spectroscopy），有时也被称作能量色散X射线分析或能量色散X射线微量分析一种用于元素分析和化学表征的分析手段。该手段通过收集X射线进行分析。由于不同元素因原子结构不同而发射谱各异，所以可以通过分析X射线谱分辨样品所含的不同成分。

EDS检测数据显示，该款磁珠主要由氧化铁、二氧化硅及含碳聚合物组成。

3.磁核及聚合物含量
热重分析（TGA）是一种随着温度（等加热速率）或时间（等温和/或质量守恒的损失）的增加改变物质物性及化性。TGA可提供有关物理现象的信息，如二级相变，包括蒸发、升华、吸收、吸附和脱附。相同地，TGA也可提供有关化学现象的信息，包括化学吸附、脱溶剂、分解和固相-气相反应。利用聚合物可以在高温降解的特性，测量磁珠表面的聚合物的含量。

图：TGA数据显示，该磁珠的氧化铁含量约为38%。

4.尺寸及分布
动态光散射（DLS），是一种物理表征手段，是通过布朗运动测量流体动力学直径从而测量溶液或悬浮液中的粒径分布。它适用于表征5μm以下的纳米样品，包括蛋白质、聚合物、胶束、囊泡、碳水化合物、纳米颗粒、生物细胞和凝胶等。

图：DLS数据显示该磁珠的平均粒径为350nm。

5.表面官能团种类及密度
生物磁珠表面官能团是指能与其它分子发生特定的化学反应的功能基团，一般有羧基、氨基、羟基、环氧基、对甲苯磺酰基、巯基、NHS等。表面官能团密度，是指单位磁珠表面所具有的官能团数量。
磁珠表面官能团种类可以采用红外光谱（IR）检测，这种技术通常用于分析具有共价键的样品。当IR的频率与化学键的振动频率相同时，发生吸收。因此，通过振动频率判断功能基团的种类。

图：羧基磁珠红外光谱图，3371 为OH伸缩振动峰，2921为饱和碳（CH2,CH3）上C-H伸缩振动峰，1721为羧酸的C=O伸缩振动峰；

官能团密度一般采用酸碱滴定或者zeta电位检测。酸碱滴定是定量化学分析的常用实验室方法，用于确定已识别分析物的未知浓度。Zeta电位是分散介质中粒子表面和分散溶液之间的电势差，粒子的表面电荷越多，其zeta电位的绝对值越大。磁珠表面官能团的变化会引起zata电位的改变，zeta电位可以定性判断磁珠表面功能基团的种类和数量。

左图为羧基磁珠，zeta电位为―41 mV。右图为未修饰的磁珠，zeta电位为0。

6.磁珠的磁性
振动样品磁强计（VSM）是一种灵敏度高、应用最广的磁性测量仪器。振动样品磁强计采用尺寸较小的样品。由于体积很小，样品在被磁场磁化后，在远处可以近似的看做一个磁偶极子。如样品按一定方式振动，就等同于磁偶极场在振动。于是，放置在样品附近的检测线圈内就有磁通量的变化，产生正比于磁化强度的感应电动势。

图：超顺磁纳米磁珠在振动样品磁强计中测得的曲线。磁滞回线过原点、剩磁为零，该磁珠为超顺磁性。

7.铁离子泄露
铁离子的检测可以采用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）或者比色法检测。比色法即，将磁珠在特定浓度的盐酸溶液中浸泡后，取上清液加入还原剂使所有铁离子为Fe2+,再和邻菲罗啉配位显色，通过比色能够推知酸渗透出来的铁含量.

左图：Fe2+与邻菲罗啉的配位物。右图：不同浓度Fe2+在邻菲罗啉中的显色。

以上磁珠的性能决定性地影响到磁珠的应用性能。不同的性能可能有其他不同的测量手段。不同测量方法获得的值没有可比性，不同测量方法得到的测量值不能直接与其他方法测得的结果比较。此外，测量固有特性的方法可能存在区别，可能会导致与测量同一特性的其它方法得到不同的结果。