1 前言
磁性微球是由Senyei A E 在1978年首先研制出來的一種新型的功能材料。它的內(nèi)部是一個(gè)磁核，因而在外部磁場(chǎng)的作用下,微球可以定向移動(dòng)；外部是一層高分子層，表面分布著許多活性基團(tuán)，可以和細(xì)胞、蛋白質(zhì)、核酸、酶等生化試劑發(fā)生偶聯(lián)，進(jìn)而在磁場(chǎng)的作用下實(shí)現(xiàn)分離。
磁性微球從誕生開始，它就受到了科研工作者的關(guān)注，并且在生化分析領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用。近年來，將磁性微球包被上特異性抗體、受體、單鏈DNA，用于分離復(fù)雜樣品中的靶體，取得巨大成功。與傳統(tǒng)的分離方法相比，把磁性微球用于復(fù)雜組分的生化樣品的分離，能夠?qū)崿F(xiàn)分離和富集同時(shí)進(jìn)行，大大提高了分離速度和富集效率，同時(shí)也使分析檢測(cè)的靈敏度大大提高。目前，這種磁性微球已被廣泛應(yīng)用于免疫分析、核酸分析、細(xì)胞分離、酶的固定等多個(gè)領(lǐng)域。最近，已經(jīng)有相關(guān)的文章報(bào)道了將磁性微球應(yīng)用于檢測(cè)環(huán)境樣品中的痕量微生物或者某些活性化學(xué)物質(zhì)，取得了很好的效果。
2 磁性微球的種類與特點(diǎn)
磁性微球按其制備時(shí)所用的材料的不同，通常可分為無機(jī)微球、生物高分子微球、聚合物高分子微球等。由于通過單體聚合得到的磁性微球能夠人為方便地控制微球粒徑和表面活性基團(tuán)的種類，因此，聚合物微球是目前人們研究較多的一種。通過單體共聚反應(yīng)可以得到醛基微球、氨基微球、羧基微球、羥基微球等。具有不同官能團(tuán)的磁性微球可以用于分離不同的生化樣品。
一般地，用于生化分析的磁性微球必須滿足以下條件：(1) 超強(qiáng)的順磁性，就是指在磁場(chǎng)的存在下能迅速聚集，離開磁場(chǎng)能夠均勻分散，不出現(xiàn)聚集顯現(xiàn)現(xiàn)象；(2) 合適的粒徑且粒徑分布范圍窄，使微球有足夠強(qiáng)的磁響應(yīng)性，又不會(huì)因粒徑太大而發(fā)生沉降；(3) 具有豐富的表面活性基團(tuán)，以便微球可以和生化物質(zhì)偶聯(lián)，并在外磁場(chǎng)的作用下實(shí)現(xiàn)與被待測(cè)樣品的分離。
3 磁性微球的應(yīng)用
3.1細(xì)胞分離與標(biāo)記
利用磁性微球進(jìn)行細(xì)胞分離的一般過程是：將抗細(xì)胞表面特異性抗體包被磁球表面，與細(xì)胞原液混合孵育、磁分離，然后用適當(dāng)方法解離，并將磁球分離出來，得到純凈的細(xì)胞[1]。磁性微球在應(yīng)用于細(xì)胞分離時(shí)，通過選擇表面特異性抗體的不同，既可以用于分離不需要的細(xì)胞（反向分離），也可用于富集所需要的細(xì)胞（正相分離）。Treleaven等[2]將苯乙烯微球與單克隆抗體結(jié)合，然后注入被癌細(xì)胞浸潤(rùn)的骨髓中，孵育一段時(shí)間后進(jìn)行磁分離，可以將骨髓中的癌細(xì)胞分離出來。張津輝等[3]用磁性微球分離檢測(cè)水中致病細(xì)菌，取得較滿意的效果。磁性免疫微球還被用于分離幽門螺桿菌或其它有機(jī)物，進(jìn)行PCR檢測(cè)，其敏感度大為提高[4]。
3.2固定化酶
酶是一種生物蛋白質(zhì)，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，影響到它的催化活性。用磁性微球分離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。國(guó)內(nèi)邱廣明等[5]采用碳化二亞胺法在磁性微球表面固定中性蛋白酶，制備活性高達(dá)700U/g；緩沖溶液pH6.0、離子強(qiáng)度較高時(shí)，固定化酶的活性最高。邱廣亮等[6]通過研究合成了具有磁響應(yīng)性聚乙二醇微球，并以此為載體，固定化了a-淀粉酶。在最適條件下，固定化酶的活性達(dá)34000U/g(干膠)，并且該固定化酶對(duì)酸、堿、熱的穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，其操作穩(wěn)定性也大大增加。
3.3免疫分析
將磁性微球表面包被特異性抗體，就可以和待測(cè)樣品中抗原發(fā)生免疫反應(yīng)，用磁鐵就可以將微球和樣品基質(zhì)分離，然后將吸附抗體和抗原的磁性微球用熒光免疫檢測(cè)法或電化學(xué)發(fā)光檢測(cè)法檢測(cè)。該過程使免疫分離與富集結(jié)合為一體，提高了分析檢測(cè)的靈敏度，同時(shí)避免了分析過程對(duì)人的可能危害。Nakamura等[7]把細(xì)菌磁微球用于檢測(cè)血清中免疫球蛋白IgG的含量，其線性范圍為0.5～100ng/mL。Kawasaki等[8]研究采用細(xì)菌磁性微球酶聯(lián)免疫化學(xué)發(fā)光快速高靈敏度檢測(cè)鼠抗IgG，完成一個(gè)樣品的檢測(cè)需時(shí)10min，線性范圍為1～105fg/mL。Fabregas等[9]將磁性免疫微球用磁場(chǎng)固定在一個(gè)平板換能器上，制得一種新型免疫傳感器，并將其應(yīng)用于流動(dòng)分析系統(tǒng)，完成一個(gè)測(cè)定循環(huán)需時(shí)小于30min，能夠檢測(cè)出樣品中微摩爾級(jí)濃度的兔抗IgG。
4 環(huán)境方面的應(yīng)用
鑒于磁性微球強(qiáng)大的功能特點(diǎn)以及在生化領(lǐng)域所取得的成功應(yīng)用，科研工作者已經(jīng)嘗試將磁性微球引入環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，用于對(duì)環(huán)境中自然水體、工業(yè)廢水、生活污水、土壤環(huán)境中部分有毒有機(jī)物、病毒、細(xì)菌的檢測(cè)。此外，將磁性微球應(yīng)用于環(huán)境污染處理，如廢水處理，將是環(huán)境治理中另一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。
4.1水體或環(huán)境中微生物的檢測(cè)
地表水或者各種污水中成分非常復(fù)雜，除了可見的各種殘?jiān)⑺槠⒂椭⑴菽⑵∥镏猓锩孢€含有多種微生物。當(dāng)水體中這些微生物含量超過正常指標(biāo)，必將造成大范圍的疾病流行，對(duì)人類的身體健康造成嚴(yán)重的威脅。因此，對(duì)自然水體、各類污水、土壤中各種微生物的種類及含量的監(jiān)測(cè)是環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中的一個(gè)重要課題。我們通常采用的檢測(cè)污水或其它水體中微生物含量的方法都需要將采集到的樣品進(jìn)行預(yù)處理，除去樣品中的各種懸浮物。這一步非常費(fèi)時(shí)，同時(shí)，樣品中待檢測(cè)組分會(huì)隨預(yù)處理過程部分喪失，使最終檢測(cè)結(jié)果發(fā)生偏差。采用免疫磁性微球分離技術(shù)可以將環(huán)境樣品中目標(biāo)微生物很快分離出來。將磁性免疫微球分離技術(shù)和其它檢驗(yàn)方法相結(jié)合，如和ELISA、PCR、FIA、ECL等技術(shù)相結(jié)合，可以將檢測(cè)效率和檢測(cè)下限大幅提高。
用磁性微球檢測(cè)水體中微生物含量的一般過程是：把包被有特異性抗體的磁性微球和待測(cè)樣品混合孵育一段時(shí)間后，在磁場(chǎng)的作用下分離，可以方便地將待檢測(cè)的一種或多種微生物分離出來，然后用ELISA、FIA、ECL等檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。Yu. H[10]成功地將磁性免疫微球應(yīng)用于快速分離環(huán)境水體中的細(xì)菌和毒素，并將這種分離技術(shù)和熒光免疫分析法相結(jié)合，能夠快速探測(cè)出環(huán)境水體中2×10-3個(gè)/mL的E. coli O157，并能夠在完成96個(gè)/h樣品的檢測(cè)。Sylvie Hallier-Soulier等[11]研究用磁性免疫微球富集環(huán)境水體中的似隱菌屬擔(dān)孢子（一種能夠引起腸胃疾病的原生動(dòng)物），然后采用PCR擴(kuò)增檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)靈敏度達(dá)到能夠從每100L水中檢出1個(gè)卵囊的水平。張津輝等[3]研究了用磁性免疫微球富集分離并檢測(cè)水中的志賀病菌，他將磁性免疫微球和待測(cè)水樣混合孵育一定時(shí)間，然后磁分離，目的細(xì)菌的吸附率在95%以上。可見用磁性微球分離水中細(xì)菌的吸附率很高，且吸附非常穩(wěn)定。
4.2水中有機(jī)物的檢測(cè)
目前常用的檢測(cè)水體中有機(jī)物含量的方法是氣相色譜法或高效液相色譜法。盡管色譜法的檢測(cè)靈敏度很高，但是色譜柱對(duì)被檢測(cè)樣品的要求非常高，否則會(huì)影響檢測(cè)的靈敏度和色譜柱的使用壽命。因此，廢水在用色譜法檢測(cè)之前，需要經(jīng)過煩瑣的預(yù)處理，除去樣品中容易對(duì)色譜柱產(chǎn)生污染的成分。色譜柱完成一個(gè)樣品的分析只需20min，而樣品的預(yù)處理需要幾小時(shí)，甚至幾天。因此用色譜法分析廢水樣品的工作量非常大。
利用磁性微球分離效率很高的特點(diǎn)，將微球應(yīng)用于廢水中特定組分的分離、檢測(cè)，可以有效地減少工作量，縮短工作時(shí)間。其過程是將富含活性基團(tuán)-NH2、-COOH、-CHO等的磁性微球和待測(cè)樣品（必須含有-NH2、-COOH、-CHO等活性基團(tuán)）混合，在活性試劑的作用下，樣品中的待測(cè)物質(zhì)就偶聯(lián)富集到磁球的表面，接著用磁場(chǎng)分離出來進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)方法可以用電化學(xué)檢測(cè)法、發(fā)光檢測(cè)法或電化學(xué)石英晶體微天平等方法。蘭州大學(xué)力虎林[12]做了用磁性微球分離檢測(cè)廢水中痕量肼的研究。他們將帶羰基的微球加入含肼的廢水中，并在沸水中加熱20min，然后用磁性電極吸附分離，在HOAc-NaOAc緩沖溶液中用脈沖伏安法測(cè)定，獲得很好的檢測(cè)效果，其最低檢測(cè)限為0.1mg/L。楊明等[13]研究用含酰肼基團(tuán)的磁性微球吸收富集水中的微量甲醛，在弱酸性環(huán)境中，磁性微球上的酰肼基團(tuán)和甲醛反應(yīng)生成具有電活性的物質(zhì)腙。在測(cè)定時(shí)，磁性微球聚集在磁性電極的表面，電活性物質(zhì)在-1.04V被還原，利用還原峰電流值可以測(cè)量甲醛的含量。用這種方法測(cè)定環(huán)境水樣中甲醛的含量，其檢測(cè)下限為0.2mg/L，檢測(cè)靈敏度要比常規(guī)的光度法、色譜法、電化學(xué)法等檢測(cè)方法高。其它具有能夠和磁球偶聯(lián)的活性基團(tuán)且有電活性的物質(zhì)，如含有醛基、羰基、氨基等的有機(jī)物都能用這種方法檢測(cè)。
5 結(jié)論與展望
磁性微球作為一種新型的功能材料，在生命科學(xué)、生化領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，但是有關(guān)微球在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的報(bào)道還非常少。因此，磁性微球在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用還是一個(gè)嶄新的研究方向。由于磁性微球具有很大的比表面積，且表面分布著豐富的活性基團(tuán)，可以和具有生物活性成分以及帶有活性基團(tuán)的有機(jī)物發(fā)生偶聯(lián)，再加上磁性微球易于分離的特點(diǎn)，使得待檢測(cè)樣品中痕量組分高效地分離富集起來，提高了分析檢測(cè)靈敏度。此外，如果將磁性微球和某些特定的催化劑相結(jié)合，應(yīng)用于廢水處理，也可能會(huì)收到意想不到的效果。因此，我們有理由相信，隨著研究工作的深入，磁性微球?qū)⒃诃h(huán)境監(jiān)測(cè)以及環(huán)境管理工作中發(fā)揮重要作用。
6 參考文獻(xiàn)
1蘭小鵬．磁性微球在生物醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的新進(jìn)展．國(guó)外醫(yī)學(xué)臨床生物化學(xué)與檢驗(yàn)學(xué)分冊(cè)，1993,14(4)：158~161．
2 Treleaven J G, Gibson F M, Ugelstad J. Remove of neuroblastoma cells from bone marrow with monoclonal antibodies conjugated to magnetic microspheres. Lancet, 1984,14(1):70~75.
3 張津輝，廖莎，李鳳義，等．磁性親和分離的實(shí)驗(yàn)研究．軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院院刊，1998,22(2)：107~109．
4 Enroth H, Engstrand L. Immunomagnetic separation and PCR for detection of Helicobacter Pylori in water and stool specimens. J. Clin. Microbiol., 1995, 33:2162~2168.
5 邱廣明，孫宗華．磁性高分子微球共價(jià)結(jié)合中性蛋白酶．生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，1995,12(3)： 209~213．
6 邱廣亮，張艷茹．磁性載體用于酶固定化方面的研究．內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)，1998,27(2)： 129~133．
7 Nakamura N, Hashimoto K, Matsunaga T. Immunoassay method for the determination of immunoglobulin G using bacterial magnetic particles. Anal. Chem.,1991,63(3):268~272.
8 Tadashi Matsunaga, Masashi Kawasaki, Xie Yu, et al. Chemiluminescence enzyme immunoassay using bacterial magnetic particles. Anal. Chem., 1996,68:3551~3554.
9 Silvia Sole, Salvador Alegret, Francisco Cespedes, et al. Flow injection immunoanalysis based on a magnetoimmunosensor system. Anal. Chem., 1998,70:1462~1467.
10 Yu H. Use of an immunomagnetic separation-fluorescent immunoassay (IMS-FIA) for rapid and high throughput analysis of environmental water samples. Anal. Chim. Acta, 1998,376:77～81.
11 Sylvie Hallier-Soulier, Emmanuelle Guillot. An immunomagnetic separation polymerase chain reaction assay for rapid and ultra-sensitive detection of Cryptosporidium parvum in drinking water. FEMS Microbiology Letters, 1999,176: 285～289.
12 Ming Yang, Huling Li. Determination of trace hydrazine by differential pulse voltammetry using magnetic microspheres. Talanta, 2001, 55: 479~484.
13 楊明，力虎林．磁性微球在測(cè)定水中痕量甲醛中的應(yīng)用． 蘭州大學(xué)學(xué)報(bào), 2001,37(6)：47～50．
