[发明专利]一种具有生物催化效果的多功能磁控纳米链

说明书

本申请提供了一种由三维磁场控制合成、能实现群体运动、具有生物催化效果的多功能磁控纳米链，其由Fesubgt;3/subgt;Osubgt;4/subgt;纳米球和SiOsubgt;2/subgt;组成。本申请还提供了其合成控制与功能实现方法。本申请通过控制磁控纳米链合成过程中反应动力学与磁场的相互作用，获得结构可控的纳米链；在旋转磁场和流体力学的耦合下，能够分析和模拟纳米链的群体运动行为，以了解其组装机理，为纳米搅拌提供原理支撑；研究了纳米链用于生物催化的三种不同机理：纳米搅拌子、高频磁场电荷传输介质和铁氧化物化学催化；将磁控纳米链用于“葡萄糖氧化酶——辣根过氧化物酶”和“无细胞蛋白表达系统”中都表现出优异的反应速率提升效果。

技术领域

本发明属于生物催化领域，具体涉及一种由三维磁场控制合成、实现群体运动、具有生物催化效果的多功能磁控纳米链的合成控制与功能实现方法。

背景技术

磁响应纳米材料在药物主动给药、磁共振成像、远程微操作、催化、可控磁分离等领域有着广泛的应用前景，受到了越来越多的研究关注。与零维磁性微粒相比，一维磁性材料如纳米链、纳米棒、纳米线等具有独特的各向异性和可调的结构特性，具有更为复杂和多样的应用前景。在制备一维磁控纳米链的各种方法中，磁场诱导的溶胶——凝胶法能够促进磁偶极相互作用，从而促使磁性粒子以更可控的方式排列。二氧化硅、碳和高分子聚合物都可以构成外壳以形成一维核壳结构，在生物催化、药物传递、光子晶体等领域有重要应用。在磁控纳米链的制备过程中，反应动力学和磁场的相互作用对一维纳米链的结构起着决定性的作用。

磁控纳米链由于其独特的各向异性结构，能够作为纳米催化剂和纳米搅拌子用于提高反应速率。特别是在微滴、胶束、微流道、生物芯片等微纳反应器中，在这种微尺度反应中不能使用通常意义的磁力搅拌，机械搅拌又非常不方便，微纳转子成为优势突出的选择。在二维旋转磁场下，纳米链充当纳米搅拌棒，在化学反应中能够增强传质，从而加快整体反应速率。纳米链的搅拌过程，本质上是磁性纳米马达群体的运动。

无细胞生物学，包括无细胞多酶系统和无细胞蛋白质合成，已经迅速发展，可用于体外快速诊断和复杂蛋白质表达的潜在应用。与细胞系统相比，无细胞系统提供了更开放的反应环境，并以更工程化的方式实现了对浓度和反应条件的更多可控性。然而，由于没有有效混合的低质量传递比，特别是在纳米级反应器如微滴和微流体上的生物测定中，通过酶催化进行体外诊断的效率受到限制。此外，无细胞蛋白的表达总是耗时的(甚至超过1天)，而每个反应体系的体积很小(约20微升)阻碍了使用搅拌器来快速反应，导致反应效率的瓶颈。因此，纳米级搅拌棒和催化剂是高效加速无细胞生物反应所必需的。

在磁控纳米链的制备过程中，反应动力学和磁场的相互作用对一维纳米链的结构起着决定性的作用。遗憾的是，复杂的物理-化学耦合过程的机理还没有被系统地用于纳米链结构的合理设计。

此外，纳米链的搅拌过程本质上是磁性纳米马达群的集体运动，但对影响搅拌效率的纳米链在流体中的聚集行为和组装行为的研究却很少。

另外，磁控纳米链用于生物催化的机理尚不明确，且协同性差。除了物理搅拌以外，还有其他反应机理在先前没有被关注到。一方面，纳米氧化铁本身的优异催化性能很少被考虑通过纳米链来进一步提高反应速率。此外，交变电磁场诱导的磁致伸缩纳米颗粒由于能够促进自由基的产生而被证明可以催化降解有机物。据我们所知，用于催化的一维交变磁场和用于纳米搅拌的二维旋转磁场控制尚未整合在一起以实现全面的反应增强。集成化对磁控系统之间的协同工作提出了更高要求。因此，仅通过一种纳米材料，利用集成三维磁场和不同任务的同时多重催化机制来深度强化生化反应的研究尚未见报道。

发明内容

本发明提出了多功能磁控纳米链的合成方法，以及磁控纳米链从群体运动到生物催化的综合精细三维磁场控制方法，从而解决了以上问题。