一文带你了解免疫和分子诊断领域不可或缺的原料——磁珠

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关于磁珠

什么是磁珠？

磁珠是一种粒径细小的超顺磁微球，由氧化铁磁核与聚合物壳层构成，具有超顺磁性，可在磁场中快速聚集或分散。在生物技术、医疗诊断、环境监测和工业加工等多个领域都有广泛的应用。

磁珠的结构

磁珠具有三层结构，包括核心为具有超顺磁性的磁性物质，核心外层包裹的一层高分子材料层和最外层的功能配基层。

图1 磁珠的结构[1]

• 磁性物质可以由各种材料组成，这些材料表现出磁性。这些磁性材料主要包含纯金属（如钴、铁、镍）及其氧化物，以及金属间化合物（如 CoPt₃）和金属合金（如 FeCo、FePt）。其中，氧化铁类材料，尤其是磁铁矿（Fe₃O₄）和磁赤铁矿（γ-Fe₂O₃），因其兼具强磁性与优异的生物相容性，成为磁珠制造中主要应用的一类材料。

• 高分子层常为聚合物材料，如聚苯乙烯等，主要用于稳定新形成的磁珠表面和防止磁珠聚集。此外，高分子涂层可以与多种活性物质结合，如抗原、抗体、核酸等。

• 功能配基层位于磁珠的最外层，表现具有疏水/亲水、非极性/极性、带正电荷/负电荷等不同物理性质。配基层表面修饰有各种生物功能分子，如抗体、寡核苷酸或其他配体，如氨基(-NH₂)、羧基(-COOH)、羟基(-OH)，用于特异性捕获目标分子。

磁珠的特性

1、高比表面积

纳米材料随着粒径变小，其表面积、表面能及表面结合能都迅速增大，表面原子所占的百分数会显著增加。表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性，易与其它原子结合而稳定下来，表现出较高的化学活性。

2、磁响应性

磁性中磁核含量是反映磁响应性的重要参数。磁核的超顺磁性临界尺寸因材料而异，通常当直径处于纳米级（如多数铁氧体材料小于 20nm）时，具有超顺磁性，在外加磁场作用下可快速定向运动，实现分离纯化。

3、功能基特性

表面携带多种活性功能基团（如-OH、-COOH、-NH₂等），可连接生物活性物质，实现细胞分离、核酸杂交、免疫沉淀等功能。

4、生物相容性

多数生物高分子材料（如多聚糖、蛋白质）具有良好的生物相容性，在人体内安全无毒，可降解，不引发免疫反应，适用于生物医学领域。

5、粒径均匀性

磁珠粒径范围分布窄，保证了磁响应性和分离效率的稳定性，避免因粒径差异导致的分离不均或沉降问题。

6、操作简便性

结合外加磁场，可实现快速分离、纯化和富集，简化实验流程，提高工作效率，尤其适用于自动化操作。

磁珠的发展历程

磁珠的发展历程可以追溯到20世纪70年代，其技术不断进步并广泛应用于生物医学、体外诊断等领域。以下是其主要发展历程：

• 早期探索（20世纪70年代）

1976年，挪威科学家John Ugelstad成功制备出均匀磁化的聚苯乙烯球体粒子，为磁珠技术奠定了基础。同年，科学家Guesdon和Avrameas研究磁性生物微球与抗原/抗体的连接反应，1977年开发出磁性固相酶免疫分析技术，首次将磁珠应用于生物分子分离。

• 细胞分离与核酸提取（20世纪80-90年代）

1978年，磁珠首次用于细胞分离，成功分离小鼠和大鼠淋巴细胞。1989年，科学家Hultman使用链霉亲和素修饰的磁珠提取核酸，推动了核酸提取技术的发展。20世纪90年代，基于硅介质的磁珠核酸纯化技术兴起，成为现代分子生物学的重要工具。

• 免疫诊断与临床应用（21世纪初至今）

2000年后，磁珠在免疫诊断领域广泛应用，如磁微粒化学发光免疫分析（CLIA）、微流控磁敏免疫分析（MIA）等技术，显著提高了检测灵敏度和自动化程度。2010年后，纳米磁珠技术在CAR-T细胞疗法、单细胞测序等领域崭露头角，成为精准医疗的关键工具。

（一）核酸分离纯化

磁珠表面修饰有对核酸有吸附作用的特定活性官能基团，通过不同的裂解液、结合液、洗涤液在特定的条件下能够与目的物质进行特异性结合，同时磁珠在外磁场的作用下可以方便的实现定向移动与富集，从而达到核酸与杂质分离的目的，进而实现对目标物质的分离纯化，获得纯化核酸。

磁珠法提取核酸是纳米科技与生物技术的完美结合，与传统DNA提取方法相比具有明显的优势:

a.能够自动化、高通量操作

b.操作简单、用时短

c.安全无毒，不使用苯、氯仿等有毒试剂

d.提取的核酸纯度高、浓度大

e.灵敏度高，适合痕量DNA提取

（二）细胞分离

表面偶联捕获抗体的磁珠还可用于细胞的分离分选。相比于传统的荧光辅助分离方法(FACS)，细胞磁分离技术不需要昂贵的流式细胞仪，操作非常便捷。磁珠的微米级尺寸可以有效避免被细胞内吞，在完成分离之后能够从目标细胞表面完全洗脱，得到不含有任何人工材料的目标细胞，完全规避了后续使用中可能导致的毒性或免疫原性。

（三）免疫检测

磁珠由于粒径小，比表面积大，可结合更多的抗原或抗体，并直接在其表面进行酶显色、荧光或同位素显示，从而建立了一系列检测速度快、特异性高、灵敏度高和重复性好的免疫检测方法。

（四）蛋白纯化

磁珠表面修饰有不同的功能基团，包括羧基、氨基、生物素、亲和素、巯基等。这些基团可借助抗原抗体特异性结合等原理，在磁场作用下与目标蛋白质结合，实现目标蛋白质的快速、精准分离。

磁珠作为一种由磁性核心、高分子包覆层和功能化配基层构成的超顺磁微球，凭借其高比表面积、快速磁响应性、生物相容性及表面功能化等能力，已成为生物医学、环境监测和工业加工等领域不可或缺的核心原料。从早期的实验室探索到如今的产业化应用，磁珠技术经历了从基础研究到多场景落地的跨越式发展。然而，随着技术需求的升级和应用场景的扩展，磁珠领域仍面临着规模化生产、磁珠表面性能控制等诸多挑战，未来的发展方向值得深入探讨。

[1]Modh H, Scheper T, Walter JG. Aptamer-Modified Magnetic Beads in Biosensing. Sensors (Basel). 2018 Mar 30;18(4):1041. doi: 10.3390/s18041041. PMID: 29601533; PMCID: PMC5948603.