近日小编精心整理了《纳米粒子与纳米材料论文(精选3篇)》的相关内容，希望能给你带来帮助!摘要：为了研究磁性纳米粒子质量与磁通密度的关系，提出了一种基于弱磁信号的磁性纳米粒子质量检测方法。选择亥姆霍兹线圈作为激励源，将磁性纳米粒子溶液放人恒定磁场中，磁性纳米粒子在激勵磁场的作用下产生响应磁场。
纳米粒子与纳米材料论文 篇1：
领跑纳米耐火材料产业新领域的太原高科
纳米科技和纳米材料是20世纪80年代刚刚诞生并正在崛起的高新技术，它是研究包括从亚微米、纳米到团簇尺寸（从几个原子到几百个原子以上尺寸）之间的物质组成体系的运动相互作用以及可能的实际应用中的科学技术问题，研究内容还涉及现代科技的广阔领域。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。
纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供了新的发展机遇。近年来，纳米技术和纳米材料取得了令人瞩目的成就。具有特异功能的各种纳米材料越来越多，由纳米材料制备的功能性产品也不断地被开发出来，逐渐形成一个新型的纳米功能性产品的产业领域。在众多的纳米材料中，一些高性能的纳米陶瓷粉体材料，也就是广义上的无机非金属纳米材料的开发应用最为广泛和活跃，并已在多种产业和实际产品中得到应用，出现了高性能多功能性纳米产品，从而使得许多传统产业正在发生一场新的技术革命。
太原高科耐火材料有限公司及其企业技术中心
企业既是产业发展的主体也是技术创新的主体。要提高自主创新能力就必须迅速聚集企业，大力发展产业，为技术创新提供支撑和依托。
太原高科耐火材料有限公司于1989年由高树森董事长基于创新耐火材料，服务高温产业经济的梦想而发起创立。在成立之初，还只是一家简易的小型耐火材料厂，经过几年的艰苦奋斗，企业取得了初步的发展。1992年经山西省高新技术委员会认定、国家太原高新技术开发区管委会批准，成立了太原高科耐火材料有限公司（简称太原高科）。
公司建立了耐火材料生产厂和专门的耐火材料技术研究中心，并被山西省科技厅确立为山西省耐火材料工程技术研究中心，成为耐火材料行业唯一的国家级高新技术企业，并承担山西省高端重点行业应用耐火材料的技术研究与开发工作。先后研究开发出多种耐火材料高新技术产品，及时将研究成果转化为生产力，大大地促进了企业的发展，同时为技术研究和自主创新提供了雄厚的资金支持，形成了生产与科研相互促进的良好局面。
该公司与国内多所研究院所、高等院校在产品开发、技术交流等领域建立长期的合作关系，使公司在新产品技术性能、使用性能、技术储备等方面不断创新，形成了产学研联盟，具备研究、开发、生产高技术特种耐火材料能力，形成了自主研发、自主创新和自我实现产业化的良性循环。经过20多年的滚动式的发展，在实现了公司的管理升级和稳步、持续、快速发展的同时，确立了以“以科研为依托，市场为导向”的科技兴企的发展战略。
为扩大产业规模，抢占市场制高点，再加上随着公司的不断发展，原有的生产能力远不能满足市场的需求，2005年公司在阳曲县投资8000余万元，建设了总占地面为150多亩的现代化工厂和企业技术研发中心，该项目被列为山西省“1311”重点工程、高科技产业化项目及山西重点引进关键科技开发项目。
新工厂于2006年竣工投入生产，特种高效不定形耐火材料年产能5.5万吨。新建的企业技术研究中心具有较先进完善的试验检验条件和设备仪器，还拥有一批经验丰富素质高的研发技术人员，具备研究开发自主创新和生产高新技术耐火材料的能力。该企业技术中心分别于2007年被山西省科技厅批准成为耐火材料行业工程技术研究中心，2009年被山西省认定为企业技术中心担负着耐火材料行业关键技术的研发和创新工作，并在自主创新方面取得多项重大创新成果。
太原高科走出了自主研发、自主创新、自主生产科研成果的路子，而且实际效果十分突出。这里同时也从一个侧面说明，我国科技体制改革中建立以企业为主体、产学研结合的技术创新体系，并将其作为全面推进国家创新体系建设的突破口，只有以企业为主体才能坚持技术创新的市场导向，有效整合产学研的力量，确实增强国家竞争力。以企业为主体的创新机制，对科研成果迅速转化为生产力具有重要的推动作用。
目前，太原高科已通过了ISO9001—2000国际质量体系认证和ISO14001—2004环境管理体系认证，被山西省科委确定为“山西省科技先导型企业”、太原市科技局授予“太原市科技创新示范单位”、太原高新区授予“十佳技术创新项目企业”及“质量管理先进企业”、山西省认定为企业技术中心。最近，中国耐火材料行业协会授予太原高科耐火材料有限公司、山西省耐火材料工程技术研究中心“行业纳米耐火材料产业化示范基地” 的称号。
纳米耐火材料研究成果概述
耐火材料是钢铁、有色金属、建材、石化、能源、环保、电子、国防等基础工业领域重要的基础材料，是高温工业热工设备不可缺少的重要支撑材料，与钢铁等高温工业的技术发展相互依存互为促进。为了开发21世纪新一代耐火材料，迫切需要运用尖端的纳米技术和纳米材料开发后续的纳米耐火材料。纳米耐火材料是以纳米粒子为核心，由耐火材料颗粒相和基质粉料、结合剂及外加剂等组成的纳米结构基质相两大相构成。少量的纳米结构基质的理化性能成为决定整个耐火材料性能的重要基础。纳米耐火材料的开发不仅从根本上改变了耐火材料的组织结构（包括宏观结构和微观的显微结构），而且还能改变耐火材料的功能特性，提高耐火材料的理化性能指标以及在使用中的安全性与可靠性。
近年来，我们对纳米技术和纳米材料进行了深入研究和自主创新，共申报了7项纳米耐火材料发明专利项目，涉及耐火材料的主要品种如酸性耐火材料、碱性耐火材料、氧化物材料、难熔化合物材料、高温复合材料、定型耐火材料、不定形耐火材料。前六项发明专利均已公布，并经有关部门严格筛选后评定，被列为年度国家重点发明专利项目，并纳入国家发明专利实施转化项目中，还被知识产权出版社编入《中国专利发明人年鉴》第11卷建国60周年优秀发明家及专利项目特辑、《中国发明与专利—建国60周年知识产权发展成就巡礼》特辑中；前两项发明专利获第九届香港国际发明博览会金奖，又获第12届中国北京国际科技产业博览会第三届中国自主创新杰出贡献奖。由于高树森又发明了更多的纳米耐火材料专利，2010年在第13届中国北京国际科技产业博览会上再一次获“中国自主创新杰出贡献奖”。7项纳米发明专利项目分别是：
纳米耐火材料发明专利之一
纳米复合氧化物陶瓷结合铝－尖晶石耐火浇注料及其制备方法（公布号：CN 101397212A）
纳米耐火材料发明专利之二
纳米Al2O3薄膜包裹的碳－铝尖晶石耐火浇注料及其制备方法（公布号：CN 101417884A）
纳米耐火材料发明专利之三
纳米Al2O3、MgO复合陶瓷结合尖晶石-镁质耐火浇注料及其制备方法（公布号：CN 101544505A）
纳米耐火材料发明专利之四
纳米Al2O3、MgO薄膜包裹的碳-尖晶石镁质耐火浇注料及其制备方法（公布号：CN 101555153A）
納米耐火材料发明专利之五
纳米Al2O3、SiC薄膜包裹碳的Al2O3-MA-SiC-C质耐火浇注料及其制备方法（公布号：CN 101767999A）
纳米耐火材料发明专利之六
纳米SiO2、CaO复合陶瓷结合硅质耐火浇注料及其制备方法（公布号：CN 101875561A）
纳米耐火材料发明专利之七
矾土基纳米复合氧化物陶瓷结合Al2O3-MgO-C不烧制品及其制备方法（申请号：201010608883.6）
纳米耐火材料系列发明专利的公布，是纳米技术和纳米材料在耐火材料领域中成功应用的重要标志，也是纳米技术和纳米材料在传统产业中自主研发、自主创新的重要发展方向，对钢铁等高温工业的发展和高新技术的应用，作出了重要贡献。同时，发展纳米科技是转变经济发展方式，实现可持续发展的关键。具有战略性的纳米新兴产业是新兴科技、新兴产业的深度融合，代表着科技创新的方向，也代表产业发展的方向。
太原高科纳米耐火材料的研究及其发明专利成果，大大地推动了我国纳米技术、纳米材料的进步与发展，为耐火材料的发展开辟了一片新天地，也为开发更长寿、更节能、无污染功能化的新型绿色耐火材料带来了发展空间。为了进一步深入发展纳米技术在耐火材料领域中的应用研究，使纳米技术在耐火材料领域中得到更广泛的应用，太原高科将研究开发更多更实用的纳米耐火材料发明专利成果，以满足钢铁、玻璃、水泥等高温工业发展需求，也为钢铁等高温工业技术的实施与发展提供了最佳服务。
开辟纳米耐火材料产业新领域
纳米科技和纳米材料是21世纪最有发展前景的高新技术，它对国家经济发展、经济转型、传统经济改造、自主创新等均具有重要意义。然而，纳米科技和纳米材料只有在产业化大生产中实际应用才能真正体现出它自身的重大价值。国外多个国家都对纳米产品的产业化给予特别关注，并且作为纳米科技发展水平的重要标志。纳米材料制备技术由研究成果转移到大生产势在必行，但是在纳米技术产业化过程中存在多方面制约纳米发展的瓶颈问题。为了解决纳米耐火材料产业化中出现的各种瓶颈问题，我们开展长期的专项研究并取得了较好的效果，这就为纳米耐火材料产业化铺平了道路，为加快推进产业结构调整，完善现代产业体系，加快推进传统产业技术改造，加快发展纳米战略新兴产业，全面提升产业技术水平和国际竞争力，都具有重大意义。
发展纳米科技，在纳米材料领域进行深入研究，对于我国经济转型、经济的快速平稳发展意义重大。纳米耐火材料系列发明专利是纳米技术和纳米材料在传统产业中成功应用的典型实例，也是发展纳米技术和纳米材料的重要方向，对于提升传统产业意义非凡；纳米材料只有真正用于工业生产才能显示出纳米科技自身的重要价值；只有应用纳米技术和纳米材料才能实现传统工业结构的改变，才能使传统产业得以深层次的发展。
应当指出，实现纳米耐火材料产业化也不是直截了当的事，而是存在多方面制约产业化发展的瓶颈问题：一是降低纳米材料制备成本问题。市售的纳米氧化物陶瓷粉体价格十分昂贵，为纳米产业化带来了很大困难；二是发展大规模生产纳米材料的分散技术问题，以突显纳米效应；三是发展纳米耐火材料应用技术存在的问题，以制取分散性好、组织结构均匀、并能形成纳米结构基质的新型高效纳米耐火材料。为了解决制约产业化发展的这些瓶颈难题，高树森带领太原高科竭尽全力进行了深入的研究，结合耐火材料工业实际，以适宜的工业原料和天然原料研发成功的纳米溶胶悬浮液作为纳米陶瓷结合剂，并能形成纳米结构基质的纳米耐火浇注料，解决了制备纳米材料成本昂贵的问题；此外，还改变了以往应用纳米陶瓷粉体材料制备纳米的制作工艺，采用湿法工艺，不仅解决了纳米陶瓷粉体的团聚和分散问题，而且还很好地解决了纳米在实际生产应用方面的诸多问题。
为此，建立国家级纳米耐火材料产业化示范基地，对当前和今后耐火材料工业和钢铁、玻璃、水泥等高温工业的发展是非常有意义的，而且也是十分紧迫和刻不容缓的。此外，国际间纳米技术和纳米材料的竞争更多体现在工业生产的纳米产品上，太原高科对纳米科技和纳米耐火材料的研究开发和自主创新作了长期的艰苦努力，取得多项发明专利成果，并且对纳米科技和纳米耐火材料继续开展深入研究和产业化基地建设将会取得更多、更大进展，为我国纳米科技发展作出贡献。
产业化示范基地建立后，太原高科将运用多项高新技术，谋求与尖端的纳米技术整合，加速纳米耐火材料的理论与实际应用研究，为耐火材料行业的纳米化发展创造条件和奠定基础。完成开发成果后，可积极推进开发和创新成果的产业化，及时服务于钢铁等高温工业生产中，使纳米技术及早地显现出经济效益和社会效益，为科技发展和进步作贡献，努力把21世纪纳米尖端耐火材料的开发与生产做好、做成功；为国家高温工业的发展继续作研发与服务；加快传统工业的改造，促进我国经济的平稳、快速发展。
实行“纳米中国耐材”战略计划
要通过科技创新，促进产业结构优化升级，提高经济增长的质量和效益，实现经济增长方式由粗放经营向集约经营的转变；要通过科技创新，提高能源资源利用效率，实现从资源消耗型经济向资源节约型经济的转变；要通过科技创新，保护生态环境，治理环境污染，实现以生态环境为代价的增长向人与自然和谐相处的增长转变，促进经济社会全面、协调、可持续发展。
实行“纳米中国耐材”战略计划，催生新型经济社会发展模式。要在高新技术产业化大潮中占据有利先机，需要从技术创新、产业创新、产业集群耦合3个维度，探索原创技术产业催生机制、技术创新扩散机制和高新技术与传统产业的融合机制，实现知识产业集群、原创产业集群和以新技术武装的传统产业集群之间耦合与升级，将国家纳米技术建设成为国家原创产业的试验基地，高端制造业、技术和产业创新的典范。
纳米科技、纳米耐火材料进一步发展可行性分析（问题与建议）
纳米科技的迅速兴起对于人类生产和生活方式将产生重大影响，积极进行纳米科技的探索与应用已成为全球共识。正是因为这样，发展纳米科技及其产业化，需要各级政府和有关部门给予大力支持。为此提出以下建议：
1、太原高科对纳米科技和纳米耐火材料的研究开发和自主创新作了长期的艰苦努力，取得多项发明专利成果，并且已进行了纳米耐火材料规模性生产。最近，经中国耐火材料行业协会认定，授予太原高科耐火材料有限公司、山西省耐火材料工程技术研究中心“行业纳米耐火材料产业化示范基地”的称号，现在正向发改委、科技部等有关单位申请批准成立“国家级纳米耐火材料产业化示范基地”，以促进纳米耐火材料产业化发展。
2、太原高科建立了以企业为主体的技术中心，对企业发展起到了重要作用。太原高科技术中心于2005年被太原市科技局批准为耐火材料行业技术研究中心、2007年被山西省科技厅批准成为耐火材料行业工程技术研究中心、2009年被山西省认定为企业技术中心。多年来，技术中心担负着耐火材料行业关键技术的研发和创新工作，并在自主创新方面取得了多项重大创新成果。现在正向科技部等有关单位申请批准成立“纳米耐火材料国家工程技术研究中心”，以发展纳米技术和纳米耐火材料，增强国际竞争力。
3、发展纳米科技，在纳米材料领域进行深入研究，对于我国经济转型和经济的快速平穩发展意义重大。同时，发展纳米科技是转变经济发展方式，实现可持续发展的关键。具有战略性的纳米新兴产业是新兴科技、新兴产业的深度融合，代表着科技创新的方向，也代表产业发展的方向。为使纳米战略性新兴产业尽早成为国民经济的先导产业和支柱产业，就要大力推动自主创新，着力突破制约经济社会发展的关键技术问题，以纳米耐火材料系列发明专利成果为主要内容，将“纳米耐火材料在钢铁新技术中应用”的课题纳入国家科研计划中，为我国纳米技术和纳米材料的应用与发展提供科技支撑。
作者：陈家忠
纳米粒子与纳米材料论文 篇2：
基于弱磁信号的磁性纳米粒子质量检测方法
摘要：为了研究磁性纳米粒子质量与磁通密度的关系，提出了一种基于弱磁信号的磁性纳米粒子质量检测方法。选择亥姆霍兹线圈作为激励源，将磁性纳米粒子溶液放人恒定磁场中，磁性纳米粒子在激勵磁场的作用下产生响应磁场。为避免受到激励磁场的影响，对响应磁场的单轴分量进行测量，经过分析得出不同磁性纳米粒子质量下磁通密度的变化规律，最终得出磁性纳米粒子质量与其产生的磁通密度之间的关系函数。结果表明，随着磁性纳米粒子质量的增多，其产生的磁通密度也随之增大，两者之间呈线性正相关函数关系。
关键词：磁性纳米粒子;质量检测;弱磁检测;激励磁场;亥姆霍兹线圈
1引言
磁性纳米粒子作为新型的纳米材料，具有独特的小尺寸效应、表面效应、良好的靶向性、生物相容性等特性，因此具备有许多优异或全新的性质，基于这些性质，磁性纳米粒子被广泛地应用于免疫检测、疾病诊断、环境监测、食品工业等诸多学科领域。目前检测磁性纳米粒子含量的方法主要是荧光检测，例如：高效液相色谱法、薄层色谱法、荧光分光光度法等。虽然荧光检测的灵敏度、检测范围非常高，但操作十分的烦琐、需要专业研究人员进行操作、应用范围窄、无法作为通用方法使用。本文提出的基于弱磁信号的磁性纳米粒子质量检测方法，能够更加方便地检测出磁性纳米粒子的质量。
国内有许多使用磁传感器的方法探索磁性纳米粒子温度变化的研究，但使用磁传感器检测磁性纳米粒子质量的研究微乎其微。彭翔宇等针对磁性纳米粒子在交流磁场中发生的变化，实时测量磁性纳米粒子的温度变化，建立了交流磁化率与温度的关系;钟景等建立了磁性纳米粒子磁化率与温度的模型结构，提出了磁纳米温度测量方法;洪俊等设计了磁性纳米粒子交流弱磁测量系统，通过响应信号各次谐波幅值的变化检测温度的变化，拟合出温度与磁场强度的关系。通过这些研究可以看出，交流激励磁场能够激励磁性纳米粒子，使其温度产生变化的同时，磁响应信号也会发生变化。
综上所述，交流激励磁场会使磁性纳米粒子发生温度变化，从而使其磁响应信号发生变化。为了消除这一影响，更加精确地检测磁性纳米粒子质量与磁响应信号之间的关系，本文使用恒定磁场作为激励源，建立磁性纳米粒子质量检测平台，探索磁性纳米粒子质量与磁响应信号的关系。
2系统设计
针对磁性纳米粒子质量检测建立一个仿真实验平台。平台使用亥姆霍兹线圈作为恒定磁场激励源，磁性纳米粒子半径为180 nm，将磁性纳米粒子溶液置入圆形薄片容器中，设置半径r为10000 nm，将盛有磁性纳米粒子溶液的容器放置于恒定激励磁场中，以圆形薄片的圆心做同心圆，使用磁传感器检测容器外围磁通密度的变化状况，探究磁性纳米粒子质量与其磁通密度的关系。如图1所示，为了能够搭建合适的实验平台，需要考虑到经济以及磁传感的量程等问题，优化选择最合适的模型结构，线圈的电流、匝数等参数。
3激励源的选择
磁陛纳米粒子是具有超顺磁性能的材料，在外加磁场的情况下具有磁性，当外加磁场移除后磁性消失，因此需要施加一个激励磁场作为激励源。目前最为常见的恒定磁场发生装置主要有螺线管线圈激励源、线圈激励C形磁铁激励源和亥姆霍兹线圈激励源。根据毕奥一萨伐尔定律可知，无限长载流螺线管内部磁场为匀强磁场，外部磁场为零。但在实际应用中，设计的螺线管长度与半径之比往往不够大，从而导致螺线管线圈的磁场波动性比较大，内部匀强磁场区域较小，不适合作为恒定磁场激励源使用;线圈激励c形磁铁的激励源是根据电磁铁原理设计而成的，经过电流磁化的铁棒其电磁能要比永磁铁高出数倍。想要产生满足要求的恒定磁场必须使c形磁铁的间隙足够小，但当磁铁间隙过小时，容器中只能放人少量样本溶液，检测到的磁响应信号可能过于微弱或检测不到。
亥姆霍兹线圈是由两个完全相同的共轴圆形导体线圈组成，线圈之间的距离恰好等于圆形线圈的半径，能够在公共轴线中点附近产生较为广泛的均匀磁场。其中，匀强磁场的大小可以通过改变线圈大小、电流、匝数的参数来调节。亥姆霍兹线圈能够制造一个体积大、均匀度高、磁场值比较微弱的磁场。
对比三种磁场的均匀度，螺线管产生的激励磁场的均匀度最差，无法形成较为稳定的均匀磁场区域。磁性纳米粒子的磁感应强度非常微弱，使用螺线管作为激励源，在测量过程中会受到各个方向上面的磁场干扰，无法准确得出磁性纳米粒子产生的磁感应强度。线圈激励C形磁铁的激励源中，铁芯间隙必须非常小才能够保证磁场的均匀度，使用该设备作为激励源，则使用承载磁性纳米粒子的容器不易放取，容器内样本含量少，从而导致磁性纳米粒子的响应磁场非常微弱，不易检测。亥姆霍兹线圈产生的均匀磁场强度虽然小，但均匀区域大，还具有开敞性质，十分方便实验器械的放入与取出，因此选择使用亥姆霍兹线圈作为均匀激励磁场源。
4实验分析
4.1测量方向的选择
使用comsol Multiphysics软件仿真，将设置的激励磁场方向定义为x方向，大小为10 G（高斯），与x同一平面的垂直方向为Y方向，与x、Y垂直的方向为z方向，通过实验仿真得到的磁通密度模如图2所示。从图中可以得知，在激励磁场的作用下，测得容器外围的磁通密度模呈正弦性变化。得到的磁通密度值约为1×10-3T，磁通密度模的峰值为1.2x10-7T，几乎可以忽略不计。磁传感器不能够很好的检测出磁性纳米粒子不同数量下的磁通密度，因此通过测量磁通密度模的方法来检测磁性纳米粒子质量的方法不可取。考虑到磁性纳米粒子产生的响应信号相比与激励磁场十分微弱，激励磁场会对测量磁响应信号造成干扰，分析磁通密度模分量找到一个合适的测量方向。
如图3所示，分别是磁性纳米粒子在x方向和z方向的磁通密度模分量。由图3（a）中可以看出，因为激励磁场方向也为x方向，受到激励磁场的影响以及磁性纳米粒子感应信号十分的微弱，得到的磁通密度模x分量几乎与磁通密度模相同。图3（b）中可以看出，得到的磁通密度模z分量不仅信号微弱，而且杂乱无序，无法提取出有用信号，因此x方向与z方向不能作为信号测量方向。
相比较的磁通密度x分量与z分量，得到的磁通密度模Y分量数据更加能够说明待测容器中磁性纳米粒子质量与磁通密度的变化关系。图3（c）中可以看出，磁通密度Y分量有四个峰值点，峰值约为6.18～10-8T，得到的磁場信号比较微弱，但数据曲线比较平滑，根据得到的正弦曲线信号，能够提取出该质量磁性纳米粒子下的磁通密度信号，也能够分辨出不同质量下磁l生纳米粒子与其产生的磁通密度之间的关系。
4.2磁传感器的位置选择
图4fa）～图4（d）中，都在45°、135°、225°、315°的位置出现峰值，可以得出，这四个点是测量圆周范围内磁通密度Y分量强度最大的四个点，相比较而言，其余位置的磁通密度十分微弱。因此，本实验使用四个峰值点位置作为磁性纳米粒子信号采集点。
如图4（a）～图4（d）分别是在离容器圆心2.5r，3r，3.5r，4r的位置测量得到的磁通密度模Y分量。通过仿真观察在不同位置得到的磁通密度模Y分量的数据图，确定合适的磁传感器测量位置。图4fa）中得到的磁通密度Y分量虽然是四图中信号最强的，但数据不够平滑，出现有多处杂波增大了数据分析的困难，图4（b）与图4（a）相比，虽然磁通密度模的峰值变小了，但数据更加平滑，只有少数的杂波出现。图4（c）中得到的信号图像十分平滑，信号趋于正弦信号，几乎没有杂波干扰。图4（d1中的信号平滑度与图4（e）相比差距不大，但可以看出所得到的磁通密度Y分量更加微弱。综合比较不同距离的数据图，图4（e）最为适合数据分析以及作为实验对比数据，而离容器圆心3.5r的位置是传感器的最优测量点。
目前，磁性纳米粒子的制备基本可以做到大小均匀一致，因此仿真中，可以设置每个磁性纳米粒子半径为1 80 nm。为了减少不同方向磁场的干扰，更加方便地计算出磁性纳米粒子质量与磁通密度的关系，将模型中的磁性纳米粒子均匀排列成一个正四边形、单层的阵列。每次将磁性纳米粒子增加一列和一排，观察不同数量的磁性纳米粒子与其对应产生的磁通密度变化。测量离容器圆心3.5r的位置圆周，得到每一个圆周点的磁通密度Y分量。在相同激励磁场下（10 G），测量不同磁性纳米粒子含量下产生的磁通密度Y分量。图5（a）～图5（i）是不同数量下的磁性纳米粒子产生的磁通密度Y分量图，其中正负号代表磁通密度的方向，参考轴为Y轴。
图5中可以看出，随着磁性纳米粒子数量的增多，得到的磁通密度模Y分量也随之增大;不同数量的磁性纳米粒子在3.5r的位置测得的磁通密度Y分量数据都比较平滑，没有过多的杂波出现，信号易处理分析;磁性纳米粒子产生的磁通密度Y分量十分的微弱，只有四个峰值点的数据信号较为强烈。
提取图5（e）磁通密度Y分量中四个峰值点的数据，分别为6.12x10-9T，-6.16x10-9T，6.14x10-9T，6.13x10-9T。可以看出峰值点处的磁通密度Y分量误差小于l%，可以认为在磁性纳米粒子个数为81、激励磁场10G时，产生的磁通密度Y分量为6.14x10-9T。提取图5中所有磁通密度Y分量峰值点数据，对其进行分析，得出磁性纳米粒子与磁通密度Y分量的关系。
4.3数据处理与分析
图6是在规则分布下，不同数量磁性纳米粒子与磁通密度Y分量的关系曲线图，从图6中可以看出，磁性纳米粒子质量与磁通密度模呈正相关线性关系。观察拟合曲线图可知，当磁性纳米粒子增大到一定数量时，拟合曲线的系数会稍微减小，观察实验模型发现，因为容器本身也有一定磁导率，当磁性纳米粒子数量少且在容器中心时，受到容器本身干扰小，拟合曲线的线性系数稍大;当磁性纳米粒子的数量增多时，受到容器影响的磁性纳米粒子增多，拟合曲线的线性系数变小。
式中，NA是阿伏伽德罗常数，为6.02x1023，M为摩尔质量。根据式（4），可以根据磁性纳米粒子个数计算它的质量，建立磁性纳米粒子质量与磁通密度Y分量的函数关系。
为了更加深入了解容器对磁性纳米粒子的影响，对磁性纳米粒子作对比实验，如下所示。
（1）将实验模型中的容器去除，其余参数保持不变，检测不同数量磁性纳米粒子产生的磁通密度Y分量。
（2）将磁性纳米粒子进行随机排列分布，其余参数保持不变，检测不同数量磁性纳米粒子产生的磁通密度Y分量。
将磁性纳米粒子进行随机排列分布，发现磁性纳米粒子在数量较少的情况下，因为其分布的随机性以及容器的干扰，导致不同分布下的磁通密度Y分量差异很大，因此选择磁通密度Y分量稳定的数据作对比。将三种实验的数据进行对比，如表1所示。
通过对表1中三种不同实验下的数据分析可以得知。
（1）三种实验模型测得的磁通密度Y分量存在一定的差异，并且随着磁性纳米粒子的增大，磁通密度Y分量的差值越来越大。
（2）相同磁性纳米粒子个数下产生的磁通密度Y分量中，无容器>规则分布>随机分布。
（3）容器会使磁性纳米粒子产生的磁通密度Y分量减小，无容器下检测到的磁通密度Y分量信号比规则分布下更大;随机分布的磁性纳米粒子中受到容器影响的磁性纳米粒子更多，磁通密度Y分量信号更小。
5结论
本文通过仿真实验数据得出以下结论。
（1）本文通过分析、仿真外部环境对磁性纳米粒子产生磁信号的干扰，在减少了外部干扰的情况下，通过一系列仿真实验，建立了磁性纳米粒子质量与磁通密度模Y分量的函数关系式，通过检测中的磁通密度模Y分量，得到磁性纳米粒子的质量。
（2）将磁性纳米粒子吸附上特异性抗原或者抗体，经过特异性结合，可以应用于食品安全、毒素检测、生物医学等领域。
（3）本文虽然提出了一种新的磁性纳米粒子质量检测方法，但该方法依然有许多不足。实验中可知，传感器在不同位置测量得到的磁信号会有很大的差异。因此，在应用于检测时，需要在事先准备好的实验设备中才能检测出目标含量。本文中的实验函数并不能广泛地应用于其他实验设备，不同尺寸的实验设备需要重新标定磁性纳米粒子数量与磁通密度Y分量的函数关系式。
（4）磁性纳米粒子是一种新型的纳米材料，通过研究磁性纳米粒子各个参数与产生的磁信号之间的关系，将会使磁性纳米粒子有更加广泛的应用前景。
作者： 惠延波 毛志鑫 牛群峰 王莉
纳米粒子与纳米材料论文 篇3：
基于磁弛豫原理的磁化学传感器研究进展
摘 要：基于磁性纳米粒子的磁化学传感器是集纳米/微米技术、化学反应、生物技术及核磁共振技术于一体的多学科交叉、多技术集成的传感器.利用这一传感器可以检测各种金属离子、蛋白质、小分子、细菌、病毒、DNA、分子间的相互作用、细胞、肿瘤以及癌症.首先简要概述磁化学传感器的传感原理，然后重点介绍在检测方面的应用.
关键词：磁性纳米粒子； 磁化学传感器； 弛豫时间
0 引 言
磁性纳米粒子传感器是利用磁性纳米粒子的磁性和靶向分子的靶向性来发挥作用的[1].影响磁性纳米粒子磁性大小的因素有：矫顽磁力（Hc）、磁化系数（x）、晶体结构、组成成分、磁各向异性的能量、材料本身的缺陷和空缺及材料的大小和形貌[2].人们利用磁性纳米粒子的磁可控性，可以实现自动化操作.随着磁性纳米技术的发展，磁性纳米材料在磁性存储介质、磁性分离[3]、化学传感、临床诊断、靶向药物传递、磁共振成像 （MRI）等领域得到了广泛应用.特别是基于磁弛豫原理的传感技术的发展，使得磁性纳米粒子作为磁化学传感器，受到人们的广泛关注.
1 基于磁弛豫的磁化学传感器的传感原理
磁性纳米粒子在水溶液中的状态（分散或聚集）变化时会引起磁场均匀性发生改变，进而显著引起周围水分子质子的横向弛豫时间（T2）发生改变.磁性纳米粒子经表面修饰偶联上相关受体后即可制备成具有特异性的磁性纳米粒子传感器，通过特异性受体与目标物质相互作用，使体系中分散状态的磁性粒子转变为聚集状态，或使聚集状态转变为分散状态，由于状态改变的程度与目标物质的含量相关，通过弛豫时间的改变可间接得到目标物质的含量.
当磁性纳米粒子（MNPs）粒径很小时，水分子的扩散运动很快，与磁性纳米粒子产生的磁场达到平衡，这种形式称为运动平衡（motional averaging，MA）.在这种情况下横向弛豫率（r2）与MNPs的大小和磁化强度成正比（图1）.当MNPs的大小超过水分子扩散的运动范围时，平衡作用消失，MNPs作为静止物体随意分布，这种形式称为静态相散（static dephasing，SD）.在这种情况下r2与MNPs的大小无关.当MNPs继续变大超过SD时的大小时，r2减小，这时系统变为有限重复（echo-limited，EL）形式.在这种情况下，由于MNPs很大，磁场的不均匀性导致质子像没有处于磁相互作用中的自由水分子一样.目标物质引起MNPs由MA转变为SD的过程T2值变小（图1A），由SD转变为EL的过程T2值变大（图1B）[4].磁性纳米粒子状态改变的程度与目标物质的含量相关，通过加入目标物质前后T2值的变化，可以得到目标物质的含量.
2 基于磁弛豫的磁化学传感器的应用
2.1 检测金属离子
基于磁弛豫的磁化学传感器可以检测多种金属离子.Ma等[5]人用两种不同序列的寡核苷酸分别修饰Fe3O4纳米粒子，得到两种不同的磁性纳米粒子.因为Hg2+能与两个寡核苷酸胸腺嘧啶（T）形成稳定的T-Hg2+-T结构，所以当Hg2+不存在时，纳米粒子成单分散状态，此时溶液的T2值较大；当加入Hg2+时，两种纳米粒子相互团聚，形成纳米簇，使得溶液的T2值变小（图2a），MRI图像的亮度变暗，加入Hg2+的浓度不同T2值的减小程度不同（图2b），根据T2值的改变可以测出Hg2+的浓度.
图2 a：磁化学传感器对Hg2+的传感原理图； b：测定Hg2+的标准曲线；c：（A-C）Zn2+，Mg2+和Cd2+存在时T2值成像（a1）
和MR成像（b1），（D）Hg2+的T2值成像（a1）和MR成像（b1）（由上到下浓度依次增加）
为了证明纳米粒子的聚合是由于杂交而不是其他因素，Ma等人分别检测了Zn2+，Mg2+，Cd2+.当它们的浓度从0增加到10×10-12时，相应的磁共振成像没有变化（图2c），这说明这一传感器具有很高的选择性.
Tian等[6]利用二氧化硅（SiO2）和胸腺嘧啶（T）功能化的超顺磁性Fe3O4纳米粒子检测汞离子（图3a）.当Hg2+不存在时纳米粒子成单分散状态，此时溶液的T2值较大；当加入Hg2+时，汞离子与两个胸腺嘧啶形成稳定的T-Hg2+-T结构，导致纳米粒子相互团聚形成纳米簇，使溶液的T2值变小，加入Hg2+的浓度不同T2值的减小程度不同（图3b），根据T2值的改变可以测出Hg2+的浓度.
除了Hg2+外，用磁性纳米粒子传感器还能检测许多其他金属离子，如Cu2+、Ca2+等.Kuang等[7]人利用结合有不同DNA链（S1’和S2’）的Fe3O4纳米粒子和由3个DNA序列（S1、S2和E47 ligase）组成的脱氧核酶来检测Cu2+（图4），当Cu2+不存在时，互补的DNA链相连，连接不同DNA链的纳米粒子不会相连，所以纳米粒子成单分散状态.当加入Cu2+时，Cu2+使S1上的磷（In-P）与S2上的羟基（OH）连接形成磷酸二酯键，纳米粒子相互团聚，使溶液的T2值变大，加入Cu2+的浓度不同T2值的变化程度不同，根据T2值的改变可以测出Cu2+的浓度.
2.2 检测小分子
Xu等[8]人根据抗原-抗体生物识别合成了一种磁化学传感器来检测内分泌干扰物质2，2-二（4-间苯二酚）丙烷（BPA）.该磁化学传感器以超顺磁性的氧化铁纳米粒子为核，并在其表面连接上目标分子形成交联的超顺磁性氧化铁纳米粒子（图5a）.
当交联的纳米粒子与主要抗体和第二抗体混合时，交联的纳米粒子与抗体连接，纳米粒子团聚，此时T2值较大；当加入目标分子BPA時，抗体与两种目标分子BPA的连接达到平衡，使得纳米粒子的团聚与分散达到平衡，此时T2值较小（图5b）.加入的目标分子BPA的量不同，T2值的改变量就会不同（图6a），相应的磁共振成像也不同（图6b），因此可以测出BPA的含量.
Wang研究组[9]基于均相免疫学原理，先将微囊藻毒素全抗原（Ag）与磁性纳米粒子偶联制备成弛豫时间传感探针（NP- Ag），而后基于抗原-抗体及一抗-二抗的特异反应，建立了小分子竞争免疫检测方法.通过二抗（sheep-anti- rabbit）与多个一抗（rabbit-anti-Ag）连接的“桥接”作用，使原溶液中分散状的颗粒变为聚集状态，从而改变磁颗粒周围水分子的弛豫时间（T2），达到检测样品中微囊藻毒素的目的（图7）.该方法的检出限为 0.6 ng/g，线性范围为1～18 ng/g.
2.3 检测DNA
Mehmet V.Y.等[10]人利用超顺磁性的MR传感器检测腺苷.该传感器以超顺磁性的氧化铁纳米粒子为核，在核的表面分别修饰两种不同的适配体，形成两种不同的适配体功能化的超顺磁性氧化铁纳米粒子.当腺苷不存在时，两种适配体连接，使得纳米粒子1和2团聚在一起，这时T2值较小；当加入腺苷时，腺苷与纳米粒子1连接，使得纳米粒子成单分散状态，这时T2值较大（图8）.
Ma等[11]人基于聚合酶链反应（polymerase chain reaction，PCR），利用不同的DNA序列（F-primer和R-primer）修饰的两种磁性纳米粒子装配来检测DNA（图9）.当目标DNA不存在时，磁性纳米粒子呈分散状态，T2值较小.当加入目标DNA时，目标DNA诱导两种不同的DNA序列连接，从而导致磁性纳米粒子团聚，T2值变大.加入目标DNA的量不同，T2值的改变程度不同，因此可以测出目标DNA的浓度.该方法操作简单，特异性强，灵敏度高，检测限可达4.26×10-9 mol/L，检测范围从1×1-17 mol/L到1×1-11 mol/L.
2.4 检测蛋白质
基于磁性纳米粒子的磁化學传感器可以检测各种生物大分子，如蛋白质.Bamrungsap等[12]人合成了一种检测溶菌酶的磁化学传感器，该传感器以氧化铁纳米粒子为核，在核的表面分别修饰溶菌酶适配体和连接DNA，生成两种表面带有不同修饰物的纳米材料.当溶菌酶不存在时，两种纳米粒子相互团聚，形成纳米簇，此时溶液的T2值较小；当加入溶菌酶时，溶菌酶与适配体结合，使纳米簇分散，这时溶液的T2值增大（图10a）.加入的溶菌酶的量不同，纳米粒子的分散程度不同，相应的T2值的改变量即ΔT2值就会不同.根据ΔT2值与溶菌酶浓度的关系，通过测量ΔT2值可间接测出溶菌酶的浓度（图10b）.
这一检测蛋白质的磁化学传感器具有很高的灵敏度和选择性，检出限可达到纳摩尔范围.它为识别白血病人提供了可能.
Kong等[13]人利用Fe3O4纳米粒子和伴刀豆球蛋白（concanavalin A，Con A）检测a1酸糖蛋白（a1-acid glycoprotein，AGP）（图11）.Fe3O4纳米粒子分散在溶液中，当加入伴刀豆球蛋白（Con A）后，纳米粒子团聚，再加入a1酸糖蛋白（AGP），纳米粒子再次分散，这一过程T2值发生变化.根据T2值的变化可以测出a1酸糖蛋白（AGP）的浓度.该研究克服了超顺磁探针和分析物的比例不合适而引起的前区效应（Prozone effect），从而保证了MRS方法的准确性.该方法简便、高效，对目标物 AGP 的检测限可达0.66 nmol/L，该数值低于人体 AGP 正常水平.
2.5 检测细菌和病毒
Kaittanis等[14]人合成了一种超顺磁性的氧化铁纳米粒子，能检测出牛奶和血液中存在的MAP细菌.此传感过程的特殊之处在于，由于细菌的“巨大”以及表面存在的许多抗原，所以在靶向分子的诱导下，数个纳米粒子可以与一个细菌结合.当溶液中的MAP浓度较低时，能“富集”磁性纳米粒子，使溶液的T2 值急剧减小；当MAP浓度较大时，每个MAP分配到的氧化铁纳米粒子较少，起了稀释的作用，所以溶液的T2值的变化较小（图12）.
Perez等[15]人将抗病毒的抗体偶联在Fe3O4纳米粒子上制成MR传感器，利用抗体与病毒之间的特异性作用来检测过滤性病毒.传感的原理是基于磁性病毒纳米传感装置在过滤性病毒的诱导下，发生自组装生成纳米簇从而引起周围环境的T2值发生变化（图13）.
3 总结与展望
综上所述，基于磁性纳米粒子的磁化学传感器是集纳米/微米技术、化学反应、生物技术及核磁共振技术于一体的多学科交叉、多技术集成的传感器.利用这一传感器可以检测各种金属离子、蛋白质、小分子、细菌、病毒、DNA、分子间的相互作用、细胞、肿瘤以及癌症，而且能够对于早期疾病的检测提供有力的帮助.基于该传感器的检测原理，对于成分复杂、浑浊的样品可以直接测量，减少了样品前处理等复杂步骤，因此特别适合食品和环境样本中痕量有害物质的快速、灵敏检测.目前，基于磁性纳米粒子的磁化学传感器在环境分析、食品安全、医疗诊断等领域已经有所应用，随着相关理论研究的不断深入以及与其他技术的进一步结合，该传感器的应用领域将进一步拓展和深入.
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Research progress of Magnetic chemical sensors
based on magnetic nanoparticles
YANG Yan， ZHOU Zhiguo， YANG Shiping
（College of Life and Environmental Sciences，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China）
Key words：magnetic nanoparticles； magnetic chemical sensor； relaxation time
（責任编辑：郁 慧）
作者：杨艳 周治国 杨仕平