生物技术中的磁珠：构造、原理、步骤

2025-2-21 13:37| 编辑: 归去来兮| 查看: 198| 评论: 0|来源: 生物药笔记

摘要: 磁性分离是生物技术中用途最广泛的分离方法之一

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一、前言

磁性分离是生物技术中用途最广泛的分离方法之一，因为它们可以直接从粗样品中纯化细胞、病毒、蛋白质和核酸。与传统分离工艺相比，该程序快速、温和，易于放大和自动化，具有明显的优势。

关于磁珠及其多种用途的学术文章越来越多，这表明磁性材料作为一种通用工具受到了极大的关注。在尺寸、化学成分和表面化学方面，最近在制造磁性氧化铁颗粒方面取得了相当大的进展。此外，可以改变聚合物、二氧化硅、生物分子和磁性颗粒上其他分子的表面涂层，以增加对目标分子的亲和力。磁性氧化铁颗粒已广泛用于诊断应用，例如样品制备和生物传感平台，具有选择性、对目标分子的敏感性以及传感系统的易用性。

二、什么是磁珠

磁珠主要由磁核、表面涂层和表面的特异性结合配体组成（下图）。通常，磁芯可以由各种材料组成，这些材料具有磁性。它们主要由纯金属（例如Co、Fe和Ni）或其氧化物组成。此外，过渡金属掺杂氧化物和金属合金，包括CoPt₃、FeCo和FePt也是不错的候选者。在这些磁性材料中，特别是磁铁矿（Fe₃O₄）和磁赤铁矿（γ-Fe₂O₃）被认为是最具吸引力的生物应用候选者，因为它们具有很强的磁性和生物相容性。

分析应用中使用的磁珠组成[1]

细碎的铁在水或潮湿空气中对氧化剂具有高度反应性。因此，需要磁性颗粒使用稳定的表面涂层材料，封装到聚合物壳和脂质体中才能获得物理和化学稳定。

表面涂层主要是为了稳定颗粒新形成的表面并防止颗粒聚集。表面稳定通常使用基于有机单体（如烷基磺酸和烷烃膦酸或膦酸盐）的非聚合物稳定剂来实现。封装到聚合物壳中可以提高磁性颗粒的水分散性以及化学和物理稳定性。

此外，聚合物壳可以通过在表面提供胺或羧基等官能团，为磁性颗粒与目标配体的共轭提供基础。有几种配体可用于分析目的;其中最受欢迎的是抗体、适配体和多肽。将抗体连接到磁珠的常用方法是通过乙基（二甲氨基丙基）碳二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺（EDC/NHS）将抗体的胺基偶联到羧化的磁珠上。

三、磁珠的工作原理和流程

磁珠提供了一个极其灵活的平台，可以针对特定应用进行定制。通过改变它们的表面特性（通常称为表面功能化），可以高度特异性地结合不同的生物分子类型。常见的修饰表面有化学修饰表面（羧基、氨基、羟基和硫酸盐等）和生物修饰表面（蛋白A或G和链霉亲和素等），还有一些根据需求的特定化修饰。

磁珠表面功能化示例[2]

以下为磁珠使用流程的示例和注意事项：

1.处理磁珠

磁珠的磁性决定了它们的功能。除非另有说明，否则在实验过程中防止磁珠变干，因为这会导至表面开裂并影响洗脱。以下是处理磁珠的一些做法：

如果需要，在使用前在温和的缓冲液中洗涤微珠以去除储存缓冲液；

将磁珠平衡至它们将要使用的溶液，按照制造商的建议，以获得最佳结果；
磁珠在储存过程中往往会从溶液中沉淀出来，因此在使用前应重新悬浮以确保均一性。这可以通过轻轻轻弹试管、将其保持在旋转混合器中或短暂涡旋来完成。重悬有助于在每次实验中保持一致的结果。
在移液过程中，注意不要在任何步骤中引入气泡，否则微珠和样品可能会丢失。
不要以超过2000 rpm的速度离心磁珠，因为这会改变其结合特性，使它们难以重悬或与靶标结合。

2.磁珠与靶标结合

将磁珠保持在旋转混合器中以10-15 rpm左右的低速运行。缓慢混合可确保均匀结合，从而优化结合载量。尝试使用允许液体自由流动的管，以确保充分混合和结合。

3.磁吸捕获

为避免在去除上清液或洗脱液时磁珠意外损失或残留，请留出足够的时间将磁珠从悬浮液中捕获出。一些重要的考虑因素包括：

让含有悬浮液的管在磁力架上放置至少一分钟，并在去除液体组分之前进行目视检查。
确保在移液过程中试管保持在磁力架上;否则，珠子可能会返回到溶液中。
去除上清液时避免干扰磁珠沉淀。
通过小心去除所有上清液来减少非特异性背景信号。这可能涉及简短的风干步骤。

4.洗涤

洗涤磁珠时，可以通过增加洗涤次数、洗涤持续时间或盐/非离子去污剂（如 Tween-20）浓度来减少非特异性结合和残留。确保使用足够的洗涤缓冲液覆盖磁珠。

5.洗脱

在足够体积的缓冲液中洗脱所需产物。虽然体积过大可能会导至靶标稀释，但缓冲液体积不足会降低洗脱效率。

磁珠提取的步骤示例[2]

四、考量

磁珠可以自由处理不同粘度的样品。但是，如果它们没有得到适当的裂解和均质化，无论方案多么好，结果都会不一致。因此，重要的是要考虑以下几点：

通常，最好使用严格的缓冲液进行细胞核、细胞器或全细胞提取。使用温和的缓冲液进行细胞质提取。

当处理植物细胞、组织和一些革兰氏阳性菌时，应使用研磨等方式物理破坏细胞并将靶标释放到溶液中。这将有助于接触微珠进行结合。

如果处理可降解样品（例如蛋白质和核酸），确保使用合适的抑制剂。

虽然磁珠用途广泛，并且通常比更复杂和传统的方法提供更快、更轻松的解决方案，但需要优化两个重要功能：、

磁珠特异性：准确结合靶分子的能力。

结合载量：每床体积的微珠结合的样品量。

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参考文献：

1.Modh, Harshvardhan et al. “Aptamer-Modified Magnetic Beads in Biosensing.” Sensors (Basel, Switzerland) vol. 18,4 1041. 30 Mar. 2018, doi:10.3390/s18041041

2.https://www.cytivalifesciences.com/en/us

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