地质地球所生物地磁研究取得新新进展

2010-8-16 16:30 来源: 中国科学院
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图片分别为磁性重组人铁蛋白的 (a) 透射电镜 (TEM)负染照片;(b)铁核的透射电镜 (TEM)照片;(c)铁核的粒径分布图;(d) 选区电子衍射图

  超顺磁颗粒(一般小于20nm)广泛存在于环境中和生物体内,是岩石磁学、环境磁学、生物磁学、生物矿化以及生物医学研究的热点。由于超顺磁颗粒的表面各向异性能增强,它们与大颗粒的磁学性质有显著的不同。成土作用所产生的超顺磁颗粒被认为是中国黄土-古土壤序列中古土壤磁化率增强的重要原因。信鸽的喙部上皮中含有大量呈簇状排列的细小磁铁矿颗粒(2-5 nm)被认为是信鸽的磁受体,与信鸽的地磁导航机理密切相关。但是,由于自然界的样品以及人工化学合成的样品的粒径分布宽,形状不单一,很难避免颗粒间的磁相互作用,因而阻碍了超顺磁颗粒的磁学性质的认识及其应用。

  中科院地质与地球物理研究所地球深部结构与过程研究室生物地磁学小组博士研究生曹长乾在其导师潘永信研究员指导下,与合作者等人发挥了与生物学学科交叉的优势,利用重组人源铁蛋白为模板,依据人体内铁蛋白的生物矿化原理成功仿生合成一种由蛋白壳包裹的纳米磁性颗粒—磁性重组人铁蛋白,并对其进行详细的低温岩石磁学和透射电镜研究。结果发现:(1)所合成的磁性重组人铁蛋白具有单分散性、形状单一、粒度分布很窄,由蛋白壳和亚铁磁性铁核两部分组成,其铁核成分为磁铁矿或者磁赤铁矿,核的平均粒径大小为3.9 ± 1.1 nm;(2)所合成的磁性重组人铁蛋白不存在磁相互作用,由单轴各向异性占主导,是超顺磁学理论和实验研究的理想模型;(3)利用磁性重组人铁蛋白样品首次计算出了尼尔理论对于超顺磁学的最基本参数:指数前因子ƒ0 =  (9.2± 7.9) × 1010 Hz,有效各向异性能常数Keff = 1.2 × 105 J/m3,表面各向异性能 Ks = 6.5 × 10-2 erg/cm2,丰富了基础岩石磁学理论。

  此外,由于这种仿生合成的磁性重组人铁蛋白具有类似于人体中的铁蛋白壳,而铁核又是磁性强的亚铁磁性矿物,具有生物相容性高和单分散的特性,因而可能在材料学和生物医学中具有重要的应用价值。例如,它们在生物医学中可以用于癌症的磁靶向治疗、癌症的磁热疗、磁共振显影对比剂、磁分离和纯化等领域。目前,该项研究成果已申请两项发明专利(申请号:200910244505.1,一种单分散性磁性人铁蛋白的制备方法;申请号:201010034208.7,一种从生物组织或工程菌中分离纯化铁蛋白的方法)。

  该项研究成果发表在近期出版的Journal of Geophysical Research(《地球物理学研究杂志》) (Cao et al.Magnetic characterization of noninteracting, randomly oriented, nanometer-scale ferrimagnetic particles.Journal of Geophysical Research, 2010, 115, B07103, doi:10.1029/2009JB006855)。