聚合物包封的磁性纳米颗粒的制作方法

本申请根据35u.s.c.§119要求2014年10月23日提交的美国临时申请系列第62/067634号的优先权，本文以该申请的内容为基础并通过参考将其完整地结合于此。本文一般地涉及制造磁性纳米颗粒的方法，更具体地，涉及聚合物包封的磁性纳米颗粒，其用于例如，蛋白质、细胞和病毒的隔离还用于诊断应用和细胞栽培。技术背景磁性颗粒或珠被用于生物
技术领域：
中的各种应用，包括核酸和蛋白质以及病毒和整个细胞的提取和纯化。在使用过程中，目标媒介(例如dna)与颗粒表面粘结，从而可以对其进行磁性操控。提供低成本的高效方法来合成和提供磁性颗粒会是有利的，所述磁性颗粒具有例如对于磁场的强响应、受控的粒度、组成、均匀性、晶体结构和表面化学性。技术实现要素：在一些实施方式中，本文提供了粒度小于或等于500nm的磁性颗粒，所述磁性颗粒具有磁性芯和围绕且包封了芯的聚合物涂层。芯包括以下至少一种金属的金属、金属合金或者金属氧化物，例如，b、mg、al、mn、co、ni、cu、fe、sm、ln、yb、dy、gd或er和nb。磁性芯是多晶颗粒，其是超自旋(superspin)玻璃磁性材料，其在室温下具有大于零的矫顽磁力和大于零的磁性剩磁。采用来自前体金属盐的原位水解/沉淀方法来形成聚合物包封的磁性颗粒，这不需要任何聚合反应。一种制造磁性颗粒的方法包括：形成包含金属前体、氧化剂或还原剂、聚合物源和碱化合物的溶液；以及将溶液温度增加到至少50℃以形成磁性颗粒，所述磁性颗粒具有芯和围绕且包封了芯的聚合物涂层。在以下的详细描述中提出了本公开的主题的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对于本领域的技术人员而言根据所作描述即容易理解，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本公开的主题而被认识。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述给出了本公开的主题的实施方式，用来提供理解要求保护的本公开的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本公开内容的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本公开的主题各种实施方式，并与描述一起用来解释本公开的主题的原理和操作。此外，附图和说明仅仅是示例性的，并不试图以任意方式限制权利要求的范围。附图说明当结合以下附图阅读下面对本公开的具体实施方式的详细描述时，可对其形成最好的理解，附图中相同的结构用相同的附图标记表示，其中：图1是根据一个实施方式的磁性颗粒的示意图；图2显示采用不同表面官能化聚合物的磁性颗粒的tem显微图；图3显示不同磁性性质的磁场(χ)与温度(k)的关系图。(来自http://electrons.wikidot.com/magnetism-iron-oxide-magnetite)。图4是超顺磁性fe3o4的磁矩与温度关系图。(来自j.mohapatra等人，rscadv.,2015,5,14311)。图5和图6显示mnp的两个实施方式的磁化率(χ)与温度关系图。图7显示在一些实施方式中，三种mnp的x射线粉末衍射测量。图a是实施例1的pema-fe3o4，图b是实施例1的pema-fe3o4，以及图c是实施例2的pei-fe3o4。图8的滞后回线，显示磁性材料的性质。图9和10是mnp的实施方式中，测得的滞后回线绘制的磁矩(emu/g)与磁场(oe)关系图。图10显示与图9相同的数据，但是进行了放大从而可以看到细节。图11的流程图显示根据各个实施方式的磁性颗粒的合成；图12示意性显示根据各个实施方式的表面官能化的磁性颗粒；图13显示对于pema-fe3o4纳米颗粒(空心正方形)和对于市售可得磁性珠(开放圆圈)，响应时间(显示为相对吸收率)与时间数据的关系图。图14a-f是pema-包封的fe3o4颗粒的sem显微图，显示包含fe、o、c和si的元素位置；图15a-e是pei-包封的fe3o4颗粒的tem显微图；图16表征了示例性磁性颗粒的表面电荷；图17是对于悬浮磁性颗粒的相对光学密度(od)与时间关系图；图18显示表面上粘结有dna或者没有粘结dna的示例性磁性纳米颗粒的元素谱图的超图；图19是凝胶电泳结果的数字图像，证实了采用磁性纳米颗粒的dna纯化；以及图20显示示例性磁性纳米颗粒的dna粘结能力；以及图21显示采用mnp实施方式得到的dna尺寸选择的数据图。具体实施方式下面更详细参考本公开主题的各种实施方式，这些实施方式中的一部分在附图中示出。在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。如图1示意性所示是单个磁性颗粒100的横截面图。颗粒100包含磁性芯110和涂层120，所述涂层120完全地围绕和包封芯。芯110具有外表面112。涂层120沿着涂层120的内表面124与芯110的外表面112直接物理接触。磁性颗粒100还被称作磁性纳米颗粒(mnp)。聚合物涂层围绕了磁性芯。芯包括多晶无机磁性材料。芯的多晶或多纳米晶体特性可参见图2a、b、c和d。图2显示表面官能化的磁性颗粒的tem显微图，并且包括如下数个实施方式：(a)pema-fe3o4、(b)pei-fe3o4、(c)pmaa-fe3o4和(d)pssma-fe3o4。从图2可以看出，在一些实施方式中，磁性颗粒显示出晶体结构。特别如图2a所证实，磁性芯看上去是由单独的小颗粒或晶体制成的团状或球状的。此外，晶体是均匀的。也就是说，晶体全都是相同的晶相(参见例如图7)。晶体聚结(>2个单个晶体直接相互接触)形成聚合物壳内所含的晶体芯或团。磁是用于描述磁性性质和磁性现象的术语。在常规块体材料中，存在六种类型的磁性：反磁性、顺磁性、铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性和旋转玻璃型行为。在所有的细颗粒体系中(包括纳米颗粒)，存在不同类型的颗粒间磁性相互作用，并且相互作用强度随着它们的体积浓度发生变化。这些性质部分如图3-6所示。磁性材料(例如，fe3o4)会存在依赖于温度的磁性特性。图3显示不同磁性性质的磁场(χ)与温度(k)的关系图。(来自http://electrons.wikidot.com/magnetism-iron-oxide-magnetite)。线310描绘了铁磁性材料的磁性特性。线312描绘了顺磁性材料的磁性特性，以及线314描述了反铁磁性材料的磁性特性。铁磁性材料(310)和顺磁性材料(312)展现出随着温度增加而下降的磁性磁化系数(χ)。反铁磁性材料也显示出在高于室温的情况下，随着温度增加而下降的磁性磁化系数。不希望受限于理论，这可能是由于温度增加扰乱了含铁材料中的电子的对准。随着温度增加，电子变得更为无规取向，这导致磁矩降低，如图3所示。随着温度降低，在居里点(显示为311)，铁磁性材料“冻住”，并且随着电子在材料中的对准，材料变得明显更具有磁性。类似地，在顺磁性材料中，随着温度增加，磁性下降，如线312所示。以及，反铁磁性材料在奈尔点(néelpoint)显示出峰值磁性(显示为313)，之后随着温度增加，材料的磁性下降。当温度高于奈尔点时，反铁磁性材料变成顺磁性，也就是说，热能变得足够大到摧毁材料内的宏观磁性取向。奈尔点与铁磁性材料的居里温度类似(来自https://en.wikipedia.org/wiki/n％c3％a9el_temperature)。当磁性材料的粒度抵达临界尺寸时，发生超顺磁性。临界尺寸取决于材料。例如，fe3o4的临界尺寸约为29～36+/-0.5nm。γ-fe2o3的临界尺寸是30nm。当磁性材料达到临界小尺寸时，可以将每个颗粒当做单个“域”或单个电子处理。在这些单域铁纳米颗粒或者铁磁性(fm)纳米颗粒中，认为磁性与易磁化轴平行或者反平行，这是自发磁化的能量有利方向。对于足够小的单域颗粒，能垒变得小到能量波动可以克服各向异性能并使得颗粒的磁化从一个易磁化方向自发反转到另一个易磁化方向，甚至在不施加磁场的情况下也是如此。因此，此类fm纳米颗粒可以被当做单磁性单元处理，它们自由且无规地波动，如同顺磁性那样，所以被称作超顺磁性。例如，图4显示超顺磁性fe3o4材料的磁矩与温度关系图(来自j.mohapatra等人，rscadv.,2015,5.14311)。同样地，随着温度增加，在不存在磁场(zfc)的情况下，磁性降低。在存在磁场(fc)的情况下，当温度下降，磁性增加。磁性磁化系数由符号χ表示，这是无量纲量。m是磁矩，其单位是emu/g。磁性磁化系数(χ)与磁矩(m)之间的关系由如下方程式1所示，其中χ是磁性磁化系数，m是磁矩，以及h是施加的磁场：方程式1：χ＝m/h因此，如图3和图4所示，χ和m具有相同的趋势但是具有不同的单位和值。表1显示随着温度的变化，不同类型的磁性材料的典型行为。例如，m是质量磁性(mg)(单位是emu/g＝a·m2/kg)；h＝1oe＝1x103/(4π)a/m。参见方程式1，材料的磁性磁化系数可以由如下得到：χ＝mg4πx10-3ρ。ρ是材料的密度(m3/kg)。表1：不同类型磁性的磁性磁化系数的温度依赖性(来自，anthonyxr.west，basicsolidstatechemistry(基础固态化学)，第二版，johnwiley&sons有限公司(英格兰)，1999，第375页)图5和图6显示mnp的两个实施方式的磁性磁化系数(χ)与温度关系图。图5对pema-fe3o4进行了测量，以及图6对pei-fe3o4进行了测量。从图5和图6可以看出，在一些实施方式中，mnp显示出不能描述为单独的顺磁性、铁磁性、反铁磁性或超顺磁性的温度依赖性行为。在一些实施方式中，随着温度增加(类似于反铁磁性)贯穿室温(近似300开尔文度)，mnp的磁矩持续增加。但是，对于pema-fe3o4和pei-fe3o4，磁性磁化系数的值分别是10～22和30～42，这比表1中的常规反铁磁性高3个数量级。也就是说，随着温度增加到高于室温，磁性颗粒的磁矩发生增加。两个实施方式的mnp在低温(2-350k)的磁性磁化系数趋势无法与常规磁性进行拟合，也无法与大部分的超顺磁性磁铁矿拟合。无法表明在实验温度范围内达到了最大值，这表明所有样品的阻塞温度(blockingtemperature)(tb)都远高于室温300k。在一些实施方式中，该行为与mnp的实际应用有关。例如，具有增强磁矩的颗粒对包括核酸和蛋白质以及病毒和整个细胞的提取和纯化的实验是有利的。在使用过程中，目标媒介(例如dna)与颗粒表面粘结，从而可以对其进行磁性操控。这些使用通常是在室温或更高温度下进行，例如dna熔化温度。在一些实施方式中，相比于其他磁性材料，mnp在室温和最高至350k(77℃)下展现出磁矩或磁性磁化系数的增加。在一些实施方式中，mnp的磁性芯的小的单个单元晶体的直径小于15nm或者直径小于30nm或者直径小于50nm。单个磁性晶体是超顺磁性的。通常，超顺磁性颗粒如果充分分散在溶液或者分散在基质中的话，展现出零剩磁(在去除磁场之后材料中剩余的残留磁性)和零矫顽磁力(在饱和之后，将磁性降低到零所需的反磁场)。此外，部分由于用于制造mnp的方法，在一些实施方式中，颗粒嵌入在聚合物壳中或者被俘获在聚合物壳中，成群在一起。由于多晶纳米材料成群(cluster)在一起或者聚结(coalesce)在一起，在单个单元的晶体之间存在一定水平的相互作用。在方程式2和3中描述了磁力(fm)，其中，m是颗粒的磁矩，b是施加的磁场，vm是颗粒的体积，δχ是颗粒和围绕介质之间的磁性磁化系数差异，是梯度(每单元距离的向量m和b的大小的变化)，以及μ0是常数4πx10-7(tma-1)。方程式2：方程式3：该集体行为或相互作用在颗粒中产生一定程度的剩磁和矫顽磁力。在这些mnp的磁性芯内，纳米晶体或多晶紧密接触。它们成群在一起或者聚结在聚合物涂层内。因为它们是如此的靠近，在磁性芯的纳米晶体的界面之间存在强烈的交换耦合和磁性取向。这导致各向异性能的下降，这实现了这些颗粒的总磁矩的增加，如下方程式4所示。方程式4：根据文献(j.mohapatra等人，rscadv.,2015,5.14311)，发现相比于记录的单纳米晶体相似物，集合的纳米颗粒的饱和磁性(ms)更高。同时，对于尖晶石结构氧化物(例如，[fe3+]四面体[m2+,fe3+]八面体o4)，ms值强烈地取决于m2+阳离子磁矩的大小，因为四面体点位和八面体点位上的fe3+离子具有相反旋转，导致fe3+离子的净磁矩为零。因此，对掺杂的m2+和磁耦合进行控制可用于设计高ms材料用于需要高ms材料的应用。在所有的细颗粒体系中(包括纳米颗粒)，存在不同类型的颗粒间磁性相互作用，并且相互作用强度随着它们的体积浓度发生变化。通常，在低浓度颗粒和足够高温度的情况下，由于可忽略不计的颗粒间相互作用，仅观察到超顺磁性(spm)行为。但是，当颗粒浓度增加且颗粒间距下降时，颗粒间相互作用不可忽略不计，观察到集体行为。在足够强的相互作用下，磁性纳米颗粒整体可以展现出超自旋玻璃(ssg)性质，这类似于块体中的原子自旋玻璃体系。随着浓度的进一步增加，但是其仍然低于物理浸透，会发生足够强的相互作用，以形成超铁磁性(sfm)状态。图7显示在一些实施方式中，三种mnp的x射线粉末衍射测量。图a是实施例1的pema-fe3o4，图b是实施例1的pema-fe3o4，以及图c是实施例2的pei-fe3o4。图7显示磁性颗粒的组成和晶体结构，并且表明所有的mnp都是纯的fe3o4，具有反型立方尖晶石晶体结构。图2d的几何形貌看上去与图2a的晶体结构非常不同，但是xrd(图7)显示它们具有相同的纯fe3o4晶体结构，对应于单晶尺寸的峰值宽度略微不同。图8是显示磁性材料性质的滞后回线，磁力h绘制在x轴上，通量密度(在y轴上)。可以从滞后回线测量磁性材料的性质。810是饱和，811是顽磁性，812是矫顽磁力，以及813是相反方向的饱和。图9和图10绘制了滞后回线中mnp实施方式的磁矩(emu/g)与磁场(oe)的关系图，如图8所示。图10显示与图9相同数据，但是进行了放大从而可以看到细节。从图10进行矫顽磁力测量，见下表2所示。表2中的所有测量都是在室温下进行的。表2在一些实施方式中，mnp具有剩磁和矫顽磁力，如表2所示。因为在一些实施方式中，磁性颗粒展现出超顺磁性(晶体或纳米晶体集合在一起形成磁性芯，它们是小的并且是临界尺寸，从而可以将每个颗粒视作单域)。磁性芯内的单域的尺寸范围可以是0.5-200nm，例如0.5、1、2、5、10、50、100或200nm，包括前述任意之间的范围。这些小的单晶域是超顺磁性的。这些颗粒间磁性相互作用导致可测得的剩磁和矫顽磁力(如表2所示)。可以将该剩磁和矫顽磁力视作集体行为。这种超顺磁性和集体行为的组合被称为“超自旋玻璃”磁性行为。超自旋玻璃颗粒显示出高磁矩并且相比于单独的超顺磁性颗粒提供更强的磁性响应。在一些实施方式中，本文提供的mnp包括超自旋玻璃、多晶或多晶纳米磁性颗粒，其具有大于0oe的矫顽磁力或0-300oe的矫顽磁力，或者0-300oe之间的任意范围的矫顽磁力，例如，30-150oe。例如，颗粒的矫顽磁力可以是10、20、50、100、150、200、250或300oe，包括前述任意之间的范围。在一些实施方式中，本文提供的mnp包括多晶颗粒，其是超顺磁性的，并且聚结形成超自旋玻璃磁性芯。这些超自旋玻璃多晶或多晶纳米磁性颗粒的磁矩剩磁(emu/g)大于零，或者在从零到12的范围内，或者在0-12之间的任意范围内，例如3-10(emu/g)。此外，在一些实施方式中，mnp展现出高的饱和磁性(emu/g)。例如，在一些实施方式中，mnp在室温下展现出饱和或大于70emu/g的饱和磁性。较高的磁性可以提供快速磁响应。并且，在室温下具有高磁性使得这些材料能够在室温下具有更快速的磁响应。作为磁性芯的超自旋玻璃性质的结果，磁性颗粒展现出低的但是不为零的矫顽磁力(例如，小于300oe)和高的磁性(例如，至少50emu/g)。软的磁性材料可表征为非常低的矫顽磁力(或零矫顽磁力)和高的饱和磁性。(osacimihaela，“studyaboutthepossibilitytocontrolthesuperparamagnetism-superferromagnetismtransitioninmagneticnanoparticlesystem(关于控制磁性纳米颗粒体系中的超顺磁性-超铁磁性转变的可能性研究)”，journalofmagnetismandmagneticmaterials(磁力和磁性材料期刊)，2013,343,189-193)。软磁性材料是易于磁化和消磁的那些材料。通常具有大于10,000am-1的内在矫顽磁力被视为“硬的”。(introductiontomagnetismandmagneticmaterials(磁性和磁性材料介绍)，第二版，davidc.jiles)这些特性使得这些mnp是软磁性颗粒。软磁性材料是易于磁化和消磁的材料。在25℃时，在较弱磁场中，软磁性材料磁化至饱和并经受极性反转。在使用中，颗粒的高磁性促进了快速磁响应和高的磁分离效率。颗粒的高粘结能力实现了更为有效和经济的材料利用，从而在每次化验的给定容器体积内，可以加工更多数量的样品。在一些实施方式中，芯材料展现出超顺磁性和超自旋玻璃磁性。在一些实施方式中，mnp不同于其他市售可得材料(其含有纳米尺寸的超顺磁性材料，例如，购自马萨诸塞州沃尔瑟姆市的赛默飞科技公司(thermofisherscientific,waltham,ma)的m-280和m-450珠)。根据公开研究，(xu等人，simultaneous,singleparticle,magnetizationandsizemeasurementsofmicronsized,magneticparticles(微米尺寸磁性颗粒的同时单颗粒磁化和尺寸测量)，jmagnmagnmateri，2012年12月1日，324(24):4189-4199，从http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/pmc3433070/，可以获得该公开研究)这些珠展现出零矫顽磁力、零剩磁，并且对于m-280和m-450珠，饱和磁力值分别是10emu/g和19emu/g。在一些实施方式中，在室温(t＝300k)，mnp展现出更高的饱和磁力(50<ms<100emu/g)，非零矫顽磁力和非零剩磁，而商业产品展现出零矫顽磁力和零剩磁。不希望受限于理论，这种剩磁和矫顽磁力的缺乏可能是由于基质将其他磁性颗粒分开，将磁性颗粒嵌入基质中，在低颗粒浓度和足够高温度的情况下，由于可忽略不计的颗粒间相互作用从而仅观察到超顺磁性行为，这无法实现超自旋玻璃磁性特性。芯材料可以包括金属、金属合金或金属氧化物，及其组合。一种示例性芯材料是铁氧化物(fe3o4)，但是芯可以包括含有一种或多种过渡金属(b、mg、al、mn、co、ni、cu和fe)和/或一种或多种镧系元素(即，sm、ln、yb、dy、gd、er和nb)的金属、金属合金或金属氧化物。在一个例子中，磁性芯包括掺杂有硼和铝的铁氧化物。其他示例性芯材料包括钴氧化物、镍氧化物、尖晶石组合物(例如，cufe2o4、nife2o4、mnfe2o4或mgfe2o4)和金属间组合物(例如，nife或nicofe)。在一些实施方式中，磁性芯占了颗粒的至少60重量％。除了磁性芯之外，mnp包括聚合物材料或聚合物材料的混合物。聚合物分子可以交联或不交联。合适的聚合物包括多酸、多元醇和聚胺。示例性的聚合物材料包括：聚(甲基丙烯酸乙酯)或聚(亚乙基-交聚-马来酸酐)(pema)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(pmma)、聚醚胺(pei)、聚(甲基丙烯酸)(pmaa)、聚(4-苯乙烯磺酸-共聚-马来酸)(pssma)、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚硫醇、聚巯基酸，及其混合物和共聚物。在一些实施方式中，可以使用聚(甲基丙烯酸)或聚(4-苯乙烯磺酸-共聚-马来酸)的钠盐溶液。如图1所示，芯110具有磁性芯尺寸136，以及磁性珠或mnp100具有粒度134。在一些实施方式中，芯的尺寸范围约为10-250nm，例如，10、20、30、40、50、100、200或250nm，包括前述任意两者之间的范围。在表2中记录了在一些实施方式中实际测得的磁性芯尺寸，直径范围是18-230nm，但是也考虑其他磁性芯尺寸。术语“粒度”或“珠尺寸”用于描述与磁性珠或mnp相关的最大线性尺寸。在例如球形颗粒的情况下，粒度是直径。在椭圆形颗粒的情况下，粒度是颗粒的“长度”。多种磁性颗粒100的示例性平均粒度可以是约为20-500nm，例如，20、30、40、50、100、200、300、400或500nm，并对于给定的材料批料可以限定在任意两个上述值的范围内。通过提供所揭示的粒度范围内的磁性纳米颗粒，颗粒悬浮物足以提供可接受的粘结能力，而没有不合乎希望的颗粒沉淀，这是较大颗粒(大于500nm颗粒)的缺点。涂层120的厚度132限定为涂层的内表面124和涂层的外表面122之间的平均最短距离。在一些实施方式中，涂层可具有基本均匀的厚度或者变化的厚度，这取决于例如用于形成涂层的方法。涂层124的示例性平均厚度范围约为10-250nm，例如，10、20、30、40、50、100、200或250nm，包括前述任意两者之间的范围。在一些实施方式中，磁性颗粒100可以是基本球形形状的。但是，本文也考虑其他形状，例如但不限于，不对称形状或者椭球体。在一些实施方式中，所揭示的磁性纳米颗粒的颗粒密度至少为3g/cm3，例如，3、3.5或4g/cm3。在其他实施方式中，所揭示的磁性纳米颗粒的颗粒密度大于4g/cm3。在一些实施方式中，磁性纳米颗粒的表面积至少为10m2/g，例如，10-20m2/g。在一些实施方式中，制造磁性颗粒的方法涉及：在溶液中结合可溶性金属前体、氧化剂或还原剂、聚合物源和碱化合物。在不存在聚合反应的情况下进行该方法，以形成聚合物壳。溶液可以是水性或者非水性溶液。在一些实施方式中，在惰性气氛(即，无氧气氛)中进行合成。示例性非水性溶剂包括：聚乙二醇(peg)、二甲基甲酰胺(dmf)、四氢呋喃(thf)以及其他极性或非极性溶剂，及其混合物。示例性溶液组合物总结见表3。表3：mnp合成的示例性溶液组合物组分溶液组合物(重量％)金属前体>0-40氧化剂或还原剂>0-50聚合物>0-30碱化合物>0-10用于mnp合成的溶液可以包含：最高至40重量％的金属前体(例如，2、5、10、20、30或40重量％，包括前述任意之间的范围)；最高至50重量％的氧化剂或还原剂(例如，2、5、10、20、30、40或50重量％，包括前述任意之间的范围)；最高至30重量％的聚合物(例如，2、5、10、20或30重量％，包括前述任意之间的范围)；以及最高至10重量％的碱化合物(例如，1、2、5或10重量％，包括前述任意之间的范围)。示例性金属前体包括金属盐，例如金属硫酸盐、金属硝酸盐、金属氯化物、金属高氯化物、金属碳化物和金属乙酰丙酮化物。在一些实施方式中，金属盐是m2+盐，即在铁盐的情况下，是亚铁盐，例如，硫酸亚铁(ii)(feso4)、乙酸亚铁(ii)(fe(c2h4o2)2)、草酸亚铁(ii)(fe(c2o4)、氯化亚铁(ii)、高氯化亚铁(ii)(fe(clo4)2)、碳酸亚铁(ii)(feco3)和乙酰丙酮化亚铁(ii)([ch3coch＝c(o)ch3]2fe)。在一些实施方式中，金属前体是m2+盐并且不含更高氧化态的离子，即不含m3+或m4+部分。金属前体与聚合物源的混合物还包括氧化剂，例如过氧化氢(h2o2)、硝酸钠(nano3)、硝酸钾(kno3)或者三甲基胺氧化物((ch3)3no)，但是也可使用其他氧化剂。在溶液中，m2+前体被氧化剂部分氧化成m3+。作为氧化剂的替代，可以使用还原剂。在此类实施方式中，金属前体与聚合物源的混合物还包括还原剂，例如，肼、有机酸碱性盐(柠檬酸钠)、醇或酮。在溶液中，通过还原剂将m2+前体部分还原至m1+或者完全还原至m0。向溶液添加碱化合物(例如氢氧化钠，naoh)增加了混合物的ph，这使得金属水解形成氢氧化物，例如fe(oh)x，并且当溶液温度增加到至少50℃(例如，50-100℃)时与之一起将氢氧化物转变成氧化物(fe3o4)。其他示例性碱化合物包括氢氧化钾、氢氧化铵和一些有机碱，例如，四甲基铵氢氧化物、四丁基铵氢氧化物或者胆碱氢氧化物作为氢氧化物供体。一旦氢氧化物脱水，聚合物附着到氧化物颗粒的表面。如图11所示是一些实施方式中的mnp合成的示意图。图11显示金属盐1110(例如，亚铁盐或m2+盐)的结合。在存在氧化剂和不含氧环境中，该金属盐与合适的聚合物结合。图11显示了4种合适的聚合物，它们包括：i)聚(亚乙基-交聚-马来酸酐)或pema；ii)聚亚乙基亚胺(polylethlenimine)或pei；iii)聚(甲基丙烯酸、钠盐)溶液或pmaa；和iv)聚(4-苯乙烯磺酸-共聚-马来酸)钠盐或pssma，之后添加碱化合物以形成mnp。在一些实施方式中，该原位合成提供了合适的颗粒团聚水平，这实现了形成离散颗粒或者集合在一起的离散颗粒，以形成磁性芯(如图2所示)，它们成群或集合在一起，足以产生集体行为，并且展现出矫顽磁力和剩磁，同时仍然具有纳米规格尺寸。注意的是，芯和涂层都源自溶液而没有发生聚合物聚合化，例如，经由水解和沉淀(例如，结晶)。在所得到的磁性颗粒中，聚合物涂层可占颗粒总质量的约2-40重量％。例如，涂层可占颗粒总质量的2、10、15、20、30、35或40重量％，包括前述任意之间的范围。因此，芯可占据颗粒总质量的60-98重量％。在一些实施方式中，可以将一个或多个官能团r结合到颗粒表面上。示例性官能团包括：羧酸/羧酸盐酯基团、亚胺/氨基基团、甲基基团、亚甲基基团、硫醇基团、酐基团、磷酸基团、磺酸/磺酸盐酯基团、磺酰胺或磷脂基团。在图12所示的实施方式中，r基团可以是例如氨基基团。磁性颗粒材料可用于粘结生物分子并通过磁力分离粘结的生物分子。然后可以可逆方式释放粘结的分子，即通过使用合适的缓冲液。如图12示意性显示包含磁性芯、pei壳和各种示例性官能团的磁性颗粒。图2b显示具有pei壳的mnp的扫描透射电子显微镜(stem)显微图。在一些实施方式中，本文提供了具有磁性芯和聚合物涂层的磁性颗粒；其中，磁性芯包括以下至少一种金属的金属、金属合金或者金属氧化物，例如，b、mg、al、mn、co、ni、cu、fe、nb、sm、ln、yb、dy、gd或er；其中，磁性芯包括多晶颗粒，其是超顺磁性的并且聚结在一起形成超自旋玻璃磁性芯；其中，聚合物涂层围绕磁性芯；以及其中，磁性颗粒展现出大于零且小于300oe的矫顽磁力或者矫顽磁力是30-150oe。在室温下，oe和磁性剩磁大于零且小于12emu/g；以及其中，磁性颗粒的粒度小于或等于500nm。在一些实施方式中，磁性芯的多晶颗粒是相同的晶相，并且随着温度增加高于室温，磁性颗粒的磁矩增加。在一些实施方式中，聚结形成超自旋玻璃磁性芯的磁性颗粒多晶颗粒是软的磁性材料。在一些实施方式中，矫顽磁力是30-150oe，或者剩磁在室温下是3-10emu/g。在一些实施方式中，聚合物涂层选自：聚(甲基丙烯酸乙酯)、聚(亚乙基-交聚-马来酸酐)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚乙烯亚胺、聚(甲基丙烯酸)、聚(4-苯乙烯磺酸-共聚-马来酸)、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚硫醇和聚巯基酸，或其组合。在一些实施方式中，芯占了颗粒的至少60重量％。在一些实施方式中，磁性颗粒的直径为10-250nm。在一些实施方式中，聚合物涂层的平均厚度是10-250nm。在一些实施方式中，磁性颗粒具有选自下组的表面官能团：羧酸盐酯/羧酸、氨基/亚胺、甲基、亚甲基、硫醇、酐、磷酸、磺酸盐酯/磺酸、磺酰胺和磷脂。在一些实施方式中，磁性芯包括fe3o4。在一些实施方式中，本文还提供了一种制造磁性颗粒的方法，其包括：形成包含金属前体、氧化剂或还原剂、聚合物源和碱化合物的溶液；以及将溶液温度增加到至少50℃以形成磁性颗粒，所述磁性颗粒具有超自旋玻璃芯和围绕且包封了芯的聚合物涂层。在一些实施方式中，溶液是水性的。在一些实施方式中，溶液中金属与聚合物的质量比是1:0.05至1:20。在一些实施方式中，在没有聚合化反应的情况下形成磁性颗粒。实施例以下非限制性实施例中揭示了磁性颗粒及其合成的额外方面。实施例1：从聚(亚乙基-交聚-马来酸酐)合成羧酸根阴离子包封的mnp(pema-fe3o4)。在1l反应容器中，将pema粉末(0.6g，mw＝100,000-500,000)分散在100ml去离子水中。然后，在氮气气氛中，250ml的feso4·7h2o溶液(10.5g)在剧烈搅拌下添加到反应容器中，之后添加80ml的2m的kno3。反应容器加热到30℃，剧烈搅拌和氮气吹扫。当温度达到30℃时，逐滴添加150ml的1m的naoh。在添加了naoh之后，将溶液加热至90℃，并在90℃维持2小时。然后关闭热源，使溶液自然冷却至25℃。采用磁体从溶液收集pema-包封的fe3o4纳米颗粒，并用去离子水清洗。纳米颗粒再分散于去离子水中，并储存于25℃。图13显示了pema-fe3o4纳米颗粒的响应时间(空心正方形)，显示为相对吸收率与时间数据的关系。图13还显示了市售可得磁性珠的数据(空心圆)。实施例2：从聚亚乙基亚胺合成亚胺和氨基基团包封的mnp(pei-fe3o4)。在该实施例中，将5.2g的feso4·7h2o溶解在320ml的去离子水中，之后添加40ml的2m的kno3，以及在氮气气氛和剧烈搅拌下逐滴添加40ml的1m的naoh。在添加了naoh之后，向反应容器加入200ml的4g/l的pei(mw＝600-60,000)溶液，以及将溶液加热到90℃，并在90℃维持2小时。然后关闭热源，使溶液自然冷却至25℃。采用磁体从溶液收集pei-包封的fe3o4纳米颗粒，并用去离子水清洗。纳米颗粒再分散于去离子水中，并储存于25℃。在一些实施方式中，通过改变聚合物的分子量和/或铁:聚合物的质量比，来控制pei-fe3o4颗粒的尺寸和几何形貌。在一些实施方式中，铁与聚合物的质量比(例如，fe:pei)可以是1:0.25至1:4，例如，1:0.25、1:0.33、1:0.5、1:1、1:2、1:3或1:4，包括前述任意之间的范围。图14a-f是stem显微图，显示pei-fe3o4颗粒的组成和结构。扫描透射电子显微镜(stem)是采用电子束对样品进行成像的技术。通过入射到超薄样品上的高能电子提供约为的图像分辨率。不仅获得了杰出的图像分辨率，还可额外表征晶相、晶体取向(采用衍射模式实验)，产生元素图(通过使用eds或eels)，并且获得高亮显示元素对比度的图像(暗场模式)。这些都可从精确定位的nm尺寸区域获得。通过如下方式制备样品：将碳承载纳米颗粒的乙醇悬液逐滴浇铸到碳涂覆的铜栅格上，之后在室温下蒸发溶剂。在feititang280-200chemi-stem电子显微镜上，以200kv进行测量。虽然在黑白专利文件附图中看不出，但是这些研究表明元素硅和碳位于磁性芯外面。图15a-e的sem图像显示颗粒的尺寸和几何形貌。表3总结了样品a-e的各种pei-fe3o4颗粒的平均粒度、聚合物分子量和铁-聚合物质量比。表4样品平均尺寸(nm)mwfe:peia156001:0.77b1718001:1.52c4418001:0.76d133250001:0.47e18018001:0.38实施例3：从聚(甲基丙烯酸、钠盐)溶液合成具有疏水性基团的羧酸盐酯包封的mnp(pmaa-fe3o4)。从聚(甲基丙烯酸、钠盐)溶液合成纳米颗粒。在该实施例中，在1l反应容器中，将10.5g的feso4·7h2o溶解在300ml的去离子水中，之后添加80ml的2m的kno3，以及在氮气气氛和剧烈搅拌下逐滴添加80ml的1m的naoh。在剧烈搅拌下，反应容器加热至50℃。当温度达到50℃时，向反应容器加入22ml的3.4重量％的pmaa(mw＝9,500)水性溶液。然后将混合物加热至90℃，并在90℃维持2小时。然后关闭热源，使溶液自然冷却至25℃。采用磁体从溶液收集pmma-包封的fe3o4纳米颗粒，并用去离子水清洗。纳米颗粒再分散于去离子水中，并储存于25℃。实施例4：从聚(4-苯乙烯磺酸-共聚-马来酸)钠盐溶液合成具有磺酸基团的羧酸盐酯包封的mnp(pssma-fe3o4)。在该实施例中，在1l反应容器中，将21g的feso4·7h2o溶解在300ml的蒸馏水中，之后添加160ml的2.0m的kno3，以及在氮气气氛和剧烈搅拌下逐滴添加120ml的2m的naoh溶液。在剧烈搅拌下，反应容器加热至50℃。当温度达到50℃，在氮气吹扫和剧烈搅拌下，将5ml的25％的pssma(mw＝20,000)逐滴加入到反应容器中。然后将混合物加热至90℃，并在90℃维持2小时。然后关闭热源，使溶液自然冷却至25℃。采用磁体从溶液收集pssma-包封的fe3o4纳米颗粒，并用去离子水清洗。纳米颗粒再分散于去离子水中，并储存于25℃。实施例5：超导量子干涉仪(squid)磁力计。采用squid磁力计(量子设计mpmsxl-5)对干燥粉末样品进行磁性测量。在施加磁场(h)下，通过在-50,000oe至50,000oe范围循环磁场，在298k(室温下)测量磁化强度(m)。图9和图10绘制了nmp样品(实施例1-4)的饱和磁化强度、矫顽磁力和磁性剩磁。表2总结了选择的纳米颗粒材料的粒度、磁化强度和矫顽磁力(hc)，其显示由于强的颗粒间相互作用所导致的超自旋玻璃磁性的集体行为。通过零磁场冷却和磁场冷却模式测量低磁场下的温度依赖性与磁矩关系。首先使得磁场为零，然后冷却样品以获得2k的温度，并施加约1oe的低磁场，然后以加热模式至室温(300-350k)开始进行测量。在zfc之后，保持磁场同时温度冷却至2k，测量并记录样品的磁矩。图5和图6分别是pema-fe3o4和pei-fe3o4的温度依赖性与磁矩关系。两种mnp磁矩值都倾向于2-300k的温度，并且2-350k无法与常规磁性进行拟合，也无法与大多数的超顺磁性磁铁矿拟合。在图5和图6中，随着温度提升，显示相似的增加趋势。无法表明在实验温度范围内达到了最大值，这表明所有样品的阻塞温度(blockingtemperature)(tb)都远高于300k。实施例6：mnp的组成和晶体结构。采用x射线粉末衍射(xrd)仪器评估磁性颗粒的组成和晶体结构，结果记录在图7中。xrd结果显示所有的mnp都是fe3o4，其具有反型立方尖晶石晶体结构。也就是说，所有的晶体都是相同的相。实施例7：聚合物包封的mnp的表面电荷评估。采用甲苯胺蓝o(tbo)技术对磁性颗粒上的表面电荷基团(例如羧基)的存在进行评估。该方法还包括缓冲液制备、着色和测量。ph＝11的缓冲液包含100ml的0.2m的nacl(其混合了26ml的0.2m的hcl)。ph＝2的缓冲液包含100ml的0.05m的nahco3(其混合了45ml的0.1m的naoh)。甲苯胺蓝o着色溶液包含：溶解在ph＝11的缓冲液中的甲苯胺蓝o(tbo)(西格马奥德里奇公司(sigmaaldrich))粉末，浓度为0.05％。在着色和测量步骤中，将20ul或50ul的磁性颗粒或对照珠的悬液添加到2.0ml的axygen管中。将管放入12管imag磁性分离装置中。颗粒被拉曳至管侧部，去除清澈上清液，以及向管中加入1ml的水。然后从分离装置取出管，并离心使得颗粒再次悬浮。然后将管放回分离装置。在颗粒沉淀之后，去除清澈上清液，以及向管中加入0.5ml的0.05％的tbo着色溶液，并且离心使得颗粒重新悬浮进行着色。在着色之后，采用上文所述的标准清洗过程，用水清洗颗粒3次。在清洗之后，添加1ml的ph＝2的缓冲液，以洗提粘结的染料。在洗提之后，将管放回磁性分离装置。在颗粒沉淀之后，取上清液以630nm进行od测量。采用在ph＝2缓冲液中tbo浓度范围1μg/ml至10μg/ml来产生标准曲线，来计算最终洗提溶液中的染料浓度。图16是选择的聚合物包封的mnp的表面电荷特性，如表5所示，采用tbo技术。测得的tbo粘结(y轴)单位是mg/mg的磁性np。以及图17是水溶液中的相对光学密度与悬浮时间的关系图，显示在溶液中，悬浮颗粒浓度的下降。pema-fe3o4(50-100nm)磁性颗粒(表5中的样品b，图17显示为圆形)和pmma-fe3o4(40-60nm)磁性颗粒(表4中的样品c，图17显示为三角形)在2小时之后保持至少80％的悬浮，这与市售可得的微米尺寸(10-20重量％磁性相，图17显示为方块)是相当的。表5实施例8：从全血分离dna。采用pema-fe3o4和pei-fe3o4颗粒从全血分离dna。将40μl的磁性颗粒(10mg/ml原料浓度)、15ml的裂解缓冲液加入到圆锥管中，然后将5ml的全血加入到圆锥管中，颠倒混合。然后，混合物在室温下，以中速在摇杆上混合5分钟。然后将管放在50ml的磁性分离器上持续3分钟，以实现磁性颗粒与圆锥管的侧部完全粘附。去除上清液，并添加5ml的裂解缓冲液。用手使管缓慢颠倒3次。管孵育1分钟。然后再次将管放在磁性分离器上1分钟。再次去除上清液。含有具有溶解细胞内含物的磁性珠的球粒留在管中。为了纯化dna，将20μl的蛋白酶k溶液添加到管中并漩涡运动，然后在60℃孵育10分钟。使溶液冷却至室温，持续5-10分钟。然后将3ml的100％的ipa和3ml的蛋白酶缓冲液添加到混合物。然后用手缓慢打漩混合物。形成含有具有dna的磁性珠的球粒。然后将管放在磁性分离器上2分钟。除去上清液。为了进行清洗，添加2ml的清洗缓冲液1，用手打旋30秒，将管放在磁性分离器上1分钟，以及再次去除上清液。通过向管中添加1ml的清洗缓冲液2来进行第二清洗步骤，在室温孵育1分钟，然后去除上清液。如图18所示是超图谱，显示了dna与pei-fe3o4颗粒粘结之前的碳、铁、氧和磷(图18a、b和c)以及之后的碳、铁、氧和磷(d、e和f)。从图18可以看出，在dna与mnp粘结之后，存在n和p。以hv200.0kv进行测量。为了从磁性颗粒去除dna，向管中添加1ml的洗提缓冲液，并在60℃孵育15分钟。然后去除含纯化的dna的上清液，并放入干净的1.7ml的不含dnasa的微离心管中。采用这些方法，从5ml的牛全血得到160-180μg的gdna，纯度(a260/a280)约等于2.2。图19显示采用pema-fe3o4，应用mnp来从全血进行染色体dna纯化。dna运行在1xtbe缓冲液中的1％的琼脂糖凝胶上。图19是超螺旋染色体dna的着色凝胶的数字图像(线2-6)、来自ecor1限制酶消化的染色体dna片段的数字图像(线8-16)，以及来自psti限制酶消化的染色体dna片段的数字图像(线14-18)。所有的消化都是在37℃持续4小时完成。mnp-1和mnp-2表示采用来自分开的综合体(syntheses)的相同pema-fe3o4的2种不同批次，以及a和b表示来自全血的重复染色体dna隔离。*mnp-0表示从在-20℃储存18个月的全血分离的染色体dna，显示隔离的染色体dna的稳定性。实施例9：从pcr(pcr清洁)隔离dna。在水中提供10mg/ml的mnp。10ml的mnp漩涡运动，然后再悬浮于13.3ml的康宁dna粘结缓冲液中，实现7.5mg/ml的最终浓度。20μl的mnp分配到pcr板的单独井中。待纯化的pcr产物温和漩涡运动，将20μl的pcr产物分配到已经含有20μl的mnp悬液的每个井中。溶液进行约10次移液混合。混合物在室温孵育5分钟，使得dna与mnp粘结。将pcr板放入imag96p磁分离装置(购自，加利福尼亚州福斯特市axygen公司)，然后去除上清液。然后在150μl的70％乙醇中对粘结了dna的颗粒进行清洗，实现乙醇清洗孵育30秒。除去乙醇。重复该乙醇清洗步骤。pcr板放置在imag96p装置上，同时板在室温下干燥。然后向每个井添加40μl的洗提缓冲液或水，并在室温孵育30秒。然后溶液混合以使得磁性颗粒再悬浮。然后将pcr板放回到imag96p装置上，从而俘获mnp，直至上清液看上去是透澈的。然后去除含pcr产物的上清液。图20所示是(a)在pcr清洁化验中的mnp的dna粘结能力。对于所示的六个化验(1)至(6)中每一个，最左边柱子表示起始dna浓度，中间柱子表示本文所揭示的mnp的数据，以及最右边柱子表示来自商业盒子的数据。对比纯化之后的dna洗提量，本文所揭示的mnp材料全都胜过商业产品，产率为80-90％。pcr清洁化验是基于2毫升起始dna材料，40毫升洗提缓冲液，和20毫升7.5mg/l的磁性纳米颗粒。参见图21，通过改变vdna与v缓冲液+mnp比例，可能在特定尺寸范围内选择性地纯化dna。例如，如本文所用，0.4/0.2表示首先将1份dna溶液添加到0.4份的粘结缓冲液中的磁性颗粒，以去除最大尺寸的dna。然后将上清液与0.2份的粘结缓冲液中的磁性颗粒结合，使得目标dna与颗粒粘结，将较小尺寸dna和污染物留在上清液中。pcr产物的尺寸是538bp。本文所揭示的磁性颗粒可用于生物加工，例如，细胞、细胞组分或细胞产品(包括抗体、病毒、蛋白质、药物等)的分离、隔离和/或纯化。例如，磁性颗粒可用于对内体、膜部分、线粒体、核糖体、亚细胞细胞器等进行分离、隔离和/或纯化。又例如，磁性颗粒可用于核酸(包括，无细胞胎儿dna、pcr产物dna、染色体dna、mrna、总rna、微rna、病毒rna或dna、细菌rna或dna、质粒dna等)的纯化。核酸以及缩氨酸和蛋白质可源自各种生物来源，例如，全血、血浆、血清、血沉棕黄层、骨髓、羊水、脊髓液、其他体液(例如，唾液、鼻涕、脸颊液、阴道液体或咽喉擦拭液)、毛囊、粪便、尿液、组织、新鲜或冷冻样品、福尔马林固定石蜡包埋(ffpe)样品和植物样品。用颗粒磁性材料纯化的核酸可用于各种应用，例如，(非侵入性)产前筛查、癌症检测、病毒或细菌检测/诊断、献血者筛查、器官供体匹配、遗传疾病的染色体疾病研究、家系检验、种族检测、人类白血病抗原(hla)检测、农业或遗传/基因组/表观遗传学研究。吸附到磁性颗粒表面的缩氨酸或蛋白质可用于elisa或化学发光化验的靶向分子。除非上下文另外清楚地说明，否则，本文所用的单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数指代。因此，例如，提到的一个“磁性颗粒”包括具有两个或更多个此类“磁性颗粒”的例子，除非文中另行明确指明。术语“包括”或“包含”表示包括但不限于，即内含而非排它。“任选的”或“任选地”指的是随后描述的事件、情况或组分可能发生或可能不发生，描述内容包括事件、情况或组分发生的场合以及事件、情况或组分没有发生的场合。本文中，范围可以表示为从“约”一个具体值和/或到“约”另一个具体值的范围。当表述这种范围时，例子包括自某一具体值始和/或至另一具体值止。类似地，当使用先行词“约”表示数值为近似值时，应理解，具体数值构成另一个方面。还应理解的是，每个范围的端点值在与另一个端点值有关和与另一个端点值无关时，都是有意义的。除非另有表述，否则都不旨在将本文所述的任意方法理解为需要使其步骤以具体顺序进行。因此，当方法权利要求实际上没有陈述为其步骤遵循一定的顺序或者其没有在权利要求书或说明书中以任意其他方式具体表示步骤限于具体的顺序，都不旨在暗示该任意特定顺序。在任一项权利要求中所述的任意单个或多个特征或方面可以结合或与任一项或多项其它权利要求中所述的任意其它特征或方面结合或置换。还要注意本文关于将部件“构造成”或“使其适于”以特定的方式起作用的描述。这方面而言，对这样一个组件进行“配置成”或“使其适于”是为了具体表现特定的性质，或者以特定的方式起作用，其这样的描述是结构性的描述，而不是对预期应用的描述。更具体地，本文所述的将组件“构造成”或“使其适于”的方式表示该组分现有的物理条件，因此可以将其看作该组件的结构特征的限定性描述。虽然会用过渡语“包括”来公开特定实施方式的各种特征、元素或步骤，但是应理解的是，这暗示了包括可采用过渡语由“......构成”、“基本由......构成”描述在内的替代实施方式。因此，例如，所示的包含磁性芯和聚合物壳的纳米颗粒的替代实施方式包括了纳米颗粒由磁性芯和聚合物壳构成的实施方式以及纳米颗粒基本由磁性芯和聚合物壳构成的实施方式。对本领域的技术人员而言，显而易见的是，可以在不偏离本公开的范围和精神的情况下对本发明技术进行各种修改和变动。因为本领域的技术人员可以想到所述实施方式的融合了本发明技术的精神和实质的各种改良组合、子项组合和变化，应认为本发明技术包括所附权利要求书范围内的全部内容及其等同内容。当前第1页12