高性能合成反铁磁纳米磁盘设计及其在磁分离技术中的突破性应用

（编辑推荐）本研究通过微磁模拟优化设计并规模化制备了CoSm基合成反铁磁纳米磁盘（SAF MDPs），其独特的零场无磁化、外加磁场高磁化特性（>99%分离效率）显著优于传统氧化铁珠（60%），为临床和工业级高通量靶标捕获与富集提供了革命性解决方案。

　　

摘要

磁性分离技术因其快速特异性捕获能力在生物医学领域备受关注。传统超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）存在零场胶体稳定性与磁场响应性的矛盾，而本研究通过溅射沉积技术构建的合成反铁磁纳米磁盘（SAF MDPs）突破了这一局限。CoSm基双层磁体通过AlZr间隔层实现反铁磁耦合，在500 nm直径下实现零场零磁矩与外加磁场（30 mT）下的高磁化强度（1354 kA/m）切换，微磁模拟证实其"开关式"磁响应行为源于20 kJ/m³的单轴各向异性优化。

1 引言

磁性分离在循环肿瘤细胞检测（CellSearch^TM）和脓毒症血液净化（hemotune AG）等应用中面临核心挑战：氧化铁颗粒的低饱和磁化强度（≈480 kA/m）与尺寸限制导致分离效率不足。SAF MDPs通过拓扑结构设计，将高磁体积比（64% Co含量）与表面功能化能力结合，其磁盘形态（直径500 nm/厚度50 nm）较球形supraparticles（如Adembeads）具有更优的磁力-粘滞力比（∝r²·t vs r³）。

2 结果与讨论

2.1 微磁模拟

通过Landau-Lifshitz-Gilbert方程模拟发现：6 nm厚Co₉₇Sm₃层（K_u=20 kJ/m³）在63 mT场强下呈现陡峭的AF→F态转变（图1a），而厚度>8 nm时出现磁畴导致磁滞（图1c）。关键参数优化显示，各向异性每降低5 kJ/m³，切换场宽增加200%。

2.2 平面内单轴各向异性实现

场辅助溅射（40 mT）制备的7 nm CoSm薄膜通过Kerr显微镜测得19.6 kJ/m³各向异性（图2），Sm含量从4%降至3%时各向异性降低35%，与模拟结果高度吻合。

2.3 可扩展制造

纳米球光刻技术（图3）以660 nm PS微球为掩模，经O₂等离子体刻蚀后Ar离子铣削，单片晶圆产率达130 μg（66%理论值）。STEM-EDXS证实多层结构（图4）：CoSm磁层间2 nm AlZr间隔层，顶部7 nm MgO牺牲层确保释放完整性。

2.4 稳定性与磁性能

ICP-MS检测显示未封装SAF MDPs在细胞培养基中24 h钴流失达30%（图6b），而20 nm SiO₂封装（TEOS水解）将流失率控制在<1.5%。VSM测试显示悬浮态SAF MDPs饱和磁化强度保持1354 kA/m（图5b），Halbach阵列磁体下实现99%流体分离效率（1 mL/min流速）。

2.5 表面功能化

XPS证实APTES修饰成功（图7），N 1s谱中399.5 eV（NH₂）与401.4 eV（NH₃⁺）峰证实氨基化表面，为后续生物偶联提供活性位点。

2.6 细胞相容性

THP-1巨噬细胞实验（图8）揭示：未封装SAF MDPs在1 μg/mL剂量即导致30%细胞活性下降（Co²⁺溶出所致），而SiO₂封装组在10 μg/mL仍保持100%活性。TEM显示MDPs被内化后定位于溶酶体，且保持结构完整性。

3 结论

SAF MDPs通过"磁矩开关"设计实现临床级分离性能，但细胞毒性研究提示体内应用需严格评估封装工艺。该工作为高流量磁分离诊断设备（如病原体快速检测）和体外治疗（如血液净化）树立了新标准。

4 实验方法

关键工艺包括：①场辅助溅射（2×10^-8 mbar本底真空）；②10 kDa超滤膜评估金属溶出；③ToF-SIMS深度剖析（25 keV Bi³⁺束）；④冷冻消磁法（液氮环境+5 Hz交变场）确保胶体稳定性。