微波辅助合成磁性及二氧化硅包覆磁性纳米粒子用于有效提取核酸

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Microwave-assited synthesis of magnetic and silica-coated magnetic nanoparticles for effective nucleic acids extraction

　　

## 摘要

本研究评估了微波辅助（MW）合成作为常规共沉淀法的快速、节能替代方案，用于制备磁性纳米颗粒（MNPs）和二氧化硅包覆磁性纳米颗粒（MNPs@SiO?）以提取核酸（DNA/RNA）的可行性。在100°C的水溶液中，仅需一分钟的反应时间即可合成出高度结晶的氧化铁纳米颗粒。结构表征确认其具有立方尖晶石结构，且磁性核心结晶良好。磁测量结果表明，随着二氧化硅含量的增加，饱和磁化强度逐渐降低，这归因于非磁性SiO?壳层对磁性相的稀释作用，以及伴随的颗粒团聚减少导致的颗粒间磁相互作用减弱。我们将微波合成的SiO?包覆磁性纳米颗粒（MW-MNPs@SiO?）应用于核酸纯化方案中，证实其保留了有效的磁性响应以实现高效回收，并且核酸提取产率几乎是其他合成策略所获材料的两倍。这些结果表明，微波辅助合成提供了一种经济高效、可重复且环境可持续的途径，用于制备具有优化性能的磁性纳米颗粒，适用于核酸纯化及相关生物技术应用。

## 引言

简单、稳健且通用的核酸纯化方法的开发仍然是分子生物学、生物技术和临床诊断中的核心技术挑战[1]。可靠的DNA和RNA提取是广泛下游分子分析的前提条件，包括聚合酶链式反应（PCR）、定量RT-PCR、测序和基因表达分析等，这些分析的灵敏度和准确性严重依赖于纯化核酸的质量和产量[2]。除人类诊断外，兽医诊断、用于生物多样性监测的环境DNA（eDNA）分析、环境样品中微生物或耐药基因的检测、农业生物技术、食品安全检测以及流行病学监测等多种场景对高效核酸纯化的需求也在不断增加[3]、[4]、[5]。这些领域对分子检测日益增长的需求突显了纯化方法不仅需要高效，还需能够适应不同样本类型和实验室基础设施的要求。

尽管扩增和测序技术高度标准化，核酸纯化仍然是决定检测灵敏度、可重复性和整体分析性能的瓶颈步骤[6]。近年来分子检测的全球扩展进一步强调了可扩展、经济高效的提取策略的重要性，这些策略需要在实验室和分散化条件下均可运行[7]。

大多数商业提取试剂盒依赖于硅胶离心柱技术。虽然有效，但这些系统相对昂贵、劳动密集，且依赖专用仪器如冷藏离心机，这限制了工作流程的灵活性，并在低基础设施环境中制约了自动化部署[8]。为克服这些局限，基于磁珠（MB）技术的替代策略已被开发[9]。在这些系统中，核酸结合、洗涤和洗脱步骤在外部磁场固定的情况下进行，消除了离心步骤，并实现了简单操作、可扩展性和与自动化工作流程的集成[10]。因此，基于磁珠的方法既兼容高通量实验室平台，也适用于便携式或分散化检测方案。多种商业磁系统已在原核和真核样本（包括临床和研究应用）的DNA和RNA纯化中展现出优异性能[11]。在此基础上，Capriotti等人（2024）报告了一种基于二氧化硅包覆磁性纳米颗粒（MNPs@SiO?）的简化RNA提取方案，在极少实验室基础设施条件下从培养细胞和临床样本中实现了高效纯化，并实现了全流程自动化[12]。

MNPs@SiO?在核酸提取中的功能性能与其结构和磁性特性密切相关。核心结晶度、颗粒尺寸、团聚状态、表面化学、壳层厚度和磁性响应等参数共同决定了吸附效率和磁性可操纵性[13]。共沉淀法已被广泛用于合成适合二氧化硅包覆及后续功能化的Fe?O?核心，产生兼容分子生物学工作流程的核壳结构。然而，对二氧化硅壳层形貌、团聚状态和表面化学的可重复控制仍然具有挑战性。这些参数的控制不足可能会降低核酸结合能力、促进二次团聚，或因残余盐或局部氧化导致磁性退化[14]。

二氧化硅包覆的磁性纳米颗粒已在复杂生物基质中提取基因组DNA和RNA方面展现出高效性能[10]、[11]。在这些系统中，二氧化硅壳层的组成和结构强烈影响核酸吸附、洗涤效率和洗脱性能，突显了能够精确控制壳层形成和颗粒团聚的合成策略的重要性[13]。

在此背景下，微波（MW）辅助合成已成为制备磁性纳米材料和核壳结构的有前景的替代途径。微波辐照提供快速且均匀的体积加热，促进快速成核和可控颗粒生长，同时将反应时间从数小时缩短至数分钟[15]。此前的研究已探索了MW辅助制备二氧化硅包覆磁性颗粒；然而，这些方法通常涉及中间干燥和再分散步骤、冗长的包覆程序、使用商品化磁性核心，或基于有机介质中烷氧基硅烷的二氧化硅沉积。这些要求增加了程序复杂性，并可能限制可扩展性和常规实验室环境的实施[16]、[17]、[18]。MW辅助硅烷化也被报道可改善壳层形成控制和减少二次团聚，尽管其对磁相互作用和功能性能的影响尚未得到系统研究。此外，MW辅助硅烷化已被报道可减少二次团聚并改善对二氧化硅壳层厚度、孔隙率和表面官能团密度的控制——这些参数直接关联核酸吸附能力、洗涤效率和洗脱产量[19]。重要的是，结构控制的改善必须在不妨碍磁性响应的前提下实现，因为这对于纯化工作流程中高效的磁性操作至关重要。

本工作的目的是评估微波辅助合成作为制备用于核酸纯化的二氧化硅包覆磁珠的替代途径。我们系统研究了合成条件和二氧化硅含量如何影响微波合成磁珠的结构、团聚、磁性和功能特性。通过结合X射线衍射、透射电子显微镜、聚集体尺寸分析、磁强计测量、磁力测量和核酸提取试验，我们将核心结构、团聚状态和磁性响应与纯化性能相关联。功能验证使用两个生物系统——Hella细胞或果蝇（*Drosophila melanogaster*）——在代表性实验室条件下评估DNA和RNA纯化效率。微波合成磁珠的性能与通过常规共沉淀法获得的磁珠（先前由Capriotti等人于2024年报道）进行了直接比较。我们的结果表明，微波辅助合成是一种经济高效且具有结构可控性的策略，可改善MNPs@SiO?系统在研究、环境和诊断应用中核酸纯化的性能。

## 化学品和试剂

FeCl?·4H?O（分析纯）和FeCl?·6H?O（99.7%）盐分别购自Anedra（Research-AG）和Supelco（Merck）。偏硅酸钠（ACS试剂级）购自ICN Biomedicals Inc。氢氧化铵（NH?OH，25% wt）购自Ciccarelli。绝对乙醇（≥99.5% V/V）和异丙醇（目录编号：2000971600）购自Biopack。实验使用超纯水（EMD Millipore，美国）进行。

## 微波辅助合成系统

微波辅助合成装置由以下部分组成：

## TEM和FTIR分析

采用透射电子显微镜（TEM）评估不同长度尺度下氧化铁纳米颗粒的团聚状态、一次颗粒尺寸和结构组织，比较未包覆的磁性核心（MW-NP1）和二氧化硅包覆颗粒（MW-Si-40）。

MW-NP1和MW-Si-40的低倍TEM图像分别如图2a和2b所示。在这两种体系中，纳米颗粒并非完全分散，而是组装成横向尺寸为数十纳米的团簇。

## 讨论与结论

综合结构、磁性、胶体和功能特性研究结果，提供了一个全面的框架来阐述微波辅助处理的氧化铁纳米颗粒与反应器基材料相比，二氧化硅包覆如何调节其特性和性能。X射线衍射确认所有样品，无论是裸露的还是SiO?包覆的，均结晶为氧化铁特征的立方反尖晶石结构。由于磁铁矿（Fe?O?）和磁赤铁矿（γ-Fe?O?）表现出非常相似的...

## 补充材料

支持信息：表S1：MW-Si-20、MW-Si-40和MW-Si-60样品从ADT衍生的体积加权聚集体尺寸分布的多对数正态拟合参数。参数μ、σ和A分别对应每个对数正态群体的众数、宽度和相对贡献。图S1：本研究中使用作为基准材料的常规合成二氧化硅包覆磁珠（MMPs）的代表性SEM图像，引自Capriotti等人。

## CRediT作者贡献声明

O. Vázquez-Robaina：撰写–审阅与编辑，撰写–原稿，验证，方法学，调查，形式化分析，数据管理，概念构思。C. Otonelo：撰写–审阅与编辑，方法学，调查，形式化分析。E. De Sousa：撰写–审阅与编辑，方法学，调查。G.A. Pasquevich：撰写–审阅与编辑，方法学，调查。C. Layana：撰写–审阅与编辑，指导，方法学，调查，形式化分析。P.

## 资金

本工作得到国家科学技术研究委员会（CONICET，资助号PIP 11220210100751CO）、国家研究与技术发展及创新促进局（Agencia I+D+I，资助号PICT-2020-SERIEA-00865）、拉普拉塔国立大学（UNLP，资助号11/X953）以及通过提案IMBUIA-Micro-20241605关联的资金支持获得巴西同步辐射光实验室（LNLS）资助。文章处理费（APC）未...

## 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报道工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

本工作得到CONICET（PIP 11220210100751CO）、AGENCIA I+D+I（PICT-2020-SERIEA-00865/PICT-2021-SERIEA-0034）和UNLP（11/X953）资助的资助。作者对LNLS为执行提案IMBUIA-Micro-20241605提供的资金支持深表感激。

O. Vázquez-Robaina|C. Otonelo|E. De Sousa|G.A. Pasquevich|C. Layana|P. Mendoza-Zélis|S. Ons|C.E. Rodríguez-Torres

IFLP-CCT-拉普拉塔-CONICET 和 拉普拉塔国立大学理学院物理系，Diag, 113 entre 63 y 64, La Plata, 阿根廷