核心-壳层结构的TiO?@SiO?/TiO?@Fe?O?@SiO?花状微球，用于微量DNA的提取

《Surfaces and Interfaces》：Core-Shell Structured TiO 2@SiO 2/TiO 2@Fe 3O 4@SiO 2 Flower-Like Microspheres for Trace DNA Extraction

DNA提取效率提升研究：通过水热法合成具有高比表面积（95.07/68.84 m2/g）和磁响应特性的TiO?@Fe?O?花状微球，经SiO?包覆形成核壳结构材料，优化退火温度（850℃）、反应体积（30 μL）及吸附剂（M48），DNA吸附率达90.9%/87.2%，成功应用于PCR-STR检测，为刑侦证据快速鉴定提供新方案。

　　

张健|宁书华|王青山|李胜斌|冯双龙|刘少翔

中国西安交通大学国家卫生健康委员会法医学重点实验室，西安710061

摘要

DNA是现代警务技术中的重要物证，为案件调查提供了更科学、更准确的方法，提高了效率与成功率。然而，高效微量DNA提取仍然是一个巨大的挑战。本文采用水热法制备了具有高比表面积的独特TiO₂/TiO₂@Fe₃O₄花状微球。随后，这些微球表面涂覆SiO₂以用于DNA提取，形成了核壳结构的TiO₂@SiO₂/TiO₂@Fe₃O₄@SiO₂。系统测试表明，该材料具有超高的热稳定性。含有0.5克Fe₃O₄的TiO₂@SiO₂/TiO₂@Fe₃O₄@SiO₂的比表面积分别为95.07和68.84平方米/克，饱和磁化值为24.35埃姆/克。此外，持续优化了TiO₂@SiO₂/TiO₂@Fe₃O₄@SiO₂基质中的DNA吸附条件，包括退火温度、体积、退火时间和吸附剂。TiO₂@SiO₂/TiO₂@Fe₃O₄@SiO₂的DNA吸附率分别高达90.9%和87.2%，显示出优异的吸附性能。重要的是，基于TiO₂@SiO₂/TiO₂@Fe₃O₄@SiO₂的DNA吸附机制是通过Si-OH基团直接与DNA结合的。进一步地，提取的微量DNA成功进行了聚合酶链反应-短串联重复序列（PCR-STR）检测，这有助于快速识别和解决案件，提升社会幸福感和稳定性。

引言

脱氧核糖核酸（DNA）在现代刑事调查技术和法医学中得到广泛应用，用于身份识别、亲缘关系鉴定、数据库构建以及证据链的建立[[1], [2], [3], [4]]。众所周知，高质量和高效的DNA提取对于后续的聚合酶链反应-短串联重复序列（PCR-STR）检测至关重要，以满足实际应用需求[5]。在DNA提取方法中，Si和磁珠是实验室中最常用的DNA纯化方法[1,6]。例如，Wang及其同事在2024年制备了多层核壳结构的Fe₃O₄@SiO₂@InGaO@SiO₂微球，通过引入InGaO纳米点将其比表面积提高到16.3平方米/克，并实现了83.1%的DNA吸附率[2]。但由于固体微球结构的限制，其比表面积小于多孔微球。多孔微球结构具有更大的比表面积，从而为DNA吸附提供了丰富的活性位点。因此，设计具有高比表面积和稳定性的独特结构对于微量DNA提取至关重要。

低维纳米材料，如0D量子点、1D纳米线和2D石墨烯，因其良好的导电性、优异的生物相容性、大的表面积、高化学稳定性和低毒性而被选为DNA提取和检测的候选材料[[7], [8], [9], [10]]。具有多种表面形态的纳米/微米级二氧化钛（TiO₂）正在被探索用于催化、光电子学、能源和生物应用，为满足各种需求奠定了坚实的基础[[11], [12], [13], [14]]。例如，Yao等人于2019年合成了TiO₂纳米线，作为有效的DNA快速荧光检测平台，表现出良好的生物传感性能[15]。Jafari及其同事在2020年总结了TiO₂与纳米管和纳米线在光电化学生物传感中的应用，提高了目标物的检测效率[16]。最近，Fang等人回顾了TiO₂纳米结构在紫外光探测器中的应用，作为宽禁带半导体材料[17]。这些例子均展示了TiO₂材料的应用广泛性、丰富的合成方法和可设计性。在生物DNA领域[18]，具有高化学热稳定性的TiO₂成为研究热点。同时，Fe₃O₄和SiO₂也被用于DNA提取，利用Fe₃O₄的磁分离性质以及SiO₂的生物相容性和表面功能化便捷性。结合TiO₂、Fe₃O₄和SiO₂的这些优异性质，可以创建一个协同平台，在系统优化参数后实现高效的DNA吸附。

在本研究中，采用水热法制备了不同Fe₃O₄含量的TiO₂和TiO₂@Fe₃O₄（TiO₂/TiO₂@Fe₃O₄）微球，这些微球具有高比表面积（>50平方米/克）和热稳定性。微球直径范围为0.5至2微米，Fe/Ti的最大原子比为11.1at%，饱和磁化值为31.50埃姆/克。经过SiO₂涂层后，TiO₂/TiO₂@Fe₃O₄微球转变为TiO₂@SiO₂和TiO₂@Fe₃O₄@SiO₂（TiO₂@SiO₂/TiO₂@Fe₃O₄@SiO₂），用于DNA提取。TiO₂@SiO₂@Fe₃O₄@SiO₂微球的比表面积（95.07/68.84平方米/克）和磁性质（0/24.35埃姆/克）有所下降，但仍优于商业磁珠和Fe₃O₄@SiO₂@InGaO@SiO₂。此外，通过优化退火温度、退火时间、体积（质量）和DNA吸附剂，提高了TiO₂@SiO₂@Fe₃O₄@SiO₂微球的DNA吸附率。在空气中850°C下退火40分钟后，使用M48吸附剂时，最大DNA吸附率分别为90.9%和87.2%。进一步地，通过傅里叶变换红外（FTIR）光谱研究了DNA提取机制，有助于理解DNA提取过程中的界面相互作用。结果表明其具有优异的吸附性能，有利于高质量和高效的DNA提取，为快速破案提供直接物证。

部分内容

使用水热法制备花状TiO₂和TiO₂@Fe₃O₄微球

根据文献并稍作修改，使用8.3毫升N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和25毫升丙醇（IPA）加入50毫升烧杯中。随后加入0.83毫升四丁基钛酸盐（TBOT），并用超声波充分混合10分钟。然后将上述溶液转移到50毫升聚四氟乙烯内衬的水热高压釜中，在180°C下加热24小时。反应完成后，混合物

结果与讨论

如图1a所示，采用水热法制备了TiO₂和TiO₂@Fe₃O₄（TiO₂/TiO₂@Fe₃O₄）微球。生长温度设为180°C，生长时间为24小时。图1b显示了TiO₂花状微球的扫描电子显微镜（SEM）图像。重要的是，花状结构比固体球体具有更高的比表面积，提供了更多的催化或吸附活性位点。同样，不同Fe₃O₄含量（0.15/0.3/0.5克）的TiO₂@Fe₃O₄微球也表现出

结论

总结来说，采用水热法制备了TiO₂/TiO₂@Fe₃O₄花状微球，其直径主要为1微米。TiO₂/TiO₂@Fe₃O₄微球的比表面积分别为117.32和103.66平方米/克，最大饱和磁化值为31.50埃姆/克，Fe/Ti比为11.1at%。经过SiO₂涂层后，具有高热稳定性的TiO₂@SiO₂@Fe₃O₄@SiO₂的比表面积和磁性质分别为95.07/68.84平方米/克和0/24.35埃姆/克

数据可用性

数据可应要求提供。

作者贡献

张健和刘少翔：概念构思、数据管理、形式分析、方法学、初稿撰写。王青山和李胜斌：方法学、形式分析。宁书华、冯双龙和刘少翔

CRediT作者贡献声明

张健：初稿撰写、方法学、形式分析、数据管理、概念构思。宁书华：审稿与编辑、监督、资源获取。王青山：方法学、形式分析。李胜斌：方法学、形式分析。冯双龙：审稿与编辑、监督、资源获取。刘少翔：审稿与编辑、初稿撰写、资源获取、方法学、资金筹措、形式分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了重庆市技术创新与应用发展重点专项（CSTB2024TIAD-KPX0109）、公安部法医学遗传学重点实验室（2019CSEEKFKT01）以及CPSF博士后奖学金计划（资助编号GZC20250556）的支持。