1、生物磁珠具有的特点：① 超强的顺磁性：在磁场中能够迅速聚集，离开磁场后又能够有助于磁分离地均匀分散；② 具有合适的且差别较小的粒径：保证了足够强的磁响应性又不会沉降；③ 具有丰富的表面活性基团：便于和生化物质偶联，并在外磁场的作用下实现与被待测样品的分离。磁珠结构一般由磁性内核、包裹在外的高分子涂层及功能基层构成。2、生物磁珠的结构：① 内核：主要由纯金属(如钴、镍和铁)或其氧化物等磁性材料组成，此外还可采用CoPt3、FeCo和FePt等磁性材料。② 高分子涂层：材料一般为聚苯乙烯、聚氯乙烯，主要用于稳定新形成的磁珠表面和防止磁珠聚集。高分子涂层可以与多种活性物质结合，如抗原、抗体、核酸等。③ 功能基层：为确保偶联稳定性与捕获特异性，可选择化学修饰表面（羧基、氨基、羟基等）与生物修饰表面（链霉亲和素、抗体修饰等）。1）第一类：核-壳型结构。核为磁性纳米粒子，壳为高分子聚合物或无机纳米材料。如硅羟基磁珠表面为二氧化硅基质，内部包裹磁性纳米颗粒，表面修饰大量羟基基团，主要应用于核酸提取。2）第二类：夹层式结构。即内核为聚合物微球，第二层为磁性纳米颗粒，第三层为功能高分子聚合物涂层。比如片段筛选磁珠的最内层核心是聚苯乙稀微球、第二层包裹磁性物质Fe3O4，最外层表面是羧基修饰的高分子材料。表面修饰功能团多样，如羧基，氨基，N-羟基琥珀酰亚胺、protein A/G和链霉亲和素等，不同种类生物配体通过共价偶联到磁珠表面，应用于生物素捕获，免疫分析、细胞分选等。3）第三类：弥散型结构。磁性颗粒弥散地分布在聚合物的基体中而形成的磁性复合微球。多以天然琼脂糖为基质，由于其具有丰富的多孔结构，因此载量很高。将其表面修饰有羟基、氨基或羧基功能基团，可用于蛋白质的固定。表面亦可修饰为金属离子，GSH，Strep-Tactin，DEAE，protein A/G等，常用于蛋白分离纯化。
核酸作为一种生物大分子，之所以能够在水溶液中稳定分散不沉淀，是由于三种非共价作用力的存在：① 静电相互作用；② 范德华力；③ 氢键。核酸分子具有多个磷酸基团，呈现高度负电性，分子间互相排斥从而避免发生团聚。此外，核酸分子在水溶液中通过氢键与范德华力结合了大量的水分子在其周围，形成一个水化层，也阻止了分子间的聚集。因此，要使得核酸分子结合到磁珠表面，就必须削弱上述作用力，屏蔽溶液中的静电斥力，同时破坏核酸分子表面的水化层，使其能够与磁珠表面相接触，进而产生吸附。磁珠表面的硅羟基或羧基能够和溶液中的核酸通过氢键和静电作用发生特异性结合，因此可以直接从复杂生物体系中迅速分离核酸。表面修饰大量硅羟基，能在高盐、低pH条件下和溶液中的核酸通过疏水作用、氢键作用和静电作等发生特异性结合，而不与其它杂质(如蛋白)结合，可迅速从生物样品中分离核酸。磁珠法提取核酸和柱子回收核酸的原理差不多，不同的是大多数离心柱中吸附核酸的是一层硅胶膜，实际上就是一层玻璃纤维，其表面有大量修饰的硅羟基（Si-OH），硅羟基在溶液中解离后也带负电，然后与带正电盐离子、带负电的核酸分子形成电桥，从而吸附住核酸。使用硅羟基磁珠提取核酸时，通常需要高浓度的离液盐（NaI、NaClO4、GuHCl、GuSCN等）。高浓度的盐离子能够有效屏蔽溶液中的静电斥力。同时，离液盐离子还能竞争性地与磁珠表面以及核酸分子相结合，破坏二者表面原有的水化层，促进磁珠表面与核酸分子的吸附（氢键 范德华力）。羧基修饰磁珠除了能够像硅羟基磁珠一样在高浓度离液盐环境中结合核酸分子之外，还能通过向溶液中加入一定浓度的PEG和NaCl，促使核酸分子核酸分子聚集成小球状而吸附到磁珠上。一般来说，在离液盐体系，硅羟基修饰磁珠对核酸吸附效果相对较优；在PEG体系，羧基修饰磁珠对DNA和RNA吸附效果相对较好。3）核酸的自动化提取
2、核酸的纯化和分选
1）磁珠结合原理
商业化磁珠产品体系一般包含：磁珠、聚乙二醇（PEG）、盐离子等。DNA在一定浓度的PEG存在条件下，NaCl或MgCl2促进条件下，DNA分子构象会发生急剧变化，会暴露出磷酸骨架上大量的带负电荷的磷酸基团，与表面带负电荷的羧基修饰磁珠结合。带负电磷酸基团借由解离的盐离子（如Na ）与羧基形成离子桥，使DNA被特异性吸附到羧基磁珠表面。利用磁珠的磁性，可通过外加磁场进行收集洗脱。
PEG的作用：① PEG具有醇的化学性质，能破坏核酸分子的水化层，诱导核酸分子的聚合和沉淀；② 增加溶液的粘稠度，让磁珠保持悬浮不容易沉聚，在结合过程中更充分与DNA接触；③ PEG的DNA沉聚效果容易收到pH、温度等的影响；温度过低PEG也不易与水完全互溶，所以磁珠一般都要求室温平衡后再用，其储存buffer里也会加一些低浓度的pH稳定剂，如Tris-HCl等。① PEG和回收片段的关系：DNA越长，表面裸露出来带负电的磷酸基团越多，整条分子带的负电就更强，更容易吸附到磁珠，只需要较低浓度的PEG和NaCl，就可以回收；DNA越短，就需要更高浓度的PEG和NaCl，将其表面的水化层破坏得更彻底，裸露出来足够多带负电的磷酸基团，才能被磁珠吸附住，从而回收回来。所以如果想回收较短的DNA片段时，需要加入的磁珠体积更大。
② 乙醇清洗：DNA吸附上磁珠之后，会用75—85%的酒精去清洗体系中残留的盐离子。③ 盐桥被破坏而核酸继续保留在磁珠上的原因：i、乙醇保持了DNA的沉淀聚集状态（在这个浓度的酒精里核酸溶解度很低）；ii、DNA这个时候是聚集状态，磁珠刚好提供一个聚集的奇点，让DNA沉聚在其周围，所以绝大部分DNA不会掉下来。但酒精浓度很重要，一般都要求新鲜配制，浓度太低，体系中过多的水会将部分DNA从磁珠上溶解下来，造成DNA损失。具体使用多少浓度的酒精视情况而定，浓度越高，体系中水越少，清洗盐离子的能力减弱，但DNA的溶解度小，回收率高；酒精浓度越低，盐离子可以清洗得更干净，但DNA的回收率可能会收到影响。如果DNA片段较小（小于100bp），清洗推荐使用较高浓度的酒精，减少清洗时的损失，甚至可以在结合磁珠的时候就加入一定量的酒精，辅助DNA沉淀，以提高回收率。④ 核酸的洗脱：加入水或者TE buffer后，水重新包裹DNA形成水化层，带负电的DNA和磁珠之间相排斥，使其从磁珠上洗脱下来，溶解到溶液中。注意晾干时磁珠表面无光泽即可，过度干燥，体系失水过多，会导致磁珠DNA进一步聚集，最终DNA很难回溶到水中，影响回收率。不管双链DNA、单链DNA，还是RNA，都可以在溶液中解离出带负电的磷酸基团，因此都可以用磁珠进行纯化回收，但单链DNA和RNA都没办法进行片段大小筛选。双链DNA的二级结果一般是一条较稳定的线性双螺旋分子，在PEG的存在下，解离出来带负电的磷酸基团多少和其长度正相关，而RNA和单链DNA，二级结构比较复杂，导致其裸露出来的负电基团无法跟长度呈正相关，所以没办法像DNA那样进行片段筛选。
另外RNA和DNA在不同pH下稳定性不一样，所以纯化RNA的磁珠buffer中pH和纯化DNA的磁珠是不一样的。mRNA的分离富集是利用表面带有Oligo(dT)修饰的磁珠，通过杂交的原理，可以特异性结合带有PolyA尾的mRNA，从总RNA或组织细胞中特异性分离mRNA。样本中较多的杂质(比如多糖、蛋白质和长链DNA等)均会导致磁珠聚团，另外样本起始量过多，超过了磁珠的载量也会导致磁珠聚团，磁珠聚团会降低mRNA得率和纯度。靶向捕获测序是将靶标基因从整个基因组中分离、富集出来，然后使用高通量测序 (NGS) ，广泛应用于健康筛查、临床检测等，灵敏度非常高。目前靶向捕获测序主要是用液相捕获方法，携带生物素的探针与靶标区域互补杂交，然后结合到链霉亲和素磁珠上实现捕获，其他片段被洗脱掉，随后经变性将探针与目标片段分开，磁分离去除磁珠及结合在上的空探针，即完成目标区域的捕获。链霉亲和素磁珠是液相杂交捕获的重要原材料之一。链霉亲和素磁珠表面官能团为链霉亲和素，可以特异性地结合生物素或生物素标记分子，进而分离生物素化分子。链霉亲和素起源于链霉菌属，是由Streptomyces avidin菌在培养过程中分泌的一种蛋白质产物，SA也可通过基因工程手段生产。一分子链霉亲和素结合四分子生物素，二者之间的相互作用是自然界已知最强的非共价结合力之一。磁珠表面通过外部修饰的功能基团结合活性蛋白，作为抗原抗体反应的载体。复合物具有强磁响应性，在磁力的作用下定向移动，使复合物与液体中其他物质分离，达到分离、浓缩、纯化特异性蛋白的目的。磁珠还可通过极性现象来检测表面分子、判断细胞类型，可用于激素、神经递质、细胞因子、肿瘤相关抗原等物质的检测。磁珠作用方式分为直接作用和间接作用两种，直接作用是用抗体/抗原包被磁珠直接与特异性抗原/抗体物质结合后，形成磁珠免疫复合物。间接作用是用二抗包被磁珠，抗原与抗进行孵育， 再加入二抗偶联的磁珠，形成磁珠-二抗一抗抗原复合物。主要的使用技术包括化学发光免疫分析技术(CLIA)、微流控磁敏免疫分析技术(MIA)、荧光免疫分析技术(IFA)等，广泛用于POCT实时检测。直接检测发光材料的发光性质，最终计算蛋白/抗原数量，在临床应用中推广迅速，已经成为免疫诊断的主导技术。主要使用1-3um粒径的羧基磁珠，少量使用氨基磁珠和链霉亲和素磁珠。MIA结合微流控芯片技术，采用磁敏传感器技术，用磁珠捕捉待测蛋白抗体并固定在芯片上，直接检测对象是带磁性的磁珠本体数量，具有更高的精度以及更快的检测速度。MIA主要使用200nm的链霉亲和素磁珠，对磁珠的粒径均一性和稳定性有高要求。
荧光免疫分析技术(FIA)检测抗原/抗体，所用抗体载体多为无磁的纳米级别生物荧光微球，或者胶体金，检测速度极快，且是傻瓜式操作，几个小时甚至十几分钟即可获得结果，技术成本比CLIA更低。
免疫沉淀 (IP) 是以抗体和抗原之间的专一性作用为基础的用于研究蛋白质相互作用的经典方法。将一种蛋白质视作抗原，利用已知的该蛋白的抗体将其从混合体系中沉淀分离下来，达到初步提取纯化的效果，是用来分离和检测特定蛋白质的一种方法。主要使用Protein A/Protein G磁珠；链霉亲和素磁珠也是一种选择，只需在免疫沉淀之前对抗体进行生物素化处理，再使用链霉亲和素磁珠进行分离纯化。磁珠细胞分选技术（MACS）是基于细胞表面抗原与连接有磁珠的特异性单抗相结合，在外加磁场的作用下将磁珠标记的细胞与其它细胞分离，从而实现目的细胞的富集和纯化。
磁转染技术是一种新颖、简单且高效的转染细胞的方法。此技术将磁性颗粒和某些生物大分子通过化学共价键或物理粘附作用相结合，形成具有磁响应性的微粒。然后通过磁性微粒的表面基团与传统的病毒或非病毒载体耦联，再与目的基因相结合，构成载附基因的磁性微球。在外加梯度磁场的作用下，磁性微球会随着磁场力的导向集中于靶位器官或组织。在细胞的胞吞作用下，磁性微球进入细胞内，目的基因释放。10、其他还有用荧光磁珠进行组织免疫染色；细菌、病毒的分离等。
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