锌铁氧体（ZnFe₂O₄）是一种典型的尖晶石铁氧体，其磁学性质与其它铁氧体有本质区别。

• 反铁磁性 (Antiferromagnetic): 这是块材ZnFe₂O₄最核心的特性。其晶体结构为正尖晶石，即非磁性的Zn²⁺离子占据四面体A位，而磁性的Fe³⁺离子占据八面体B位。B位上的Fe³⁺离子磁矩通过超交换作用反平行排列，导致其净磁矩几乎为零。因此，块材ZnFe₂O₄在低温下（奈尔温度~10 K）是一种反铁磁体，在室温下则表现为顺磁性。
• n型半导体: ZnFe₂O₄是一种n型半导体，其带隙约为1.9 eV，能够高效地吸收可见光。

当ZnFe₂O₄的尺寸缩小到纳米尺度时，其磁学和光学性质会发生显著变化。

• 从反铁磁性到亚铁磁性/超顺磁性的转变: 这是ZnFe₂O₄纳米粒子最重要的纳米效应。当尺寸缩小到纳米级别时，由于表面效应和阳离子混排，部分Zn²⁺和Fe³⁺离子会发生位置交换（即形成部分反式尖晶石结构）。这打破了完美的反铁磁耦合，导致其在室温下表现出显著的亚铁磁性。当尺寸进一步减小到单磁畴临界尺寸以下时，则会转变为超顺磁性。
• 优异的生物相容性: 铁和锌都是生命必需的微量元素。ZnFe₂O₄纳米颗粒在体内可以缓慢地代谢，进入人体的代谢循环。因此，它被认为是所有磁性纳米材料中生物相容性最好、安全性最高的材料之一。

对于ZnFe₂O₄纳米粒子，通过掺杂或与其它材料复合是进一步调控其磁学、催化和生物学功能的重要手段。

目标: 将其它二价或三价金属阳离子（如Mn²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Gd³⁺）引入ZnFe₂O₄的晶格中，以取代部分Zn²⁺或Fe³⁺的位置。

• 调控磁性: 掺杂不同的磁性离子可以精确地调控合金尖晶石铁氧体的饱和磁化强度、矫顽力和居里温度等磁学性能，以满足不同应用的需求。

目标: 利用ZnFe₂O₄的磁性核，在其表面包覆上功能性的壳层，构建多功能复合纳米颗粒。

• ZnFe₂O₄@SiO₂: 在ZnFe₂O₄核表面包覆一层二氧化硅壳。这层SiO₂壳可以：1) 极大地提高其化学稳定性；2) 提供一个化学惰性且易于功能化的表面，用于连接各种生物分子。

锌铁氧体（ZnFe₂O₄）纳米颗粒作为一种储量丰富、成本低廉、环境友好的半导体，在可见光催化领域展现出巨大的应用潜力。

这是ZnFe₂O₄最核心的催化应用，主要用于环境净化。

• 基本原理: 在可见光（能量 > 带隙宽度）照射下，ZnFe₂O₄价带的电子被激发到导带，产生高活性的电子-空穴对 (e⁻-h⁺)。
• 应用:
  • 降解有机污染物: 产生的高活性空穴和后续生成的活性氧物种（ROS）可以无选择性地将水体和空气中的染料等大分子有机物矿化。
  • 光解水制氢: ZnFe₂O₄的导带位置使其光生电子在热力学上足以将质子还原为氢气。
• 优势: 其~1.9 eV的窄带隙使其能够高效地利用太阳光谱中的可见光部分，这是宽带隙半导体（如TiO₂, ZnO）无法比拟的巨大优势。

利用其磁性，可以方便地将负载了其它催化剂的ZnFe₂O₄纳米颗粒从反应体系中回收。

超顺磁性锌铁氧体纳米颗粒（ZnFe₂O₄ NPs）是生物医学磁学应用的基石，特别是在磁共振成像（MRI）和生物磁分离领域。

这是ZnFe₂O₄ NPs最重要的临床应用潜力之一。

• T₁/T₂双模态造影剂: 这是ZnFe₂O₄ NPs相比于Fe₃O₄的独特优势。
  • T₂造影剂: 与Fe₃O₄类似，超顺磁性的ZnFe₂O₄ NPs能够极大地缩短质子的横向弛豫时间（T₂），产生负性（变暗）的对比度增强效果。
  • T₁造影剂: 由于其独特的电子结构，尺寸极小（正性（变亮）的对比度增强效果。
  这种双模态成像能力可以提供更丰富、更准确的诊断信息。

这是ZnFe₂O₄ NPs在体外诊断（IVD）和生物技术中最广泛的应用。

• 原理: 在ZnFe₂O₄ NPs表面修饰上特异性的生物识别分子（如抗体、链霉亲和素）。
• 应用: 将功能化的磁珠加入到复杂的生物样品中，它们会特异性地捕获目标分子。然后，只需用一个磁铁，即可轻松地将结合了目标的磁珠从混合物中分离出来，用于后续的纯化、富集和检测。

锌铁氧体纳米颗粒（ZnFe₂O₄ NPs）在治疗领域的核心应用是基于其独特的磁学性质，用于磁感应热疗（磁热疗）和磁靶向药物递送。

这是一种利用磁性纳米颗粒在交变磁场中产热来烧蚀癌细胞的物理治疗方法。

• 原理:
  1. 将超顺磁性的ZnFe₂O₄纳米颗粒通过静脉注射，使其在肿瘤部位富集。
  2. 将患者置于一个产生高频交变磁场（AMF）的设备中。
  3. 肿瘤内的ZnFe₂O₄纳米颗粒的磁矩会随着外磁场方向的快速变化而发生高速翻转。这种翻转弛豫过程（尼尔弛豫和布朗弛豫）会以热量的形式耗散能量。
  4. 产生的热量使肿瘤局部温度快速升高至42°C以上，从而选择性地、精准地烧蚀癌细胞。

锌铁氧体纳米粒子（ZnFe₂O₄ NPs）由于其由生物必需元素构成，普遍被认为具有良好的生物相容性和低毒性。

• “绿色”的元素组成: ZnFe₂O₄由生命必需的铁（Fe）、锌（Zn）和氧（O）元素组成。
• 可生物降解性: ZnFe₂O₄在生理环境中（特别是在细胞内酸性的溶酶体中）可以缓慢地降解，释放出的铁离子和锌离子可以进入人体正常的代谢循环。这极大地降低了其长期蓄积毒性的风险。

尽管ZnFe₂O₄总体上是安全的，但其生物安全性仍需根据具体情况进行评估。

• 金属离子过载: 如果注射的剂量过高，超出机体的代谢能力，过量的铁离子和锌离子会诱导氧化应激，导致肝损伤等。
• 表面化学: 未经修饰的ZnFe₂O₄ NPs容易在生理盐溶液中团聚。通过聚合物（如葡聚糖、PEG）进行表面修饰是保证其生物安全性的关键。

高质量、尺寸均一的ZnFe₂O₄纳米粒子的合成方法非常成熟，主要包括共沉淀法、水热法和热分解法。

这是制备水溶性ZnFe₂O₄纳米粒子最常用、最简便、成本最低的方法。

• 原理:
  1. 反应体系: 在水溶液中，将二价锌盐（ZnCl₂）和三价铁盐（FeCl₃）按照1:2的摩尔比预先混合。
  2. 快速沉淀: 在剧烈搅拌和惰性气氛保护下，快速地向混合盐溶液中滴加一种碱（最常用的是氨水, NH₃·H₂O或NaOH），将pH值快速调至碱性。
  3. 共沉淀: Zn²⁺和Fe³⁺离子会同时被沉淀，并直接生成黑色的ZnFe₂O₄纳米粒子。
• 优势: 这种方法极其简单、快速、成本极低、易于大规模生产。但其尺寸分布通常较宽。

将锌和铁的前驱体在水或有机溶剂中，置于高压反应釜内，在一定温度下（通常150-250 °C）加热数小时。这种方法可以获得结晶性更好、形貌更可控的ZnFe₂O₄纳米粒子。

这是制备高质量、单分散油溶性ZnFe₂O₄纳米粒子的金标准方法。在高温有机溶剂中，通过共热分解有机金属锌前驱体（如Zn(acac)₂）和铁前驱体（如Fe(acac)₃）。

对锌铁氧体纳米粒子（ZnFe₂O₄ NPs）的精确表征是评估其磁学和生物学性能的关键。对其磁学性质和晶体结构的表征尤为重要。

• 磁滞回线: 使用振动样品磁强计（VSM）或超导量子干涉仪（SQUID）测量样品的磁滞回线，是表征其磁学性能的金标准。
  • 饱和磁化强度 (Ms): 反映了材料的本征磁性强度。
  • 剩磁 (Mr) 和 矫顽力 (Hc): 如果Mr和Hc接近于零，则证明样品具有优异的超顺磁性。

• 形貌与尺寸: 透射电子显微镜 (TEM) 是直接观察ZnFe₂O₄ NPs尺寸、形貌和分散性的金标准。
• 晶体结构与物相: X射线衍射 (XRD) 是鉴定ZnFe₂O₄晶相的金标准技术。通过对比标准谱图（JCPDS No. 22-1012），可以确认产物是否为纯的尖晶石相ZnFe₂O₄。

锌铁氧体纳米粒子的表面工程是其实现所有生物医学应用的决定性步骤。其核心任务是提高其胶体稳定性和引入生物相容性/功能性涂层。

裸露的ZnFe₂O₄ NPs在生理环境中容易发生团聚和非特异性吸附。

• 聚合物包覆:
  • 葡聚糖 (Dextran): 是一种生物相容性极好的多糖，可以在ZnFe₂O₄表面形成一层亲水的保护层。
  • 聚乙二醇化 (PEGylation): 这是用于生物医学应用最重要的表面修饰。通过化学方法将聚乙二醇（PEG）链连接到ZnFe₂O₄ NPs表面。PEG层可以：1) 赋予其优异的生理环境稳定性；2) 有效“屏蔽”其表面，阻止蛋白吸附，躲避免疫系统清除，实现长循环。
• 二氧化硅包覆: 在ZnFe₂O₄核表面包覆一层二氧化硅（SiO₂）壳，可以在提供化学保护的同时，赋予其一个易于通过硅烷化学进行功能化的表面。

这是将ZnFe₂O₄ NPs与生物系统连接，实现靶向递送和传感的关键。

• 原理: 在其表面的保护层上（如葡聚糖、PEG、SiO₂）预留或引入活性官能团（如-COOH, -NH₂）。利用这些“化学手柄”，通过EDC/NHS化学等偶联反应，将抗体、多肽、核酸适配体等生物识别分子共价地连接上去，从而赋予ZnFe₂O₄ NPs主动靶向特定肿瘤细胞的能力。