磁弛豫生物傳感器在食品安全快速檢測中的應用研究進展

董永貞，吳紫荊，王知龍，陳翊平

華中農(nóng)業(yè)大學食品科學技術(shù)學院，武漢 430070

傳統(tǒng)的檢測方法大多依賴于精密儀器，雖然測定準確、靈敏度高，但儀器價格高、難以便攜、操作復雜，從而限制了其在現(xiàn)場檢測中的應用[1-2]。因此，越來越多的科研工作者致力于研究快速、便捷、簡單的檢測手段，以期能夠有效監(jiān)測食品安全問題以及實現(xiàn)臨床早期診斷，快速檢測技術(shù)應運而生。

近年來，各種快速檢測技術(shù)被報道，其中生物傳感器備受關(guān)注。生物傳感器是一種由物理、化學、生物等多學科交叉融合而發(fā)展起來的高新檢測技術(shù)，主要通過生物分子識別元件(如抗體、酶、核酸等)識別目標物，然后利用信號轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為光、電、磁等易于捕獲識別的信號，進而實現(xiàn)目標物簡易高效分析的方法。因其檢測快速、自動化程度高、易于操作，生物傳感器已經(jīng)在生物化學分析、食品安全檢測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到了廣泛應用，主要包括電化學生物傳感器、光學生物傳感器等[3-5]，但這些生物傳感器大多仍然受到精密儀器、檢測經(jīng)濟性、樣品基質(zhì)干擾等方面的影響，其性能在快速檢測方面尚需進一步提高。磁弛豫(magnetic relaxation switching,MRS)生物傳感器是近年來多次被報道的生物傳感技術(shù)之一。MRS傳感器是以磁弛豫時間作為讀出信號，進行目標物定性定量的快速檢測技術(shù)，具有檢測快速、操作簡單、信噪比高、易于實現(xiàn)現(xiàn)場檢測等優(yōu)點，是快速檢測領(lǐng)域最受關(guān)注的研究方向之一。本研究圍繞MRS傳感器的傳感機制、研究進展、應用領(lǐng)域等方面進行了介紹，并對MRS傳感器的發(fā)展進行了展望，以期能夠促進快速檢測技術(shù)的進一步發(fā)展。

1 磁弛豫生物傳感器介紹

磁弛豫生物傳感器(MRS)的發(fā)展開始于磁納米顆粒介導的水分子弛豫時間縮短現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。在物理學上，弛豫指的是某種平衡狀態(tài)被破壞后，又恢復到平衡態(tài)的過程，用弛豫時間來衡量弛豫過程的快慢。在核磁共振中，弛豫過程分為縱向弛豫(又稱為自旋-晶格弛豫)和橫向弛豫(又稱為自旋-自旋弛豫)，分別用縱向弛豫時間(longitudinal relaxation time,T1)和橫向弛豫時間(transverse relaxation time,T2)進行衡量。2002年， Weissleder課題組[6]首次報道了磁弛豫現(xiàn)象，當超順磁納米顆粒(superparamagnetic nanoparticles,MNPs，簡稱為磁顆粒)在水溶液中的狀態(tài)(分散或聚集)發(fā)生變化時，能夠引起其局部磁場均勻性發(fā)生改變，形成非均勻局部磁場，而不均勻磁場可加快周圍水分子質(zhì)子的橫向弛豫速度，進而縮短橫向弛豫時間[7-11]。目前，磁弛豫時間傳感現(xiàn)象以及相應傳感器的開發(fā)仍是研究的熱點之一?；趯Υ懦谠鞲鞋F(xiàn)象的深入研究，各式各樣的MRS傳感器被開發(fā)和完善并廣泛應用于食品安全檢測、臨床診斷分析、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域[12-16](圖1)，配合便攜式的微型核磁共振儀，可實現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測。

圖1 磁弛豫生物傳感器分類及其應用

2 磁弛豫生物傳感器分類

2.1 磁顆粒介導的MRS

1)基于磁顆粒狀態(tài)改變的MRS。基于磁顆粒狀態(tài)改變的MRS的基本原理是將磁顆粒進行表面修飾，在其表面偶聯(lián)上給體/受體(例如抗原/抗體、生物素/鏈霉親和素、適配體等)，從而制備成特異性磁信號探針，在檢測分析過程中通過給體-受體的特異性識別作用導致其狀態(tài)由分散變成聚集，從而產(chǎn)生磁弛豫傳感現(xiàn)象(狀態(tài)的改變會影響局部磁場的均勻性，周圍水分子擴散經(jīng)過這些不均勻磁場時導致質(zhì)子橫向弛豫加速，縮短橫向弛豫時間(T2)[17-21]，其中，磁探針狀態(tài)改變的程度、T2的改變量均與樣品中目標物含量成正相關(guān)，從而達到定量定性檢測的目的。

Perez等[22]率先構(gòu)建了基于磁顆粒狀態(tài)改變的MRS免疫傳感器并用于與人類疾病密切相關(guān)的血清中皰疹病毒和腺病毒的快速靈敏檢測(圖2A)。該方法檢出限為5個病毒/10 μL血清(25%的蛋白)，并且由于無需PCR擴增過程，有效提高了檢測效率，具有快速、高靈敏等優(yōu)點。Kaittanis等[23]基于同樣的原理建立了檢測血清和牛奶中副結(jié)核鳥分枝桿菌(Mycobacteriumaviumspp.paratuberculosis,MAP)的磁免疫傳感方法，檢出限可達到15.5 CFUs(colony forming units，CFUs)，遠遠低于其他傳統(tǒng)方法。MRS免疫傳感器有以下幾個優(yōu)點：(a)分析速度快，因為磁顆粒的存在，檢測中可以通過磁分離而縮短分析時間；(b) 信噪比高，將磁顆粒作為磁信號探針，大多數(shù)樣品中的磁信號可以忽略不計，是一種均相免疫分析方法；(c) 特異性強，基于抗原與抗體的特異性結(jié)合，該方法具有良好的特異性；(d) 所需樣品量少。但傳統(tǒng)的MRS免疫傳感器由于是基于磁顆粒狀態(tài)的改變，磁信號只在一定范圍內(nèi)和目標物的濃度成正相關(guān)，檢測的線性范圍較窄。此外，由于磁顆粒的狀態(tài)改變?nèi)菀资艿綐悠坊|(zhì)等多因素的干擾，產(chǎn)生非特異性聚集，導致方法的穩(wěn)定性較差。

為解決傳統(tǒng)基于磁顆粒狀態(tài)MRS的局限性，科研工作者開展了大量的工作。其中，采用新型的磁顆粒聚集介導信號放大策略能夠有效提高生物傳感器性能。Chen等[24]構(gòu)建了一種基于磁/銀納米粒子自組裝的磁弛豫生物感應分析方法，并用于氯霉素(chloramphenicol,CAP)的高靈敏檢測。氯霉素是一種可以人工合成的廣譜性抗生素，濫用的CAP能夠通過食物鏈在人體富集，并產(chǎn)生細菌耐藥性、降低免疫力等嚴重危害[25]。我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部早在2003年第235號公告中就將CAP及其鹽、酯類列入禁用藥物，并明確規(guī)定在所有動物性食品中不得檢出CAP。該方法的原理是基于競爭性免疫反應，不同濃度的氯霉素競爭結(jié)合不同量的堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)標記的單克隆抗體(alkaline phosphatase-antibody,ALP-Ab)，ALP-Ab中的ALP能夠催化抗壞血酸酯去磷酸化，產(chǎn)生具有還原性的抗壞血酸鹽，進而將銀離子還原為銀納米顆粒，磁納米顆粒進一步在其表面組裝形成磁/銀納米粒子，使磁顆粒由原先的單分散狀態(tài)變?yōu)榫奂癄顟B(tài)，導致T2信號的變化，從而對目標物進行定量分析。在本方法中ALP的催化放大作用及銀顆粒引導的信號產(chǎn)生和讀出機制，有效提高了磁弛豫傳感器的靈敏度。與傳統(tǒng)MRS免疫傳感器相比，此傳感器的靈敏度提高了50倍，分析性能良好，在有害小分子檢測方面具有良好的潛力。

2)基于磁顆粒數(shù)量變化的MRS?；诖蓬w粒數(shù)量變化的MRS是一種新型的磁弛豫生物傳感分析方法。其基本原理是基于大小不同的磁顆粒在同一磁場中的分離速度的差異，將大粒徑的磁顆粒作為免疫磁分離的載體，小粒徑的磁顆粒作為磁信號探針，通過修飾有給體/受體的載體特異性識別修飾有受體/給體的磁顆粒，經(jīng)磁分離等操作后，使磁探針數(shù)量發(fā)生變化，從而實現(xiàn)生物傳感。相對于基于磁顆粒狀態(tài)改變MRS，該類型傳感器不需要誘導磁顆粒的聚集，有效提高了MRS的穩(wěn)定性。此外，T2信號對磁探針的濃度的改變更為敏感，具有更高的響應，有效提高了MRS傳感器的靈敏度。

圖2 磁顆粒介導的MRS生物傳感器

關(guān)于磁顆粒數(shù)量變化介導的MRS生物傳感器的研發(fā)，國內(nèi)外均有此方面的報道。Chen等[26]將磁分離(magnetic separation,MS)與MRS相結(jié)合，構(gòu)建了一種基于磁顆粒數(shù)量變化的MRS生物傳感平臺，并成功應用于致病菌與病毒的快速檢測(圖2B)。該方法主要基于大粒徑磁顆粒(250 nm磁顆粒，MNP250)與小粒徑磁顆粒(30 nm磁顆粒，MNP30)在小磁場(0.01 T)中具有不同的分離速度，MNP250由于具有高飽和磁化強度，能夠在1 min內(nèi)被0.01 T磁場快速分離，而MNP30由于飽和磁化強度較低，在相同條件下，60 min尚不能磁分離完全。Chen等[26]將MNP250作為磁分離的載體并偶聯(lián)捕獲抗體，將MNP30作為磁信號探針并偶聯(lián)檢測抗體，當目標物存在時，經(jīng)過特異性免疫反應能夠形成MNP250-目標物-MNP30雙抗夾心結(jié)構(gòu)。由于磁分離速度的不同，可以輕易地將MNP250-目標物-MNP30與反應體系中未反應的MNP30分離，從而獲得未反應的MNP30，對其進行T2信號測定，實現(xiàn)定量分析。該方法集樣品富集、提取、檢測一步完成，整個免疫分析過程能夠在30 min內(nèi)完成，操作簡單，靈敏度高，具有良好的快速檢測的潛力。此外，2013年，Chung等課題組[27]基于磁顆粒-DNA探針，結(jié)合分子雜交實驗，構(gòu)建了臨床樣品中致病菌的生物傳感器分析系統(tǒng)(圖2C)。此工作通過RT-PCR技術(shù)對所提取RNA的目標區(qū)域進行特異性擴增，得到大量的單鏈DNA，此DNA能夠被偶聯(lián)有寡核苷酸捕獲探針的聚合微球所捕獲，得到聚合微球-DNA，聚合微球-DNA進而與偶聯(lián)有檢測探針的磁顆粒(MNP)結(jié)合，得到聚合微球-DNA-MNP，由于大量MNP結(jié)合到聚合微球上，可顯著降低周圍水分子的T2值。該方法實現(xiàn)了三步信號擴增：(1)PCR擴增；(2) 聚合微球?qū)δ繕撕怂岱肿拥牟东@與富集；(3) 磁信號擴增。該方法穩(wěn)定快速，能夠在2 h內(nèi)同時診斷臨床標本中的13種細菌。更重要的是，其課題組所使用的微型核磁共振儀為快速檢測提供了有力的工具。Lu等[28]構(gòu)建了一種基于磁顆粒數(shù)量變化的MRS生物傳感方法，并將其用于微小RNA(MicroRNA,miRNA)的高靈敏定量分析(圖2D)。miRNA是一種小的、非編碼的RNA分子，由大約22個核苷酸組成，參與基因表達的轉(zhuǎn)錄和調(diào)控。miRNA的異常表達可能導致DNA擴增或易位，導致腫瘤增生或轉(zhuǎn)移，其快速準確檢測能夠為臨床診斷及癌癥治療提供重要的參考依據(jù)[29]。此工作組裝了一種“大磁顆粒-DNA-小磁顆?！?MM1000-DNA-MN30)磁探針，當目標miRNA存在時，雙鏈特異性核酸酶(DSN)能夠特異性切割通過雜交生成的DNA-RNA異源雙鏈核酸分子，從而引導miRNA和MN30的釋放，釋放的MN30通過不同粒徑磁顆粒分離速度的不同與磁探針進行分離，最后對上清液中MN30的進行定量分析。與傳統(tǒng)MRS相比，此方法能夠在目標物存在的情況下，直接釋放MN30，并將其作為信號源進行信號讀出，是一種信號打開的方式，穩(wěn)定性良好。此外，釋放的miRNA又可以作為目標物進行新一輪的雜交反應，釋放MN30，使得信號放大，顯著提高傳感方法的靈敏度，能夠?qū)崿F(xiàn)尿液樣品中miR-21高靈敏的一步檢測(5 fM)，在臨床即時診斷方向具有良好的應用前景。

3)磁顆粒狀態(tài)與數(shù)量同時變化的MRS。在檢測農(nóng)獸藥殘留等小分子有害物質(zhì)時，農(nóng)獸藥小分子通常只有1個可以和抗體特異性結(jié)合的位點，引起的磁信號改變微弱，導致傳統(tǒng)MRS靈敏度無法對小分子目標物實現(xiàn)痕量檢測。為了解決此問題， Zheng等[30]構(gòu)建了一種基于生物正交反應進行信號級聯(lián)放大，集磁顆粒狀態(tài)與數(shù)量變化于一體的MRS傳感平臺，并將其用于農(nóng)藥殘留毒死蜱的痕量分析。毒死蜱因其廣譜性，已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的有機磷殺蟲劑。然而，長期接觸有機磷農(nóng)藥會對人體神經(jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)造成損害，對人體健康構(gòu)成嚴重威脅[31]。在本方法中，毒死蜱分子會與MNP1000-BSA-毒死蜱競爭性結(jié)合二苯并環(huán)辛炔(DBCO)修飾的單克隆抗體(Ab-DBCO)，得到的“MNP1000-BSA-毒死蜱-Ab-DBCO”復合物上具有多個DBCO位點，能夠捕獲大量的azide-MNP30(DBCO能夠與疊氮化物(azide)發(fā)生生物正交反應)，通過磁分離效率的不同可得到未反應的azide-MNP30(磁顆粒數(shù)量變化)，通過加入生物交聯(lián)劑DBCO-PEG4-DBCO進一步誘導DBCO和疊氮化物基團之間的生物正交反應使分散的azide-MNP30聚集(磁顆粒狀態(tài)變化)。試驗結(jié)果表明，該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對毒死蜱0.1～1 000 ng/mL的定量檢測，檢出限為0.05 ng/mL。該傳感器的高效與高靈敏主要得益于：(1) 疊氮化物與DBCO的生物正交反應具有快速、高選擇性的特點，是實現(xiàn)信號放大而不引入交叉反應的重要手段，特別是在復雜樣品中；(2) 單一抗體對azide-MNP30顯示出多個DBCO位點，這將增大由單個靶標誘導MNP30的結(jié)合量，從而使信號放大；(3) 生物交聯(lián)劑DBCO-PEG4-DBCO誘導的azide-MNP30聚集，使傳感信號進一步放大。該傳感器通過生物正交反應將MNPs數(shù)量變化引起的信號放大與MNPs狀態(tài)變化引起的信號放大有機結(jié)合起來，實現(xiàn)磁信號的級聯(lián)放大，有效提高了生物傳感器的靈敏度和檢測范圍。

Wu等[32]利用堿性磷酸酶介導的點擊化學反應作為信號轉(zhuǎn)化與放大系統(tǒng)，構(gòu)建了雙重模式的MRS生物傳感器。該工作通過Cu+催化疊氮化物和炔的1,3-偶極環(huán)加成的點擊化學反應(CuAAC)誘導磁顆粒的狀態(tài)變化或調(diào)節(jié)磁探針數(shù)量變化。如圖2E所示，當小分子目標物存在時，包被在96孔板上的目標物-BSA能夠與目標物競爭性結(jié)合單克隆抗體(Ab)，洗滌并加入堿性磷酸酶(ALP)標記的羊抗小鼠IgG，可得到與目標物成反比的“BSA-目標物-Ab-IgG (ALP)”。ALP能夠?qū)⒘姿峄箟难?AAP)去磷酸化，生成具有還原性的抗壞血酸(AA)，能夠?qū)u2+還原為Cu+，進而用于CuAAC點擊化學反應，使修飾有疊氮分子(azide)的磁顆粒與修飾有炔分子(alkyne)的磁顆粒聚集。該MRS生物傳感器分為2種模式(aMRS和nMRS)：aMRS模式是基于MNP30-azide與MNP30- alkyne經(jīng)CuAAC催化變?yōu)榫奂癄顟B(tài)，產(chǎn)生T2信號變化；nMRS是基于MNP30-azide與MNP1000-alkyne經(jīng)CuAAC催化變?yōu)榫奂癄顟B(tài)，進而通過磁分離得到未反應的MNP30-azide(磁分離速度不同)，并對其進行T2信號讀出，此模式是基于磁顆粒數(shù)量的變化。研究結(jié)果表明，該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)食品基質(zhì)中獸藥殘留的快速高靈敏檢測，其線性檢測范圍為0.1～500 ng/mL，檢出限為0.02 ng/mL，并且所提供的雙模式分析有效拓寬了該生物傳感器的適用性與實用性，為食品安全領(lǐng)域中農(nóng)獸藥殘留及其他領(lǐng)域中有害小分子的快速檢測提供了有力的工具。

2.2 順磁離子介導的MRS

在順磁離子溶液中，順磁離子含有的多個不成對電子能夠與氫質(zhì)子發(fā)生空間偶極-偶極相互作用，從而改變水分子的縱向弛豫時間(T1)[10,33-35]。在此方面，筆者所在團隊進行了開創(chuàng)性的工作。不同價態(tài)的順磁離子通常具有不同的T1信號。以Fe2+/Fe3+為例，與Fe3+相比，F(xiàn)e2+未成對電子較少，電子弛豫時間較短，具有較低的T1弛豫效率[36]?；诖诵再|(zhì)， Chen等[37]首次將順磁離子(Fe2+/Fe3+) 作為磁信號探針，開發(fā)了一種通過氧化還原反應實現(xiàn)Fe2+/Fe3+價態(tài)轉(zhuǎn)換和改變T1信號的分析方法，并用于生化分析和免疫檢測(圖3A)。為了進一步提高該傳感器的靈敏度， Dong等[38]將Fe3+與SCN-之間的絡(luò)合反應引入Fe2+/Fe3+介導的MRS傳感器中，將Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+引起的磁信號改變進一步放大，實現(xiàn)了對牛奶中四環(huán)素的準確分析和快速檢測(圖3B)。此外， Dong等[39]也將Cu2+/Cu+作為磁信號探針，基于 Cu2+和Cu+的轉(zhuǎn)換引起磁信號改變，并用水蘇二磺酸二鈉水合物(BCS)螯合Cu+，形成Cu+-BCS配合物，有效地解決了Cu+在水溶液中不穩(wěn)定的問題，實現(xiàn)了對牛奶中磺胺類抗生素的檢測(圖3C)。但Fe2+/Fe3+和Cu2+/Cu+體系中，順磁離子本身都具有磁信號，導致背景值較高，靈敏度有待進一步提高。研究發(fā)現(xiàn)，Mn2+具有特別強的磁信號，而Mn7+沒有磁信號，因此 Mn2+/Mn7+是一個零背景的磁信號探針，同樣可以通過氧化還原反應實現(xiàn) Mn2+和Mn7+的轉(zhuǎn)化。Wang等[40]以Mn2+/Mn7+磁信號探針構(gòu)建了MRS免疫傳感器，并將其用于小分子目標物及致病菌的高靈敏檢測(圖3D)。其主要原理是將ALP標記到識別目標物的抗體上，基于競爭性免疫反應或雙抗夾心免疫反應，實現(xiàn)ALP與目標物的相關(guān)性關(guān)聯(lián)，該ALP可以將抗壞血酸酯去磷酸化，進而轉(zhuǎn)化為具有還原性的抗壞血酸，而抗壞血酸可以將Mn7+轉(zhuǎn)變?yōu)镸n2+，進而引起磁信號從無到有的改變，從而實現(xiàn)目標物的定量分析。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于Fe2+/Fe3+-MRS和Cu2+/Cu+-MRS傳感器，Mn2+/Mn7+介導的MRS免疫傳感器靈敏度提高了兩個數(shù)量級。因為許多物質(zhì)本身是氧化還原劑(例如，H2O2、抗壞血酸等)或經(jīng)過酶促反應等生物化學反應轉(zhuǎn)化為氧化還原劑(例如，葡萄糖經(jīng)葡萄糖氧化酶催化后產(chǎn)生H2O2)都能夠?qū)崿F(xiàn)順磁離子的價態(tài)轉(zhuǎn)換，因此該類傳感器可以檢測一系列的目標物，并且可以結(jié)合免疫反應等方法對目標物進行分析，極大地拓寬了磁生物傳感器的應用范圍。此外，與基于磁顆粒的MRS相比，以順磁離子為磁信號探針的MRS傳感器具有良好的穩(wěn)定性，順磁離子在水溶液中穩(wěn)定性良好，避免了超順磁納米顆粒在復雜基質(zhì)中易發(fā)生聚集的問題，抗干擾能力更強，且反應簡單快速，對環(huán)境要求低，是快速檢測領(lǐng)域一個新的開發(fā)點。

2.3 基于新型磁探針的MRS

構(gòu)建新型的磁探針是提升MRS生物傳感器分析性能的有效方式。近年來，已有多篇關(guān)于新型磁探針的合成、表面修飾、可控組裝及相應MRS構(gòu)建的報道[19,41-45]。Xianyu等[46]制備了不同磁信號強度的新型磁探針，實現(xiàn)了食品基質(zhì)中不同限量標準(pg/mL～μg/mL) 抗生素的線性可調(diào)檢測(圖4A)。利用點擊化學反應將30 nm小磁顆粒組裝在不同粒徑聚苯乙烯微球(polystyrene beads,PS)表面，因為不同粒徑的PS微球表面偶聯(lián)的納米磁顆粒的數(shù)量不同，因此可以制備不同磁信號強度的磁探針。當目標抗生素存在時，能夠與“MNP-BSA-目標抗生素”競爭性結(jié)合偶聯(lián)單克隆抗體的磁探針(可調(diào))，經(jīng)磁分離后可得到捕獲目標抗生素的磁探針，并對其進行T2信號測定?？筛鶕?jù)目標抗生素的限量標準，選擇不同信號強度的磁探針，從而實現(xiàn)不同限量標準抗生素的線性可調(diào)檢測。該MRS免疫傳感方法最大的優(yōu)點是采用不同粒徑的聚苯乙烯微球?qū)崿F(xiàn)了整個方法線性范圍的可調(diào)(pg/mL～μg/mL)，可以實現(xiàn)質(zhì)量濃度范圍不同的多個目標物的檢測，具有檢測范圍寬、快速、靈敏等特點，在食品安全檢測、生物醫(yī)學診斷等方面具有廣闊的應用前景。

圖4 新型磁探針介導的MRS生物傳感器

為了實現(xiàn)高靈敏和快速檢測的有機統(tǒng)一， Xianyu等[47]近期構(gòu)建了一種集磁分離與磁傳感于一體新型磁信號探針的MRS免疫傳感器(圖4B)。該工作首先將多聚賴氨酸和單克隆抗體(Ab)可控地組裝到納米磁顆粒(MNP150)的表面，得到具有多維空間網(wǎng)狀樹枝結(jié)構(gòu)的“Ab-MNP150-多聚賴氨酸”偶聯(lián)物，然后將對Gd3+離子具有很好螯合性能的DOTA偶聯(lián)在多聚賴氨酸的表面，通過DOTA捕獲Gd3+,最終將大量的Gd3+離子螯合在MNP150表面，得到“Ab-MNP150-多聚賴氨酸-DOTA-Gd3+”多重信號放大的納米免疫磁探針。其中，Gd3+是具有強的磁信號的順磁離子[48]，通過多聚賴氨酸可增加Gd3+的偶聯(lián)量為一重信號放大過程，磁顆粒與Gd3+磁信號的協(xié)同效應為多重信號放大過程。將該磁探針與競爭性免疫反應相結(jié)合，可實現(xiàn)小分子目標物的高靈敏檢測。與傳統(tǒng)的MRS免疫傳感器相比，靈敏度提高了25倍，在實際樣品的檢測中，和經(jīng)典的高效液相色譜-質(zhì)譜方法具有很好的吻合性。更為重要的是該磁信號探針同時可以作為免疫磁分離的載體，實現(xiàn)目標物的有效富集和快速檢測的一步完成，大大簡化了整個方法的操作步驟，提高了檢測效率，在快速檢測方面具有良好的潛力。

除上述可控組裝策略外，對磁顆粒進行表面修飾也是構(gòu)建新型磁探針、提升傳感器性能的有效方式。Lee等[49]通過金屬配位將聚乙二醇改性的膽紅素(poly(ethylene glycol)-modified bilirubin (PEG-BR),PEG-BR)包被于超順磁性氧化鐵納米顆粒(SPIONs)表面，制備了PEG-BR@SPIONs磁探針，并用于活性氧(ROS)的檢測(圖4C)。其基本原理是：當ROS存在時，PEG-BR包覆層能夠被氧化為水溶性的PEG-膽綠素，并進一步被氧化為終產(chǎn)物，進而從SPIONs表面脫落。在生物環(huán)境中，由于吸引力和不穩(wěn)定性，脫落包覆層的SPIONs相互聚集，產(chǎn)生狀態(tài)變化，從而實現(xiàn)ROS的定量分析。研究結(jié)果表明，PEG-BR@SPIONs磁探針具有高膠體穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)生理學環(huán)境下ROS的高靈敏分析，在臨床診斷領(lǐng)域具有良好的應用前景。隨著納米材料及納米科技的發(fā)展，新型納米磁探針將是磁弛豫生物傳感分析方向具有代表性的突破點之一。

2.4 微流控芯片MRS

微流控芯片技術(shù)又被稱為芯片上的實驗室(lab-on-a-chip)，具有分析速度快、樣品用量少、自動化程度高、檢測成本低等優(yōu)點，在生化分析、臨床診斷、公共衛(wèi)生監(jiān)測等方面應用廣泛[19,50-54]。Lee等[55]將微流控芯片技術(shù)、磁生物傳感技術(shù)與微型核磁共振儀結(jié)合開發(fā)了一種小型診斷磁共振(DMR)系統(tǒng)(圖5)。

該DMR系統(tǒng)主要包括四部分：用于核磁共振測量的微線圈陣列、用于樣品處理和混合的微流體網(wǎng)絡(luò)、微型核磁共振電子器件和用于產(chǎn)生極化磁場的永磁體。該系統(tǒng)將多個平面微線圈排列在一個陣列中，可實現(xiàn)多通道檢測，并能較好地適應器件的小型化；微流體系統(tǒng)便于控制小體積液體和實現(xiàn)目標物的分離富集。此外，該系統(tǒng)引入基于磁顆粒狀態(tài)改變的MRS，實現(xiàn)信號的放大與讀出。整個DMR系統(tǒng)可被設(shè)計為獨立便攜的設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)細菌、蛋白生物標志物等目標物的快速檢測。此工作所開發(fā)的微型核磁共振儀為第一代產(chǎn)品(DMR-1)，該課題組還對其進行了升級，例如第二代DMR系統(tǒng)(DMR-2)[56]、第三代DMR系統(tǒng)[57]等，在進樣體積、射頻磁場均勻性、溫度控制、便攜性等多方面進行了優(yōu)化，拓寬了其應用范圍，在快速檢測方向具有良好的推動作用[58-59]。

圖5 微流控芯片介導的小型診斷磁共振(DMR)系統(tǒng)

3 討論與展望

磁弛豫生物傳感器作為一種集物理、化學、生物等多學科交叉的新型分析技術(shù)，具有分析速度快、信噪比高、操作簡單等優(yōu)點，基于不同原理的磁弛豫生物傳感器(例如基于磁顆粒狀態(tài)/數(shù)量變化的磁弛豫傳感器、基于順磁離子的磁弛豫傳感器等)已經(jīng)應用于食品安全和臨床診斷等多個領(lǐng)域，對快速檢測技術(shù)的發(fā)展具有重要的推動作用。我們相信未來在以下幾個方面開展深入研究將會推動磁弛豫生物傳感器得到更廣泛的應用：

(1)開發(fā)新型磁納米探針。隨著納米科學技術(shù)的發(fā)展，各種納米材料層出不窮，為尋找和可控組裝性能優(yōu)良的磁納米探針提供了有利的條件。此外，新型磁納米探針的開發(fā)能夠有效提高磁弛豫生物傳感器的信號讀出性能，拓寬磁弛豫生物傳感器在快速檢測領(lǐng)域的應用。

(2)多重目標物同時檢測及高通量檢測進一步發(fā)展。在臨床診斷、食品安全、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中均存在大量種類和數(shù)量的目標物需要快速檢測，開發(fā)多重目標物同時檢測和高通量的磁弛豫生物傳感器或基于磁弛豫生物傳感器的快速檢測平臺具有重要的現(xiàn)實意義。

(3)磁弛豫傳感器的自動化、智能化和便攜化。雖然已有基于微流控芯片的DMR系統(tǒng)的報道，但目前大部分磁弛豫生物傳感器在智能化、自動化、便攜化方面仍存在一定的不足，需要不斷與其他學科交叉融合，提高磁弛豫生物傳感器在此方面的性能。

(4)新型磁弛豫傳感機制的探索。新型的磁弛豫傳感機制是構(gòu)建新型磁弛豫生物傳感器的基礎(chǔ)，能夠從根本上推動磁弛豫傳感技術(shù)的進一步發(fā)展，也是本領(lǐng)域研究人員需要持續(xù)關(guān)注的重點。