感器豫生用研的应究进全快品安物传在食展磁弛测中速检三

2.2顺磁离子介导的磁弛MRS在顺磁离子溶液中，顺磁离子含有的豫生应用研究多个不成对电子能够与氢质子发生空间偶极G偶极相互作用，从而改变水分子的物传纵向弛豫时间(T１)。在此方面，感器本团队进行了开创性的食品工作。不同价态的安全顺磁离子通常具有不同的T１信号。以Fe2＋/Fe3＋为例，快速与Fe3＋相比，检测进展Fe2＋未成对电子较少，磁弛电子弛豫时间较短，豫生应用研究具有较低的物传T１弛豫效率。基于此性质，感器Chen等首次将顺磁离子(Fe2＋/Fe3＋)作为磁信号探针，食品开发了一种通过氧化还原反应实现Fe2＋/Fe3＋价态转换和改变T１信号的安全分析方法，并用于生化分析和免疫检测(图３A)。快速

为了进一步提高该传感器的灵敏度，Dong等将Fe3＋与SCN－之间的络合反应引入Fe2＋/Fe3＋介导的MRS传感器中，将Fe2＋转化为Fe3＋引起的磁信号改变进一步放大，实现了对牛奶中四环素的准确分析和快速检测(图3B)。此外，Dong等也将Cu2＋/Cu＋作为磁信号探针，基于Cu2＋和Cu＋的转换引起磁信号改变，并用水苏二磺酸二钠水合物(BCS)螯合Cu＋，形成Cu＋GBCS配合物，有效地解决了Cu＋在水溶液中不稳定的问题，实现了对牛奶中磺胺类抗生素的检测(图3C)。但Fe2＋/Fe3＋和Cu2＋/Cu＋体系中，顺磁离子本身都具有磁信号，导致背景值较高，灵敏度有待进一步提高。研究发现，Mn2＋具有特别强的磁信号，而Mn7＋没有磁信号，因此Mn2＋/Mn7＋是一个零背景的磁信号探针，同样可以通过氧化还原反应实现Mn2＋和Mn7＋的转化。Wang等以Mn2＋/Mn7＋磁信号探针构建了MRS免疫传感器，并将其用于小分子目标物及致病菌的高灵敏检测(图3D)。

其主要原理是将ALP标记到识别目标物的抗体上，基于竞争性免疫反应或双抗夹心免疫反应，实现ALP与目标物的相关性关联，该ALP可以将抗坏血酸酯去磷酸化，进而转化为具有还原性的抗坏血酸，而抗坏血酸可以将Mn7＋转变为Mn2＋，进而引起磁信号从无到有的改变，从而实现目标物的定量分析。试验结果发现，相比于Fe2＋/Fe3＋GMRS和Cu2＋/Cu＋GMRS传感器，Mn2＋/Mn7＋介导的MRS免疫传感器灵敏度提高了两个数量级。

因为许多物质本身是氧化还原剂(例如，H2O2、抗坏血酸等)或经过酶促反应等生物化学反应转化为氧化还原剂(例如，葡萄糖经葡萄糖氧化酶催化后产生H2O2)都能够实现顺磁离子的价态转换，因此该类传感器可以检测一系列的目标物，并且可以结合免疫反应等方法对目标物进行分析，极大地拓宽了磁生物传感器的应用范围。此外，与基于磁颗粒的MRS相比，以顺磁离子为磁信号探针的MRS传感器具有良好的稳定性，顺磁离子在水溶液中稳定性良好，避免了超顺磁纳米颗粒在复杂基质中易发生聚集的问题，抗干扰能力更强，且反应简单快速，对环境要求低，是快速检测领域一个新的开发点。

2.3基于新型磁探针的MRS构建新型的磁探针是提升MRS生物传感器分析性能的有效方式。近年来，已有多篇关于新型磁探针的合成、表面修饰、可控组装及相应MRS构建的报道。Xianyu等制备了不同磁信号强度的新型磁探针，实现了食品基质中不同限量标准抗生素的线性可调检测(pg/mL~μg/mL)(图４A)。利用点击化学反应将30nm小磁颗粒组装在不同粒径聚苯乙烯微球(polystyrenebeads，PS)表面，因为不同粒径的PS微球表面偶联的纳米磁颗粒的数量不同，因此可以制备不同磁信号强度的磁探针。

当目标抗生素存在时，能够与“MNPGBSAG目标抗生素”竞争性结合偶联单克隆抗体的磁探针(可调)，经磁分离后可得到捕获目标抗生素的磁探针，并对其进行T２信号测定。可根据目标抗生素的限量标准，选择不同信号强度的磁探针，从而实现不同限量标准抗生素的线性可调检测。该MRS免疫传感方法最大的优点是采用不同粒径的聚苯乙烯微球实现了整个方法线性范围的可调(pg/mL~μg/mL)，可以实现质量浓度范围不同的多个目标物的检测，具有检测范围宽、快速、灵敏等特点，在食品安全检测、生物医学诊断等方面具有广阔的应用前景。

为了实现高灵敏和快速检测的有机统一，Xianyu等近期构建了一种集磁分离与磁传感于一体新型磁信号探针的MRS免疫传感器(图4B)。该工作首先将多聚赖氨酸和单克隆抗体(Ab)可控地组装到纳米磁颗粒(MNP150)的表面，得到具有多维空间网状树枝结构的“AbGMNP150G多聚赖氨酸”偶联物，然后将对Gd3＋离子具有很好螯合性能的DOTA偶联在多聚赖氨酸的表面，通过DOTA捕获Gd3＋，最终将大量的Gd3＋离子螯合在MNP150表面，得到“AbGMNP150G多聚赖氨酸GDOTAGGd3＋”多重信号放大的纳米免疫磁探针。

其中，Gd3＋是具有强的磁信号的顺磁离子，通过多聚赖氨酸可增加Gd3＋的偶联量为一重信号放大过程，磁颗粒与Gd3＋磁信号的协同效应为多重信号放大过程。将该磁探针与竞争性免疫反应相结合，可实现小分子目标物的高灵敏检测。与传统的MRS免疫传感器相比，灵敏度提高了25倍，在实际样品的检测中，和经典的高效液相色谱G质谱方法具有很好的吻合性。更为重要的是该磁信号探针同时可以作为免疫磁分离的载体，实现目标物的有效富集和快速检测的一步完成，大大简化了整个方法的操作步骤，提高了检测效率，在快速检测方面具有良好的潜力。除上述可控组装策略外，对磁颗粒进行表面修饰也是构建新型磁探针、提升传感器性能的有效方式。

Lee等通过金属配位将聚乙二醇改性的胆红素(poly(ethyleneglycol)Gmodifiedbilirubin(PEGGBR)，PEGGBR)包被于超顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPIONs)表面，制备了PEGGBR＠SPIONs磁探针，并用于活性氧(ROS)的检测(图４C)。其基本原理是:当ROS存在时，PEGGBR包覆层能够被氧化为水溶性的PEGG胆绿素，并进一步被氧化为终产物，进而从SPIONs表面脱落。在生物环境中，由于吸引力和不稳定性，脱落包覆层的SPIONs相互聚集，产生状态变化，从而实现ROS的定量分析。研究结果表明，PEGGBR＠SPIONs磁探针具有高胶体稳定性，能够实现生理学环境下ROS的高灵敏分析，在临床诊断领域具有良好的应用前景。随着纳米材料及纳米科技的发展，新型纳米磁探针将是磁弛豫生物传感分析方向具有代表性的突破点之一。

2.4微流控芯片MRS微流控芯片技术又被称为芯片上的实验室(labGonGaGchip)，具有分析速度快、样品用量少、自动化程度高、检测成本低等优点，在生化分析、临床诊断、公共卫生监测等方面应用广泛。Weissleder课题组将微流控芯片技术、磁生物传感技术与微型核磁共振仪结合开发了一种小型诊断磁共振(DMR)系统(图５)。该DMR系统主要包括四部分:用于核磁共振测量的微线圈阵列、用于样品处理和混合的微流体网络、微型核磁共振电子器件和用于产生极化磁场的永磁体。该系统将多个平面微线圈排列在一个阵列中，可实现多通道检测，并能较好地适应器件的小型化;微流体系统便于控制小体积液体和实现目标物的分离富集。

此外，该系统引入基于磁颗粒状态改变的MRS，实现信号的放大与读出。整个DMR系统可被设计为独立便携的设备，能够实现细菌、蛋白生物标志物等目标物的快速检测。此工作所开发的微型核磁共振仪为第一代产品(DMRG１)，该课题组还对其进行了升级，例如第二代DMR系统(DMRG２)、第三代DMR系统等，在进样体积、射频磁场均匀性、温度控制、便携性等多方面进行了优化，拓宽了其应用范围，在快速检测方向具有良好的推动作用。

3讨论与展望磁弛豫生物传感器作为一种集物理、化学、生物等多学科交叉的新型分析技术，具有分析速度快、信噪比高、操作简单等优点，基于不同原理的磁弛豫生物传感器(例如基于磁颗粒状态/数量变化的磁弛豫传感器、基于顺磁离子的磁弛豫传感器等)已经应用于食品安全和临床诊断等多个领域，对快速检测技术的发展具有重要的推动作用。我们相信未来在以下几个方面开展深入研究将会推动磁弛豫生物传感器得到更广泛的应用:

(１)开发新型磁纳米探针。随着纳米科学技术的发展，各种纳米材料层出不穷，为寻找和可控组装性能优良的磁纳米探针提供了有利的条件。此外，新型磁纳米探针的开发能够有效提高磁弛豫生物传感器的信号读出性能，拓宽磁弛豫生物传感器在快速检测领域的应用。

(２)多重目标物同时检测及高通量检测进一步发展。在临床诊断、食品安全、环境监测等领域中均存在大量种类和数量的目标物需要快速检测，开发多重目标物同时检测和高通量的磁弛豫生物传感器或基于磁弛豫生物传感器的快速检测平台具有重要的现实意义。

(３)磁弛豫传感器的自动化、智能化和便携化。虽然已有基于微流控芯片的DMR系统的报道，但目前大部分磁弛豫生物传感器在智能化、自动化、便携化方面仍存在一定的不足，需要不断与其他学科交叉融合，提高磁弛豫生物传感器在此方面的性能。

(４)新型磁弛豫传感机制的探索。新型的磁弛豫传感机制是构建新型磁弛豫生物传感器的基础，能够从根本上推动磁弛豫传感技术的进一步发展，也是本领域研究人员需要持续关注的重点。

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