2.2順磁離子介導(dǎo)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G偶極相互作用，從而改變水分子的縱向弛豫時間(T１)。在此方面，本團(tuán)隊進(jìn)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。基于此性質(zhì)，Chen等首次將順磁離子(Fe2＋/Fe3＋)作為磁信號探針，開發(fā)了一種通過氧化還原反應(yīng)實(shí)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(jìn)一步提高該傳感器的靈敏度，Dong等將Fe3＋與SCN－之間的絡(luò)合反應(yīng)引入Fe2＋/Fe3＋介導(dǎo)的MRS傳感器中，將Fe2＋轉(zhuǎn)化為Fe3＋引起的磁信號改變進(jìn)一步放大，實(shí)現(xiàn)了對牛奶中四環(huán)素的準(zhǔn)確分析和快速檢測(圖3B)。此外，Dong等也將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＋GBCS配合物，有效地解決了Cu＋在水溶液中不穩(wěn)定的問題，實(shí)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(dǎo)致背景值較高，靈敏度有待進(jìn)一步提高。研究發(fā)現(xiàn)，Mn2＋具有特別強(qiáng)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(yīng)實(shí)現(xiàn)Mn2＋和Mn7＋的轉(zhuǎn)化。Wang等以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(biāo)物及致病菌的高靈敏檢測(圖3D)。

其主要原理是將ALP標(biāo)記到識別目標(biāo)物的抗體上，基于競爭性免疫反應(yīng)或雙抗夾心免疫反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)ALP與目標(biāo)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(jìn)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(jìn)而引起磁信號從無到有的改變，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的定量分析。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于Fe2＋/Fe3＋GMRS和Cu2＋/Cu＋GMRS傳感器，Mn2＋/Mn7＋介導(dǎo)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(yīng)等生物化學(xué)反應(yīng)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(biāo)物，并且可以結(jié)合免疫反應(yīng)等方法對目標(biāo)物進(jìn)行分析，極大地拓寬了磁生物傳感器的應(yīng)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(fù)雜基質(zhì)中易發(fā)生聚集的問題，抗干擾能力更強(qiáng)，且反應(yīng)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(diǎn)。

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(yīng)MRS構(gòu)建的報道。Xianyu等制備了不同磁信號強(qiáng)度的新型磁探針，實(shí)現(xiàn)了食品基質(zhì)中不同限量標(biāo)準(zhǔn)抗生素的線性可調(diào)檢測(pg/mL~μg/mL)(圖４A)。利用點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)將30nm小磁顆粒組裝在不同粒徑聚苯乙烯微球(polystyrenebeads，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(qiáng)度的磁探針。

當(dāng)目標(biāo)抗生素存在時，能夠與“MNPGBSAG目標(biāo)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(biāo)抗生素的磁探針，并對其進(jìn)行T２信號測定?？筛鶕?jù)目標(biāo)抗生素的限量標(biāo)準(zhǔn)，選擇不同信號強(qiáng)度的磁探針，從而實(shí)現(xiàn)不同限量標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)質(zhì)量濃度范圍不同的多個目標(biāo)物的檢測，具有檢測范圍寬、快速、靈敏等特點(diǎn)，在食品安全檢測、生物醫(yī)學(xué)診斷等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

為了實(shí)現(xiàn)高靈敏和快速檢測的有機(jī)統(tǒng)一，Xianyu等近期構(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“AbGMNP150G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“AbGMNP150G多聚賴氨酸GDOTAGGd3＋”多重信號放大的納米免疫磁探針。

其中，Gd3＋是具有強(qiáng)的磁信號的順磁離子，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(yīng)為多重信號放大過程。將該磁探針與競爭性免疫反應(yīng)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)小分子目標(biāo)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(shí)際樣品的檢測中，和經(jīng)典的高效液相色譜G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(shí)現(xiàn)目標(biāo)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(jìn)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等通過金屬配位將聚乙二醇改性的膽紅素(poly(ethyleneglycol)Gmodifiedbilirubin(PEGGBR)，PEGGBR)包被于超順磁性氧化鐵納米顆粒(SPIONs)表面，制備了PEGGBR＠SPIONs磁探針，并用于活性氧(ROS)的檢測(圖４C)。其基本原理是:當(dāng)ROS存在時，PEGGBR包覆層能夠被氧化為水溶性的PEGG膽綠素，并進(jìn)一步被氧化為終產(chǎn)物，進(jìn)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(shí)現(xiàn)ROS的定量分析。研究結(jié)果表明，PEGGBR＠SPIONs磁探針具有高膠體穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)生理學(xué)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(yīng)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(diǎn)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(shí)驗室(labGonGaGchip)，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(diǎn)，在生化分析、臨床診斷、公共衛(wèi)生監(jiān)測等方面應(yīng)用廣泛。Weissleder課題組將微流控芯片技術(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(shí)現(xiàn)多通道檢測，并能較好地適應(yīng)器件的小型化;微流體系統(tǒng)便于控制小體積液體和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)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(shí)現(xiàn)信號的放大與讀出。整個DMR系統(tǒng)可被設(shè)計為獨(dú)立便攜的設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)菌、蛋白生物標(biāo)志物等目標(biāo)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(DMRG１)，該課題組還對其進(jìn)行了升級，例如第二代DMR系統(tǒng)(DMRG２)、第三代DMR系統(tǒng)等，在進(jìn)樣體積、射頻磁場均勻性、溫度控制、便攜性等多方面進(jìn)行了優(yōu)化，拓寬了其應(yīng)用范圍，在快速檢測方向具有良好的推動作用。

3討論與展望磁弛豫生物傳感器作為一種集物理、化學(xué)、生物等多學(xué)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(diǎn)，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(yīng)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(yīng)用:

(１)開發(fā)新型磁納米探針。隨著納米科學(xué)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(yīng)用。

(２)多重目標(biāo)物同時檢測及高通量檢測進(jìn)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(biāo)物需要快速檢測，開發(fā)多重目標(biāo)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(shí)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(xué)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(jī)制的探索。新型的磁弛豫傳感機(jī)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(jìn)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(diǎn)。

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