基于磁弛豫原理的磁化學(xué)傳感器研究進(jìn)展

楊 艷，周治國(guó)，楊仕平

（上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海 200234）

基于磁弛豫原理的磁化學(xué)傳感器研究進(jìn)展

楊 艷，周治國(guó)，楊仕平

（上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海 200234）

基于磁性納米粒子的磁化學(xué)傳感器是集納米/微米技術(shù)、化學(xué)反應(yīng)、生物技術(shù)及核磁共振技術(shù)于一體的多學(xué)科交叉、多技術(shù)集成的傳感器.利用這一傳感器可以檢測(cè)各種金屬離子、蛋白質(zhì)、小分子、細(xì)菌、病毒、DNA、分子間的相互作用、細(xì)胞、腫瘤以及癌癥.首先簡(jiǎn)要概述磁化學(xué)傳感器的傳感原理，然后重點(diǎn)介紹在檢測(cè)方面的應(yīng)用.

磁性納米粒子；磁化學(xué)傳感器；弛豫時(shí)間

0 引 言

磁性納米粒子傳感器是利用磁性納米粒子的磁性和靶向分子的靶向性來發(fā)揮作用的［1］.影響磁性納米粒子磁性大小的因素有：矯頑磁力（Hc）、磁化系數(shù)（x）、晶體結(jié)構(gòu)、組成成分、磁各向異性的能量、材料本身的缺陷和空缺及材料的大小和形貌［2］.人們利用磁性納米粒子的磁可控性，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作.隨著磁性納米技術(shù)的發(fā)展，磁性納米材料在磁性存儲(chǔ)介質(zhì)、磁性分離［3］、化學(xué)傳感、臨床診斷、靶向藥物傳遞、磁共振成像（MRI）等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用.特別是基于磁弛豫原理的傳感技術(shù)的發(fā)展，使得磁性納米粒子作為磁化學(xué)傳感器，受到人們的廣泛關(guān)注.

1 基于磁弛豫的磁化學(xué)傳感器的傳感原理

磁性納米粒子在水溶液中的狀態(tài)（分散或聚集）變化時(shí)會(huì)引起磁場(chǎng)均勻性發(fā)生改變，進(jìn)而顯著引起周圍水分子質(zhì)子的橫向弛豫時(shí)間（T2）發(fā)生改變.磁性納米粒子經(jīng)表面修飾偶聯(lián)上相關(guān)受體后即可制備成具有特異性的磁性納米粒子傳感器，通過特異性受體與目標(biāo)物質(zhì)相互作用，使體系中分散狀態(tài)的磁性粒子轉(zhuǎn)變?yōu)榫奂癄顟B(tài)，或使聚集狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚顟B(tài)，由于狀態(tài)改變的程度與目標(biāo)物質(zhì)的含量相關(guān)，通過弛豫時(shí)間的改變可間接得到目標(biāo)物質(zhì)的含量.

當(dāng)磁性納米粒子（MNPs）粒徑很小時(shí)，水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)很快，與磁性納米粒子產(chǎn)生的磁場(chǎng)達(dá)到平衡，這種形式稱為運(yùn)動(dòng)平衡（motional averaging，MA）.在這種情況下橫向弛豫率（r2）與MNPs的大小和磁化強(qiáng)度成正比（圖1）.當(dāng)MNPs的大小超過水分子擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)范圍時(shí)，平衡作用消失，MNPs作為靜止物體隨意分布，這種形式稱為靜態(tài)相散（static dephasing，SD）.在這種情況下r2與MNPs的大小無關(guān).當(dāng)MNPs繼續(xù)變大超過SD時(shí)的大小時(shí)，r2減小，這時(shí)系統(tǒng)變?yōu)橛邢拗貜?fù)（echo-limited，EL）形式.在這種情況下，由于MNPs很大，磁場(chǎng)的不均勻性導(dǎo)致質(zhì)子像沒有處于磁相互作用中的自由水分子一樣.目標(biāo)物質(zhì)引起MNPs由MA轉(zhuǎn)變?yōu)镾D的過程T2值變?。▓D1A），由SD轉(zhuǎn)變?yōu)镋L的過程T2值變大（圖1B）［4］.磁性納米粒子狀態(tài)改變的程度與目標(biāo)物質(zhì)的含量相關(guān)，通過加入目標(biāo)物質(zhì)前后T2值的變化，可以得到目標(biāo)物質(zhì)的含量.

圖1 磁化學(xué)傳感器的傳感原理

2 基于磁弛豫的磁化學(xué)傳感器的應(yīng)用

2.1 檢測(cè)金屬離子

基于磁弛豫的磁化學(xué)傳感器可以檢測(cè)多種金屬離子.Ma等［5］人用兩種不同序列的寡核苷酸分別修飾Fe3O4納米粒子，得到兩種不同的磁性納米粒子.因?yàn)镠g2+能與兩個(gè)寡核苷酸胸腺嘧啶（T）形成穩(wěn)定的T-Hg2+-T結(jié)構(gòu)，所以當(dāng)Hg2+不存在時(shí)，納米粒子成單分散狀態(tài)，此時(shí)溶液的T2值較大；當(dāng)加入Hg2+時(shí)，兩種納米粒子相互團(tuán)聚，形成納米簇，使得溶液的T2值變?。▓D2a），MRI圖像的亮度變暗，加入Hg2+的濃度不同T2值的減小程度不同（圖2b），根據(jù)T2值的改變可以測(cè)出Hg2+的濃度.

圖2 a：磁化學(xué)傳感器對(duì)Hg2+的傳感原理圖；b：測(cè)定Hg2+的標(biāo)準(zhǔn)曲線；c：（A-C）Zn2+，Mg2+和Cd2+存在時(shí)T2值成像（a1）和MR成像（b1），（D）Hg2+的T2值成像（a1）和MR成像（b1）（由上到下濃度依次增加）

為了證明納米粒子的聚合是由于雜交而不是其他因素，Ma等人分別檢測(cè)了Zn2+，Mg2+，Cd2+.當(dāng)它們的濃度從0增加到10×10-12時(shí)，相應(yīng)的磁共振成像沒有變化（圖2c），這說明這一傳感器具有很高的選擇性.

Tian等［6］利用二氧化硅（SiO2）和胸腺嘧啶（T）功能化的超順磁性Fe3O4納米粒子檢測(cè)汞離子（圖3a）.當(dāng)Hg2+不存在時(shí)納米粒子成單分散狀態(tài)，此時(shí)溶液的T2值較大；當(dāng)加入Hg2+時(shí)，汞離子與兩個(gè)胸腺嘧啶形成穩(wěn)定的T-Hg2+-T結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致納米粒子相互團(tuán)聚形成納米簇，使溶液的T2值變小，加入Hg2+的濃度不同T2值的減小程度不同（圖3b），根據(jù)T2值的改變可以測(cè)出Hg2+的濃度.

除了Hg2+外，用磁性納米粒子傳感器還能檢測(cè)許多其他金屬離子，如Cu2+、Ca2+等.Kuang等［7］人利用結(jié)合有不同DNA鏈（S1’和S2’）的Fe3O4納米粒子和由3個(gè)DNA序列（S1、S2和E47 ligase）組成的脫氧核酶來檢測(cè)Cu2+（圖4），當(dāng)Cu2+不存在時(shí)，互補(bǔ)的DNA鏈相連，連接不同DNA鏈的納米粒子不會(huì)相連，所以納米粒子成單分散狀態(tài).當(dāng)加入Cu2+時(shí)，Cu2+使S1上的磷（In-P）與S2上的羥基（OH）連接形成磷酸二酯鍵，納米粒子相互團(tuán)聚，使溶液的T2值變大，加入Cu2+的濃度不同T2值的變化程度不同，根據(jù)T2值的改變可以測(cè)出Cu2+的濃度.

圖3 a：合成Fe3O4@SiO2-T納米粒子以及納米粒子對(duì)Hg2+的傳感原理；b：在HEPES緩沖溶液中ΔT2值與不同濃度Hg2+的關(guān)系

圖4 磁化學(xué)傳感器對(duì)Cu2+的檢測(cè)原理

2.2 檢測(cè)小分子

Xu等［8］人根據(jù)抗原-抗體生物識(shí)別合成了一種磁化學(xué)傳感器來檢測(cè)內(nèi)分泌干擾物質(zhì)2，2-二（4-間苯二酚）丙烷（BPA）.該磁化學(xué)傳感器以超順磁性的氧化鐵納米粒子為核，并在其表面連接上目標(biāo)分子形成交聯(lián)的超順磁性氧化鐵納米粒子（圖5a）.

當(dāng)交聯(lián)的納米粒子與主要抗體和第二抗體混合時(shí)，交聯(lián)的納米粒子與抗體連接，納米粒子團(tuán)聚，此時(shí)T2值較大；當(dāng)加入目標(biāo)分子BPA時(shí)，抗體與兩種目標(biāo)分子BPA的連接達(dá)到平衡，使得納米粒子的團(tuán)聚與分散達(dá)到平衡，此時(shí)T2值較?。▓D5b）.加入的目標(biāo)分子BPA的量不同，T2值的改變量就會(huì)不同（圖6a），相應(yīng)的磁共振成像也不同（圖6b），因此可以測(cè)出BPA的含量.

圖5 a：交聯(lián)的超順磁性氧化鐵納米粒子的合成；b：磁化學(xué)傳感器對(duì)BPA的檢測(cè)原理

Wang研究組［9］基于均相免疫學(xué)原理，先將微囊藻毒素全抗原（Ag）與磁性納米粒子偶聯(lián)制備成弛豫時(shí)間傳感探針（NP-Ag），而后基于抗原-抗體及一抗-二抗的特異反應(yīng)，建立了小分子競(jìng)爭(zhēng)免疫檢測(cè)方法.通過二抗（sheep-anti-rabbit）與多個(gè)一抗（rabbitanti-Ag）連接的“橋接”作用，使原溶液中分散狀的顆粒變?yōu)榫奂癄顟B(tài)，從而改變磁顆粒周圍水分子的弛豫時(shí)間（T2），達(dá)到檢測(cè)樣品中微囊藻毒素的目的（圖7）.該方法的檢出限為0.6 ng/g，線性范圍為1～ 18 ng/g.

圖6 a：檢測(cè)BPA的標(biāo)準(zhǔn)曲線；b：不同濃度BPA（a1）和加入BPA類似物對(duì)照組（b1）的MR成像（A）和T2值成像（B）（由上到下濃度依次增加）

圖7 利用弛豫時(shí)間傳感技術(shù)檢測(cè)微囊藻毒素的原理

2.3 檢測(cè)DNA

Mehmet V.Y.等［10］人利用超順磁性的MR傳感器檢測(cè)腺苷.該傳感器以超順磁性的氧化鐵納米粒子為核，在核的表面分別修飾兩種不同的適配體，形成兩種不同的適配體功能化的超順磁性氧化鐵納米粒子.當(dāng)腺苷不存在時(shí)，兩種適配體連接，使得納米粒子1和2團(tuán)聚在一起，這時(shí)T2值較?。划?dāng)加入腺苷時(shí)，腺苷與納米粒子1連接，使得納米粒子成單分散狀態(tài)，這時(shí)T2值較大（圖8）.

Ma等［11］人基于聚合酶鏈反應(yīng)（polymerase chain reaction，PCR），利用不同的DNA序列（F-primer和R-primer）修飾的兩種磁性納米粒子裝配來檢測(cè)DNA（圖9）.當(dāng)目標(biāo)DNA不存在時(shí)，磁性納米粒子呈分散狀態(tài)，T2值較小.當(dāng)加入目標(biāo)DNA時(shí)，目標(biāo)DNA誘導(dǎo)兩種不同的DNA序列連接，從而導(dǎo)致磁性納米粒子團(tuán)聚，T2值變大.加入目標(biāo)DNA的量不同，T2值的改變程度不同，因此可以測(cè)出目標(biāo)DNA的濃度.該方法操作簡(jiǎn)單，特異性強(qiáng)，靈敏度高，檢測(cè)限可達(dá)4.26×10-9mol/L，檢測(cè)范圍從1×1-17mol/L到1×1-11mol/L.

圖8 磁傳感器檢測(cè)腺苷的原理

圖9 磁傳感器檢測(cè)DNA的原理

2.4 檢測(cè)蛋白質(zhì)

基于磁性納米粒子的磁化學(xué)傳感器可以檢測(cè)各種生物大分子，如蛋白質(zhì).Bamrungsap等［12］人合成了一種檢測(cè)溶菌酶的磁化學(xué)傳感器，該傳感器以氧化鐵納米粒子為核，在核的表面分別修飾溶菌酶適配體和連接DNA，生成兩種表面帶有不同修飾物的納米材料.當(dāng)溶菌酶不存在時(shí)，兩種納米粒子相互團(tuán)聚，形成納米簇，此時(shí)溶液的T2值較?。划?dāng)加入溶菌酶時(shí)，溶菌酶與適配體結(jié)合，使納米簇分散，這時(shí)溶液的T2值增大（圖10a）.加入的溶菌酶的量不同，納米粒子的分散程度不同，相應(yīng)的T2值的改變量即ΔT2值就會(huì)不同.根據(jù)ΔT2值與溶菌酶濃度的關(guān)系，通過測(cè)量ΔT2值可間接測(cè)出溶菌酶的濃度（圖10b）.

這一檢測(cè)蛋白質(zhì)的磁化學(xué)傳感器具有很高的靈敏度和選擇性，檢出限可達(dá)到納摩爾范圍.它為識(shí)別白血病人提供了可能.

圖10 a：磁傳感器對(duì)溶菌酶的檢測(cè)原理；b：T2值與溶菌酶濃度的關(guān)系

Kong等［13］人利用Fe3O4納米粒子和伴刀豆球蛋白（concanavalin A，Con A）檢測(cè)a1酸糖蛋白（a1-acid glycoprotein，AGP）（圖11）.Fe3O4納米粒子分散在溶液中，當(dāng)加入伴刀豆球蛋白（Con A）后，納米粒子團(tuán)聚，再加入a1酸糖蛋白（AGP），納米粒子再次分散，這一過程T2值發(fā)生變化.根據(jù)T2值的變化可以測(cè)出a1酸糖蛋白（AGP）的濃度.該研究克服了超順磁探針和分析物的比例不合適而引起的前區(qū)效應(yīng)（Prozone effect），從而保證了MRS方法的準(zhǔn)確性.該方法簡(jiǎn)便、高效，對(duì)目標(biāo)物AGP的檢測(cè)限可達(dá)0.66 nmol/L，該數(shù)值低于人體AGP正常水平.

2.5 檢測(cè)細(xì)菌和病毒

Kaittanis等［14］人合成了一種超順磁性的氧化鐵納米粒子，能檢測(cè)出牛奶和血液中存在的MAP細(xì)菌.此傳感過程的特殊之處在于，由于細(xì)菌的“巨大”以及表面存在的許多抗原，所以在靶向分子的誘導(dǎo)下，數(shù)個(gè)納米粒子可以與一個(gè)細(xì)菌結(jié)合.當(dāng)溶液中的MAP濃度較低時(shí)，能“富集”磁性納米粒子，使溶液的T2值急劇減??；當(dāng)MAP濃度較大時(shí)，每個(gè)MAP分配到的氧化鐵納米粒子較少，起了稀釋的作用，所以溶液的T2值的變化較?。▓D12）.

Perez等［15］人將抗病毒的抗體偶聯(lián)在Fe3O4納米粒子上制成MR傳感器，利用抗體與病毒之間的特異性作用來檢測(cè)過濾性病毒.傳感的原理是基于磁性病毒納米傳感裝置在過濾性病毒的誘導(dǎo)下，發(fā)生自組裝生成納米簇從而引起周圍環(huán)境的T2值發(fā)生變化（圖13）.

圖11 磁傳感器檢測(cè)a1酸糖蛋白（AGP）的原理

圖12 磁傳感器對(duì)細(xì)菌的傳感機(jī)理

3 總結(jié)與展望

圖13 磁傳感器對(duì)病毒的傳感機(jī)理

綜上所述，基于磁性納米粒子的磁化學(xué)傳感器是集納米/微米技術(shù)、化學(xué)反應(yīng)、生物技術(shù)及核磁共振技術(shù)于一體的多學(xué)科交叉、多技術(shù)集成的傳感器.利用這一傳感器可以檢測(cè)各種金屬離子、蛋白質(zhì)、小分子、細(xì)菌、病毒、DNA、分子間的相互作用、細(xì)胞、腫瘤以及癌癥，而且能夠?qū)τ谠缙诩膊〉臋z測(cè)提供有力的幫助.基于該傳感器的檢測(cè)原理，對(duì)于成分復(fù)雜、渾濁的樣品可以直接測(cè)量，減少了樣品前處理等復(fù)雜步驟，因此特別適合食品和環(huán)境樣本中痕量有害物質(zhì)的快速、靈敏檢測(cè).目前，基于磁性納米粒子的磁化學(xué)傳感器在環(huán)境分析、食品安全、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域已經(jīng)有所應(yīng)用，隨著相關(guān)理論研究的不斷深入以及與其他技術(shù)的進(jìn)一步結(jié)合，該傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步拓展和深入.

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Research progress of M agnetic chem ical sensors based on magnetic nanoparticles

YANG Yan，ZHOU Zhiguo，YANG Shiping
（College of Life and Environmental Sciences，Shanghai Normal University，Shanghai200234，China）

Magnetic chemical sensor based onmagnetic nanoparticles are a sensorswhich integrate offer nano/micro technology，chemical reaction，biotechnology and nuclearmagnetic resonance（NMR）technology.They can detect different kinds ofmetal ions，protein，micromolecules，bacteria，viruses，DNA，molecular interactions，cell，tumor and cancer.This paper gives amini review ofmagnetic chemical sensors，and then focuses on their application in detection.

magnetic nanoparticles；magnetic chemical sensor；relaxation time

O 657.2

A

1000-5137（2015）05-0556-07

（責(zé)任編輯：郁 慧）

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2015.05.017

2014-11-07

上海師范大學(xué)一般科研項(xiàng)目（SK201339）

楊仕平，中國(guó)上海市徐匯區(qū)桂林路100號(hào)，上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，郵編：200234，E-mail：shipingy@shnu.edu.cn