基于生物傳感的痕量炸藥檢測方法研究進(jìn)展

王子寒，劉 偉，施玲艷，何 璇，崔 升

（1. 中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621999；2. 南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211800）

0 引言

炸藥是戰(zhàn)爭和恐怖襲擊中常見的能量源，其強(qiáng)大的毀傷能力將造成慘重的人員傷亡及財產(chǎn)損失［1-2］。此外，硝基芳香族炸藥具有很強(qiáng)的化學(xué)毒性，長期接觸會引發(fā)癌癥、細(xì)胞變異、白內(nèi)障、皮膚刺激等健康問題［3-4］。其中，危險性和毒害性極高的2，4，6-三硝基甲苯（TNT）即使在微痕量狀態(tài)下，也容易通過皮膚進(jìn)入人體［5-6］，引起貧血和肝功能異常，已被美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）列為潛在致癌及重點(diǎn)防控對象［7-8］。同時，不同于普通的污染物檢測，炸藥屬于特殊?；?，其檢測場景更加復(fù)雜，除了靈敏準(zhǔn)確的獲知炸藥信息，還要求快速的現(xiàn)場檢測，才能為恐怖事件及時預(yù)警，為國家領(lǐng)土保駕護(hù)航，也為污染地的定性和環(huán)境修復(fù)提供適當(dāng)?shù)姆答仯?］。

痕量炸藥檢測的關(guān)鍵是利用分析物和傳感元件間的化學(xué)鍵合、物理吸附或分子反應(yīng)等相互作用，將生物信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭赏ㄟ^儀器讀取的光、電、磁等信號。目前，炸藥傳感元件主要有：有機(jī)小分子元件［10］，聚合物元件［11］以及生物酶、抗原抗體、DNA 適配體元件［12］。有機(jī)小分子元件的成本低，易于純化、重復(fù)性好、結(jié)構(gòu)修飾性強(qiáng)［13］，如芘基傳感器［14］，蒽基傳感器［15］，咔唑傳感器［16］，熒蒽基傳感器［17］，三苯胺基傳感器［18］等。但其大多是以分析物與熒光團(tuán)一一對應(yīng)的方式淬滅，無官能團(tuán)特征信號響應(yīng)，因此準(zhǔn)確性較低，容易誤判［19］。聚合物傳感元件多用于爆炸性氣體檢測［20］，靈敏性高，適用于低揮發(fā)性的炸藥；常用的聚合物包括聚乙炔［21］，聚苯胺［22］，聚合卟啉［23］，聚硅烷［24］等。其基礎(chǔ)原理在于通過冷凝捕獲爆炸性氣體并積聚在傳感元件中，當(dāng)達(dá)到閾值時，產(chǎn)生特異性響應(yīng)，發(fā)出報警信號。雖然聚合物傳感器在炸藥檢測中表現(xiàn)出色，但僅限于硝基芳烴類炸藥的檢測，且制備周期較長。利用生物或仿生識別成分（如抗體［25］、肽［12］、適配體［26］、酶［27］、多參量加載電子類似物［28］等）制備的生物傳感器具有選擇性良好、合成簡單、響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)［29］；且高度特異的生物識別成分有利于減輕復(fù)雜基底中樣品的交叉反應(yīng)，提高檢測的準(zhǔn)確性。因此，生物傳感器在炸藥檢測中表現(xiàn)出一定的應(yīng)用潛力，有望通過器件化開發(fā)出智能化傳感設(shè)備，在現(xiàn)場炸藥檢測中發(fā)揮靈敏、快速、痕量檢測能力。據(jù)此，本文基于生物傳感痕量炸藥檢測的研究，重點(diǎn)綜述了抗體免疫、肽、適配體、酶以及多參量加載5 大類生物傳感器的優(yōu)勢以及局限性，歸納了今后生物炸藥傳感研究的重點(diǎn)方向，為更好的開展高靈敏、快響應(yīng)、準(zhǔn)確的炸藥現(xiàn)場檢測提供技術(shù)支持。

1 生物或仿生識別元件

1.1 抗體

圖1 基于抗體生物傳感元件的炸藥檢測機(jī)制［35-36］（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)［35-36］）Fig.1 Mechanism for explosive detection based on antibody-based biosensing elements［35-36］（reproduced with permission from Ref.［35-36］）

相較于其他傳感器，生物傳感器因其特異性而具有更高的準(zhǔn)確度，但這也限制了其只對特定分析物進(jìn)行響應(yīng)。當(dāng)同時檢測多個待測物時，就需要攜帶不同的生物受體元件，這有悖于簡單便攜的基本理念。因此，在保證準(zhǔn)確性的前提下，提高抗體等生物傳感器多重檢測的能力極具挑戰(zhàn)性。Climent 等［37］開發(fā)了一種基于抗體-抗原相互作用的通用檢測系統(tǒng)，能夠同時檢測炸藥三過氧化三丙酮（TATP）、TNT 以及PETN。該檢測方式主要依賴于抗體與炸藥間的高度親和力，使其從介孔雜化材料表面移開，從而釋放出大量的指示劑分子。使用熒光閱讀器或智能手機(jī)可在5 min 內(nèi)讀出低至10-9M 的爆炸物，具有較廣的適用性。

利用生物傳感器進(jìn)行多重檢測可以極大提高分析通量，增加單次測定中獲得的信息量。但目前多重檢測的目標(biāo)物集中于蛋白質(zhì)、DNA、病毒等生物體系，對于炸藥等有害物質(zhì)的研究較少，未來可進(jìn)一步拓展至該領(lǐng)域。此外，隨著微流控和納米技術(shù)的發(fā)展，快速檢測、高靈敏、小型化便攜式的傳感器件將成為多重檢測生物傳感器的主流。

1.2 肽

肽是一種根據(jù)抗體結(jié)合位點(diǎn)而設(shè)計的氨基酸短鏈，具有更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，且更易于長期儲存和在惡劣條件下使用。此外，氨基酸多樣化的化學(xué)特性表明肽更適合作為目標(biāo)分子的受體［38-39］，但目前已確定的肽結(jié)構(gòu)有限，難以實(shí)現(xiàn)更新的應(yīng)用。

高特異性的生物傳感器常常設(shè)計有熒光或電化學(xué)特性的信報單元，將生物信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭煞治龅墓?電信號，實(shí)現(xiàn)對分析物的檢測。Li 等［40］制備了一個由肽、二硫蘇糖醇和6-巰基己醇組成的三元傳感器。由于三元組裝層提供了一個富含羥基的親水環(huán)境和高度緊湊的表面層，減少了肽的非共價結(jié)合以及TNT 在電極表面的非特異性吸附，所以該傳感器的檢測限（0.15 pM）相較于普通二元組分（0.15 nM）降低了三個數(shù)量級。Madhu 等［41］設(shè)計合成了一種二肽雙親化合物，分別在C 端和N 端與芘進(jìn)行共軛反應(yīng)，通過雙組份分子組裝成一維納米纖維并進(jìn)一步纏繞形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成熒光凝膠傳感器，如圖2 所示?；鶓B(tài)下，缺電子的硝基化合物通過供體-受體相互作用，與富電子的芘結(jié)合。在光激發(fā)下激發(fā)態(tài)電子進(jìn)入受體的低位LUMO，引起非輻射衰變而導(dǎo)致熒光猝滅，從而實(shí)現(xiàn)痕量TNB（13.4×10-6M）和TNT（17.8×10-6M）的檢測。該組進(jìn)一步將二肽雙親化合物應(yīng)用于薄膜傳感器，顯著降低了TNB（5×10-9M）和TNT（1×10-7M）的檢測限。

圖2 基于肽生物傳感元件的炸藥檢測原理［41］Fig.2 Mechanism for explosive detection based on peptide biosensing elements［41］

1.3 適配體

核酸適配體是一種單鏈寡核苷酸分子，能以高度特異性與靶目標(biāo)結(jié)合［42］。SELEX（指數(shù)富集的配體系統(tǒng)進(jìn)化）技術(shù)是篩選核酸適配體常見的手段，將隨機(jī)收集的單鏈DNA/RNA 序列暴露于目標(biāo)分子上，通過精確和特定的匹配形成共軛物，并經(jīng)分離、測序、擴(kuò)增和純化得到與靶目標(biāo)高度親和的適配體，以供進(jìn)一步使用［43-44］。

目前，適配體作為抗體的替代品，以類似的方式用于各種小分子診斷。Kong 等［45］合成了含有N-（4-氨基丁基）-N-乙基異魯米諾（ABEI）和Co2+的高化學(xué)發(fā)光磁珠（MBs），如圖3a 所示。ABEI 和Co2+通過羧基和靜電作用嫁接到MBs 表面，與H2O2反應(yīng)時能發(fā)出強(qiáng)烈的化學(xué)發(fā)光（CL），而適配體的加入會阻擋Co2+催化位點(diǎn)使得CL 強(qiáng)度下降。TNT 存在的情況下，適配體與TNT 緊密結(jié)合并從MBs 的表面脫離，暴露Co2+位點(diǎn)而恢復(fù)CL 信號?；谠摍z測方法，檢測限可以低至17 pg·mL-1。Roushani 等［46］將AgNPs 修飾的玻璃碳電極（GCE）用作基底并固定適配體，通過測量核黃素（RF）峰值電流的變化來實(shí)現(xiàn)對TNT 的檢測，檢測限低至3.3×10-17M，且具有高度特異性。

圖3 基于適配體生物傳感元件的炸藥檢測機(jī)理［45-47］Fig.3 Explosive detection mechanism based on aptamer biosensing elements［45-47］

Hu 等［47］利用CuNPs 的質(zhì)譜和熒光響應(yīng)，對TNT 進(jìn)行質(zhì)譜定量及熒光定性檢測。TNT 存在時，適配體和聚胸腺嘧結(jié)合成的單鏈DNA 能模板化形成CuNPs，結(jié)合熒光和質(zhì)譜技術(shù)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場定性以及實(shí)驗(yàn)室定量分析，如圖3b 所示。該方法能夠檢測PPT 水平的TNT，熒光和質(zhì)譜的檢測限分別為7.5×10-14M、1.4×10-15M。

無條件答應(yīng)雖然可以立即讓他停止哭鬧，但以后很難維持教養(yǎng)原則；即使有條件地答應(yīng)，寶寶也會把這種經(jīng)驗(yàn)當(dāng)成和媽媽“談判”的必然過程，同樣會產(chǎn)生教養(yǎng)問題。那么，怎樣提供一條沒有“后遺癥”的路呢？

1.4 酶

酶作為一類具有催化特性的核酸，可協(xié)同輔助因子裂解特定的底物。它一般通過體外選擇來識別分析物，不需要使用動物或細(xì)胞試管培育［48］。與前面描述的生物傳感器類似，酶對底物的高度特異性識別已被廣泛用于炸藥檢測［49］。雖然酶的特異性較抗體等生物元件略顯不足，但其催化特性適用范圍更廣，可用于分析其它方法無法檢測的炸藥。

Komarova 等［50］將大腸桿菌硝基還原酶用作生物傳感器的識別元件，利用其對硝基芳烴化合物的高度特異實(shí)現(xiàn)分析物的檢測，如圖4a 所示。結(jié)果表明，該傳感器對非芳香族硝化甘油、HMX 和RDX 沒有響應(yīng)，具有良好的特異性；但檢測限還有待降低（TNT 和四硝基甲苯為5×10-8M；1，3-二硝基苯為5×10-7M）。

除了利用酶的特異性對待測物進(jìn)行識別，還可以通過其催化特性實(shí)現(xiàn)污染物的降解從而修復(fù)環(huán)境。Karthikeyan 等［51］使用2，4-二硝基苯甲醚（DNAN）水解酶作為比色生物標(biāo)識物，檢測DNAN 并將其降解為2，4 二硝基苯酚（DNP），如圖4b 所示。通過高效液相色譜和紙基微流控裝置分別可以檢測低至100 μM 以及15 μM 的DNAN。

Oluwasesan 等［52］利用Fe、CeO2和AuNPs 組成一種新型的混合納米酶，利用適配體的選擇性來催化檢測DNP 并生成比色反應(yīng)，如圖4c 所示。該生物傳感器對DNP 的檢測限為2.4 μM，可以根據(jù)吸光度與DNP 濃度的線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)定量分析。

圖4 基于酶生物傳感元件的炸藥檢測機(jī)制［50-52］（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)［50-52］）Fig.4 Mechanism for explosive detection based on enzymatic biosensing elements［50-52］（reproduced with permission from Ref.［50-52］）

2 多參量加載

由于大多數(shù)炸藥受體的選擇性不強(qiáng)，可以通過多參量加載的陣列形式來創(chuàng)建類似于人工觸覺系統(tǒng)的響應(yīng)模式，進(jìn)而發(fā)展為電子類似物。電子類似物實(shí)現(xiàn)物質(zhì)識別的機(jī)制與生物觸覺信號傳導(dǎo)的工作原理類似［53］。如圖5 所示，電子類似物主要由非特異性受體傳感器陣列與模式識別系統(tǒng)組成，當(dāng)外界環(huán)境存在目標(biāo)物時，將會刺激特定類型的受體元件并將生物信號轉(zhuǎn)變成不同的分析信號［54］。雖然電子類似物解決了傳統(tǒng)檢測存在的生物疲勞、工作時間短、壽命有限等缺陷，但其也具有交叉反應(yīng)、干擾和環(huán)境變化引起的信號不穩(wěn)定等問題。

圖5 電子類似物與生物嗅覺系統(tǒng)工作原理的比較［54］（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)［54］）Fig.5 Comparison of mechanism for electronic analogues and biological olfactory systems［54］（reproduced with permission from Ref.［54］）

如圖6a～6c 所示，Zhao 等［55］基于手持式掃描儀和交叉反應(yīng)陣列構(gòu)建的比色電子鼻對硝基芳烴、芳香醛、芳烴、烷基醇、胺、酸等30 種分析物進(jìn)行氣相檢測。該陣列由40 個比色響應(yīng)傳感器組成，包括pH 傳感器、金屬染料、可溶性變色染料以及其它顯色傳感器，準(zhǔn)確度高達(dá)99.5%。如圖6d 所示，Zhao 等［56］開發(fā)了一種動態(tài)多通道比色傳感器陣列，可以高效區(qū)分DNT、PA、RDX、NTO、CL-20 等10 種炸藥。該傳感器能通過化學(xué)反應(yīng)和超分子間相互作用對一系列炸藥做出反應(yīng)，根據(jù)不同時間的吸光度，對每種炸藥創(chuàng)建分析指紋來進(jìn)行區(qū)分和識別。目前基于多參量加載陣列進(jìn)行爆炸物檢測的研究除了電子鼻之外，還有少數(shù)文獻(xiàn)報道了利用電子舌進(jìn)行硝基芳烴等炸藥的檢測。Tao 等［57］利用聚氨酯支持的可溶性共軛聚合物納米顆粒陣列構(gòu)建了電子舌傳感器，通過熒光猝滅快速區(qū)分水溶液中的硝基芳烴。電子舌對10-4M 下的硝基芳烴表現(xiàn)出高度靈敏，快速響應(yīng)且準(zhǔn)確率達(dá)到100%，表明該熒光電子舌有望快速識別廢水中的硝基芳烴以供現(xiàn)場檢測。

圖6 多參量加載生物傳感元件的炸藥檢測機(jī)理［55-56］（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)［55-56］）Fig.6 Explosive detection mechanism for multiparametric loaded biosensing elements［55-56］（reproduced with permission from Ref.［55-56］）

目前，地雷和簡易爆炸裝置的探測大多是通過操作人員現(xiàn)場搜尋，這種搜尋方式對現(xiàn)場作業(yè)人員的生命存在非常大的安全危險，加之探測非金屬地雷的能力有限且極易出現(xiàn)假陽性識別，故而需要發(fā)展新檢測方法準(zhǔn)確安全地進(jìn)行地雷探測。Belkin 等［58］基于仿生遙感的細(xì)菌傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)距離地雷探測，通過大腸桿菌作為報告菌株，能夠在微摩爾水平上檢測氣相TNT及2，4-二硝基甲苯（DNT）?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)表明，工程生物傳感器在地雷防區(qū)探測中極具應(yīng)用潛力，結(jié)合無人機(jī)等遠(yuǎn)程設(shè)備可進(jìn)行遠(yuǎn)距離大面積的掃描檢測。

3 結(jié)論和展望

本文綜述了近年來基于生物傳感痕量炸藥檢測的最新進(jìn)展，重點(diǎn)討論了抗體免疫、肽、適配體、酶以及多參量加載的炸藥生物傳感技術(shù)，生物傳感具有較其他傳感技術(shù)更好的特異性及準(zhǔn)確性，使得其在炸藥檢測領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力：

（1）交通樞紐和邊境管控要求傳感器具有高靈敏、高選擇性、快響應(yīng)以及便攜性?；谶m配體等生物受體制成的傳感器在滿足上述要求的同時，與表面增強(qiáng)拉曼、質(zhì)譜、熒光等技術(shù)聯(lián)用，優(yōu)勢互補(bǔ)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測方式中生物疲勞、工作時間有限的缺陷，可廣泛應(yīng)用于國土安全等領(lǐng)域。

（2）環(huán)境監(jiān)測通常需要高靈敏度和高選擇性的傳感器來保證檢測的準(zhǔn)確性，對檢測速度要求不高。而適配體等生物識別元件的高特異性可以減少復(fù)雜基底（如土壤、液體）中樣品交叉反應(yīng)的問題，從而提高檢測的準(zhǔn)確性。

盡管生物傳感器表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，但在其技術(shù)開發(fā)方面仍需要進(jìn)一步的改進(jìn)，例如：

（1）多重檢測生物傳感器。生物傳感器具有高度特異性的同時也限制了它只對特定的目標(biāo)物響應(yīng)，在同時檢測多種分析物時，就需要攜帶和使用相應(yīng)的生物受體元件，這有悖于簡單便攜的基本理念。因此，在保留便攜性的同時結(jié)合高通量分析以實(shí)現(xiàn)多種待測物同時檢測是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。

（2）仿生遙感生物傳感器。針對于某些特定的應(yīng)用場所，例如戰(zhàn)場或雷區(qū)的炸藥檢測，最重要的是能夠在較遠(yuǎn)的距離進(jìn)行安全探測?；谶m配體等生物受體構(gòu)筑高通量的痕量炸藥傳感系統(tǒng)，并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)制備出具有仿生遙感性能的生物傳感器，為解決炸藥產(chǎn)生的威脅提供技術(shù)支持。