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?；诖诵再|，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實現(xiàn)Fe2＋/Fe3＋價態(tài)轉換和改變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等將Fe3＋與SCN－之間的絡合反應引入Fe2＋/Fe3＋介導的MRS傳感器中，將Fe2＋轉化為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等也將Cu2＋/Cu＋作為磁信號探針，基于Cu2＋和Cu＋的轉換引起磁信號改變，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＋的轉化。Wang等以Mn2＋/Mn7＋磁信號探針構建了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與目標物的相關性關聯(lián)，該ALP可以將抗壞血酸酯去磷酸化，進而轉化為具有還原性的抗壞血酸，而抗壞血酸可以將Mn7＋轉變?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。試驗結果發(fā)現(xiàn)，相比于Fe2＋/Fe3＋GMRS和Cu2＋/Cu＋GMRS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化為氧化還原劑(例如，葡萄糖經(jīng)葡萄糖氧化酶催化后產生H2O2)都能夠實現(xiàn)順磁離子的價態(tài)轉換，因此該類傳感器可以檢測一系列的目標物，并且可以結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，是快速檢測領域一個新的開發(fā)點。

2.3基于新型磁探針的MRS構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，已有多篇關于新型磁探針的合成、表面修飾、可控組裝及相應MRS構建的報道。Xianyu等制備了不同磁信號強度的新型磁探針，實現(xiàn)了食品基質中不同限量標準抗生素的線性可調檢測(pg/mL~μg/mL)(圖４A)。利用點擊化學反應將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度的磁探針。

當目標抗生素存在時，能夠與“MNPGBSAG目標抗生素”競爭性結合偶聯(lián)單克隆抗體的磁探針(可調)，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實現(xiàn)了整個方法線性范圍的可調(pg/mL~μg/mL)，可以實現(xiàn)質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。

為了實現(xiàn)高靈敏和快速檢測的有機統(tǒng)一，Xianyu等近期構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)狀樹枝結構的“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)同效應為多重信號放大過程。將該磁探針與競爭性免疫反應相結合，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G質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ROS存在時，PEGGBR包覆層能夠被氧化為水溶性的PEGG膽綠素，并進一步被氧化為終產物，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，產生狀態(tài)變化，從而實現(xiàn)ROS的定量分析。研究結果表明，PEGGBR＠SPIONs磁探針具有高膠體穩(wěn)定性，能夠實現(xiàn)生理學環(huán)境下ROS的高靈敏分析，在臨床診斷領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微流控芯片技術又被稱為芯片上的實驗室(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，在生化分析、臨床診斷、公共衛(wèi)生監(jiān)測等方面應用廣泛。Weissleder課題組將微流控芯片技術、磁生物傳感技術與微型核磁共振儀結合開發(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、微型核磁共振電子器件和用于產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)可被設計為獨立便攜的設備，能夠實現(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品(DMRG１)，該課題組還對其進行了升級，例如第二代DMR系統(tǒng)(DMRG２)、第三代DMR系統(tǒng)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。

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，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域，對快速檢測技術的發(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建新型磁弛豫生物傳感器的基礎，能夠從根本上推動磁弛豫傳感技術的進一步發(fā)展，也是本領域研究人員需要持續(xù)關注的重點。

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