可視化仿生傳感器陣列研究進展*

楊一平，朱文靜，董家樂

(1.重慶大學 生物工程學院 生物流變科學與技術教育部重點實驗室，重慶400030;2.第三軍醫大學 第二附屬醫院(新橋醫院)藥理基地，重慶400037)

0 引 言

仿生傳感陣列系統是通過模擬哺乳動物味覺/嗅覺感覺過程，利用具有特異識別能力的化學敏感材料或者受體蛋白、受體細胞等敏感單元組成傳感陣列系統，采集其特征交叉響應信號，并進行數據處理和模式識別分析信號的人工傳感器系統［1］。該系統具有檢測精度高、范圍寬、不受環境濕度影響等優點，尤其是對多組分環境中微痕量分子檢測的敏感性和穩定性有較大突破。其中，基于可視化圖像處理技術的陣列系統通過將信號數據轉換為圖形或圖像的形式，相比傳統電信號具有噪音小、數據直觀和交互性強等優勢，更便于計量分析和模式識別過程，具有良好的發展前景［2］。

可視化仿生傳感陣列系統主要由傳感器陣列、信號處理模塊和模式識別模塊組成，其關鍵技術在于組成陣列的傳感元件的選擇。與傳統設計思路不同，可視化陣列傳感元件并不需要高特異性或者選擇性的與目標分析物結合，取而代之的唯一要求是，陣列中的傳感元件可以與不同分析物進行不同程度的結合［3］。因此，在陣列設計的過程中需要考慮下列因素:1)化學傳感器陣列每個傳感單元應具有一定的選擇性，以保證分析物能夠與其牢固結合，產生可以觀察的強相互作用;2)作用位點要有一個良好的生色基團與其配位，以保證陣列與分析物的響應能引起敏感元件色彩變化;3)陣列上的傳感單元必須具有交叉敏感效應，即每個傳感單元對不同的組分具有不同的響應能力;4)傳感器各項參數和相應信號穩定。利用各個傳感元件對分析物感應度的不同，從而形成一系列有差異的交互感應信號，并由此產生可用于分析的諸多模式，最終實現對目標物質甚至是混合物的檢測。因此，在現有敏感元件材料基礎上進行一定程度的理性設計，以保證其對目標分析物具有一定的親和力和選擇性，是仿生傳感陣列研究的熱點。

1 可視化仿生傳感陣列研究進展

1.1 指示劑取代分析陣列

指示劑取代分析(indicator displacement assays，IDAs)陣列是傳感器陣列構建的常用方法，具有高靈敏度、高特異性、制作工藝簡單以及檢測過程快速便捷等優點［4］。在IDAs 陣列中，指示劑通過可逆共價鍵或非共價作用與受體相結合，當受體-指示劑復合物與目標分析物相遇時，指示劑被目標分析物所取代，并導致光學信號變化。

1.1.1 金屬復合物IDAs 陣列

Buryak A 等人［5］基于 IDAs 技術，以有機金屬化合物Cp*Rh 為受體，樟花青、二甲酚橙和鈣黃綠素藍為指示劑，對20 種天然氨基酸12 個平行樣在750 nm 處吸收光強度采用線性判別分析(LDA)，以檢驗該傳感陣列的識別能力。其中，對檢測效果較好的組氨酸(His)、半胱氨酸(Cys)、甲硫氨酸(Met)、天冬氨酸(Asp)和天冬酰胺(Asn)LDA 識別的準確率達99.4%，對其余15 種氨基酸，LDA 識別的準確率也高達96.7%，顯示了陣列法對結構類似物較好的識別能力。Rochat S 等人［6］以 3 種常用金屬復合物［PdCl2(en)］，［{RhCl2Cp*}2］和［{RuCl2(p－cymene)}2］為受體，6 種熒光染料(鈣黃綠素等)為指示劑，構建了具有交叉響應識別作用的IDAs 陣列，用于識別水溶液中的多肽分子。通過多肽分子與熒光指示劑之間的競爭作用實現對多肽分子的特異性識別。該小組首先研究了6 種熒光染料與金屬復合物的結合常數，并用于檢測二肽分子，PCA 結果表明:該IDAs 陣列有很好的識別效果和重復性。同時利用相同陣列研究總濃度為50 μmol/L 的胰激肽(KD)和緩激肽(BK)混合物，發現其隨著濃度的變化，與PCA 因子2 線性相關，充分說明該交叉響應陣列在多肽及其混合物識別方面的巨大潛力。

1.1.2 分子印跡聚合物IDAs 陣列

分子印跡聚合物(molecularly imprinted polymer，MIP)技術具有預定性好、識別性高及制備簡單的特點，是目前最常用的樣品預處理技術之一，但是目前以下問題亟待解決:1)選擇性和交叉響應性問題;2)光學或電子學信號響應機理問題。可視陣列法反而可以利用交叉響應性提高傳感器系統的選擇性，實現對混合物體系的特異性定量檢測［7～9］。Greene N T 等人［8］首次構建了MIPs 陣列用于對生物源和藥用活性胺類的檢測。該研究小組使用甲基丙烯酸(Methacrylic acid，MAA)和乙二醇二甲基丙烯酸酯(Ethylene dimethacrylate，EGDMA)，以所檢測的胺類為模板分子，在甲苯中加入 1% 偶氮二異丁腈(2，2'－Azobis(2－methylpropionitrile)，AIBN)，得到由1 個空白印跡聚合物和7 個特異性分子印跡聚合物組成的MIPs 陣列。通過比較反應前后紫外可見光譜的變化，實現對胺類的特異性識別，準確性達到94 %。在后續研究中，利用指示劑取代原理，構建了一個由7 種分子印跡聚合物組成的彩色傳感器陣列系統［9］，在MIPs 上結合苯并呋喃(Benzofurazan dye)作為色彩響應信號分子，用于7 種結構類似的芳香胺的檢測，最低檢測限可達1 μmol/L，且線性判別分析的準確率達到94%。2 種方案均顯示出對目標物質的高親和性和對單個分析物高交叉響應識別能力。但IDAs 分子印跡陣列可以檢測無熒光活性和非模板類似結構分子，具有更廣泛的應用范圍和更高的應用價值。

Tan J 等人［10］基于苯基硼酸修飾的介孔硅基材，構建熒光指示劑取代分子印跡傳感器陣列，用于糖類的識別。MIP 聚合物是通過苯基硼酸修飾三乙氧基硅烷，并以D-果糖和D-木糖為模板分子進行制備，并利用IDAs 原理，以鄰二苯酚指示劑作為競爭性指示劑，通過測定其競爭性結合常數驗證MIP 的特異性識別能力。該小組構建的MIP 陣列由2 個印跡聚合物和1 個非印跡聚合物組成，用于8 種不同碳水化合物類的檢測，并用PCA 對檢測結果進行分析。結果表明:由3 檢測單元構成的MIP 陣列就可以有效實現對6 種碳水化合物的識別，通過增加陣列檢測單元MIP 的數量，可能更有利于對更多種碳水化合物的識別。

1.1.3 其他IDAs 陣列構成方式

Morgan B P 等人［11］以 2，6-二-［(二-2-嘧啶甲基氨基)甲基］-4-甲酚作為受體核心，與11 種商業指示劑構成指示劑取代陣列，用于在pH =7.4 生理條件下的無機磷離子的檢測。他們首先檢測了11 種指示劑-Zn2L1 復合物的解離常數(Kd)，發現 IDAs 陣列的 Kd分布于 2.8 × 10－4(茜素紅S)～2.7 × 10－6mol/L(溴鄰苯三酚紅)。利用此 IDAs 陣列檢測，發現溴鄰苯三酚紅、媒介藍9 和鋅試劑與Zn2L1 形成的IDAs 對磷酸鹽和焦磷酸鹽有很好的效果。因此，Morgan B P 等人指出較低的解離常數是對無機磷酸鹽檢測的關鍵，可據此構建特異性的無機磷酸鹽IDAs 陣列。

Schiller A 等人［12］采用不同的方法構建了新型的IDAs陣列，用于糖類的檢測。他們通過陰離子熒光染料，8-羥基芘-1，3，6-三磺酸三鈉鹽(8-hydroxypyrene-1，3，6-trisulfonic acid trisodium salt，HPTS)和6 種陽離子聯芐吡啶雙硼酸(Boronic acid appended bippridinium salts，BBVs)組成傳感陣列。當陽離子BBVs 和陰離子熒光染料復合時，有利于電子從染料向吡啶基團轉移，致使染料熒光強度下降。而當加入糖類分子之后，形成硼酸酯，會破壞已有染料-BBVs 結構，使熒光強度增加。熒光淬滅結果顯示，該類傳感器受體對同種物質的淬滅常數可能會差距2 個數量級。采用此陣列檢測12 種常見糖類，并用PCA 對熒光淬滅結果進行分析表明，該陣列可以有效鑒別2mmol/L 的糖類物質。該課題小組在后續工作中又指出［13］僅用3 種BBVs 構建的陣列，結合PCA，HCA 和LDA 方法對熒光淬滅結果進行分析，就可以實現對5 種磷糖類、4 種核苷核酸和3 種中性糖的有效識別，最低檢測限可達4 mmol/L。

1.2 主客體復合物分析陣列

主客體配位化合物中強調按被配合對象的特點來設計配體分子，將配體分子稱為主體，被配合的對象稱為客體。其中，主體分子可以根據客體分子的幾何形狀和特性進行選擇性識別結構設計，實現高選擇性的有機主體結構的設計［14］。Wright A T 等人［15］基于交叉響應識別原理，針對三肽的結構特點，通過對一個類似于馬蹄形結構受體的設計與修飾，構建了三肽的分析受體庫。該研究小組在以松香的三環結構為基地，以銅(II)離子為核心修飾了兩條三肽空間臂，一條空間臂的功能在于實現對目標三肽的特異性結合，另一條的功能在于產生信號響應。利用設計好的馬蹄形受體陣列檢測 His－Glu－Thr，His－Lys－Thr，Gly－His－Thr 和His－Gly－Thr 4 種三肽及其兩兩混合物，PCA 結果顯示該受體可以有效檢測三肽及其混合物，最低檢測限為6.5 μmol/L。在其后續研究中［16］，該團隊將修飾有受體結構的微球置于不同的指示劑中孵育10 min，以保證受體與染料的結合，之后將其置于含有三肽磷酸鹽的溶液中，從而篩選出具有特異識別作用的受體結構，并用Edman 法獲得受體氨基酸序列信息。通過獲得的5 種受體結構，并將其修飾于三維對稱結構上，結合3 種金屬離子和3 種指示劑，構建了45 受體單元的傳感器陣列用于檢測3 種三肽及其磷酸鹽。LDA 結果顯示:該陣列對三肽及其磷酸鹽識別的準確率高達100%。

Montes－Navajas P 等人［17］基于主客體識別體作用構建了新型超分子可視陣列傳感器。通過環糊精類和瓜環類物質包覆6 種指示劑，利用其與水體中的胺類物質形成的主客體絡合物在可見光/紫外下不同的顏色響應，實現對以往難以有效鑒別的14 種胺類物質的檢測。該小組利用環糊精和瓜環分子容器內環境與常規溶劑及本體環境的不同，所引起的選擇識別能力的差異，并采用可見光和紫外光作為光源，分別采集圖像得到其各自可視化可見光和熒光差圖，經過對比單個傳感單元RGB 值的變化實現了對分子結構接近的胺類的識別，檢測限達到10－5mol/L。之后，該研究小組又運用這種可視陣列傳感器系統首次的成功實現了對不同季胺鹽的識別［18］。他們以CB 為主體分子，原黃素6 種染料為客體分子，構建主客體分子不同聚合度的彩色傳感陣列，并采用可見光/熒光雙響應技術對14 種季銨鹽進行檢測，檢測限同樣達到10－5mol/L，成為季胺鹽識別領域的一大突破。之后，該研究小組還采用類似的彩色傳感陣列在可見光/紫外雙響應條件下，實現對 γ－羥丁酸(GHB)的檢測，最低檢測限可達10－5mol/L，遠低于現有技術的最低檢測限［19］。

1.3 基于微納米技術的可視化傳感陣列

微納米技術具有穩定性好等優點，為可視化傳感器陣列的發展提供了一種可行的新方案［20］。Kong H［21］等人基于化學催化發光的原理，以6 種金屬氧化物納米顆粒構建了可用于液體中有機成分模式識別的可視化傳感陣列。采用超聲霧化法將含有有機成分(糖類，有機酸和氨基酸等)的溶液霧化后通過納米催化顆粒陣列(SiO2，Y2O3，ZrO2，Sr－CO3，γ－Al2O3，MgO)，并采集其光信號強度、發光時間、波長以及光譜形狀等特征，LDA 結果表明:該陣列可用于對目標物質高可重復性的特異性檢測，對不同濃度樣本檢測結果表明該陣列的最低檢測限可達15 mmol/L，LDA 識別準確率高達100%。根據相似的原理［22］，以12 種納米金屬氧化物，5 種修飾了金納米顆粒的金屬氧化物，2 種修飾了碳納米管(CNTs)的金屬氧化物以及2 金屬碳酸鹽構成3 ×7 的傳感陣列，用于乙酸乙酯、乙酸丁酯和苯甲酸酯等共11 種香味物質的檢測。HCA 和LDA 結果表明此傳感陣列對11 種香味物質識別的準確率高達100%，且不受濕度的影響，最低檢測限可達 10 ×10－6，在 20～2 000 ×10－6體積分數范圍內具有線性關系，并對6 種品牌香煙也具有很好的檢測效果。

另外，通過直接對微納米材料表面進行修飾，構建基于微納米材料的傳感器陣列也是目前常用的一種方法［23，24］。如Sohn Y S 等人詳細介紹了一種新型微陣列的構建方法［23］，他們在聚苯乙烯-聚乙二醇(Polystyrene－poly(ethylene glycol)，PS－PEG)修飾不同的指示劑分子，在瓊脂糖微球表面修飾特異性受體，并通過微刻蝕方法在SiO2表面刻蝕便于液體通過的錐形通道，組成傳感器陣列。利用CCD 攝像機采集該微傳感陣列與目標物質反應后引起的顏色或熒光的變化，達到定性定量檢測的目的。利用此傳感器陣列系統，實現了對 H+，Ca2+和 Mg2+，葡萄糖，ATP，GTP 和 AMP，心臟病信號蛋白CRP 以及DNA 寡居核苷酸鏈等物質的定性定量檢測［24］。

除了直接利用納米顆粒，溶膠-凝膠法等常見納米材料制備方法也是納米傳感陣列構建的常見策略。如Palacios M A 等人［25］將8 種基于氫鍵的吡咯衍生物的超分子膜傳感器包埋入聚氨酯凝膠中，用于構建彩色傳感器陣列。聚氨酯凝膠的微納米結構可以富集溶液中的陰離子，使之與凝膠中的陰離子傳感器反應，最低檢測限可達10 μmol/L，另外PCA 結果也表明:該傳感陣列對含有陰離子的混合物也有很好的檢測效果，對含氟離子的牙膏品牌有100%的識別準確率，并證實該傳感器陣列對陰離子的敏感度順序是:氟離子＞磷離子＞羧基離子＞其他陰離子。

Suslick 等人采用溶膠-凝膠法構建彩色可視陣列傳感器，已成功的用于啤酒、軟飲料、甜味劑、咖啡香氣以及有毒有害氣體的研究中，顯示出可視陣列傳感器在復雜化合物體系識別中巨大的應用潛力［26］。其中，將微球制備技術引入到陣列芯片的制備中，將敏感材料首先微球化并點樣到疏水基底膜上構建彩色傳感器陣列用于對脂肪胺的檢測［27］。通過將四甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、乙醇、水、0.1 mol/L 鹽酸溶液以及pH 指示劑溶液按照質量比2∶2∶11∶28∶1∶40 的比例混合，通過超聲噴霧氣溶膠-凝膠法制備得到16 種染料的納米多孔微球體。將微球體染料點樣于疏水膜基底上用于脂肪胺的檢測，HCA 結果表明:該陣列可有效實現對11 種有類似結構脂肪胺的識別與鑒別，最低檢測限可達 100 ×10－9。在后續研究中［28］，他們采用類似的方法，通過使用苯乙基三甲氧基硅烷修飾卟啉陣列，三乙氧基(辛基)硅烷和甲基三乙氧基硅烷按照1∶1 的比例用于非卟啉分子的修飾，通過上述方法構建基于納米孔微球的彩色傳感陣列，并用于氨氣、二氧化硫和氯氣的檢測，最低檢測限可達到5 ×10－6，且 PCA 結果顯示，該陣列對不同濃度氣體的檢測結果具有很好的穩定性和區分度。

2 結束語

模擬哺乳動物嗅覺/味覺原理的仿生傳感器，通過將混合物作為獨立樣本進行檢測，利用各個傳感單元對樣本感應度不同，形成一系列有差異的交互感應信號，與已有數據庫數據進行對比后，即可用模式識別或者化學計量學分析對目標混合物進行鑒別。傳感陣列敏感元件要求要兼具特異性和敏感性，在已有研究中根據研究需要也各有側重［29］，其中，在側重高敏感性傳感器陣列構建方案中，所用材料如指示劑取代法大都為易制備或易獲取的材料，缺點在于難以通過調控材料的選擇性從而控制對目標物的特征響應信號，即不利于傳感元件與目標分析物間作用機理的研究;而側重高特異性可視仿生傳感陣列的構建則是基于具有特定選擇性的傳感元件，便于實現對目標物質的特異性識別，但是往往需要增加傳感器敏感單元數量急劇提高數據處理的難度。因此，為了實現對特定物質的高特異性和高選擇性識別，除了繼續尋找兼具高靈敏度和高特異性，且易于修飾改性的敏感材料之外，將2 種傳感器陣列根據實際需求相結合也是一種較好的解決方式。即將未知樣本首先經過敏感性檢測，獲得其定性或者半定量數據，再進行根據實際需求進行特異性檢測，從而實現對目標物質的種類鑒定和定量識別。

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