磁弛豫開關技術在生物檢測應用中的研究進展

張錦勝，吳斌，鄒燈超，金玲，胡立文

（南昌大學中德食品工程中心，江西南昌 330047）

近年來，一種基于磁弛豫開關（Magnetic Relaxation Switch，MRS）技術的生物分子檢測方法受到了廣泛的關注。該方法是通過水質子弛豫時間的變化來判斷待測物的有無。而影響磁弛豫開關技術在生物檢測過程中弛豫信號變化的主要因素是磁性納米粒子，因此，有關磁性納米粒子的生物傳感器也得到了越來越多的研究[1～4]。磁性納米顆粒表面含有許多化學鍵，通過靜電/共價修飾生物配體（抗體、核酸等），能特異性識別目標物，可作為檢測目標物的探針。通過對納米顆粒的磁核組成、粒徑和磁學性能進行調控，使得納米粒子已經廣泛應用于各種生物傳感器中[5]。迄今為止，已經發展了許多使用磁性標記物檢測生物分子的方法[6]，主要分為兩大類，一種是基于納米顆粒本身的效應直接檢測，例如基于巨磁阻效應（Giant Magnetoresistive，GMR）的GMR傳感器[7,8]和基于弛豫原理的超導量子干涉儀(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)[9]。另外一種是基于磁性納米顆粒對弛豫時間（T1/T2）的影響而間接測定。在磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）技術中，磁性納米粒子用作造影劑，可增強正常組織和病變組織之間的信號差異，結合MRI用于疾病的早期診斷[10,11]；與生物配體結合制備成傳感器探針，當有目標物存在時，目標物和探針相互作用使顆粒由分散態變成聚集態，引起周圍水分子轉動時相位差發生變化，造成水分子的橫向弛豫時間T2變化，基于T2的變化可實現對目標物的檢測。磁弛豫開關技術檢測的是磁學信號，而一般的生物樣品磁學信號基本可以忽略，因此該檢測方法有效的避免了復雜基質的干擾，適用于成分復雜、渾濁的生物樣品的直接測定。同時，該技術涉及的免疫反應為均相反應體系，無需固液分離，減少了傳統酶聯免疫中的洗板和顯色等步驟，縮短檢測時間[12]。目前磁弛豫開關技術已經廣泛應用于蛋白質[13～15]、微生物[16]、核酸[17]、小分子[18]等生物分子的檢測；在醫療診斷、食品安全，環境分析等領域也都有著廣泛的用途。本文主要從磁性納米探針與待測物結合后，對水質子弛豫時間的影響方面綜述了磁弛豫開關技術在生物檢測應用中的研究進展。

1 磁性材料的弛豫特性

生物傳感器中使用的磁性材料主要分為三類，第一類是金屬氧化物，如FeO、Fe3O4、Fe2O3、Co3O4；第二類是金屬材料，如過渡金屬元素中的鎳，能同時表現出優良的磁學性能和催化活性；第三類是合金，如Fe56Co7Ni7B20Nb10，是一種無定形態結構，能同時綜合各種金屬的磁學性能[19]。磁弛豫開關技術中使用的磁性納米材料主要是鐵的氧化物，包括 Fe3O4、Fe2O3、γ-Fe2O3。磁性材料尺寸達到納米級后就會表現出順磁性或超順磁性，即納米粒子在場強為H的外加磁場中，納米粒子會被磁化，對外表現出磁性，磁化強度M與H的關系為，M=χH，χ為物質的磁化率。外加磁場撤出之后，納米粒子的凈磁矩為零，對外不表現出磁性。這種現象產生的原因是納米顆粒由單晶疇組成，單個磁疇的磁矩取向不同，正好相互抵消，使總磁矩為零。同時，在外加磁場中，每個磁納米顆粒都會產生一個很大的磁偶極子，由此產生的局部磁場梯度引起外部磁場的不均勻性。當水分子通過此不均勻磁場時，其質子會加速弛豫，引起弛豫時間T1/T2變化[20]，而該變化可以通過核磁共振（NMR）技術量化。對大多數磁性納米顆粒而言，橫向弛豫率r2顯著大于縱向弛豫率r1，故基于弛豫時間的傳感器中，一般測定的都是T2的變化。磁性納米材料的弛豫特性不僅與納米材料本身的弛豫率有關，而且還與納米材料的存在狀態相關，如納米粒子由分散態變成聚集狀態的時候，橫向弛豫率加強，引起橫向弛豫時間T2的變化[21]。

2 磁弛豫開關檢測技術的原理

磁弛豫開關[22]是Weissleder課題組在2001年發現，該課題組設計了四種模型，對該現象進行進一步研究，包括 DNA-DNA、蛋白質-蛋白質、蛋白質-小分子和酶的催化[12]。研究發現，在這四種分子的相互作用下，納米粒子都會聚集，從而導致橫向弛豫時間T2的變化，這四種模型的建立為各種生化樣品的分析奠定了基礎。磁弛豫開關技術中制備傳感器使用的磁性顆粒包括納米顆粒（d=1～100 nm）和微米顆粒（d=250～5000 nm），根據納米顆粒和微米顆粒聚集引起橫向弛豫時間的改變的不同，分為Ⅰ[23,24]型和Ⅱ[25]型，即納米顆粒聚集會使T2減少，微米顆粒聚集會使T2增加。針對這兩種現象，國外有學者提出著名的“球外擴散理論”[26,27]，詮釋了產生這兩種現象的原因。“球外擴散理論”中有兩個比較重要的參數，第一個是Dw，磁性顆粒表面赤道線處質子和內部質子所處局部場強之間的角頻率差，Dw=m0M g/3，m0-真空磁導率，M-顆粒磁化強度，g-質子的磁旋比。第二個參數是tD，球周圍水分子的擴散時間，tD=Ra2/D，Ra-球體半徑，D-水分子擴散系數。納米粒子的平均運動條件滿足tDDw＜1，橫向弛豫時間 T2降低。微米顆粒的平均運動情況滿足tDDw＞1，故隨著微米顆粒的聚集表現出T2增加的現象[28～30]。

3 磁弛豫開關檢測技術在生物檢測應用中的研究進展

3.1 磁性顆粒的生物學修飾

磁性顆粒的生物學修飾是磁弛豫開關技術檢測生物分子的前提，將生物親和分子修飾到磁性顆粒的表面，賦予其識別目標物的能力。磁性顆粒生物學修飾的方法有很多，大體上分為直接修飾和間接修飾。直接修飾又分為物理吸附和共價偶聯。物理吸附是指蛋白質等生物親和分子和納米材料間的疏水作用和靜電作用；共價偶聯是指在納米顆粒的表面修飾硫化物、氨基或羧基，通過這些基團與生物親和分子之間形成共價鍵從而實現納米顆粒的生物學修飾[31,32]。間接修飾則需要一對具有強親和力的分子，比如生物素-親和素，鏈霉親和素-生物素。先用親和素/鏈霉親和素包被納米材料，再將需要檢測的生物親和分子標記生物素，通過親和素/鏈霉親和素和生物素間接達到修飾磁性顆粒的目的。

3.2 磁性顆粒由分散狀態變成聚集態的方式及其應用

表1 磁弛豫開關技術在生物樣品檢測中的應用Table 1 Summary of the application of MRS technology in the detection of biological samples

磁性顆粒生物學修飾后能特異識別某一物質，引起磁性顆粒的狀態由分散狀態變成聚集狀態，使得橫向弛豫時間T2改變。根據引起磁性顆粒由分散狀態變成聚集狀態的原因可以分為，抗原-抗體、凝集素-受體、DNA互補序列、配位化合物、親和素/鏈霉親和素-生物素及其它方式。目前應用更廣泛的是磁性納米顆粒，因此也就成為人們研究的主要對象。圖1主要介紹抗原-抗體、凝集素-受體、DNA互補序列、配位化合物引起的磁性納米顆粒的聚集方式。表1總結了磁弛豫開關技術在生物樣品檢測中的應用。

圖1 磁性納米顆粒聚集的方式Fig.1 Types of magnetic nanoparticles aggregation

3.2.1 抗原-抗體

基于抗原-抗體之間的特異性反應是使磁性顆粒由分散態變成聚集態最常用的方式，已被廣泛用于大分子蛋白、小分子、致病菌的檢測[33]。基于抗原-抗體之間的相互作用引起磁性顆粒聚沉最初由Weissleder[5]等人發表在Nature biotechnology上。Perez[12]等人將綠色熒光蛋白（Green Fluorescent Protein，GFP）的抗體修飾到磁性納米顆粒上，加入GFP時，納米粒子由分散態變成聚集態，T2降低的多少與其加入量和反應的時間相關。該方法檢測靈敏度高，檢測限能達到納摩爾級。Grace[34]等人利用磁共振傳感技術定性和定量分析人絨毛膜促性腺激素（human Chorionic Gonadotrophin，hCG)，用于前列腺癌和卵巢癌的早期診斷。人絨毛促性腺激素的配對抗體通過共價鍵修飾到磁性納米顆粒上，加入目標物后，配對抗體特異性識別目標物上的抗原，形成一個雙抗夾心結構，即“納米粒子-C95-hCG-C9-納米粒子”，引起納米粒子聚集，檢測限達到3.6 nmol/L。該技術結合芯片技術可以實現快速，高通量的檢測，Cai[35]等以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）為材質研制了小型、高通量的芯片成像單元，結合磁共振成像儀（MRI）對18個樣品同步分析，僅需26 min。

小分子物質表面含有的抗原比較少，在檢測時利用競爭性免疫反應檢測其含量，這種方法首先用于葉酸和流感血凝素肽的檢測[36]。首先，將需要檢測的小分子修飾到磁性納米顆粒表面，分別加入葉酸和流感血凝素肽的抗體，磁性顆粒由分散態變成聚集態，這時加入的葉酸和流感血凝素肽與磁性顆粒上的葉酸和流感血凝素肽競爭抗體，磁性顆粒又由聚集態變成分散態，T2增加。該方法檢測葉酸和流感血凝素肽，其檢測限分別為3 nmol/L和50 nmol/L。研究還發現，當通過一個半透膜裝置去除溶液中的小分子檢測物時，磁性顆粒又會從分散態變成聚集態，通過這種方法可以對子物質實施實時檢測。根據這個原理，Karen[37]等設計了一套可植入裝置用于實時監測人絨毛膜促性腺激素（hCG）蛋白的濃度。

磁共振傳感技術最初應用于蛋白、病毒，DNA序列、小分子的檢測，Perez[38]課題組將該項技術應用于致病菌的快速檢測。將磁性納米顆粒表面包被抗體，用于牛奶和血清中Mycobacterium aviumspp. (MAP)的檢測。該方法檢測快速、靈敏度高，檢出限為15.5 CFU/10 μL，遠低于傳統的檢測方法。該方法特異性強，加入金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、糞腸球菌等6種菌T2不會發生顯著的變化。Perez等人還發現，向分散態的磁性顆粒中加入少量的目標菌時，納米顆粒迅速團聚，T2降低。而加入足量的目標菌時，游離存在的目標菌和磁性顆粒上抗體結合的目標菌產生競爭關系，使磁性顆粒由聚集狀態變成相對分散的狀態，T2增加，所以磁弛豫開關技術適合微量目標物的檢測。該檢測方法的檢測靈敏度與磁性顆粒的聚集狀態和磁矩相關。Zhao[16]等為了提高檢測的靈敏度，用多克隆抗體修飾磁性納米顆粒，檢測奶粉中的阪崎腸桿菌（Cronobacter sakazakii）。加入目標菌后，多克隆抗體修飾的磁性納米顆粒能識別阪崎腸桿菌上不同的抗原，導致更多的磁性顆粒聚集在微生物表面，聚集程度增加，檢測限低至1.1MPN，菌液濃度為11～11000 MPN 時有很好的線性關系。Zhao[39]等通過人工合成Fe/Fe3O4納米粒子，Fe/Fe3O4納米粒子與普通的納米粒子相比，擁有更大的磁矩[40]，磁性顆粒聚集時對水質子橫向弛豫時間的影響更大，從而提高檢測靈敏度。作者將單增李斯特菌的抗體修飾到Fe/Fe3O4納米粒子上用于檢測單增李斯特菌，靈敏度顯著提高，檢測限為3MPN[39]。磁共振傳感技術與微生物檢測中廣泛應用的酶聯免疫吸附測定（Enzyme-linked Immuno Sorbent Assay，ELISA）技術相比也有明顯的優勢。Wang[41]等將納米粒子用腸沙門氏菌的抗體修飾，用于檢測腸沙門氏菌，同時與ELISA技術相比較。研究結果表明，該方法在菌液濃度為 5×103～5×105CFU/mL時有很好的線性關系，檢測限為 103CFU/mL，而ELISA的檢測限為2×104CFU/mL，磁弛豫開關檢測技術比ELISA方法的檢測限低20倍，同時該方法檢測速度更快，僅需20 min，而ELISA需要2～4 h。

3.2.2 黏附素（凝集素）-受體（糖類）

凝集素是指非免疫來源的糖結合蛋白或糖蛋白，能特異性與專一的糖基結合，具有使細胞凝集或糖類復合物沉淀的特點。一種凝集素具有對某一特異性糖基專一性結合的能力，如伴刀豆蛋白A與α-D-吡喃糖基甘露糖(α-D-Mannopyranosy)結合；麥芽素與N-乙酰葡萄糖胺(N-acetyl glucosamine)結合。利用凝集素與受體結合的性質，將凝集素或糖類修飾到磁性納米粒子上，制備成傳感器探針，用于目標物的檢測[42]。Kong研究組[43]等建立了酸性糖蛋白(A1-acid Glycoprotein，AGP)的MRS檢測方法，該研究克服了MRS檢測方法中因磁性顆粒和分析物比例不合適而引起的前區效應(Prozone effect)，避免檢測物直接和磁性顆粒反應，從而保證 MRS方法的準確性。該方法的檢測限可達0.66 nmol/L，低于人體酸性糖蛋白AGP的正常水平。凝集素與碳水化合物結合的速率與凝集素結合位點結構、數目和空間排布相關，結合 MRS技術可以用于凝集素種類的鑒定。Kulkarni[44]等用α-甘露糖苷修飾磁性微米顆粒，用于鑒別伴刀豆蛋白A和雪花凝集素（GNL）。雪花凝集素A與α-甘露糖苷有12個結合位點，而伴刀豆蛋白A只有4個結合位點，加入雪花凝集素后磁性顆粒聚沉的速率明顯大于加入伴刀豆蛋白A。

3.2.3 DNA互補序列

磁弛豫現象是Weissleder課題組通過DNA序列互補配對，引起磁珠聚集而發現的。該課題組[22]通過共價修飾將兩條有 12個堿基的寡聚核苷酸修飾到納米磁珠上，加入與之互補有24個堿基的寡聚核苷酸，發現納米磁珠聚沉，同時引起水質子橫向弛豫時間T2降低。納米磁珠修飾寡聚核苷酸，通過堿基互補配對而引起T2變化，可以用于檢測目標物的特定核苷酸序列，從而對目標物質進行檢測。Xu[45]等利用修飾的納米材料為探針，結合磁共振成像(MRI)技術對重金屬離子Pb2+進行檢測。作者將兩條有12個堿基的寡聚核苷酸修飾到羧基化磁性納米顆粒上，加入含有互補序列的脫氧核酶，納米粒子聚集。鉛離子作為脫氧核酶的輔酶因子，當鉛離子存在時，酶的活性被激活，DNA片段被切割，納米粒子變成分散態。該方法的檢測速度快，檢測限為0.05 ng/mL。MRS技術檢測速度快，結合配套的設備可以用于物質的即時檢測。Liong[17]等設計了一個檢測系統，先提取結核分枝桿菌的DNA片段，通過PCR擴增目的序列，與目標DNA序列互補的寡核苷酸修飾的微米和納米磁性顆粒目標DNA結合，引起T2變化。該方法檢測時間短，只需2.5 h，檢測限低至103CFU/mL。基于堿基互補配對而引起磁性顆粒聚沉，還可以用于檢測特定的 PCR產物。Alcantara[46]等用 DNA序列修飾磁性納米顆粒，根據T2的變化檢測特定的PCR產物，同時結合熒光分析。結果表明，該方法特異性好，檢測限為 0.02 fmol/L，比常規熒光低。

3.2.4 配位化合物

有些物質能特異性和重金屬離子形成配位化合物，如β-胸腺嘧啶核苷能特異性和Hg2+形成配位化合物[47]。根據這種特性，將該種材料修飾到納米粒子表面，利用磁共振檢測技術就能對重金屬離子進行檢測。Yang[48]等人將β-胸腺嘧啶核苷修飾到納米粒子上，加入 Hg2+，橫向弛豫時間 T2的變化。作者通過激光粒度分析儀和原子力顯微鏡闡述這一現象的原因，結果表明，加入Hg2+后，納米粒子團聚，粒徑平均粒徑由114 nm增加到213 nm。同時研究還發現該方法的特異性好，加入其它的干擾離子，如Cu2+、Ni2+、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Zn2+、Pb2+，則不會顯著引起 T2的變化。這一發現，為重金屬離子的檢測開辟了一個新的方向。Zhang[49]等人利用1-[2-氧代-2-(3,4-二羥基苯基)乙基]-1,2,3-三唑-4-甲酸乙酯(ETC)能與Cd2+特異性結合的特點，通過共價修飾將 ETC修飾到 Zn、Mn摻雜的Fe3O4納米粒子表面，用于檢測細胞中Cd2+的濃度。結果表明該方法的特異性好，靈敏度高，檢測限低至3.5 nmol/L。Zhang[50]等人合成Au-Fe3O4納米粒子，對納米粒子修飾ETC，同時利用Au的光學特性和Fe3O4的弛豫特性對Cd2+進行快速檢測。研究結果表明，利用Au的光學特性，Cd2+的檢測限為3.20 μmol/L，這比美國環境保護署（EPA）的標準要高，但該方法檢測速度快。利用 Fe3O4的弛豫特性，Cd2+的濃度在110 μmol/L以下有很好的線性關系，檢測限為 2.64 μmol/L。

3.2.5 親和素/鏈霉親和素-生物素親和素是一種由 4個相同亞基組成的堿性糖蛋白，鏈霉親和素是四聚體蛋白。一分子親和素/鏈霉親和素可以高度特異性地與四分子生物素結合，兩者之間的親和力極為強烈，親和常數（K）為1015mol/L，比抗原與抗體之間的親和力（K=105～1011mol/L）至少高一萬倍[51]。Perez[12]將親和素-生物素特異性結合的特點與 MRS技術結合起來，用于酶的活性分析。作者將生物素化的 DVED肽段和親和素分別修飾到不同的磁性納米顆粒上，將這兩種磁性顆粒混合，基于親和素-生物素的特異性結合，磁性顆粒聚集，此時加入能催化DVED肽段的酶，在酶的作用下，DVED肽段被分解，引起納米粒子由聚集態變成分散態，導致橫向弛豫時間T2增加。基于這個特點，可以用于酶的活性分析。Zhao[52]等人將胰蛋白酶能特異性識別的肽段生物素化，磁性納米顆粒用親和素修飾。利用親和素-生物素特異性結合的特點，分析胰蛋白酶的活性，同時用高效液相色譜法（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）測定底物的水解程度，作為參照。研究結果表明，T2的變化與底物的水解程度相關。類似的原理，還可以用于腎素、基質金屬蛋白酶2（MMP-2）活性的分析。基于親和素/鏈霉親和素特異性結合的特點，也可以用于物質的快速檢測。Chen[53]等人基于鏈霉親和素-生物素系統檢測牛奶中的卡那霉素（KM），一分子鏈霉親和素能和四分子生物素化連接抗體的磁性顆粒結合，即一分子鏈霉親和素能和4個磁性納米顆粒間接連接，增強了納米磁性顆粒的聚集程度。研究結果表明，KM 的線性檢測范圍為1.5～25.2 ng/mL，檢測限為0.1 ng/mL。且檢測時間短，僅需45 min，顯著低于酶聯免疫法的檢測時間（6～8 h）。

3.2.6 其它結合方式

一些抗生素修飾到磁性顆粒上，加入其目標物，也能引起磁性顆粒聚集。如萬古霉素，一種糖肽類抗生素，它可以與許多革蘭氏陽性菌形成緊密的連接，其機制是通過細胞壁上的端肽D-Ala-D-Ala的氫鍵與萬古霉素聯接[54]。Lee[55]等人將萬古霉素修飾到磁性納米顆粒上，結合芯片技術和 MRS技術，用于檢測金黃色葡萄球菌。研究結果表明，加入金黃色葡萄球菌后，納米粒子團聚，T2有顯著性的變化，T2的變化與金黃色葡萄球菌的濃度有很好的線性關系。該檢測系統所需樣品量少（5～10 μL），檢測速度快（＜15 min），可以用于微生物的快速篩選。

4 展望

磁共振傳感技術因具有高選擇性、高靈敏度以及能在不透明、渾濁的介質中能夠實現對生物分子的檢測等特點，并且磁性納米顆粒表面能修飾不同的靶向物質，使得磁弛豫開關技術在生物檢測方面得到了廣泛的應用，若同時結合核磁共振成像（MRI）技術，還能對物質進行高通量檢測。然而，磁弛豫開關技術在生物快速檢測中，仍存在一些問題值得研究：（1）可植入小型磁共振檢測傳感器的制備：我們通過對磁性納米粒子進行功能化修飾，用來標記待檢測生物分子，可作為影響磁共振信號變化的磁共振對比劑。然而這種傳感器目前受檢測傳感時間的持續性、磁性顆粒、生物分子的不可逆聚集以及其它生物分子的污染等方面的限制，還需對其做進一步改進。（2）不同種類樣品的高通量篩選：磁弛豫開關檢測技術結合 96孔板/芯片和MRI技術，可以一次檢測數百個樣品。然而目前受磁性納米顆粒修飾材料的限制，一次無法完成多樣品的檢測，因此待測物多樣且快速的檢測可作為磁弛豫開關檢測技術今后發展的一個重要方向。（3）儀器成本：磁共振成像（MRI）儀因價格昂貴，難以廣泛投入到實際應用中；而臺式核磁共振儀價格相對便宜，但無法對樣品進行平行測定。因此為解決以上問題，核磁共振儀以后的發展方向需要朝著小型化發展，同時也需要結合其他技術，如芯片技術，使之能夠實現高通量測定。