顏色傳感陣列的應用研究進展

馬財萬，蔣 姝，王康銳，方 英，王白雪，黃承洪

(1.重慶科技學院 化學化工學院，重慶 401331；2.重慶輕工職業學院 食品藥品系，重慶 400065)

顏色傳感陣列是近年發展起來的一種基于模擬哺乳動物的嗅覺或味覺能力來進行檢測揮發性有機物(Volatile organic compounds,VOCs)的新方法。它先將染料制成網格狀印刷在膜或板狀平面上，成規則排列，然后被檢物與染料通過分子間相互作用(路易斯酸堿、Bronsted酸堿、范德華力、π-π 鍵等)結合后，經光學照射呈現出可視化圖譜，再根據反應前后或者不同濃度得到的差別圖譜，實現對被檢物定性或定量檢測[1]。與傳統的檢測方法(氣相色譜、GC-MS)相比，顏色傳感陣列不但靈敏度高、結果直觀可見，還以其造價低、響應快、易于小型化等優點，日益得到重視。

2000年，Suslick等[2-3]首次提出可以模擬哺乳動物嗅覺系統來構建顏色傳感陣列與VOCs發生反應，通過對比反應前后陣列顏色變化形成的差譜圖，實現對VOCs定性和定量檢測[4]。目前，顏色傳感陣列已經應用于工業有毒氣體[5-6]、胺類[7]、糖[8]、水中有機物[9]的檢測。本文綜述了近年來顏色傳感陣列在醫療、食品方面的研究和應用狀況，并展望了未來其研究前景。

1 顏色傳感陣列的應用

1.1 顏色傳感陣列在醫學方面的應用

1.1.1 檢測VOCSs氣體

顏色傳感陣列檢測人呼出氣中成分可以實現對某些疾病早期輔助診斷[10]。Mazzone 等[11]通過顏色傳感陣列識別肺癌患者呼出氣中特殊的VOCs，來評估顏色傳感陣列的檢測能力。侯長軍課題組[12]篩選出4種肺癌標志物(苯乙烯、1,2,4-三甲基苯、正丁烷、正戊烷)和36種對其標志物有不同光譜響應的敏感物質，建立顏色傳感陣列來檢測標志物。結果表明，顏色傳感陣列可以快速有效檢測識別出肺癌標志物，印證了某些VOCs與肺癌的發生、發展與轉歸具有病理聯系。此外，Li等[13]還篩選了9種醛和16種肺癌VOCs標志物進行試驗，得出陣列對醛的響應在低濃度(40ppb～10ppm)和干擾對應物的存在下表現出很好的選擇性，可用于肺癌的早期診斷。

病理學研究證明[14]，糖尿病呼出氣標識物中含有丙酮，其主要來自于乙酰乙酸鹽脫羧反應。易鑫等[15]對丙酮氣體進行研究，得出顏色傳感陣列可以對不同濃度的丙酮氣體進行識別。但人呼吸氣中夾雜大量水汽，并且一些含大蒜類的食品對呼出氣中丙酮含量具有影響，因此顏色傳感陣列用于早期快速無損檢測疾病任重道遠。

1.1.2 檢測氨基酸及其衍生物

顏色傳感陣列在氨基酸、多肽、蛋白質檢測中的應用已經有很多，甚至可以鑒別同分異構體。Qian等[16]利用金屬指示劑和金屬離子構建顏色傳感陣列，實現在生理條件下同時檢測和識別半胱氨酸、同型半胱氨酸和谷胱甘肽。他們根據陣列顏色變化，定量檢測了樣品中這三種重要的生物硫醇。霍丹群課題組[17]以卟啉和幾種化學染料指示劑為敏感材料，構建對氨基酸敏感的顏色傳感陣列，實現對10種具有代表性常見氨基酸的區分，為細胞實時監測、微生物鑒定、醫療檢測等領域具有潛在的應用開辟了新方向。

次氯酸鈉與3，3，5，5-四甲基聯苯胺反應可生成四種具有不同檢測波長和顏色的產物。We i等[18]利用抗氧化劑和次氯酸鈉能產生競爭作用，影響該產物的吸光度，構建顏色傳感陣列，可以對血清中五種抗氧化劑(谷胱甘肽、半胱氨酸、硫辛酸、褪黑素和尿酸)實現高靈敏鑒別，最低分辨限度達到1 μmol/L。血漿中殘留淀粉樣β肽(Aβ40/Aβ42)的比值被認為是阿爾茨海默病早期檢測的標志之一，Ghasemi等[19]構建顏色傳感陣列成功區分不同濃度比的兩種β-淀粉樣蛋白(Aβ40和Aβ42)混合物，并且能良好的識別人血漿中結構相似的Aβ肽，為早期阿爾茨海默癥視覺檢測及診斷提供了更多選擇性。

納米技術應用于顏色傳感陣列中，大大提高了顏色傳感陣列的使用范圍。金納米顆粒(Gold nanoparticles，AuNPs)具有比表面積大、表面易修飾、良好的生物相容性和較高的熒光猝滅效率等優點，是良好的載體和猝滅劑[20]。You等[21]于2007年構建了基于納米材料檢測蛋白質的顏色傳感陣列，使用6種不同官能團的AuNPs 與熒光聚合物進行復合，成功地對蛋白質樣品進行了鑒別。Morteza等[22]設計的顏色傳感陣列能夠在一定濃度范圍內區分水溶液中不同尺寸、形狀和組分的納米顆粒。Mao等[23]選取不同的蛋白質進行實驗，高濃度鹽會對DNA-AuNPs的聚集產生不同的效果，通過產生顏色的變化來鑒別不同的蛋白質。Yan等[24]研制出一款基于AuNPs的顏色陣列傳感器，快速鑒別出5種不同氨基糖苷類抗生素，抗生素能與DNA-AuNPs結合物中DNA相互作用使AuNPs不同程度釋放，釋放出的AuNPs在相同濃度的鹽溶液中會不同程度地聚集，從而呈現出不同顏色變化。AuNPs通過其吸光度隨其與染料的相互作用而發生顏色變化可將其區分，在對納米多聚物鑒定及分離純化方向具有重要意義，為體內藥物檢測提供了新思路。

1.1.3 檢測小分子

中草藥在我國歷史悠久，至今依然是醫藥行業中的重要資源。Bahram等[25]選取25個敏感材料構建陣列來快速識別46種中草藥中的餾分，很好的將這些草藥進行了識別，這對于區分相似草藥產品及檢測其藥效能力至關重要。植物中的多酚具有良好的抗氧化作用[26]，Sharpe E等[27]基于金屬氧化物納米粒子能與多酚顆粒之間形成特殊配合物，構建便攜式顏色傳感陣列，來定性定量檢測含抗氧化劑樣品中多酚。他們建立多酚便攜數據庫，不僅便于隨時隨地識別和定量檢測樣品中多酚成分，而且可以測定其抗氧化性。Qian等[28]提出了一種新的強堿預處理方法，擴大了顏色傳感陣列在弱反應條件下的應用范圍。在堿類物質作用下，N-甲基氨基甲酸酯類農藥分解可產生酚類物質，不同結構的酚類對酚檢測劑產生的響應不同，因而可應用于間接檢測和鑒別活性較低的N-甲基氨基甲酸酯類農藥。

1.2 顏色傳感陣列在食品方面的應用

1.2.1 檢測飲料、茶、酒類

Chen等[29]在2007年將顏色傳感陣列應用于軟飲料質量的研究，采用印刷技術，篩選25種化學反應染料整齊印刷到疏水膜上來構成顏色傳感陣列，飲料浸泡后的膜呈現出不同顏色變化，從而檢測出14種軟飲料的質量。2010年，Suslick[30]構建顏色陣列傳感器鑒別了咖啡香味中的復雜化合物。Haroon等[31]用顏色傳感陣列分析研究了6種不同植物來源蜂蜜品種的特征香氣。他選取8種pH指示劑和6種金屬卟啉色素作為染料，印刷在疏水性的納米多孔薄膜上，制備陣列。檢測結果得出，可以很好的把不同植物來源的蜂蜜進行區分。Chen等[32]通過構建味覺傳感器系統和嗅覺傳感器系統對烏龍茶不同品種進行分類。霍丹群等[33]設計液體顏色傳感陣列對5種茶多酚和14種茶葉進行了鑒別，利用水熱法合成了硅酸空心微球和納米棒作為三價鐵的吸附劑，同時合成可以被茶多酚還原的納米氧化鈰，以硅酸鋅-硫氰酸鐵和氧化鈰共同構建顏色傳感陣列。結果表明，陣列可以很好的區分結構類似的茶多酚，而且可以對多種茶葉定性分析。

顏色傳感陣列也被應用于鑒別白酒香型。霍丹群課題組設計的顏色傳感陣列對五種國內白酒香型進行了有效區分，然后對7種濃香型白酒進行很好的識別歸類[34、35]。侯長軍等[36]搭建液體陣列傳感器鑒別了9種不同香型的白酒，選取7種染料和1種卟啉物質作為敏感材料構成陣列，可以同時分析12個樣本，差譜圖分析表明，陣列能夠很好鑒別出不同香型的白酒。

1.2.2 檢測發酵物產物

管彬彬等[37]通過自制的顏色傳感陣列識別來鎮江香醋不同醋酸發酵過程中的食醋氣味。研究表明，通過陣列信息結合BP-ANN模型可以快速準確地檢測醋酸固態發酵過程中醋醅的酒精度含量。陳琳等[38]基于硅膠薄層層析板與16種卟啉衍生物構建了顏色傳感陣列及氣體檢測系統地檢測工夫紅茶發酵程度，可實現對功夫紅茶發酵程度快速檢測。孫文等[39-40]針對目前豬肉和魚肉腐敗檢測靈敏度低的問題進行了研究，構建顏色傳感陣列實現了對肉類早期腐敗的檢測。Morsy[41]構建顏色傳感陣列可用來無損檢測魚肉腐敗。

2 結語

綜上所述，顏色傳感陣列已經應用于醫療診斷、食品檢測方面。顏色傳感陣列造價低、響應快、信息量大、而且具有可視化等優點，已經逐漸應用于生活中。納米技術在顏色傳感陣列的應用，大大提高檢測器的微型化和應用范圍，結合微流控技術將更加有利于其便捷化和商品化，具有很大的發展潛力和廣闊的應用前景。此外，顏色傳感陣列可應用于微生物發酵過程監控，適時、定量發酵動態監測是工業發酵的難點，采用顏色傳感陣列有望為這一難題提供新思路。