可视化仿生传感器阵列研究进展*

杨一平，朱文静，董家乐

(1.重庆大学 生物工程学院 生物流变科学与技术教育部重点实验室，重庆400030;2.第三军医大学 第二附属医院(新桥医院)药理基地，重庆400037)

0 引 言

仿生传感阵列系统是通过模拟哺乳动物味觉/嗅觉感觉过程，利用具有特异识别能力的化学敏感材料或者受体蛋白、受体细胞等敏感单元组成传感阵列系统，采集其特征交叉响应信号，并进行数据处理和模式识别分析信号的人工传感器系统［1］。该系统具有检测精度高、范围宽、不受环境湿度影响等优点，尤其是对多组分环境中微痕量分子检测的敏感性和稳定性有较大突破。其中，基于可视化图像处理技术的阵列系统通过将信号数据转换为图形或图像的形式，相比传统电信号具有噪音小、数据直观和交互性强等优势，更便于计量分析和模式识别过程，具有良好的发展前景［2］。

可视化仿生传感阵列系统主要由传感器阵列、信号处理模块和模式识别模块组成，其关键技术在于组成阵列的传感元件的选择。与传统设计思路不同，可视化阵列传感元件并不需要高特异性或者选择性的与目标分析物结合，取而代之的唯一要求是，阵列中的传感元件可以与不同分析物进行不同程度的结合［3］。因此，在阵列设计的过程中需要考虑下列因素:1)化学传感器阵列每个传感单元应具有一定的选择性，以保证分析物能够与其牢固结合，产生可以观察的强相互作用;2)作用位点要有一个良好的生色基团与其配位，以保证阵列与分析物的响应能引起敏感元件色彩变化;3)阵列上的传感单元必须具有交叉敏感效应，即每个传感单元对不同的组分具有不同的响应能力;4)传感器各项参数和相应信号稳定。利用各个传感元件对分析物感应度的不同，从而形成一系列有差异的交互感应信号，并由此产生可用于分析的诸多模式，最终实现对目标物质甚至是混合物的检测。因此，在现有敏感元件材料基础上进行一定程度的理性设计，以保证其对目标分析物具有一定的亲和力和选择性，是仿生传感阵列研究的热点。

1 可视化仿生传感阵列研究进展

1.1 指示剂取代分析阵列

指示剂取代分析(indicator displacement assays，IDAs)阵列是传感器阵列构建的常用方法，具有高灵敏度、高特异性、制作工艺简单以及检测过程快速便捷等优点［4］。在IDAs 阵列中，指示剂通过可逆共价键或非共价作用与受体相结合，当受体-指示剂复合物与目标分析物相遇时，指示剂被目标分析物所取代，并导致光学信号变化。

1.1.1 金属复合物IDAs 阵列

Buryak A 等人［5］基于 IDAs 技术，以有机金属化合物Cp*Rh 为受体，樟花青、二甲酚橙和钙黄绿素蓝为指示剂，对20 种天然氨基酸12 个平行样在750 nm 处吸收光强度采用线性判别分析(LDA)，以检验该传感阵列的识别能力。其中，对检测效果较好的组氨酸(His)、半胱氨酸(Cys)、甲硫氨酸(Met)、天冬氨酸(Asp)和天冬酰胺(Asn)LDA 识别的准确率达99.4%，对其余15 种氨基酸，LDA 识别的准确率也高达96.7%，显示了阵列法对结构类似物较好的识别能力。Rochat S 等人［6］以 3 种常用金属复合物［PdCl2(en)］，［{RhCl2Cp*}2］和［{RuCl2(p－cymene)}2］为受体，6 种荧光染料(钙黄绿素等)为指示剂，构建了具有交叉响应识别作用的IDAs 阵列，用于识别水溶液中的多肽分子。通过多肽分子与荧光指示剂之间的竞争作用实现对多肽分子的特异性识别。该小组首先研究了6 种荧光染料与金属复合物的结合常数，并用于检测二肽分子，PCA 结果表明:该IDAs 阵列有很好的识别效果和重复性。同时利用相同阵列研究总浓度为50 μmol/L 的胰激肽(KD)和缓激肽(BK)混合物，发现其随着浓度的变化，与PCA 因子2 线性相关，充分说明该交叉响应阵列在多肽及其混合物识别方面的巨大潜力。

1.1.2 分子印迹聚合物IDAs 阵列

分子印迹聚合物(molecularly imprinted polymer，MIP)技术具有预定性好、识别性高及制备简单的特点，是目前最常用的样品预处理技术之一，但是目前以下问题亟待解决:1)选择性和交叉响应性问题;2)光学或电子学信号响应机理问题。可视阵列法反而可以利用交叉响应性提高传感器系统的选择性，实现对混合物体系的特异性定量检测［7～9］。Greene N T 等人［8］首次构建了MIPs 阵列用于对生物源和药用活性胺类的检测。该研究小组使用甲基丙烯酸(Methacrylic acid，MAA)和乙二醇二甲基丙烯酸酯(Ethylene dimethacrylate，EGDMA)，以所检测的胺类为模板分子，在甲苯中加入 1% 偶氮二异丁腈(2，2'－Azobis(2－methylpropionitrile)，AIBN)，得到由1 个空白印迹聚合物和7 个特异性分子印迹聚合物组成的MIPs 阵列。通过比较反应前后紫外可见光谱的变化，实现对胺类的特异性识别，准确性达到94 %。在后续研究中，利用指示剂取代原理，构建了一个由7 种分子印迹聚合物组成的彩色传感器阵列系统［9］，在MIPs 上结合苯并呋喃(Benzofurazan dye)作为色彩响应信号分子，用于7 种结构类似的芳香胺的检测，最低检测限可达1 μmol/L，且线性判别分析的准确率达到94%。2 种方案均显示出对目标物质的高亲和性和对单个分析物高交叉响应识别能力。但IDAs 分子印迹阵列可以检测无荧光活性和非模板类似结构分子，具有更广泛的应用范围和更高的应用价值。

Tan J 等人［10］基于苯基硼酸修饰的介孔硅基材，构建荧光指示剂取代分子印迹传感器阵列，用于糖类的识别。MIP 聚合物是通过苯基硼酸修饰三乙氧基硅烷，并以D-果糖和D-木糖为模板分子进行制备，并利用IDAs 原理，以邻二苯酚指示剂作为竞争性指示剂，通过测定其竞争性结合常数验证MIP 的特异性识别能力。该小组构建的MIP 阵列由2 个印迹聚合物和1 个非印迹聚合物组成，用于8 种不同碳水化合物类的检测，并用PCA 对检测结果进行分析。结果表明:由3 检测单元构成的MIP 阵列就可以有效实现对6 种碳水化合物的识别，通过增加阵列检测单元MIP 的数量，可能更有利于对更多种碳水化合物的识别。

1.1.3 其他IDAs 阵列构成方式

Morgan B P 等人［11］以 2，6-二-［(二-2-嘧啶甲基氨基)甲基］-4-甲酚作为受体核心，与11 种商业指示剂构成指示剂取代阵列，用于在pH =7.4 生理条件下的无机磷离子的检测。他们首先检测了11 种指示剂-Zn2L1 复合物的解离常数(Kd)，发现 IDAs 阵列的 Kd分布于 2.8 × 10－4(茜素红S)～2.7 × 10－6mol/L(溴邻苯三酚红)。利用此 IDAs 阵列检测，发现溴邻苯三酚红、媒介蓝9 和锌试剂与Zn2L1 形成的IDAs 对磷酸盐和焦磷酸盐有很好的效果。因此，Morgan B P 等人指出较低的解离常数是对无机磷酸盐检测的关键，可据此构建特异性的无机磷酸盐IDAs 阵列。

Schiller A 等人［12］采用不同的方法构建了新型的IDAs阵列，用于糖类的检测。他们通过阴离子荧光染料，8-羟基芘-1，3，6-三磺酸三钠盐(8-hydroxypyrene-1，3，6-trisulfonic acid trisodium salt，HPTS)和6 种阳离子联苄吡啶双硼酸(Boronic acid appended bippridinium salts，BBVs)组成传感阵列。当阳离子BBVs 和阴离子荧光染料复合时，有利于电子从染料向吡啶基团转移，致使染料荧光强度下降。而当加入糖类分子之后，形成硼酸酯，会破坏已有染料-BBVs 结构，使荧光强度增加。荧光淬灭结果显示，该类传感器受体对同种物质的淬灭常数可能会差距2 个数量级。采用此阵列检测12 种常见糖类，并用PCA 对荧光淬灭结果进行分析表明，该阵列可以有效鉴别2mmol/L 的糖类物质。该课题小组在后续工作中又指出［13］仅用3 种BBVs 构建的阵列，结合PCA，HCA 和LDA 方法对荧光淬灭结果进行分析，就可以实现对5 种磷糖类、4 种核苷核酸和3 种中性糖的有效识别，最低检测限可达4 mmol/L。

1.2 主客体复合物分析阵列

主客体配位化合物中强调按被配合对象的特点来设计配体分子，将配体分子称为主体，被配合的对象称为客体。其中，主体分子可以根据客体分子的几何形状和特性进行选择性识别结构设计，实现高选择性的有机主体结构的设计［14］。Wright A T 等人［15］基于交叉响应识别原理，针对三肽的结构特点，通过对一个类似于马蹄形结构受体的设计与修饰，构建了三肽的分析受体库。该研究小组在以松香的三环结构为基地，以铜(II)离子为核心修饰了两条三肽空间臂，一条空间臂的功能在于实现对目标三肽的特异性结合，另一条的功能在于产生信号响应。利用设计好的马蹄形受体阵列检测 His－Glu－Thr，His－Lys－Thr，Gly－His－Thr 和His－Gly－Thr 4 种三肽及其两两混合物，PCA 结果显示该受体可以有效检测三肽及其混合物，最低检测限为6.5 μmol/L。在其后续研究中［16］，该团队将修饰有受体结构的微球置于不同的指示剂中孵育10 min，以保证受体与染料的结合，之后将其置于含有三肽磷酸盐的溶液中，从而筛选出具有特异识别作用的受体结构，并用Edman 法获得受体氨基酸序列信息。通过获得的5 种受体结构，并将其修饰于三维对称结构上，结合3 种金属离子和3 种指示剂，构建了45 受体单元的传感器阵列用于检测3 种三肽及其磷酸盐。LDA 结果显示:该阵列对三肽及其磷酸盐识别的准确率高达100%。

Montes－Navajas P 等人［17］基于主客体识别体作用构建了新型超分子可视阵列传感器。通过环糊精类和瓜环类物质包覆6 种指示剂，利用其与水体中的胺类物质形成的主客体络合物在可见光/紫外下不同的颜色响应，实现对以往难以有效鉴别的14 种胺类物质的检测。该小组利用环糊精和瓜环分子容器内环境与常规溶剂及本体环境的不同，所引起的选择识别能力的差异，并采用可见光和紫外光作为光源，分别采集图像得到其各自可视化可见光和荧光差图，经过对比单个传感单元RGB 值的变化实现了对分子结构接近的胺类的识别，检测限达到10－5mol/L。之后，该研究小组又运用这种可视阵列传感器系统首次的成功实现了对不同季胺盐的识别［18］。他们以CB 为主体分子，原黄素6 种染料为客体分子，构建主客体分子不同聚合度的彩色传感阵列，并采用可见光/荧光双响应技术对14 种季铵盐进行检测，检测限同样达到10－5mol/L，成为季胺盐识别领域的一大突破。之后，该研究小组还采用类似的彩色传感阵列在可见光/紫外双响应条件下，实现对 γ－羟丁酸(GHB)的检测，最低检测限可达10－5mol/L，远低于现有技术的最低检测限［19］。

1.3 基于微纳米技术的可视化传感阵列

微纳米技术具有稳定性好等优点，为可视化传感器阵列的发展提供了一种可行的新方案［20］。Kong H［21］等人基于化学催化发光的原理，以6 种金属氧化物纳米颗粒构建了可用于液体中有机成分模式识别的可视化传感阵列。采用超声雾化法将含有有机成分(糖类，有机酸和氨基酸等)的溶液雾化后通过纳米催化颗粒阵列(SiO2，Y2O3，ZrO2，Sr－CO3，γ－Al2O3，MgO)，并采集其光信号强度、发光时间、波长以及光谱形状等特征，LDA 结果表明:该阵列可用于对目标物质高可重复性的特异性检测，对不同浓度样本检测结果表明该阵列的最低检测限可达15 mmol/L，LDA 识别准确率高达100%。根据相似的原理［22］，以12 种纳米金属氧化物，5 种修饰了金纳米颗粒的金属氧化物，2 种修饰了碳纳米管(CNTs)的金属氧化物以及2 金属碳酸盐构成3 ×7 的传感阵列，用于乙酸乙酯、乙酸丁酯和苯甲酸酯等共11 种香味物质的检测。HCA 和LDA 结果表明此传感阵列对11 种香味物质识别的准确率高达100%，且不受湿度的影响，最低检测限可达 10 ×10－6，在 20～2 000 ×10－6体积分数范围内具有线性关系，并对6 种品牌香烟也具有很好的检测效果。

另外，通过直接对微纳米材料表面进行修饰，构建基于微纳米材料的传感器阵列也是目前常用的一种方法［23，24］。如Sohn Y S 等人详细介绍了一种新型微阵列的构建方法［23］，他们在聚苯乙烯-聚乙二醇(Polystyrene－poly(ethylene glycol)，PS－PEG)修饰不同的指示剂分子，在琼脂糖微球表面修饰特异性受体，并通过微刻蚀方法在SiO2表面刻蚀便于液体通过的锥形通道，组成传感器阵列。利用CCD 摄像机采集该微传感阵列与目标物质反应后引起的颜色或荧光的变化，达到定性定量检测的目的。利用此传感器阵列系统，实现了对 H+，Ca2+和 Mg2+，葡萄糖，ATP，GTP 和 AMP，心脏病信号蛋白CRP 以及DNA 寡居核苷酸链等物质的定性定量检测［24］。

除了直接利用纳米颗粒，溶胶-凝胶法等常见纳米材料制备方法也是纳米传感阵列构建的常见策略。如Palacios M A 等人［25］将8 种基于氢键的吡咯衍生物的超分子膜传感器包埋入聚氨酯凝胶中，用于构建彩色传感器阵列。聚氨酯凝胶的微纳米结构可以富集溶液中的阴离子，使之与凝胶中的阴离子传感器反应，最低检测限可达10 μmol/L，另外PCA 结果也表明:该传感阵列对含有阴离子的混合物也有很好的检测效果，对含氟离子的牙膏品牌有100%的识别准确率，并证实该传感器阵列对阴离子的敏感度顺序是:氟离子＞磷离子＞羧基离子＞其他阴离子。

Suslick 等人采用溶胶-凝胶法构建彩色可视阵列传感器，已成功的用于啤酒、软饮料、甜味剂、咖啡香气以及有毒有害气体的研究中，显示出可视阵列传感器在复杂化合物体系识别中巨大的应用潜力［26］。其中，将微球制备技术引入到阵列芯片的制备中，将敏感材料首先微球化并点样到疏水基底膜上构建彩色传感器阵列用于对脂肪胺的检测［27］。通过将四甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、乙醇、水、0.1 mol/L 盐酸溶液以及pH 指示剂溶液按照质量比2∶2∶11∶28∶1∶40 的比例混合，通过超声喷雾气溶胶-凝胶法制备得到16 种染料的纳米多孔微球体。将微球体染料点样于疏水膜基底上用于脂肪胺的检测，HCA 结果表明:该阵列可有效实现对11 种有类似结构脂肪胺的识别与鉴别，最低检测限可达 100 ×10－9。在后续研究中［28］，他们采用类似的方法，通过使用苯乙基三甲氧基硅烷修饰卟啉阵列，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饰，通过上述方法构建基于纳米孔微球的彩色传感阵列，并用于氨气、二氧化硫和氯气的检测，最低检测限可达到5 ×10－6，且 PCA 结果显示，该阵列对不同浓度气体的检测结果具有很好的稳定性和区分度。

2 结束语

模拟哺乳动物嗅觉/味觉原理的仿生传感器，通过将混合物作为独立样本进行检测，利用各个传感单元对样本感应度不同，形成一系列有差异的交互感应信号，与已有数据库数据进行对比后，即可用模式识别或者化学计量学分析对目标混合物进行鉴别。传感阵列敏感元件要求要兼具特异性和敏感性，在已有研究中根据研究需要也各有侧重［29］，其中，在侧重高敏感性传感器阵列构建方案中，所用材料如指示剂取代法大都为易制备或易获取的材料，缺点在于难以通过调控材料的选择性从而控制对目标物的特征响应信号，即不利于传感元件与目标分析物间作用机理的研究;而侧重高特异性可视仿生传感阵列的构建则是基于具有特定选择性的传感元件，便于实现对目标物质的特异性识别，但是往往需要增加传感器敏感单元数量急剧提高数据处理的难度。因此，为了实现对特定物质的高特异性和高选择性识别，除了继续寻找兼具高灵敏度和高特异性，且易于修饰改性的敏感材料之外，将2 种传感器阵列根据实际需求相结合也是一种较好的解决方式。即将未知样本首先经过敏感性检测，获得其定性或者半定量数据，再进行根据实际需求进行特异性检测，从而实现对目标物质的种类鉴定和定量识别。

［1］ Yeshurun Y，Sobel N.Multisensory integration:An inner tongue puts an outer nose in context［J］.Nature Neuroscience，2010，13(2):145 －146.

［2］ Fox P，Hendler J.Changing the equation on scientific data visualization［J］.Science，2011，331:705 － 708.

［3］ Hou C J，Dong J L，Zhang G P，et al.Colorimetric artificial tongue for protein identification［J］.Biosensors ＆ Bioelectronics，2011，26(10):3981 －3986.

［4］ Kitamura M，Shabbir S H，Anslyn E V.Guidelines for pattern recognition using differential receptors and indicator displacement assays［J］.Journal of Organic Chemistry，2009，74:4479 － 4489.

［5］ Buryak A，Severin K.A chemosensor array for the colorimetric identification of 20 natural amino acids［J］.Journal of the American Chemical Society，2005，127:3700 － 3701.

［6］ Rochat S，Gao J，Qian X H，et al.Cross－reactive sensor arrays for the detection of peptides in aqueous solution by fluorescence spectroscopy［J］.Chemistry(A German Journal)，2011，16:104 －113.

［7］ Shimizu K D，Stephenson C J.Molecularly imprinted polymer sensor arrays［J］.Current Opinion in Chemical Biology，2010，14:743 －750.

［8］ Greene N T，Morgan S L，Shimizu K D.Molecularly imprinted polymer sensor arrays［J］.Chemical Communications，2004，10:1172 －1173.

［9］ Greene N T，Simizu K D.Colorimetric molecularly imprinted polymer sensor array using dye displacement［J］.Journal of the American Chemical Society，2005，127:5695 －5700.

［10］ Tan J，Wang H F，Yan X P.Discrimination of saccharides with a fluorescent molecular imprinting sensor array based on phenylboronic acid functionalized mesoporous silica［J］.Analytical Chemistry，2009，81:5273 －5280.

［11］ Morgan B P，He S S，Smith R C.Dizinc enzyme model/complexometric indicator pairs in indicator displacement assays for inorganic phosphates under physiological conditions［J］.Inorganic Chemistry，2007，46(22):9262 －9266.

［12］ Schiller A，Wessling R A，Singaram B.A fluorescent sensor array for saccharides based on boronic acid appended bipyridinium salts［J］.Angewandte Chemie International Edition，2007，46:6457 －6459.

［13］ Schiller A，Vilozny B，Wessling R A，et al.Recognition of phospho sugars and nucleotides with an array of boronic acid appended bipyridinium salts［J］.Analytica Chimica Acta，2008，627:203 －211.

［14］ Zhang J，Coulston R J，Jones S T.One－step fabrication of supramolecular microcapsules from microfluidic droplets［J］.Science，2012，10:690 －694.

［15］ Wright A T，Anslyn E V，McDevitt J T.A differential array of metalated synthetic receptors for the analysis of tripeptide mixtures［J］.Journal of the American Chemical Society，2005，127:17405 －17411.

［16］ Zhang T Z，Edwards N Y，Bonizzoni M，et al.The use of differential receptors to pattern peptide phosphorylation［J］.Journal of the American Chemical Society，2009，131:11976 －11984.

［17］ Montes－Navajas P，Baumes L A，Corma A，et al.Dual－response colorimetric sensor array for the identification of amines in water based on supramolecular host－guest complexation［J］.Tetrahedron Letters，2009，50:2301 －2304.

［18］ Baumes L A，Sogo M B，Montes－Navajas P，et al.First colorimetric sensor array for the identification of quaternary ammoniumsalts［J］.Tetrahedron Letters，2009，50:7001 － 7004.

［19］ Baumes L A，Sogo M B，Montes－Navajas P，et al.A colorimetric sensor array for the detection of the date－rape drug gammahydroxybutyric acid(GHB):A supramolecular approach［J］.Chemistry(A German Journal)，2010，16:4489 －4495.

［20］ Cook R F.Probing the nanoscale［J］.Science，2010，9:183 －184.

［21］ Kong H，Zhang S，Na N，et al.Recognition of organic compounds in aqueous solutions by chemiluminescence on an array of catalytic nanoparticles［J］.Analyst，2009，134:2441 － 2446.

［22］ Wu Y Y，Na N，Zhang S，et al.Discrimination and identification of flavors with catalytic nano－material－based optical chemosensor array［J］.Analytical Chemistry，2009，81:961 － 966.

［23］ Sohn Y S，Goodey A，Anslyn E V，et al.A microbead array chemical sensor using capillary－based sample introduction:Toward the development of an“electronic tongue”［J］.Biosensors ＆ Bioelectronics，2005，21:303 －312.

［24］ Umali A P，Anslyn E V.A general approach to differential sensing using synthetic molecular receptors［J］.Current Opinion in Chemical Biology，2010，14(6):685 －692.

［25］ Palacios M A，Nishiyabu R，Marquez M，et al.Supramolecular chemistry approach to the design of a high－resolution sensor array for multianion detection in water［J］.Journal of the American Chemical Society，2007，129:7538 － 7544.

［26］ Kemling J W，Qavi A J，Bailey R C，et al.Nanostructured substrates for optical sensing［J］.Journal of Physical Chemistry Letters，2011，2:2934 －2944.

［27］ Bang J H，Lim S H，Park E，et al.Chemically responsive nanoporous pigments:Colorimetric sensor arrays and the identification of aliphatic amines［J］.Langmuir，2008，24:13168 － 13172.

［28］ Kemling J W，Suslick K S.Nanoscale porosity in pigments for chemical sensing［J］.Nanoscale，2011，3:1971 － 1973.

［29］ Anslyn E V.Supramolecular analytical chemistry［J］.Journal of Organic Chemistry，2007，72:687 － 699.