光化學比色傳感器陣列的研究進展

摘要：光化學比色傳感器陣列以其價格低廉、方法簡單、響應快速、信息量大等優點，得到了日益廣泛的應用。本文主要介紹了光化學比色傳感器陣列的研究進展，概括了近年來其在氣體、生物樣品、離子和小分子，以及混合物檢測方面的應用，針對其不同原理及性能展開了討論， 并展望了其研究和應用前景。

關鍵詞：光化學； 比色； 傳感器； 陣列； 評述

1引言

化學傳感器是一種能夠通過某物理或化學反應以選擇性方式對特定分析目標物產生響應，從而進行定性或定量測定的裝置[1]。化學傳感器通常由識別元件和換能器兩部分構成。識別元件與待分析物相互作用，其物理、化學性質發生變化；換能器將這些參數轉化和放大，生成與待分析物特性有關的可定性或定量處理的電信號或者光信號（顏色、發光等）[2]。目前，化學傳感器已成為化學分析和檢測的重要手段。傳統的化學傳感器根據“鎖鑰模式”進行設計，選擇性好，對某些物質的檢測非常有效，然而其設計也存在一定的缺陷，如對于生物大分子和結構不明確的待分析物的傳感器設計存在困難，同時，針對復雜混合物中的每種成分均設計具有專一選擇性的特定傳感單元顯得費時且不切實際[3]。陣列式傳感器的設計模仿哺乳動物嗅覺和味覺系統，利用多個傳感器單元組成陣列，通過傳感器陣列與分析物之間的交叉響應，可以實現對多種物質及復雜混合物進行響應和檢測。傳感器陣列中的傳感單元對分析物不必具有高度的選擇性，某些傳感單元對特定分析物有一定程度的選擇性，同時對其它分析物也有響應，即每個傳感單元對不同的組分具有不同的響應能力；利用傳感器陣列對各種分析物整體響應之間的差別，實現對待分析物的區分。在光學、電化學、色譜等諸多的檢測手段中，光化學顯色方法無疑是最便捷有效的度量手段。結合光化學比色方法，光化學比色傳感器陣列以其價格低廉、方法簡單、響應快速、信息量大等優點，得到了日益廣泛的應用。本文綜述了近年來光化學比色傳感器陣列在氣體、生物樣品、離子和小分子，以及混合物檢測方面的應用， 對它的原理和性能進行了討論， 并對其研究和應用前景進行了展望。

2光化學比色傳感器陣列的基本原理

光化學比色傳感器陣列是利用傳感器單元的光學性質（吸收或發射）改變作為輸出信號，實現對待分析物的檢測。通常采用光譜或成像兩種方式對光化學比色傳感器陣列中所有傳感單元的光學信號進行同時采集。如圖1所示，采用紫外可見分光光度計采集光譜時，通常要配備流通池和液體控制裝置，該方式根據紫外可見光譜的遷移或吸收強度的變化，實現對待分析物的檢測和區分；換用平板掃描儀成像后，比色傳感單元顏色的改變經過去卷積，灰度值經平均化和積分處理后，其結果更直觀和便于定量化。加入不同的待分析物后，多個傳感單元的顏色變化組合成具有各自獨特模式的陣列，稱之為待分析物特有的“指紋圖譜”，從而實現對不同物質的鑒別和區分。光譜技術由于可以獲得完整的光譜，包含信息量大而具有很大優勢，但需要比較復雜的儀器設備，對每個傳感單元數據的采集也需要一定時間。與光譜技術相比，成像技術具有在給定視野范圍內能夠檢測多個傳感器單元的優點[2]，且成像技術比光譜技術簡單，無需特殊的儀器，成像設備可以是數碼照相機、平板掃描儀[4]、手機攝像頭[5]等，但成像技術通常獲得的是紅、綠、藍（R， G， B）3個或紅、黃、綠、藍（R， Y， G， B）4個通道的光譜信息，不如光譜技術獲得的信息量大[2]。

3光化學比色傳感器陣列的應用

3.1氣體的檢測

2000年，Rakon等提出通過模擬哺乳動物的嗅覺系統來構建比色傳感器陣列，利用卟啉類化合物與揮發性有機氣體（VOCs）反應前后的顏色變化對氣體進行定性定量分析，為氣體的檢測提供了一種全新的思路[4]。目前，比色傳感器陣列已被廣泛應用于氣體的檢測，如工業有毒氣體[6～10]，揮發性有機物[11～15]，胺類[16～18]，甲醛[19]，爆炸物[20]，硫化氫[21]等。

Lim等[6]構建了一個以36種指示劑為基本單元的可拋型傳感器陣列，用于19種工業有毒氣體的檢測。分析物與傳感器陣列反應前后的顏色改變形成了對應于該分析物獨有的分子指紋圖譜，通過比較指紋圖譜來實現不同種類工業有毒氣體的定性和定量檢測。在危險濃度下，2 min內即可實現對19種工業有毒氣體的有效區分，準確率達100%。與傳統采用范德華力及物理吸附等弱作用力為基礎的半導體金屬氧化物電子鼻技術相比，該傳感器利用的是指示劑與分析物間強的化學鍵相互作用，雖犧牲了傳感器的長效檢測能力，但卻極大地提升了傳感器的檢測靈敏度，其對工業有毒氣體的檢出限大多低于允許排放濃度（通常為10_Symbolm@@_9量級）。由于指示劑用量極小，可拋型的設計在大大提升傳感器檢測靈敏度的同時，卻并沒有增加其使用成本，為氣體傳感器的設計提供了一條新的思路。

Feng等[19]將酸堿指示劑添加到氨基封端的聚合物中構建光化學比色傳感器陣列用于甲醛的快速檢測。利用胺與甲醛反應后堿性減弱的原理，引起固載在一起的酸堿指示劑顏色發生改變，用來檢測甲醛。商品化的甲醛比色檢測往往需要30 min， 甚至更長的時間，該傳感器陣列可以在1 min內對濃度在0.250～20 gm3范圍內的甲醛進行快速檢測，10 min內檢測到濃度為50 mgm3甲醛。對乙醛、丁醛、苯甲醛均無響應，具有很好的選擇性。

環形構造的三過氧化三丙酮（TATP）是一種威力巨大的爆炸物，因其穩定性差，在工業和軍事上均無實際應用，但由于其制備異常簡單，近些年來被恐怖分子多次使用。由于TATP自身無紫外吸收和熒光，也不容易被離子化，直接檢測相對比較困難。Lin等[20]構建了一種簡單的比色傳感器陣列，成功應用于TATP的快速檢測。采用酸性固體催化劑將TATP分解，分解后產生的H2O2氣體氧化傳感器陣列中還原性的指示劑而使對應的指示劑變色，根據傳感器陣列顏色改變形成的指紋圖譜，實現對TATP的定性和半定量檢測，檢出限可達到2 mgm3。該傳感器對TATP的選擇性很好，不受濕度、揮發性有機氣體等常見潛在干擾物的影響，也能將TATP與過氧化氫、過氧乙酸等氧化劑區分開來。

3.2生物樣品的檢測

生物系統中無機鹽、蛋白質、細胞等的檢測對于疾病的預防和診斷尤為重要。目前，檢測生物樣品的方法很多，如酶聯免疫法、蛋白質組學、質譜、毛細管電泳、適配體傳感器等[22～26]。光化學比色傳感器陣列以其方法簡單、檢測快速的優點在生物樣品的檢測方面得到廣泛應用（表1）。

3.2.1核苷酸的檢測

核苷酸在許多生理反應及代謝過程中起著非常重要的作用，利用傳感器陣列檢測核苷酸具有簡單快速的優點。2003年，McCleskey等[37]用指示劑取代法，采用3×4的傳感器陣列對20 mmolL的三磷酸腺苷（ATP）， 三磷酸鳥苷（GTP）和單磷酸腺苷（AMP）進行區分。2007年，Buryak等[29]采用多元指示劑取代法對1 mmolL ATP、GTP、二磷酸腺苷（ADP），AMP，環磷酸腺苷（cAMP），焦磷酸（PPi）進行了鑒別。該實驗在50 mmolL磷酸鹽緩沖溶液中進行，傳感器對核苷酸和PPi體現出了很好的選擇性。多元指示劑取代法的原理如圖2所示[29]，多個指示劑分別與受體結合形成對應傳感器單元，加入不同分析物后，根據與受體親和能力的大小，分析物對指示劑進行一定程度的取代，從而產生不同的光譜變化。傳統的含單個指示劑受體的指示劑取代法，當分析物與受體的親和性比指示劑與受體的親和性高很多或者低很多時，將給出相同的全部取代或完全不取代指示劑的信號；而對于多元取代法，分析物對不同傳感器單元的親和能力不相同，從而產生不同程度取代的信號，這樣分析的動態范圍就被擴大。值得注意的是，多元取代法中，各個指示劑受體的光譜變化需發生在不同的光譜區域。多元指示劑取代法與傳感器陣列在概念和原理上有密切的關系，所不同的是，傳感器陣列中的各個傳感單元是相互獨立的，而多元指示劑取代法中各個傳感器單元因為交換作用而相互關聯。

3.2.2氨基酸、多肽及蛋白質的檢測光化學比色傳感器陣列用于氨基酸及蛋白質的檢測已有大量研究報道。Severin研究組[27]通過構建指示劑取代傳感器陣列，與紫外可見光譜結合成功地區分了20種天然氨基酸。該研究組還利用指示劑復合物的動態組合庫分別對二肽和三肽進行了區分[28，39]。動態組合庫中各組分通過可逆反應和相互作用連接，外界的刺激會影響庫的組成。加入目標分子后，目標分子選擇性地與庫中成分反應，達到新的平衡。將動態組合庫應用于多肽的檢測中[39]，金屬和染色劑復合物組成動態組合庫，加入多肽后，與庫中組分發生配體交換反應，動態組合庫重新平衡，導致紫外可見光譜發生改變，從而實現對多肽的檢測。FolmerAndersen等[40]通過指示劑取代法實現了對10種濃度為200 靘olL 對映異構和結構相似氨基酸的區分。霍丹群等[41]以卟啉及其衍生物、酸堿指示劑以及極性指示劑為傳感元件，構建了一種6×6的傳感陣列，可以在5 min內對濃度為375 靘olL的10種氨基酸進行鑒別。Miranda等[33]構建了一種以酶納米金粒子為傳感單元的傳感器陣列，通過酶催化反應使傳感器的靈敏度大大提高。該傳感器成功地對濃度為1 nmolL，基質為磷酸鹽緩沖溶液或脫鹽人體尿液的蛋白質進行了鑒別區分，靈敏度遠高于當前其它傳感器檢測方法。

3.2.3糖類的檢測糖類作為維持生命活動的重要營養物質，既是主要能源物質，又與多種生物分子如蛋白質存在特異性識別作用，對眾多生理過程起著至關重要的作用，因此對糖類物質的檢測非常重要。硼酸因其可與二羥基化合物進行可逆、高親和性的結合，而被廣泛用作糖分子識別單元。Schiller等[30]構建了以添加有芐基紫羅堿的二硼酸陽離子為基本單元的傳感器陣列，二硼酸陽離子與陰離子熒光染料8羥基芘1，3，6三磺酸鈉（HTPS）形成復合物，電子從HTPS轉移到二硼酸陽離子，導致HTPS熒光強度降低。當加入糖類后，糖類與硼酸形成硼酸酯，部分中和了二硼酸陽離子的正電荷，降低了對HTPS的熒光猝滅效應，從而使熒光增強。該傳感器對濃度為2 mmolL的12種糖類進行了區分，準確率達100%。Lim等[32]將pH指示劑固定于溶膠凝膠基質上，構建了一種簡單、廉價的傳感器陣列，對15種單糖、二糖和人工甜味劑進行了區分。在生理酸度下，對葡萄糖的檢測限低于1 mmolL。在檢測糖類方面，硼酸也存在一些局限，如與某些糖類結合常數很小或不結合，Janowski等[42]構建了一種含Pd2+指示劑復合物的傳感器用于糖類的檢測。根據指示劑取代的原理，在中性條件下35 mmolL的10種糖類進行了區分。

3.2.4細胞、細菌及疾病的檢測將光化學比色傳感器陣列用于細胞、細菌及疾病的檢測也有一定的研究。Bajaj等[43]利用對苯撐乙炔共軛熒光聚合物構建傳感器陣列，對不同種類的癌細胞及等基因的正常細胞、癌細胞和轉移細胞進行了鑒別。共軛聚合物具有分子導線效應，可以增強信號的產生，并且，共軛聚合物鏈具有多個識別位點與分析物作用，既可以增加結合效率，又可以提高對特定分析物的選擇性。2011年，Kong等[35]根據熱化學發光現象構建了由6種納米催化材料組成的傳感器陣列，實現了12種人類細胞的鑒別。熱化學發光是指當有機物或生物物質被熱氧化而產生化學發光的現象。催化放大反應可以明顯增強熱化學發光強度而使靈敏度提高，并且檢測結束后可以通過在更高溫度下使分析物降解而達到傳感材料再次利用的目的。Carey等[34]構建了含36種指示劑的傳感器陣列，通過檢測細菌生長產生的揮發性有機化合物，實現了對10種細菌的鑒別。Mazzone等[44，45] 采用比色傳感器陣列，通過檢測人呼出的氣體，借助于癌癥細胞與正常細胞代謝過程中產生揮發性氣體的差異，實現了對肺癌的早期診斷。但比色傳感器陣列對于復雜混合物的分析仍然存在較大的瓶頸，要篩選出足夠多的對多種分析物具有不同親和力的指示劑仍存在一定的困難。分子印跡技術可以在印跡聚合物合成過程中通過不同模板及單體的選擇而獲得對多種分子具有不同親和力的分子印跡材料，結合了分子印跡等分離技術的傳感器陣列將會在疾病診斷中發揮重要的作用[46]。

3.3離子和小分子的檢測

3.3.1金屬陽離子的檢測金屬陽離子是生命科學、環境科學、農業和醫學等許多領域的研究對象，對金屬陽離子的檢測和識別是的重要任務之一。光化學比色傳感器陣列為金屬陽離子的檢測提供了方便、快速、廉價的方法。Abbaspour等[47]構建了一個以紙為基質的光化學比色傳感器陣列，快速地對Fe2+和Fe3+進行了定性和定量檢測。Li等[48]利用DNA探針構建傳感器，通過傳感單元顏色的變化對重金屬離子Hg2+進行定性和定量檢測，靈敏度達0.1 nmolL。本課題組也在重金屬離子的比色傳感器陣列快速檢測上進行了大量研究[49，50]， 通過使重金屬離子溶液透過固載有指示劑的多孔硅膠基質膜，達到富集效果，提高重金屬離子的檢測靈敏度。鋰鹽是治療躁狂癥和雙相情感障礙的首選用藥，其藥物濃度是情感性精神疾病診斷、治療、監測、預防復發和病因學研究的重要指標。2009年，Severin研究組[51]合成了1種三核的大環熒光化合物，對Li+具有很強的選擇性，在過量Na+存在的水溶液和血清中均能對Li+進行很好地檢測。但該實驗中，熒光化合物的合成過程非常復雜，且傳感器整體的熒光強度也較弱。基于前期工作，該研究組隨后設計了一種更簡單有效的傳感器陣列[52]。在中性緩沖溶液中，將商品化的二羥基吡啶配體和Ru的復合物以及熒光物質（HPTS）混合，含HPTS的大環化合物通過自組裝的方式形成，并使HTPS的熒光猝滅。加入Li+后，熒光增強。該傳感器對Li+有很好的選擇性，檢測濃度低于1 mmolL。

2012年，Anzenbacher等[53]利用納米纖維，制造了一種可穿戴的傳感器，用于金屬離子的檢測。分別摻雜有丹磺酰氯和多胺的兩根納米纖維本身均不帶熒光，而在兩根納米纖維的交叉點處，兩種物質發生反應，生成熒光物質。加入金屬離子后，熒光會相應地增強或減弱。每個傳感單元的體積非常小，僅為10_Symbolm@@_18 L。每個傳感單元約能容納1000個熒光探針分子，使熒光比較集中，從而有利于用光學顯微鏡進行檢測。該實驗采用3種熒光前體和3種多胺構建了熒光陣列傳感器，通過4個熒光發射通道檢測加入金屬離子后熒光的變化，對200 靘olL的10種金屬離子進行了準確的區分。并且，將該納米纖維制成的傳感器氈沉積到丁腈手套上，用于20 靘olL Co2+溶液的檢測，熒光猝滅現象非常明顯。

3.3.2陰離子的檢測相對于等電位的陽離子來說，無機陰離子半徑更大，因而電荷半徑比更小，從而降低了陰離子與受體的靜電結合效率；并且，陰離子有相對高的溶劑化自由能，需要受體與介質進行有效的競爭，這種效應在水溶液中尤其明顯。因此在水溶液中，無機陰離子比陽離子的檢測更困難，陰離子的檢測往往是衡量新檢測方法的一個重要指標[54，55]。Palacios等[54]以聚氨酯水凝膠為基底，構建了一種含8個傳感單元的傳感器陣列，聚氨酯水凝膠不僅為傳感單元提供機械支持， 還有助于萃取目標陰離子。該傳感器對F_Symbolm@@_和HP2O73_Symbolm@@_具有選擇性，而對AcO-，Cl-等陰離子有明顯的交叉響應，可對10種陰離子進行區分，已成功地應用于不同品牌牙膏的鑒別。傳感器陣列與10種陰離子反應后產生不同的顏色改變（其中NO-3與HSO-4濃度為20 mmolL，其余陰離子濃度為5 mmolL），即使用肉眼觀察，也能將10種離子區分開。Comes等[56]用含納米結合袋和染色劑的中孔固體材料應用于水中磷酸根的檢測，對磷酸的選擇性好，檢出限低于1×10-4 molL。2011年，本研究組[57]構建指示劑取代法傳感器陣列，對寬濃度范圍內多個濃度的Cl-， Br-和I-進行了準確區分。隨后，本組[58]采用類似方法構建傳感器陣列，對濃度為污水排放標準或飲用水標準的10種陰離子進行了有效區分，且可部分用于真實水樣的測定。

3.3.3有機小分子的檢測由于存在水的潛在干擾，水溶液中有機化合物的識別具有一定的挑戰[59]。光化學比色傳感器陣列成功地應用于水溶液中有機小分子的檢測，如羧酸[60]，胺類[61]，諾氟沙星[62]等。Greene等[63]將分子印跡聚合物與指示劑取代法相結合，構建傳感器陣列，成功用于7種胺類的區分。Zhang等[59]選擇了3類指示劑：與路易斯堿作用的含金屬離子的指示劑；與布朗斯特酸堿作用的酸堿指示劑，以及反映偶極變化的指示劑，并用這些指示劑構建了含36個基本單元的傳感器陣列，用于水溶液中多種有機物的區分。該傳感器將疏水指示劑固定到疏水膜上，因此不受溶液中鹽濃度、離子強度以及強親水物質的影響，已應用于20余種有機小分子的檢測，即使結構非常相似的物質也能被區別開。

3.4混合物的檢測

對于混合物的檢測，傳感器陣列模仿哺乳動物的嗅覺味覺系統，通過眾多傳感器單元與分析物之間的復合響應，而對各個混合物進行區分。傳統的混合物分析方法是通過聯用色譜、質譜等技術，對混合物中的各種成分進行逐一分析。對于成分復雜的混合物，這種方法往往耗時較長，且鑒于分離材料的局限，很難將所有成分逐一解析。很多情況下（如產品品質控制），對混合物進行分析，目標并不是分析混合物中的每種成分，而是比較幾種混合物之間的差別或者監測混合物發生的變化。傳感器陣列不能對混合物中每種成分進行鑒別，但卻能很好地應用于這種評估。光化學比色傳感器陣列在食品和飲料的質量控制方面已廣為應用，如不同香型白酒的鑒別[64]，不同品牌啤酒的區分[65]，肉類新鮮度的檢測[66，67]等。Zhang等[68]將25種商品化的指示劑固定到疏水膜上構建傳感器陣列，成功用于14種軟飲料的區分，并且能分辨出經脫氣和稀釋過的軟飲料。Musto等[69]用有機硅烷將指示劑固定，然后固載到多孔疏水膜上，構建傳感器陣列，用于大量天然和人工甜味劑的鑒別，多孔的固載材料使分析物和指示劑之間的反應加快，提高了反應效率。肉類在貯存、加工和運輸過程中容易受外界環境和微生物等影響，而產生腐敗變質，使品質下降，其新鮮度水平的評定非常重要。Huang等[66]將9種指示劑固載在反相硅膠板上構建傳感器陣列，用于魚肉新鮮度的評估。采用頂空方式，將傳感器陣列暴露在不同新鮮度魚肉中，根據傳感器陣列暴露前后的顏色變化對魚肉新鮮度進行分析，該方法也可用于高蛋白含量的其它食物的分析。

4結語

綜上所述，光化學比色傳感器陣列已成功應用于大量分析物及混合物的檢測，檢出限低且響應時間短。預計光化學比色傳感器陣列將向以下方向發展：（1）高度自動化、集成化與微型化。新技術、新材料和微加工工藝的不斷發展，促進了傳感器陣列的集成化、微型化，可以降低對使用環境和工作人員技術的要求，其便攜式的特點適合于野外和現場分析的需要；（2）大眾化、商品化。成像設備（掃描儀、照相機等）的不斷更新和普及，以紙或普通塑料膜為基質的比色傳感器的發展，使得光化學比色傳感器的成本大大降低，商品化成為可能，在實驗室和工業上均將有大量的應用；（3）與納米技術相結合。比色傳感器陣列與納米技術相結合，將大大提高比色傳感器陣列的靈敏度，使傳感器陣列微型化達到納米尺寸。目前的應用有納米粒子用作催化劑，放大比色傳感單元與分析物相互作用的信號；利用納米纖維的交叉點，構建超小型的傳感器等。