顏色傳感陣列的應(yīng)用研究進(jìn)展

馬財萬，蔣 姝，王康銳，方 英，王白雪，黃承洪

(1.重慶科技學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，重慶 401331；2.重慶輕工職業(yè)學(xué)院 食品藥品系，重慶 400065)

顏色傳感陣列是近年發(fā)展起來的一種基于模擬哺乳動物的嗅覺或味覺能力來進(jìn)行檢測揮發(fā)性有機物(Volatile organic compounds,VOCs)的新方法。它先將染料制成網(wǎng)格狀印刷在膜或板狀平面上，成規(guī)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(jié)合后，經(jīng)光學(xué)照射呈現(xiàn)出可視化圖譜，再根據(jù)反應(yīng)前后或者不同濃度得到的差別圖譜，實現(xiàn)對被檢物定性或定量檢測[1]。與傳統(tǒng)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(jié)果直觀可見，還以其造價低、響應(yīng)快、易于小型化等優(yōu)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(tǒng)來構(gòu)建顏色傳感陣列與VOCs發(fā)生反應(yīng)，通過對比反應(yīng)前后陣列顏色變化形成的差譜圖，實現(xiàn)對VOCs定性和定量檢測[4]。目前，顏色傳感陣列已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)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(yī)療、食品方面的研究和應(yīng)用狀況，并展望了未來其研究前景。

1 顏色傳感陣列的應(yīng)用

1.1 顏色傳感陣列在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)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(xiàn)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(biāo)志物(苯乙烯、1,2,4-三甲基苯、正丁烷、正戊烷)和36種對其標(biāo)志物有不同光譜響應(yīng)的敏感物質(zhì)，建立顏色傳感陣列來檢測標(biāo)志物。結(jié)果表明，顏色傳感陣列可以快速有效檢測識別出肺癌標(biāo)志物，印證了某些VOCs與肺癌的發(fā)生、發(fā)展與轉(zhuǎn)歸具有病理聯(lián)系。此外，Li等[13]還篩選了9種醛和16種肺癌VOCs標(biāo)志物進(jìn)行試驗，得出陣列對醛的響應(yīng)在低濃度(40ppb～10ppm)和干擾對應(yīng)物的存在下表現(xiàn)出很好的選擇性，可用于肺癌的早期診斷。

病理學(xué)研究證明[14]，糖尿病呼出氣標(biāo)識物中含有丙酮，其主要來自于乙酰乙酸鹽脫羧反應(yīng)。易鑫等[15]對丙酮氣體進(jìn)行研究，得出顏色傳感陣列可以對不同濃度的丙酮氣體進(jìn)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(yuǎn)。

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(zhì)檢測中的應(yīng)用已經(jīng)有很多，甚至可以鑒別同分異構(gòu)體。Qian等[16]利用金屬指示劑和金屬離子構(gòu)建顏色傳感陣列，實現(xiàn)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(jù)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(xué)染料指示劑為敏感材料，構(gòu)建對氨基酸敏感的顏色傳感陣列，實現(xiàn)對10種具有代表性常見氨基酸的區(qū)分，為細(xì)胞實時監(jiān)測、微生物鑒定、醫(yī)療檢測等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用開辟了新方向。

次氯酸鈉與3，3，5，5-四甲基聯(lián)苯胺反應(yīng)可生成四種具有不同檢測波長和顏色的產(chǎn)物。We i等[18]利用抗氧化劑和次氯酸鈉能產(chǎn)生競爭作用，影響該產(chǎn)物的吸光度，構(gòu)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(xiàn)高靈敏鑒別，最低分辨限度達(dá)到1 μmol/L。血漿中殘留淀粉樣β肽(Aβ40/Aβ42)的比值被認(rèn)為是阿爾茨海默病早期檢測的標(biāo)志之一，Ghasemi等[19]構(gòu)建顏色傳感陣列成功區(qū)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(jié)構(gòu)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(shù)應(yīng)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(yōu)點，是良好的載體和猝滅劑[20]。You等[21]于2007年構(gòu)建了基于納米材料檢測蛋白質(zhì)的顏色傳感陣列，使用6種不同官能團(tuán)的AuNPs 與熒光聚合物進(jìn)行復(fù)合，成功地對蛋白質(zhì)樣品進(jìn)行了鑒別。Morteza等[22]設(shè)計的顏色傳感陣列能夠在一定濃度范圍內(nèi)區(qū)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(zhì)進(jìn)行實驗，高濃度鹽會對DNA-AuNPs的聚集產(chǎn)生不同的效果，通過產(chǎn)生顏色的變化來鑒別不同的蛋白質(zhì)。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(jié)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(xiàn)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(fā)生顏色變化可將其區(qū)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(nèi)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(yī)藥行業(yè)中的重要資源。Bahram等[25]選取25個敏感材料構(gòu)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(jìn)行了識別，這對于區(qū)分相似草藥產(chǎn)品及檢測其藥效能力至關(guān)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(gòu)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(shù)據(jù)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(yù)處理方法，擴(kuò)大了顏色傳感陣列在弱反應(yīng)條件下的應(yīng)用范圍。在堿類物質(zhì)作用下，N-甲基氨基甲酸酯類農(nóng)藥分解可產(chǎn)生酚類物質(zhì)，不同結(jié)構(gòu)的酚類對酚檢測劑產(chǎn)生的響應(yīng)不同，因而可應(yīng)用于間接檢測和鑒別活性較低的N-甲基氨基甲酸酯類農(nóng)藥。

1.2 顏色傳感陣列在食品方面的應(yīng)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(yīng)用于軟飲料質(zhì)量的研究，采用印刷技術(shù)，篩選25種化學(xué)反應(yīng)染料整齊印刷到疏水膜上來構(gòu)成顏色傳感陣列，飲料浸泡后的膜呈現(xiàn)出不同顏色變化，從而檢測出14種軟飲料的質(zhì)量。2010年，Suslick[30]構(gòu)建顏色陣列傳感器鑒別了咖啡香味中的復(fù)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(jié)果得出，可以很好的把不同植物來源的蜂蜜進(jìn)行區(qū)分。Chen等[32]通過構(gòu)建味覺傳感器系統(tǒng)和嗅覺傳感器系統(tǒng)對烏龍茶不同品種進(jìn)行分類。霍丹群等[33]設(shè)計液體顏色傳感陣列對5種茶多酚和14種茶葉進(jìn)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(gòu)建顏色傳感陣列。結(jié)果表明，陣列可以很好的區(qū)分結(jié)構(gòu)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(yīng)用于鑒別白酒香型。霍丹群課題組設(shè)計的顏色傳感陣列對五種國內(nèi)白酒香型進(jìn)行了有效區(qū)分，然后對7種濃香型白酒進(jìn)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(zhì)作為敏感材料構(gòu)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(fā)酵物產(chǎn)物

管彬彬等[37]通過自制的顏色傳感陣列識別來鎮(zhèn)江香醋不同醋酸發(fā)酵過程中的食醋氣味。研究表明，通過陣列信息結(jié)合BP-ANN模型可以快速準(zhǔn)確地檢測醋酸固態(tài)發(fā)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(gòu)建了顏色傳感陣列及氣體檢測系統(tǒng)地檢測工夫紅茶發(fā)酵程度，可實現(xiàn)對功夫紅茶發(fā)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(jìn)行了研究，構(gòu)建顏色傳感陣列實現(xiàn)了對肉類早期腐敗的檢測。Morsy[41]構(gòu)建顏色傳感陣列可用來無損檢測魚肉腐敗。

2 結(jié)語

綜上所述，顏色傳感陣列已經(jīng)應(yīng)用于醫(yī)療診斷、食品檢測方面。顏色傳感陣列造價低、響應(yīng)快、信息量大、而且具有可視化等優(yōu)點，已經(jīng)逐漸應(yīng)用于生活中。納米技術(shù)在顏色傳感陣列的應(yīng)用，大大提高檢測器的微型化和應(yīng)用范圍，結(jié)合微流控技術(shù)將更加有利于其便捷化和商品化，具有很大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。此外，顏色傳感陣列可應(yīng)用于微生物發(fā)酵過程監(jiān)控，適時、定量發(fā)酵動態(tài)監(jiān)測是工業(yè)發(fā)酵的難點，采用顏色傳感陣列有望為這一難題提供新思路。