颜色传感阵列的应用研究进展

马财万，蒋 姝，王康锐，方 英，王白雪，黄承洪

(1.重庆科技学院 化学化工学院，重庆 401331；2.重庆轻工职业学院 食品药品系，重庆 400065)

颜色传感阵列是近年发展起来的一种基于模拟哺乳动物的嗅觉或味觉能力来进行检测挥发性有机物(Volatile organic compounds,VOCs)的新方法。它先将染料制成网格状印刷在膜或板状平面上，成规则排列，然后被检物与染料通过分子间相互作用(路易斯酸碱、Bronsted酸碱、范德华力、π-π 键等)结合后，经光学照射呈现出可视化图谱，再根据反应前后或者不同浓度得到的差别图谱，实现对被检物定性或定量检测[1]。与传统的检测方法(气相色谱、GC-MS)相比，颜色传感阵列不但灵敏度高、结果直观可见，还以其造价低、响应快、易于小型化等优点，日益得到重视。

2000年，Suslick等[2-3]首次提出可以模拟哺乳动物嗅觉系统来构建颜色传感阵列与VOCs发生反应，通过对比反应前后阵列颜色变化形成的差谱图，实现对VOCs定性和定量检测[4]。目前，颜色传感阵列已经应用于工业有毒气体[5-6]、胺类[7]、糖[8]、水中有机物[9]的检测。本文综述了近年来颜色传感阵列在医疗、食品方面的研究和应用状况，并展望了未来其研究前景。

1 颜色传感阵列的应用

1.1 颜色传感阵列在医学方面的应用

1.1.1 检测VOCSs气体

颜色传感阵列检测人呼出气中成分可以实现对某些疾病早期辅助诊断[10]。Mazzone 等[11]通过颜色传感阵列识别肺癌患者呼出气中特殊的VOCs，来评估颜色传感阵列的检测能力。侯长军课题组[12]筛选出4种肺癌标志物(苯乙烯、1,2,4-三甲基苯、正丁烷、正戊烷)和36种对其标志物有不同光谱响应的敏感物质，建立颜色传感阵列来检测标志物。结果表明，颜色传感阵列可以快速有效检测识别出肺癌标志物，印证了某些VOCs与肺癌的发生、发展与转归具有病理联系。此外，Li等[13]还筛选了9种醛和16种肺癌VOCs标志物进行试验，得出阵列对醛的响应在低浓度(40ppb～10ppm)和干扰对应物的存在下表现出很好的选择性，可用于肺癌的早期诊断。

病理学研究证明[14]，糖尿病呼出气标识物中含有丙酮，其主要来自于乙酰乙酸盐脱羧反应。易鑫等[15]对丙酮气体进行研究，得出颜色传感阵列可以对不同浓度的丙酮气体进行识别。但人呼吸气中夹杂大量水汽，并且一些含大蒜类的食品对呼出气中丙酮含量具有影响，因此颜色传感阵列用于早期快速无损检测疾病任重道远。

1.1.2 检测氨基酸及其衍生物

颜色传感阵列在氨基酸、多肽、蛋白质检测中的应用已经有很多，甚至可以鉴别同分异构体。Qian等[16]利用金属指示剂和金属离子构建颜色传感阵列，实现在生理条件下同时检测和识别半胱氨酸、同型半胱氨酸和谷胱甘肽。他们根据阵列颜色变化，定量检测了样品中这三种重要的生物硫醇。霍丹群课题组[17]以卟啉和几种化学染料指示剂为敏感材料，构建对氨基酸敏感的颜色传感阵列，实现对10种具有代表性常见氨基酸的区分，为细胞实时监测、微生物鉴定、医疗检测等领域具有潜在的应用开辟了新方向。

次氯酸钠与3，3，5，5-四甲基联苯胺反应可生成四种具有不同检测波长和颜色的产物。We i等[18]利用抗氧化剂和次氯酸钠能产生竞争作用，影响该产物的吸光度，构建颜色传感阵列，可以对血清中五种抗氧化剂(谷胱甘肽、半胱氨酸、硫辛酸、褪黑素和尿酸)实现高灵敏鉴别，最低分辨限度达到1 μmol/L。血浆中残留淀粉样β肽(Aβ40/Aβ42)的比值被认为是阿尔茨海默病早期检测的标志之一，Ghasemi等[19]构建颜色传感阵列成功区分不同浓度比的两种β-淀粉样蛋白(Aβ40和Aβ42)混合物，并且能良好的识别人血浆中结构相似的Aβ肽，为早期阿尔茨海默症视觉检测及诊断提供了更多选择性。

纳米技术应用于颜色传感阵列中，大大提高了颜色传感阵列的使用范围。金纳米颗粒(Gold nanoparticles，AuNPs)具有比表面积大、表面易修饰、良好的生物相容性和较高的荧光猝灭效率等优点，是良好的载体和猝灭剂[20]。You等[21]于2007年构建了基于纳米材料检测蛋白质的颜色传感阵列，使用6种不同官能团的AuNPs 与荧光聚合物进行复合，成功地对蛋白质样品进行了鉴别。Morteza等[22]设计的颜色传感阵列能够在一定浓度范围内区分水溶液中不同尺寸、形状和组分的纳米颗粒。Mao等[23]选取不同的蛋白质进行实验，高浓度盐会对DNA-AuNPs的聚集产生不同的效果，通过产生颜色的变化来鉴别不同的蛋白质。Yan等[24]研制出一款基于AuNPs的颜色阵列传感器，快速鉴别出5种不同氨基糖苷类抗生素，抗生素能与DNA-AuNPs结合物中DNA相互作用使AuNPs不同程度释放，释放出的AuNPs在相同浓度的盐溶液中会不同程度地聚集，从而呈现出不同颜色变化。AuNPs通过其吸光度随其与染料的相互作用而发生颜色变化可将其区分，在对纳米多聚物鉴定及分离纯化方向具有重要意义，为体内药物检测提供了新思路。

1.1.3 检测小分子

中草药在我国历史悠久，至今依然是医药行业中的重要资源。Bahram等[25]选取25个敏感材料构建阵列来快速识别46种中草药中的馏分，很好的将这些草药进行了识别，这对于区分相似草药产品及检测其药效能力至关重要。植物中的多酚具有良好的抗氧化作用[26]，Sharpe E等[27]基于金属氧化物纳米粒子能与多酚颗粒之间形成特殊配合物，构建便携式颜色传感阵列，来定性定量检测含抗氧化剂样品中多酚。他们建立多酚便携数据库，不仅便于随时随地识别和定量检测样品中多酚成分，而且可以测定其抗氧化性。Qian等[28]提出了一种新的强碱预处理方法，扩大了颜色传感阵列在弱反应条件下的应用范围。在碱类物质作用下，N-甲基氨基甲酸酯类农药分解可产生酚类物质，不同结构的酚类对酚检测剂产生的响应不同，因而可应用于间接检测和鉴别活性较低的N-甲基氨基甲酸酯类农药。

1.2 颜色传感阵列在食品方面的应用

1.2.1 检测饮料、茶、酒类

Chen等[29]在2007年将颜色传感阵列应用于软饮料质量的研究，采用印刷技术，筛选25种化学反应染料整齐印刷到疏水膜上来构成颜色传感阵列，饮料浸泡后的膜呈现出不同颜色变化，从而检测出14种软饮料的质量。2010年，Suslick[30]构建颜色阵列传感器鉴别了咖啡香味中的复杂化合物。Haroon等[31]用颜色传感阵列分析研究了6种不同植物来源蜂蜜品种的特征香气。他选取8种pH指示剂和6种金属卟啉色素作为染料，印刷在疏水性的纳米多孔薄膜上，制备阵列。检测结果得出，可以很好的把不同植物来源的蜂蜜进行区分。Chen等[32]通过构建味觉传感器系统和嗅觉传感器系统对乌龙茶不同品种进行分类。霍丹群等[33]设计液体颜色传感阵列对5种茶多酚和14种茶叶进行了鉴别，利用水热法合成了硅酸空心微球和纳米棒作为三价铁的吸附剂，同时合成可以被茶多酚还原的纳米氧化铈，以硅酸锌-硫氰酸铁和氧化铈共同构建颜色传感阵列。结果表明，阵列可以很好的区分结构类似的茶多酚，而且可以对多种茶叶定性分析。

颜色传感阵列也被应用于鉴别白酒香型。霍丹群课题组设计的颜色传感阵列对五种国内白酒香型进行了有效区分，然后对7种浓香型白酒进行很好的识别归类[34、35]。侯长军等[36]搭建液体阵列传感器鉴别了9种不同香型的白酒，选取7种染料和1种卟啉物质作为敏感材料构成阵列，可以同时分析12个样本，差谱图分析表明，阵列能够很好鉴别出不同香型的白酒。

1.2.2 检测发酵物产物

管彬彬等[37]通过自制的颜色传感阵列识别来镇江香醋不同醋酸发酵过程中的食醋气味。研究表明，通过阵列信息结合BP-ANN模型可以快速准确地检测醋酸固态发酵过程中醋醅的酒精度含量。陈琳等[38]基于硅胶薄层层析板与16种卟啉衍生物构建了颜色传感阵列及气体检测系统地检测工夫红茶发酵程度，可实现对功夫红茶发酵程度快速检测。孙文等[39-40]针对目前猪肉和鱼肉腐败检测灵敏度低的问题进行了研究，构建颜色传感阵列实现了对肉类早期腐败的检测。Morsy[41]构建颜色传感阵列可用来无损检测鱼肉腐败。

2 结语

综上所述，颜色传感阵列已经应用于医疗诊断、食品检测方面。颜色传感阵列造价低、响应快、信息量大、而且具有可视化等优点，已经逐渐应用于生活中。纳米技术在颜色传感阵列的应用，大大提高检测器的微型化和应用范围，结合微流控技术将更加有利于其便捷化和商品化，具有很大的发展潜力和广阔的应用前景。此外，颜色传感阵列可应用于微生物发酵过程监控，适时、定量发酵动态监测是工业发酵的难点，采用颜色传感阵列有望为这一难题提供新思路。