上期回顾
嗨，各位亲爱的小伙伴们，小Z在新的一周里又和大家见面了！大家有没有想我呢，我可是非常想念大家喔。言归正传，在上期的推文中，小Z给各位小伙伴普及了磁共振检测技术中的酶活性分析模型，即酶的催化作用导致磁珠存在状态的改变，从而对酶的含量进行检测。
前面已经给各位小伙伴介绍了Weissleder课题组构建的四种模型，即DNA-DNA、蛋白质-蛋白质、蛋白质小分子和酶的催化模型。这四种模型已经广泛应用于细菌、病毒、蛋白质、核酸（DNA和RNA）和小分子的检测，其特异性检测是基于抗原-抗体的特异性识别和特定的核苷酸序列互补配对。但重金属离子完全不同于上述情况又该如何检测呢？
科学注重创造、发现，很多时候看似不可能的事，可能只是你没有发现其中的奥秘而已。
有学者发现，有这样的一类物质，能特异性和重金属离子形成配位化合物，如一个Hg2+能和两个β-胸腺嘧啶核苷（T）形成配位化合物，1-[2-氧代-2-(3,4-二羟基苯基)乙基]-1,2,3-三唑-4-甲酸乙酯(ETC)能特异性与Cd2+形成配位化合物，羟基苯基丙酸（DHCA）能特异性的与Pb2+形成配位化合物，其结构如下图所示。
T
ETC
DHCA
这一类物质的发现为磁共振应用于快速检测提供了新的思路，同时也为重金属离子的检测提供了一种新的方法，下面小编以Cd2+的检测为例介绍磁共振技术在重金属离子检测中的应用。
Cd2+的磁共振检测
1
检测原理示意图
原理：利用两个邻酚羟基与铁之间强的配位相互作用，将ETC修饰到(Zn, Mn)Fe3O4 粒子的表面；利用ETC 上的三唑环与 Cd2+离子的特异性结合导致 ETC-(Zn, Mn)Fe3O4粒子的聚集，从而使得周围水分子的横向弛豫时间（T2）增加。
溶液T2的变化量：△T2=T2’-T2
T2’, 加入Cd2+后，溶液的弛豫时间（T2）；
T2，空白对照组的弛豫时间（T2）；
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(Zn, Mn)Fe3O4纳米粒子的合成
注：左图为合成的(Zn, Mn)Fe3O4纳米粒子的TEM图和粒径分布（插图）；右图为(Zn, Mn)Fe3O4粒子的X射线衍射图谱(XRD)。
采用高温热解法合成(Zn, Mn)Fe3O4纳米粒子，合成的纳米粒子呈圆形，大小为（6.5+1.4nm），具有良好的晶型。
通过XRD图谱，(Zn, Mn)Fe3O4纳米粒子的衍射信号的相对强弱和峰位都ZnFe2O4 和 MnFe2O4 的衍射数据一致，表明 Zn、Mn 这两种元素已经掺杂在 Fe3O4 纳米粒子中。与 Fe3O4 纳米粒子相比，(Zn, Mn)Fe3O4纳米粒子具有更强的磁性，对溶液T2的影响更大。
3
ETC修饰到(Zn, Mn)Fe3O4表面
注：ETC与油胺、油酸的交换反应。
注：ETC的红外光谱（紫），(Zn, Mn)Fe3O4纳米粒子的红外光谱（红），ETC-(Zn, Mn)Fe3O4纳米粒子的红外光谱（黑）。
利用配体交换的反应，利用ETC两个邻位酚羟基与铁的强的配位作用，将(Zn, Mn)Fe3O4 粒子表面的油胺油酸置换下来，结合上 ETC。
傅里叶红外光谱表明， 在 3413, 1723和 1337 cm-1 处出现了-NH2, -C=O, -C-N-新的伸缩振动峰，表明 ETC 成功的修饰在了(Zn,Mn)Fe3O4 粒子的表面。
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溶液中的Cd2+检测
注：ETC-(Zn, Mn)Fe3O4纳米粒子的△T2与Cd2+离子浓度的关系；（插图）ETC-(Zn, Mn)Fe3O4纳米粒子的的△T2与Cd2+的线性关系。
随着Cd2+离子浓度的增加，△T2越来越大。当离子浓度继续增加时，△T2的变化值逐渐变小，这是因为溶液中的纳米粒子与Cd2+离子的结合趋于饱和。
当Cd2+离子的浓度低于 70 nM 时，与横向弛豫时间的变化值呈现很好的线性关系，如上图 所示，并计算得到在该条件下的检测限为 3.5 nM。该方法比现有文献报道的比色法传感器、荧光传感器、电化学传感器的灵敏度低很多，并且低于国家的检测标准（5 ppb）。
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特异性及抗干扰能力检测
注：实体：在不同的金属离子存在的条件下（浓度为300nm） ETC-(Zn, Mn)Fe3O4 纳米粒子的横向弛豫时间（T2）变化值；空白：在Cd2+离子与其他金属离子共存的条件下（浓度为 300 nM）ETC-(Zn, Mn)Fe3O4 纳米粒子的横向弛豫时间（T2）变化值。
当加入干扰的金属离子时，并没有显著的引起横向弛豫时间（△T2）的变化。当不同的金属离子和Cd2+离子共存时，横向弛豫时间（△T2）明显变化。由此可以说明， ETC-(Zn, Mn)Fe3O4 纳米对 Cd2+离子具有很好的特异性和抗干扰的能力。
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检测机理揭示
注：a、 ETC-(Zn, Mn)Fe3O4 纳米粒子的原子力显微镜图片； b、当 Cd2+离子的浓度是0.3 μM 时 ETC-(Zn, Mn)Fe3O4 纳米离子的原子力显微镜图片； c、 ETC-(Zn, Mn)Fe3O4纳米离子在不同浓度 Cd2+离子(0、50、 100 nM)的条件下的动态光散射图谱。
由原子力显微镜的图片（a, b）可知,当没有加入 Cd2+时，可以在图片上看到许多单分散的亮斑; 当 Cd2+离子的浓度为 0.3 μM 时，可以看到明显的聚集斑点，说明 Cd2+离子的存在引起了 ETC-(Zn, Mn)Fe3O4纳米粒子的团聚。
同时我们用动态光散射进行了验证，如图( c)所示，当 Cd2+离子的浓度从 0 变化到 100 nM时， ETC-(Zn, Mn)Fe3O4 纳米粒子的水化粒径从 246 nm 增加到 552nm，从另外一个角度说明纳米粒团聚了。
加入Cd2+离子导致了 ETC-(Zn, Mn)Fe3O4 纳米粒子的团聚，增大了纳米离子的尺寸并伴有不规则的形状，超过了水分子自由扩散的距离， 纳米传感器处于相对静止的状态，造成彼此之间相互作用少，进而引起了横向弛豫时间（T2）的增大。
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细胞中检测Cd2+
注：左图，纳米传感器和不同浓度Cd2+离子条件下HeLa细胞存活率；右图，HeLa 细胞在不同条件下的横向弛豫时间值和核磁共振成像图。
ETC-(Zn, Mn)Fe3O4 纳米粒子用于检测细胞中的 Cd2+离子，首先用 MTT 分析评估 ETC-(Zn, Mn)Fe3O4纳米粒子的毒性。如左图，图中结果表明，整个操作过程中细胞是活的，说明 ETC-(Zn, Mn)Fe3O4 纳米粒子对细胞的生命活动没有太大的影响。
HeLa细胞在含有ETC-(Zn, Mn)Fe3O4纳米传感器的培养基中培养4 h后，此时的横向弛豫时间约为 1600 ms，说明ETC-(Zn, Mn)Fe3O4 纳米粒子进入到 HeLa 细胞内。如右图，随着Cd2+浓度的增加，T2从1760ms增加到了1900ms，由此说明由此说明 ETC-(Zn, Mn)Fe3O4 纳米粒子可以作为一种出色的磁共振传感器用于检测细胞中的Cd2+。
创新点
1、找到了一类物质，能特异性与重金属离子形成配位化合物，从而为磁共振技术在快速检测的应用中开拓了新的方向，也为重金属离子的检测提供了新的思路和方向。
2、结合MRI检测细胞中Cd2+浓度。
引用文献
1、Zhang Y, Shen J, Yang H, et al. A highly selective magnetic sensor for Cd 2+, in living cells with (Zn, Mn)-doped iron oxide nanoparticles[J]. Sensors & Actuators B Chemical, 2015, 207:887-892.
2、YANG H, TIAN Z, WANG J, et al. A magnetic resonance imaging nanosensor for Hg (II) based on thymidine-functionalized supermagnetic iron oxide nanoparticles[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2012, 161(1): 429-433.
3、Yang, Yang, Zhang, et al. A highly selective magnetic sensor with functionalized Fe/Fe_3O_4 nanoparticles for detection of Pb^(2+)[J]. Chinese Chemical Letters, 2016, 27(6):891-895.
结束语
今天的核磁小故事就到这里了，关于磁共振技术检测重金属有什么问题，可以和我一起沟通交流，对这一块感兴趣的小伙伴还可以看一下引用文献的第二篇、第三篇，相信你会喜欢。欢迎大家在评论区留言，我会及时回复大家。下期小编将为大家介绍磁共振技术在食品添加剂检测中的应用，敬请大家期待！
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