组成图示
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传感器类型
综述或非传感器论文
检测对象
链霉亲和素（streptavidin）、基质金属蛋白酶-7（MMP-7）、互补DNA（complementary DNA）、MHC II肽-蛋白复合物（MHC class II peptide-protein）、碳酸酐酶I/II（CA I/II）、αvβ3整合素（αvβ3 integrin）；样品基质：水溶液、人血浆、细胞/细胞培养体系、小鼠体内。
检测原理
超极化 129Xe 通过自旋交换光泵浦获得高极化，随后被 cryptophane 等分子笼可逆包埋。笼内 Xe 的电子云受周围化学环境扰动，产生特征 129Xe 化学位移；当连接在笼上的识别基团（biotin、peptide、DNA probe、p-benzenesulfonamide 等）与靶标（streptavidin、CA I/II、DNA、MHC II 等）结合时，笼附近静电、空间或构象环境改变，使结合态 Xe 峰发生位移或出现新峰。不同分子笼具有不同化学位移，可实现多路复用。hyper-CEST 策略通过射频选择性饱和结合态 Xe，Xe 在结合态与自由态间快速交换，使大量自由 Xe 去极化，监测自由 Xe 信号衰减可获得约 10^3 放大。靶标浓度或结合比例越高，结合态/去极化信号变化越明显。
检测灵敏度
原文未报告统一 LOD、线性范围、灵敏度斜率或相关系数；仅提及 streptavidin 可在 nM–mM 浓度范围被检测，40 nmol streptavidin 可产生新 129Xe 峰。
效应效果
综述报道的 129Xe 生物传感器具有选择性识别能力：biotin–streptavidin 体系可检测 nM–mM 链霉亲和素；CA I/II 结合使 129Xe 峰下移 3.0–7.5 ppm，可区分 CA I 与 CA II；互补 DNA 使峰移至 67.0 ppm，非互补 DNA 无变化；MHC II 结合产生约 1 ppm 下移；MMP-7 切割仅引起 0.3–0.5 ppm 上移，作者认为不足以体内检测。不同 cryptophane 化学位移差异支持多路复用，hyper-CEST 提供约 10^3 信号增强。细胞实验中，tetraRGD 肽提高 αvβ3 整合素介导摄取特异性，微摩尔浓度下相对低毒；沸石纳米颗粒在小鼠体内分布得到验证。文章未报告 RSD、回收率或方法学定量对比，但主张其可用于分子成像。
传感器的构成
- 1 信号核/换能介质：超极化 129Xe（hp 129Xe），经光泵浦极化，提供 NMR/MRI 信号。
- 2 分子笼宿主：cryptophane-A（CpA）、cryptophane-1,1,1、水溶性 cryptophane，包埋 Xe 并产生特征化学位移。
- 3 功能化连接臂：linker（如 6–8 键 linker），连接分子笼与识别基团，调节结合与化学位移。
- 4 识别/靶向元件：biotin、peptide（tetraRGD、MHC II peptide）、DNA probe、p-benzenesulfonamide ligand，识别 streptavidin、αvβ3 integrin、DNA、CA I/II。
- 5 水溶性/递送基团：carboxylates、cationic cell penetrating peptides（CPPs）、PEG，提高水溶性、细胞摄取或胶体稳定性。
- 6 信号放大策略：hyper-CEST，通过选择性去极化结合态 Xe 并交换至自由 Xe 池放大信号。
- 7 读出系统：MRI/MRS 系统，检测 hp 129Xe 化学位移、峰位或信号强度变化。
中文摘要
用于磁共振成像（MRI）的‘氙生物传感器’概念最早由伯克利团队于2001年提出，证据表明与生物素标记 cryptophane 结合的超极化 129Xe 可在远低于常规增强 MRI 实验的典型浓度（nM–mM）下检测链霉亲和素。近年来，129Xe 生物传感器在分子成像挑战方面取得多项进展。例如，已合成具有约10倍更高氙亲和力和不同 129Xe 磁共振谱的 cryptophane。相关进展还包括树枝状 cryptophane 组装体和无机沸石，它们可将多个 129Xe 原子定位到稀有靶标。本文还讨论了基于寡核苷酸、蛋白质或酶活性产生可测量 129Xe 化学位移变化的生物传感器，并介绍了首批细胞研究。
英文摘要
The concept of 'xenon biosensor' for magnetic resonance imaging (MRI) was first proposed by a Berkeley team in 2001, with evidence that hyperpolarized 129Xe bound to a biotin-labeled cryptophane can detect streptavidin at much lower concentrations (nM-microM) than is typical for contrast-enhanced MRI experiments. 129Xe biosensors have undergone many recent developments to address challenges in molecular imaging. For example, cryptophanes that exhibit 10-fold higher xenon affinity with distinct 129Xe magnetic resonance spectra have been synthesized. Also relevant are dendrimeric cryptophane assemblies and inorganic zeolites that localize many 129Xe atoms to rare targets. Finally, this article considers biosensors that produce measurable changes in 129Xe chemical shift based upon the activity of oligonucleotides, proteins, or enzymes, and includes the first cell studies.