组成图示
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传感器类型
其他（芯片NMR/磁共振生物传感器）
检测对象
金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, S. aureus）、小鼠巨噬细胞（RAW 264.7）、乳腺癌细胞（SK-BR-3、MDA-MB-231）、成纤维细胞（3T3）、蛋白生物标志物（CD326、Her2/neu、EGFR、VEGF、AFP、CA125、葡萄糖、叶酸）；样品基质为细菌悬液、血清/细胞悬液及模拟血清样本。
检测原理
系统利用磁性纳米颗粒邻近效应。CLIO 表面偶联生物素、万古霉素或抗体等识别配体。当目标分子/细菌/细胞与颗粒结合时，单个颗粒通过多价结合形成纳米/微米聚集体。聚集体增强对周围水分子质子自旋的退相位，使横向弛豫时间 T2 缩短（R2 增加）。微线圈在永磁体 B0=0.5 T 下施加射频脉冲，用 CPMG 自旋回波测量 T2（或反转恢复测 T1）。目标浓度越高，结合颗粒越多、聚集体越大，ΔT2 越大。微流控将 5–10 μL 样本限制在微线圈敏感区，提高填充因子；微线圈增强射频场，实现小体积高灵敏度。无需光学透明，可测浊度样本。
检测灵敏度
LOD: ~1.0 ng (15 fmol, 3 × 10−9 M) avidin；线性范围: up to four orders of magnitude；R^2 > 97%。对比台式: ~80 ng (1.2 pmol, 4 × 10−9 M) avidin。LOD: ~1 × 10−12 M (mouse IgG to Tag peptide, micrometer-sized magnetic particles)。LOD: about one colony-forming unit per microliter；线性范围: over three orders of magnitude；R^2 > 99% (S. aureus)。LOD: single cell (P < 0.0001) in 10-μL (RAW 264.7)；R^2 > 95%。
效应效果
DMR 与台式弛豫仪基准一致，R1 为 23.7 与 23.3 mM−1 s−1，R2 为 64.1 与 65.4 mM−1 s−1。质量灵敏度较台式系统提高约两个数量级，avidin 检测限约 1.0 ng（15 fmol，3 nM），台式约 80 ng，质量灵敏度提高 80 倍以上。细菌检测具选择性，阴性对照无显著 T2 变化，灵敏度约 1 CFU/μL，动态范围超过三个数量级，测量 <15 min，快于培养（天）和核酸方法（小时）。可检测单个 RAW 264.7 细胞（P<0.0001），并选择性识别 SK-BR-3 的 Her2/neu 与 MDA-MB-231 的 EGFR。8 通道多路复用总时间 <10 min，可区分正常、糖尿病和癌症模拟血清。数据以 mean ± s.e.m. 报告，未给出 RSD、稳定性或回收率；作者认为其适合低成本、便携、床旁检测。
传感器的构成
- 基底与换能器：玻璃基底（glass wafer）上电镀铜的 2×4 平面微线圈阵列（microcoil array），用于射频激励、NMR 信号接收、加热和磁捕获。
- 微流控层：PMMA 激光切割微流控网络（cylindrical chamber + meandering 3D channels），用于样本进样、混合、分配并限制在微线圈敏感区。
- 磁场源：便携永磁体（permanent magnet, PM1055-050N），提供 0.5 T 极化磁场 B0。
- 电子学模块：NMR 电子学（AD9830 RF generator、AD604 amplifier、multiplexer/switch network、NI PCI-6042E），产生 CPMG/反转恢复脉冲并采集 T1/T2 信号。
- 磁性纳米颗粒：交联氧化铁纳米颗粒（CLIO，~38 nm，R1=21 mM−1 s−1，R2=62 mM−1 s−1），作为邻近传感器和 T2 弛豫剂。
- 识别配体：CLIO 表面氨基偶联生物素、万古霉素、抗 EGFR 抗体 cetuximab、抗 Her2/neu 抗体 trastuzumab、抗 CD326/VEGF/CA125/AFP 抗体或葡萄糖、叶酸，用于特异性结合目标。
- 样品反应体系：5–10 μL 未处理生物样本（细菌悬液、血清/细胞悬液）置于微线圈上方腔室，发生结合或吞噬形成聚集体。
- 信号读出：NMR 弛豫读出（T2 下降，CPMG spin-echo），由计算机处理为 ΔT2 信号。
中文摘要
快速、准确地测量组织与流体样本中的生物标志物是医学诊断的重要挑战。本文报道一种新型微型化诊断磁共振（DMR）系统，用于多重、定量和快速分析。该系统以磁性颗粒作为邻近传感器，放大分子相互作用，从而能够在未处理的生物样本中直接测量。作者将 NMR 探测、微流控、平面微线圈阵列、便携永磁体和片上电子学集成到芯片平台，使样本量降至 5–10 μL，并支持多通道并行检测。概念验证显示，DMR 可高灵敏检测细菌，识别少量细胞并在实时条件下进行分子水平分析，同时平行测量多种蛋白生物标志物。与依赖光学或大体积台式 NMR 的方法相比，DMR 适用于浊度样本，具有便携、快速和低成本潜力，有望成为稳健的床旁诊断设备。
英文摘要
Rapid and accurate measurement of biomarkers in tissue and fluid samples is a major challenge in medicine. Here we report the development of a new, miniaturized diagnostic magnetic resonance (DMR) system for multiplexed, quantitative and rapid analysis. By using magnetic particles as a proximity sensor to amplify molecular interactions, the handheld DMR system can perform measurements on unprocessed biological samples. We show the capability of the DMR system by using it to detect bacteria with high sensitivity, identify small numbers of cells and analyze them on a molecular level in real time, and measure a series of protein biomarkers in parallel. The DMR technology shows promise as a robust and portable diagnostic device.