哈工大深圳馬星課題組《ACS Nano》：可操作的免疫分析探針磁性納米機(jī)器人用于自動化和高效的酶聯(lián)免疫吸附檢測

基于抗體抗原“特異性結(jié)合"的免疫分析已被廣泛用于實驗室研究和臨床診斷中。其中，酶聯(lián)免疫吸附試驗(ELISA)是一種經(jīng)典且功能強(qiáng)大的生化傳感技術(shù)，可通過生物酶反應(yīng)和化學(xué)比色法對超低濃度分析物進(jìn)行定量。ELISA已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷、環(huán)境分析和食品安全等領(lǐng)域。然而，在傳統(tǒng)ELISA檢測中，抗原或抗體被包覆到多孔板(例如，96孔板)的孔壁上，這導(dǎo)致了三個主要缺點：(ⅰ) 由于所有步驟都在同一槽內(nèi)進(jìn)行，因此在每步反應(yīng)前后需要多次清洗，以去除未結(jié)合的殘留試劑和非特異性相互作用的分子，這給檢測人員造成了繁重的體力勞動;(ⅱ) 此外，由于操作中存在的差異性也可能為檢測結(jié)果帶來誤差。(ⅲ)檢測物與抗原抗體是通過被動的擴(kuò)散來實現(xiàn)結(jié)合，因此傳統(tǒng)的ELISA檢測需要較長的孵育時間。以上原因都造成了傳統(tǒng)ELISA檢測效率低的問題。

近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)馬星課題組提出了棒狀磁驅(qū)動納米機(jī)器人(MNR)作為可操作的免疫分析探針，實現(xiàn)自動高效的ELISA分析方法，稱為納米機(jī)器人激活ELISA(nR-ELISA)。為了制備MNR，研究人員利用外部磁場輔助實現(xiàn)Fe3O4磁性顆粒的自組裝以及在其表層原位生長一層剛性氧化硅(SiO2)。緊接著將捕獲抗體(Ab1)通過法學(xué)法修飾到其表面，最終成功制備了磁性可操作免疫分析探針(MNR-Ab1)。通過數(shù)值模擬研究了微尺度下MNR周圍的流體速度分布，并通過實驗結(jié)果驗證了主動旋轉(zhuǎn)MNR能夠提高混合效率。為了使傳統(tǒng)的ELISA檢測過程實現(xiàn)自動化，研究人員通過三維打印設(shè)計并使用面投影微立體光刻技術(shù)(nanoArch P150, 摩方精密)制造了一個由三個功能槽組成的檢測單元。MNR-Ab1在外部磁場的作用下，通過微通道實現(xiàn)在不同的功能槽間運(yùn)動，參與不同的階段的生化反應(yīng)。主動旋轉(zhuǎn)的MNR-Ab1s可以在微尺度下，通過加速物質(zhì)交換實現(xiàn)抗原/抗體與待檢測物的快速結(jié)合，從而達(dá)到縮短培養(yǎng)時間的目的。該工作實現(xiàn)了ELISA檢測的自動化。在未來，為了實現(xiàn)ELISA的高通量檢測，研究人員擬采用亥姆霍茲線圈來替代目前磁場發(fā)生器。并且通過數(shù)值模擬的方法證明了：亥姆霍茲線圈不僅可以提供足夠大的操作空間，同時空間內(nèi)的磁場偏差較小(<1.6%)，是未來發(fā)展高通量自動化ELISA檢測理想的選擇。該工作將磁性微/納米機(jī)器人應(yīng)用到自動高效ELISA的檢測中，不僅在未來的即時檢測(POCT)中具有巨大的潛力，而且將具有自驅(qū)能力的微/納米機(jī)器人的實際應(yīng)用擴(kuò)展到分析化學(xué)領(lǐng)域。相關(guān)研究結(jié)果以“Magnetic Nano-Robots as Maneuverable Immunoassay Probes for Automated and Efficient Enzyme Linked Immunosorbent Assay"為題發(fā)表于《ACS Nano》。

圖1 磁性納米機(jī)器人實現(xiàn)了自動化和高效的ELISA(nR ELISA)分析示意圖。

圖2 MNR的制備和運(yùn)動特性表征。

圖3 MNRs實現(xiàn)了自動化ELISA檢測。采用摩方精密P150面投影微立體光刻技術(shù)打印了檢測單元。如圖b所示，微通道的狹縫寬度為200 μm，狹縫間距為300 μm。