可操作的免疫分析探針磁性納米機(jī)器人用于自動(dòng)化和高效的酶聯(lián)免疫吸附檢測(cè)

基于抗體抗原“特異性結(jié)合"的免疫分析已被廣泛用于實(shí)驗(yàn)室研究和臨床診斷中。其中，酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)（ELISA）是一種經(jīng)典且功能強(qiáng)大的生化傳感技術(shù)，可通過(guò)生物酶反應(yīng)和化學(xué)比色法對(duì)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(cè)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(gè)主要缺點(diǎn)：(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(cè)人員造成了繁重的體力勞動(dòng)；(ⅱ) 此外，由于操作中存在的差異性也可能為檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)誤差。(ⅲ)檢測(cè)物與抗原抗體是通過(guò)被動(dòng)的擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)合，因此傳統(tǒng)的ELISA檢測(cè)需要較長(zhǎng)的孵育時(shí)間。以上原因都造成了傳統(tǒng)ELISA檢測(cè)效率低的問(wèn)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(dòng)納米機(jī)器人（MNR）作為可操作的免疫分析探針，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)高效的ELISA分析方法，稱(chēng)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(chǎng)輔助實(shí)現(xiàn)Fe₃O₄磁性顆粒的自組裝以及在其表層原位生長(zhǎng)一層剛性氧化硅（SiO₂）。緊接著將捕獲抗體（Ab1）通過(guò)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(guò)數(shù)值模擬研究了微尺度下MNR周?chē)牧黧w速度分布，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了主動(dòng)旋轉(zhuǎn)MNR能夠提高混合效率。為了使傳統(tǒng)的ELISA檢測(cè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，研究人員通過(guò)三維打印設(shè)計(jì)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(gè)由三個(gè)功能槽成的檢測(cè)單元。MNR-Ab1在外部磁場(chǎng)的作用下，通過(guò)微通道實(shí)現(xiàn)在不同的功能槽間運(yùn)動(dòng)，參與不同的階段的生化反應(yīng)。主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的MNR-Ab1s可以在微尺度下，通過(guò)加速物質(zhì)交換實(shí)現(xiàn)抗原/抗體與待檢測(cè)物的快速結(jié)合，從而達(dá)到縮短培養(yǎng)時(shí)間的目的。該工作實(shí)現(xiàn)了ELISA檢測(cè)的自動(dòng)化。在未來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)ELISA的高通量檢測(cè)，研究人員擬采用亥姆霍茲線(xiàn)圈來(lái)替代目前磁場(chǎng)發(fā)生器。并且通過(guò)數(shù)值模擬的方法證明了：亥姆霍茲線(xiàn)圈不僅可以提供足夠大的操作空間，同時(shí)空間內(nèi)的磁場(chǎng)偏差較小（<1.6%），是未來(lái)發(fā)展高通量自動(dòng)化ELISA檢測(cè)理想的選擇。該工作將磁性微/納米機(jī)器人應(yīng)用到自動(dòng)高效ELISA的檢測(cè)中，不僅在未來(lái)的即時(shí)檢測(cè)（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(shí)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(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和高效的ELISA（nR ELISA）分析示意圖。

圖2 MNR的制備和運(yùn)動(dòng)特性表征。

圖3 MNRs實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化ELISA檢測(cè)。采用摩方精密P150面投影微立體光刻技術(shù)打印了檢測(cè)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。