可操作免疫分析探針磁性納米機器人

基于抗體抗原“特異性結合"的免疫分析已被廣泛用于實驗室研究和臨床診斷中。其中，酶聯免疫吸附試驗(ELISA)是一種經典且功能強大的生化傳感技術，可通過生物酶反應和化學比色法對超低濃度分析物進行定量。ELISA已廣泛應用于醫療診斷、環境分析和食品安全等領域。然而，在傳統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，這導致了三個主要缺點：(ⅰ) 由于所有步驟都在同一槽內進行，因此在每步反應前后需要多次清洗，以去除未結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果帶來誤差。(ⅲ)檢測物與抗原抗體是通過被動的擴散來實現結合，因此傳統的ELISA檢測需要較長的孵育時間。以上原因都造成了傳統ELISA檢測效率低的問題。

近日，哈爾濱工業大學馬星課題組提出了棒狀磁驅動納米機器人(MNR)作為可操作的免疫分析探針，實現自動高效的ELISA分析方法，稱為納米機器人激活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，并通過實驗結果驗證了主動旋轉MNR能夠提高混合效率。為了使傳統的ELISA檢測過程實現自動化，研究人員通過三維打印設計并使用面投影微立體光刻技術(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，通過微通道實現在不同的功能槽間運動，參與不同的階段的生化反應。主動旋轉的MNR-Ab1s可以在微尺度下，通過加速物質交換實現抗原/抗體與待檢測物的快速結合，從而達到縮短培養時間的目的。該工作實現了ELISA檢測的自動化。在未來，為了實現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生器。并且通過數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，同時空間內的磁場偏差較小(<1.6%)，是未來發展高通量自動化ELISA檢測理想的選擇。該工作將磁性微/納米機器人應用到自動高效ELISA的檢測中，不僅在未來的即時檢測(POCT)中具有巨大的潛力，而且將具有自驅能力的微/納米機器人的實際應用擴展到分析化學領域。相關研究結果以“Magnetic Nano-Robots as Maneuverable Immunoassay Probes for Automated and Efficient Enzyme Linked Immunosorbent Assay"為題發表于《ACS Nano》。

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

圖2 MNR的制備和運動特性表征。

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