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器人用于自動化和高效的酶聯免疫吸附檢測

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(yī)療診斷、環(huán)境分析和食品安全等領域。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(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(tǒng)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(yǎng)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(fā)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(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(fā)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。