哈(ha)工大深(shen)圳(zhen)馬星(xing)課(ke)題組(zu)納米(mi)機器人(ren)分(fen)析(xi)

哈(ha)工大深(shen)圳(zhen)馬星(xing)課(ke)題組(zu)《ACS Nano》：可(ke)操作的免疫(yi)分(fen)析(xi)探針(zhen)磁(ci)性(xing)納米(mi)機器人(ren)用(yong)於(yu)自(zi)動(dong)化(hua)和(he)高效(xiao)的酶聯(lian)免疫(yi)吸(xi)附檢(jian)測

基於(yu)抗體(ti)抗原“特異性(xing)結(jie)合"的(de)免疫(yi)分(fen)析(xi)已被(bei)廣(guang)泛用(yong)於(yu)實(shi)驗(yan)室研(yan)究(jiu)和(he)臨床(chuang)診(zhen)斷中(zhong)。其中(zhong)，酶聯(lian)免疫(yi)吸(xi)附試驗(yan)(ELISA)是壹種(zhong)經(jing)典且功(gong)能(neng)強(qiang)大(da)的(de)生(sheng)化(hua)傳(chuan)感(gan)技術，可(ke)通(tong)過生(sheng)物(wu)酶反應(ying)和(he)化(hua)學(xue)比(bi)色法(fa)對(dui)超(chao)低(di)濃(nong)度分(fen)析物(wu)進行(xing)定(ding)量(liang)。ELISA已(yi)廣(guang)泛應(ying)用於(yu)醫療(liao)診(zhen)斷、環境分(fen)析(xi)和(he)食品(pin)安全等領(ling)域(yu)。然(ran)而(er)，在(zai)傳(chuan)統(tong)ELISA檢(jian)測中，抗原或抗體(ti)被(bei)包(bao)覆到(dao)多(duo)孔板(例(li)如，96孔板)的(de)孔壁上，這導致(zhi)了(le)三個(ge)主要缺(que)點：(ⅰ) 由(you)於(yu)所有(you)步(bu)驟(zhou)都在(zai)同(tong)壹槽(cao)內(nei)進行(xing)，因(yin)此(ci)在(zai)每(mei)步(bu)反應(ying)前後需要多(duo)次清(qing)洗(xi)，以去除(chu)未結(jie)合的(de)殘留(liu)試劑和(he)非特異性(xing)相(xiang)互(hu)作用的分子(zi)，這給檢(jian)測人(ren)員(yuan)造(zao)成了(le)繁(fan)重(zhong)的體(ti)力勞動(dong);(ⅱ) 此(ci)外(wai)，由(you)於(yu)操作中存在(zai)的(de)差異性(xing)也可(ke)能(neng)為(wei)檢(jian)測結(jie)果帶(dai)來誤差。(ⅲ)檢測物與抗原抗體(ti)是通(tong)過被(bei)動(dong)的(de)擴散(san)來實(shi)現(xian)結(jie)合，因(yin)此(ci)傳(chuan)統(tong)的(de)ELISA檢(jian)測需要較長(chang)的(de)孵(fu)育時間(jian)。以上原因(yin)都造成了(le)傳(chuan)統(tong)ELISA檢(jian)測效率(lv)低(di)的(de)問題。

近(jin)日(ri)，哈爾(er)濱(bin)工業(ye)大學(xue)馬星(xing)課(ke)題組(zu)提出(chu)了(le)棒(bang)狀磁(ci)驅(qu)動(dong)納米(mi)機器人(ren)(MNR)作為可(ke)操作的免疫(yi)分(fen)析(xi)探針(zhen)，實(shi)現(xian)自(zi)動(dong)高(gao)效(xiao)的ELISA分析(xi)方法(fa)，稱為(wei)納米(mi)機器人(ren)激活ELISA(nR-ELISA)。為(wei)了(le)制(zhi)備MNR，研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)利(li)用(yong)外(wai)部(bu)磁(ci)場(chang)輔(fu)助(zhu)實(shi)現(xian)Fe3O4磁(ci)性(xing)顆(ke)粒(li)的(de)自(zi)組(zu)裝(zhuang)以及在(zai)其(qi)表(biao)層原位(wei)生(sheng)長(chang)壹層剛性氧(yang)化(hua)矽(gui)(SiO2)。緊接著將(jiang)捕獲抗體(ti)(Ab1)通(tong)過法(fa)學(xue)法(fa)修(xiu)飾(shi)到(dao)其表面，最終成功(gong)制(zhi)備了(le)磁(ci)性(xing)可(ke)操作免疫(yi)分(fen)析(xi)探針(zhen)(MNR-Ab1)。通(tong)過數(shu)值模(mo)擬研(yan)究(jiu)了(le)微(wei)尺度下(xia)MNR周(zhou)圍(wei)的流體(ti)速(su)度分布(bu)，並通(tong)過實(shi)驗(yan)結(jie)果驗(yan)證了(le)主動(dong)旋轉MNR能(neng)夠(gou)提(ti)高(gao)混合(he)效(xiao)率(lv)。為了(le)使(shi)傳(chuan)統(tong)的(de)ELISA檢(jian)測過程(cheng)實(shi)現(xian)自(zi)動(dong)化(hua)，研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)通(tong)過三(san)維打(da)印(yin)設計(ji)並使(shi)用(yong)面(mian)投影微(wei)立體(ti)光刻技(ji)術(nanoArch P150, 摩(mo)方(fang)精(jing)密(mi))制(zhi)造了(le)壹個(ge)由(you)三個(ge)功(gong)能(neng)槽(cao)組(zu)成的(de)檢(jian)測單元(yuan)。MNR-Ab1在(zai)外(wai)部(bu)磁(ci)場(chang)的(de)作用下，通(tong)過微(wei)通(tong)道實(shi)現(xian)在(zai)不(bu)同(tong)的(de)功能(neng)槽(cao)間(jian)運動(dong)，參(can)與不同的階段(duan)的生(sheng)化(hua)反應(ying)。主動(dong)旋轉的(de)MNR-Ab1s可(ke)以在(zai)微(wei)尺度下(xia)，通(tong)過加(jia)速物質交換實(shi)現(xian)抗原/抗體(ti)與待檢測物的(de)快(kuai)速結(jie)合，從(cong)而(er)達到(dao)縮短(duan)培(pei)養時間(jian)的目(mu)的。該(gai)工作實(shi)現(xian)了(le)ELISA檢測的自(zi)動(dong)化(hua)。在(zai)未來，為(wei)了(le)實(shi)現(xian)ELISA的高(gao)通(tong)量(liang)檢(jian)測，研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)擬(ni)采(cai)用(yong)亥姆(mu)霍(huo)茲(zi)線(xian)圈來替(ti)代(dai)目(mu)前磁(ci)場(chang)發生(sheng)器。並且通(tong)過數(shu)值模(mo)擬的(de)方法(fa)證(zheng)明(ming)了(le)：亥姆(mu)霍(huo)茲(zi)線(xian)圈不僅(jin)可(ke)以提(ti)供(gong)足夠(gou)大(da)的(de)操作空間(jian)，同時空間(jian)內的磁(ci)場(chang)偏(pian)差較小(xiao)(<1.6%)，是未來發展(zhan)高(gao)通(tong)量(liang)自(zi)動(dong)化(hua)ELISA檢測理想(xiang)的(de)選擇(ze)。該工作將(jiang)磁(ci)性(xing)微(wei)/納米(mi)機器人(ren)應(ying)用到(dao)自(zi)動(dong)高(gao)效(xiao)ELISA的檢測中，不(bu)僅(jin)在(zai)未來的(de)即時檢(jian)測(POCT)中具(ju)有(you)巨大的潛力，而(er)且將(jiang)具(ju)有自(zi)驅(qu)能(neng)力的微(wei)/納米(mi)機器人(ren)的(de)實(shi)際(ji)應(ying)用擴展(zhan)到(dao)分析化(hua)學(xue)領(ling)域(yu)。相(xiang)關(guan)研(yan)究(jiu)結(jie)果以(yi)“Magnetic Nano-Robots as Maneuverable Immunoassay Probes for Automated and Efficient Enzyme Linked Immunosorbent Assay"為(wei)題發表於(yu)《ACS Nano》。

圖1 磁(ci)性(xing)納米(mi)機器人(ren)實(shi)現(xian)了(le)自(zi)動(dong)化(hua)和(he)高效(xiao)的ELISA(nR ELISA)分析(xi)示(shi)意(yi)圖。

圖2 MNR的制(zhi)備和(he)運動(dong)特性表(biao)征。

圖3 MNRs實(shi)現(xian)了(le)自(zi)動(dong)化(hua)ELISA檢測。采用(yong)摩(mo)方(fang)精(jing)密(mi)P150面(mian)投影微(wei)立體(ti)光刻技(ji)術打(da)印(yin)了(le)檢測單元(yuan)。如(ru)圖b所示(shi)，微(wei)通(tong)道的(de)狹(xia)縫(feng)寬度為(wei)200 μm，狹(xia)縫(feng)間(jian)距為300 μm。