免疫分析探针磁性纳米机器人用于自动化和高效酶联免疫吸附检测

基于抗体抗原“特异性结合"的免疫分析已被广泛用于实验室研究和临床诊断中。其中，酶联免疫吸附试验(ELISA)是一种经典且功能强大的生化传感技术，可通过生物酶反应和化学比色法对超低浓度分析物进行定量。ELISA已广泛应用于医疗诊断、环境分析和食品安全等领域。然而，在传统ELISA检测中，抗原或抗体被包覆到多孔板(例如，96孔板)的孔壁上，这导致了三个主要缺点：(ⅰ) 由于所有步骤都在同一槽内进行，因此在每步反应前后需要多次清洗，以去除未结合的残留试剂和非特异性相互作用的分子，这给检测人员造成了繁重的体力劳动;(ⅱ) 此外，由于操作中存在的差异性也可能为检测结果带来误差。(ⅲ)检测物与抗原抗体是通过被动的扩散来实现结合，因此传统的ELISA检测需要较长的孵育时间。以上原因都造成了传统ELISA检测效率低的问题。

近日，哈尔滨工业大学马星课题组提出了棒状磁驱动纳米机器人(MNR)作为可操作的免疫分析探针，实现自动高效的ELISA分析方法，称为纳米机器人激活ELISA(nR-ELISA)。为了制备MNR，研究人员利用外部磁场辅助实现Fe3O4磁性颗粒的自组装以及在其表层原位生长一层刚性氧化硅(SiO2)。紧接着将捕获抗体(Ab1)通过法学法修饰到其表面，最终成功制备了磁性可操作免疫分析探针(MNR-Ab1)。通过数值模拟研究了微尺度下MNR周围的流体速度分布，并通过实验结果验证了主动旋转MNR能够提高混合效率。为了使传统的ELISA检测过程实现自动化，研究人员通过三维打印设计并使用面投影微立体光刻技术(nanoArch P150, 摩方精密)制造了一个由三个功能槽组成的检测单元。MNR-Ab1在外部磁场的作用下，通过微通道实现在不同的功能槽间运动，参与不同的阶段的生化反应。主动旋转的MNR-Ab1s可以在微尺度下，通过加速物质交换实现抗原/抗体与待检测物的快速结合，从而达到缩短培养时间的目的。该工作实现了ELISA检测的自动化。在未来，为了实现ELISA的高通量检测，研究人员拟采用亥姆霍兹线圈来替代目前磁场发生器。并且通过数值模拟的方法证明了：亥姆霍兹线圈不仅可以提供足够大的操作空间，同时空间内的磁场偏差较小(<1.6%)，是未来发展高通量自动化ELISA检测理想的选择。该工作将磁性微/纳米机器人应用到自动高效ELISA的检测中，不仅在未来的即时检测(POCT)中具有巨大的潜力，而且将具有自驱能力的微/纳米机器人的实际应用扩展到分析化学领域。相关研究结果以“Magnetic Nano-Robots as Maneuverable Immunoassay Probes for Automated and Efficient Enzyme Linked Immunosorbent Assay"为题发表于《ACS Nano》。

图1 磁性纳米机器人实现了自动化和高效的ELISA(nR ELISA)分析示意图。

图2 MNR的制备和运动特性表征。

图3 MNRs实现了自动化ELISA检测。采用摩方精密P150面投影微立体光刻技术打印了检测单元。如图b所示，微通道的狭缝宽度为200 μm，狭缝间距为300 μm。