电化学免疫传感器及其在临床检验中的应用进展

新技术、试剂与设备 电化学免疫传感器及其在临床检验中的应用进展*

贾立永1,郑 磊1,王 前1,干 宁2,Wen Wang3

(1.南方医科大学南方医院,广州510515;2.宁波大学宁波市新型功能材料及其制备科学

国家重点实验室培育基地,浙江315211;3.Queen M ary University of London,E14NS,U nited Kingdom)

!关键词∀ 电化学; 免疫测定; 生物传感技术; 实验室技术和方法

DO I:10.3969/j.issn.1673 4130.2010.11.064

中图分类号:R446.61文献标识码:B文章编号:1673 4130(2010)11 1329 02

电化学免疫传感器将传感技术的高灵敏度和免疫反应的特异性结合起来,把抗原 抗体特异性反应过程中产生的信号通过换能器转变成电信号,从而对抗原或抗体进行定量检测。与传统的检测技术相比较,具有高灵敏度、高特异性、操作简便、分析速度快、价格低廉等优势,且易于实现自动化操作,已经在临床诊断、医疗保健、环境监测、食品安全等领域得到广泛应用,成为传感器领域的研究热点。

电化学免疫传感器的原理

电化学免疫传感器主要是由接受器(r eceptor)、换能器(t ransducer)和电子线路(electro nic contr ol circuit)三部分组成。固定在固相载体上的抗原或抗体构成传感器的敏感膜,即接受器。当样品中含有待测物时,待测物与接受器结合,产生化学量,由换能器将其转化成与分析物浓度有关的电信号,通过电子系统进行处理和显示。

电化学免疫传感器的分类

根据检测信号可分为电位型、电导型、电容型、电流型。其中电流型免疫传感器最为成熟,应用最广泛。

1.电位型 电位型免疫传感器是基于离子选择电极、气敏选择电极原理发展起来的。它是测量电位变化来进行免疫分析的生物传感器,反应过程中的电位变化值与待测物浓度的对数成正比,可直接或间接检测各种抗原、抗体,具有可实时监测、响应时间较快等特点。但是该类型免疫传感器由于不能很好的解决非特异性吸附和背景干扰等问题,灵敏度低,线性范围窄,实际应用有限。

L iang等[1]的研究表明三维立体疏松多孔壳聚糖的应用使电极具有高体表面积、良好的结构稳定性和亲水性,能够为电极表面固定蛋白提供良好的生物相容性环境,有效解决了电位型免疫传感器灵敏度低、线性范围窄等缺点。

2.电导型 电导测量法可大量用于化学系统中,因为许多化学反应都产生或消耗离子体,使溶液的导电能力发生改变,从而改变溶液的总导电率。通常是将一种酶固定在某种贵重金属电极上(如金、银、铜、镍、铬),在电场作用下测量待测物溶液中导电率的变化。Rezaei等[2]制备的人生长激素(hG H)传感器由于灵敏度高(检测限为0.64pg/mL)、线性动态范围宽(3~100pg/mL),可取代对人体有害的放射免疫测定法。

电导法易受待测样品的离子强度与缓冲液电容影响,加之溶液的电阻是由全部离子移动决定的,而且难以克服非特异性吸附问题,因此电导型免疫传感器发展比较缓慢。

3.电容型 电容型免疫传感器是一种建立在双电层理论上的高灵敏度的免疫传感技术。用类似于电容器的物理方程来描述:C=A 0 /de。其中C为界面电容, 0为真空介电常数, 为电极/溶液界面物质介电常数,A是电极与溶液的接触面积,d是界面层厚度。电极/溶液的界面电容能灵敏反应界面物理化学性质的变化。该类型传感器就是基于将抗体固定在电极表面,当抗原抗体在电极表面结合时,界面电容相应地降低,据此进行定量检测。

制作电容型免疫传感器的关键是在金属电极或者半导体上形成电绝缘层。随着L B膜、自组装膜等技术的不断发展和完善[3],能够实现在分子水平上的定向组装,形成高度致密有序的单分子或多分子层,为制备高灵敏的电容型免疫传感器提供了很好的途径。Y ang等[4]首次报道了自组装金纳米单分子层检测沙门氏菌的电容型免疫传感器。

4.电流型 电流型电化学传感器制作简单,敏感度高,价格低廉,已经有商品化的产品。主要原理是利用氧化还原反应在传感器上产生的电流与电极表面的的待测物浓度呈正比,通过测量恒定电压下通过电化学室的电流来对待测物进行定量检测。电流型传感器既可以检测酶标二抗对底物的氧化还原产生的直接电子传递,也可以利用抗原抗体形成的免疫复合物对电子在电极表面的转移的阻滞,测定峰电流改变值来定量检测待测物。

W ang等[5]将F e3O4磁性纳米微粒、壳聚糖、酪氨酸酶按一定的比例混合,滴在玻碳电极表面,利用纳米生物复合膜提供大量固定酶的微环境,可防止酶的泄露,制备了用于酚类物质检测的高灵敏免疫传感器。

电化学免疫传感器在临床诊断中的应用

检测疾病特异性#诊断蛋白∃(DP,即抗原/抗体)含量和种类对疾病诊断、病情分析、治疗方案制定和预后具有重要意义。而电化学免疫传感器是一种简便快速检测DP的方法。电化学免疫传感器在临床诊断方面广泛应用于肿瘤标志物、感染性疾病、自身免疫病等疾病的诊断。

1.电化学免疫传感器应用于肿瘤标志物检测 肿瘤标

*基金项目:广东省科技计划资助项目(2008A050200006);广东省科技计划资助项目(2010A0303000006)。 通讯作者,E mail:nflab @。

志物是肿瘤细胞本身存在或分泌的特异性物质,对肿瘤诊断、判断疗效和预后都有重要意义。L iang等[6]合成了新型功能纳米金颗粒SV G NP并将其修饰在玻碳电极表面,然后将甲胎蛋白(A FP)抗体吸附在电极表面,制成了新型非标记的A FP免疫传感器,该传感器具有良好的敏感性、特异性和稳定性,可长期保持生物活性。另外,电化学免疫传感器还应用于其他常见肿瘤标志物如卵巢癌相关抗原CA 125、乳腺癌相关抗原CA 153、胃肠癌相关抗原CA 199、癌胚抗原(CEA)、血管内皮生长因子(V EGF)、人体绒毛膜促性腺激素(H CG)的检测。

2.电化学免疫传感器在感染性疾病诊断中的应用 与传统血清学诊断类似,电化学免疫传感器对感染性疾病的诊断也依赖对病原体抗原或机体产生的相应抗体检测。M ahmoud 等[7]制备了基于流动注射的霍乱电容型免疫传感器,性能优于夹心Elisa法和表面等离子体共振技术(SPR)的传感器。干宁等[8]制备了同时检测HIV P24和g p36蛋白的安培联检芯片,可用于H IV的快速诊断。这种一次性同时测定多种DP以实现高通量检测的方法,成为电化学免疫传感器研究热点。

3.电化学免疫传感器在自身免疫性疾病诊断中的应用 多发性硬化(M S)是一种中枢神经系统脱髓鞘疾病,属于自身免疫性疾病,研究表明,炎性细胞因子如白介素(IL)与M S 有关,可以作为M S一种生物标记。Bhavsar等[9]在一次性印刷电路板上电镀一层金,再将抗IL 12单克隆抗体固定在电极表面,制备了阻抗型IL 12电化学免疫传感器,与传统EL ISA、放射免疫测定法相比,该传感器方法简便,检测时间短,灵敏度高。K onstantino v等[10]制备了抗染色质抗体免疫传感器,性能优于传统EL ISA法,对系统性红斑狼疮的诊断有意义。

4.电化学免疫传感器在其他方面的应用 由于电化学免疫传感器与传统免疫测定法相比较,具有很多优势,广泛应用于免疫球蛋白[11]、激素[7]、维生素、药物或毒素、细胞因子等的检测。

由于基于抗原与抗体间特异性结合,具有高的准确性和选择性,检测范围宽,电化学免疫传感器技术能弥补传统免疫检测方法不能进行精确定量测定的缺点,实时监测抗原抗体反应,无需分离步骤,有利于抗原抗体反应的动力学分析,且仪器体积小、操作简便,在临床诊断中的应用越来越广泛。

展 望

电化学免疫传感器具有高特异性、高灵敏度、操作简便、分析速度快、价格低廉等优势,近年来发展迅速,已经在临床诊断、医疗保健、环境监测、食品安全等领域得到广泛应用。继续制备不同种类的电化学免疫传感器,拓展其应用范围;与纳米技术、磁技术等技术结合,提高其检测灵敏度;研究电极阵列化,实现高通量的检测是电化学免疫传感器在临床诊断应用中的重要研究方向。

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(本文责任编辑 陈开红 收稿日期:2010 02 01)