微流控芯片技术在免疫分析中的应用_黄辉

微流控芯片结构特征是各种构型的微通道网 络 , 通过对通道内流体的操控完成芯片的分离分析 功能 。微流控芯片技术有别于生物芯片技术 , 表 1 对这两种技术进行了比较[ 2] :
表 1 微流控芯片与生 物芯片的比较
分析对象 结构特征 工作原理 前处理功能 集成化对象 产业化程度
微流控芯片 全部分析
微管道网络 微管道内流体控制
Dodge-A [ 6] 在芯片通道的 局部区域 固定一层 蛋白 A , 蛋白 A 对兔 IgG 有极强的亲和力 , 然后用 直接法和竞争法进行蛋白 A 与 IgG 之间的免疫分 析研究 。 Linder[ 7] 等通过对通道表 面钝化和固定 生物探针相结合的方法 , 使非均相亲和免疫反应在 微通道交叉部位进行 。Sat o-K[ 8] 等用抗-C EA 抗体 预先包被聚苯乙烯珠并导入到通道中 , 然后与含有 C EA 的血清样本 、一抗 、胶体金标记的二抗进行反 应 。位于微珠表面形成的抗原抗体复合物 , 通过一 个激光热透镜检测 。 经三种抗体进行的夹心法免 疫分析可以超痕量的检测血清中的 CEA 。 用这种 方法检测 13 例病人血清与传统的 EL ISA 有高度 的相关性(r =0. 917)。 抗原抗体反应时间缩短到 1 %, 从而使整个分析时间减少到 35min 。
多种前处理技术 全部分析功能 初始阶段
生物芯片 核酸和蛋白质等
微探针阵列 生物杂交 无
高密度杂交反应阵列 高度产业化
收稿日期 :2005-07-13
2 微流控芯片技术在免疫分析中的应用
免疫分析有两个最基本的分类 :均相免疫分析 和非均相免疫分析 , 这两种免疫分析技术在微流控 芯片技术中都有比较多的研究 。
现在很多装置采取多样本同时测量技术 , 由于
多通道或者其他复杂的二维设计不会显著影响制
造的时间和难度 , 使用微流装置可以有效地运用到 许多高通亮分 析中 。 基 于这种观 念 , Brom berg[ 9] 构建了一个 96 通道的 放射 状 毛细 管阵 列 , 用于
T N T 电泳的均相免疫分析 。整个装置是一张圆形 的玻璃薄片 , 在周边有样品和阳极缓冲液孔 , 微通 道聚集 到 中间 的 阴 极缓 冲 液 孔 , 首 先 在 芯 片外 T N T 的样品与 T NT 抗体和荧光标记的 T NT 平 衡液温育 , 然后转移到芯片中进行电泳分离 。 整个 装置可以同时进行 48 份样本分析 。
48
Lab eled Imm unoassays & C lin M ed , M ar. 2006 , V ol. 13 , N o. 1
2. 3 微流控芯片的优点以及发展趋势 将微流控芯片分析用于免疫分析 , 可大大改善
免疫分析性能 。 具体表现在 :①缩短反应时间 , 提 高分析效率 , 整个免疫分析过程可以在数分钟内完 成 。 ②节约试剂和样本 , 微流控芯片分析的试样与 试剂消耗可降低至数 μL 水平 , 并且随着技术水平 的提高 , 还有可能进一步减少 。 ③易于集成化 、便 携化 、操作简便 , 更易实现自动化 。尽管微流免疫 分析系统在实验室获得了比较好的结果 , 但要完全 产业化还需要更多的努力 。现在还需对芯片制造 、 表面修饰 、集成检测及免疫化学反应等技术进行组 合优化 , 以便更加改进目前使用了数十年近乎完美 的免疫学分析 。 随着微流装置的进一步微型化 、集 成化 、自动化 , 微流控芯片分析将在药物研究 、临床 诊断和家庭护理中发挥重要作用 。
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检测物
C RP 血清氢化可的松
苯妥英 雌二醇 胰岛素 胰岛素 鼠 IgG
TN T 茶碱 副甲状腺激素 IL-5 A t razi ne Es tron 霍乱毒素 C RP 组胺 r 干扰素 D-二聚体 伴刀豆球蛋白
表 2 微流控 免疫芯片分析的物质
分析方法
检测方法
检测限
凝集反应 竞争性电泳 竞争性均相免疫分析
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2. 1 均相免疫分析 微流控均相免疫分析是指抗原抗体在同一溶 液相中进行的免疫反应 , 主要是利用微流控芯片的 多路技术以及在芯片形式下的快速电泳分离技术 。 由于反应在同一溶液相中进行反应 , 因此在芯片中 实现集成化的均相免疫反应比较容易 。 1996 年 K o utny-LB[ 3] 首次将免疫测定和芯片 毛细管电泳相结合 , 用芯片毛细管电泳分离均相竞 争免疫反应后的 , 抗原抗体复合物和游离的标记抗 原及待测抗原 , 建立了血清氢化可的松测定方法 , 测定浓度范围在 1 ～ 60μg / L 。 由于免疫反应并未 在芯片上进行 , 因此并非真正意义上的微流控免疫 反应 。Wang[ 4] 等在微流控芯片中建立集成化的均 相酶免疫法测定技术平台 , 样本中的鼠 IgG 与碱性 磷酸酶标记的抗鼠 IgG 抗体在免疫反应室中进行 混合反应后 , 电泳分离 , 随后进行酶反应 , 底物(4氨基苯磷酸盐)被氧化成为 4-氨基苯酚 , 下游安培 法检测产物 。 Cheng S B[ 5] 等设计了 SPID Y 芯片 采用均相免 疫分析检测卵 清蛋白和抗雌 二醇 , 在 60s 内可以完成混合 、反应 、分离和检测等全过程 , 同时芯片集成了 6 个独立的分析单元 , 可以进行 6 个样品的同时免疫分析 , 进一步提高分析速度 。 2. 2 非均相免疫分析 非均相免疫是将抗原(或抗体)固定在载体表 面 , 将所需的抗体(或抗原)结合在载体表面形成复
微流控芯片已广泛用于生物医学 、高通量药物 合成筛选 、环境监测和生物战剂侦检等领域 , 本文 就微流控芯片在免疫分析中的应用做一综述 。
1 微流控芯片技术分析概述
微流控芯片技术是通过微细加工技术在芯片 上构建由储液池 、微反应室 、微管道等微功能元件 构成的微流路系统 , 加载生物样品和反应液后 , 在 压力泵或者电场作用下形成微流路 , 于芯片上进行 一种或连续多种的反应 , 达到对样品高通量快速分 析的目的 。 微流控芯片技术由于具有高度集成性 , 可在一张芯片上完成采样 、稀释 、加试剂 、反应 、分 离和检测等多 种功能 , 又 被称为微型全 分析系统 (micro to tal analysi s sy stem , μ-T A S)[ 1] 。 微流控 芯片以硅片 、玻璃 、石英和高分子聚合材料为芯片 基底材料 , 芯片的加工方 法起源于微机 电加工技 术 , 又有软光刻 、模塑法 、热压法等新的加工技术 。
电泳
激光散射 荧光 荧光 荧光
100ng /m L 30nm ol / L 0. 43mm ol / L 4. 3nm ol / L
电泳 电泳 电泳
电化学 荧光
电化学
0. 01nm ol / L 3nm ol / L 10pm ol / L
电泳 电泳 非均相免疫分析 非均相夹心免疫分析
荧光 荧光 荧光 荧光
有很多实验室把微阵列技术和微流通道结合 起来 , Z uri cH[ 11] 实验室首先通过硅片上平行的微 流通道将多种 抗原 或抗体 印迹在 PDM S 基底面 上 , 采取封闭步骤阻断非特异性结合 , 从 P DM S 基 底上移除硅微通道 , 将另一块具有平行通道的微流 硅片旋转 90 度放 置在 PDM S 上 , 形 成格 子样结 构 。 当样本引入时 , 在通道的交叉点 , 样本中的抗 体(抗原)被捕捉 。 这些抗原抗体复合物可以通过 荧光标记或者酶标抗体进行可视化处理 。 通过装 置可以同时进行多样本的多个指标分析 , 这对于临 床诊断来说是非常具有吸引力的 。表 2 列出一些 使用微流控免疫芯片进行分析的物质 。
1mg /m L 1. 25ng /m L
-
非均相竞争分析 非均相免疫分析 非均相夹心分析 非均相免疫分析
化学发光 荧光 荧光 荧光
45ng /L 0. 084ng /m L
8ng /m L 30ng /m L
非均相免疫分析 夹心 夹心
均相免疫分析
电化学发光 热棱镜
电化学发光 荧光偏振
200ng /m L 50mm ol / L 100pmol /L 0. 2nm ol / L
分析时间
30s <1mi n 30s 30s(连续检测) 6mi n 40mi n 74mi n 10mi n 15mi n 15mi n 10mi n 2mi n 5mi n -
流体控制 压力
电驱动 压力
电驱动 电驱动 电驱动 电驱动 电驱动 电驱动
压力 -
压力 压力 压力 毛细作用 压力 电驱动 压力 压力
Jiang[ 10] 采用分枝 网络来对 溶液进行 系列稀 释 , 在样本注入后 , 每次通过通道分枝就被稀释一 倍 。 在典型的低雷诺系数条件下 , 没有湍流混合发 生 。 用系列稀释微流网络 , 在通道表面有一种叫混 乱平流搅拌器的结构 , 用来中断层流促进混合 。这 个分析系统还建立了阳性和阴性对照用于标定 。
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Lab eled Imm unoassays & C lin M ed , M ar. 2006 , V ol. 13 , N o. 1
综 述
微流控芯片技术在免疫分析中的应用
黄 辉 , 蒲晓允
(第三军医大学临床检验学教研室 , 重庆 400038)
中图分类号 :R446. 6 文献标识码 :A 文章编号 :1006 -1703(2006)01-0046 -03
Βιβλιοθήκη Baidu参考文献 :
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标记免疫分析与临床 2006 年 3 月第 13 卷第 1 期
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合物 , 经清洗即可实现复合物与游离抗原(或抗体) 的分离 。 常规的非均相分析需要较长的温育时间 和繁琐的液体处理 。 而微流控芯片技术 , 由于微通 道的高表面积体积比使反应时间大大缩短 , 一些手 工处理可以通过简单的阀切换而得以实现 。