可操作的免疫分析探针磁性纳米机器人用于自动化和高效的酶联免疫吸附检测

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。