CN112834755B - 一种基于中空纤维膜的免疫型生物传感器检测装置 - Google Patents

一种基于中空纤维膜的免疫型生物传感器检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于中空纤维膜的免疫传感器检测装置，该免疫传感器检测装置为多层膜组合形成的中空结构，所述中空结构由内至外依次为中空纤维膜、基础导电层以及生化免疫层。该免疫传感器检测装置利用抗体对抗原的识别作用实现血样中与传染性疾病、急性心血管疾病相关抗原含量的快速检测，具体包括如下步骤：待测血样通过毛细作用进入中空纤维膜管内，通过内表层与外表层的孔隙，红细胞等被截流在中空纤维膜内，血清扩散至中空纤维膜外，血清中的抗原与外表层的生物材料层特异性结合，产生电子转移，该电子转移被基础导电层捕捉，再通过导电凝胶、电气连接接口传递给分析仪器，实现血样中抗原含量的快速检测。

Description

一种基于中空纤维膜的免疫型生物传感器检测装置
技术领域
本发明涉及生物医学设备领域，具体涉及一种中空纤维膜的免疫型生物传感器检测装置及其在快速检测血样中与传染性疾病、急性心血管疾病相关抗原含量的应用。
背景技术
如何在急性病症或公众健康突发性事件爆发的背景下对低浓度生物标志物进行现场高效快速精准检测，是挽救病患生命、控制疫情传播至关重要的一环。
便携式即时诊断设备能够在现场进行即刻分析，快速得出检验结果，是一种适于上述应用环境的体外诊断技术。但是各类生化标志物在人体血液、体液等成分中的含量极低，不进行样品纯化筛分就很难进行准确诊断，极大地限制了便携式即时诊断设备的应用场景。而进行样品筛分一般又需要离心机等设备，这些大型设备与“便携式”、“即时”等需求背道而驰，极大地限制了即时检测的开展。
如心血管急性病症中的心肌梗死是临床上较为凶险的危重症，患者冠状动脉出现急性闭塞导致血流中断，不即时处理死亡率较高。临床诊断的主要依据是心电图的改变，在非院内环境中，无法即时运用心电图进行诊断，易耽误救治机会。针对血液中的心肌损伤标志物检测是另一种早期诊断的方法，心肌坏死时心机细胞膜完整性被破坏，常伴有结构蛋白以及细胞内其他大分子物质释放到心机间质，这些由于心机坏死所形成的生化标志物包括心肌肌钙蛋白(Cardiac Troponin T)、肌酸激酶同工酶(CK-MB)、肌红蛋白(Mb)等。经过大量研究表明这些标志物是患者心肌受损后血液中具有较高特异性的标志物。
又如在传染性疾病的现场检测环境中，检测人员往往需要在现场进行样品提取和测试，以提高应急响应速度，同时降低样品运输可能带来的二次污染。如新冠肺炎病患血液中的IgM、IgG抗体，乙肝病人血液中的HBc、HBe等生物标志物都是具备较高特异性的标志物。如能在样品取样现场就进行检测将大幅提高效率，便于应急处置和大样本筛查。
现有技术中用于检测这些标志物的手段包括酶联免疫吸附(ELISA)和电化学发光免疫分析，检测的灵敏性、重复性和可靠性都较高。但是这些测试都需要静脉取血后进行抗凝预处理，再使用离心机分离血细胞进行检测，步骤较多，明显增加了检测时间。且在一般家庭环境和野外环境中不具备血液处理分离设备，限制了检测的开展，降低了检测的时效性。
因此，亟需开发出一种能够实现生物标志物实时分离并检测的便携式检测装置。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术不足，提供一种基于中空纤维膜的免疫传感器检测装置，利用中空纤维膜的孔洞快速准确地将血液筛分，血清中的抗原类标志物与中空纤维膜外表面固定的抗体实现免疫结合，通过电化学阻抗谱方法测量结合情况以实现快速检测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于中空纤维膜的免疫传感器检测装置，所述免疫传感器检测装置为多层膜组合形成的中空结构，所述中空结构由内至外依次为中空纤维膜、基础导电层以及生化免疫层；
所述的中空纤维膜的外表面过滤截留导电材料分散液形成所述基础导电层；生物免疫材料通过共价键结合或吸附方式固定于基础导电层外表面形成生化免疫层；在生化免疫层外再涂覆非特异性结合阻断材料以阻断非特异性结合；
在所述的中空纤维膜一端的外表面引出电气连接接口，电气连接接口与分析仪器连接。
所述的中空纤维膜的材料为聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚砜、聚氯乙烯或聚丙烯腈。
进一步地，所述中空纤维膜的外表层与内表层的孔径呈梯度分布，外表层孔径为0.01-2.0μm，内表层与外表层的孔径之比为10:1-200:1；所述的中空纤维膜的孔隙率为30-90％。
所述的中空纤维膜的外表层与内表层的孔径呈梯度分布可以提供毛细自驱动力使血液中的液体成分不需借助外动力实现透膜输送；通过不同调节孔径及孔隙率可调控基础导电层的厚度及其附着强度。
更进一步地，所述的中空纤维膜的外表层孔径为0.01-2.0μm；内表层与外表层的孔径之比为10:1-200:1；所述的中空纤维膜的孔隙率为30-90％。
所述的导电材料为炭黑颗粒、碳纳米管、石墨烯、金纳米棒或聚苯胺纤维。
进一步地，所述的中空纤维膜的平均厚度为100-1000μm；所述的基础导电层平均厚度为0.1-10μm。
所述的生物免疫材料为与抗原相结合的抗体。
所述的抗原为心肌肌钙蛋白、新冠病毒、登革热病毒、人感染高致病性禽流感病毒、甲型H1N1流感病毒或乙肝病毒。
所述的生物免疫材料的浓度为4.5～5.5μg/mL。
所述的非特异性结合阻断材料为甘氨酸或牛血红白蛋白等蛋白质。
所述的分析仪器用于监测免疫结合前后的电信号变化，包括但不限于电化学工作站、电流源表等本领域人员熟知的其他分析仪器。
本发明还提供了一种基于中空纤维膜的免疫型电化学检测方法，利用本发明所述的免疫传感器检测装置进行，包括如下步骤：
(1)血样通过所述中空纤维膜的进样端进样；
(2)血样通过毛细作用进入中空纤维膜内，经过内表层扩散至外表层，红细胞等大尺度细胞被截流在中空纤维膜的孔洞内，血清扩散至中空纤维膜的外侧；
(3)血清通过中空纤维膜后，血清中的抗原与外层的生物功能材料层上的抗体特异性结合；
(4)生物功能材料层上的抗体与抗原的特异性结合，产生电极界面的阻抗值变化，该变化情况被基础导电层的导电材料传导，再通过电气连接接口传递给分析仪器；
(5)分析仪器通过分析阻抗变化的具体数量，定量反映出检测血样中抗原的浓度，实现血样中抗原含量的检测。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)检测过程中，血样通过毛细作用进入中空纤维膜，微升量级的血样就可以实现测试，减少了血样采集复杂度，可以使用指尖采血。
(2)血样经过中空纤维膜，利用中空纤维膜的多孔结构特性实现血样中血细胞与血清的快速分离，能够大量缩短血样分离时间，对实现血样中与重大传染疾病以及急性心血管疾病相关抗原的快速检测具有重要意义。
(3)生物材料层选用免疫类抗体，与血清中的抗原特异性结合，提高了检测的准确性，避免了非特异性结合的干扰。
(4)采用电化学检测手段，抗体与抗原特异性结合时，产生阻抗变化，可以量化计算出抗原结合量，从而将一般的快速定性检测提升至快速定量检测水平。
附图说明
图1为本发明所述的免疫传感器检测装置的示意图，其中，(a)为免疫传感器检测装置的结构和工作原理示意图，(b)为中空纤维膜的截面图，(c)为中空纤维膜外表面碳纳米管层的放大截面图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围内。
实施例1
一种基于中空纤维膜的免疫传感器检测装置，主要检测对象为心梗标志物心肌肌钙蛋白(cTnT)，免疫传感器检测装置为多层膜结构的中空柱，中空柱由内至外依次包括中空纤维膜、基础导电层、生物功能材料层和阻断层，其中中空纤维膜材料为聚偏氟乙烯，膜的外表层与内表层的孔径呈梯度分布，外表层孔径为0.15μm，内表层与外表层的孔径之比为10：1，中空纤维膜的平均厚度为100μm。
聚偏氟乙烯过滤截留碳纳米管于中空纤维膜外表面，形成基础导电层，基础导电层的平均厚度为1μm；将基础导电层在5μg/mL浓度的cTnT溶液中浸置1小时，在基础导电层外表面通过羧基与氨基化学键耦联的方式结合cTnT抗体，形成生物功能材料层；在生物功能材料层外表面涂覆牛血红蛋白与未结合cTnT的空白羧基耦联，形成非特异性结合阻断层。
免疫传感器检测的方法为：在中空纤维膜一端，通过毛细作用进入待测血样，血样进入中空纤维膜内，经过内表层与外表层孔径，将红细胞等截流在中空纤维膜内，血清扩散至中空纤维膜外。
血清通过中空纤维膜、基础导电层的孔洞进行流动，实现外层的生物功能材料层与血清中心肌肌钙蛋白(cTnT)的特异性结合，产生阻抗变化，该阻抗变化情况被基础导电层的导电材料捕捉，再通过电气连接接口传递给分析仪器。分析仪器通过分析阻抗具体变化的值定量反映出检测血样中心肌肌钙蛋白(cTnT)的含量和浓度。
测试前阻抗初始值为120kΩ，结合了浓度为0.5ng/ml的cTnT蛋白后阻抗值增量为40kΩ，结合了浓度为1ng/ml的cTnT蛋白后阻抗值增量为78kΩ，证实免疫传感器检测装置可以通过分析阻抗测量血样中心肌肌钙蛋白(cTnT)的含量和浓度。
实施例2
一种基于中空纤维膜的免疫传感器检测装置，主要检测对象为甲型H1N1流感标志物(H1N1-IgM)，免疫传感器检测装置为多层膜结构的中空柱，中空柱由内至外依次包括中空纤维膜、基础导电层、生物功能材料层和阻断层，其中中空纤维膜材料为聚偏氟乙烯，膜的外表层与内表层的孔径呈梯度分布，外表层孔径为0.2μm，内表层与外表层的孔径之比为50:1，中空纤维膜的平均厚度为100μm。
过滤截留金纳米棒于中空纤维膜外表面，形成基础导电层，基础导电层的平均厚度为0.1μm；在基础导电层外表面耦联H1N1-IgM抗体，H1N1-IgM抗体的浓度为5μg/mL，形成生物功能材料层；在生物功能材料层外表面涂覆牛血红蛋白，形成非特异性结合阻断层。
免疫传感器检测的方法为：在中空纤维膜一端，通过毛细作用进入待测血样，血样进入中空纤维膜内，经过内表层与外表层孔径，将红细胞等截流在中空纤维膜内，血清扩散至中空纤维膜外。
血清通过中空纤维膜、基础导电层的孔洞进行流动，实现外层的生物功能材料层与血清中抗原的特异性结合，产生阻抗变化，该阻抗变化情况被基础导电层的导电材料捕捉，再通过电气连接接口传递给分析仪器。分析仪器通过分析阻抗具体变化的值定量反映出检测血样中H1N1抗原的含量和浓度。
实施例3
一种基于中空纤维膜的免疫传感器检测装置，主要检测对象为人感染高致病性禽流感标志物(H5抗原)，主要检测装置为多层膜结构的中空柱，中空柱由内至外依次包括中空纤维膜、基础导电层、生物功能材料层和阻断层，其中中空纤维膜材料为聚砜，膜的外表层与内表层的孔径呈梯度分布，外表层孔径为0.05μm，内表层与外表层的孔径之比为100:1，中空纤维膜的平均厚度为200μm。
过滤截留石墨烯片层于中空纤维膜外表面，形成基础导电层，基础导电层的平均厚度为0.05μm；在基础导电层外表面耦联H5抗体，H5抗体的浓度为5μg/mL，形成生物功能材料层；在生物功能材料层外表面涂覆甘氨酸，形成非特异性结合阻断层。
免疫传感器检测的方法为：在中空纤维膜一端，通过毛细作用进入待测血样，血样进入中空纤维膜内，经过内表层与外表层孔径，将红细胞等截流在中空纤维膜内，血清扩散至中空纤维膜外。
血清通过中空纤维膜、基础导电层的孔洞进行流动，实现外层的生物功能材料层与人感染高致病性禽流感H5抗体的特异性结合，产生阻抗变化，该阻抗变化情况被基础导电层的导电材料捕捉，再通过电气连接接口传递给分析仪器。分析仪器通过分析阻抗具体变化的值定量反映出检测血样中人感染高致病性禽流感标志物(H5抗原)的含量和浓度。
实施例4
一种基于中空纤维膜的免疫传感器检测装置，主要检测对象为登革热标志物(登革热IgG)，主要检测装置为多层膜结构的中空柱，中空柱由内至外依次包括中空纤维膜、基础导电层、生物功能材料层和阻断层，其中中空纤维膜材料为聚偏氟乙烯，膜的外表层与内表层的孔径呈梯度分布，外表层孔径为0.4μm，内表层与外表层的孔径之比为80：1，中空纤维膜的平均厚度为100μm。
过滤截留导电聚苯胺纳米线于中空纤维膜外表面，形成基础导电层，基础导电层的平均厚度为0.1μm；在基础导电层外表面耦联登革热IgG抗体，登革热IgG抗体的浓度为4.8μg/mL，形成生物功能材料层；在生物功能材料层外表面涂覆甘氨酸，形成非特异性结合阻断层。
免疫传感器检测的方法为：在中空纤维膜一端，通过毛细作用进入待测血样，血样进入中空纤维膜内，经过内表层与外表层孔径，将红细胞等截流在中空纤维膜内，血清扩散至中空纤维膜外。
血清通过中空纤维膜、基础导电层的孔洞进行流动，实现外层的生物功能材料层与血清中登革热IgG抗原的特异性结合，产生阻抗变化，该阻抗变化情况被基础导电层的导电材料捕捉，再通过电气连接接口传递给分析仪器。分析仪器通过分析阻抗具体变化的值定量反映出检测血样中登革热IgG抗原的含量和浓度。
对比例
与实施例4的检测对象相同，一种基于中空纤维膜的免疫传感器检测装置，主要检测对象为登革热标志物(登革热IgG)，主要检测装置为多层膜结构的中空柱，中空柱由内至外依次包括中空纤维膜、基础导电层、生物功能材料层和阻断层，其中中空纤维膜材料为聚偏氟乙烯，膜的外表层与内表层的孔径一致，孔径均为0.4μm，内表层与外表层的孔径之比为1：1，中空纤维膜的平均厚度为100μm。
过滤截留导电聚苯胺纳米线于中空纤维膜外表面，形成基础导电层，基础导电层的平均厚度为0.1μm；在基础导电层外表面耦联登革热IgG抗体，登革热IgG抗体的浓度为4.8μg/mL，形成生物功能材料层；在生物功能材料层外表面涂覆甘氨酸，形成非特异性结合阻断层。
在检测过程中：在中空纤维膜一端，通过毛细作用进入待测血样，血样进入中空纤维膜内，但由于内表层与外表层孔径一致，未形成梯度毛细作用，因此无法使血清扩散至中空纤维膜外，因此失去了筛分检测的功能。

Claims (7)

1.一种基于中空纤维膜的免疫传感器检测装置，其特征在于，所述免疫传感器检测装置为多层膜组合形成的中空结构，所述中空结构由内至外依次为中空纤维膜、基础导电层以及生化免疫层；
所述的中空纤维膜的外表面过滤截留导电材料分散液形成所述基础导电层；生物免疫材料通过共价键结合或吸附方式固定于基础导电层外表面形成生化免疫层；在生化免疫层外再涂覆非特异性结合阻断材料以阻断非特异性结合；
在所述的中空纤维膜一端的外表面引出电气连接接口，电气连接接口与分析仪器连接；
其中，所述中空纤维膜的外表层与内表层的孔径呈梯度分布，外表层孔径为0.01-0.4μm，内表层与外表层的孔径之比为10:1-100:1；所述的中空纤维膜的孔隙率为30-90%，平均厚度为100-200μm；
所述的生物免疫材料为与抗原相结合的抗体，所述的抗原为心肌肌钙蛋白、新冠病毒、登革热病毒、人感染高致病性禽流感病毒、甲型H1N1流感病毒或乙肝病毒；
所述的生物免疫材料的浓度为4.5-5.5μg/mL，所述的分析仪器通过分析阻抗变化来定量检测抗原。
2.根据权利要求1所述的免疫传感器检测装置，其特征在于，所述的中空纤维膜为聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚砜、聚氯乙烯或聚丙烯腈。
3.根据权利要求1所述的免疫传感器检测装置，其特征在于，所述的导电材料为炭黑颗粒、碳纳米管、石墨烯或金纳米棒。
4.根据权利要求1所述的免疫传感器检测装置，其特征在于所述的基础导电层的平均厚度为0.1-10μm。
5.根据权利要求1所述的免疫传感器检测装置，其特征在于，所述的非特异性结合阻断材料为甘氨酸或牛血红白蛋白。
6.根据权利要求1所述的免疫传感器检测装置，其特征在于，所述的分析仪器为电化学工作站或电流源表。
7.一种基于非疾病诊断为目的的中空纤维膜的免疫型生物传感检测方法，其特征在于，利用权利要求1~6任一项所述的免疫传感器检测装置进行，包括如下步骤：
（1）血样通过所述中空纤维膜的进样端进样；
（2）血样通过毛细作用进入中空纤维膜内，经过内表层扩散至外表层，包括红细胞的大尺度细胞被截流在中空纤维膜的孔洞内，血清扩散至中空纤维膜的外侧；
（3）血清通过中空纤维膜后，血清中的抗原与外层的生化免疫层上的抗体特异性结合；
（4）生化免疫层上的抗体与抗原的特异性结合，产生电极界面的阻抗值变化，该变化情况被基础导电层的导电材料传导，再通过电气连接接口传递给分析仪器；
（5）分析仪器通过分析阻抗变化的具体数量，定量反映出检测血样中抗原的浓度，实现血样中抗原含量的检测。
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