CN219038823U - 一种基于磁性纳米颗粒的微流控式即时免疫检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种基于磁性纳米颗粒的微流控式即时免疫检测装置，包括微流控芯片和光学系统。所述微流控芯片设置加样口、纳米过滤柱阵列、反应腔、捕获和检测区及止液阀主要构件。液体样品能通过毛细管力的驱动进入微通道；内置的过滤柱用于净化样品，反应腔封装干式金包铁磁纳米颗粒—抗体耦合物和荧光标记抗体耦合物,在接触到液体样品后会快速转化成均相体系。在检测过程中，通过在反应腔一侧外加磁场，可使与目标物结合的“三明治”式磁性复合物定向移动至一端，从而实现目标物的磁控分离。同时根据所述微流控芯片中封装抗体耦合物的特性，采用配套的检测系统，实现差分检测定量。还提出了一个微流控芯片阵列结构方案，实现对分析物的多重联检。

Description

一种基于磁性纳米颗粒的微流控式即时免疫检测装置

技术领域

本实用新型属于光学传感及生物检测领域，涉及一种基于磁性纳米颗粒的微流控式即时免疫检测装置。

背景技术

微流控芯片，又称为芯片实验室（Lab-on-a-chip）或微流控芯片实验室，是微流控技术（microfluidics）实现的主要平台，该类装置的制作主要是通过光刻技术结合精密微制造工艺来实现。芯片实验室具有将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上的能力，可以完成样品的预处理、分离、稀释、混合、化学反应和检测等所有步骤。在复杂样品基体中实现针对一些生物标志物的痕量免疫分析，其最大的挑战在于目标分析物与抗体复合物的分离。而固定有抗体的磁性纳米粒子具有与磁体相吸的固有属性，根据此特性可以实现其在复杂基体样品中直接捕获、分离、预浓缩目标物的目的，避免复杂繁琐的清洗及分离程序。将磁性纳纳米粒子与微流控芯片相结合与传统的基于胶体金的侧向流免疫分析方法相比，在灵敏度、精准度、重现性等方面都能显示出独特的优势。尤其是在灵敏度和精度方面，该检测装置的性能能提高到在目前仅使用昂贵的实验仪器才能达到的水平。

传统的分析检测往往是通过测定纳米颗粒的荧光强度来表征目标分析物的浓度。此方法忽略了颗粒本身光学性质对信号的影响，比如在纳米磁颗粒的存在下，其对于某些波长的光会有较强的吸收从而导致检测信号的减弱。而且在痕量分析物的情况下，由于仪器自身的限制往往会导致测不到信号，致使不能达到更低的检测限。

时间分辨荧光分析是以稀土离子标记抗原或抗体、核酸探针和细胞等为特征的超灵敏度检测技术，它克服了酶标记物的不稳定、化学发光仅能一次发光且易受环境干扰、电化学发光的非直接标记等缺点。时间分辨的技术差异可以使非特异性信号降低到可以忽略的程度，达到了极高的信噪比，从而大大地超过了酶标或放射性同位素所能达到的灵敏度。这类检测还具有标记物制备简便、对被标记物的生物活性和结构无影响、储存时间长、无放射性污染、检测重复性好、可实现多种标记及多重测试、操作流程短、标准曲线范围宽、不受样品自身荧光干扰和应用范围十分广泛等的优点，成为继放射免疫分析之后新型标记物发展的一个新里程碑。

气体微秒脉冲激光器与传统的光纤和固体激光器相比具有稳定性方面的突出优势。该激光器无需通过复杂的非线性变频手段（倍频、合频）就能直接激发波长位于337 nm的高相干光束，在连续工作下可输出功率为100毫瓦的337 nm激光。通过外部的TTL信号调制，连续激光工作模式可以转变为脉冲工作模式。脉冲工作模式下，该激光器可输出持续时间为微秒，脉冲重复频率在100Hz到1 kHz之间连续可调的脉冲激光，激光器功率稳定性RMS指标小于3%，能够保证时间荧光分辨检测系统的高稳定性。

荧光微流控式即时免疫检测产品的研发在国内外已十分流行，如CN208399514U，CN203164120U。国内外市面技术一般是在微流控通道的下游加工捕获带，用于捕获抗体-抗原的荧光复合物。这些技术的检测精准度存在明显不足。同时，通过磁性纳米粒子与自驱动微流控式装置结合的检测技术尚未见报道，所以，在这领域非常有必要开展技术创新。

拉曼散射起源于分子或晶体内原子之间相对位置的改变，即振动和转动，是研究分子和固体材料结构的一种重要分析手段。拉曼光谱作为分子光谱技术能够实现非接触、无损伤检测已经被广泛应用于生物检测领域。显微技术与拉曼光谱仪的结合是拉曼实验技术的一次革命性突破，显微拉曼系统利用显微物镜将激光束聚焦在样品上，并利用同一物镜收集拉曼散射光，一方面减少测试所需要的样品量，另一方面也减小测量需要的激光功率，从而大大扩宽拉曼光谱技术的应用范围。更为重要的是，显微技术使得拉曼测量的空间分辨率提升到亚微米和微米尺度，从而为拉曼光谱技术引入一项崭新的实验技术方法，即拉曼光谱成像。这有利于实现把传统的单点分析扩展到对一定空间范围内的样品进行同时对比分析。

肿瘤是单一变异细胞多次克隆的结果，其发生是多步骤、多基因的癌变过程。肿瘤细胞生物学特性具有复杂性及多态性，表现为癌变后不同种肿瘤病理类型的差异、同种病例类型的肿瘤细胞的差异、肿瘤细胞基因型及细胞表型的差异等。在一个肿瘤中存在着不同特性的细胞，在生长速率、表面受体、免疫特性、浸润性、转移性、对药物毒性方面均可能不同。因此，同一种肿瘤可含一种或多种肿瘤标志物，而不同肿瘤或同种肿瘤的不同组织类型，既可有共同的标志物，也可有不同的标志物。为了提高肿瘤检测的正确率，选用一些特异性较高的肿瘤标志物进行多重联合检测，可以提高肿瘤标志物的应用价值。

实用新型内容

本实用新型提出了一种磁性纳米颗粒的微流控式即时免疫检测装置，其特征是：核心构件包括自驱动微流控芯片和光学检测系统，其中微流控芯片从左到右依次包括加样口(1)、纳米过滤柱(2)、链接微通道（3）、反应腔(4)、检测和捕获区(5)及止液阀(6)构件；在检测过程的中，液体样品通过毛细管力的驱动进入微流控装置体系，过滤柱用于净化样品，所述的反应腔中封装干式的可快速释放的金包铁磁纳米颗粒—抗体耦合物（8）和荧光或拉曼标记的抗体耦合物（9）；与目标物结合的“三明治”式磁性抗体复合物可通过外加磁场（7）实现无接触分离，并定向移动至一端，进入复合物的捕获检测区；在所述的捕获区的下游，设置一个疏水性的止液阀，使液体无法通过该阀区域；根据所述微流控芯片封装抗体耦合物的特性，采用专用光学检测系统，从而实现目标物的差分定量；为提高检测的工作流程效率，结合一个微流控芯片的阵列结构方案，以实现对多种分析物的同时联检。

所述的微流控装置，将微通道管壁经过等离子体处理后提高表面亲水性，使液体样品能通过毛细管力的驱动进入装置体系；并采用纳米过滤柱实现样品净化。

所述的微流控装置，通过整合纳米磁颗粒、干式免疫试剂以及反应腔一体化流程控制设置，大大提高了免疫反应效率，同时通过磁控分离的方式，解决了微流控体系对复杂样品环境中痕量目标分析物的分离困难和检测灵敏度低的问题。

所述的微流控装置，利用差分定量法消除纳米颗粒本身对于信号的干扰，改善了检测极限。

所述的微流控装置，利用含有蔗糖，Tween-20及Tris-盐酸缓冲盐等速溶成分，快速溶解干式配方抗体试剂，缩短测试时间，并延长试剂保质期。

所述的微流控及检测装置，其反应腔封装有干式的磁性纳米颗粒—抗体耦合物和铕荧光标记的抗体耦合物，与时间分辨的荧光检测系统相结合；该检测系统采用紫外脉冲序列激光器作为长寿命荧光标志物铕的激发源；荧光信号由光电倍增管接收，经跨阻放大器进行放大，最后数据采集卡采集。

所述的微流控及检测装置，采用的光学检测系统可以是共聚焦拉曼光谱成像系统提高检测信噪比，提高痕量分析物的检测灵敏度。所述的成像系统包括激光器、针孔、分光系统和拉曼光谱仪。

所述的微流控及检测装置，利用磁性纳米颗粒表面的镀金层作为抗体固定及增强基底对拉曼标记物进行SERS增强，达到进一步提高检测灵敏度的目的。

所述的微流控及检测装置，采用的光学检测系统可以是通过将酶催化的显色反应体系内置于微流控芯片中，然后与手机APP结合研发新一代社区或居家显色微流控芯片检测设备。

所述的微流控及检测装置，为了提高检测的工作流程效率，提出了一个微流控芯片的阵列结构方案，以实现对多种分析物的同时联检。

所述的微流控装置，利用即时免疫多重联检，以实现对肿瘤或心血管或其他疾病多种标志物的联检，以提高检测诊断的准确性。

实用新型的效果

所述的微流控装置将多个操作单元集成到一个微流控芯片装置上，提高检测流程效率，实现“样品进，结果出”的一体化检测模式。该项微流控检测装置很好地解决了现有快速免疫检测技术精度不足的问题，其分析灵敏度较基于胶体金的侧向流免疫方法有明显优势，同时还具有快速、操作简单、多项联检性强的优点；

1）通过把样品制备、反应、分离和检测等基本操作单元集成到一个微流控芯片上，通过一步加样就能在10分钟之内得到精准检测结果，非常适合现场实时检测场景应用；

2）基于磁微粒的微流控系统及配套的固体试剂快速溶解配方，缩短测试时间，简化分离手续，延长免疫试剂的保质期，同时也能大大提升检测灵敏度和精度；

3）运用差分定量法表征目标物的浓度，消除了纳米颗粒自身吸光的影响，提高了检测体系的精确度；

4）所提供的与微流控芯片配套的检测装置中，采用时间分辨荧光标记和金包铁磁纳米颗粒的SERS检测技术，实现了进一步提高检测灵敏度的目标；

5）所提供的与微流控芯片配套的检测装置中，将微流控芯片与共聚焦拉曼光谱成像系统相结合，提高痕量目标物的检出率，降低假阴性、假阳性出现的概率；

6）所提供的与微流控芯片配套的检测装置中，通过将酶催化的显色反应内置于所述微流控芯片中，然后与手机相机探测（获得量化数值）及APP相结合，在不需要昂贵检测仪器的情况下，实现对目标物的定量或半定量检测；

7）将六款（但不限于六款）针对不同类型的疾病生物标志物的芯片排列在圆盘上，实现多标志物同步联检。

附图说明

图1为时间分辨荧光差分微流控式即时免疫检测装置示意图。

图2为SERS拉曼差分微流控式即时免疫检测装置示意图。

图3为SERS拉曼微流控芯片共聚焦拉曼光谱成像系统示意图。

图4为新一代社区或居家显色微流控芯片检测装置示意图。

图5为一种用于六联检的芯片阵列结构设计图。

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晰，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明的覆盖范围。

实施例1、时间分辨荧光差分微流控式即时免疫检测装置

本实例提出一种基于磁性纳米颗粒的微流控式即时免疫检测装置设计，用于制备通用型纳米磁微粒分离装置的微流控时间分辨荧光检测仪器；

1、先制备如图（1）所示的微流控装置。使用材料可以是玻璃、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯等，通过蚀刻或模制而成。通道可具有不同的内径，通常在5~5000 µm范围内。微流控芯片通道的内壁表面，通过等离子体处理实现表面亲水性改性，以控制微流体的流速。将0.02 mL 磁性纳米颗粒 (200 nm)-抗体1耦合物（8）和Eu标记的另一个抗体2耦合物（1 mg/mL）（9）及5%蔗糖，0.1% Tween20-Tris 加入到一端反应腔，试剂通过冷冻干燥或真空干燥做成干式成分，封装后做成微流控检测装置；

2、在另一端的加样口加入0.01-0.10mL待测样品液体，可以是尿、血、唾液或鼻或喉拭子提取液等，样品通过毛细管驱动力引入检测体系。样品先经过一个纳米柱过滤装置净化后，到达检测端的免疫反应微腔中, 并将预封装的磁性纳米颗粒-抗体耦合物和Eu标记的抗体材料干式成分快速化解，形成纳米颗粒胶体溶液，释放出免疫试剂，并与目标分析物快速结合。用337 nm的气体微秒脉冲序列激光器作为铕的激发源，在613 nm检测波长下，测定初始荧光强度；再外加电磁场（7），将与目标分析物相结合的磁性纳米颗粒及荧光标记物定向移出检测区，进入捕获区，然后再使用相同的方法测量检测窗口的剩余荧光，从而实现对目标物进行即时荧光差分定量检测。

实施例2、SERS拉曼差分微流控式即时免疫检测装置

本实例提出一种基于金包磁性纳米颗粒的微流控式即时免疫检测装置设计，用于制备通用型磁微粒分离装置的微流控SERS拉曼差分检测仪器。

选用金纳米粒子或者金纳米棒包磁性纳米颗粒标记的抗体1（10），罗丹明6G 拉曼染料标记另一个抗体2（11），其余操作步骤与实施案例1中相同。本项工作中，选用必达泰克拉曼光谱仪（BTC162E-785H）、InPhotonics定制的光纤拉曼探头与785nm CW 激光器组成拉曼光谱检测系统，激发光功率调整为100 mW, 积分时间为15秒，光斑直径大约为100 um。

实施例3、基于SERS拉曼检测的微流控芯片共聚焦拉曼光谱成像系统

本实例提出一种基于磁性纳米颗粒的微流控式即时免疫检测装置，通过将SERS拉曼微流控芯片与共聚焦拉曼光谱成像系统相结合实现。

将实施案例2中制备的SERS拉曼微流控芯片与共聚焦拉曼光谱成像系统联用，可获取微流控芯片检测窗口中目标物分离前后的拉曼图像。采用的共聚焦拉曼光谱成像系统组成如图3所示，该系统包括激光器（12）、针孔（13）、分光系统（14）、拉曼光谱仪（15）和样品区（16）。

实施例4、新一代社区或居家显色微流控芯片检测装置

本发明提出一种基于磁性纳米颗粒的微流控式即时免疫检测装置，通过将比色反应内置于微流控芯片中，与手机相机感光元件数字化探测及APP结合，在不需要专用检测仪器的情况下，实现对目标分析物的定量或半定量检测。

按照实施案例1的技术路线，将0.02mL磁性纳米颗粒-抗体1耦合物（17）和酶标记的抗体2耦合物（18）的磷酸盐缓冲盐溶液（PBS）与5%蔗糖, 0.1%Tween 20-Tris一起加入到一端反应腔，通过冷冻干燥或真空干燥做成干式成分，显色物质加入到检测窗口，将所有试剂封装后做成微流控检测装置。在另一端的加样口加入0.02-0.1mL待测样品液体，样品先经过一个纳米过滤装置净化后，到达检测端的反应微腔中，将磁性纳米颗粒-抗体耦合物和酶标记的抗体材料干式成分快速化解，释放出免疫试剂，并与分析物快速结合。外加电磁场，将与目标分析物相结合的磁性纳米颗粒及酶标记物定向移至观测区窗口（观测区的下游设计有疏水性的止液阀），酶与预装观测区的显色物质发生反应，产生颜色变化（无色—蓝色）。根据颜色变化程度用裸眼定性判断阴（无色）、阳性（蓝色），或者结合手机相机感光元件数字化探测及APP得出数字化结果，实现半定量甚至定量（经过标定后）检测（图4）。

实施例5：微流控式即时免疫联检产品

本发明提出一种基于磁性纳米颗粒的微流控式即时免疫联检装置设计，用于制备通用型微流控式二至六重联检即时免疫检测产品。

按照实施案例1或实施案例2的技术路线，制备1款针对5个癌症标志物CEA, CA19-9, CA125, CA242, f-PSA以及一个空白芯片的微流控联检芯片，然后将其固定在圆盘上（图5）。6个芯片的加样可以手工完成，从而实现一次加样，5种生物标志物（外加一个空白）同步联检。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于磁性纳米颗粒的微流控式即时免疫检测装置，其特征是：核心构件包括自驱动微流控芯片和光学检测系统，其中微流控芯片从左到右依次包括加样口(1)、纳米过滤柱(2)、链接微通道（3）、反应腔(4)、检测和捕获区(5)及止液阀(6)构件；在检测过程的中，液体样品通过毛细管力的驱动进入微流控装置体系，过滤柱用于净化样品，所述的反应腔中封装干式的可快速释放的金包铁磁纳米颗粒—抗体耦合物（8）和荧光或拉曼标记的抗体耦合物（9）；与目标物结合的“三明治”式磁性抗体复合物可通过外加磁场（7）实现无接触分离，并定向移动至一端，进入复合物的捕获检测区；在所述的捕获区的下游，设置一个疏水性的止液阀，使液体无法通过该阀区域；根据所述微流控芯片封装抗体耦合物的特性，采用专用光学检测系统，从而实现目标物的差分定量；为提高检测的工作流程效率，结合一个微流控芯片的阵列结构方案，以实现对多种分析物的同时联检。

2.根据权利要求1所述的基于磁性纳米颗粒的微流控式即时免疫检测装置，其特征是：微通道管壁经过等离子体处理后提高表面亲水性，使液体样品能通过毛细管力的驱动进入装置体系；并采用纳米过滤柱实现样品净化。

3.根据权利要求1所述的基于磁性纳米颗粒的微流控式即时免疫检测装置，其特征是：所述的反应腔封装有干式的磁性纳米颗粒—抗体耦合物和铕荧光标记的抗体耦合物，以及蔗糖，Tween-20及Tris-盐酸缓冲盐作为速溶成分，所述的检测系统为时间分辨的荧光检测系统；该系统采用紫外脉冲序列激光器作为长寿命荧光标志物铕的激发源；荧光信号由光电倍增管接收，经跨阻放大器进行放大，最后数据采集卡采集。

4.根据权利要求1所述的基于磁性纳米颗粒的微流控式即时免疫检测装置，其特征是：所述的反应腔封装有干式的金包铁磁纳米粒子—抗体耦合物和拉曼标记的抗体耦合物，以及蔗糖，Tween-20及Tris-盐酸缓冲盐作为速溶成分，所述的检测系统为拉曼检测系统或共聚焦拉曼光谱成像系统；所述的成像系统包括激光器、针孔、分光系统和拉曼光谱仪。

5.根据权利要求1所述的基于磁性纳米颗粒的微流控式即时免疫检测装置，其特征是：所述的反应腔封装有干式的磁性纳米颗粒—抗体耦合物和酶标记的抗体耦合物，以及蔗糖，Tween-20及Tris-盐酸缓冲盐作为速溶成分，所述的检测系统为裸眼或手机相机感光元件。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于磁性纳米颗粒的微流控式即时免疫检测装置，其特征是，为提高检测的工作流程效率，采用微流控芯片的阵列结构方案，实现对多种分析物的即时免疫联检。

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