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在一項新的研究中，來自俄羅斯科學(xué)院基礎(chǔ)物理研究所(General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences, GPI RAS)和莫斯科物理技術(shù)學(xué)院(Moscow Institute of Physics and Technology, MIPT)的研究人員開發(fā)出一種新的基于磁性納米顆粒的生物傳感器測試系統(tǒng)。它能夠高度準(zhǔn)確地測量包括不透明液體或較濃顏色液體在內(nèi)的多種樣品中的蛋白分子濃度。相關(guān)研究將發(fā)表在2015年5月15日那期Biosensors and Bioelectronics期刊上，論文標(biāo)題為“Rapid dry-reagent immunomagnetic biosensing platform based on volumetric detection of nanoparticles on 3D structures”。

這種新開發(fā)的測試系統(tǒng)類似于早孕測試。利用由多孔材料制成的含有一條測試線(test line)和控制線(control line)的小型試紙條就可進(jìn)行分析。一滴液體樣品加在試紙條的一端上，在較短時間后，分析結(jié)果可根據(jù)控制線或測試線和控制線的顯色反應(yīng)而呈現(xiàn)出來。這些試紙條在使用前可長時間儲存著。這種測試快速進(jìn)行，也不需要由經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練的人員來執(zhí)行；測試可在病人旁邊或者甚至在戶外條件下輕松完成。

在分子水平上，這種磁性納米顆粒與特異性結(jié)合到靶蛋白的抗體偶聯(lián)在一起，然后將它們放置在事先確定好的試紙條加樣位點附近的多孔纖維素膜上。這種液體樣品在毛細(xì)管作用下沿著這種纖維素膜側(cè)向擴(kuò)散，并捕獲磁性納米顆粒。它接著遇見測試線和控制線。測試線含有能夠捕獲靶蛋白的檢測抗體(test antibody)，通過雙抗夾心方法，這種檢測抗體也能捕獲與靶蛋白抗體偶聯(lián)的磁性納米顆粒。如圖2所示?？刂凭€含有控制抗體(control antibody)，該控制抗體僅捕獲與磁性納米顆粒偶聯(lián)的抗體，只要測試條可以使用，那么控制線在任何情況下都會發(fā)生顯色反應(yīng)。因此，控制線可用來指示這項測試是否可靠、它的蛋白抗體是否因儲存錯誤而被破壞，以及測試液體是否正確地加入到試紙條中。

在樣品浸潤試紙條以及抗體彼此發(fā)生反應(yīng)之后，就能夠讀取測試結(jié)果。這確實類似于早孕測試中的步驟。在經(jīng)典的早孕測試中，測試結(jié)果是“Yes”或“No”。然而，針對這種新的測試方法而言，研究人員不僅能夠高靈敏地檢測蛋白，而且能夠確定這種蛋白的濃度。測定這種濃度的準(zhǔn)確性甚至超過了專業(yè)人員僅在實驗室條件下才能進(jìn)行的測試方法的準(zhǔn)確性。

論文通信作者Alexey Orlov說，“在正常情況下，利用熒光或顏色標(biāo)志物，測試不僅能夠在實驗室條件下執(zhí)行，也能夠在戶外條件下開展，檢測結(jié)果可通過目測或者攝像機加以確定。就我們的這項研究而言，我們使用磁性顆粒，其顯著優(yōu)勢在于：即便試紙條上滴入完全不透明的液體（如全血樣品），它們也能被用來確定全血樣品中的物質(zhì)。利用一種可攜帶的設(shè)備可完全通過電子學(xué)方法進(jìn)行準(zhǔn)確地定量測定。這完全排除了任何不明確的地方?！?br />
研究人員注意到，除了高靈敏地檢測蛋白濃度外，這種新的測試系統(tǒng)的動態(tài)測量范圍更廣：測試濃度上限是下限的4000多倍。

這種新的測試系統(tǒng)可被用來測量血液中的最低濃度為0.025ng/ml的前列腺特異性抗原(PSA)。PSA是臨床男性篩查中最常用的檢測標(biāo)志物之一。健康的PSA濃度低于4ng/ml。

PSA是前列腺癌的潛在標(biāo)志物之一，而且它在法醫(yī)學(xué)上也被用來檢測精液痕跡。這兩項應(yīng)用具有一些局限性，它們不能夠決定性地診斷或證實嫌疑人的罪行，但是這種新的傳感器檢測平臺將不只是分析PSA；之所以選擇這種特殊的蛋白進(jìn)行研究是為了證實這種方法的確可行。

測定PSA的靈敏度要足以確定前列腺移除后是否會復(fù)發(fā)，以及所獲得的結(jié)果應(yīng)當(dāng)有助于開發(fā)潛在的療法。它不僅能夠判斷一種特定的標(biāo)志物是否超出正常范圍，而且也能夠用來輕松地追蹤疾病中蛋白標(biāo)志物濃度的動態(tài)變化。

為了驗證這種新方法的測試結(jié)果，研究人員利用了作為金標(biāo)準(zhǔn)方法的酶聯(lián)免疫吸附法(ELISA)進(jìn)行測量，并進(jìn)行比較，結(jié)果證實這種新的測試系統(tǒng)工作非常良好，而且比傳統(tǒng)方法更有顯著優(yōu)勢。

在這項新的測試系統(tǒng)中，研究人員利用他們自己的專利方法---磁性顆粒定量(magnetic particle quantification, MPQ)---先進(jìn)行非線性磁化，然后準(zhǔn)確地對磁性納米顆粒進(jìn)行計數(shù)。利用這種方法，研究人員能夠記錄最低至60×10-21摩爾的磁性納米顆粒，并且線性范圍超過1000萬倍。在此之前，還從沒有在這種水平上記錄到這些參數(shù)。這種方法涉及給磁性納米顆粒施加兩種頻率交替變化的磁場，并監(jiān)控在組合頻率下的感應(yīng)反應(yīng)。

很多分析物質(zhì)的方法是基于測試對象(不論是顆粒還是分子)受到電磁場的影響。在適當(dāng)?shù)念l率下，樣品開始積極地吸收輻射，或者作為響應(yīng)，發(fā)出輻射。在這項研究中，研究人員使用磁場的兩種頻率組合，并監(jiān)控這兩種頻率線性組合所產(chǎn)生的頻率---也被稱作組合頻率(combinatorial frequency)---下的反應(yīng)。

MIPT納米生物技術(shù)實驗室主管Maxim Nikitin說，“我們之前在美國芝加哥大學(xué)研究人員的一個合作項目中已證實這種檢測磁性顆粒方法的高靈敏度。我們使用我們的傳感器在動物體內(nèi)記錄基于同位素59Fe的放射性磁性納米顆粒(參見發(fā)表在Journal of Applied Physics期刊上的標(biāo)題為“Quantitative real-time in vivo detection of magnetic nanoparticles by their nonlinear magnetization”的論文，doi: 10.1063/1.2830947)。特別地，我們也已發(fā)現(xiàn)這種電子方法的檢測閾值與伴隨的γ射線輻射的報道閾值相一致，這意味著在許多生物物理研究中，磁性納米顆粒能夠替換放射性標(biāo)志物。在當(dāng)前的研究中，我們使用這種方法實現(xiàn)免疫檢測時的超高靈敏度?！睆尼t(yī)生角度來看，磁性納米顆粒明顯更好地用于診斷研究，因為這可防止病人遭受過量放射性輻射。

GPI RAS實驗室主管和研發(fā)負(fù)責(zé)人Petr Nikitin博士(1979年從MIPT畢業(yè))說，“所開發(fā)的磁性方法和對試紙條上的納米標(biāo)志物(即與抗體偶聯(lián)的磁性納米顆粒)進(jìn)行計數(shù)的記錄儀不僅提供抗原濃度測量的檢測極限和范圍，而且它們也能夠有效地控制檢測過程的全部階段：從免疫檢測程序的開發(fā)和優(yōu)化，到執(zhí)行免疫檢測和判讀檢測結(jié)果。特別地，這是通過定量監(jiān)控生化反應(yīng)期間納米標(biāo)志物沿著試紙條的三維多孔纖維素膜(如前面提及的多孔纖維素膜)的再分布而實現(xiàn)的。再者，用來合成這些磁性納米顆粒的鐵鹽相對而言更容易獲得，也比用來合成金納米顆粒的試劑更加便宜，其中金納米顆粒常用于諸如早孕測試之類的閾值測試中?！?br />
這種新方法的可靠性、易獲得性、高準(zhǔn)確性和高靈敏度意味著它可能從實驗室原型快速轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢源笠?guī)模產(chǎn)生的產(chǎn)品。這種方法的開發(fā)者迄今為止還給出具體的時間表，但是他們強調(diào)他們的測試系統(tǒng)不僅可用來診斷疾病，而且也能夠用于許多其他方面的應(yīng)用。這種測試系統(tǒng)能夠分析食品產(chǎn)品和藥物；它也能夠用于環(huán)境監(jiān)控。它能夠在現(xiàn)場自行完成全部檢測過程，而且也不需要任何復(fù)雜或昂貴的設(shè)備。