一种基于温差的加速固相免疫反应技术
阅读说明：本技术 一种基于温差的加速固相免疫反应技术 (Solid phase immune reaction accelerating technology based on temperature difference ) 是由 高姗 郅晓 杨浩 陈亮 王景林 崔大祥 于 2018-07-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于温差的加速固相免疫反应技术。本发明的固相免疫反应加速技术是通过在固相免疫检测载体的对立端集成两个温控模块,使对立端之间形成温差,从而加速生物分子从高温区域到低温区域的定向扩散。在固相免疫检测载体中,产生较低低温的温控模块设置在包被有捕获配体的一端,产生较高温度的温控模块设置在对立端。通过实验证明：在温差条件下,液相中的待检物等可溶性分子会向低温区域定向扩散,温差越大扩散速率越快,由此加速固相免疫反应条件下的捕获效率,从而达到加速固相免疫反应的效果。本发明的方法在微型化的固相免疫检测条件下,足以显著提高固相免疫检测的效率,且需要的组件少、更易于集成、成本更低。(The invention discloses a solid phase immunoreaction accelerating technology based on temperature difference. The solid-phase immune reaction acceleration technology of the invention integrates two temperature control modules at the opposite ends of the solid-phase immune detection carrier to form temperature difference between the opposite ends, thereby accelerating the directional diffusion of biomolecules from a high-temperature area to a low-temperature area. In the solid phase immunoassay carrier, a temperature control module generating a lower temperature is arranged at one end coated with a capture ligand, and a temperature control module generating a higher temperature is arranged at the opposite end. Experiments prove that: under the condition of temperature difference, soluble molecules such as a substance to be detected in a liquid phase can directionally diffuse to a low-temperature area, the diffusion rate is faster when the temperature difference is larger, and therefore the capture efficiency under the condition of solid-phase immunoreaction is accelerated, and the effect of accelerating the solid-phase immunoreaction is achieved. The method can obviously improve the efficiency of solid-phase immunoassay under the miniaturized solid-phase immunoassay condition, and has the advantages of fewer required components, easier integration and lower cost.)
技术领域
本发明涉及生物技术领域，具体涉及一种基于温差的加速固相免疫反应技术。
背景技术
MEMS(微机电系统)技术的快速发展已经大大缩小了生物医学检测设备的体积，并赋予其更多的功能。微流控芯片是由MEMS技术刻蚀微米级的微通道网络构成，以可控流体贯穿整个系统，用以实现常规化学或生物实验室的各种功能，以达到微型化、便携化、自动化、集成化、低成本、高通量和简单、快速、高效的分析目的。微流控芯片的优点在于对样品和试剂的数量和流速的精确控制，使得分析物的分离和检测具有高精度和高灵敏度。将微流控分析芯片用于免疫分析，可大大改善免疫分析性能。例如，缩短反应时间，提高分析效率，节约试剂和样本，以及易于集成化，便携化，操作简便，更易实现自动化。微流控芯片的多通道、多反应结构特点，为芯片上免疫反应提供了优越的平台。
目前，免疫反应的原理大多基于抗原抗体识别，然后通过荧光、酶、磁珠、电化学等标记物检测分析信号。作为固体/溶液界面的微流体通道中发生的抗原-抗体相互作用服从固相免疫测定中的原理。其反应动力学与溶液中发生的相互作用显著不同。在相同的扩散速率条件下，固相免疫测定法中孵育所需的时间要长于溶液相互作用中的时间。因此，微流体通道中的流速必须减慢以达到最佳反应时间，这就导致样品检测时间较长。到目前为止，大多数基于微流控芯片的免疫分析方法至少需要30分钟或者更长的时间。
US8318087描述了一种微波加速金属增强荧光检测技术，以低功率微波加热导电金属材料，使金属材料与溶液产生温度梯度，从而增加金属材料上的生物分子的化学反应的动力学，缩短在固相介质上的反应时间。尽管该技术很有前景，但整个系统需要几个昂贵的功能模块，包括微波源，手持显微镜，定制微波腔和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)平台，并且仍然需要复杂的解决方案来将这些模块整合到微流控芯片上。这就使得检测仪的设计复杂化，同时也提高了检测仪的制备成本。从实际应用的角度出发，功能模块的增加也会增加设备的重量，降低设备的便携性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何提高固相免疫检测的效率。为了解决上述技术问题，本发明基于温度间隙的原理提供了一种固相免疫反应的加速方法，该方法通过温度控制使所述固相免疫载体上包被有捕获配体的一端和其对立端之间形成温度差，从而加速生物分子从高温区域到低温区域的定向扩散，进而实现加速固相免疫反应，快速检测目的物或待检物。本发明提供的方法需要的组件少、易于集成、成本较低，有效克服了现有技术中微波加速金属增强荧光检测技术中存在的功能模块体积大、费用高、表面修饰复杂等问题。
第一方面，本发明保护一种基于温差的固相免疫反应加速方法。
本发明提供的基于温差的固相免疫反应加速方法包括如下步骤：向包被有捕获配体的固相免疫载体上添加反应物，使反应物与所述固相免疫载体上包被的捕获配体进行反应，其特征在于，通过温度控制使所述固相免疫载体上包被有捕获配体一端的温度低于其对立端，从而加速反应物从高温区域到低温区域的定向扩散，进而实现加速固相免疫反应，快速检测目的物或待检物。
上述固相免疫反应加速方法中，所述捕获配体为可同特定的锚定蛋白结合的任何生物分子，比如抗原、抗体、受体、受体结合蛋白、抗原表位肽和核酸适配体等。
上述固相免疫反应加速方法中，所述固相免疫检测载体为微流控芯片或酶联免疫吸附试验板条。
上述固相免疫反应加速方法中，所述包被有捕获配体一端的温度可与现有技术中的常规ELISA反应温度一致，为37℃；其对立端温度高于37℃，且不超过60℃，具体可为42℃或47℃。
上述固相免疫反应加速方法中，所述温度控制可通过在所述固相免疫载体上包被有捕获配体的一端和其对立端分别集成一个温控模块，通过两个温控模块使固相免疫载体上包被有捕获配体的一端和其对立端之间形成温度差。
进一步的，所述两个温控模块可为由金属加热器或热敏电阻与温度控制器组装成的双恒温器装置。
更进一步的，所述金属加热器可为铂加热器或镍加热器；所述热敏电阻可为正温度系数热敏电阻。
在实际应用中，若所述固相免疫检测载体为微流控芯片时，所述金属加热器可分别设置在微流控芯片的微流体通道的两个对立端(两侧)，然后与温度控制器组装成可在微流体通道两侧间形成温度差的双恒温器装置。具体的，每个金属加热器两端的铜电极均与一个温度控制器相连接，一个金属加热器对应一个温度控制器，通过设置温度控制器的温度来控制金属加热器的温度，进而控制微流体通道两侧的温度，使微流体通道两侧之间形成温度差，在微流控芯片流动进样至检测区域的过程中，双恒温器装置保持开启状态，直至进样结束，以提高微流控芯片的固相反应效率。在本发明的一个实施例中，所述金属加热器为铂加热器，所述铂加热器具体为“U”形，其可采用常规的Lift-off制作工艺制备得到。具体步骤参照文献“Xie Y,Zhi X,Su H,et al.Nanoscale Research Letters,2015,10(1):1-9.”中的方法。
若所述固相免疫检测载体为酶联免疫吸附试验板条时，所述热敏电阻可分别设置在酶联免疫吸附试验板条的底端和顶端，然后与温度控制器组装成可在酶联免疫吸附试验板条底端和顶端之间形成温度差的双恒温器装置。该双恒温器装置设置有由热敏电阻制成的上加热板(加热板-1)和下加热板(加热板-2)。在向酶联免疫吸附试验板条中加入反应物后，可将其置于双恒温器装置中进行孵育，上加热板与酶联免疫吸附试验板条顶端接触，下加热板与酶联免疫吸附试验板条底端接触。通过设置温度控制器的温度来控制上下加热板的温度，进而控制酶联免疫吸附试验板条两端的温度，使酶联免疫吸附试验板条底端和顶端之间形成温度差。在本发明的另一个实施例中，热敏电阻与温度控制器组装成的双恒温器装置是向北京鼎昊源科技有限公司定制得到。
本发明的固相免疫反应加速方法可广泛应用于基于固相免疫测定法对目的物或待检物的检测和分析。在实际应用中，所述捕获配体可为相思子毒素核酸适配体，所述反应物可为疑似含有相思子毒素的液体样本，所述待检物可为相思子毒素；再比如，所述捕获配体可为肉毒毒素抗体，所述反应物可为疑似病人血清，所述待检物可为肉毒毒素。
第二方面，本发明保护一种用于加速固相免疫反应的装置系统。
本发明提供的用于加速固相免疫反应的装置系统包括固相免疫载体和加热装置；
所述固相免疫载体一端包被有捕获配体；
所述加热装置为可在所述固相免疫载体上包被有捕获配体的一端和其对立端之间形成温度差的装置。
上述用于加速固相免疫反应的装置系统中，所述捕获配体为可同特定的锚定蛋白结合的任何生物分子，比如抗原、抗体、受体、受体结合蛋白、抗原表位肽和核酸适配体等。
上述用于加速固相免疫反应的装置系统中，所述固相免疫检测载体为微流控芯片或酶联免疫吸附试验板条。
上述用于加速固相免疫反应的装置系统中，所述加热装置为由金属加热器或热敏电阻与温度控制器组装成的双恒温器装置。
进一步的，所述金属加热器为铂加热器或镍加热器；所述热敏电阻为正温度系数热敏电阻。
第三方面，本发明保护上述方法或装置系统或加热装置的新用途。
本发明提供了上述方法或装置系统或加热装置在固相免疫检测中的应用。
本发明还提供了上述方法或装置系统或加热装置在提高固相免疫检测的效率中的应用。
上述应用中，所述固相免疫反应可为酶联免疫反应。
第四方面，本发明保护一种酶联免疫反应的加速方法。
本发明提供的酶联免疫反应的加速方法包括如下步骤：向包被有捕获配体的固相免疫检测载体上添加反应物，使反应物与所述捕获配体进行反应，其中，所述捕获配体包被于所述固相免疫载体的底端，所述反应物从所述固相免疫载体顶端加入，底端和顶端之间有距离，其特征在于，通过温度控制使所述固相免疫载体底端的温度低于所述固相免疫载体顶端的温度，从而加速反应物从高温区域到低温区域的定向扩散，进而实现加速酶联免疫反应，快速检测目的物或待检物。
上述酶联免疫反应的加速方法中，所述捕获配体为可同特定的锚定蛋白结合的任何生物分子，比如抗原、抗体、受体、受体结合蛋白、抗原表位肽和核酸适配体等。
上述酶联免疫反应的加速方法中，所述固相免疫载体为酶联免疫吸附试验板条。
上述酶联免疫反应的加速方法中，所述包被有捕获配体一端(酶联免疫吸附试验板条底端)的温度为37℃；其对立端(酶联免疫吸附试验板条顶端)的温度不超过60℃，具体可为42℃或47℃。
上述酶联免疫反应的加速方法中，所述温度控制可通过在所述酶联免疫吸附试验板条上包被有捕获配体的一端和其对立端分别集成一个温控模块，通过两个温控模块使酶联免疫吸附试验板条上包被有捕获配体的一端和其对立端之间形成温度差。
所述温控模块可为由热敏电阻与温度控制器组装成的双恒温器装置。所述热敏电阻可分别设置在酶联免疫吸附试验板条的底端和顶端，然后与温度控制器组装成可在酶联免疫吸附试验板条底端和顶端之间形成温度差的双恒温器装置。该双恒温器装置设置有由热敏电阻制成的上加热板(加热板-1)和下加热板(加热板-2)。在向酶联免疫吸附试验板条中加入反应物后，可将其置于双恒温器装置中进行孵育，上加热板与酶联免疫吸附试验板条顶端接触，下加热板与酶联免疫吸附试验板条底端接触。通过设置温度控制器的温度来控制上下加热板的温度，进而控制酶联免疫吸附试验板条两端的温度，使酶联免疫吸附试验板条底端和顶端之间形成温度差。
上述酶联免疫反应的加速方法具体包括如下步骤：
1)在酶联免疫吸附试验板条的微孔中包被捕获配体，洗涤；
2)封闭1)得到的酶联免疫吸附试验板条，洗涤；
3)向2)得到的酶联免疫吸附试验板条中加入反应物；
4)密封3)得到的酶联免疫吸附试验板条；
5)将4)得到的酶联免疫吸附试验板条置于由两个热敏电阻与温度控制器组装成的双恒温器装置中进行孵育；
6)向5)得到的酶联免疫吸附试验板条中加入底物显色，显色后加入终止液终止反应；
7)酶标仪测量6)得到的酶联免疫吸附试验板条中各孔的光密度值。
上述方法中，所述1)中，在酶联免疫吸附试验板条的微孔中包被20μL的1.6μg/mL的捕获配体；所述捕获配体具体为小鼠IgG抗体；
所述3)中，向2)得到的酶联免疫吸附试验板条中加入550μL的4ng/mL反应物；所述反应物为酶标记抗体；所述酶标记抗体具体为山羊抗小鼠IgG/HRP；
所述4)中，用MicroAmpTM32孔透明粘合剂膜密封酶联免疫吸附试验板条；
所述5)中，所述孵育的时间为30-90s，所述孵育的时间具体为1min。
本发明的酶联免疫反应的加速方法可广泛应用于基于酶联免疫吸附试验对目的物或待检物的检测和分析，如双抗体夹心法测抗原、双抗原夹心法测抗体、间接法测抗体、竞争法测抗体或抗原、亲和素和生物素的ELISA等。在实际应用中，如采用双抗体夹心法检测相思子毒素时，所述捕获配体可为相思子毒素单抗，所述反应物可为疑似含有相思子毒素的待测样品，加入反应物进行反应后，再加入酶标二抗，实现对待测物相思子毒素检测。
第五方面，本发明保护一种用于加速酶联免疫反应的装置系统。
本发明提供的用于加速酶联免疫反应的装置系统包括固相免疫载体和加热容器；
所述固相免疫载体底端包被有捕获配体，所述固相免疫载体顶端用于添加反应物，
所述加热容器用于盛放所述固相免疫载体，并且加热所述固相免疫载体容器；
所述加热容器具有两个加热板，当使用时，一个加热板与所述固相免疫载体底端底端接触，另一个加热板与所述固相免疫载体顶端接触；
所述加热容器为由热敏电阻与温度控制器组装成的双恒温器装置。
上述用于加速酶联免疫反应的装置系统中，所述捕获配体为可同特定的锚定蛋白结合的任何生物分子，比如抗原、抗体、受体、受体结合蛋白、抗原表位肽和核酸适配体等。
上述用于加速酶联免疫反应的装置系统中，所述固相免疫载体为酶联免疫吸附试验板条。
本发明提供了一种基于温差的固相免疫反应加速技术，该技术是基于温度间隙的原理制成，通过在固相免疫检测载体如ELISA酶联免疫吸附试验板条、微流控芯片等的两个对立端集成两个温控模块如铂加热器、PTC(正温度系数)热敏电阻等，使固相免疫检测载体的对立端之间形成温度梯度，然后加速生物分子从高温区域到低温区域的定向扩散，实现目的物或待检物的快速检测。在上述的固相免疫检测载体中，产生较低低温的温控模块设置在包被有捕获配体的一端，产生较高温度的温控模块设置在对立端。通过实验证明：包被有捕获配体一端的温度低于对立端时即可产生加速的定向扩散效果，也就是说，在该温度梯度下，液相中的待检物等可溶性分子会向低温区域定向扩散，温差越大扩散速率越快，由此加速固相免疫反应条件下的捕获效率，从而达到加速固相免疫反应的效果。该方法在微型化的固相免疫检测条件下，与合适的扩散距离、液相待检物(微流控芯片检测体系)流速配合，足以显著提高固相免疫检测的效率，且与现有技术相比，需要的组件少、更易于集成、成本更低。
附图说明
图1为微流控芯片。
图2为等温扩散试验结果。
图3为温差扩散实验结果。
图4为在温差条件下的光密度值。
图5为在等温条件下的光密度值。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，结果取平均值。
实施例1、微流控芯片的制备及其应用
一、微流控芯片的制备
本发明的微流控芯片为带有铂加热器的微流控芯片，其结构图如图1所示。具体制备方法如下：
1、微流控芯片模具的制备
采用常规的Lift-off制作工艺制备微流控芯片模具。首先在硅片上旋涂SU-8负胶(10-500μm)，然后经过前烘、光刻、显影、去胶清洗等步骤后，得到微流控芯片模具。具体步骤参照文献“Xie Y,Zhi X,Su H,et al.Nanoscale Research Letters,2015,10(1):1-9.”中的方法。
2、铂加热器的制备
采用常规的Lift-off制作工艺制备铂加热器，首先在硅片上依次溅射沉积Cr(铬)层(10-20nm)和Pt(铂)层(50-600nm)，线宽50μm-1mm，旋涂正胶(1-5μm)，经光刻、显影后，刻蚀掉多余的Cr/Pt层，再进行去胶清洗和切片，得到“U”形铂加热器。具体步骤参照文献“XieY,Zhi X,Su H,et al.Nanoscale Research Letters,2015,10(1):1-9.”中的方法。
3、带有铂加热器的微流控芯片的制备
将两个“U”形铂加热器分别卡位在微流控芯片模具上微流体通道的两侧，然后浇筑PDMS预混液(固化剂：PDMS预聚体＝1：10)，固化后将PDMS层(包埋有两个“U”形铂加热器)与模具分离，再与干净的玻璃片经氧等离子体处理20-90s后，键合得到最终的带有铂加热器的微流控芯片。通道宽度：2mm，长度：2cm，深度：200μm。
二、基于微流控芯片的染料定向扩散实验
1、实验原理
带颜色的溶液从入口-1流入，从出口-1流出；不带颜色的溶液从入口-2流入，从出口-2流出。两种溶液流经铂加热器之间的微流体通道，两种颜色的溶液之间会发生扩散，两个铂加热器之间的微流体通道区域为监测的扩散区，从上向下俯视观察时会发现，扩散区中的带颜色面积会发生变化，扩散边界也会随着微流体通道两侧的铂加热器温度的不同而发生位置移动。通过图像捕获并计算扩散区中的扩散边界，以及扩散边界所围成的扩散前端区的面积，来研究两个铂加热器在不同温差条件下对微流体扩散的影响。
2、实验方法
基于步骤一制备的微流控芯片进行染料定向扩散实验。具体步骤如下：
采用注射泵控制流速为1μL/min分别往通道1注入浓度为120mg/mL的食用色素亮蓝溶液(上海染料研究所有限公司，产品编号08.007，CAS 3844-45-9)，通道2注入纯水。然后设置扩散区域两侧的铂电极温度分别为27℃/27℃、32℃/32℃、37℃/37℃、42℃/42℃和45℃/45℃进行等温扩散实验；设置扩散区域两侧的铂电极温度分别为27℃/37℃(负温差)、32℃/37℃(负温差)、37℃/37℃、42℃/37℃(正温差)和47℃/37℃(正温差)进行温差扩散实验。铂电极温度控制方法如下：如图1所示，每个铂加热器两端的铜电极均与图2中的一个温度控制器相连接，一个铂加热器对应一个温度控制器(Omron E5CN-R2MTD，Japan)，通过设置温度控制器的温度来控制铂加热器的温度。在显微镜下获取食用色素亮蓝往纯水区域扩散的图像，用Photoshop软件获取色素染料区域和扩散区域的分界图并计算扩散比例。
结果如图3和图4所示。从扩散实验结果可以看出，在等温条件下，随着温度的升高食用色素染料的扩散效果增强；但在温差条件下，从最大负温差到最大正温差实验条件食用色素染料的扩散是明显增强，且明显看出食用色素染料扩散的方向为从高温区域向低温区域扩散。
实施例2、基于温差加速酶联免疫吸附试验ELISA的方法
1、包被捕获配体
用50mM pH 9.6的碳酸盐缓冲液稀释小鼠IgG抗体(上海碧云天生物技术有限公司，目录号为A7028)至1.6μg/mL，以20μL/孔的量加入到聚苯乙烯条的微孔，在4℃下保持过夜。用含有0.1％Tween-20的PBS缓冲液(pH 7.4)洗涤聚苯乙烯条的微孔3次。
2、封闭
用含有1％BSA的PBST 550μL填充聚苯乙烯条的微孔，并在37℃下温育30分钟。移去封闭液，再次用PBST洗涤3次。
3、加入酶标记抗体
用10mM pH 7.4的磷酸盐缓冲液(PBS)稀释山羊抗小鼠IgG/HRP(SolarbioScience&Technology Co.，Ltd，中国北京)至4ng/mL。在聚苯乙烯条的微孔中加入550μL的山羊抗小鼠IgG/HRP溶液(4ng/mL)，用MicroAmpTM32孔透明粘合剂膜(Thermo FisherScientific Inc，Waltham，USA)密封。
4、在不同温差条件下的反应
将密封后的聚苯乙烯条直接快速转移到由两个PTC(正温度系数)热敏电阻组装成的双恒温器装置(双恒温器装置由申请人在北京鼎昊源科技有限公司定制，该设备的实物图如图5A所示)中孵育1分钟。通过两个PTC(正温度系数)热敏电阻组装成的双恒温器装置控制聚苯乙烯条两端的温度。根据两端温度的不同分为如下九个处理组(上/下加热板温度)：
27/27：将包被有小鼠IgG抗体的一端的PTC热敏电阻设置温度为27℃；在其对立端的PTC热敏电阻分别设置温度为27℃；零温差。
32/32：将包被有小鼠IgG抗体的一端的PTC热敏电阻设置温度为32℃；在其对立端的PTC热敏电阻分别设置温度为32℃；零温差。
37/37：将包被有小鼠IgG抗体的一端的PTC热敏电阻设置温度为37℃；在其对立端的PTC热敏电阻分别设置温度为37℃；零温差。
42/42：将包被有小鼠IgG抗体的一端的PTC热敏电阻设置温度为42℃；在其对立端的PTC热敏电阻分别设置温度为42℃；零温差。
47/47：将包被有小鼠IgG抗体的一端的PTC热敏电阻设置温度为47℃；在其对立端的PTC热敏电阻分别设置温度为47℃；零温差。
27/37：将包被有小鼠IgG抗体的一端的PTC热敏电阻设置温度为37℃；在其对立端的PTC热敏电阻分别设置温度为27℃；负温差。
32/37：将包被有小鼠IgG抗体的一端的PTC热敏电阻设置温度为37℃；在其对立端的PTC热敏电阻分别设置温度为32℃；负温差。
42/37：将包被有小鼠IgG抗体的一端的PTC热敏电阻设置温度为37℃；在其对立端的PTC热敏电阻分别设置温度为42℃；正温差。
47/37：将包被有小鼠IgG抗体的一端的PTC热敏电阻设置温度为37℃；在其对立端的PTC热敏电阻分别设置温度为47℃；正温差。
5、反应液的检测
用含0.1％Tween-20的PBS缓冲液(pH 7.4)洗涤聚苯乙烯条的微孔3次。加入显色液各1滴，暗处反应2min，迅速加入终止液(2M H2SO4)。用酶标仪测量波长为450nm的光密度值。
上述实验以PBS缓冲液作为空白对照，并且在每个温度下设立三个复孔测定所有样品。
结果如图5所示。在正温差条件下，大温差组(47/37)的光密度值显著高于其他温度设置。在零温差条件下，温度越高免疫反应效果越好，但其最好结果要显著低于正温差条件下的大温差组。