第十九届中国国际检验医学暨输血仪器试剂博览会（CACLP）
第二届中国国际IVD 上游原材料制造暨流通供应链博览会（CISCE）
CACLP展位号：B5-0805
展会时间：2022 年3 月27 日-3 月29 日
展会地点：南昌绿地国际博览中心
本文综述了微流控免疫传感器的研究进展，主要介绍微流控生物传感器分类、基底材料、基底材料的表面修饰、抗体固相化、检测、信号放大和在微流控装置上实现多分析物免疫分析。在不影响蛋白活力的情况下抗体固定，表面修饰作用主要防止非特异蛋白质吸附。通过改进制造工艺，整合自动化分析系统，可以大大减少分析时间和试剂消耗，新兴的微流控免疫分析技术有助于推动药物研发，与临床诊断水平的提高。
生物传感器主要分为光学、电化学和压电类传感器等，以荧光、光吸收、电流、电阻抗、电位、位移和振动等为输出信号。目前主要的传感器种类如图1。
1. 光学微流控生物传感器：光学传感器具有制造简单、成本低等优势（见图1A），通过荧光、光吸收、反射率的变化等输出信号采集，可以实现对分析物的检测。
2. 电化学微流控生物传感器：电化学生物传感器（见图1C）是各实验室研究最多的传感器，该传感器成本费用低、灵敏度高、反应背景低、重复性和便携性好，可分为电阻抗、电导、电流和电位传感器。
3. 压电类微流控生物传感器：压电类生物传感器是应用最多的技术，该技术利用机械的变化作为输出信号，如位置变化移动、力变化或质量变化等形式输出，直接或间接的微机械转导（见图1B)，测量随着传感信号变化而变化的共振。
微流控装置基底材料是一个至关重要因素，而基底材料表面化学性质和光学透明是微流材料性能主要决定因素。芯片内部的表面处理和流体处理主要受材料表面性质的决定，而检测方式则由其光学特性决定。
近10年来，硅、玻璃和聚合物是微流控免疫分析主要的基底材料。但硅、玻璃及其混合微装置需要使用昂贵、先进的设备，令人满意性能的材料在微芯片毛细管电泳和电化学免疫测定等的应用中仍有待开发。
聚合物材料是大规模生产的理想材料，优点易于微加工，成本低、可复制性强；具有优越的物理化学特性，聚合物材料具有不同的表面化学性质，故针对不同的抗体或抗原固定技术有多种选择。
最近几年，随着纳米科学技术快速发展，具有独特结构和形貌的静电纺丝纳米纤维在科学界受到越来越多的关注。这些纤维已经出现在许多领域，如医学诊断，组织工程、药物载体、太阳能电池、催化剂、能量转换和存储、物理和化学传感器等。灵敏、快速的生物传感器平台发展迅速，引人瞩目。
具有较高的比表面体积的小型化装置能明显缩小扩散距离而大大降低分析时间，也提高了抗原/抗体与材料表面分子的作用几率，但可能会导致蛋白质活性降低和反应背景增强。因此对基底材料进行表面修饰以降低反应背景，使分析的结果更加准确。
表面修饰是通过物理或化学方法，物理表面修饰是一种简单地将蛋白质吸附在基底材料表面的方法，比如传统的表面封闭剂牛血清白蛋白（BSA）。
化学表面修饰是通过共价键将表面修饰分子结合在材料表面。
微结构内部缺乏混匀或紊流混合装置，分析物如抗体或抗原的大规模运输主要受对流和扩散控制。压力和电动驱动流动是微流控芯片免疫测定使用最广泛的流体输送方式。
在压力驱动流体中，生物材料在微流控免疫传感器内传送，注射泵或真空作为一种主动流驱动装置来辅助驱动，这种主动流驱动可以广泛用于液体驱动。由于设备所承受的压力，密封微通道是必要的手段。
微泵，如蠕动泵，只需较少的工作空间和外部连接，非常适合微流控芯片集成，缺点是蠕动泵的液体流动路线通常是非直线的，流体处理会有一定困难。
电动驱动流动是一种非常稳定流体驱动，在微观总分析系统应用中能适应自动化。在电动流体中，一种自动装置开关模块用于控制某芯片贮槽上的电场。这允许在整个测定过程中控制特定的流体流动操作。然而，只有导电液体可以用于这种类型的流体驱动。
采用微阀控制免疫传感器流体的量和流向，特别用于异相免疫测定需连续的溶液传送，有利于微流控实现。
流体控制和操纵，处理微流控芯片中预装的试剂溶液，仍是早期考虑的。微流控免疫芯片体系另一个重要部分是微流控混频器，微流控设备性能主要取决于在扩散混匀上，因为达到完全混匀相对较慢，芯片微型混频器有助于快速混匀样品溶液。特殊微加工工艺和微球技术是应用到芯片搅拌器一些方法。
标记功能一般用于免疫测定技术，采用光学或酶标记抗原或抗体，这可能有助于信号放大。其优点为可在其原生状态下定量蛋白质。
目前主要有三种检测技术：荧光，表面等离子体共振（SPR）和电化学。
由于荧光检测提供良好的分析灵敏度和较强信号，故荧光检测是光学检测的主要方式。采用荧光或酶标记抗体或抗原是两种传统标记技术。抗原与荧光抗体结合时可以通过荧光观察、直接监测免疫复合物的形成。常用的商用荧光标记基团有Cy系列（Cy5、Cy3等）、荧光异硫氰酸盐（FITC）、异硫氰酸四甲基罗丹明和Alexa系列。
在微流控免疫测定应用中，纳米颗粒可以替代酶或荧光标记在蛋白质上，如金纳米颗粒标记在抗原或抗体上，在光学信号放大的研究进展中做出巨大贡献。与荧光标记相比，金纳米颗粒将入射的白光散射产生我们肉眼可见的单色光，产生光强是荧光素标记分子的10万倍。
各种蛋白质标记检测技术和荧光信号放大方面快速发展，其它荧光检测技术如表面等离子体荧光光谱法（SPFS）和全内标法反射荧光显微镜（TIRFM）正应用于微流体免疫分析。
在微分析系统和芯片领域中，在单微流控装置中多个抗原同时检测是一个发展趋势，可以进一步提高分析性能检测更多的样品或分析物，因此大大减少了每个分析物分析时间。对不同蛋白质的同时分析有助于评估对某些化学或生化扰动的相关生物反应，这些反应可能导致生物标志物的发现。
目前的一些微流控免疫分析就是面向多抗原/样品分析开发各种技术，如平行微通道免疫测定，微流控微球阵列，排列电极，亲和微柱，电动力学控制免疫测定和微型盘免疫测定。
高通量微流控免疫测定也可以是微装置设计的一种功能。引入了集成各种功能的毛细管并含有不同的抗-IgGs，如人、羊、鸡，毛细微阀装配在PDMS晶格微通道上，形成毛细管组装微芯片（CA-chip）。
另一种方式是通过使用微珠阵列技术集成各种生化功能在一个防交叉污染传感器微装置。
应用于微流控免疫分析检测主要分为均相和异相免疫分析、磁性&非磁性微粒子免疫分析和基于分离的免疫分析，目前应用的主要目的是需要分析不同的临床重要抗原。
均相免疫分析法是一种直接将未固相化抗原与抗体结合形成的免疫复合物，单一步骤的免疫分析，优点是应用到微流体设备其分析时间很短，缺点其一对一的抗原-抗体相互作用，敏感性和选择性较差，在免疫反应过程中部分抗体和抗原未反应需要分离去除。微芯片毛细管电泳免疫分析法是应用该技术的最佳案列之一。
近年来研究较多的异相免疫分析（竞争性免疫分析或夹心免疫分析）将抗原或抗体固定在一定载体上。三明治免疫分析的高特异性是通过单一抗原特异地与两种抗体形成复合物来实现，这使分析结果更准确和更具选择性，目前这种方法可以分析临床重要疾病生物标志物，如C反应蛋白（CRP）。
在微流控免疫分析中，微珠作为一抗的固相载体也受到了广泛的关注。这些微珠可以是磁性的、非磁性的或拥有相应分子功能微凝胶，如链霉亲和素包被微粒用来固定抗体。
在微流控装置内应用各种分离技术仍是比较活跃的研究领域。色谱、电泳、磁泳是在单微芯片上进行多抗原分析检测的3个主要方法。
多种结构和形态的的纳米材料已率先应用在生物传感器设备、组织工程、药物传送载体、复制成型、伤口敷料等领域。
分析装置的制造，比如微流控免疫传感器芯片，涉及到科学和工程领域多方面知识的整合，处理化学材料所采用的技术，流体动力学和光谱学等等。最近关于应用于这一领域的材料的发展并不理想。聚合物仍然是这一领域的主要材料，在 PDMS 作为基底材料器其各种性能得到了证实，其优点是易于制造和其优秀的光学性能。由于微流体基底材料的可改进的空间很小，这导致了表面修饰方法的巨大改进，并且决定了抗体固定化的类型。
另外，磁性微粒和纳米颗粒组合事实证明是一对强大的组合，这不仅可以增强信号，还易于在磁场中操纵液体。与均相免疫法比较，异相免疫测定是目前常用的方法，它提供了更灵敏和具有选择性的分析性能。
总而言之，使用高分子材料，无动力流体控制和片上检测，微流控免疫分析芯片制造正朝着简单、便携式、床旁即时诊断设备方向快速发展。具有独特结构和功能的静电纺丝纳米纤维，将成为一种开发新兴、高效生物传感平台候选基底材料。
目前生物传感技术的应用领域非常广泛，但应用于纳米纤维生物传感器领域较少，主要为电化学或荧光传感技术，而其他技术可能更灵敏、更适用。因此，未来应该进行更多的研究来填补这一空白。将静电纺丝纳米纤维集成到微流控装置中，导致了生物传感器和分析设备性能的改进，适用于床旁即测诊断系统。
随着微流控生物传感器分析系统的进一步发展，微流控体系也将引入新兴的芯片上器官平台。将组织工程和生物传感平台集成在一个装置中，可不间断地原位监测不同器官对不同环境参数（如新开发药物的效果）的反应，以估计其潜在毒性提供了全新的视野。
因此，预计在未来，新一代生物传感器将从各种类型纳米纤维的独特性能中受益更多，将在更敏感、更快的床旁即测设备开发中发挥关键作用。
编辑：Jason | 校对：Harris | 责编：Hillson
公司简介
德国维润赛润（Institut VirionSerion GmbH）成立于1978年，是国际知名的诊断产业原料生产商和供应商。公司的研发和生产基地位于德国维尔茨堡，已通过DIN EN ISO 13485质量体系认证，拥有三级生物安全实验室(P3实验室)。经过了40余年的发展，公司构建了丰富的生物原料产品线，主要包括天然抗原、重组抗原、人源化单克隆抗体和磁珠等。
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