研究论文介绍

Small:基于多阵列微针的便携式纸基生物传感器检测全血中的贫血标志物

作者:苏打水

导读:

近日,南开大学的Wang教授研究团队和天津大学的Guo教授研究团队共同开发了一种基于等离子体荧光标记微针的便携式纸基生物传感器,用于全血中贫血生物标志物的多路定量检测。高度集成的折纸装置能够实现快速血清分离、目标富集和多路数据读出等的连续分析步骤。等离子体荧光标记的微针阵列的引入,使目标物的富集实现从ng mL−1到pg mL−1的数量级提升,与传统的基于平面底物的分析对比,检测信号提高了约7.6倍。该生物传感器能够满足不同环境下、不同浓度范围的四种常见贫血生物标志物的同时定量,具有样本量小(150µL)、检测时间短(20 min)、成本低廉(2 $)、稳定性好、用户友好等优点,有望在实际应用中快速准确地诊断贫血。

A Plasmonic Fluor-Lightened Microneedle Array Enables Ultrasensitive Multitarget Whole Blood Diagnosis of Anemia in A Paper Origami-Based Device.

Wu, J.; Liu, Y.; Peng, L.; Liu, Q.; Wang, D.; Jing, X.; Hu, Y.; Lin, J.; Fu, H.; Ji, X.; Liu, J.; Lv, H.; Peng, B.; Zhang, B.; Guo, L.; Wang, S.

Small 2023, e2300464. doi: 10.1002/smll.202300464.

正文:

以血红蛋白(Hb)水平低为特征的贫血症,是孕妇、儿童和老年患者等人群中的一种高危疾病。传统检测贫血的方法依赖于全血中血红蛋白水平的检测,为及时有效地治疗贫血,除了血红蛋白检测外,监测其他的贫血相关的生物标志物(血红蛋白(Hb)、铁蛋白、叶酸(FA)和维生素B12(VB12))以识别特定疾病的病因也是十分必要的[1]

为克服复杂的样本前处理问题,高度富集目标检测物,实现不同机体环境中生物标志物的同时快速检测,南开大学的Wang教授研究团队和天津大学的Guo教授研究团队共同提出了一个带有等离子体荧光标记的微针(PMN)阵列的集成式纸基微流控分析装置(µPAD),构成超灵敏的生物传感器(PMN-µPAD)(Figure 1)。以金纳米棒(AuNRs)作为增强剂,选择吲哚菁绿(ICG,一种近红外染料)制备超亮等离子体荧光剂,AuNRs的加入使ICG的荧光(FL)强度提高约75万倍[2]。分别采用超灵敏的基于PMN的免疫分析法检测血清中ng mL−1数量级的铁蛋白和pg mL −1数量级的小分子(FA和VB12[3],和基于适配体的荧光猝灭法检测血液红细胞中的Hb。研究人员将上述检测集成在一个折纸式的PMN-µPAD,可仅在一滴血液样本中同时定量Hb、铁蛋白、FA和VB12,该方法在贫血症的快速诊断方面显示出巨大的潜力,其结果优于临床现用的检测方法。

研究人员首先制作了一种可折叠的纸,基于折叠将一个µPAD划分为几个不同的功能区,其底层包含几个PMN阵列,以完成多靶点全血诊断贫血标志物的整个检测流程,包括血细胞和血清分离、细胞裂解、目标物提取/富集和信号生成/扩增(Figure 2)。

接着,研究人员使用紫外(UV)光固化的三甲基丙烷乙氧基三丙烯酸酯(ETPTA)制作MNs,然后使用聚多巴胺(PD)涂层包覆MNs,PD涂层的用途是介导生物偶联化学反应来固定识别分子。MNs包含一个10×10阵列,中心到中心的距离为600µm。每个MN呈圆锥形,基底直径为290µm,高度为750µm(Figure 3B)。通过对制备的MNs进行不同方法学的表征,研究其物理和化学性能,并探究MNs对目标物的富集原理(Figure 3)。

之后,研究人员使用ICG等离子体增强荧光标记MNs,并对合成的等离子体荧光材料进行表征。通过使用该传感器检测人免疫球蛋白IgG(100 ng mL−1),即ICG荧光联免疫分析(FLISA),进一步证实PMNs在免疫分析中的信号增强作用(Figure 4)。

进一步,团队成员研究了基于MNs的等离子体荧光连接的免疫分析法(PMNs-FLISA)在分析不同生物标志物中的敏感性,并与其他方法(FLISA、MNs-FLISA、等离子体荧光连接的免疫分析法(P-FLISA))进行了比较,证明PMNs-FLISA在检测生物标志物中具有最强荧光信号(Figure 5和Figure 6)。

在获得最佳的检测性能后,研究人员使用PMNs-µPAD检测了37例患者全血样本中的Hb、铁蛋白、FA和VB12,并将结果与商业试剂盒进行比较(Figure 7)。检测结果表明,PMNs-µPDA测定的血清生物标志物水平高于常规方法,更接近加标值,表明其具有较高的精度和准确性(Table 1)。

总结:

南开大学的Wang教授研究团队和天津大学的Guo教授研究团队共同展示了一种基于微针阵列采样方法的超灵敏纸张集成技术,以超亮等离子体荧光ICG作为生物标记,用于快速检测全血样本中贫血的多种生物标志物。等离子体增强的MNs方法在很大程度上提高了检测灵敏度,克服了繁琐的样本收集步骤,使其在临床诊断中具有很高的吸引力。与传统的贫血诊断临床方法相比,集成的µPDA装置能够在一个设备上同时检测多个生物标志物,很大程度上提高了疾病诊断的准确性,且有效地简化了读出仪器,减少样本量,缩短总体检测时间,减轻工作量和降低成本等,为进一步开发灵敏的生物传感器用于临床诊断、食品安全和环境监测等提供了研究思路。

参考文献:

  • [1] R. G. Mannino, D. R. Myers, E. A. Tyburski, C. Caruso, J. Boudreaux, T. Leong, G. D. Clifford, W. A. Lam, Nat. Commun. 2018, 9, 4924. doi: 10.1038/s41467-018-07262-2.
  • [2] J. Luan, A. Seth, R. Gupta, Z. Wang, P. Rathi, S. Cao, H. Gholami Derami, R. Tang, B. Xu, S. Achilefu, J. J. Morrissey, S. Singamaneni, Nat. Biomed. Eng. 2020, 4, 518. doi: 10.6084/m9.figshare.11888055.
  • [3] Z. Wang, Q. Zhou, A. Seth, S. Kolla, J. Luan, Q. Jiang, P. Rathi, P. Gupta, J. J. Morrissey, R. R. Naik, S. Singamaneni, Biosensor. Bioelectron. 2022, 200, 113918. doi: 10.1016/j.bios.2021.113918.

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