诊断技术｜免疫测试的那些事-新的信号技术和结语

为了简化检测机制，缩短检测时间，减少检测步骤，促进免疫检测的复用，采用电化学、机械和光学机制的信号转导方法已越来越受欢迎。下一节将更详细地研究这些信号转导机制。

电化学传感器是免疫测试信号的一个组成部分，我们将会在后面讨论这一重要领域。简而言之，电化学与化学反应中产生的电流有关。生物技术中最常见的电化学反应是还原/氧化反应或氧化还原反应，其间电子在两个相互作用的物种之间转移。

电化学技术经常被用于有色和浑浊的介质中。适用于电化学免疫传感器的其他优点是可以实现高灵敏度，而且用于测量的仪器相对便宜。

电化学免疫传感器通常具有低功率要求，能够被纳入自动检测平台。安培法、电位法、电化学阻抗光谱法（EIS）和磁电阻传感技术的例子。

纳米力学传感器检测质量、压力或共振频率的变化。纳米力学免疫传感器与传统的基于荧光的免疫检测系统不同，它们不需要对分析物或抗体进行标记。

这些传感器已被用于测量一系列分析物，如细菌、病毒、寡核苷酸、疾病标志物和炎症介质，如前列腺特异性抗原（PSA）和白细胞介素。

压电效应是由雅克和皮埃尔-居里在1880年首次描述的。该术语源自希腊语piezein，意思是按压。当电压施加在压电石英晶体（SiO2）上时，在材料中引起应力，石英发生体积变化，反之，当石英发生体积变化时，产生电压。

压电性通过测量质量的变化促进了表面分析物的“无标签”检测，在免疫感应的情况下，当分析物与抗体结合或抗体与固定的抗原结合时，观察到质量的变化。

已经开发了两种不同类型的声学传感器，一种是体声波（BAW）装置，另一种是表面声波（SAW）装置，这些将在接下来的两节进一步讨论。

体声波（BAW）装置或石英晶体微天平（QCM）可用于分析物的“无标签”检测。一个BAW装置包括一个嵌入在两个电极之间的石英晶体薄层。

施加交流电（AC）时，石英晶体会产生一个特征性的共振频率；这个频率是基于石英晶体的总振荡质量，当生物分子附着时就会发生变化。

对石英晶体微天平的基本原理及其在生物检测中的用途的全面回顾，已经由Ferrier等人发表；此外，对石英微天平的应用也有广泛的描述。

Seo及其同事的一项研究描述了使用新型QCM免疫传感器检测甲胎蛋白（AFP）的情况，该传感器是利用基于TiO2纳米颗粒的免疫测试法，结合银增强反应开发的。

他们的系统采用了夹层免疫分析的形式。石英晶体上固定有抗AFP抗体，加入AFP并与抗体结合，然后加入第二个与TiO2共轭的抗AFP抗体并结合，随后进行银增强反应。

在有硝酸银（AgNO3）的情况下，对该复合物进行光照射（暴露于紫外线）。银（Ag）分子与氧化钛（TiO2）结合，并将复合物的质量提高了三个数量级，从而使石英晶体的谐振频率的变化更容易观察到。

表面声波传感器（SAWS）利用了某些晶体材料的压电特性，例如石英（SiO2）、铌酸锂（LiNbO3）或钽酸锂（LiTaO3）。

SAWS检测沿晶体表面的质量变化。晶体表面的交错电极（IDEs）产生声波，平行于表面传播，对质量变化敏感。SAWS很容易被纳入“护理点”（POC）或微流控设备中。Lee及其同事开发了一种微流控CD装置，将全血、清洗缓冲液和检测试剂封装在一个微流控光盘（CD）中。

声波传感器的主要优点是其“无实验室”的能力、快速的检测时间（<10分钟）、高灵敏度以及在浊液和有色溶液中进行检测的能力，几乎不需要进行检测前的清理，这使得它们非常适用于“实时”、POC体外诊断。

Lee及其同事还开发了一种POC设备，使用SAWS检测心脏疾病标志物心肌钙蛋白I（cTnI）、肌酸激酶-MB和肌红蛋白的存在，低于临床所需的“临界”水平。

声纳依靠质量的变化来产生信号，然而，这使它容易受到样品介质的密度和粘度变化的影响。SAWS传感器的另一个限制是对温度和机械应力的敏感性，这在实验中需要加以控制。

根据检测系统的要求，悬臂可以在微观或纳米尺度上制造。第一个悬臂是“偏转”或“静态”模式的悬臂。它们的工作原理是，当分析物与抗体结合时，悬臂会发生物理弯曲。随后引入了“共振”或“动态”模式的悬臂，其工作原理是产生一个振荡信号。

两者都能有效地测量溶液和空气中的分子，因此，使它们适用于生物（如蛋白质、病毒、细菌、小分子和气体）和环境感应（如温度和pH值）。微悬臂通常由1微米厚的矩形硅片制成，其一端固定在一起。

当特定的样品分析物与固定的抗体（或类似的结合分子，如用于寡核苷酸检测的cDNA）结合时，表面应力被施加在微悬臂上，使其弯曲。激光束的偏转可以检测到弯曲的悬臂。

微悬臂的优点包括它们的“无标签”配置、“易于功能化”、“低成本”、“易于检测”、它们的小型化和复用潜力。在使用基于悬臂的传感器过程中出现的一些缺点包括它们对温度和折射率变化的敏感性，以及对样品介质中液体流动的敏感性。

微悬臂已经成功地应用于肿瘤标志物的检测，如血管生成素-1，一种潜在的肿瘤进展标志物，以及检测小分子物质，如霉菌毒素。

光学生物传感器利用光的特性，如折射、蒸发波的产生和反射，并测量生物分子相互作用过程中这些特性的变化。

本篇文章介绍的各种免疫传感的可能性仅仅是今天所提供的传感能力的一个缩影。首先，必须考虑到特定应用的抗体类型，由于它们的“易操作性”和提高灵敏度的能力，重组抗体越来越有吸引力。

用于固定抗体的策略对于最大限度地提高稳定性至关重要，通过确保抗体的正确方向和可用于结合来提高灵敏度，并最大限度地提高可重复性。

同样明显的是，“无标签”免疫传感已经成为分析物监测的一个重要因素。尽管有了这些技术，但仍然存在困扰当今使用的固体表面的敏感性、“信号-噪音”比率和聚集等基本问题。

消除非特异性结合是实现最佳性能的关键，必须在复杂的基质中仔细控制。

最终，一个几乎不需要检测前准备、完全集成、具有多重检测能力、可以在原位进行、用户干预最少、价格合理的系统将永远是免疫检测的黄金标准。

“芯片上的实验室”免疫分析系统目前正通过基于荧光和比色的检测系统以及基于悬臂的方法对诊断学进行革新。它们有利于组合和减少检测步骤，试剂被包裹在系统内（解决了安全问题），微流控技术允许减少完成一个测试所需的检测试剂量。

“芯片上的实验室”可以允许平行地分析一些不同的分析物，以后将会对这部分内容展开描述。

免疫测试不应仅仅根据分析灵敏度来选择，而必须满足每种情况下的检测要求。例如，免疫测试可能需要产生定量数据或产生简单的是/否读出。还应该问的是，多成分分析是否可以整合到系统中，因为这将大大增加免疫测试的价值。

但需要提醒的一点是，实验室检测方法和商业可用系统完全不是一回事，两者关注的重点并不一致，所以从实验室到商业可用系统的转化是一个非常重要的步骤，必须重视这个步骤，才有可能将新技术推向市场。