基于数字化分析单颗粒定量及病原体检测应用

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单颗粒检测可以对颗粒物质实现在单颗粒水平的理化性质研究,揭示了单颗粒在形状、组成、表面配体以及由此引起的化学性质等方面的差异。精确测定颗粒样品的个数浓度是更好地将其应用于各个领域的重要前提,然而一直以来都面临着巨大挑战。现有的单颗粒检测方法通过光学、电化学、ICP-MS、NTA(Nanoparticle tracking analysis)等检测方法对颗粒样品中单颗粒脉冲信号的逐一采集实现对颗粒样品的定量,然而这些方法在对颗粒样品进行浓度检测时不仅需要标准样品进行校准,同时依赖于昂贵复杂的高灵敏度仪器,对其应用带来了极大限制。因此,发展简便、精确的单颗粒定量方法是十分必要的。数字化分析是一种区别于传统分析方法的优质单个目标物检测方法,且能实现目标物的绝对定量,已被广泛应用于核酸、蛋白等分子的单分子水平检测和精确定量分析。数字化分析将单个目标物限域于小体积分析单元中,能有效实现目标物的浓缩,因此将数字化分析应用于单颗粒检测对于因本身信号太弱难以被采集的单颗粒来说有望成为突破方向。此外,寻找有效的信号放大策略用于单颗粒检测有助于检测灵敏度的提高。将数字化分析与微流控技术结合能很好解决小体积单元的制备问题。本论文将数字化分析对单个目标物的分析策略应用于单颗粒的研究,构建了简单、快速、可靠、高灵敏的单颗粒定量方法及病原体检测方法,具体开展的工作如下:(1)基于液滴微流控的数字化单颗粒定量方法的构建及荧光微球浓度的测定。选用高通量的液滴微流控芯片作为单颗粒检测平台,建立了一种以数字化分析为定量依据的单颗粒水平颗粒样品绝对定量方法。通过自行搭建的便携式光纤光谱仪-荧光显微镜联用装置,采集单颗粒的荧光脉冲信号,实现了颗粒样品的快速在线检测。为了有效增强采集单颗粒荧光信号的灵敏度,采用引入T型侧通道的流聚焦型液滴微流控芯片作为单颗粒分析平台,最终将单颗粒荧光信号的信背比提高了9倍。此外,在传统流聚焦型芯片上引入T型侧通道还具有易于制备小尺寸液滴、易于增强检测方法抗背景干扰能力的优点。通过理论推导和实验验证,发现T型侧通道的引入对基于数字化分析的单颗粒定量结果并无影响。随后,对粒径为2μm的荧光微球进行绝对定量。通过将颗粒样品分散于微流控液滴中,并按照有无封装单颗粒的情况将所有液滴信号读出为“1”和“0”。颗粒样品的浓度可通过信号为“0”(或“1”)液滴的比例以及泊松分布计算得出。通过对不同浓度荧光微球的浓度测定,考察了该方法的分析性能,并将定量结果与传统流式计数仪的结果进行了比较。该方法具有无需标准样品校准、定量范围宽、定量过程简单准确、仪器装置简便易得等优点,是一种良好的颗粒样品定量方法。在应用方面,该方法可实现对混合样品中三种不同粒径荧光微球浓度的同步精确测定,以及对不同浓度生物样品E.coli DH5α-p Ds Red的准确定量。(2)基于阵列芯片的数字化酶联免疫法高灵敏定量检测鼠伤寒沙门氏菌。选用无需微泵等外加装置、易于制备液滴的含10800个体积为4.1 p L微阱的阵列芯片,结合磁性和荧光纳米球,构建了一种结构简单、灵敏度高的病原体定性检测和定量分析方法。首先通过一步法分别制备了免疫磁球和同时偶联了抗体和β-半乳糖苷酶的双功能荧光球。目标病原体经过免疫磁球的特异性捕获以及双功能荧光球的特异性酶标处理后得到免疫复合物。将该复合物通入芯片形成微阱液滴阵列,并基于阵列液滴内的数字化酶联免疫分析,实现了对单个细菌的检测。将信号读出为“0”和“1”,统计荧光液滴的个数并依据泊松分布实现了细菌浓度的测定。该方法可实现浓度范围为4.8×10~4~4.8×10~8 CFU m L-1的细菌的高灵敏度定性分析和定量检测,并可用于复杂体系中目标细菌的精确定量。该方法具有灵敏度高、定量范围宽、定量过程简单准确、样品消耗量少等优点,是一种很好的细菌定性分析以及定量检测方法。此外,阵列液滴无需微泵等样品操控装置即可简便制得,也使数字化单颗粒酶联免疫分析在细菌的即时检测领域(POCT,point-of-care testing)拥有巨大潜力。
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