基于明场成像并用于分子筛选的纳米等离子体亲和分析系统

2024-08-08
FluidicLab

华中科技大学生命科学与技术学院的胡文君副研究员团队于2024年4月在《Advanced Functional Materials》发表了题为“Nanoplasmonic Affinity Analysis System for Molecular Screening Based on Bright-Field Imaging”的文章。

胡文君团队在该研究中建立了一种基于超表面等离子体共振（metasurface plasmon resonance, Meta-SPR）的成像系统，该系统使用简易的明场分析并结合了一个具有不同微流控系统的局部SPR传感平台。该系统可以处理低浓度的分析物，范围在100 pM到100 nM之间，并能实时去除相同设备视野内的非特异性结合信号。结合微流控和微液滴系统，该系统可以自动测量单个样品十个浓度梯度的动力学曲线或者是同时检测单一实验中多个样品的特异性反应。该系统可以低成本、便捷地实现复杂的检测功能，说明了在传感器检测方面的创新突破。

基于明场成像的分子亲和分析系统

作者建立的基于成像的分子亲和分析系统（图1）中除低成本的Meta-SPR芯片外，主要涉及的是四通道压力控制器以及浓度梯度发生器装置（concentration gradient generator device, CGGD），通过微滴定位检测实现高灵敏度的分子相互作用检测和背景噪声去除，具有实验过程简便、灵敏度高、成本低、多样本检测，并可应用于生物分子的筛选。

图1 、基于成像的Meta-SPR亲和分析系统的方案。A) 整个系统的两部分构成，包括显微镜或远心透镜和Meta-SPR芯片上的白色LED照明的组合。B) 在显微镜和远距离心平台上使用的反射性同轴光学成像示意图。C) 基于色度分析的图像处理算法，首先得到序列图像的差值，然后将其划分为RGB通道。信号被定义为红色通道除以三个通道的和，通过逐像素的方式实现。D) 芯片的纳米结构阵列和配体与分析物之间的相互作用。

分子亲和分析系统中自动梯度稀释法的优势

微流控CGGD系统可以自动生成不同的药物浓度（图2-A），如图2-B所示，对于表面张力和粘度差异较大的水和40%蔗糖溶液，通过更大且不同的压力可以在各管路内实现相对较好的浓度梯度，采集的信号与反射指数呈线性关系（图2-C）。通过该系统，该实验在4 min内测量了9种不同浓度分析物（IgG）的动力学结合和解离曲线（图2-D, E），避免了实验过程中复杂、繁琐的稀释步骤。

图2、基于CGGD的亲和度检测。A) 结合CGGD的微流控成像系统示意图。B) CGGD的颜色梯度（左）和蔗糖溶液的折射率梯度（右），浓度从0%到40%。C) 在0-5%浓度的蔗糖溶液中，每个区域的平均像素信号值及相应的反射指数。D) IgG溶液浓度梯度为0~33.3 nM的信号曲线。E) 对整个动力学实验的拟合曲线。F) 通过拟合结合端点得到的IgG标准曲线。

通过微滴孵育可达到更低的检测浓度和建立多分析物反应方案

作者通过引入二值化和形态学算法来从非特定的背景中增强特定的结合区域，因此可以在*低浓度下检测到特异性的动力学信号，实现了125 pM浓度下SARS-Cov-2 N ab与N蛋白的结合与检测（图3-A, B）。此外，该研究利用微滴孵育及该算法进一步建立了多分析物（0.5 nm IgG, 1 nm CRP, 和1 nm R001 N ab）反应检测方案（图3-C, D）。

图3、通过微滴培养实现的低浓度与多反应物的检测分析。A) 不同浓度下N ab结合的信号曲线。B) N ab动力学信号的拟合曲线。C)多分析反应方案，包括0.5 nM IgG，1 nM CRP和1 nM R001 N ab（R001也可以与蛋白A结合）。D) 不同试剂的信号曲线。

总之，作者开发了一种基于表面等离子体共振（Meta-SPR）的成像系统，具有大范围精确检测和动态分析分子结合信号的能力，利用protein A-IgG, CRP-CRP ab, N protein-N ab等样品测试了该系统在生物分子相互作用方面优秀的分析能力。该系统中的微流控系统大大简化了实验过程，可以实现不同浓度梯度样品的制备、单个实验中多个样品的制备以及高通量检测。