基于交流电热的低浓度抗体快速检测机理及实验研究

Detection time is the key factor for disease specific antibody diagnosis at low concentration in serum. Theoritical analysis, numerical simulation and electrochemical impedance experiments are presented to solve the time-consuming problem in traditional detections. A novel proach is proposed to enhance the convection and mass transfer in the micro channel based on AC electrothermal effect, improving the antigen-antibody specific binding efficiency greatly, even the antibody in the serum at low concentration level. First, the flow field equation of high conductive fluid applied in AC electric field is solved considering the convection and mass trasfer effect, electrode substrate material and heat transfer characteristics of micro channel. Then the mathematical model of immune reactions on the electrode surface is established and solved coupled with flow and temperature as well as concentration field to simulate the antibody concentration change in the micro channel during the heterogenous immune reaction process. Finally, bovine paratuberculosis(Johne's Disease), human Mycobacterium tuberculosis, and epidemic encephalitis B specific antibody is detected via new rapid methods. The project aims to develop a portable detection device intergrated with intelligent mobile phone to realize the rapid serum immnue detection, which is essential for theoretical studies and clinical applications.

血清中低浓度抗体的检测速度是决定疾病诊断效率的关键因素，本项目针对传统免疫检测耗时长的难题，采用理论分析、数值模拟和电化学阻抗检测实验相结合的研究手段，提出利用交流电热流动加速微通道内抗体分子的对流和传质的新方法，进而大幅度提高样品抗体与抗原的特异性反应结合效率，实现血清中低浓度抗体的高效检测。项目首先综合考虑流体的对流与传质、电极基底和通道的散热特性，建立并求解微通道内高电导率流体在交流电场作用下的流场方程；其次，建立电极表面免疫反应的数学模型，与上述微流体流场、温度场、浓度场耦合求解，模拟非竞争式异相免疫反应过程中抗体浓度的变化；最后，通过牛的副结核、人类结核杆菌、流行性乙型脑炎等实验验证新型快速免疫检测方法的可行性。本项目拟开发便携式免疫检测装置，与智能手机集成，实现真正意义上的快速血清免疫检测，项目研究成果具有重要的理论意义和临床应用价值。

近年来频发的人畜共患的全球性大规模传染性疾病，严重威胁人类健康和生命财产安全。细胞、病毒、细菌、免疫球蛋白、激素、DNA、蛋白质等多种生物分子的新陈代谢和人类/动物的健康状况息息相关。因此，对多种生物分子的检测已成为维护社会公共安全的主要内容之一。.该课题阐述了微流控芯片上交流电场致快速生物分子检测的机理，并以血清免疫检测为例对其进行了数值仿真。仿真模型耦合了电场、流体场、温度场、浓度场等多物理场，综合考虑了对流与传导、对流与传质、对流与扩散等因素对免疫反应中抗体浓度变化与分布进行了求解。.在交流电场的作用下，随着目标生物粒子的不断富集，电极/溶液界面的双电层的厚度和面积产生了变化，进而导致了双电层电容的变化。该课题正是通过对电极/溶液界面的双电层电容变化率的计算实现了生物分子快速电化学检测。针对牛副结核杆菌、人类肺结核杆菌、奶牛孕激素等多种生物分子，分别利用对称叉指电极阵列和非对称叉指电极阵列进行了快速血清免疫检测。结合仿真和实验结果，分析了电压和频率对检测效率的影响，并对电极排布形式、电极厚度、电极表面改性等条件进行了参数优化。此外，由于介电泳对生物分子的富集效果意义重大，此项技术还可用于研究生物粒子的介电泳属性。本课题给出了基于电极/溶液界面的双电层电容的变化率研究两种DNA的介电泳属性的实验研究，并通过荧光实验验证了此方法的可行性。对标准抗原抗体的定量试验研究表明，在100mV电压100kHZ频率下，该检测方法的浓度检出下限为10ng/mL，此浓度远低于疾病发病初期血清中阳性抗体的浓度水平。此技术尤其适用于对低浓度生物分子的快速检测，例如对含有较少阳性抗体的血清进行快速血清免疫检测，可以应用于疾病早期的快速诊断。.申请人及团队共发表SCI学术论文22篇，影响因子5.0以上8篇。授权发明专利1项，实用新型专利1项，已受理发明专利2项。