面向生物标记物高灵敏核磁共振检测的多层微流控探头的研究

On the basis of our previous studies on micro nuclear magnetic resonance(NMR)，we propose a novel multilayer microfluidic probe for the NMR detection of target biomarkers with a high sensitivity. First, we fabricate a multilayer microfluidic chip integrated with a solenoid coil for mixing the biological samples with the magnetic nanoparticles, filtering free magnetic nanoparticle and acting as a nuclear magnetic detection coil. Second, we develop a multilayer microfluidic probe with stable performances by designing a novel tuning matching circuit for the above coil. Finally, we construct a micro-NMR experimental platform based on the fabricated probe and employ a specific impulse sequence for the NMR detection of target biomarkers. In addition, experiments on the detection of various target biomarkers will be carried out to establish the mapping relationship between the concentrations of objective target biomarkers and the NMR signals.

基于申请课题组前期在微型核磁共振方面的研究基础，本项目提出对面向生物标记物高灵敏核磁共振检测的多层微流控探头进行研究。具体通过制备多层微流控螺线管线圈芯片，借助微流控技术在一块芯片上实现磁珠与检测样本的混合团聚、剩余自由磁珠的过滤和作为核磁共振检测线圈三大功能；然后，通过研究设计新型的调谐匹配电路，研制具备稳定性能的多层微流控探头；最后，基于研制的探头，构建微型核磁共振信号检测平台，并设计一种适用于生物标记物核磁共振检测的脉冲序列方法，实验研究微型核磁共振信号检测与分析方法，并建立目标生物标记物浓度和核磁共振信号之间的映射关系。

目前，恶性肿瘤已成为造成病患死亡的首要因素，肿瘤标志物的快速精准检测对于恶性肿瘤的早期诊断与预后评估有重要意义。核磁共振技术在肿瘤标志物检测方面具有样本预处理时间短、检测速度快、灵敏度高的优点，临床应用前景良好。本项目通过设计与制造一种多层微流控核磁共振探头，结合免疫磁性纳米粒子生物传感器技术，搭建了一台微型核磁共振诊断仪，实现肿瘤标志物的快速精准检测。取得的主要研究成果如下：.（1）多层微流控核磁共振探头的设计制造：根据探头性能需求，设计多层微流控核磁共振探头结构并研究其制作工艺。探头芯片部分由四层结构组成，集成微流道与检测模块，为实现批量化制作目标，使用3D打印工艺加工片层，并且利用双面粘性丙烯酸胶密封和连通各片层。通过片层加工、线圈绕制、密封粘合、整体装配的流程制作探头，并且优化片层加工工艺与线圈绕制工艺。通过实验验证所设计的探头不仅在结构功能上具有优势，而且在信号获取方面具有较好的综合性能。.（2）集成多层微流控核磁共振探头的微型核磁共振平台搭建和肿瘤标志物的检测研究：基于平台应用需求，选择微型磁体与电子控制系统，设计支撑结构和屏蔽结构，搭建微型核磁共振诊断仪。基于该诊断仪，通过测量粒径30nm、100nm、180nm、250nm、600nm梯度浓度的磁性纳米粒子溶液，指出溶液横向弛豫时间 与磁性纳米粒子的浓度、粒径均有关，并以此探究磁性纳米粒子传感器机理，进而确定后续实验选用180nm磁性纳米粒子。通过共价键结合的方式在粒子表面偶联抗体分子，形成免疫磁性纳米粒子。构建基于磁驰豫转换机理的检测传感器，分别检测肿瘤标志物MUC1糖蛋白以及乳腺癌细胞MCF-7。通过优化免疫磁性纳米粒子合成过程、混合浓度、混合时间等实验参数，建立MCF-7浓度与 的变化率的对应关系，将MCF-7的检测限降至500 cell/mL。与其他检测方式相比，本项目研制的微型核磁共振诊断仪对肿瘤标志物检测具有更高的灵敏度和便捷性，且仪器成本更低、样本预处理时间更短，具有较好的应用前景。