分子诊断与治疗杂志2015年9月 第7卷第5期J Mol Diagn Ther,September 2015,Vo1.7 No.5 ・289・ ・述评・ [编者按] 自20世纪90年代,以雅培、罗氏为代表的国外主要体外诊断试剂厂家陆续推出全自动 化学发光免疫分析系统,依靠其试剂品种齐全性、质量均衡性以及在检测稳定性、准确性、方便性和及 时性等方面的突出优势。大量取代了传统的酶联免疫诊断试剂,在发达国家的临床中心实验室中迅速 普及并成为市场主导。进入2l世纪以来,由于国内经济的快速增长,国内各类大型医院对价格的承受 能力明显上升.纷纷引进了进口全自动化学发光免疫分析仪器,并促进了进口试剂的大量使用。国外厂 商凭借其全自动仪器对其他厂家试剂不兼容的封闭策略,将国产试剂排挤出利润率最高的高端市场, 导致国产诊断试剂的市场占有率迅速下滑。如不能迅速集中国内体外诊断试剂和仪器领域内优势单位 的力量联合攻关。研制出有竞争力的国产全自动化学发光免疫分析系统及大量高质量配套试剂,我国 体外诊断产业将直接面临巨大的生存危机。并进而使我国降低医疗费用和医疗负担的诸多努力难以取 得预期成效。 全自动管式化学发光免疫检测系统的研制是一个综合了精密光学仪器研制、高品质辅助耗材研制、 多品种试剂研制的大系统工程.需要生物医学、材料化学、精密制造、自动控制等诸多领域的交叉综合协 作。我国在该领域的研究起步晚、起点低、高层次团队协作少。目前虽有个别厂家在近两年中研发出全自 动管式化学发光检测仪器和少量配套试剂,但由于试剂品种有限、仪器性能与进口产品仍有差距,这些国 产体系推广艰难,市场接受程度不够。 目前国内多数免疫诊断企业包括上海科华、北京万泰、郑州安图、广州达安和达瑞、深圳新产业等均 陆续研发全自动化学发光免疫检测系统及其配套试剂,部分厂家仪器和试剂已上市销售。同时,国家也在 该领域设立了相应的课题以支持国产全自动化学发光免疫检测技术的发展。然而,目前上市的国产全自 动检测体系并不被市场所完全认可,并且性能上有待进一步的提高。为此,《分子诊断与治疗杂志》特地设 置国内化学发光试剂研究专刊,报道国产全自动化学发光免疫检测系统的最新研究,以提高大家对于国 产产品的认识和重视,推动国产化学发光免疫检测产业的发展和提升市场可接受程度。 化学发光免疫分析法研究进展 陆龙飞 葛胜祥【摘张军 要]化学发光免疫分析法(chemiluminescence immunoassay,CLIA)是一种高灵敏度高特异性 的检测分析技术 具有广泛的应用领域。本文简要介绍了化学发光免疫分析法的分类、发展和应用,重点 从实际应用的角度阐述了化学发光在解决低丰度低信噪比、多组分检测、高速自动化等方面的发展情况, 以及简要介绍了新型材料、试剂和技术应用于化学发光体系的进展,并对化学发光免疫分析法的发展趋 势进行了展望。 [关键词]化学发光免疫分析;多组分检测;流动注射分析;量子点;微流控芯片 基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)(2011AA02A101) 作者单位:厦门大学国家传染病诊断试剂与疫苗工程技术研究中心,福建,厦门361102 通讯作者:张军,E—mail:zhangj@xmu.edu.ca ・290・ 分子诊断与治疗杂志2015年9月第7卷第5期J Mol Diagn Ther,September 2015,Vo1.7 No.5 Review 0n the development of chemiluminescence immunoassay LU Longfei,GE Shengxiang,ZHANG Jun (National Institute of Diagnostics and Vaccine Development in Infectious Diseases,Xiamen University,Xiamen, Fujian,China,361 102) 【ABSTRACT】Chemiluminescence immunoassay(CLIA)was a widely used technology attribute to its high sensitivity and speciifcity.The classification,recent advances and the application of chemiluminescence immunoassay were reviewed.This review was focused on the advances of chemiluminescence immunoassay in practical application,especially in improving the signal—to-noise ratio of low abundance samples,multi- analyte detection,rapid and automatic detection.In addition,the advances of new materials,reagents and technologies applied in chemiluminescence immunoassay were briefly reviewed.And the development trend immunoassay was prospected (KEY WORDSJ Cheilmuminescence immunoassay;Multi—analyte detection;Flow injection analysis Quantum dot;Microfluidics 1978年Halman等成功建立化学发光免疫分析 法(chemiluminescence immunoassay,CLIA)以来, 该方法大致经历了4个阶段的发展E .相继应用了 同,一般可分为3类:直接化学发光免疫分析、酶促 化学发光免疫分析和电化学发光免疫分析。不同于 前两者。电化学发光由电启动电极表面的电化学发 大量新的材料、技术、工艺和仪器而日趋完善和普 及。化学发光免疫分析法是将具有高灵敏度的化学 发光测定技术与高特异性的免疫反应相结合的检 澳4分析技术.通过激发化学发光剂进入激发态再回 光剂发生电化学反应产生光信号,常需要共反应剂 提高发光效率,如三丙胺(tripropylamine,TPA)作 为三联吡啶钌([Rb(bpy)。] +)的电子供体共反应 剂 常用的发光体系有:吖啶酯类、鲁米诺类 (1umino1)、三联吡啶钌类、过氧化草酸酯类 到稳定态并发射光子的过程,将免疫反应信号转化 为光信号。进而利用光信号测量仪器测定发光强 度,发光强度因与待测物质浓度在一定条件下呈线 (TCPO、DNPO)和强氧化剂高锰酸钾、Ce(SO ) 等 (见表1)。有些发光剂与氧化剂反应缓慢,还需要 催化剂和增强剂的作用,提高发光强度和稳定性。 性定量关系,从而确定待测物质浓度。 1 化学发光免疫分析的分类 根据化学发光所用的标记物和发光原理的不 2 化学发光免疫分析的发展方向 近年来,随着化学发光免疫分析在各个领域 表1化学发光免疫分析的分类和常用体系 Table 1 Classiicatfion of chemiluminescence immunoassay and systems in common use 分子诊断与治疗杂志2015年9月 第7卷第5期J Mol Diagn Ther,September 2015,Vo1.7 No.5 ・291・ 的应用,对其各方面要求和需求也发生了改变,在 应用了大量新技术、新材料的基础上,化学发光免 疫分析法呈现出高灵敏度、高通量和自动化的发 展趋势。 2.1高灵敏度检测 实际应用中常涉及到样品丰度低、信噪比低、 稳定性差和信号干扰等的问题。为解决化学发光 免疫分析的实用性.需要提高其灵敏度和稳定性: 一方面降低信号噪音,减少非特异性反应信号和 信号干扰:另一方面增强光信号,提高信噪比和稳 定性。 化学发光免疫分析系统的信号噪音和信号干 扰的因素主要是发光体系缺陷和原料试剂特异性 的影响。为改善发光体系缺陷,研发新的发光剂、 增强剂、发光体系等I5 1]以及对于反应时间、孵育时 间、缓冲液的选择和标记抗体浓度等细节进行优 化[10-11],都是减少信号噪音干扰的影响因素,也是 人们长期研究的目标。原料试剂中,基因工程抗原 由于表达系统、标签融合蛋白的不同而导致修饰 折叠的差异。往往对重组抗原的特异性和灵敏度 带来很大影响。单克隆抗体(monoclonal antibody, Mab)具有很强的免疫反应特异性,围绕Mab的改 造.减少无关结构。提高特异性和活性的研究日 益增多。如嵌合抗体、小分子抗体、噬菌体抗体和 胞内抗体等。因此,如何表达筛选获得高特异性 和高灵敏度的抗原抗体[12-13]成为人们研究的重点 之一。此外采用多种重组抗原或抗体联检[14-15]往 往也能起到很好的效果 除了减少信噪和干扰外,如何增强发光信号 提高稳定性一直是化学发光研究的重点,新型纳 米材料如纳米金、碳纳米管CNT、碳纳米球CNSs、 碳纳米纤维以及量子点等联用到CLIA中,大大提 高了CLIA的信号强度和稳定性。电化学发光免疫 分析中电极表面是电化学反应的关键场所。电极 表面的修饰对于电化学发光具有重要作用。对此 人们开展了大量电极修饰的研究,特别是新型纳 米材料、表面活性剂等[ —s]对于电化学发光影响的 研究。近些年,透明电极如氧化铟锡(indium tinoxide,ITO)电极与光导纤维技术的结合减少了 干扰且更为简便,具有很好的应用前景。Chen ̄e]用 覆盖了一层含氟表面活性剂的4 ilm的金纳米颗 粒(GNPs)去修饰ITO电极,形成了FSO—GNP.ITO 修饰电极,大大改善了ITO电极用于ECLIA时 TPA氧化率低和ITO表面不稳定的问题,提高了 发光的稳定性和灵敏度。 量子点QDs具有尺寸可调的光学特性和高荧 光量子产率,是生物荧光标记物的理想光学材料。 但是量子点化学发光也存在着自身的缺点,比如 QDs—ECL需要高发光电位,发光强度低等问题。通 过改造量子点比如核壳结构量子点、掺杂型量子 点和单质量子点等[16-18],修饰和改善QDs.ECL体 系的发光信号强度和灵敏度,取得了很好的效果。 Guo等[ ]建立了一个表面用石墨烯(G).CdS QDs一 琼脂糖复合材料修饰的玻璃碳电极(glass carbon electrode.GCE)的CdS QDs—ECL系统,以戊二醛 (glutaric dialdehyde,GLD)为交联剂结合抗体,检 测甲种胎儿球蛋白,石墨烯能大大提高CdS QDs. ECL的检测下限和灵敏度。 2.2多项目联合检测 在临床应用中,常常需要对复杂体系的未知 样本进行多组分的测定或者多种指标的检测,实 现对于多组分的检测可以大大提高检测分析的准 确性和可靠性,减少检测分析时间和繁琐的人工 操作,是免疫分析研究的一个重要方向。一般静态 多组分同时检测主要有2种模式:多标记物分辨 技术和空间分辨技术。 多标记物分辨技术以不同的标记物标记不同 的免疫活性物质.再通过识别不同的标记信号来 检测不同的组分。Qian[舯]以兔免疫球蛋白抗原 (IgG)和癌胚抗原(carcino—embryonic,CEA)为模 型蛋白.将水溶性量子点材料CdS和PbS分别包 裹到SiO 纳米颗粒上作为探针标记到IgG和 CEA抗体上,形成”三明治”探针Si/Cd/anti—IgG 和Si/Pb/anti CEA,经夹心法免疫反应后,再以方 波伏安法(square wave voltammetry,SWV)在一 0.57V和一0.8IV电压下分别检测探针信号,实现 了多标记物的同时检测。多色量子点用于CLIA的 多组分检测是另外一种形式的“多标记物”分辨技 术,多色荧光探针具有一元激发多元发射的优点, 能同时标记和跟踪多个生物分子事件。Goldman 等『21]构建了ZnS—CdSe核壳结构的多色量子点标 记抗体。用夹心免疫法在4种不同波长下检测4 种毒素的混合物,显示多色量子点能够完成一般 有机染料难以完成的同时多组分检测。但是由于 分子诊断与治疗杂志2015年9月 第7卷第5期J Mol Diagn Ther。September 2015。Vo1.7 No.5 ・293・ C:载流;w:废液;S:样品;L:样品环;R:电化学发光试剂;SP:注射泵;E:铂电极;SC:分离毛细管 图2微型流动注射毛细管电泳电化学发光检测系统[衢] Figure 2 Miniaturized capillary electrophoresis system with flow i ̄ecfion sample in ̄oducfion and electrogenerated chemiluminescence detection E261 够理想。但是未来微型化、自动化、集成化和便携 化是分析仪器设备发展趋势,微流控分析芯片作 为微全分析系统的重要组成部分之一。还是具有 很大的改进空间和应用前景。 2.3全自动化检测 流控芯片以及机械电子等的新型自动化材料技术 形成智能化、自动化、一体化系统是大势所趋。未 来更高通量的全自动化学发光分析仪器、即时检 测[31]仪器、远程在线检测仪器等将成为相关的研 究热点之一。表2概述了目前市场上国内外代表 传统的免疫分析由于免疫物质的混合反应效 率低,检测分析的流程冗长操作繁琐.因而耗时 较多。为实现快速检测。需加速热力和免疫动力 性全自动化学发光免疫分析体系。 3化学发光的应用与展望 鉴于化学发光免疫分析法高灵敏度、宽线性范 学反应,提高自动化水平,联用其他技术减少操 作节约时间。磁性纳米微粒作为载体平台,不但 可以提高混合和反应效率以及灵敏度。利用外加 磁场还可以方便快捷的分离结合相,减少繁琐的 人工操作,为CLIA的全自动化发展奠定了坚 实的基础。Zhang等[∞]利用磁微粒(magnetic particles。MP)和包被管的化学发光酶免疫分析法 (chemiluminescent enzyme immunoassay,CLEIA) 对人血清甲种胎儿球蛋白的评估和分析进行了研 究比较,MP—CLEIA的线性范围更广泛、分析时间 围、分析速度快等优点,雅培、罗氏、贝克曼等相继 推出了全自动检测仪器,极大地提高了工作效率和 检测的准确度灵敏度,减少人为操作误差,推动了 化学发光免疫分析法在临床、食品安全和环境分析 等方面的应用。目前在临床上主要应用于激素、肿 瘤标志物、心肌标志物、传染病等[弛-33]的检测,为了 提高诊断准确性,减少漏检等误差,结合多种抗原 抗体联检取得了良好的效果。雅培的艾滋病 毒化学发光检测试剂盒,采用艾滋病毒的P24抗原 和HIVI/HIVII型抗体联检,大大提高了检测的准 确度和灵敏度,有效的减少了漏检的发生。 更短、钩状效应浓度更高。显示MP.CLEIA对于筛 查检测的方便快捷优越的优点和全自动化操作系 统的应用潜力。 随着人们对于检测水平和仪器要求的提高, 化学发光免疫分析提高灵敏度、稳定性、检测项目 以及分析速度等,集成磁微粒、流动注射分析、微 自从20世纪60年始,现代电子技术和 高灵敏度的光电传感器的发展,提供了许多研究 和测定化学发光的新手段,对该领域的发展起到 了极大的推动作用而迅速发展。近年来,化学发光 ・294・ 分子诊断与治疗杂志2015年9月第7卷第5期J Mol Diagn Ther,September 2015,Vo1.7 No.5 的发展主要表现在:(1)化学发光使用的试剂以及 【5】 Nozaki O,Ji XY,Kricka LJ.New enhancers orf the chemiluminescent peroxidase・・catalyzed chemilumines・・ 原料的制备标记等研究和发展;(2)新化学发光体 系和条件的不断建立和优化;(3)新型纳米材料与 化学发光的结合应用;(4)化学发光与其他方法或 技术联用,包括流动注射技术、新传感器技术、毛 细管电泳分离技术和微流控技术等等,拓宽了化 cent oxidation of pyrogaUol and purpurogallin[J].Jour- nal of Bioluminescence and Chemiluminescence,1995, l0(3):151—156. 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