快速检测测试的物理学简介

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经过Ed Fontes

2021年4月20日

COVID-19的大流行使世界痛苦地意识到接触追踪的重要性。知道谁被感染,以及该人的何时何地被感染,以便能够遏制病毒感染的爆发。缺乏这种知识迫使世界上大多数国家实施限制和锁定,这导致了严重的社会中断和全球经济衰退。

快速检测测试设备的开发允许在关键和无法关闭的社会领域进行接触追踪,例如医疗保健和粮食供应。获得廉价测试的访问也使人们可以自我诊断,然后自我分离(如果感染)。这也有助于减慢病毒的传播。韩国和德国在社会各个领域都成功地使用了测试,以更广泛的规模降低了大流行(参考。1)。

COVID-19的一项可能的快速检测试验是基于侧向流量测定(LFA),也称为侧向流免疫测定(LFIA)或免疫色谱测试。可以在超市购买的标准妊娠试验可能是LFA最熟悉的应用。LFA为许多疾病和情况提供了廉价,相对可靠,可靠且易于使用的测试(参考。2)。

在这个两部分的博客系列中,我们使用ComsolMultiphysics®软件来了解LFA设备的功能以及工程师在设计这些设备时可能遇到的挑战。

LFA快速检测测试背后的机制

如果我们查看这些快速检测测试背后的机制,我们可以看到它们非常先进但非常健壮。

用于标有零件的典型快速检测测试的示意图,包括样品井,垫子,膜,外壳和检测窗口。
快速检测测试设备的示意图。在这里,为了显示结构,膜和垫子的厚度被夸大了5倍。垫子和膜的组装可以称为测试条。

该测试包括以下部分(如上图所示):

  • 样品垫
  • 共轭垫
  • 吸收垫,也称为灯芯垫

不同组件(垫和膜)的组装通常称为测试条。测试条受到塑料外壳的保护(参考。3)。

垫子和膜是多孔的。孔壁应由样品液体润湿。样品可以在将其应用于测试条上之前制备,也可以在样品垫中制备。样品是通过将血液或唾液与缓冲液混合而获得的。缓冲液可能含有参考抗体和其他化学物质,例如确保样品使不同成分的孔壁湿润的溶剂。

样品垫接收样品的液滴,并充当流的分配器,也充当过滤器。非常大的蛋白质和血细胞被困在样品垫的多孔结构中。另外,多孔结构确保样品液体沿垫子的宽度均匀分布。一旦样品填充了样品垫,它就会继续沿结合垫的方向流动。流动的驱动力是毛细作用力,这是由液体与孔隙壁的相互作用引起的。

在共轭垫中,过滤样品溶解了试剂,即所谓的共轭标签,这些试剂已在制造过程中已应用于共轭垫。标签通常是附着在例如金纳米颗粒表面上的抗原。抗原可能是触发免疫系统中抗体的蛋白质。这些标签可能附着在样品中的抗体上,形成抗体和结合标签的复合物。复合物溶解在样品液体中。它们可能由附着在患者的抗体附着的标签以及附着在制备过程中样品中混合的参考抗体的标签。一旦样品填充了结合垫中的毛孔,它将继续前往膜,再次由毛细管驱动。

样品继续流过膜。该膜通常由多孔硝酸纤维素制成,但可以使用其他材料。不同的蛋白质和化学物种也可能与多孔膜的孔壁相互作用。一些物种可能会吸附和解吸孔壁。这种相互作用倾向于沿着流道分离不同的物种,这取决于物种分子的大小以及它们与孔隙表面相互作用的亲和力。此动作是“免疫色谱法”一词中提到的。

快速测试带的示意图,放大以显示样品液体到达多孔膜时的样品液体,并标有每个零件。
在这个图中,样品液体刚刚到达膜。放大倍数显示一个侧面长度约为1 µm的矩形。平均孔径约为0.5 µm。作为比较,膜厚为125 µm(参考。3)。液体样品由浅蓝色表示。膜由固体网络(例如骨骼)组成,孔占膜体积的70%。样品液体在骨骼结构,孔壁的壁上湿透,并通过毛细管沿蓝色箭头的方向驱动到空气填充的孔中。请注意,此图中的测试条的厚度被夸大了5倍,以确保清晰度。

一旦样品与测试线接触,其中一个复合物可能附着在该测试线区域中存在的特定表面物种上。这种表面物种可能是固定在测试线表面上的抗体。每个测试线可以连接特定的复合物。请注意,表面物种在测试线区域固定;它既不溶解也不由样品运输。一旦复合物连接到测试线,测试线的面积会改变颜色。然后,颜色表明特定抗体的特定复合物已连接到特定的测试线上。

膜中的最后一个测试线是控制线。控制线应始终检测到参考抗体与结合化学物质的络合物的存在,因为参考抗体始终混合到样品中。如果控制线未检测到该复合物,则意味着样品没有以正确的方式通过测试条。然后应丢弃测试。

当样品填充膜时,它将继续流向吸收垫,该吸收垫充当灯芯。吸收垫吸收了样品,这种抽吸将样品通过测试带驱动样品,直到吸收垫完全填充样品。

模型的预览

在本系列的下一篇博客文章中,提出了两种LFA设备的模型。他们揭示了从事这些测试设计的科学家在实验上观察到的一些功能。在这样的特征中,流程如何取决于液体样品的孔体积的饱和度。请继续关注后续职位!

4个图像显示了测试条的Comsol多物理模型,因为液体样品在2、3、4和5秒内扩散。
在测试条中扩散液体样品。该模拟表明,一旦将样品达到结合垫大约三分之一,样品就会形成平坦的速度曲线。

参考

  1. T. Kilic,R。Weissleder和H. Lee,“ Covid-19的分子和免疫学诊断测试:当前的状态和挑战”,Iscience,卷。23,不。101406,2020(((https://www.cell.com/iscience/pdf/s2589-0042(20)30596-4.pdf)。
  2. B.G.安德里科夫(Andryukov目标微生物学,卷。6,不。3,第280–304、2020页(((https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33134745/)。
  3. “快速横向流程测试,产品开发的考虑”,默克·米利波尔(Merck Millipore),2013年EMD Millipore Corporation,美国马萨诸塞州Billerica。

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