分析物的定量的制作方法

1.本发明涉及使用包含高掺杂的上转换纳米粒子的横向流动条(lateral flow strips)确定样品中分析物的量的方法。


背景技术：

2.在整个说明书中对现有技术的任何讨论不应该被认为是承认该现有技术是众所周知的或构成了本领域公知常识的一部分。
3.横向流动条是一种用于检测和定量分析物(例如样品中的生物标志物)的有前途的技术。纸基横向流动条通常价格便宜，但是当前的测试技术不能为低浓度的分析物(例如用于早期癌症诊断的生物标志物)的检测和定量提供足够的灵敏度。已经进行了许多尝试来改进已知的测试技术，但是，这种尝试大部分都没成功。
4.在这种情况下，需要改进基于横向流动条的测试法，该测试法能够检测并定量样品中以低浓度存在的分析物。


技术实现要素：

5.本公开的一个方面，提供了一种用于确定样品中至少一种分析物的量的方法，该方法包括：
6.提供包含捕获部分和缀合物的横向流动条，所述缀合物包含能够结合至少一种分析物的检测部分和用于可视化所述至少一种分析物与所述捕获部分相互作用的高掺杂的上转换纳米粒子；
7.将样品施加到横向流动条上，使得缀合物结合分析物以提供随后被捕获部分捕获的结合的分析物；
8.提供测试装置，其包括配置以引起高掺杂的上转换纳米粒子发出可检测信号的激发光源和用于捕获可检测信号的检测器，所述测试装置能够接收横向流动条；
9.将已经施加了样品的横向流动条插入测试装置中；
10.用光束照射包含高掺杂的上转换纳米粒子的横向流动条的区域，以使高掺杂的上转换纳米粒子发射可检测信号；和
11.检测所述可检测信号并基于所述可检测信号确定样品中至少一种分析物的量。
12.所述高掺杂的上转换纳米粒子的尺寸为约10nm至约200nm。
13.所述高掺杂的上转换纳米粒子的尺寸为约50nm。
14.所述高掺杂的上转换纳米粒子可以为惰性壳钝化过的。
15.所述捕获部分和/或检测部分可以包括以下一种或多种：抗体、适体、表位、核酸或分子印迹聚合物。
16.所述照射的区域可以为约1μm2至约10000000μm2。
17.所述测试装置可以进一步包括插在激发光源和横向流动条之间的透镜或透镜组，以将光束聚焦在横向流动条上。
18.所述测试装置可以进一步包括插入横向流动条和检测器之间的透镜或透镜组，以将信号聚焦在检测器上。
19.所述透镜可以为半球透镜。
20.所述测试装置可以进一步包括短通滤波器、长通滤波器或带通滤波器，以最小化或防止激光散射。
21.所述过滤器可以为吸热玻璃的形式，例如kg
‑
3吸热玻璃。
22.所述检测器可以为照相机，例如智能电话照相机。
23.所述检测器可以为单元件检测器，例如光子二极管。
24.所述可检测信号可以为可见光或红外光。
25.所述激发光源可以为激光二极管或近红外光源，例如近红外光源的led。
26.所述激光二极管可以为980nm 300mw激光二极管、790nm 100mw激光二极管或1550nm 100mw激光二极管。
27.所述光束的功率密度可以为至少约0.001mw/cm2、或至少约0.01mw/cm2、或至少约0.05mw/cm2、或至少约0.1mw/cm2、或至少约0.5mw/cm2、或至少约1.0mw/cm2、或至少约1.5mw/cm2。
28.所述光束的功率密度可以为约0.001mw/cm2至约1.5mw/cm2、或者约0.01mw/cm2至约1.5mw/cm2。
29.所述样品可以为生物样品。
30.所述样品可以为体液，例如尿液、汗液、血液或唾液。
31.所述样品可以为液体样品或气体样品。
32.所述气体样品可以为呼气(breath)。
33.所述分析物可以为生物标记物。
34.所述分析物可以为用于癌症诊断或心功能评估的生物标志物。
35.所述分析物可以为雌激素受体、孕激素受体、psa、epha2、her
‑
2蛋白、egfr、kras、ugt1a1、eml4、al、tgf
‑
β、idh1、afp、cea、bcr
‑
abl、cebpa、flt3、kit、npm1、pml
‑
rarα、cd20、jak2、cd25、braf、nmp22、ca
‑
125、he4、hgf、ck
‑
mb、ldh、ast、mb、ima、bnp或met或它们的任何组合。
36.所述方法可以包括确定多种分析物的量。
37.所述横向流动条可以为纸基横向流动条或微流体装置。
38.所述测试装置可以包括塑料外壳。
39.所述塑料外壳可以通过3d打印制得。
40.所述样品中至少一种分析物的量可以通过将检测器捕获的图像的强度与针对分析物的预设的强度
‑
浓度曲线进行拟合来确定。
附图说明
41.图1：a)2％er/20％yb ucnps、b)8％er/60％yb@nayf
4 ucnps、c)0.5％tm/20％yb ucnps和d)8％tm/60％yb@nayf
4 ucnps的tem照片。比例尺：100nm。
42.图2：cpeg涂覆的和igg修饰的ucnps的紫外吸收光谱：(a)2％er/20％yb、b)8％er/60％yb@nayf4、c)0.5％tm/20％yb和d)8％tm/60％yb@nayf4)。
43.图3：在低和高激发功率下2％er/20％yb(左)和0.5％tm/20％yb(右)的功率相关的光谱。
44.图4：基于单光子计数检测器的条测试系统的光学布局。
45.图5：a)具有光学布局的基于移动电话的读取器的示意图。b)高er
3
掺杂的核
‑
壳ucnps的结构以及相应的tem图像。c)高tm
3
掺杂的核
‑
壳ucnps的结构以及相应的tem图像。d)针对psa和epha2分析物的双色lfs测试。
46.图6：a)单个高掺杂ucnp报道分子(reporters)和低掺杂ucnps的功率相关发射强度曲线。红色箭头指示0.5mw/cm2时的功率密度。b)高er
3
掺杂的ucnp报道分子在高(0.5mw/cm2)和低(0.01mw/cm2)激发功率下的发射光谱。c)高tm
3
掺杂的ucnp报道分子在高(0.5mw/cm2)和低(0.01mw/cm2)激发功率下的发射光谱。d)当使用高er
3
掺杂的ucnp报道分子和低掺杂的ucnps检测不同浓度的目标psa时，条上测试区域的荧光信号强度。星号标出了lod。
47.图7：a)用于容纳光学元件(左)和工作状态的基于电话的lfs装置(右)的3d打印盒的照片。b)电话摄像头cmos(sony imx
‑
214)的光谱响应(彩色线条)和kg
‑
3吸收玻璃的透射曲线(灰色线条)。c)典型psa测试的代表性结果，显示了来自测试区域、背景和对照区域的信号。d)使用高er
3
掺杂的ucnp报道分子和低掺杂的ucnps，检测条上不同浓度目标psa。星号标出了lod。
48.图8：a)用于检测不同浓度的psa和epha2的两色lfs测试的照片。b)用于检测不同浓度的psa的psa测试区域的荧光强度。c)用于检测不同浓度的epha2的epha2测试区域的荧光强度。d)针对于1ng/ml psa、epha2和bsa的双色lfs的特异性评估。星号标出了lod。
具体实施方式
49.本说明书和权利要求书中使用的术语“包括(comprise)”、“包括(comprises)”、“包括(comprised)”或“包含(comprising)”、“包括(including)”或“具有(having)”等以包含性含义使用，即，指明存在所陈述的特征，但不排除额外的特征功能或其他特征的存在。
50.术语“约”应理解为是指 /
‑
10％的范围，优选 /
‑
5％或 /
‑
1％的范围，或更优选 /
‑
0.1％的范围。
51.根据本公开，提供了一种用于确定样品中至少一种分析物的量的方法，所述方法包括：
52.提供一种包含捕获部分和缀合物的横向流动条，所述缀合物包含能够结合至少一种分析物的检测部分和用于可视化所述至少一种分析物与所述捕获部分相互作用的高掺杂的上转换纳米粒子；
53.将样品施加到所述横向流动条上，使得缀合物结合分析物以提供随后被捕获部分捕获的结合的分析物；
54.提供测试装置，其包括配置以引起高掺杂的上转换纳米粒子发出可检测信号的激发光源和用于捕获可检测信号的检测器，所述测试装置能够接收所述横向流动条；
55.将已经施加了样品的横向流动条插入测试装置中；
56.用光束照射包含高掺杂的上转换纳米粒子的横向流动条的区域，以使高掺杂的上转换纳米粒子发射可检测信号；和
57.检测所述可检测信号并基于所述可检测信号确定样品中至少一种分析物的量。
58.该方法基于聚焦光束的使用，该聚焦光束激活存在于横向流动条上的高掺杂上转换纳米粒子以产生非常明亮的发射光。发射光的亮度为极低丰度的分析物的超灵敏检测和定量分析开辟了道路。
59.本文所述的方法能够对存在于一系列样品中的分析物进行快速、定量和低成本的分析，并且特别适合于即时检验应用，尤其是诊断。在一些实施方案中，该方法可以用于检测和定量用于疾病例如癌症的早期诊断的生物标记物。发明人已经表明，使用本发明的方法能够成功地检测和定量以pg/ml量存在的生物标志物。
60.横向流动条已经在包括生物医学、农业、食品和环境科学的领域中使用了很多年，用于检测分析物，并且可以采取许多不同的形式。在一种类型中，测试条分为四个区域，其可以由一种材料或几种不同种类的材料(例如，多达四种不同种类的材料)制成。第一个区域用于样品添加。该区域的功能是去除样品中可能存在的任何粘性或颗粒物质，并调节样品以适应随后的区域中发生的反应。第二个区域为具有彩色缀合物的流动相，所述缀合物是由可见的彩色标记物(例如彩色珠、胶体金、荧光染料等)与检测部分(例如抗体)之间缀合而成的。该检测部分能够结合样品中的特定分析物(例如抗原)并形成分析物
‑
彩色缀合物配合物。第三个区域为具有固定捕获部分的固相。该捕获部分可以结合分析物
‑
彩色缀合物配合物的分析物，以形成捕获的捕获部分
‑
分析物
‑
彩色缀合物的夹心。第四个区域用于溶液吸收，并不断地将样品溶液吸向该区域。
61.适用于本发明方法的横向流动条可以通过本领域技术人员已知的标准方法来制备。横向流动条包括缀合物，所述缀合物包含能够结合至少一种分析物(例如抗原)的检测部分(例如抗体)和高掺杂的上转换纳米粒子。所述横向流动条还包括捕获部分，一旦分析物与缀合物结合，捕获部分就通过与分析物的相互作用将缀合物固定在横向流动条上。然后使用高掺杂上转换纳米粒子的发光来检测分析物的存在。通常，横向流动条是纸基横向流动条。
62.横向流动条可以适于测试一系列不同的分析物类型。例如，横向流动条可用于生物标志物测试、血糖测试、代谢测试(例如促甲状腺激素)、血气和电解质分析、快速凝固测试、快速心脏标记物诊断、滥用药物筛查、尿液测试、妊娠测试、粪便潜血分析、食物病原体筛查、全血细胞计数、血红蛋白诊断、传染病测试(例如，用于检测疟疾感染的多分析物快速诊断测试)、胆固醇筛查和激素测试。
63.在一些实施方案中，分析物可以为生物标记物。生物标志物可以为药物或药物代谢物、抗体或抗体片段、半抗原、蛋白质或肽、氨基酸、受体、类固醇、维生素、抗生素、糖、激素、抗原、核酸(例如rna或dna)、碳水化合物、糖蛋白、脂质、多糖、蛋白聚糖、组织特异性标记物、细胞或细胞类型特异性标记物、代谢产物、病毒或病毒标记物、细菌或细菌标记物、真菌或真菌标记物、毒素、过敏原等。
64.在一些实施方案中，生物标志物为用于癌症诊断或心脏功能评估的生物标志物。
65.在一些实施方案中，生物标志物可以为例如雌激素受体(er)、孕激素受体(pr)、psa、epha2、her
‑
2蛋白、egfr、kras、ugt1a1、eml4、alidh1、afp、cea、bcr
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abl、cebpa、flt3、kit、npm1、pml
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rarα、cd20、jak2、cd25、braf、nmp22、ca
‑
125、he4、hgf、ck
‑
mb、ldh、tgf
‑
βast、mb、ima、bnp或met。
66.可以基于待定量的一种或多种分析物来选择适当的捕获部分和检测部分。在一些
实施方案中，捕获部分和检测部分为抗体、适体、表位、核酸和/或分子印迹聚合物。
67.在一些实施方案中，横向流动条可以适于检测单个样品中的多种分析物。这可以通过包括具有针对不同分析物的检测部分以及相应的多个捕获部分的多个缀合物来实现。每个缀合物包括发出不同颜色的不同的高掺杂上转换纳米粒子。图5显示了适用于在多路检测(multiplexed assay)中同时检测和定量psa和epha2的横向流动条。在单个样品中检测和定量多种分析物可能对早期癌症诊断特别感兴趣，因为在早期癌症诊断中检测指示恶性细胞的多种生物标志物的存在是有用的。
68.典型地，所述样品为生物样品。在一些实施方案中，所述样品为体液，例如尿液、汗液、血液、胆汁、血浆、血清、母乳、唾液、脑脊髓液、淋巴液、痰、滑液、眼泪、腹膜液、胸膜液、粘液或其任何组合。所述样品可以以液体的形式施加到横向流动条上，但是可替代地可以以气体的形式施加。所述气体可以为呼气。
69.所述高掺杂的上转换纳米粒子可以包含主体材料、敏化剂和活化剂。
70.所述高掺杂的上转换纳米粒子中活化剂的浓度可以为至少约2.5mol％、至少约3mol％、至少约4mol％、至少约5mol％、至少约6mol％、至少约7mol％、至少约8mol％、至少约9mol％、至少约10mol％、至少约11mol％、至少约12mol％、至少约13mol％、至少约14mol％、至少约15mol％、至少约16mol％、至少约17mol％、至少约18mol％、至少约19mol％、至少约20mol％、至少约25mol％、至少约30mol％、至少约35mol％、至少约40mol％或至少约50％。
71.所述高掺杂的上转换纳米粒子中活化剂的浓度可以为约2.5mol％至约75mol％、或约2.5mol％至约70mol％、或约2.5mol％至约65mol％、或约2.5％mol％至约60mol％、或约2.5mol％至约55mol％、或约2.5mol％至约50mol％、或约2.5mol％至约45mol％、或约2.5mol％至约40mol％、或约2.5mol％至约35mol％、或约2.5mol％至约30mol％、或约2.5mol％至约25mol％、或约2.5mol％至约20mol％、或约2.5mol％至约15mol％、或约2.5mol％至约10mol％、或约3mol％至约75mol％、或约3mol％至约70mol％、或约3mol％至约65mol％、或约3mol％至约60mol％、或约3mol％至约55mol％、或约3mol％至约50mol％、或约3mol％至约45mol％、或约3mol％至约40mol％、或约3mol％至约35mol％、或约3mol％至约30mol％、或约3mol％至约25mol％、或约3mol％至约20mol％、或约3mol％至约15mol％、或约3mol％至约10mol％、或约4mol％至约75mol％、或约4mol％至约70mol％、或约4mol％至约65mol％、或约4mol％至约60mol％、或约4mol％至约55mol％、或约4mol％至约50mol％、或约4mol％至约45mol％、或约4mol％至约40mol％、或约4mol％至约35mol％、或约4mol％至约30mol％、或约4mol％至约25mol％、或约4mol％至约20mol％、或约4mol％至约15mol％、或约4mol％至约10mol％、或约6mol％至约75mol％、或约6mol％至约70mol％、或约6mol％至约65mol％、或约6mol％至约60mol％、或约6mol％至约55mol％、或约6mol％至约50mol％、或约6mol％至约45mol％、或约6mol％至约40mol％、或约6mol％至约35mol％、或约6mol％至约30mol％、或约6mol％至约25mol％、或约6mol％至约20mol％、或约6mol％至约15mol％、或约6mol％至约10mol％、或约8mol％至约75mol％、或约8mol％至约70mol％、或约8mol％至约65mol％、或约8mol％至约60mol％、或约8mol％至约55mol％、或约8mol％至约50mol％、或约8mol％至约45mol％、或约8mol％至约40mol％、或约8mol％至约35mol％、或约8mol％至约30mol％、或约8mol％至约25mol％、或约8mol％至
约20mol％、或约8mol％至约15mol％、或约8mol％至约10mol％、或约8mol％。
72.所述高掺杂的上转换纳米粒子中敏化剂的浓度可以为至少约25mol％、至少约26mol％、至少约27mol％、至少约28mol％、至少约29mol％、至少约30mol％、至少约31mol％、至少约32mol％、至少约33mol％、至少约34mol％、至少约35mol％、至少约36mol％、至少约37mol％、至少约38mol％、至少约39mol％、至少约40mol％、至少约41mol％、至少约42mol％、至少约43mol％、至少约44mol％、至少约45mol％、至少约46mol％、至少约47mol％、至少约48mol％、至少约49mol％、至少约50mol％、至少约51mol％、至少约52mol％、至少约53mol％、至少约54mol％、至少约55mol％、至少约56mol％、至少约57mol％、至少约58mol％、至少约59mol％、至少约60mol％、至少约61mol％、至少约62mol％、至少约63mol％、至少约64mol％、至少约65mol％、至少约66mol％、至少约67mol％、至少约68mol％、至少约69mol％、至少约70mol％、至少约71mol％、至少约72mol％、至少约73mol％、至少约74mol％、至少约75mol％、至少约80mol％或至少约85mol％。
73.所述高掺杂的上转换纳米粒子中敏化剂的浓度可以为约25mol％至约90mol％、或约25mol％至约85mol％、或约25mol％至约80mol％、或约25mol％至约75mol％、或约25mol％至约65mol％、或约30mol％至约90mol％、或约30mol％至约85mol％、或约30mol％至约80mol％、或约30mol％至约75mol％、或约30mol％至约65mol％、或约35mol％至约90mol％、或约35mol％至约85mol％、或约35mol％至约80mol％、或约35mol％至约75mol％、或约35mol％至约65mol％、或约40mol％至约90mol％、或约40mol％至约85mol％、或约40mol％至约80mol％、或约40mol％至约75mol％、或约40mol％至约65mol％、或约45mol％至约90mol％、或约45mol％至约85mol％、或约45mol％至约80mol％、或约45mol％至约75mol％、或约45mol％至约65mol％、或约50mol％至约90mol％、或约50mol％至约85mol％、或约50mol％至约80mol％、或约50mol％至约75mol％、或约50mol％至约65mol％、或约55mol％至约90mol％、或约55mol％至约85mol％、或约55mol％至约80mol％、或约55mol％至约75mol％、或约55mol％至约65mol％、或约60mol％至约95mol％、或约60mol％至约90mol％、或约60mol％至约85mol％、或约60mol％至约80mol％、或约60mol％至约70mol％、或约60mol％。
74.所述高掺杂上转换纳米粒子中的活化剂和敏化剂可以上述浓度的任何和所有组合存在。
75.所述活化剂可以为yb
3
、er
3
、tm
3
、sm
3
、dy
3
、ho
3
、eu
3
、tb
3
或pr
3
及其组合。在一个实施方案中，所述活化剂为er
3
或tm
3
。
76.所述敏化剂可以为yb
3
、nd
3
、gd
3
或ce
3
及其组合。在一个实施方案中，所述敏化剂为yb
3
。
77.所述主体材料可以为碱金属氟化物、氧化物或氧硫化物。合适的主体材料包括但不限于碱金属氟化物，例如nagdf4、ca2f、nayf4、liyf4、naluf4和liluf4、kmnf3、以及氧化物，例如y2o3。也可以采用这些材料的混合物。在一个实施方案中，所述主体材料为nayf4。当粒子为结晶的时，nayf4可以为六方相或任何其他晶相。
78.在其他实施方案中，通过壳保护敏化剂、活化剂和主体材料免受表面淬灭剂的影响，使得高掺杂的上转换纳米粒子为核
‑
壳颗粒，其中核包含活化剂、敏化剂和主体材料，以
及壳包括防止、延迟或抑制表面淬火的材料或由其组成。所述壳可以部分或完全地封装所述核。优选地，所述壳包含与主体材料相同的材料或由其组成，但是没有稀土金属掺杂剂。在晶体的情况下，这避免了相位匹配的需要。
79.在替代实施方案中，高掺杂的上转换纳米粒子可以省略敏化剂，因此包含主体材料和活化剂。
80.所述高掺杂上转换纳米粒子的尺寸可以为约10nm至约200nm、或约10nm至约175nm、或约10nm至约165nm、或约10nm至约155nm、或约10nm至约145nm、或约10nm至约135nm、或约10nm至约125nm、或约10nm至约115nm、或约10nm至约105nm、或约10nm至约100nm、或约10nm至约95nm、或约10nm至约85nm、或约10nm至约75nm、或约10nm至约65nm、或约20nm至约160nm、或约20nm至约150nm、或约20nm至约140nm、或约20nm至约130nm、或约20nm至约120nm、或约20nm至约110nm、或约20nm至约100nm、或约20nm至约90nm、或约20nm至约80nm、或约20nm至约70nm、或约30nm至约160nm、或约30nm至约150nm、或约30nm至约140nm、或约30nm至约130nm、或约30nm至约120nm、或约30nm至约110nm、或约30nm至约100nm、或约20nm至约75nm、或约25nm至约70nm、或约30nm至约60nm、或约40nm至约60nm、或约50nm。
81.在一些实施方案中，所述高掺杂的上转换纳米粒子为8％er/60％yb@nayf4、8％tm/60％yb@nayf4、40％er/60yb@nayf4或100％er@nayf4。
82.该方法还包括提供用于横向流动条的测试装置。该测试装置包括激发光源，该激发光源产生光束以激发高掺杂的上转换纳米粒子发出可检测信号，并且可以包括用于聚焦光束和可检测信号的收集光学器件。所述激发光源可以为能够引起高掺杂的上转换纳米粒子发出可检测信号的任何光源。在一些实施方案中，所述激发光源为激光二极管或近红外光源，例如近红外光源led。所述可检测信号可以为可见光或红外光。
83.所述测试装置可以适于与检测器(例如照相机或单元件检测器)一起使用。在一些实施方案中，所述检测器为智能电话相机。
84.所述光束的功率密度可以为至少约0.001mw/cm2、或至少约0.01mw/cm2、或至少约0.05mw/cm2、或至少约0.1mw/cm2、或至少约0.5mw/cm2、或至少约1.0mw/cm2、或至少约1.5mw/cm2。在一些实施方案中，所述光束的功率密度为约0.001mw/cm2至约1.5mw/cm2、或约0.01mw/cm2至约1.5mw/cm2。
85.在一些实施方案中，被照射的区域可以为约1μm2至约10000000μm2、或约1μm2至约1000000μm2、或约1μm2至约100000μm2、或约1μm2至约10000μm2、或约1μm2至约10000μm2、或约1μm2至约1000μm2、或约1μm2至约100μm2。照射横向流动条的一小部分区域可以使光散射和/或自发荧光最小化，从而在分析少量样品时最优化灵敏度。
86.图5示出了根据本发明的一个实施方案的测试装置。在该实施方案中，提供了3d打印的塑料外壳，其包围(enclose)低成本的980nm激光二极管和收集光学器件。所述收集光学器件包括一对半球透镜，一个半透镜插在激光二极管和横向流动条之间，另一个插在横向流动条和检测器之间。还包括kg
‑
3吸热玻璃，它用作短通滤光器以消除激光散射。所述壳体还可包括孔(未示出)，横向流动条通过该孔插入。方便地，这种测试装置的生产成本不到100澳元。由于来自高掺杂上转换纳米粒子的发光具有足以被照相机检测到的亮度，使用智能手机作为检测器。如此，不需要昂贵的单光子计数检测器，由于简化了该方法的执行，这
大大降低了成本。
87.可以通过将由检测器捕获的图像的强度与针对分析物的预设的强度
‑
浓度曲线进行拟合来确定样品中至少一种分析物的量。可以将一系列记录了测试区域、背景区域和对照区域上可检测信号强度的图像的视频从智能手机传输到计算机，以使用matlab软件进行进一步分析。通过将来自相应色彩通道的每个像素的强度相加，计算得出每个图像的强度，然后再由该组中的至少三帧进行平均。可以将该数据分析过程编程到应用程序中，以便智能手机可以基于每个图像的强度直接报告分析物浓度。
88.实施例
89.在以下实施例中，将高掺杂er
3
离子(发射微黄色上转换发射光)和tm
3
离子(发射紫色上转换发射光)的上转换纳米粒子(ucnps)用作横向流动条(lps)中的多色报道分子。打印了一个塑料支架，该支架排列了低成本的激发激光二极管和收集光学器件。可以理解的是，激发光束可以紧密聚焦以专门照射纸质基材上的一个小区域，从而释放出高掺杂的ucnps的亮度，从而使它们能够使用少量样品实现高灵敏度检测。如下所示，与传统的ucnps相比，高掺杂的ucnps具有明显更高的亮度，从而可以在定量、多路测试中灵敏地检测而不会产生串扰。
90.1.ucnps的合成
91.按照jin等人在nature communications 2018,93290中的记载，合成具有不同掺杂水平的nayf4:yb
3
、er
3
/tm
3
纳米晶体(2％er/20％yb、8％er/60％yb、0.5％tm/20％yb和8％tm/60％yb)的合成。在典型实验中，将具有所需摩尔比的1mmol recl3·
6h2o(re＝y、yb、tm)添加到装有6ml oa和15ml ode的烧瓶中。将该混合物在氩气流下加热至160℃并持续30分钟以获得澄清溶液，然后冷却至约50℃。然后加入5ml的nh4f(4mmol)和naoh(2.5mmol)的甲醇溶液，并将溶液搅拌30分钟。将混合物在氩气流下加热到150℃并持续20分钟以排出甲醇，然后进一步加热到310℃再持续90分钟。最后，将反应溶液冷却至室温。使用乙醇沉淀产物，以9000rpm离心5分钟，并用环己烷、乙醇和甲醇洗涤3次以获得纳米粒子。
92.采用逐层外延生长来生产具有核
‑
壳结构的纳米粒子。制备壳前体的步骤与用于核纳米粒子的步骤相似，直到将反应溶液缓慢加热至150℃并保持20分钟为止。将溶液冷却至室温，而不是进一步加热至300℃以触发纳米晶体的生长。在这些条件下，产生了壳前体。为了外延生长，将0.15mmol的制备好的核心纳米晶体添加到6ml oa和6ml ode中。将混合物在氩气下加热至170℃保持30分钟，然后进一步加热至300℃。接下来，将0.25ml的制备好的壳前体注入反应混合物中，并在300℃下熟化4分钟。多次执行相同的注入和熟化循环，以获得具有所需尺寸的纳米晶体。最后，将浆液冷却至室温，并使用与获得核心纳米晶体相同的步骤纯化形成的纳米晶体。
93.2.ucnps与抗体的生物缀合
94.使用配体交换将oa封端的ucnps转化为cpeg
‑
(羧基改性的聚乙二醇)涂覆的产品。使用乙醇将1.5ml的20mg/ml ucnps在环己烷中沉淀，离心后，通过涡旋和超声处理将ucnps重新分散在3ml thf中。然后加入1.5ml 200mg cpeg的thf溶液，并将混合溶液在室温搅拌24h。然后加入3ml的miliq水，并在摇动下混合。然后使用1ml己烷萃取溶液以除去oa分子。除去油相后，将溶液真空放置过夜以蒸发有机溶剂。然后将溶液在1l的miliq水中透析24小时以去除多余的peg。
95.转化后，将cpeg
‑
ucnps移入mes缓冲液(ph 4.5)，使用离心至最终浓度为1mg/ml。将10μl cpeg
‑
ucnps、100μg edc和100μg nhs在90μl mes缓冲液(ph 4.5)中混合。温和摇动2小时后，将样品用mes缓冲液洗涤两次(以14000rpm离心20分钟)。在最后的离心步骤之后，将沉淀物悬浮在50μlmes缓冲液中。然后将溶液与50μl igg抗体(0.1mg/ml兔子中产生的抗psa单克隆抗体或者兔子中产生的抗epha2单克隆抗体；sigma)混合，并在37℃振荡器中孵育过夜。用mes缓冲液(以14000rpm离心20分钟)洗涤两次后，将样品悬浮在100μlmes缓冲液中并超声处理5s。
96.3.tem表征
97.通过透射电子显微镜表征了2％er/20％yb、8％er/60％yb@nayf4、0.5％tm/20％yb和8％tm/60％yb@nayf
4 ucnps。如图1所示，ucnps非常均匀。
98.4.紫外吸收光谱和动态光散射
99.nanodrop2000用于确定cpeg涂覆的ucnps和igg缀合的ucnps的紫外吸收光谱，以确认抗体已缀合到ucnps的表面(图2)。
100.动态光散射(dls)用于确定mes缓冲液(ph 6.8)中每个样品的尺寸分布。该结果还证实了ucnps表面上存在igg(表1)。
101.表1
[0102] cpeg
‑
ucnpigg
‑
cpeg
‑
ucnp2％er/20％yb50.6nm64.4nm8％er/60％yb58.1nm75.1nm0.5％tm/20％yb52.4nm66.8nm8％tm/60％yb60.4nm76.2nm
[0103]
5.功率相关光谱
[0104]
在低和高激发功率下，测定2％er/20％yb和0.5％tm/20％yb的功率相关光谱。结果如图3所示。
[0105]
6.纸基条的制备
[0106]
所述条的结构包括粘性pvc背垫、硝化纤维素膜(ff120hp膜，ge life science)、样品垫(cf4，ge life science)和吸收垫(cf5，ge life science)。将样品垫、硝酸纤维素膜和吸收垫以2mm的重叠安装到pvc背垫上。将组装好的垫切成宽度为3mm的条。测试区域和对照区域分别用0.5μl 0.2mg/ml小鼠(sigma)中产生的抗psa/epha2多克隆抗体和0.5μl 2mg/ml抗兔igg抗体(sigma)涂覆，并在4℃下孵育过夜。
[0107]
7.横向流动条靶向检测测试
[0108]
将ucnp报道分子转移至工作缓冲液(ph 6.8mes缓冲液，0.5％w/v吐温20、1％w/v bsa)。混合后，将带有ucnp报道分子的样品溶液施加到条的样品垫上。10分钟后，将洗涤缓冲液(ph 6.8mes缓冲液，0.5％w/v吐温20)添加至样品垫。20分钟后，通过读取器检测条。
[0109]
8.基于单光子雪崩检测器的条测试系统
[0110]
为了读取条上的ucnp报道分子的发光信号，构建了专用的扫描共聚焦系统(图4)。使用976nm激光激发ucnps，并带有一个包括半波片和偏振器的家用功率控制单元。通过物镜(60x，na 0.85edmund)收集ucnps的发光，然后通过管透镜聚焦到光纤上，该光纤与单光子雪崩检测器(spad)连接。通过平台的x
‑
y移动来读取一个测试区域的10个不同点。
[0111]
9.lod的计算
[0112]
使用3σ方法计算条测试系统的lod。噪音n＝背景 3sd(背景)，并且使用目标浓度设置线性拟合s/n。lod为s/n＝1时的浓度。
[0113]
实施例1
[0114]
为了获得更小、更亮的ucnps，合成了两种高掺杂er
3
和tm
3
的惰性壳钝化的ucnps(即8％er/60％yb@nayf4和8％tm/60％yb@nayf4)，并相对于其他相同尺寸的ucnps(即2％er/20％yb和0.5％tm/20％yb)，对其性能进行了评估。采用配体交换使用羧基修饰ucnps的表面，然后使用edc/nhs技术缀合抗体。每个ucnp样品的均一性通过tem表征得到确认(图1、5b和5c)。通过在280nm处具有特征峰外观的uv吸收光谱和动态光散射(其显示尺寸略有增加)证实了抗体的成功缀合(表1)。
[0115]
使用单个纳米粒子表征系统测试了所制备的ucnp报道分子的功率相关特性(wang等人，(2018)light sci&amp appl 2018：7，18007)。随着激发功率密度的增加，高掺杂的ucnps的亮度比低掺杂的ucnps的亮度增加更多(图6a)。当功率超过0.5mw/cm2时，高er
3
和tm
3
掺杂的ucnps的发光亮度增强比分别为低掺杂ucnps的发光亮度的增强比的5倍和12倍。如图6b所示，在较高的激发功率下，高er
3
掺杂的ucnp报道分子的发射光谱在650nm附近处发射明显更多的红色，从而导致亮黄色发光。这种涂料混合效果也发生在高tm
3
掺杂的ucnp报道分子中，并且在手机摄像头中呈紫色(较低掺杂的ucnp报道分子的功率相关光谱曲线如图3所示)。
[0116]
实施例2
[0117]
通过检测横向流动条上不同浓度的目标psa，将高er
3
掺杂的ucnp报道分子与低掺杂的ucnp报道分子进行了比较。在0.5mw/cm2的激发功率密度下，来自测试区域和背景区域的信号由单个光子计数检测器记录。如图6d所示，来自高掺杂ucnp报道分子的信号比来自低掺杂uncps的信号高得多，并且亮度增强比与单个纳米粒子的表征结果一致。尽管亮度有所不同，但两个报道分子均显示出相同的psa检测限(lod)，为50pg/ml。只有高掺杂的ucnp报道分子才能提供足够的亮度以使用普通电话摄像头。
[0118]
实施例3
[0119]
如图5a和图7a所示，构造了一个由3d打印的小型外壳包围的紧凑型装置。该装置使用一个980nm 300mw激光二极管作为光源，两个半球透镜——一个将激发光束聚焦到条上，另一个用于将发射信号收集到手机摄像头——以及低成本的kg
‑
3吸热玻璃作为短通滤光器，以消除激光散射。手机摄像头cmos(sony imx
‑
214)的光谱响应和kg
‑
3玻璃的透射曲线表明，手机摄像头可以读取来自高掺杂ucnp报道分子的大部分可见的发射信号，以及检测到的量可忽略不计的激发散射光(图7b)。
[0120]
出于演示目的，光学器件和相机布置是固定的，但条以恒定速度从一侧移到另一侧，以便可以从视频分析中提取测试区域、对照区域和背景区域的平均荧光强度值(图7c)。参见图7d，当目标浓度低时，高掺杂的ucnp报道分子提供了可检测信号，而低掺杂的ucnp则没有。使用高er
3
掺杂的ucnp报道分子测得的psa的lod为61pg/ml，而使用较低掺杂ucnps报道分子测得的lod为8.5ng/ml。
[0121]
实施例4
[0122]
然后将高er
3
和tm
3
掺杂的ucnp报道分子用于单个条中，以同时测试psa和epha2
目标分析物。为此，用抗psa抗体修饰高er
3
掺杂的ucnp，并用抗epha2抗体修饰高tm
3
掺杂的ucnps。图8a示出了测试两个目标物的结果。淡黄色和紫色分别表示psa和epha2的存在，并且亮度随着目标物浓度的增加而增加。两彩色lfs系统实现了针对于psa的lod为89pg/ml(图8b)，表明该系统保持了单色系统所获得的高灵敏度。针对于epha2的lod为400pg/ml(图8c)。由于高tm
3
掺杂的ucnp报道分子的发射能量约为800nm(图6c)，超出了检测光学器件和电话摄像头的范围(图7b)，因此信号强度较低。通过使用bsa作为干扰分析物分别测试两个目标psa和epha2，进一步评估了双色lfs系统的特异性。与对照组相比，所有阳性组都显示更高的强度。结果表明交叉相互作用可忽略不计。
[0123]
尽管已经参照具体实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，本发明可以以许多其他形式实施。

技术特征：
1.一种用于确定样品中至少一种分析物的量的方法，所述方法包括：提供包含捕获部分和缀合物的横向流动条，所述缀合物包含能够结合至少一种分析物的检测部分和用于可视化所述至少一种分析物与所述捕获部分相互作用的高掺杂的上转换纳米粒子；将样品施加到所述横向流动条上，使得缀合物结合分析物以提供随后被捕获部分捕获的结合的分析物；提供测试装置，其包括配置以引起高掺杂的上转换纳米粒子发出可检测信号的激发光源和用于捕获可检测信号的检测器，所述测试装置能够接收所述横向流动条；将已经施加了样品的横向流动条插入所述测试装置中；用光束照射包含高掺杂的上转换纳米粒子的横向流动条的区域，以使所述高掺杂的上转换纳米粒子发射可检测信号；和检测所述可检测信号并基于所述可检测信号确定样品中至少一种分析物的量。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述高掺杂的上转换纳米粒子的尺寸为约10nm至约200nm。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述高掺杂的上转换纳米粒子的尺寸为约50nm。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述高掺杂的上转换纳米粒子包含主体材料、敏化剂和活化剂。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述高掺杂的上转换纳米粒子中活化剂的浓度为至少约2.5mol％、至少约3mol％、至少约4mol％、至少约5mol％、至少约6mol％、至少约7mol％、至少约8mol％、至少约9mol％、至少约10mol％、至少约11mol％、至少约12mol％、至少约13mol％、至少约14mol％、至少约15mol％、至少约16mol％、至少约17mol％、至少约18mol％、至少约19mol％、至少约20mol％、至少约25mol％、至少约30mol％、至少约35mol％、至少约40mol％、或至少约50％。6.根据权利要求4所述的方法，其中所述高掺杂的上转换纳米粒子中活化剂浓度为约2.5mol％至约75mol％、或约2.5mol％至约70mol％、或约2.5mol％至约65mol％、或约2.5％mol％至约60mol％、或约2.5mol％至约55mol％、或约2.5mol％至约50mol％、或约2.5mol％至约45mol％、或约2.5mol％至约40mol％、或约2.5mol％至约35mol％、或约2.5mol％至约30mol％、或约2.5mol％至约25mol％、或约2.5mol％至约20mol％、或约2.5mol％至约15mol％、或约2.5mol％至约10mol％、或约3mol％至约75mol％、或约3mol％至约70mol％、或约3mol％至约65mol％、或约3mol％至约60mol％、或约3mol％至约55mol％、或约3mol％至约50mol％、或约3mol％至约45mol％、或约3mol％至约40mol％、或约3mol％至约35mol％、或约3mol％至约30mol％、或约3mol％至约25mol％、或约3mol％至约20mol％、或约3mol％至约15mol％、或约3mol％至约10mol％、或约4mol％至约75mol％、或约4mol％至约70mol％、或约4mol％至约65mol％、或约4mol％至约60mol％、或约4mol％至约55mol％、或约4mol％至约50mol％、或约4mol％至约45mol％、或约4mol％至约40mol％、或约4mol％至约35mol％、或约4mol％至约30mol％、或约4mol％至约25mol％、或约4mol％至约20mol％、或约4mol％至约15mol％、或约4mol％至约10mol％、或约6mol％至约75mol％、或约6mol％至约70mol％、或约6mol％至约65mol％、或约6mol％至约60mol％、或约6mol％至约55mol％、或约6mol％至约50mol％、或约6mol％至约45mol％、或约6mol％至约40mol％、
或约6mol％至约35mol％、或约6mol％至约30mol％、或约6mol％至约25mol％、或约6mol％至约20mol％、或约6mol％至约15mol％、或约6mol％至约10mol％、或约8mol％至约75mol％、或约8mol％至约70mol％、或约8mol％至约65mol％、或约8mol％至约60mol％、或约8mol％至约55mol％、或约8mol％至约50mol％、或约8mol％至约45mol％、或约8mol％至约40mol％、或约8mol％至约35mol％、或约8mol％至约30mol％、或约8mol％至约25mol％、或约8mol％至约20mol％、或约8mol％至约15mol％、或约8mol％至约10mol％、或约8mol％。7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中所述高掺杂的上转换纳米粒子中敏化剂浓度为至少约25mol％、至少约26mol％、至少约27mol％、至少约28mol％、至少约29mol％、至少约30mol％、至少约31mol％、至少约32mol％、至少约33mol％、至少约34mol％、至少约35mol％、至少约36mol％、至少约37mol％、至少约38mol％、至少约39mol％、至少约40mol％、至少约41mol％、至少约42mol％、至少约43mol％、至少约44mol％、至少约45mol％、至少约46mol％、至少约47mol％、至少约48mol％、至少约49mol％、至少约50mol％、至少约51mol％、至少约52mol％、至少约53mol％、至少约54mol％、至少约55mol％、至少约56mol％、至少约57mol％、至少约58mol％、至少约59mol％、至少约60mol％、至少约61mol％、至少约62mol％、至少约63mol％、至少约64mol％、至少约65mol％、至少约66mol％、至少约67mol％、至少约68mol％、至少约69mol％、至少约70mol％、至少约71mol％、至少约72mol％、至少约73mol％、至少约74mol％、至少约75mol％、至少约80mol％或至少约85mol％。8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其中所述高掺杂的上转换纳米粒子中敏化剂浓度可以为约25mol％至约90mol％、或约25mol％至约85mol％、或约25mol％至约80mol％、或约25mol％至约75mol％、或约25mol％至约65mol％、或约30mol％至约90mol％、或约30mol％至约85mol％、或约30mol％至约80mol％、或约30mol％至约75mol％、或约30mol％至约65mol％、或约35mol％至约90mol％、或约35mol％至约85mol％、或约35mol％至约80mol％、或约35mol％至约75mol％、或约35mol％至约65mol％、或约40mol％至约90mol％、或约40mol％至约85mol％、或约40mol％至约80mol％、或约40mol％至约75mol％、或约40mol％至约65mol％、或约45mol％至约90mol％、或约45mol％至约85mol％、或约45mol％至约80mol％、或约45mol％至约75mol％、或约45mol％至约65mol％、或约50mol％至约90mol％、或约50mol％至约85mol％、或约50mol％至约80mol％、或约50mol％至约75mol％、或约50mol％至约65mol％、或约55mol％至约90mol％、或约55mol％至约85mol％、或约55mol％至约80mol％、或约55mol％至约75mol％、或约55mol％至约65mol％、或约60mol％至约95mol％、或约60mol％至约90mol％、或约60mol％至约85mol％、或约60mol％至约80mol％、或约60mol％至约70mol％、或约60mol％。9.根据权利要求4至8中任一项所述的方法，其中所述活化剂选自yb
3
、er
3
、tm
3
、sm
3
、dy
3
、ho
3
、eu
3
、tb
3
和pr
3
及其组合。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述活化剂为er
3
或tm
3
。11.根据权利要求4至10中任一项所述的方法，其中所述敏化剂选自yb
3
、nd
3
、gd
3
和ce
3
及其组合。12.根据权利要求11所述的方法，其中所述敏化剂为yb
3
。13.根据权利要求4至12中任一项所述的方法，其中所述主体材料为碱金属氟化物、氧
化物或氧硫化物。14.根据权利要求13所述的方法，其中所述主体材料选自nagdf4、ca2f、nayf4、liyf4、naluf4、liluf4、kmnf3和y2o3及其组合。15.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述高掺杂的上转换纳米粒子包含主体材料和活化剂。16.根据权利要求15所述的方法，其中所述活化剂选自yb
3
、er
3
、tm
3
、sm
3
、dy
3
、ho
3
、eu
3
、tb
3
和pr
3
及其组合。17.根据权利要求16所述的方法，其中所述活化剂为er
3
或tm
3
。18.根据权利要求17所述的方法，其中所述主体材料选自nagdf4、ca2f、nayf4、liyf4、naluf4、liluf4、kmnf3和y2o3及其组合。19.根据权利要求4至18中任一项所述的方法，其中所述高掺杂的上转换纳米粒子为惰性壳钝化过的。20.根据权利要求4至19中任一项所述的方法，所述高掺杂的上转换纳米粒子为8％er/60％yb@nayf4、8％tm/60％yb@nayf4、40％er/60yb@nayf4或100％er@nayf4。21.根据权利要求1至20中任一项所述的方法，其中所述捕获部分和/或所述检测部分包括以下中的一种或多种：抗体、适体、表位、核酸或分子印迹聚合物。22.根据权利要求1至21中任一项所述的方法，其中所述测试装置还包括插在激发光源和横向流动条之间的透镜或透镜组，以将光束聚焦在横向流动条上。23.根据权利要求1至22中任一项所述的方法，其中所述测试装置还包括插在所述横向流动条和所述检测器之间的透镜或透镜组，以将所述信号聚焦在所述检测器上。24.根据权利要求22或23所述的方法，其中所述透镜为半球透镜。25.根据权利要求1至24中任一项所述的方法，其中所述测试装置还包括短通滤波器、长通滤波器或带通滤波器，以最小化或防止激光散射。26.根据权利要求25所述的方法，其中所述过滤器为吸热玻璃的形式。27.根据权利要求1至26中任一项所述的方法，其中所述检测器为照相机或单元件检测器。28.根据权利要求27所述的方法，其中所述检测器为智能电话相机。29.根据权利要求1至28中任一项所述的方法，其中所述可检测信号为可见光或红外光。30.根据权利要求29所述的方法，其中所述可检测信号为可见光。31.根据权利要求1至30中任一项所述的方法，其中所述激发光源为激光二极管或近红外光源。32.根据权利要求31所述的方法，其中所述激发光源为激光二极管。33.根据权利要求32所述的方法，其中所述激光二极管为980nm 300mw激光二极管、790nm 100mw激光二极管或1550nm 100mw激光二极管。34.根据权利要求1至33中任一项所述的方法，其中所述光束的功率密度为至少约0.001mw/cm2、或至少约0.01mw/cm2、或至少约0.05mw/cm2、或至少约0.1mw/cm2、或至少约0.5mw/cm2、或至少约1.0mw/cm2、或至少约1.5mw/cm2。35.根据权利要求1至34中任一项所述的方法，其中所述光束的功率密度为约0.001mw/
cm2至约1.5mw/cm2、或者约0.01mw/cm2至约1.5mw/cm2。36.根据权利要求1至35中任一项所述的方法，其中被照射的区域为约1μm2至约10000000μm2、或约1μm2至约1000000μm2、或约1μm2至约100000μm2、或约1μm2至约10000μm2、或约1μm2至约10000μm2、或约1μm2至约1000μm2、或约1μm2至约100μm2。37.根据权利要求1至36中任一项所述的方法，其中所述样品为生物样品。38.根据权利要求1至37中任一项所述的方法，其中所述样品为体液。39.根据权利要求1至38中任一项所述的方法，其中所述分析物为生物标记物。40.根据权利要求39所述的方法，其中所述分析物为用于癌症诊断或心功能评估的生物标志物。41.根据权利要求40所述的方法，其中所述分析物为用于癌症诊断的生物标记物。42.根据权利要求1至39中任一项所述的方法，其中所述分析物为以下中的一种或多种：雌激素受体、孕激素受体、psa、epha2、her
‑
2蛋白、egfr、kras、ugt1a1、eml4、al、tgf
‑
β、idh1、afp、cea、bcr
‑
abl、cebpa、flt3、kit、npm1、pml
‑
rarα、cd20、jak2、cd25、braf、nmp22、ca
‑
125、he4、hgf、ck
‑
mb、ldh、ast、mb、ima、bnp或met。43.根据权利要求1至42中任一项所述的方法，其中所述方法包括确定多种分析物的量。44.根据权利要求1至43中任一项所述的方法，其中所述横向流动条为纸基横向流动条。45.根据权利要求1至44中任一项所述的方法，其中所述测试装置包括塑料外壳。46.根据权利要求45所述的方法，其中所述塑料外壳通过3d打印制得。47.根据权利要求1至47中任一项所述的方法，其中所述样品中至少一种分析物的量可以通过将检测器捕获的图像的强度与针对分析物的预设的强度
‑
浓度曲线进行拟合来确定。
技术总结
本发明涉及使用包含高掺杂的上转换纳米粒子的横向流动条确定样品中分析物的量的方法。法。


技术研发人员：金大勇 何浩
受保护的技术使用者：悉尼科技大学
技术研发日：2019.09.25
技术公布日：2021/6/29