UPT 快速检测系统研发平台说明书
1 UPT 系统简介
伴随生活水平的不断提高, 人们对于生活的需求已逐渐由满足温饱过渡为对高质量生活状态 的追求. 身体健康作为美好生活的基本保障已越来越多得受到人们的重视, 如何尽早尽快发现身 体隐患从而及早预防与治疗已成为关注焦点. 免疫层析技术的发展为满足社区, 家庭常规快速诊 断检测提供了可能.其以微孔滤膜材料作为储存生物活性大分子以及发生免疫反应的固相载体, 这在提高系统长期储存活性, 实现快速检测的基础上, 通过微观层析赋予整个检测系统高度的敏 感性,且使用操作简便,没有技术要求.然而,传统的免疫标记物如:放射性同位素,荧光标记 物,化学发光标记物以及胶体金等,由于其自身所具有的一些局限性,却在不同程度上限制了这 一技术的纵深发展: [1] 放射性同位素:易衰变,使用过程要求特别的防护,废料对环境有害; [2] 荧光标记物:生物材料自发荧光造成本底干扰,且标记物存在荧光猝灭; [3] 化学发光标记物:瞬时发光,检测仪器昂贵; [4] 胶体金:多重分析,定量分析难以实施. 近年来一类新型标记物——上转换发光材料(Up-Converting Phosphor,UCP)的出现为免疫 层析技术的发展提供了新的可能. 其以独特的上转换发光现象, 将微观进行的免疫反应以可被仪 器精确检测的可见光信号表现出来. 而这种可见光与集成化的光学电子元件相结合后, 便可被物 理换能器接收进而转换为电压值或电流值, 并与目标被检物的具体浓度一一对应, 从而实现定量 检测.由此通过 UCP 将免疫反应的特异性敏感性与光学仪器检测的精密性相结合,使得微观免 疫反应的精确仪器检测成为可能. 自然界中存在很多有机或无机物质, 它们可以在电磁辐射激发下发射荧光或磷光, 且在发光 过程中遵守 Stokes 规则,即发射光的波长长于激发光的波长.而在 20 世纪 70 年代,科学家们 却合成了一类可以反 Stokes 规则产生磷光的特殊材料, UCP. 即 UCP 在红外光区 (波长>780nm) 被激发,却可以发射波长远短于激发光的可见光(波长 475nm-670nm) ,即能量上转换.物质构 成决定性质特点.UCP 是由稀土金属元素掺杂于晶体的晶格中构成的.在这种材料中有三种主 要的成分:主基质(Host Matrix) ,吸收子(Absorber)和发射子(Emitter) .作为主基质的晶体 材料有:氧硫化物(如 Y2O2S,GdO2S,La2O2S 等) ,氟化物(如 YF3,GdF3,LaF3 等) ,镓酸 盐(如 YGaO3,Y3Ga5O12 等)以及硅酸盐(如 YSi2O5,YSi3O7 等)等;常用作吸收子的稀土金 属离子有:镱离子(Yb3+) ,铒离子(Er3+) ,钐离子(Sm3+)等;常用作发射子的稀土金属离子 有:铒离子(Er3+) ,钬离子(Ho3+) ,铥离子(Tm3+) ,铽离子(Tb3+)等.吸收子和发射子这一 离子对在主基质晶格内适宜的空间取向和距离, 是产生上转换发光的基础. 上转换发光的产生是 一个涉及多个 (至少两个) 光子的光学过程. 在这个过程中 (如图 1) UCP 内的吸收子 , (如 Yb3+) 至少要吸收两个低能量光子(红外光区,如 970nm) ,而后经过一系列内部能量转换,以非辐射的 形式(A1→A2, 2→A3)将这两个光子的能量连续传递给发射子 A (如 Er3+) 以使其处于激发态 3) , (A . 后者接着发生一个返回基态能级的跃迁,释放一个高能光子(可见光区,如 525nm 或 540nm) , 完成能量上转换.
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图 1:两个光子激发的上转换发光过程
不同的吸收子,发射子,主基质结合可使 UCP 具有不同的光学性质.如:[1]主基质相同的 情况下,一系列 UCP 采用相同的吸收子,不同的发射子,则它可由相同波长的红外光激发,产 生不同波长的发射光(如:980nm 红外光激发 吸收子- Yb3+—发射子- Er3+,吸收子- Yb3+—发射 子- Tm3+,分别发射 550nm 绿色可见光,475nm 蓝色可见光[2
,3]
) ;采用不同的吸收子,相同的
发射子,则虽经由不同的激发光,但却可产生相同的发射光.[2] 主基质不同的情况下,UCP 光 谱特征也将改变(如:吸收子- Yb3+—发射子- Er3+,在主基质 YF3,GdF3 中,分别发射红色和绿 色的可见光) .组成的多样性决定了 UCP 光谱(激发光谱,发射光谱)的多样性,由此也就进一 步缔造了其在生物应用中的显著优势. 而真正使得 UCP 实现生物应用的是上转换发光技术(Up-Converting Phosphor Technology , UPT) ,即对 UCP 颗粒进行一系列的表面修饰与活化后,将其作为生物标记物与多种生物活性分 子相结合, 并最终应用于生物医学检测领域, 在红外光的照射下以其独特的上转换发光指示生物 活性分子之间高敏感特异性的识别.在该技术的基础之上,UCP 作为新型标记物与免疫层析技 术,生物传感技术交相融合,在生物医学检测领域中充分地发挥使其所具有的特性: [1] 高度的敏感性:独有的上转换发光现象确保了 UCP 在检测的过程中绝不存在来自于外 界的背景干扰; [2] 高度的灵活性:UCP 发光标记物的特性以及独特的可自由组合的多样化特征光谱(吸收 光谱和发射光谱) ,使其可同时适用于定量分析与多重分析; [3] 高度的稳定性:UCP 的发光现象是产生于结构内部的纯粹物理过程,且其以能量较低的 红外光作为激发光,因而完全避免了来自检测样品腐蚀以及自身衰变导致的发光淬灭; [4] 高度的安全性:惰性合成材料,红外光激发,可见光发射使得基于 UCP 的检测对于检 测者,被检测品,环境均无任何危害. 在各个领域中满足科研人员以及一线用户对于 为了进一步促进上转换发光技术的广泛应用, 快速定量检测的需求,我们面向免疫层析试纸开发用户建立了 UPT 系统研发平台.本研发平台 包括免疫层析试纸开发过程中所需的各种试剂以及器材, 并提供了完整的开发流程说明. 在本研 发平台的基础之上,科研人员可以根据自身需求开发可对抗原,抗体,多肽,小分子化合物,细

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