宏虹分享|微流控免疫檢測技術解析:結合 Elveflow 微流體控制平台,實現自動化、高整合與高靈敏電化學感測應用

一、引言

免疫檢測作為現代診斷的重要基礎,廣泛應用於臨床檢測、環境監測與食品安全領域。傳統方法雖具備良好的可靠性,但往往仰賴繁複的人工操作與大量試劑消耗,難以滿足快速、連續與現場檢測的需求。

Alexander Ecke、Jérémy Bell 與 Rudolf J. Schneider 團隊於《Sensors and Diagnostics》發表研究,展示一種創新的三維微流控流動單元,顯著提升 HRP/TMB 免疫分析中電化學底物的檢測效能。此研究不僅推進免疫檢測技術在靈敏度與系統整合上的發展,也為診斷工具朝向微型化與自動化提供可行路徑。

二、技術瓶頸

傳統免疫檢測的限制

免疫檢測憑藉高特異性與高靈敏度,已成為生物標記檢測的重要標準方法。此技術透過抗體與目標分析物之間的專一性結合,並利用酵素標記產生可量測訊號。

然而,傳統免疫檢測通常需經過多步驟人工操作,包括樣品製備、孵育、清洗與訊號讀取,流程不但耗時,也容易有人為誤差。近年隨著市場對快速、可攜與低成本檢測需求增加,適用於移動式、自主化與持續監測的免疫感測器逐漸成為研究焦點。這項轉變最大的挑戰,在於如何將複雜的免疫檢測流程穩定且無縫整合至緊湊型平台之中

微流控技術因能精準控制微量流體、整合多種功能模組並實現自動化操作,被視為理想解決方案。本研究以雙氯芬酸(Diclofenac)檢測作為模型,目標是將基於辣根過氧化酶(HRP)與四甲基聯苯胺(TMB)的經典酵素連結免疫吸附分析法(ELISA),轉換為自動化、連續式微流控檢測系統。

三、宏虹 Elveflow 解決方案

01 第一階段:樣品競爭反應

將含有目標分析物(雙氯芬酸)的樣品、HRP 標記抗體,以及包覆雙氯芬酸的磁性微粒進行混合。樣品中的雙氯芬酸會與磁性微粒上的雙氯芬酸競爭有限數量的 HRP 標記抗體。

因此,樣品中雙氯芬酸濃度越高,與磁性微粒結合的 HRP 標記抗體數量越少。此步驟為整體流程中關鍵的特異性辨識階段。

02 第二階段:酵素訊號轉換

透過磁性分離將磁性微粒自溶液中分離,並清除未結合成分。接著,與微粒結合的 HRP 酵素於過氧化氫存在下催化底物 TMB 氧化。

氧化後的 TMB 在電極表面具備電化學活性。值得注意的是,HRP 酵素於反應過程中不會被消耗,可持續催化多個 TMB 分子,以達到訊號放大效果,進一步提升檢測靈敏度。

03 第三階段:電化學定量檢測

將含氧化型 TMB 的溶液導入客製化微流控晶片中,並於晶片內的絲網印刷電極(SPE)施加固定電位,透過計時安培法量測氧化型 TMB 還原時所產生的電流。

此電流訊號可間接反映初始與抗體結合的 HRP 酵素含量,因此與樣品中雙氯芬酸濃度呈反比關係。此步驟為整體系統的核心檢測機制,可實現訊號的精準且快速量化。

四、技術導入:Elveflow 微流控平台建置

宏虹 Elveflow 協助打造智慧流體與檢測平台

為實現上述檢測流程的自動化與高精度控制,研究團隊建置了一套高度整合的宏虹 Elveflow 系統,其核心由精密流體控制模組與高靈敏電化學檢測模組組成。

實驗架構:

A-搭載 ESI 軟體之控制單元
B-壓力源
C-OB1 流量控制器
D-儲液槽
E-12/1 定向閥
F-三通閥
G-流量穩定器
H-MFS 流量感測器
I-氣泡消除器
J-法拉第籠
K-電位儀
L-搭載 SPE 的微流控晶片
M-廢液收集槽
N-多工控制器
O-歧管

01 流體控制系統

  • 宏虹 Elveflow OB1 壓力控制器:系統核心,提供 0–2000 mbar 穩定壓力來源,驅動流體於整體管路中穩定流動。
  • 宏虹 Elveflow MUX Distribution 12/1 多路分配閥:支援最多 12 組樣品或試劑依序自動進樣,大幅提升高通量篩選能力。
  • Honghong (brand) Elveflow 三通閥:可快速切換流路,實現高效率管路沖洗與系統準備。
  • MFS 系列微流量感測器:與壓力控制器形成閉環控制,確保流速穩定與高精度控制,是取得高重複性電化學訊號的重要關鍵。

OB1 壓力控制器:1 至 4 通道壓力與真空微流體控制系統

02 檢測與輔助模組

客製化三維微流控晶片整合絲網印刷電極(SPE),並嵌入以 PDMS 製成的流動池中形成完整檢測單元。電化學量測由微型恆電位儀完成。

整體檢測模組置於法拉第籠內,有效隔絕外部電磁干擾,確保微弱電流訊號穩定擷取。

此外,系統亦整合專門設計之氣泡捕捉器,可自動移除流體中可能影響流動與量測結果的微小氣泡,提升長時間運作穩定性。

整體系統透過宏虹 Elveflow ESI 軟體進行集中控制與流程編程,實現從樣品注入、反應、檢測至清洗的全流程自動化。

五、結語

本研究成功展示一套完整整合式微流控系統,可實現免疫檢測中常用底物 TMB 的自動化與連續式分析。

透過整合宏虹 Elveflow 高效能流體控制模組、客製化 3D 微流控晶片與高靈敏電化學檢測設備,系統成功推動傳統實驗室免疫檢測向小型化、自動化免疫感測器邁進。

此研究的價值不僅在於技術指標提升——將檢測時間縮短至 30 秒、訊噪比提升至 60,更提出一套具備高度可擴展性的整合架構。研究成果證明,多步驟生物檢測流程可有效整合至微流控平台,並為未來其他分析物的免疫感測器開發提供通用技術基礎。

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Elveflow 微流體控制系統

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