臨床診斷、食品安全和環(huán)境監(jiān)測對超靈敏和絕對定量檢測的需求不斷增長，推動了數(shù)字免疫分析的發(fā)展。目前的數(shù)字免疫分析主要包括基于微孔的數(shù)字免疫分析、基于微滴的數(shù)字免疫分析和基于熒光團的數(shù)字免疫分析，特別是由這些模型衍生的多路數(shù)字免疫分析越來越受到關(guān)注。盡管具有高靈敏度和高通量，但基于微孔和微滴的數(shù)字免疫分析需要微加工進行物理區(qū)隔或微流控裝置進行微滴形成，這增加了成本和復(fù)雜性，不適合在資源有限的情況下進行即時檢測。在基于熒光團的數(shù)字免疫分析中，熒光團在單個分子水平上被單獨檢測和計數(shù)，而不需要微流控裝置或物理分區(qū)。然而，它們需要熒光顯微鏡來成像熒光團，其中激光激發(fā)是必不可少的。除了靈敏度和通量外，具有多重檢測能力的免疫分析可以提高檢測效率并降低成本，這對于早期診斷和治療后監(jiān)測至關(guān)重要，因為多種生物標志物可以在臨床診斷或藥物反應(yīng)預(yù)測中提供更準確的信息。然而，多路數(shù)字免疫分析通常很耗時，并且需要依賴于實驗室的復(fù)雜而昂貴的分析儀器，因此，具有廣泛可及性、低成本、多路檢測能力和高通量的數(shù)字免疫分析具有重要意義。

為了解決上述挑戰(zhàn)，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的陣翊平教授和浙江大學(xué)的鮮于運雷教授設(shè)計了基于計算機視覺的AI（CAT）介導(dǎo)的多重微流控數(shù)字編碼解碼免疫分析法，可以實現(xiàn)在30分鐘內(nèi)同時分析多種炎癥標志物和抗生素，具有高靈敏度和從pg/mL到μg/mL的廣泛檢測范圍，作為下一代多重生物傳感的智能生物分析具有廣闊的前景。相關(guān)研究內(nèi)容以“Computer Vision-Based Artificial Intelligence Mediated Encoding-Decoding for Multiplexed Microfluidic Digital Immunoassay”為題發(fā)表在ACS Nano期刊上。

基于計算機視覺的AI介導(dǎo)的數(shù)字化免疫分析多維編碼/解碼示意圖

具體而言，在該方法中，具有不同特征（包括顏色、大小和數(shù)量）的聚苯乙烯（PS）微球可以被編碼為信號探針。此外，研究人員通過顯微鏡成像和基于計算機視覺的AI開發(fā)了數(shù)字免疫分析，用于信息解碼，從而實現(xiàn)高靈敏度和方便操作的多路檢測。其中，聚苯乙烯微球的大小和顏色可以編碼二維信息用于目標識別，聚苯乙烯微球的數(shù)量可以實現(xiàn)特定目標的量化。此外，通過與磁性納米顆粒（MNP）結(jié)合，該方法可以對生物素化聚苯乙烯微球和鏈霉親和素（SA）修飾的MNP之間形成的免疫復(fù)合物進行磁分離。此外，微流控芯片被設(shè)計為用于數(shù)字免疫分析的微反應(yīng)器，并且集成了混合反應(yīng)通道、磁分離通道、圖像采集區(qū)域和廢物池。微流控技術(shù)具有反應(yīng)可控性好、反應(yīng)速度快、試劑消耗少等特點，可以減少檢測體積，有效提高靈敏度。并且，微流控裝置與光學(xué)顯微鏡成像集成良好，因此整個反應(yīng)過程僅需要1 μL~ 10 μL的樣品。

光學(xué)顯微鏡下編碼微球的視覺識別

基于計算機視覺的AI原理

基于二維近似有限元法（COMSOL Multiphysics）的信號探針分選微流控芯片物理場仿真與分析

與目前的數(shù)字免疫分析法和其他報告方法相比，該CAT免疫分析法的分析性能具有很大的優(yōu)勢。它既不需要物理分區(qū)，也不需要熒光顯微鏡，具有多路檢測和即時檢測的巨大潛力。具體而言，CAT免疫分析法的優(yōu)點包括：（1）光學(xué)顯微鏡成像識別微球的靈敏度非常高（1微球/μL）；（2）將尺寸、顏色、數(shù)量作為多維編碼信息，實現(xiàn)多路檢測，并且成本低、操作方便；（3）基于計算機視覺的人工智能，具有高效、高通量的圖像處理能力，可以實現(xiàn)多維編碼數(shù)字免疫分析，檢測效率高；（4）低樣品消耗（< 5 μL）的微流控芯片與光學(xué)顯微鏡成像的集成，大大提高了準確性并簡化了程序。

此外，該研究的后續(xù)工作重點將集中在以下幾個方面。首先，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，可以擴展多維編碼能力，如對不同形狀（方形、柱狀、星形等）的粒子進行編碼。其次，與便攜式成像設(shè)備和人工智能的集成對于現(xiàn)實世界的應(yīng)用是有益的，比如智能手機的高清攝像頭。此外，還需探索有效穩(wěn)定的抗體與微球的生物偶聯(lián)策略，進一步提高穩(wěn)定性，減少抗體的消耗。

論文鏈接： https://doi.org/10.1021/acsnano.3c02941