技术发展基于胶体金技术快速检测试纸条的错误信号的处理John Chandler,Nicola Robinson and Karen Wh文tingliu_we战友译（声明:本文仅供丁香园战友内部交流使用,著作权属原文作者。对错误信号的处理和检测操作的优化的系统化处理方法的导言在近些年来,体外诊断产业（IVD增加了巨大的投入来开发基于膜技术的快速检测试纸条。类似的的检测已经应用在临床和非临床领域。在早期的论文中已有一篇 是关于这些方法得到广泛应用的综述。虽然基于膜技术的快速检测试纸条是相当简单的,但是此方法的实行的效果依 赖于大量的关键参数，在体外诊断技术的早期论文中已经探讨了金标液（gold conjuga t的质量和与膜结合的蛋白捕捉的方式的重要性。此篇论文探讨了导致产生假阳性和假阴性信号的错误的检测操作的可能原因, 并且提供了一套解决此类问题和优化检测效能的系统方法。虽然此文章是有针对性 地说明了胶体金检测技术中的相关问题,但是在胶乳检测技术中也能发现类似的问 题。为了避免重复,我们假定读者熟悉快速检测技术的机理和快速检测试剂的基本 特性尤其是抗体、金标粒子、硝酸纤维素膜、结合垫、样品垫和吸收垫并 且熟悉检测中用于处理不同试纸条和硝酸纤维素膜的各种化学试剂。对于不熟悉这 些概念的读者,在其他文章里已经对此进行了详细的解释。假阳性结果和假阴性结果的特征假阳性结果是样品中没有待检测物时在检测带上出现了一条彩线（对于金标而 言是红线。这条线可能在检测的初期或在一段明显的时间延迟之后出现。假阴性结 果是有可检的阳性样品时在抗体捕捉点上没有出现一条可见的线。假信号可能在许多种样品中发生,也可能仅仅发生在一种特定类型或来源的样 品中。这个问题可能出现于一个单独检测批次的每个样品,也可能仅仅发生于一个样品检测中随机数量的检测带。后一种情况说明了对于整个操作而言在进 行下一步前进行每个步骤时对大量检测带的处理的重要性。甚至在整个操作水平时从标准阴性样品中也可能发现假阳性结果,同样对于标 准阳性样品亦是如此。由于批次检测失败后的巨大的成本损失,因此在进行达到大 量产生前对假阳性和假阴性结果准确判断和产生原因的了解是必要的。假阳性和假阴性信号的产生有许多不同的原因。这些信号可能由样品或由检测 技术本身的设计缺陷和操作不当引起。我们可以通过在研制时的每个步骤进行彻底 的、反复的大量的检测装置的试验可以消除产生假信号的潜在因素。当进行检测时,假阳性或假阴性结果产生的原因有时是由信号的观测产生,也可 能由于流动相的特征导致假信号的产生。然而,假信号出现的理由一般并不经常是 显而易见的。我们一般依赖于经验、系统和科学的方法、详细的故障排除预案可以 消除假信号的产生并且组织它们发生。在调整任何特异性参数之前,检测技术的开 发者应当十分熟悉使检测技术更为可靠的因素和可能引起错误的因素。如果对快速 检测技术有了充分的理解,那么没有必要采用经验的方法。对于基于膜技术的快速检测技术工作机理的详细的描述和对于假阳性和假阴性 结果的详细的故障排除操作手册不在这个篇幅短小的论文讨论范围之内。相反,此 篇论文扼要讲述了对引起这些问题的原因的典型特征并且主要说明了处理此类问题 的方法。假阳性产生的基本原因大多数假阳性信号出现的原因都LjfSlEE +Tnnitaphafl QHdroplinbit._-是由于相似的问题,即在常规的结合步骤进行时蛋白与胶体金颗粒特异性结合。在此过程进行期间,蛋白质被三种主要的力吸收在胶体金的表面上。（见图1电荷引力:胶体金颗粒带有负电荷,这是由于在将氯金化钠转化为胶体金时,使用 的还原剂（经常是柠檬酸盐带有的一层负电荷被吸附在胶体金颗粒的表面。负电荷 将吸引带有正电荷的蛋白图 1 在抗体和一个胶体金颗粒之间的结合力并且足以使其靠近结合区的表面,这样就有可能发生假阳性。低于等电点的蛋 白带有正电荷,因此可能会与胶体金颗粒表面发生强烈的吸引作用。尤其是带有富 含赖氨酸和精氨酸的蛋白区域在低于赖氨酸的等电点（PH10.4和精氨酸的等电点 （pH12.5时会带有大量的正电荷。疏水作用力:一旦蛋白质彼此十分接近之间的距离大约小于lnm,蛋白质的任何 疏水区很有可能与胶体金表面的疏水区接触并且与之结合。因此富含非极性氨基酸（例如色氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸或苯丙氨酸的蛋白质会与胶体金表面发 生强结合作用。配位键结合力配位键结合力是所有吸引力中最强的结合力。含有大量富含硫的 氨基酸（由于存在半胱氨酸和甲硫氨酸的蛋白质强结合胶体金颗粒表面。这是由于 在金原子（具有传导带电子的能力和硫原子（带有价电子之间的吸引力造成的。当这三种结合力作用于金标颗粒上,它们会产生如下所述的假阳性信号并且由 此而对检测技术的效能产生不良的影响。在采用系统的方法来诊断和消除假阳性信号之前,了解大多数（并不是所有（图 2概要的描述了需要关注的主要区域,而下面所描述的概括了大多数普通的原因。然而,这些描述并不是一点也没有遗漏。总体上来说,所有可能产生假信号的原因与金标粒子、捕捉抗体、硝酸纤维素膜,所加的化学试剂和样品联系在一起。通过对这些潜在缘此的充分理解,在检测的操作过图 2,假阳性结果的主要来源程中可以根据这些特征而做出迅速的判断。由于金标粒子而产生的问题:由于某种原因金标粒子的表面由于没有被蛋白质覆盖而会部分裸露。在干燥金标液或者在检测过程中,或者在第一步中金 标被涂得很少,这些都有可能导致抗体被去除。无论哪种原因,裸露的胶体金颗粒将会被任何带有正电荷的蛋白质或硝化纤维素或尼龙膜所吸引。当胶体金颗粒 通过捕捉线,由于距离非常小而物理接触的可能性的非常大,这特别明显。因此有效地包被胶体金颗粒并且蛋白质在储存、处理或操作的过程中没有脱落,这两 点是非常重要的。除了胶体金颗粒对捕捉线的吸附外,标记抗体本身可能在特定的操作条件下被 捕捉线吸附。这可能归结于电荷或疏水作用力,也可能是由于在此过程中的酸性或 离子环境。过量的金标粒子会产生几个问题。首先,它能够提高在捕捉线上假阳性信号的 可能性,或则是由于大量的金标液通过这条线。其次,在检测期后,它也会提高胶体金 标粒子回流的可能性。一个好的品质的金标液不需要使用过量。胶体金颗粒也可能聚集成簇,一般来说有很多原因,通常是由于操作失误所致。 胶体金簇如果多的话可能会堵塞膜孔。如果成簇的原因是由于胶体金的疏水作用力 形成的,那么在金标液流动的过程中胶体金颗粒也会粘附在捕捉抗体上。无论待测物是否存在,金标的抗体都可能会与捕捉抗体发生非特异性免疫反 应。虽然在 ELISA 技术中在一对抗体之间发生类似的反应可能不是经常发生的,但 是这种方法会使硝酸纤维素膜上的标记抗体与捕捉抗体非常接近,从而提高了发生 非特异性免疫反应的可能性。另外,特别是在使用多克隆抗体时,有可能会发生与样 品中其它待测物的非特异性的反应,这种非特异性反应的发生与否主要取决于使用 的抗体的纯度。伴随捕捉抗体而产生的假阳性信号:有许多因素可能会影响捕捉抗体发生非特 异性结合反应。产生假阳性信号可以归结于疏水作用力、非特异性免疫反应、抗体 中的添加物、带有大量的正电荷、在与胶体金颗粒吸附的捕捉抗体中富有高浓度的 含硫氨基酸。在标记过程中这些因素都会引起抗体与胶体金颗粒表面吸附并与其结 合。在实际的工作中,作用于捕捉抗体的这些因素会危及到快速检测技术的效能。与固相支持物相关的问题硝酸纤维素膜非常脆并且在接触时很容易受到破坏。 因此在撕开膜的过程中避免与膜发生任何可能的机械接触是非常重要的。如果应用 捕捉抗体时膜被压制在捕捉抗体带上,那么在样品流动过程中,会提高金标粒子发生 非特异性反应的可能性。两个方面能够使残余的金颗粒附着在捕捉抗体带上金标粒子在膜中的流速 太慢或者是胶体金垫释放的速度富太慢。如果膜的孔径太小或者在检测带上没有足够的活性物质,再就是硝酸纤维素膜与金标液或与吸收垫的接触不良,那 么这些情况就会发生。此外,由于硝酸纤维素膜是疏水的,因此会阻碍金标液顺畅的 流动。再加一句,有些样品可能非常具有粘性的（例如血清,这种因素也会使流速减 慢。当检测体系中没有足够的样品或活性物质来使金标沿着检测带移动时,胶体金 颗粒也会粘附在捕捉抗体带上。如果花费很多时间来观测检测结果（通常是超过 15分钟时,膜就会变干,多余的 金标粒子很有可能开始从吸收垫向干燥后膜回流。由于干燥后的捕捉抗体非常疏水, 胶体金颗粒从吸收垫流向干燥后的捕捉抗体带的可能性非常高。化学试剂问题:一些快速试纸条的厂家在有一个对硝酸纤维素膜进行封闭的生 产环节。当对特定的样品进行检测时,对硝酸纤维素膜的封闭将膜从层析分离器（吸 水的物质转变成非层析分离带（非吸水的物质。这种设计是为了提高样品和金标粒 子在膜带上的流速。然而,采用在蛋白液或表面活性剂溶液中浸泡后对膜的封闭也有可能洗掉任何 化学试剂,这些掺入进去的化学试剂是厂家让膜不至于变得完全干燥和疏水性。因 此,在干燥的状态下这种封闭作用可能会让膜具有更强的疏水性,因此甚至能在捕捉 抗体带引起更为普遍的背景染色或假阳性信号。采用过量的蛋白或活性剂进行封闭的方式都能够在样品流动过程中产生高粘性, 因此可能降低样品清除率。用不恰当的反应液进行封闭也会改变捕捉抗体的特性, 通过电荷作用力、疏水作用力或氢硫作用力的提高会使其更具有粘附性。封闭膜 应当进京用于下面所述的理由,例如当需要提高样品或胶体金颗粒的流动性,和仅仅 需要最低的反应物浓度。一些保护剂,不论在捕捉抗体中的、标记抗体中的或者是样品中的都能产生假 阳性结果。硫柳汞（含硫和汞的化合物和赖氨酸（一般在 pH10.4 下带有大量的正电 荷在检测中是特别要注意的问题。样品的问题:许多样品中含有可能与金标粒子或捕捉抗体发生非特异性结合的 物质,并且产生非特异性结果。举例来说,一些含有细菌的样品,而样品中的细菌可能 被部分破坏成细胞碎片,并且这些细菌是非常疏水的。这些疏水的细菌碎片也可能 与捕捉抗体和金标粒子发生交叉反应。其它的一些样品可能含有高水平的硫或 SH 基团,或者具有高正电荷。此外,一 些样品可能含有大量的分子或细胞分子,这有可能阻塞膜并且对检测带上的金标液 的流动产生干扰。样品可能在酸性条件下变化非常大。例如,尿液样品最初的 pH 值是在 47之间, 然而随着细菌含量的增加,样品的pH值也随之降低。酸性样品在流动过程中在捕捉 抗体表面产生正电荷,反过来这将引起与带有负电荷的金标粒子发生非特异性反 应。如果样品含有大量的酸性物质或者带有大量的正电荷蛋白质,它们在到达捕捉 抗体区之前可能与金标粒子非特异性结合。这不仅能掩盖待测物与金标的结合信号 （因此产生降低特异性信号效果,也能增加与在膜上和捕捉抗体带上成簇物质的结合 物。对假阳性结果诊断的补救措施无论偶而还是重复出现假阳性结果,采用对于此类问题的诊断的一套系统的方 法也是为了实施最恰当的补救措施（见图 3。最明显的原因首先是被注意到的,主要 有金标与捕捉抗体的反应;特异性电荷吸引力、疏水作用力和金-硫结合力。然后应当注意在抗体、特殊样品特性和跨膜流动特性的非特异性交叉反应。使 用对照能够迅速地找到问题的根源。下面是系统的诊断方法的说明和前面所列的可能原因的参考。当采用任何系统 的诊断方法时,采用对照时,只能改变一个参数。采取这种方式,可以采取排除法。下 面的问题可能会有些帮助:1是电荷的原因吗?检测体系pH值的变化（pH5ll表明了正电荷是否存在和胶 体金颗粒与捕捉抗体是否结合。2是疏水作用力的原因吗?这可能发生在固相中，捕捉抗体区或金标区。改变体 系中活性剂浓度对于疏水作用是否是主要因素可以提供头绪。