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化學(xué)發(fā)光在磁性分離上不可忽視的問(wèn)題
化學(xué)發(fā)光在磁性分離上不可忽視的問(wèn)題： 生物磁分離在免疫化學(xué)發(fā)光（CLIA）IVD試劑盒研發(fā)生產(chǎn)時(shí)的5個(gè)關(guān)鍵性誤區(qū)
化學(xué)發(fā)光免疫分析(Chemiluminescent immunoassay,CLIA)將高靈敏的化學(xué)發(fā)光技術(shù)與高特異性的免疫反應(yīng)結(jié)合起來(lái)，建立了化學(xué)發(fā)光免疫分析法。化學(xué)發(fā)光技術(shù)具有靈敏度高、特異性強(qiáng)、線性范圍寬、操作簡(jiǎn)便和使用成本低等特點(diǎn)。另外，化學(xué)發(fā)光技術(shù)應(yīng)用范圍較廣，既可檢測(cè)不同分子大小的抗原、半抗原和抗體，又可用于核酸探針的檢測(cè)。由于其優(yōu)勢(shì)，基于這一技術(shù)的體外診斷測(cè)試數(shù)量與日俱增。因此，CLIA 診斷試劑盒的需求量已開(kāi)始飆升，但早期的小規(guī)模生產(chǎn)、純?nèi)斯げ僮骱筒煌晟频馁|(zhì)量控制手段已經(jīng)無(wú)法應(yīng)付大規(guī)模生產(chǎn)的需要。如何確保批次間的一致性? 如何確保放大生產(chǎn)規(guī)模后質(zhì)量的穩(wěn)定性? 如何確保成品應(yīng)用的有效性（最終在分析儀中只使用不超過(guò)幾百微升）? 這些方面的內(nèi)容是CLIA 診斷試劑盒生產(chǎn)的關(guān)鍵。在近二十年的發(fā)展過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)了五個(gè)在生物磁性分離過(guò)程中的關(guān)鍵誤區(qū)。這些誤區(qū)容易被忽略但常常延誤項(xiàng)目進(jìn)度，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，有時(shí)甚至?xí)股a(chǎn)陷入風(fēng)險(xiǎn)。因此正確掌握磁性分離的技術(shù)信息是確保產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)成功的關(guān)鍵。
圖1：SEPMAG*生物磁分離系統(tǒng)
如何描述一個(gè)生物磁分離過(guò)程？
當(dāng)一個(gè)新的CLIA-IVD試劑盒從研發(fā)階段轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)階段時(shí)，所有的生產(chǎn)操作參數(shù)都需要重新調(diào)整以適應(yīng)新的處理體積和產(chǎn)量。生物標(biāo)志物的規(guī)格、緩沖液和包被的操作都得益于非磁性試劑盒生產(chǎn)時(shí)所積累的經(jīng)驗(yàn)。抗體與磁珠的偶聯(lián)、膠體金或乳膠微球很相似，但清洗環(huán)節(jié)的操作使用磁性分離這一方法與其他非CLIA-IVD試劑盒生產(chǎn)有很大區(qū)別。
雖然CLIA試劑盒在生產(chǎn)的分離階段使用生物磁性分離似乎是顯而易見(jiàn)的選擇，但在實(shí)踐的過(guò)程中仍存在著一些問(wèn)題。第一是描述整個(gè)流程本身，當(dāng)和診斷試劑盒制造企業(yè)溝通時(shí)，發(fā)現(xiàn)在生物磁分離方面，他們經(jīng)常提到如下幾個(gè)問(wèn)題：
l分離時(shí)間：從緩沖體系中分離固相的時(shí)間。
l磁珠損耗：生產(chǎn)過(guò)程中丟失的磁珠（和偶聯(lián)的生物標(biāo)志物）的最大值。
l批次處理體積：所需處理的批次大小，甚至一些情況下處理體積有彈性。
l要避免不可逆的聚集: 在生產(chǎn)的過(guò)程中，如發(fā)生不可逆的磁珠聚集需要采取多種方式使之重新懸浮，懸浮后必須檢查是否處理得當(dāng)。因?yàn)槊恳粋€(gè)試劑盒（毫升級(jí)別）都需要相同的性質(zhì)，錯(cuò)誤的重懸浮處理會(huì)增大批次間的差異。
但是，以上這些都是“功能性"的參數(shù)，他們是磁性分離的結(jié)果而非影響分離過(guò)程的因素。在整個(gè)生物磁性分離的過(guò)程中，真正缺失但定義了整個(gè)分離過(guò)程的參數(shù)是什么呢？
在生物磁分離過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)是磁力。磁珠以特定的速度移動(dòng)，這是由于磁力和阻力之間的競(jìng)爭(zhēng)而產(chǎn)生的凈力，后者是由緩沖液粘度引起的。
誤區(qū)1：總歸咎于磁珠不好
在選擇磁珠時(shí)，用戶很關(guān)心是否選擇了“正確"的磁珠。假設(shè)已經(jīng)選擇好了合適的生物標(biāo)志物和適合的耦聯(lián)/包被方式，那么接下來(lái)用戶選擇“正確"的磁珠就應(yīng)該具有如下一些特征：
1）高回收率/快速分離，匹配在分析設(shè)備中的時(shí)間，磁性分離速度足夠快，在大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有大量磁珠和耦合的生物標(biāo)志物損失。
2）無(wú)聚集問(wèn)題，磁珠可被輕松的重混懸浮。即使磁珠聚集也可以通過(guò)幾個(gè)額外的超聲處理步驟進(jìn)行處理就可恢復(fù)（但這在大體積生產(chǎn)過(guò)程中難以控制和操作）。
3）低批次間差異，每一批等分（通常小于毫升級(jí)別）和生產(chǎn)批次（公升級(jí)別）必須一致。如果沒(méi)有，差異會(huì)影響分析器給出的結(jié)果。
如果以上要求沒(méi)有達(dá)到會(huì)如何？
對(duì)有缺陷的磁力分離結(jié)果，試劑盒生產(chǎn)企業(yè)普遍的反應(yīng)是磁珠的選擇是“錯(cuò)誤"的。然后生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)系磁珠供應(yīng)商（或替代供應(yīng)商）關(guān)于磁珠進(jìn)行長(zhǎng)期的討論，重審包被方法等，如果一旦陷入這個(gè)階段，新產(chǎn)品的研發(fā)和推出將被嚴(yán)重影響，進(jìn)度將大大延后。
生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)擺脫對(duì)“正確"和“錯(cuò)誤"磁珠的糾結(jié)，而把重點(diǎn)關(guān)注放在對(duì)生物磁性分離的過(guò)程和設(shè)備上。通過(guò)對(duì)比下圖，我們可以發(fā)現(xiàn)同樣懸浮的磁珠在不同生物磁性分離器的作用下會(huì)表現(xiàn)出*不同的情況。
圖2：采用兩種磁鐵分離相同的磁珠懸浮液
圖2 顯示左邊的傳統(tǒng)磁力架（藍(lán)色）處理的磁珠緩慢分離開(kāi)。這意味著更長(zhǎng)的時(shí)間才能完成分離或承受更高磁珠和生物標(biāo)記物的損失。然而，如果等待較長(zhǎng)的分離時(shí)間以避免損失，一些磁珠將受到不可逆的聚集問(wèn)題的影響。
因?yàn)橄确蛛x的磁珠（接近瓶壁的位置）受到非常強(qiáng)的磁力，將磁珠擠壓在一起。如果在這一分離步驟，我們不考慮分離設(shè)備的影響，只從磁珠分離的表現(xiàn)來(lái)進(jìn)行判斷，那么我們將得到一個(gè)錯(cuò)誤的結(jié)論：我們必須更換其它磁珠來(lái)解決問(wèn)題。同時(shí)，從圖2我們可以觀察到，相同的磁珠懸浮液通過(guò)*的生物磁性分離設(shè)備（右邊橙色）的結(jié)果我們可以看到分離情況卻是*不同的，磁珠在相同的速度下快速得到分離，同時(shí)由于均勻的磁力，貼壁的磁珠在更短的時(shí)間內(nèi)受到溫和磁力的作用，消除了不可逆的聚集風(fēng)險(xiǎn)。
建議：與其考慮不斷更換磁珠，我們更應(yīng)該更快捷、更經(jīng)濟(jì)地去挖掘出源于磁性分離設(shè)備的問(wèn)題和因素。當(dāng)調(diào)整了磁性分離設(shè)備后，如果磁珠能正常懸浮，那么對(duì)磁珠的疑慮也就不攻自破了，同時(shí)也沒(méi)有必要再重建包被的操作工藝。
誤區(qū)2：選用更大的磁鐵來(lái)避免分離的損耗
在上一部分我們討論了為什么在分離時(shí)一遇到問(wèn)題就歸咎于磁珠是一個(gè)很大的誤區(qū)，在分離過(guò)程中引起問(wèn)題的主要原因是產(chǎn)生磁力的磁鐵而非磁珠。但只光知道應(yīng)調(diào)整磁力而不知如何正確選擇磁鐵也無(wú)法解決上述問(wèn)題。
第二個(gè)常見(jiàn)的誤區(qū)是，假設(shè)增大磁鐵就會(huì)增強(qiáng)磁力。然而，磁力并不依賴于磁場(chǎng)，而是依賴于磁場(chǎng)梯度。如果磁鐵較小，磁場(chǎng)變得均勻，磁力大大削弱，其結(jié)果是：分離時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或更高的原料損耗。如果磁鐵較大，磁場(chǎng)和磁場(chǎng)梯度隨著距離的衰減很快，磁力不足以吸引距離最遠(yuǎn)的磁珠。更糟糕的是接近磁鐵的磁力太大，造成不可逆的磁珠聚集。
在使用了相同數(shù)量的永磁鐵前提下，通過(guò)下圖（圖2）比較，大型普通磁鐵和*生物磁分離系統(tǒng)。合適的磁力范圍是確保磁珠能快速分離和降低損失，同時(shí)對(duì)于貼壁的磁珠提供一個(gè)溫和的保留力，確保磁珠吸附在容器壁的同時(shí)不會(huì)引起不可逆的聚集。在下圖左邊所示，青色部分表示合適磁力的區(qū)域。懸浮在合適分離條件下的磁珠只是這批磁珠的一小部分。在磁鐵附近磁力迅速增加，因此磁珠不可逆聚集的風(fēng)險(xiǎn)變高，長(zhǎng)時(shí)間的分離過(guò)程更加劇了這種風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，*的生物磁分離系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整磁場(chǎng)分布，產(chǎn)生均勻而溫和的磁力。這意味著整個(gè)工作區(qū)域中的磁力是相同的。相比普通磁鐵，在遠(yuǎn)離容器壁的磁珠受到更強(qiáng)的磁力。磁珠的移動(dòng)速度更快，減少了分離時(shí)間，確保了磁珠和偶聯(lián)生物標(biāo)志物的*回收。在貼壁保留區(qū)，磁力仍然相同，溫和的磁力能確保磁珠貼附在保留區(qū)的同時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生不可逆的聚集。
圖3：磁力分布圖，傳統(tǒng)磁鐵（左），*從生物磁分離系統(tǒng)（右）
誤區(qū)3：純粹地通過(guò)分離時(shí)間來(lái)定義整個(gè)分離過(guò)程
第三個(gè)常見(jiàn)誤區(qū)涉及分離過(guò)程的驗(yàn)證。很多情況下，生物磁分離過(guò)程往往是通過(guò)一個(gè)固定的分離時(shí)間來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。這種驗(yàn)證方法的問(wèn)題在于驗(yàn)證與特定的磁場(chǎng)輪廓和容器大小相關(guān)聯(lián)，而且分離時(shí)間僅僅是速度（與磁力成正比）和磁珠所運(yùn)動(dòng)距離的結(jié)果，分離時(shí)間并不能用來(lái)描述磁珠分離的過(guò)程條件。
為了更好地驗(yàn)證分離過(guò)程，我們需要額外的信息來(lái)闡述這一分離過(guò)程。一種方法是光學(xué)監(jiān)測(cè)懸浮液通透性的變化過(guò)程（在分離起始階段懸浮液是渾濁的，磁珠一旦開(kāi)始分離，液相就會(huì)趨于通透）。這樣，驗(yàn)證可以不僅在結(jié)束階段（分離時(shí)間），而在整個(gè)生物分離的過(guò)程中，容器內(nèi)的變化都可被觀察和記錄。
圖4：磁性分離懸浮液的渾濁度對(duì)比，起始階段（左），結(jié)束階段（右）
如果生物磁分離系統(tǒng)具有良好定義的條件（即均勻磁力），不透明度隨時(shí)間變化的曲線通常會(huì)形成“S"形。定義該曲線的兩參數(shù)指數(shù)P與時(shí)間t50分別反映曲線的斜率和分離時(shí)間達(dá)到一半時(shí)最大和最小的不透明度之間的差異。這兩個(gè)參數(shù)取決于一些源于磁珠（直徑、磁性含量%、磁性材料）和懸浮液（緩沖液粘度、磁珠濃度等）的特性。由于測(cè)量曲線的形狀受所有這些參數(shù)的影響，因此監(jiān)測(cè)可以為不同的分離過(guò)程建立特定的參考數(shù)據(jù)和曲線。當(dāng)固定了磁性分離條件后，同類的分離過(guò)程的驗(yàn)證就應(yīng)遵循相對(duì)應(yīng)的參考曲線。
當(dāng)整個(gè)過(guò)程可被監(jiān)控而不僅是單獨(dú)通過(guò)分離時(shí)間來(lái)判斷時(shí)，過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題可以更快地被發(fā)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)比與參考曲線的偏差可以發(fā)現(xiàn)眾多生物磁性分離過(guò)程中的生產(chǎn)問(wèn)題（聚集、不正確的磁珠特征和磁珠濃度等）。這意味著生產(chǎn)人員可以更早地采取糾正措施，從而降低成本損失。
圖5：建立一個(gè)生物磁分離工藝和光學(xué)監(jiān)測(cè)所得的典型形分離曲線（S型）
誤區(qū)4：輕視過(guò)程的可放大性
當(dāng)開(kāi)發(fā)一個(gè)化學(xué)發(fā)光試劑盒時(shí)，生產(chǎn)商起初的重點(diǎn)往往是在生物標(biāo)志物上，比如：怎樣偶聯(lián)到磁珠上。而生物磁分離條件通常會(huì)被忽略。在研發(fā)的早期階段，分離過(guò)程通常是利用普通的磁力架來(lái)進(jìn)行小規(guī)模的開(kāi)發(fā)。當(dāng)產(chǎn)能在放大過(guò)程中如果分離條件沒(méi)有很好地明確，研發(fā)階段磁珠所受磁力與放大后的新系統(tǒng)*不同，這一問(wèn)題是導(dǎo)致磁珠和原料損耗以及磁珠不可逆聚集問(wèn)題發(fā)生的重要因素。這需要一個(gè)昂貴且費(fèi)時(shí)的轉(zhuǎn)化工程的過(guò)程來(lái)解決這些問(wèn)題，以得到一個(gè)原料損失和磁珠聚集水平低到足以提供一個(gè)具有經(jīng)濟(jì)效益和高效率的生產(chǎn)方案。
圖6. 小尺寸（左）和大尺寸（右）非均勻磁分離架上磁性分離和換液示意圖，黑色虛線表示磁力的大小，靠近磁鐵部分磁力大，遠(yuǎn)端減小
在小規(guī)模分離操作中，小范圍很容易產(chǎn)生高磁場(chǎng)梯度。即使并非所有磁珠都是磁飽和的，由于磁珠運(yùn)動(dòng)距離短，分離時(shí)間也很短并不會(huì)引起太大的損失或不可逆的聚集。但大規(guī)模分離中，由于非均勻磁力作用將會(huì)引起更大的損失（更大距離和較低的磁力）和成倍增長(zhǎng)的分離時(shí)間。在大尺寸容器內(nèi)，靠近磁鐵的磁力更大，將會(huì)增加不可逆轉(zhuǎn)聚集的風(fēng)險(xiǎn)。而遠(yuǎn)離磁鐵的部分由于受到磁力微弱，導(dǎo)致分離時(shí)間變長(zhǎng)。與此相反，均勻的磁性分離條件就可以避免了這些問(wèn)題，會(huì)使生產(chǎn)更容易放大。當(dāng)使用均勻梯度磁場(chǎng)，即使規(guī)格尺寸變大，磁力也可以保持不變。
圖7. *生物磁分離器可提供均勻磁場(chǎng)支持不同尺寸的放大
誤區(qū)5：磁場(chǎng)操作條件未采取合適的安全措施
上述4點(diǎn)都與生產(chǎn)過(guò)程有關(guān)，然而即使得到一個(gè)高效的可重復(fù)性，高效的生產(chǎn)過(guò)程， IVD制造企業(yè)的生產(chǎn)中隱藏的對(duì)操作者和設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患也是必須極力避免的。
規(guī)模的應(yīng)用磁鐵會(huì)產(chǎn)生高風(fēng)險(xiǎn)事故，磁鐵吸引含鐵的物體，包括其他的磁鐵、剪刀、螺絲刀或其它引磁物體。潛在危險(xiǎn)發(fā)生在當(dāng)身體或設(shè)備暴露在磁鐵和被吸引物之間，而當(dāng)磁鐵體積越大，對(duì)操作者的風(fēng)險(xiǎn)也就越大。尤其對(duì)于有植入起搏器或者其他醫(yī)學(xué)植入類設(shè)備的人來(lái)說(shuō)，風(fēng)險(xiǎn)較高（磁場(chǎng)會(huì)干擾設(shè)備導(dǎo)致故障）。這也是在醫(yī)院的MRI區(qū)域附近會(huì)張貼嚴(yán)重危險(xiǎn)信號(hào)標(biāo)志的原因。
安全風(fēng)險(xiǎn)不僅對(duì)使用者存在傷害風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)車間的設(shè)備也同樣有受到磁場(chǎng)的影響的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是包括磁記錄介質(zhì)在內(nèi)的物品，比如銀行卡和/或公司磁卡。計(jì)算機(jī)、手機(jī)和硬盤驅(qū)動(dòng)器也可能丟失信息，許多實(shí)驗(yàn)室的電子設(shè)備也會(huì)受到影響。
圖8：操作安全區(qū)域設(shè)置，傳統(tǒng)磁鐵（左），*生物磁性分離器（右），危險(xiǎn)區(qū)（橙色），警戒區(qū)（灰色）
這些安全設(shè)置非常重要，如圖8顯示，如果磁分離器的設(shè)計(jì)并沒(méi)考慮特殊磁安全處理，雜散磁場(chǎng)將意味著計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備可能暴露在危險(xiǎn)區(qū)。因此在危險(xiǎn)區(qū)中，足夠大的空間應(yīng)該被清理出來(lái)，以并避免放置其他設(shè)備。如果需要在同一個(gè)房間里放幾個(gè)磁力分離裝置，問(wèn)題就會(huì)變得更加嚴(yán)重。相反，如果生物磁分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)降低雜散磁場(chǎng)，則磁分離系統(tǒng)將對(duì)外界的影響將大大降低，同時(shí)減小面積的需求。如圖8所示，幾臺(tái)*生物磁分離系統(tǒng)放置所需要的面積小于所需的一個(gè)傳統(tǒng)的磁分離架面積。
