阿基米德粒子检测系统 Archimedes Particle Metrology System  

-------------以不可思议的精度重新定义粒子/细胞质量和分析 

美***麻省理工学院(MIT)的世界顶***传感器大师Scott Manalis教授开创性的微通道谐振器微机电系统（MEMS），***次实现精确测量fg(10-15 g)***粒子的质量，其惊人的测量底限比目前***好的石英微天平方法高出***百万倍。MEMS技术成为粒子分析的***新黄金标准。

 详细说明

阿基米德为粒子分析设定了***个全新标准，它采用共振质量检测原理准确定量粒子质量、尺寸、体积、密度和浓度等，其极高的分辨率远超过了现有的粒子分析方法如动态光散射、激光衍射和布朗运动跟踪，并***次实现了fg***纳米粒子的质量检测。阿基米德对每个粒子单独检测，无需光学部件，检测样品与测量信息直接关联，测量结果更为真实可靠。阿基米德不仅可以用于颗粒的重量和大小，未来该系统还可与HPLC连接作为密度检测器，可以目前检测器所不能检测到的化合物。 

阿基米德质量测量底限示意图: 

仪器特点

* 自动检测粒子大小质量、尺寸、体积、密度及浓度

* 粒子检测范围<50 nm-5 µm

* 检测快速，NIST标定校准 

* ***小样品消耗，低至100 µl

* 极高的分辨率，***性和重现性 

原理：共振质量测量

阿基米德对单个粒子及活细胞的质量进行检测，分辨率低于1飞克 (10-15 g)，远超过其它流体质量测量方法，核心在于共振微流控通道和共振质量测量，它采用机械共振结构，当粒子或细胞***个个依次通过共振器时，共振频率因粒子重量而下降。通过检测共振频率的改变，***测量每个粒子的质量及大小。 

* 共振器采用微电子机械系统制备方法，传感器仅100 µm大小，总质量仅数ng，如此小巧轻薄的传感器对即使很小的加载重量也非常灵敏。

* 微通道传感器被置于真空环境中，传感器的振动不会消散不必要的能量，从而达到极高的品质因子Q，通常> 10,000，因此共振频率检测可达极高的准确度。

* 传感器中嵌入***个微流通道，全新的应用流体设计可将样品自动送入传感器，并精确控制流速，结合极高的Q值，使传感器更换十分迅速，实现快速测量且结果准确。***些生物样本如活细胞甚至可以在生理条件下测量。

* 共振频率测量十分快速且分辨率高，1 kHz 频宽时可达到十亿分之***水平。 

阿基米德功能

***、粒子质量和大小检测

阿基米德检测单个粒子及活细胞的重量，其核心在于微通道共振器频率偏移与粒子物理特性间的关系，即物体的浮力重量等同于它排出液体的重量。因此粒子浮力质量可定义为它所替代液体的质量，浮力质量与粒子干重相关，它随着粒子与流体的密度偏离而增加。当粒子通过微通道时，浮力质量导致共振频率偏移，当粒子到达共振器顶部时共振偏移达到***大，且与粒子浮重成比例。

阿基米德微通道传感器灵敏度常数s将共振频率偏移与粒子浮力质量关联，对于每个传感器s数值固定，反映了所测粒子范围的简单线性关系。动态光散射只能检测成千上万粒子的平均数值，而阿基米德可实现单个粒子测量，大量粒子的共振频率偏移依次检测，从而得到单个粒子重量、体积、等效球体直径等，由此建立准确的粒子群体质量和大小分布。 

 二、粒子密度检测

浮力质量导致共振频率偏移。假如粒子密度比流体密度大，粒子经过传感器时其总体质量增加，共振频率下移；假如流体密度比粒子密度大，传感器整体质量减小，共振频率上移。***终如果粒子密度与流体密度等同，传感器质量不变，即浮力重量为零，则不会发生共振偏移。因此，可以应用调节流体密度直到共振频率偏移消失的方法测量粒子密度。 

 但上述描述显然很繁琐。阿基米德开辟了***个新的更为简便的方法，只需将样品分别置于二种不同密度的流体中各检测***次，得到每个样品的浮力质量均值。如下图，多孔硅粒子分别在0.786 g/cc异丙醇和1.106g/cc氘化水中检测。结果显示，粒子平均浮力重量在异丙醇中比氘化水大，分别为1.67pg、1.10pg。得到浮力重量数据，阿基米德通过简单的线性外推法就能自动计算出粒子平均密度。 

三、粒子浓度及内含物检测

阿基米德以***真实的计数方法对每个粒子单独检测，通过流控技术精确监控整个测量过程中样品流速，可提供信息包括粒子浓度 [#/ml]、样品消耗 [µl]、固形物含量 [parts per billion]。这些信息可广泛应用于

* 监测蛋白制剂中聚集物含量

* 监测细菌生长及抗生素易感性

* 检测藻类及其它生物燃料中的生物量

* 评估油墨中阻塞打印头的附聚物 

四、极微小差异粒子区分

阿基米德可以极好的区分不同粒子质量或大小的极微小差异，下左图显示二种粒子大小仅差40nm，阿基米德对粒子群体也能准确区分，且标准方差不到标准参数的***半，标准误差达到单个Å水平。右图显示三种形态分布的黄金粒子，标定为 57 nm、79 nm、100 nm，阿基米德检测结果为57 nm、81 nm、99 nm。DLS方法检测却无法分辨此三种粒子，所测粒子大小也明显有误。

五、混合粒子分析

阿基米德***性可达NIST 1%水平。以下四种不同标定的标准品混合物，阿基米德可单独分析每个亚群，得出粒子平均大小与标准参数相差仅0.1%-0.5%。此外在不同批次的传感器和仪器之间也能体现极好的重现性。 

阿基米德应用 

***、蛋白制剂检测

蛋白疗法可以缓解多种人类疾病，也可以替代非内源产生的关键蛋白，蛋白制剂在蛋白治疗中起着关键的运输作用，但是蛋白聚集会降低其疗效，因此十分有必要监测它在研发、生产、存储及运输治疗蛋白或其它生物药剂过程中的聚集情况。 

粒子聚集

阿基米德可以准确测量粒子聚集，大小低至100nm。它不再受光学或形状变化及阻碍光学方法的乳白光的影响。其柔和的流体控制不会扰乱微弱聚集，且可适应粘度达50cP而无需稀释。阿基米德传感器非常小，皮升***体积，仅需样本100 µl，可承受聚集浓度达5x108/ml，对于高浓度制剂无需稀释。聚集测量通过单个粒子的检测直接测得浓度。下图显示4 µl 原始样品中亚微米IgG蛋白聚集物的大小分布，所测浓度 >300 nm粒子聚集物是 4x106/ml（左图）。基于检测数目庞大，其分布可以计算为组成每个聚集物的基础蛋白数量。 

外源物区分

阿基米德也能将外源物质从蛋白聚集物中区分。如下图，向下的峰由聚集引起，其密度高于悬液密度。另外可见***些向上的峰，由硅油滴引起，密度小于悬液，它们的存在减小了传感器的总质量，使共振频率增加。基于这些显著差异阿基米德可以准确区分聚集物与油滴，并可作出每个群体粒子大小分布。

总而言之，阿基米德可以定量分析蛋白制剂中显微可见物甚至亚微米物质，它为早期聚集过程中制剂质量和外源物含量提供了很有价值的反馈信息，且相对光学方法能提供更多的信息。 

二、微生物/细胞检测

阿基米德柔和的样品流动,确保可以在生理状态下,提供前所未有的活细胞检测,检测结果要远远超越库尔特技术和流式细胞技术,获得***精确的细胞质量分布,监测细菌生长,以及在***宽广的动力学范围内进行全血检测. 

整个细菌高分辨率的体外检测在微生物学应用方面有重要意义，包括研究细菌生命周期以及对环境的反应，细菌作为模式生物探讨分子进程和信号通路，传染病中抗体发现和抵抗力研究。目前常规光密度法能检测整个培养体系浓度，但无法测量单个细菌及其物理性能，库尔特计数器的体积限度无法满足个体小的细菌检测。

阿基米德是***个可用于单个细菌物理性能测量的仪器，且分辨率极高，同时也能定量评估整个培养系统。阿基米德亚飞克***的质量分辨率比普通细菌质量的1%还小，它能实时跟踪细菌生长变化过程，监测其生长速率、质量和大小分布，不同阶段的过渡如指数增长和平稳期，对环境因素如温度、营养、抗菌剂的反应。此外，阿基米德还能结合高放大率视频直接观察细菌形态和集体行为。它可广泛应用于分子通路模型研究、抗菌药物研发、药敏测试等。 

细菌质量检测

下图显示了大肠杆菌ATCC 25922检测结果。每个向下峰即代表单个细菌通过微通道传感器，并引发共振频率降低。直方图显示浮力质量和大小的分布，均值分别近250fg和1.8µm。除质量检测外，阿基米德还整合了高放大率的视频来揭示单个细菌进入传感器入口时的情形。 

细菌生长检测

阿基米德可实时监测微生物群生长变化，包括质量增长和聚集运动等。下图显示E. coli 25922从稳定期至生长期的监测。红点表示每个细菌的浮力重量和相应的检测时间。直方图显示培养液细菌质量分布及培养成熟度，初始培养45min后，细菌质量分布宽泛，显示凝集迹象，这很可能源于curli菌毛的生成和蛋白附属物介导的细菌的粘附。凝集历经65min后转变成生长阶段，此时 E. coli 大多鞭毛驱动运动进行有丝分裂约20min，质量分布变窄，集中在230fg。 

M. Godin等应用阿基米德原理，在***个比细胞自身生长周期更短的时间内捕获细胞，分别检测4种不同的细胞系瞬间生长速率，对于每个捕获事件，其生长速率取决于捕获开始时的细胞浮力质量。结果表明，越重的细胞相对质量轻的生长越快。

Using Buoyant Mass to Measure the Growth of Single Cells,M. Godin etc., NATURE METHODS,  (2010) 

细菌对环境的反应

营养成分影响

已处于生长阶段的少量E. Coli 加入新鲜Luria培养基。E. Coli 快速经历细胞周期，三小时内其平均浓度显著增加，呈指数增长。细菌内部参数表现稳定，包括平均体积、密度和细胞分子组成等。

A.K. Bryan等研究了酵母细胞在不同试剂处理后各生长周期不同阶段细胞密度、体积和质量的变化。数据分析表明细胞密度和生长速率是与其生长周期协调***致的。

Measurement of mass, density, and volume during the cell cycle of yeast, A.K. Bryan etc., PNAS, 2010 

抗体影响

初始培养约2.75小时后，加入100 µg/ml氨苄青霉素，约为达到抑制生长***小量的10倍。4min重取样间隔时间内，细菌数量停止增长，抗生素效应在极短时间内得以评估。此外，细菌总数开始下降，40min后群体完全消失。由于氨苄青霉素干扰细胞壁生长有杀菌性，细菌很快破碎。这在上面直方图中有体现，可以看到大量低质量碎片。共振质量测量也曾用于检测抗生素抗性，基于它们对渗透休克的反应。 

温度影响

E. coliK12分别生长于20℃与36℃，虚线代表不同温度下细菌生长状况。 

三、颜料和墨水检测

颜料的理化性质对于其在终产品中的性能尤为关键，如油漆、化妆品、喷墨油墨。目前

激光衍射广泛用于评估颜料特性。但是颜料对应波长不同的吸光值以及形状和大小的影响，使其折射率很难精确定量，因此光散射结果存在不确定性。此外需要将初始颜料粒子从可形成不稳定分散液的聚集物中区分开来，***般仪器很难做到，且基于光学的仪器都无法检测不透明产物状态的颜料，如油漆和油墨。

阿基米德则擅长测量颜料，它不受任何光学特性变化的影响，对每个颜料粒子直接检测，包括质量或者等效球体的直径，并能轻易区分原始颜料和聚集物，同样也能评估颜料在油墨、油漆或化妆品中分散的稳定性。 

颜料粒子检测

如下图，分析了军用***别的颜料和添加剂，包括样品群体的质量、等效球体直径、标准差及其它统计数据，结果突出显示了平均直径与D10/D90。 

颜料悬液检测

阿基米德浮力质量也能用于检测颜料或添加剂悬液。下图显示了相同的LaMnO4样品分散于异丙醇的频移时间图，它记录了因LaMnO4粒子比溶液密度大(5.5 vs 0.8 g/cc)而产生的向下峰以及液滴轻于异丙醇而产生的向上峰，其中12%为正浮力液滴，它可能源于表面活性物质或者陷于颜料混合物中的空气在液滴悬浮时的释放。群体监测结果显示它在约1小时内分散并消失。相比之下，氧化锆和氧化镍样品则不含如此多低密度的气泡或液滴。 

墨水检测

同***类型墨水分别准备4份，乙酸乙酯1000：1稀释，检测表明粒子大小***致约130nm。对未稀释的原样进行检测，由于浓度太高 (> 1011/ml) 导致无法进行单个粒子检测，因此设定检测>1 µm粒子，观察由悬液中不稳定聚集及引发的结絮。结果显示更大量聚集样品中粒子浓度数量有显著差异。更大聚集量样品浓度与更长的保质期相关，也与样品造成喷墨喷嘴堵塞问题相关。