【病毒学检测】夏宁邵教授团队设计开发一种用于核酸现场快速检测的微流控芯片

病毒学界 · 公众号 · · 2023-05-29 22:08

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近日，厦门大学分子疫苗学和分子诊断学国家重点实验室夏宁邵教授/张军教授/葛胜祥教授在 Sensors and Actuators B: Chemical 杂志联合发表核酸快速检测的微流控研究成果，即“ All-in-one microfluidic chip for 30-min quantitative point-of-care-testing of nucleic acids ”。

核酸检测直接面向病原体的遗传物质，具有高灵敏度和高特异性的特点，特别在传染性疾病筛查诊断中不可或缺。然而，当前常用的实验室核酸检测方法需要在专业实验室由经过严格培训的检验人员进行，使用多台仪器联合检测，手工操作步骤多，耗时费力，存在污染风险，总检测时间长达 3-5 小时，无法实现现场快速检测和“样品进，结果出”的效果。

夏宁邵教授团队设计开发出一种可用于核酸现场快速检测的微流控芯片，引入动态密封、超声辅助和先进控制方法，整合了试剂预封装存储、提取、快速 qPCR 扩增和实时荧光检测等多项技术，配合自行研制的快速检测仪器共同使用，能够在 30 分钟内实现包括完整提取流程与 45 个扩增循环的全自动核酸定量检测，且灵敏度与现行临床标准一致。通过结构设计的创新，实现了开模注塑工艺生产，相比常规微流控芯片具有造价低廉、可大批量生产的优势，应用前景广阔。

该微流控芯片大小仅为 115×80×10mm ，近似成年人手掌大小。按照核酸检测流程，其集成了储液腔、微阀、反应腔、扩增腔、废液腔和多达 14 条流道。研究人员针对前述功能模块分别进行结构设计、功能实现和性能测试，并对芯片的实际检测功能进行探究。通过对先进热封技术的突破，实现了核酸检测试剂在储液腔的预存储，为现场快速检测奠定了基础。微阀用于液流控制，同时还具有液流流经过程的密封功能。研究人员搭建了测试平台，分别对微阀动、静密封性能进行探究。结果表明，在考虑注塑误差的情况下，微阀压紧 0.2mm 即可承受高达 250kPa 气压，远大于检测过程中需承受的气压强度。随后，通过使用电机模拟转阀 18min ，识别出试剂液面最大变化仅为 0.402mm ，证明了微阀同样具有良好的动密封性能。反应腔是核酸提取各个生化反应的腔室，研究人员根据其与超声耦合工作的需求，将其设计为特殊球冠状结构。通过超高速工业相机拍摄超声辅助磁珠混匀过程，结合 ImageJ 软件进行图像分析，发现目前结构下的磁珠在腔室内的分布可以在三秒内由 5.4% 增加到 95.3% ，没有出现明显的磁珠聚团现象。扩增腔采用薄片状设计，配合仪器中帕尔贴双面夹紧的热源结构，最大程度增加与热源的相对接触面积，提升温度变化速率，实现最快可在 20min 内完成 45 个扩增所需的温度循环，相比传统商用 PCR 仪长达 2 小时的耗时，检测时间大大缩短。最后，以人血清为样本，HCMV为检测对象，对芯片的核酸检测性能进行了实验评估。分别对比了三个样本浓度梯度的提取和快速扩增效果，实验结果表明，芯片提取的稳定性优于手工提取，芯片扩增具有与伯乐PCR仪同一水平的线性度。另外，实验验证了芯片对HCMV的全流程检测效果，其检测下限可低至1 copies/μL，且对于28-36Ct浓度范围的HCMV样本均能快速准确获得定量检测结果。