一种用于POCT检测的针-胶塞模块化设计微流控装置

文摘 2024-11-12 08:00 湖北

研究背景

突发传染病（如COVID-19）给公共卫生和全球安全带来的挑战，特别是早期、快速和准确的诊断尤为重要。传统的qPCR方法虽然在抗疫中起到了关键作用，但在应对新兴的检测需求（如混合检测、现场快速诊断和居家自测）时，在灵敏度和特异性方面显然存在局限性。为了满足这些新需求，微流控技术被认为能够提供低成本、便捷、自动化的解决方案，尤其适用于现场检测。

研究团队认为目前微流控系统的优势都来源于其一个核心特性：微型化。微型化使得分析设备更加高效、自动化和便携，但在实际应用中，尤其是在临床诊断和大体积样本处理时，微型化也存在其缺陷。临床样本通常较大，且需要较高灵敏度的检测，这要求处理的样本体积往往超过微流控设备的常规处理范围。常见的连接方式（如软管、密封圈）由于稳定性差和体积大，不适合临床应用。此外，虽然微流控系统中的试剂消耗量极少，但在处理大体积试剂时，试剂的存储和精确加载也面临挑战。

为了解决宏观流体与微尺度结构的结合问题，研究团队受到经典注射器结构的启发，设计了以“针-胶塞/活塞”为核心结构单元的微流控装置。以该单元为基础能够组合成更复杂的操作，执行存储、混合和释放μL至mL级别的溶液，使其达到样本进结果出的效果。此外研究团队基于该设计与团队先前提出的“3D可扩展”架构相结合，以满足功能集成、宏观流体操作和灵活通量的需求。最后研究团队开发了一种超灵敏的核酸检测系统，能够以每毫升10拷贝的检测限进行50个咽拭子样本的大规模混样SARS-CoV-2核酸检测。相关成果以《Needle-Plug/Piston-Based Modular Mesoscopic Design Paradigm Coupled with Microfluidic Device for Point-of-Care Pooled Testing》为题发表在Advanced Science上。

研究内容

图1：基于“针-胶塞/活塞”相适配的介观微流控系统设计范式

研究团队提出了一种基于空心针和胶塞相配合的微流控芯片接口，实现了宏观液体与微流控芯片的高效连通和密封，同时建立了针刺穿胶塞的作用力模型，并对胶塞的厚度和硬度、空心针的直径和斜角进行了系统测试。此外，为了避免溶液泄漏，容器底部设计了弹簧，以保证注射和回缩过程中的密封性。最后，该设计单元还能实现试剂的长期有效存储，满足了实际应用中对试剂保存的需求，满足了实际应用中对试剂保存的需求。基于这一基本结构单元，团队进一步设计并定义了IN（注入）、OUT（排出）、IN-OUT（双向流体控制）、ON-OFF（开关控制）四个基本功能单元，可用于完成不同的流体操作。这一模块化设计为复杂的微流控操作提供了灵活的解决方案。

图2：基于模块化的设计范式开发不同目的的流体操作

基于以上微流控单元，研究人员设计了一系列经过验证的宏-微观流体操作模块。这些模块通过微管道连接基本单元器件，能够组合实现多种复杂的流体操作。例如：1）串联多个IN单元，可实现多种流体的依次释放；2）结合多个IN和OUT单元，实现单一流体的多次分配；3）通过在IN和OUT之间加入ON-OFF单元，灵活控制流路开闭；4）通过串联多个IN和IN-OUT单元，通过气泡吹混实现不同试剂的混合。此外，研究人员还进一步展示了通过在单个试剂管上集成多个活塞，并通过凹槽与通气孔，进行复杂微量流体操作的能力。

图3：与多种微流控平台无缝集成的设计指南

然后研究团队根据该介观微流控设计范式提供了一种灵活且标准化的宏-微观流体操作系统设计方法，分为三个步骤：1) 根据应用场景的需求确定接口和流体功能单元；2) 通过固定空心针作为宏观与微观流体的接口；3) 将宏观流体操控装置连接到平面微流控平台，完成整个宏微观系统的设计。之后，研究团队研究展示了两个应用场景：1、液滴生成：通过T型液滴生成芯片，结合介观设计，使得原本需要手动加载试剂的数字PCR系统，能够实现更加独立的操作。生成的液滴通过精确控制流速收集，且具备封闭性；2、核酸提取：设计了一个手动核酸提取设备，通过按压四个按钮控制样品、清洗液和洗脱液的流动，并成功提取SARS-CoV-2 RNA，提供了较高的灵敏的检测能力，该设计在成本敏感的居家自测场景中展现了应用潜力。

图4：基于“3D可扩展”架构的双重提取-qPCR微设备（iDEP）

接着研究团队提出了“3D可扩展”设计架构，该架构将X、Y、Z三个维度分别用于功能集成、宏观-微观界面连接和通量调节，从而满足不同临床环境下的检测需求。在此基础上，研究团队结合模块化介观设计，成功开发了一款超灵敏的微型检测设备（iDEP）。

该微流控卡盒采用双重核酸富集技术，不仅能够有效去除杂质，还确保几乎100%的核酸回收率。具体来说，微流控卡盒内首先使用硅胶膜进行初步核酸提取，然后通过改性的石英纤维（QF）滤纸进行二次富集。从提取表征结果上看，硅胶膜能够达到75%~80%的捕获效率；在QF纸的应用中，随着样本体积从0.5毫升增加到2毫升，捕获效率逐渐从接近100%下降到50%。在iDEP设备中，硅膜提取的核酸经过pH调整，体积不到200微升，然后通过QF纸。结果表明，几乎所有通过硅膜提取的核酸都可以被QF纸有效捕获。

鉴于iDEP系统为原位扩增的设计，研究团队对气泡对扩增的影响进行了探究，结果显示，在引入不同程度的气泡的情况下，扩增主要发生在QF纸上，只要滤纸被PCR混合液浸泡并确保与加热块紧密接触，室内的气泡不会影响扩增。最后研究团队对iDEP系统的检测灵敏度进行了表征，结果显示，检测灵敏度高达10 copies/mL。

图5：iDEP设备的性能表征

最后研究团队将iDEP系统应用于实际样本的检测以及大规模混合样本的模拟检测中。在对76名受试者的咽拭子样本进行评估时，iDEP系统成功检测出38例阳性样本中的SARS-CoV-2病毒N基因和ORF1ab基因，且在某些情况下，其检测灵敏度超过了传统磁珠法RT-qPCR。同时，对于38例阴性样本，iDEP系统未出现任何假阳性，显示出其卓越的特异性。此外，在50个拭子样本的混合检测中，iDEP系统的检测限仍保持在50 copies/mL，远优于传统方法的500 copies/mL，从而有效避免了漏检的风险。

这些结果不仅验证了iDEP系统在临床应用中的有效性，也彰显了其在突发传染病早期筛查与防控中的巨大潜力，为大规模检测提供了高效且可靠的技术支持。

研究小结

总之研究团队开发的模块化介观微流控设计平台有效突破了微流控技术在大体积样本处理中的性能限制。通过“针-胶塞”的连接方式，该平台实现了微升至毫升级别样本的高效操作，并且支持在无仪器或低成本简易仪器下进行操作，特别适合于居家自测等经济型应用。此外，该平台采用了“3D可扩展”架构，并结合双重核酸提取技术，实现了10 copies/mL的超高灵敏度，支持大规模混合检测的同时，保持了优异的灵敏度并显著节约了成本与时间。这一创新平台不仅加速了微流控芯片微全分析系统的开发进程，也有效降低了系统的使用成本，推动了微流控技术在各种实际应用场景中的广泛推广。

注：该文为最新科研动态新闻报道，如与原文作者有原创冲突，可与本公众号作者联系删除。

THE END

一览众山小

撰稿人|张三丰

校稿人|HD

推送|HD

参考文献>>

[1] Needle-Plug/Piston-Based Modular Mesoscopic Design Paradigm Coupled With Microfluidic Device for Point-of-Care Pooled Testing. Advanced Science, 2024, DOI: 10.1002/advs.202406076.

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg2Nzk3NDAyOQ==&mid=2247512775&idx=3&sn=33dcebb35bbeda73625ec42632ef474d

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