呼吸道病原体对公共卫生构成重大挑战，迫切需要有效的诊断方法。近期，中国科学院上海微系统与信息技术研究所赵建龙团队联合上海海洋大学卞晓军团队，开发了一种集成微流控芯片，能够高效、灵敏地同时检测12种常见呼吸道病原体，实现了从样本到结果的快速全自动化诊断流程，为现场多重病原体检测提供了一种有前景的分子诊断平台。相关研究以“Simultaneous Detection of Multiple Respiratory Pathogens Using an Integrated Microfluidic Chip”为题目发表于期刊《Analytical Chemistry》。

本文要点：

1、本研究开发了一种集成微流控芯片，能够同时检测12种常见呼吸道病原体。

2、该芯片集成了基于磁珠的核酸提取与纯化、声流驱动混合、液体等量分配和多重PCR扩增及原位荧光检测，实现了样本处理到结果分析的全自动化流程。

3、通过设计微柱和气泡捕获阵列结构实现磁珠的高效混合。微柱维持混合室中的水相，而气泡捕获阵列能够稳定形成气泡，在声场下充当微混合器。

4、为防止交叉污染，整个核酸提取和PCR扩增过程均采用了油包水体系。

5、该方法的检出限低至10拷贝/μL，整个检测过程仅需约70分钟，其多重病原体分析能力、灵敏度和速度均优于现有的大多数微流控芯片分子诊断方法。

6、使用临床鼻拭子样本验证了该方法在实际应用中的可行性，包括单一病原体和混合感染的检测。这种集成微流控装置为多种病原体的现场同时检测提供了一个有前景的多重分子诊断平台。

该集成微流控芯片的主要优势包括：

1、多重检测能力：能够同时检测12种常见呼吸道病原体，提升了诊断效率。

2、快速结果：从样品加载到结果读取的总时间约为70分钟，适合临床快速诊断需求。

3、高灵敏度：检测限低至10拷贝/μL，确保了对低浓度病原体的有效检测。

4、全自动化流程：集成了核酸提取、混合、PCR扩增和荧光检测，减少了人为操作的复杂性和错误风险。

5、防交叉污染设计：采用油包水体系，降低了在检测过程中的交叉污染风险。

该芯片实现磁珠高效混合的方式主要包括以下几个方面：

1、微柱设计：芯片中设计了特定的微柱结构，这些微柱在混合室内部分隔磁珠混合区和核酸纯化区，确保磁珠在水相系统中有效混合。

2、气泡捕获阵列结构：在混合室内部，设计了特殊的气泡捕获阵列结构，当水相充满混合室时，这些结构利用表面张力在腔室内形成稳定的气泡阵列。这种阵列结构在液体注入过程中能够保持一致的气泡形成，为磁珠提供大而稳定的气泡表面积，有助于磁珠的高效混合。

3、声流驱动混合：利用压电换能器（PZT）产生的声场，使混合室内的气泡在液体中剧烈振动。这种气泡振荡产生了显著的声流现象，加速了液体中物质的传输，从而实现了快速且均匀的磁珠混合。

4、共振频率的应用：通过确定气泡的共振频率并应用此频率激发气泡振荡，可以产生显著的声流现象，从而实现磁珠的高效混合。

5、油相驱动：在混合后，使用油相推动磁珠混合物进入四个等体积的腔室，确保磁珠混合物均匀分布。

6、微柱间隙的优化：微柱间隙的设计对于维持两种不相溶液体之间的界面张力至关重要，通过优化微柱间隙，可以抵抗外部扰动，确保磁珠在混合过程中的均匀分散。

通过上述设计和操作，该芯片能够在大约35秒内实现磁珠的高效混合，为后续的核酸提取和检测提供了均匀的磁珠混合物。

图1.用于同时检测多种呼吸道病原体的集成微流控芯片。

图2.声流混合的优化。

图3.（A）磁珠被油相推入等分腔室的图像。（B）不同体积的磁珠在四个腔室中的平均灰度值。（C）在有两个矩形腔室和（D）没有两个矩形腔室的情况下，磁珠在等分腔室中的残留情况。

图4.使用荧光显微镜读取FAM、HEX和ROX通道的片上荧光结果。图A、B、C和D分别对应1、2、3和4号孔。误差条表示至少3次重复实验的标准偏差。

图5.临床鼻拭子样本中各种呼吸道病原体的荧光分析：（A）SP，（B）RSV-A，（C）HADV，（D）FLUA，（E）MP，（F）SP&RSV-A，（G）HADV、FLUA&MP。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c00990