背景：

核酸（NA）检测在基础研究、食品安全、环境监测和临床诊断等领域具有重要作用，尤其在COVID-19疫情期间，基于核酸扩增的技术因其对呼吸道病原体的高特异性和高灵敏度而备受关注。然而，传统的核酸检测流程复杂，包括从样本中提取和纯化核酸、靶向扩增以及通过光学或电学方式检测，存在操作繁琐、污染风险高、设备体积大和对专业人员依赖性强等问题。这些因素限制了其在分散或资源有限环境中的应用。

磁珠固相提取技术因其温和处理、低污染风险和高回收率成为自动化核酸提取的主流方法，但目前构建完全自动化的核酸检测系统仍面临技术挑战，如磁场和流体动力学的精确控制，以及样品制备与下游NA扩增之间的接口优化。因此，开发紧凑、集成化的核酸检测系统以获取快速、可靠的检测结果，具有重要的研究意义和应用前景。

导读：

近期，剑桥大学医学院客座教授、江苏汇先医药技术有限公司创始人颜菁团队提出了一种用于NA检测的集成式全自动微流控系统，旨在实现“样品进、结果出”的无缝工作流程。相关研究以“Automated microfluidic system for rapid, multiplexed nucleic acid extraction and detection of pathogens”为题目，发表在期刊《Sensors and Actuators B: Chemical》上。

本文要点：

1、本研究提出了一种集成式全自动微流控系统（LunaDx Pro System），用于快速、多重核酸提取和病原体检测。

2、该系统通过集成两个旋转轴和片上预装试剂，减少了人为干预，最大限度地降低了污染风险，并加快了多重病原体检测过程。

3、该系统配备12个反应室和一个四色荧光检测模块，可在80分钟内同时检测多达48个独特靶标，在加标样品中实现低至10 CFU/mL的检测灵敏度。

4、该系统的高效性和稳健性表明其在医学、公共卫生、农业、法医学等领域具有良好的应用前景。

LunaDx Pro系统的工作流程可以概括为以下几个主要步骤：

1、样本加载：用户将待检测样本加入到微流控芯片的样本腔中。芯片中预装有检测所需的裂解缓冲液、试剂和探针，便于后续自动化操作。

2、核酸提取与纯化：

• 核酸提取：系统通过集成的旋转轴和磁珠，自动混合样本与预装的裂解缓冲液和其他试剂，进行核酸的释放与提取。

• 洗涤和纯化：提取的核酸经过内置的多步洗涤和纯化流程，去除杂质和抑制剂，确保高质量的核酸用于后续检测。

3、PCR扩增：提取的核酸被转移至PCR反应腔，系统自动运行全封闭的热循环程序，通过预装的引物和探针，对靶标核酸进行高特异性的扩增。

4、荧光检测：在PCR扩增过程中，系统实时监测荧光信号，通过多通道荧光检测模块，可同时检测多达48个目标，满足多重检测需求。

5、结果输出：整个过程完成后，系统会自动生成检测结果，用户可以通过触摸屏查看结果，或将数据导出用于进一步处理。

整个工作流程从样本加载到结果输出大约需要80分钟，具有高灵敏度（检测限为10 CFU/mL）和高通量的特点，适用于临床诊断、公共卫生、农业和环境监测等多个领域。

微流控芯片通过以下几个关键设计和功能来促进核酸提取和扩增：

1、一体化设计：微流控芯片集成了多个功能模块，包括样本室、PCR扩增室、试剂预加载室和废液室。这种设计使得核酸提取和扩增可以在一个封闭的系统中进行，减少了样本处理过程中的污染风险。

2、预加载试剂：芯片内部的各个反应室预先加载了所需的试剂，如磁珠、裂解缓冲液和PCR反应试剂。这种设计使得用户只需将样本加载到芯片中，系统便可自动完成后续的提取和扩增过程，简化了操作步骤并降低了人为错误的可能性。

3、磁性珠提取技术：芯片采用磁珠法进行核酸提取，通过磁场精确操控磁珠的分散与回收。样本与裂解缓冲液和磁珠混合后，磁珠能高效吸附并富集核酸，随后通过洗涤步骤去除杂质，确保提取核酸的高纯度。

4、旋转轴控制液体流动：芯片内设有两个旋转轴，能够精确控制液体在各个反应室之间的流动。通过旋转轴的不同角度，系统可以实现样本的混合、试剂的分配以及将最终的PCR混合物转移到扩增室。这种精确的流体控制提高了提取和扩增的效率。

5、热循环模块：微流控芯片配备了微型热循环仪，能够提供精确的温度控制，以确保PCR反应的高效进行。系统的加热和冷却速率分别为2.64°C/s和2.91°C/s，温度波动范围保持在±0.1°C内，保证了PCR反应的稳定性和可靠性。

6、多通道荧光检测：芯片配备了四通道荧光检测模块，能够同时监测多个靶标的荧光信号。这种设计使得系统能够在一次反应中同时检测多达48个靶标，提高了检测的灵敏度和特异性。

图1.LunaDx Pro系统概述。

图2.微流控芯片的设计和配置。

图3.芯片操作示意图。

图4.系统的热控制。

图5.荧光素浓度和荧光强度之间的相关性。

图6.优化芯片上核酸提取效率。

图7.LunaDx Pro系统工作流程图。

图8.使用自动化系统对病原体进行多重检测。

图9.系统检测限。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.137008