一体化滑动芯片快速检测致病菌

许多微流控芯片依赖于精确控制的泵或需要外部电力的阀门来自动或半自动地操作流体，这极大地限制了它们的实际应用。微流控滑动芯片（SlipChip）无需电源驱动，自开发以来便受到了广泛关注，能够在芯片内集成多步复杂操作，从而提高反应效率。此外，不对称分离-再组合（ASAR）微混合器能在较大的流速范围内表现出优异的混合效率，常常与SlipChip结合使用。为了提高生物传感器的灵敏度，各种具有模拟酶特性的纳米材料（如Au@Pt、Au@Pd、Pd@Pt、Au@PtPd、MOF-PdPt）被用来增强比色信号。但是，比色信号的输出依赖于台式酶标仪，这极大地限制了它们的POCT应用。

针对上述问题，作者在这里设计了一种无需电源的生物传感器，使用微流控芯片、Au@PtPd纳米催化剂、一次性注射器和智能手机简单快速地检测沙门氏菌，能够在30 min内检测低至101.2 CFU/mL的沙门氏菌，具有成本低、集成度高、操作简单和便携性好等优点，展现出对致病菌进行POCT的潜在价值。

生物传感的微流控滑片结构

微流控生物传感器由两个PDMS层和一个3D打印支架组成。首先，把该芯片的样品室、分离室、洗涤室和催化室分别断开，将带有免疫磁性纳米球（IMBs）和免疫Au@PtPd纳米催化剂（INCs）的细菌样本、洗涤缓冲液以及_H2O2-TMB显色底物分别预加载到样品室、洗涤室和催化室中。然后，滑动顶层将样品室与分离室连接，用一次性注射器将细菌样品与IMBs和INCs的混合物通过ASAR微混合器来回移动，形成IMBs-沙门氏菌-INCs夹心产物，并在分离室中通过外磁场捕获。接着，滑动顶层将洗涤室与分离室连接，冲洗去除过量的INCs后，继续滑动顶层将催化室与分离室连接。最后，通过夹心产物上的INCs催化无色的_H2O2-TMB显色底物产生颜色变化，通过智能手机App进行图像采集和处理以确定目标菌。

ASAR微混合器的性能表征

靶细菌与IMBs和INCs的结合主要依赖于ASAR微混合器的混合效果。利用分析软件COMSOL对ASAR微混合器进行模拟，该微混合器表现出90%的出色混合效率。为了评估这种微量混合器的实际效果，将去离子水和红色染料注入腔室内，用注射器移动液体来回通过ASAR微量混合器。使用智能手机应用程序在不同的运动时间后收集图像，并使用ImageJ软件处理以获得它们各自的标准偏差。混合效率随着来回运动的次数而增加，并且在第7次运动后达到超过90%。当混合时间为10 min或更长时，捕获效率达到95%，表明10 min对于目标细菌的特异性捕获是足够的（图1）。

图1. ASAR微混合器的性能表征

结论

成功开发了一种用于沙门氏菌POCT的免电源比色型生物传感器。这种微流控芯片可以执行混合、分离、洗涤、催化和检测的整个细菌检测过程。其中的ASAR微混合器表现出良好的混合效果，并且Au@PtPd纳米催化剂被证实能够提高该生物传感器的灵敏度。该一体化生物传感器能够在30 min内检测^{2.0 × 102}至^{2.0 × 105 CFU/mL}的沙门氏菌，检测限为101.2 CFU/mL，并且由于其成本低、操作简单、设计紧凑和高度集成的特点，具有用于致病菌POCT的潜力。

参考文献：

An all-in-one microfluidic SlipChip for power-free and rapid biosensing of pathogenic bacteria. Lab on a Chip, 2024, 24, 4039.