微流控芯片集成分离、混合、富集、检测于一体，实现细菌快速灵敏检测

由病原菌引起的食源性疾病、败血症、尿路感染等健康问题对人类健康构成了重大挑战。因此，快速、高灵敏度地检测食品、人体血液和尿液中的细菌对于有效预防和治疗具有重要意义。目前，细菌检测技术主要包括选择性培养和聚合酶链式反应（PCR）方法。选择性培养需要超过一天的时间来培养细菌，而PCR检测虽然相对快速且灵敏度高，但需要先进的技术技能和复杂的诊断程序。为了解决这些限制，研究者们开始利用微流控平台进行细菌的快速、高效检测。

近日，韩国汉阳大学和檀国大学教授团队等在ACS Sensors期刊上发表了题为 ：Microfluidic chip with integrated separation, mixing, and concentration

operations for rapid and sensitive bacterial detection utilizing synthetic inorganic antibodies论文。研究人员设计了一种集成的微流控芯片，通过利用螺旋形流体通道的特性，在芯片架构内统一完成了细菌分离、混合、富集和检测细菌分离、细菌与检测物质的混合以及细菌的浓缩，所有操作均。实验结果表明，该芯片在分离效率、混合效率和细菌富集方面均表现出色，并成功应用于尿液样本中大肠杆菌的检测，展现了其在实际疾病诊断中的潜力。

芯片设计

该微流控芯片由分离、混合、富集和阻力四个功能区组成。分离区利用 Dean 流和惯性聚焦原理，通过螺旋通道实现细菌与较大杂质的分离；混合区采用 Dean 流涡旋增强混合效率，设计了不对称分裂通道结构；富集区则通过 PDMS 膜过滤器实现细菌的快速捕获和浓缩；阻力区用于维持设备内的流体动力平衡。

图1 微流控芯片示意图

制备方法

芯片由三层组成：顶部玻璃基底、中间通道层和底部支撑层。采用软光刻工艺制备通道和底部层，PDMS 膜过滤器通过在硅模具上旋涂 PDMS 并刻蚀表面形成。硅模具通过深反应离子刻蚀（DRIE）和湿法刻蚀工艺制备，湿法刻蚀时使用 5% 盐酸和 75% 硝酸的混合液，不搅拌，使硅柱结构上端加速刻蚀，形成尖锐的三维硅模具。

图2 混合部分示意图及模拟结果

细菌检测过程

首先，用 BSA 预处理芯片以防止非特异性反应。然后，将鞘流和样本溶液分别注入分离部分的两个入口，同时在混合部分的额外入口注入细菌检测抗体溶液。通过分离区去除样本中的杂质，细菌与检测抗体在混合区相互作用后被收集在膜过滤器中。最后，用去离子水冲洗芯片，洗去未与细菌反应的抗体和剩余的小杂质，整个过程通过显微镜台实时监测。

实验结果

实验中，研究人员使用大肠杆菌（E. coli）验证了芯片的性能。在分离实验中，芯片能够将 4.1 µm 的颗粒与大肠杆菌有效分离，分离效率达到 87.07%。在混合实验中，芯片在 30 μL/min 的流速下展现出 92.8% 的混合效率。此外，通过 PDMS 膜过滤器浓缩大肠杆菌 30 分钟后，平均损失率为 7.47%，表明过滤器的浓缩性能良好。

图3  (a) 血细胞计数器的荧光图像，其中注入和排出了浓缩部分的溶液。 (b) 30 分钟内大肠杆菌的损失率。 (c) PDMS 膜过滤器上捕获的大肠杆菌的荧光图像。

图4 (a) 传感器图描绘了使用市售荧光抗体检测大肠杆菌的过程。 (b) 测量不同细菌浓度下荧光强度变化的结果。 (c) 尿液中的对照测试和大肠杆菌检测结果。

结论

本研究成功开发了一种微流控芯片，通过流体动力学集成细菌分离、混合和富集操作，实现了细菌的快速、高灵敏度检测；并成功应用于尿液样本中大肠杆菌的检测，展现了其在实际疾病诊断中的潜力。

参考文献：

Nam, Y., et al., Microfluidic chip with integrated separation, mixing, and concentration operations for rapid and sensitive bacterial detection utilizing synthetic inorganic antibodies. Sensors and Actuators B: Chemical, 2024. 404: p. 135202.