近年来，尽管COVID-19的全球流行态势有所缓和，但传染病的威胁从未远离。从越南的手足口病到中国的登革热，从欧洲的猴痘病毒到美洲的猪流感，呼吸道病原体的频繁暴发持续挑战全球公共卫生安全。这类疾病传播迅速，尤其在缺乏快速阻断疫苗的情况下，早期诊断与隔离防控成为遏制疫情扩散的关键。现有病原体检测技术主要分为免疫分析法与分子诊断技术两类：免疫分析（如抗体检测）虽操作简单、成本低廉，但因依赖抗体生成的“窗口期”，难以实现感染初期的精准识别；而分子诊断技术（如PCR、LAMP等）虽灵敏度高，却面临非特异性扩增、多重检测能力有限或操作流程复杂等问题。尽管逆转录聚合酶链反应（RT-PCR）因高灵敏度和准确性被视为“金标准”，但其开放式核酸提取过程易导致气溶胶污染，且传统流程耗时耗力，难以满足大规模筛查需求。针对上述瓶颈，本研究提出一种全封闭式96通道微流控芯片检测平台，通过整合磁珠法核酸提取、油相封闭式反应与多重荧光检测技术，实现病原体检测的全流程自动化。该平台在10分钟内完成病原体裂解与核酸提取，检测灵敏度可达10拷贝/反应，并能同步筛查21种呼吸道病原体（包括流感病毒、肺炎链球菌等）。

芯片设计与制备：

研究团队采用模塑工艺制备了具有96个独立检测单元的微流控芯片。如Figure1所示，芯片制备过程包括PDMS(聚二甲基硅氧烷)与固化剂按10:1比例混合、真空除泡、金属模具浇注、热固化等多个步骤。芯片结构设计精巧，通过SolidWorks软件设计的金属模具确保了微结构的精确复制。最终制备完成的芯片具有层次分明的结构，每个检测单元包含四个功能腔室，能够实现样品裂解、洗涤和洗脱的全流程操作。

Figure1  (A) 微流控芯片制备示意图。(B) 微流控芯片精密键合示意图。(C) 微流控芯片实物照片。(D) 金属模具SolidWorks设计图。(E) 单晶室结构SolidWorks设计图。(F) 单晶室结构示意图。(G) 芯片爆炸图。

检测原理与方法：

该芯片采用"油包水"机制实现全封闭检测流程。如Figure 2所示，操作过程包括：真空预处理、矿物油填充、试剂加载、磁珠操控等步骤。磁珠在外部磁控装置引导下依次通过裂解腔(5分钟振动)、洗涤腔1(1分钟)、洗涤腔2(1分钟)和洗脱腔(1分钟振动+4分钟静置)。这种设计不仅有效防止了气溶胶污染，还大大简化了传统核酸提取的复杂流程。

Figure 2  (A)样本裂解与核酸分离。(B)首次洗涤，(C)二次洗涤。(D)洗脱并分离纯核酸。(E)管内PCR扩增结果。(F)芯片上荧光结果。

性能验证:

研究人员对芯片性能进行了系统评估。如Figure 3所示，芯片内核酸提取效率与传统管式方法相当，检测灵敏度可达10拷贝/反应。通过优化裂解和洗脱时间，发现3分钟裂解和5分钟洗脱可获得最佳效果，总预处理时间可缩短至10分钟。磁珠结合实验表明，3分钟结合时间即可达到理想的核酸回收率(8.65%-16.73%)。

Figure 3  (A) 管上/芯片核酸扩增结果图。(B) ORF1ab基因梯度扩增图：Y = −3.2791 lgX + 40.8352，R2 = 0.99929。(C) 假病毒梯度稀释结果：梯度拷贝数依次为100、50、10、5及0拷贝。比例尺为1mm。(D1) 管式磁珠结合核酸能力对比(1、2、3、4、5 min)。(D2) 管式磁珠结合核酸时间对比(1、2、3、4、5 min)。(E1) 芯片磁珠核酸扩增能力对比(1、2、3、4、5 min)。(E2) 磁珠结合核酸含量分布(1、2、3、4、5 min)。(F) 假病毒裂解时间梯度测试(1、2、3、4、5 min)。(G) 假病毒洗脱时间梯度测试(1、2、3、4、5 min)。误差棒代表基于至少三次重复实验的标准差

临床应用:

该芯片在临床样本检测中表现出色。如Figure 4所示，芯片可同时检测21种呼吸道病原体，包括流感病毒、呼吸道合胞病毒、肺炎链球菌等。芯片能准确识别单一感染(A-C)和混合感染(D-F)样本，且无交叉污染。四通道荧光检测技术的应用使单次检测能力提升至384个靶标，大大提高了检测通量。

Figure 4  使用荧光显微镜获取6-羧基荧光素（FAM）、六氯荧光素（HEX）和羧基-X-罗丹明（ROX）通道的荧光读数。

这项96通道微流控芯片技术通过创新的系统集成设计，将核酸提取、纯化和扩增全流程整合在封闭系统中，磁珠操控机制实现了自动化操作，从根本上提升了检测效率并降低了污染风险。该芯片展现出三大核心优势：10分钟超快速预处理比常规方法提速80%以上；10拷贝/反应的高灵敏度可检测早期感染；同时识别21种呼吸道病原体的多重检测能力，这些性能指标使该技术在行业中处于领先地位。在应用层面，临床验证结果证实，该技术既适用于疫情暴发时的快速筛查，又能满足常规医疗中精准鉴别病毒性与细菌性感染的需求。特别值得注意的是， PDMS模塑工艺赋予该技术良好的产业化前景，其模块化设计还可灵活应对新发传染病威胁。这种将实验室功能集成到芯片上的"芯片实验室"概念，不仅解决了传统检测流程繁琐、耗时长的问题，更重要的是通过全封闭设计和油相密封有效防止了气溶胶污染，为未来建立高效、安全的病原体监测体系提供了可靠的技术支撑。

原文doi: https://doi.org/10.1016/j.cclet.2025.111109