病原菌检测对环境和食品安全至关重要，但现有技术如PCR和电化学传感器存在操作复杂、设备昂贵等问题。纸基微流控芯片（μPAD）因其低成本、便携性和无泵特性成为理想选择，但小样本量与灵敏度之间的矛盾限制了其应用。本文提出了一种创新解决方案（如Figure 1所示）：结合PDMS储液池的大样本容量（2 mL）、纸基亲水输水、适配体修饰微球捕获靶细菌，以及超吸树脂维持连续流动。通过部分涂覆PDMS的纸基实现储液池粘附与底部输水功能分离，解决了传统纸基芯片无法处理大体积样本的瓶颈。该设计避免了离心等手动操作，显著提升了检测效率，适用于水、牛奶等复杂样本的现场快速检测。

Figure 1  (a)三维微流控芯片整体结构；(b)芯片设计截面示意图；(c)制备芯片的光学显微图像；(d)基于该芯片的检测流程。

1. 创新的芯片设计与性能优化：

本研究成功开发了一种新型纸/PDMS混合微流控芯片，其核心创新在于巧妙解决了传统纸基芯片在样本处理量与检测灵敏度之间的矛盾。通过采用部分涂覆PDMS的纸基设计（如Figure 2所示），实现了储液池牢固粘附与底部高效输水的双重功能。具体而言，当使用20μL PEIE改性PDMS时，可获得约70μm的渗透深度，这一优化平衡了结构强度与流体传输效率。该设计使得2mL样本溶液的处理时间缩短至15分钟（水样）或20分钟（稀释牛奶），较传统方法效率提升显著。芯片集成了1mL PDMS储液池和超吸树脂，构建了完整的无泵流体系统，为现场检测提供了可靠的技术支持。

Figure 2  PDMS涂覆纸张基材的横截面SEM图像：(a) 0 μL PDMS；(b) 20 μL PDMS；(c) 40 μL PDMS。红色虚线显示PDMS涂覆玻璃纤维与原始纤维之间的界面。

2. 高效的细菌捕获与富集系统：

研究团队开发了基于适配体修饰微球的细菌捕获系统，采用10μm聚苯乙烯微球表面固定特异性识别铜绿假单胞菌的核酸适配体（如Figure 3所示）。实验数据显示，该捕获系统对目标菌的捕获效率高达93.47%，而非特异性吸附控制在8%以下，展现出优异的特异性。值得注意的是，即使在含有大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等干扰菌的混合样本中，该系统仍保持91.52%的捕获效率，验证了其在复杂样本中的适用性。微球的尺寸设计（10μm）与纸基孔径（2.7μm）的巧妙配合，确保了高效的细菌富集与保留。

Figure 3  (a) 颗粒过滤芯片中微球的光学图像，对应区域在图S2(a)中用红色虚线框标出。插图部分为铜绿假单胞菌染色后的典型荧光图像；(b) 包被微球对不同种类细菌的捕获效率。

3. 卓越的检测性能与实用性验证:

通过集成便携式荧光检测装置，该芯片实现了10-1000 CFU/mL的宽线性检测范围，检测限低至10 CFU/mL。荧光强度与细菌浓度的对数呈现良好的线性关系（R²=0.944），满足实际检测的定量需求（如Figure 4所示）。在实际样本测试中，该系统成功克服了复杂基质的干扰。对于含100 CFU/mL干扰菌的混合样本，目标菌检测偏差小于3.2%；在稀释牛奶样本中，尽管蛋白质导致信号略微降低（约7个细菌的等效信号），但仍保持良好的线性响应，证实了其在真实场景中的可靠性。

Figure 4  （a）片上细菌富集10分钟后包被微球的荧光图像；（b）片外细菌富集10分钟后包被微球的荧光图像；（c）荧光强度与铜绿假单胞菌浓度对数的关系。蓝线和红线分别代表片上富集与片外富集的线性拟合曲线。

4. 差异化的活/死细菌鉴别能力:

该平台创新性地整合了活/死细胞染色技术，通过Calcein-AM/PI双染色结合选择性荧光检测，实现了活菌的特异性识别。实验证明，在含有50 CFU/mL活菌和50 CFU/mL死菌的样本中，检测结果与纯活菌样本相比仅偏差7.5%，有效避免了死菌造成的假阳性问题，这一特性显著提升了检测结果的临床相关性。

本研究成功开发了一种创新的纸/PDMS混合微流控生物传感器，通过多学科交叉设计解决了传统纸基芯片在细菌检测中的关键瓶颈问题。该技术采用部分PDMS涂覆的纸基设计，实现了大容量储液池（2mL）与无泵流体传输的兼容，结合适配体修饰微球（10μm）与纸基孔径（2.7μm）的协同设计，使细菌捕获效率达93.47%，非特异性吸附控制在8%以下。超吸树脂驱动的连续流动系统将检测时间压缩至15分钟，对铜绿假单胞菌的检测限低至10 CFU/mL，在含干扰菌的混合样本中仍保持>91%的特异性，且能有效区分活/死细菌（偏差<7.5%）。相较于传统PCR和电化学方法，该技术兼具操作简便、成本低廉（芯片<1美元）和便携性强等优势。未来研究可从多靶标检测升级、智能化系统集成、临床样本适配性优化和产业化推进四个维度拓展，特别是在资源有限地区的公共卫生监测中具有广阔应用前景。当前芯片设计已预留模块化扩展空间，预计单次检测成本可控制在2美元以内，较商业PCR试剂盒（20-50美元/次）具有显著市场竞争力。

原文doi: https://doi.org/10.1016/j.talanta.2024.126155