手指驱动微流控芯片实现食源性致病菌多重检测

食源性致病菌如鼠伤寒沙门氏菌、大肠杆菌 O157:H7 和单核细胞增生李斯特菌，是引发食源性疾病的主要元凶，全球每年因这类致病菌导致数亿人患病，造成巨额经济损失。传统检测方法各有局限，培养法精准但耗时久，酶联免疫吸附法快速但灵敏度不足，PCR 技术灵敏却操作繁琐且需复杂前处理，难以满足现场快速检测的需求，研发操作简便、高效灵敏的多重致病菌检测技术成为食品安全领域的研究重点。

此次研发的检测平台核心为一款精巧设计的手指驱动微流控芯片，整合了核酸提取、洗脱、扩增全流程，无需外部动力，仅通过手指按压即可实现流体控制。芯片创新设计了 3 个气动单向阀与对应气室，可精准将溶液输送至指定区域，搭配 3D 打印旋转阀，能灵活选择溶液流向，有效避免交叉污染；同时芯片内置高梯度磁场，可高效捕获磁珠 - DNA 复合物，提升核酸提取效率。研究团队还开发了配套便携式荧光检测装置，以 LED 灯为激发源，搭配温度控制模块，可完成荧光信号采集与定量分析，整体装置小巧便携，适配现场检测场景。

图 1：展示手指驱动微流控芯片的设计、结构，以及结合该芯片检测多重细菌的全流程和配套便携式装置设计。

该平台将微流控芯片与重组酶辅助扩增（RAA）技术结合，检测过程全程在芯片上完成，无需离线处理。先将细菌样本、磁珠与裂解液等预加载至芯片对应腔室，经 5 分钟细菌裂解释放 DNA，磁珠静电吸附 DNA 后，通过手指按压完成清洗、洗脱步骤，最终提取的 DNA 与 RAA 试剂混合，在 39℃下扩增 25 分钟，整个检测流程仅需 45 分钟即可完成。研究团队对芯片关键参数进行了系统优化，筛选出 1.7mm 直径铁球构建气动阀，确定 10 分钟为最优 DNA 洗脱时间，选择核酸释放剂实现高效细菌裂解，并优化 RAA 反应温度、时间及引物、探针用量，大幅提升检测灵敏度与稳定性。

图 2：验证气动单向阀的工作机制，对比不同铁球直径的密封效果，展示洗脱 DNA 模板在检测腔室的分配效果。

实验结果显示，该平台在最优条件下对鼠伤寒沙门氏菌、大肠杆菌 O157:H7、单核细胞增生李斯特菌的检测限分别低至 15 CFU/mL、48 CFU/mL、38 CFU/mL，检测信号与细菌浓度呈良好线性关系，相关系数均在 0.97 以上。特异性测试中，平台对目标致病菌的荧光信号显著高于非目标菌，无交叉反应；在鸡肉实际样本检测中，对三种致病菌的回收率达 83%-111%，检测结果与定量 PCR 技术高度一致，重复性良好，相对标准偏差均低于 9%。

图 3：模拟对比高梯度磁场与永磁体的磁力强度，验证磁珠在两种磁场中的分布、洗涤稳定性及不同洗脱时间的 DNA 回收率。

该检测平台兼具操作简单、灵敏度高、检测快速、便携性强等优势，突破了传统食源性致病菌检测的技术瓶颈，无需专业操作人员和复杂大型设备，可实现现场快速多重检测。其为食品安全监管、食品生产加工环节的致病菌筛查提供了实用工具，在基层食品安全检测、现场快速监测等场景具有广阔的应用前景，也为微流控技术在生物检测领域的应用提供了新的思路。

参考文献:Jin N, Yang F, Zhang X, et al. Sensitive detection of multiplex bacteria based on finger driven microfluidics and recombinase aided amplification[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2025, 287: 117750.