5分钟完成病原体富集检测 新型声学流控芯片突破微纳尺度检测瓶颈

病原体的快速灵敏检测是疾病诊断、食品安全和环境监测的关键，但临床和环境样本中病原体浓度低、基质复杂，传统检测方法不仅耗时费力，还难以满足现场快速检测需求。声学流控微流控芯片为病原体富集检测提供了无接触、无标记的新路径，却长期面临难以兼顾微纳尺度病原体操控与连续流操作的难题。近日，天津大学团队联合天津武清区疾控中心研发出双涡旋增强声学流控龙卷风（D-VEAT）系统。

该系统的核心创新在于突破了传统声学流控技术的设计局限，解决了声辐射力随颗粒尺寸减小快速衰减的关键问题。研究团队设计了几何优化的双三角千兆赫兹（GHz）体声波谐振器，通过精准调控谐振器与层流的夹角、最大化边长 - 面积比，在微流控通道内构建出稳定的三维双 “声学流控龙卷风”。这种设计让双涡旋耦合产生的边界流速比传统单涡旋结构高出一个数量级，大幅提升了能量利用率和颗粒捕获效率；同时结合无固相流体捕获策略与自适应涡旋动力学，彻底避免了传统固相捕获易出现的通道堵塞问题，可适配10³-10⁸ CFU/mL五个数量级浓度的病原体样本，兼容血浆、唾液等高粘度复杂基质，即使在 55% 甘油模拟的高粘度环境中，捕获效率仍保持 90% 以上。

图 1：展示 D-VEAT 系统工作机制、器件结构及 2μm 颗粒的捕获富集释放轨迹。

为验证系统性能，研究团队开展了多维度的富集检测实验，结果显示该平台表现出优异的广谱捕获能力：对 2μm 微球的捕获效率超 99%，对 100nm 纳米颗粒的荧光信号增强超 12 倍；针对大肠杆菌的检测限低至1×10³ CFU/mL，假型冠状病毒检测限达2×10⁴ PFU/mL，且全程芯片上处理时间不足 5 分钟，远快于传统检测方法。同时该系统适配 **<5μL** 的超低体积样本，富集后可直接对接平板培养、qPCR 等主流生物检测技术，大肠杆菌富集倍数达 13-15 倍，检测结果准确性高。

图 2：仿真呈现 D-VEAT 谐振器振动速度分布，及双、单器件涡旋的速度对比。

此外，D-VEAT 系统还具备良好的生物相容性与实用性：芯片工作时局部峰值温度仅 28.8℃，不会造成病原体失活，保证下游检测的样本完整性；采用可逆键合工艺，经乙醇清洗后可重复使用，10 次连续使用后仍保持原有捕获效率，大幅降低检测成本；研究团队还引入参数 P实现捕获性能的动态调控，高 P值适用于高浓度样本的快速富集，低 P * 值可提升低浓度样本的检测灵敏度，满足不同场景的检测需求。

图 3：仿真结合实验验证 D-VEAT 的颗粒捕获能力，含轨迹、富集图像及效率数据。

值得注意的是，该系统的应用范围不仅限于细菌和病毒，还可拓展至外泌体、细胞外囊泡等 30nm-1μm 的关键生物标志物富集，其模块化设计还支持构建多阶段 D-VEAT 阵列，实现高通量样本处理或复杂的连续分离纯化。作为高效的样本前处理模块，它可无缝集成到 PCR、免疫分析、下一代测序等下游分析技术中，有望开发为 “样本到结果” 的全自动床旁检测设备。

这款新型声学流控芯片兼具快速、灵敏、广谱、低成本的优势，成功解决了微纳尺度病原体富集检测的核心难题，在临床传染病快速诊断、食品安全致病菌筛查、环境水体病原体监测等领域具有广阔的应用前景，也为声学流控技术在生物检测领域的发展提供了新的设计思路。

参考文献：Wei W, Jin K, Wang B, et al. On-Chip Pathogens Enrichment and Detection Using Dual Vortex-Enhanced Acoustofluidic Tornado[J]. ACS sensors, 2026.