手机也能“驱动”核酸检测？一种微流控芯片让CRISPR检测走向现场

设计原理

传统核酸检测灵敏度高、特异性强，但通常依赖中心实验室、复杂仪器和专业人员，难以满足现场检测和资源有限场景的需求。该研究围绕“低功耗、便携化、可现场部署”这一目标，构建了一种由手机供电的外接微流控核酸检测平台。其基本思路是：利用激光诱导石墨烯加热器为芯片上 LAMP 扩增提供稳定恒温环境，再通过 CRISPR/Cas9 完成目标序列识别，并分别接入 LFA 可视化读出和电化学定量读出。前者强调快速、直观，后者强调灵敏、客观和定量，从而形成“扩增—识别—检测—控制”一体化的便携检测体系（图1）。

图1  手机供电微流控核酸检测平台的工作流程与系统架构

研究内容与结果

1. 构建便携式一体化检测平台

该平台由微流控芯片和电子控制模块组成。微流控部分包括 LAMP 扩增区、液体转移通道和电化学检测区；电子模块包括 Arduino 控制单元、温度监测模块、微型电化学工作站和显示界面。Cas9-sgRNA 是核心识别元件：一方面可与扩增产物结合，用于 LFA 试纸条肉眼判读；另一方面可固定在电极表面，将靶标结合事件转化为电化学信号（图1）。因此，该研究并不是单纯优化某一个反应，而是试图把核酸扩增、CRISPR识别和检测读出整合为一个可便携运行的系统。

2. LIG 加热器实现低功耗芯片扩增

LAMP 扩增需要稳定温度。作者通过 CO₂ 激光在聚酰亚胺基底上制备激光诱导石墨烯加热器，其多孔导电碳结构有利于快速升温和均匀传热。温控结果显示，加热器可在约 10 min 内升至目标温度，并在 66 ℃附近稳定运行，温度波动约为 ±0.1 ℃（图2）。系统稳定运行时平均电压约 1.98 V，结合 30 Ω 电阻计算，稳态功耗约为 130 mW，说明其具备手机供电条件下运行的可能性（图2）。LAMP 优化实验显示，芯片上 66 ℃扩增效果最佳，并且与商业热循环仪结果一致，证明该低功耗加热模块可在本研究条件下实现与常规台式设备相当的芯片上核酸扩增（图2）。

图2  LIG加热模块的材料表征、温控性能及芯片上LAMP扩增验证

3. LFA 实现快速可视化筛查

在完成扩增后，作者首先构建了 Cas9-LFA 可视化检测体系。该体系利用生物素化 LAMP 引物、Cas9-sgRNA 复合物和 FITC 标记抗体，使目标核酸在商业 LFA 试纸条上形成检测线。优化实验显示，LAMP 扩增时间和 Cas9 孵育时间都会影响检测结果；以低拷贝 SARS-CoV-2 RNA 为模板时，LIG 加热完成的扩增产物同样能够被 Cas9-LFA 检出，而非同源 sgRNA 对照不出现检测线，说明该体系具有较好的靶标特异性（图3）。

图3  Cas9-LFA可视化检测条件优化及LIG芯片扩增性能验证

不过，LFA 的优势和局限也很明确。它操作简单、结果直观，适合现场快速筛查；但检测结果依赖足够高的扩增产物量和人工肉眼判读。作者通过不同 PCR 循环数和梯度稀释实验进一步确认，LFA 对扩增后 DNA 产物的检测阈值约为 1 × 10¹¹ copies/20 μL，即约 5 × 10⁹ copies/μL（图4）。这说明 LFA 更适合作为快速定性工具，而当目标浓度较低或需要定量分析时，仍需要更灵敏的读出方式。

图4  Cas9-LFA检测灵敏度及扩增产物阈值评估

4. 电化学检测提升灵敏度和定量能力

为克服 LFA 灵敏度和主观判读的不足，作者进一步构建了 Cas9 电化学传感器。该模块将 Cas9-sgRNA 固定在金电极表面，目标 DNA 被捕获后，RuHex 与 DNA 磷酸骨架结合，并通过差分脉冲伏安法输出电流信号。结果显示，峰电流随 DNA 浓度升高而增强，检测限达到 5 × 10⁶ copies/μL，比 LFA 灵敏约 3 个数量级（图5）。同时，非目标 DNA 不产生明显信号，说明电化学响应主要来源于 Cas9-sgRNA 对靶序列的特异性识别（图5）。因此，LFA 和电化学读出在平台中形成互补：前者用于快速初筛，后者用于灵敏、客观和定量检测。

图5  Cas9电化学传感器的构建、表征与定量检测性能

5. 微流控集成验证现场检测潜力

最后，作者将 LIG-LAMP 扩增区、电化学检测区、微通道、PDMS 微泵和防回流结构整合到封闭式微流控芯片中。检测流程包括 LAMP 扩增、扩增产物转移、RuHex 孵育和电化学检测。红外热成像显示，扩增区可维持约 65 ℃，而检测区保持在约 25.9 ℃，避免高温影响 Cas9 活性（图6）。经氧化石墨烯亲水化处理后，通道接触角由约 70°降至约 30°，有助于提升液体输运稳定性（图6）。最终，该平台可检测低至 5 copies/10 μL 的 DNA 输入量，30 min 后获得明显电化学信号，证明其具备低拷贝核酸现场检测潜力（图6）。

图6  集成式微流控平台的构建与低拷贝核酸检测验证

结论

本研究创新性地将 LIG 低功耗恒温加热、LAMP 扩增、CRISPR/Cas9 特异识别、LFA 快速筛查、电化学定量检测和手机供电控制整合为一个外接微流控平台，实现了低至 5 copies/10 μL 的核酸检测能力。其局限在于样本采集、裂解和核酸提取仍需在芯片外完成，距离真正的全流程 sample-to-answer 检测仍有进一步优化空间。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01340-y