尼龙滤膜集成的便携式离心式芯片快速检测水中的活细菌

  水是生命之源，然而，饮用水容易被被各种微生物污染。例如，大肠杆菌污染常发生在河流、水井甚至不定期维护的饮水机的水中。饮用这些被细菌污染的水可能导致各种水传播感染，包括出血性肠炎、痢疾、霍乱和伤寒。因此，饮用水的检测至关重要，特别是开发低成本且易于使用的现场检测设备以快速计数水中的微生物是至关重要的。微流体利用其小型集成化、检测时间短、所需样品及试剂少等优点发展成现场检测的最佳工具之一。与传统微流控系统相比，离心式微流控系统设计简单，操作方便，有助于避免容易出错的操作。此外，一个离心式微流控芯片可以包含多个独立的单元，多种微生物的检测可以同时进行，并大大减少操作中的变化。然而，目前一些微流控装置仍需庞大而复杂的设备，如荧光显微镜和激光光源。而其他使用分子测试盒免疫分析的方法，不仅实验成本高，而且无法获得总活菌数。而一些便宜，便携且能检测活细胞的设备，往往无法提供令人满意的检测限。

  近日，台湾阳明交通大学的Bor-Ran Li团队提出了一种新颖、简单而高效的方法，通过尼龙膜集成离心微流控装置用于快速检测水中的活细菌。该研究利用手持式风扇和可充电宝分别作为离心转子和加热源，其离心系统可以快速将水中的细菌浓缩500倍。在经过一系列处理后，使用水溶性四氮唑-8(WST-8)孵育尼龙膜，尼龙膜的颜色会发生变化，可直接通过肉眼观察或使用智能手机摄像头记录变化。整个过程仅需要3个小时，微生物检测限可低至102 CFU/mL。该研究评估了6种不同的膜过滤器在过滤细菌和使用WST-8培养的可行性，研究结果发现尼龙膜效果最好。建立的研究方法与传统的培养方法(溶原肉汤琼脂平板法或商业3 M Petrifilm™细胞计数平板法)的结果相比，其细菌计数结果高度一致。这个新方法提供了一种方便、灵敏的策略，可以快速监测水中的微生物，以期改善资源匮乏国家的水质监测工作。

  如图1A，采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和过滤膜制备了饮用水检测芯片，激光切割机在每一层，包括过滤膜上刻下图案，采用6种膜，用热压机粘接芯片，并用胶带密封以防止灰尘。用紫外线照射30 min(图1B)。整个芯片包括三个功能部分：样品室、过滤室和储存器。检测步骤如图1C，将1 mL水样注入样品室，旋转芯片使水通过过滤室，将水样保留在储存器，从试剂进口加入30 µL的LB-WST-8孵育样品。使用WST-8进行微生物代谢的比色检测，在450 nm吸光度下测定其甲臜含量(图1D)。过滤室内的尼龙膜增强了颜色浓度，为目测提供了清晰均匀的颜色。为实现便携式检测，用可充电的手持风扇作为离心平台，用芯片替换风扇叶片(图1E)，使用可充电的暖手宝作为便携式恒温平台。利用热成像仪监测芯片的温度(图1E)，使过滤室温度保持平衡。

  图1 用于饮用水检测的芯片。(A)芯片的制备工艺及照片;(B)装置的分解图(局部细节);(C)操作过程中芯片的细节和过滤室的侧视图;(D)细菌细胞活力检测机制;(E)现场检测装置包括手持式风扇和暖手器

  总的来说，本研究提出了一种具有成本效益、便携式和易于使用的饮用水检测器，用于评估总活菌数。利用手持式风扇和可充电加热器分别作为离心平台和孵化器，实现现场检测。与其他检测方法相比，该检测系统具有成本低、用户友好，灵敏度高，能够检测活菌的特点，这对于资源匮乏的国家极具意义。

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115403