指尖一按即可检测：CRISPR/Cas12a微流控芯片实现多重食源性致病菌超灵敏检测

1. 引言

对低丰度致病菌开展早期筛查，会一直遇到食品安全以及现场监测当中的不少现实阻碍；传统培养手段虽然拥有足够可靠的检测效果，却需要耗费掉比较久的实验时长，实验室分子检测虽能拿到很高的检测灵敏度，却会大量用到繁琐的样品处置步骤、精密检测器械还有具备专业能力的操作人员。一方面，食品加工现场、基层检测点位或是各类资源比较匮乏的环境，很难满足整套复杂实验的落地条件，另一方面，我们能够在守住灵敏度与特异性的前提下，把整套检测流程做到更加简易、更加便于携带，已经变成当下分子诊断领域需要重点推进的发展方向。

2026 年，Wang 等人曾经在 Chemical Engineering Journal 上面发表过一篇题为 “Finger driven microfluidic chip based on CRISPR/Cas12a mediated RPA amplification for ultrasensitive and multiplex bacteria detection” 的研究成果；该研究团队搭建出一套可以依靠指尖完成驱动的微流控平台，团队会把细菌识别、核酸扩增还有 CRISPR 信号转换安置到芯片内部各自独立的反应腔室里面，操作人员仅需要使用手指按压的动作，就可以带动芯片内部的液体依照既定步骤完成流动，能够有效削减设备对外部泵体以及各类复杂控制组件产生的使用需求。

2. 研究思路：把“细菌识别”转化为可放大的荧光信号

这套检测体系的前端识别环节，会借助 MXene‑Fe@Apt 探针来完成相应工作；研究人员能够先给 Ti₃C₂Tx MXene 做完铁离子以及聚乙烯亚胺的改性修饰处理，再把单链适配体固定附着到该材料的表层位置，还可以依靠碱基互补的作用，将能够启动反应的 “激活序列” 预先锁死在适配体结构上面；一旦样品里面出现了目标致病菌，适配体便会优先完成和细菌之间的结合过程，原本被牢牢锁住的激活序列也能够得到释放。

已经得到释放的激活序列可以流转进入 RPA 反应模块当中，能在恒温的环境之下实现快速扩增，会生成携带有 CRISPR 识别位点的扩增产物；等到这类扩增产物流转至下一处反应腔之后，对应 crRNA 可以识别到这些产物并完成 Cas12a 的激活工作，还会由此触发 Cas12a 针对单链 DNA 荧光报告探针所具备的旁切活性；我们能把肉眼没办法直接观测到的细菌识别事件，转变成为可以明显捕捉得到的增强荧光信号；工作人员只要完成 crRNA 序列的更换操作，便可以让各个不同反应腔做到对多种目标细菌的分别识别。

图1  RPA扩增与CRISPR/Cas12a荧光信号转换的工作原理及多重细菌识别验证

3. 芯片设计：不用外接泵的“指尖驱动”

一方面，为了规避 RPA 扩增和 CRISPR/Cas12a 发生直接混合以后，有可能出现的酶体系互相不兼容、非特异性背景激活还有信号水平下降的各类问题，研究团队选用了空间分隔的处理策略，孵育腔可以承担起细菌识别以及 RPA 扩增的全部任务，各个独立反应腔内部，都已经预先装填好配套的 Cas12a/crRNA 体系与荧光报告探针；这样的设计既可以保留住 RPA 本身拥有的扩增能力，也能够给 Cas12a 的反应过程创造出一处相对独立的反应空间。

另一方面，芯片整体会包含孵育腔、若干反应腔、空气腔、旋转阀、废液腔以及磁场模块这几类组件；开展实际操作的时候，待检样品流入孵育腔以后，按压再释放空气腔的动作便可以实现液体的充分混匀，等到目标识别还有 RPA 扩增全部做完，磁场能够把 MXene‑Fe@Apt 复合物牢牢固定住，扩增产物就可以被输送到各个不同的反应腔内部；流体数值模拟的相关结果能够表明，狭窄的微通道可以产生较高水平的流体流速，反应腔内部所形成的局部回流以及涡旋现象，能够帮助扩增产物同 Cas12a/crRNA 体系做到更加充分的互相混合。

图2  指尖驱动微流控芯片的结构、操作流程及流体输运模拟

4. 关键结果：三种目标菌的检测限低至16–76 CFU/mL

该研究把金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、大肠杆菌（Escherichia coli）、单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）拿来当作实验模型菌株；经过条件优化以后我们能够看到，当用到 80 μg/mL 浓度的 MXene‑Fe@Apt、15 min 时长的目标物孵育、200:100 nM 配比的 Cas12a 与 crRNA、400 nM 浓度的报告探针还有 40 min 的 Cas12a 反应时长，就可以获取到强度充足且状态稳定的荧光反馈信号。

在这套已经优化完毕的实验条件之下，三种目标菌所产生的荧光强度，都会跟随细菌浓度的上升得到增大，还会和菌浓度的对数值维持不错的线性对应关系；29 CFU/mL、16 CFU/mL 以及 76 CFU/mL，分别为金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、单核细胞增生李斯特菌可以达到的检测限；当混入多种细菌的待测样品流进芯片以后，只有匹配目标菌种的对应反应腔，会生成十分明显的检测信号，这就代表这套体系有能力在单块芯片上面完成多种细菌的区分工作，各个检测通道之间也不会产生明显的互相干扰情况。

针对可重复性还有短期储存稳定性来看，不同操作人员在一致实验条件之下测出来的荧光结果，只会产生幅度很小的波动；芯片放置于 4 ℃环境完成 12 天的储存过后，三种目标菌对应的荧光信号，依旧可以保留住超过初始数值 85% 的信号强度，能够轻松完成和背景信号之间的区分。

图3  芯片检测条件优化、不同菌浓度的荧光响应及定量校准曲线

在重复性和短期稳定性方面，不同操作者在相同条件下获得的荧光结果变化较小；芯片在4 ℃条件下储存12 d后，三种目标菌的荧光信号仍可保持初始水平的85%以上，并能够与背景信号区分。

5. 真实食品样品中的应用表现

为了可以验证该技术在成分复杂的食品基质里面所具备的适配能力，研究人员还选用了牛奶、生菜以及鸡肉这几类实物样品来开展检测试验；面对每一类食品样品，芯片都可以分别完成金黄色葡萄球菌、大肠杆菌还有单核细胞增生李斯特菌的检测工作；得到的检测结果能够表明，只要样品内部存有对应的目标致病菌，与之匹配的检测通道就会生成大幅增强的荧光信号，而非目标菌种所带来的背景响应水平会处在很低的状态，这就说明该检测手段在各类食品基质之内，依旧可以维持不错的目标识别本领。

研究人员还把这套微流控芯片拿到的检测数据，拿来同传统平板培养法的检测结果做过比对；各类食品基质、不同目标菌株之间的检测结果，可以实现超过 90% 的总体吻合度，这就代表该检测平台除了能够在标准实验体系里面完成多重细菌检测以外，还拥有往真实食品样品检测场景进一步拓展的应用潜力。

这项研究的核心，并不是简单地将 CRISPR 整套反应直接压缩缩小到芯片载体之上，而是把适配体识别、RPA 等温扩增、Cas12a 信号放大、磁分离处理还有无泵微流控操作，串联整合成为一套相对完整的检测工作流程；通过将扩增环节和 CRISPR 反应分别安置在相互隔开的腔室之内，研究团队削弱了两套生化反应之间会出现的互相干扰效应；依靠指尖按压的方式去驱动流体运转，又进一步降低了整套检测工作对于外部泵体以及复杂仪器设备的使用需求。

图4  牛奶、生菜和鸡肉样品中三种目标菌的检测结果及与传统培养法的比较

6. 总结与应用前景

这项工作的核心并不是简单地把CRISPR反应“缩小”到芯片上，而是将适配体识别、RPA等温扩增、Cas12a信号放大、磁分离和无泵微流控操作串联成一个相对完整的检测流程。通过把扩增与CRISPR反应放在不同腔室中，研究降低了两类生化反应之间的相互干扰；通过指尖按压驱动流体，又减少了对外部泵和复杂仪器的依赖。

从论文给出的验证范围看，该平台目前已完成三种代表性细菌的多重检测、12 d的4 ℃储存测试以及牛奶、生菜和鸡肉样品验证。作者指出，未来可通过重新设计crRNA扩展更多病原菌靶标，并进一步与人工智能技术结合，用于构建快速现场食品安全监测系统。总体而言，该研究为“可携带、可多重、低设备依赖”的病原微生物分子检测提供了一个具有扩展性的微流控CRISPR技术框架。

DOI：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.176803