一種全新的微流體操控方法

即時(shí)檢測（Point-of-care technology，POCT）是指在接近病人治療處，由未接受臨床實(shí)驗(yàn)室學(xué)科訓(xùn)練的臨床人員或者病人自己進(jìn)行的臨床檢測。相比傳統(tǒng)的中心實(shí)驗(yàn)室檢測，即時(shí)檢測具有操作簡便、樣本用量少、樣本檢測周轉(zhuǎn)期短、檢測結(jié)果即時(shí)化等顯著優(yōu)勢，在重大疾病早期診斷、烈性傳染病快速篩查等領(lǐng)域有重大意義及廣泛需求。

先進(jìn)的微流體操控方法是實(shí)現(xiàn)即時(shí)檢測的重要環(huán)節(jié)。然而現(xiàn)階段的微流體操控方法大多基于毛細(xì)原理，存在操控功能單一、無法精確定量、穩(wěn)定性差等問題，在定性檢測的應(yīng)用中容易出現(xiàn)“假陰假陽”的問題，無法滿足世界衛(wèi)生組織（WHO）對于即時(shí)檢測的需求。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，Nature Communications期刊在線發(fā)表了西湖大學(xué)工學(xué)院姜漢卿團(tuán)隊(duì)的最新研究成果。該研究團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的微流體操控方法（FAST）——同時(shí)具備微流體流動方向任意切換、流動快速、精確響應(yīng)、抵抗環(huán)境振動干擾、液體長時(shí)間存儲等特征，并將其應(yīng)用于流感病毒的核酸檢測中，操作人員只需添加樣本并等待82分鐘后即可得到檢測結(jié)果，真正實(shí)現(xiàn)了“樣本進(jìn)結(jié)果出”的即時(shí)檢測。

該微流體操控方法基于簡單的杠桿原理：在不通氣壓時(shí)，杠桿通過彈性薄膜壓緊擋塊，將液體密封（圖1a）；通入臨界氣壓后，薄膜膨脹將杠桿推開，擋塊與薄膜之間形成空隙，微流體可以通過空隙流入后面腔體（圖1b）；撤掉氣壓后杠桿利用連接鉸鏈的彈性自動復(fù)位，重新將液體密封。通過調(diào)節(jié)杠桿的長度及杠桿支點(diǎn)位置等參數(shù)，可以方便地對微流體流動臨界壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)（圖1c、d）。

圖1 FAST原理示意圖

杠桿開啟關(guān)閉視頻

基于上述原理，通過巧妙的設(shè)計(jì)，科研團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了：

1）微流體串行、并行、順序及選擇性流動狀態(tài)任意切換（圖2a）；流動快速、精確響應(yīng)（圖2d）；抵抗環(huán)境振動干擾，在150rad/min的振動下仍然不發(fā)生泄露（圖2c）。

2）液體長時(shí)間存儲，兩年存儲后僅產(chǎn)生0.3%的質(zhì)量損失（圖2b）。

3）適應(yīng)不同浸潤性及黏度液體的操控，可實(shí)現(xiàn)對高達(dá)5500cp黏度液體的精確操控。

圖2 FAST器件功能表征

將上述基本功能單元進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，科研團(tuán)隊(duì)研制了一種集液體存儲、自動進(jìn)樣、快速混合及多標(biāo)志物聯(lián)檢的即時(shí)檢測器件。利用該器件完成了甲型及乙型流感單一病毒的核酸檢測，最低檢出限可達(dá)102copies/ml，并實(shí)現(xiàn)了兩種流感病毒的分型檢測（圖3）。

圖3 甲乙流病毒核酸檢測結(jié)果

最后，研究人員利用FAST技術(shù)對36名志愿者進(jìn)行了流感病毒的核酸檢測，并與常規(guī)的手工核酸檢測方法進(jìn)行了對比。檢測結(jié)果表明，F(xiàn)AST技術(shù)對臨床樣本的檢測結(jié)果與常規(guī)方法相當(dāng)（Pearson, r=0.90）, 并且FAST技術(shù)僅需82分鐘即可得到檢測結(jié)果，整個(gè)檢測過程無需人工干預(yù)，而傳統(tǒng)方法需要140分鐘，且需要手工完成加樣、混合、樣本轉(zhuǎn)移等操作（圖4）。

圖4 臨床樣本檢測結(jié)果

盡管為實(shí)現(xiàn)即時(shí)檢測出現(xiàn)了多種微流體操控技術(shù)，如離心操控技術(shù)、離心—?dú)鈩勇?lián)合操控技術(shù)等，然而同時(shí)具備微流體流動方向任意切換、流動快速、精確響應(yīng)、抵抗環(huán)境振動干擾、液體長時(shí)間存儲等特征的微流控技術(shù)仍鮮有報(bào)道。這或許就解釋了為何雖然出現(xiàn)了多種即時(shí)檢測產(chǎn)品（如Cepheid、Binx、Visby、Cobas Liat、Rhonda等），但其性能仍無法滿足市場需求。這三年新型冠狀病毒肺炎的肆虐也對即時(shí)檢測提出了更高的要求。該研究中的FAST技術(shù)不僅同時(shí)滿足上述所有特性，可以真正實(shí)現(xiàn)即時(shí)檢測，還可以應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、食品安全檢測、材料合成及制藥等多種領(lǐng)域。

西湖大學(xué)工學(xué)院姜漢卿教授為本文的通訊作者。西湖大學(xué)姜漢卿實(shí)驗(yàn)室助理研究員梁超博士為本文的第一作者，第二作者楊子航目前團(tuán)隊(duì)的科研助理。本研究獲得了西湖大學(xué)的相關(guān)經(jīng)費(fèi)支持。

論文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41467-022-32676-4

審核編輯 ：李倩