一种用于原型蛋白检测的双模式纸质微流控芯片

《Biomedical Analysis》：A dual-mode paper-based microfluidic chip for protamine detection

双模式纸基微流控设备用于快速检测精子精胺含量，结合颜色变化和迁移距离读出，通过APTMS修饰纸张与PDA-Ab vesicles的静电相互作用实现无仪器半定量分析，检测范围0-3 mg/mL，R2=0.94，适用于点对点生育健康筛查。

　　在当今社会，男性生育能力的评估成为了一个备受关注的议题。由于生育问题在全球范围内影响着无数夫妻，因此开发一种简便、高效且隐私保护的检测方法显得尤为重要。传统的男性生育能力评估通常依赖于专业实验室的复杂检测流程，这不仅耗费时间，还可能带来经济负担和社会心理压力。因此，一种能够实现快速、便携且无需复杂设备的生育能力筛查工具，对于提高检测的可及性和患者接受度具有重要意义。基于这一需求，研究团队设计并开发了一种双模式纸基微流控检测装置，用于快速检测精子质量的关键生物标志物——原卟啉（protamine）。该装置结合了基于距离的迁移机制和比色读数，利用聚二乙炔-抗体（PDA-Ab）囊泡与经3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTMS）修饰的纸张之间的静电相互作用，实现了无仪器、隐私性高且操作便捷的检测方式。

原卟啉是一种小分子、带正电荷的蛋白质，在精子生成过程中起着至关重要的作用。它参与精子染色质的凝缩，是评估精子质量的重要指标。原卟啉水平异常，如缺乏或P1/P2亚型比例失衡，可能导致不育和精子DNA损伤。因此，建立一种能够有效监测原卟啉浓度的检测方法，不仅有助于临床诊断，也为男性生育能力的早期评估提供了可能。现有的检测方法多依赖于手动或计算机辅助计数，这些方法需要专业机构的支持，限制了其在日常筛查中的应用。为了克服这一局限，研究团队开发了一种基于距离和比色双重读数的纸基微流控检测装置，该装置能够快速、直观地提供检测结果，特别适用于点对点检测（Point-of-Care Testing, POCT）场景。

该装置的设计采用了类似于侧向流动检测（Lateral Flow Assay, LFA）的结构，包含一个纸张流动通道、样本垫和吸收垫。纸张流动通道被设计为带正电荷，作为信号生成的核心部分。样本垫用于收集和过滤样本，而吸收垫则用于捕获和固定检测信号。为了确保检测的准确性和可重复性，研究团队对纸张进行了APTMS修饰，使其表面带正电荷，从而与带负电荷的PDA-Ab囊泡形成静电吸引或排斥作用。这种静电相互作用不仅影响囊泡的迁移距离，还改变了其颜色，形成一个双重读数系统。当样本中存在原卟啉时，PDA-Ab囊泡会经历从蓝色到紫色的颜色变化，并且由于静电排斥作用，其迁移距离也会显著增加。这一现象在实验中得到了验证，表明该装置能够在10分钟内提供直观的检测结果。

在优化纸张修饰条件时，研究团队测试了不同浓度的APTMS处理效果，发现1%的APTMS修饰效果最佳。该浓度下的纸张不仅表现出良好的信号清晰度和可重复性，还能够有效增强囊泡的迁移行为。此外，研究团队还对PDA-Ab囊泡的比色响应进行了详细分析，发现其颜色变化与原卟啉浓度呈正相关。通过紫外-可见光谱（UV-Vis）分析，研究人员观察到在640纳米波长处吸收值随原卟啉浓度的增加而逐渐上升，这一趋势与PDA对带正电荷生物分子的典型响应行为一致。在APTMS修饰纸张上，这种颜色变化更加明显，说明修饰后的表面不仅增强了静电相互作用，还通过改变局部pH环境进一步放大了检测信号。

为了确保检测系统的稳定性和可靠性，研究团队还评估了多种添加剂对PDA-Ab囊泡性能的影响。这些添加剂包括甘油、聚乙二醇（PEG）、羧甲基纤维素（CMC）、Triton X-100和Tween 20。实验结果显示，这些添加剂在溶液中并未引起PDA-Ab囊泡的颜色变化，但在应用于APTMS修饰纸张后，对检测信号产生了显著影响。例如，CMC和Tween 20能够促进囊泡的迁移，而Triton X-100则导致了不可逆的颜色变化，并改变了迁移行为。这些发现表明，尽管某些添加剂可能对检测性能产生干扰，但通过适当的优化和校准，可以克服这些影响，从而确保检测结果的准确性。

在实际应用方面，该装置展现出良好的适用性。其无需外部仪器即可完成检测，操作简单，适合家庭环境下的自测。同时，其快速的响应时间（10分钟内完成）和直观的读数方式，使其成为一种理想的POCT工具。研究团队还指出，该装置具备进一步扩展的潜力，例如提高检测灵敏度、增强对干扰物质的抵抗能力，以及适配其他体液的检测需求。此外，随着技术的进步，该装置还可以通过微型化和智能手机集成，实现更广泛的应用场景，如远程健康监测和个性化健康管理。

综上所述，这种双模式纸基微流控检测装置在男性生育能力评估中展现出巨大的潜力。它不仅解决了传统检测方法在隐私性、便捷性和经济性方面的不足，还通过结合距离迁移和比色读数，提高了检测的准确性和可解释性。未来，随着临床验证和伦理审批的推进，该装置有望成为男性生育能力筛查的重要工具，为全球范围内的生育健康问题提供更有效的解决方案。