数字平板技术：一种融合传统培养与微流控技术的微生物快速检测与分析平台

针对传统平板培养法耗时耗力、分辨率低等问题，重庆大学李刚团队开发了数字平板(DP)平台，将传统培养原理与数字生物检测技术相结合。该平台通过皮升级微孔阵列芯片和可更换琼脂片，实现了微生物的快速分离(<8 h)、定量和表型分析，在抗生素敏感性测试(AST)、微生物互作研究等领域展现出重要应用价值。

　　

微生物学研究长期面临一个根本性矛盾：传统平板培养作为"金标准"虽然可靠，但其耗时18-72小时的培养周期、繁琐的稀释操作以及有限的单细胞分辨率，严重制约了临床诊断和环境微生物研究的效率。更棘手的是，混合样本中的种间竞争常常掩盖稀有或慢生长微生物的存在。虽然自动化培养系统和微流控技术等新兴方法各具优势，但或无法解决根本问题，或存在液滴融合、物质交换受限等技术瓶颈。

针对这些挑战，重庆大学光电技术与系统教育部重点实验室的李刚团队在《Scientific Reports》发表了一项创新研究。他们巧妙地将传统平板培养的可靠性优势与数字生物检测的高通量特性相结合，开发出数字平板(Digital Plating, DP)技术平台。该平台的核心创新在于：1)采用包含113,137个六边形微孔(对角线70μm)的PDMS芯片阵列，通过预脱气自泵机制实现单细胞随机分区；2)设计可更换的琼脂培养基片(76×26×1 mm)，实现培养环境的动态调控。研究人员通过四个关键技术验证平台性能：荧光染料扩散实验证实物质交换效率；时间序列成像确定最佳计数窗口(大肠杆菌6-7小时)；Poisson统计分析验证定量准确性(R²=0.9992)；16S rRNA测序确认菌株回收纯度。

【数字平板平台的特征】通过罗丹明B荧光强度分析显示，微孔体积变异系数仅4.78%，满足数字检测要求。染料扩散实验证实，琼脂片中的分子可在15分钟内均匀扩散至所有微孔。时间序列观察发现，大肠杆菌在6-7小时形成独立微菌落，超过7小时会出现过度生长。与常规平板计数相比，DP平台对沙门氏菌的定量检测在6小时内完成，线性范围达5个数量级。

【混合样本中的单细胞分离】使用金黄色葡萄球菌(S. aureus)和GFP标记大肠杆菌(E. coli BL21)的混合样本(1:1)，DP平台在8小时内成功区分两种菌株：密集菌落对应S. aureus，荧光菌落对应E. coli。计数结果与传统平板法高度一致，证实其单细胞分离能力。

【选择性富集与鉴定】当使用含7.5% NaCl的选择性培养基时，DP平台能特异性抑制E. coli生长，仅保留S. aureus菌落。MacConkey琼脂实验则通过颜色差异(红色vs无色)实现菌种鉴别，证明DP平台与常规鉴别培养基的兼容性。

【快速抗生素敏感性测试】以氨苄青霉素(ampicillin sodium)为例，DP平台在6小时内完成AST检测，测得MIC值为196.9 μg/mL，与肉汤微量稀释法结果(193.4 μg/mL)高度吻合。亚MIC浓度(100 μg/mL)下还观察到细菌丝状化现象，展现单细胞表型分析优势。

【微生物互作研究】将蛞蝓粘液分离的芽孢杆菌(Bacillus sp.)预培养后与沙门氏菌共孵育，DP平台清晰显示出芽孢杆菌菌落周围的抑制区，定量计算出单个芽孢杆菌菌落的平均抑制范围为覆盖约15个微孔。通过16S rRNA测序验证，从DP平台直接回收的菌株纯度达100%。

研究团队开发的DP平台实现了三大突破：1)将微生物检测时间缩短至≤8小时；2)无需预稀释即可从复杂群落中分离单细胞；3)通过可更换琼脂片实现培养环境动态调控。该技术不仅兼容商业预制琼脂平板，还保留了传统培养方法的菌株回收优势，在临床诊断(如快速AST)、环境微生物分离和合成生物学等领域展现出独特价值。虽然目前存在PDMS芯片量产和操作自动化等挑战，但其"数字检测+传统培养"的混合设计理念，为微生物学研究提供了兼具创新性和实用性的技术路线。