基于印刷电路板的核酸等温扩增与电化学检测集成系统用于床旁诊断

为解决传统核酸检测技术设备复杂、成本高且依赖专业操作人员的问题，研究人员开发了一种基于印刷电路板（PCB）的集成式核酸等温扩增与电化学检测系统。通过逆转录环介导等温扩增（RT-LAMP）技术结合亚甲基蓝（MB）电化学检测，实现了对SARS-CoV-2 RNA的高灵敏度（10拷贝/反应）和特异性检测。该系统成本低廉（<10美元）、便携性强，为床旁诊断（POC）提供了可行的技术路径。

　　

在医学诊断、食品安全和环境监测等领域，核酸扩增检测技术（NAAT）因其高灵敏度和特异性而被广泛应用。然而，传统的定量聚合酶链反应（qPCR）需要精密且昂贵的仪器设备（如热循环仪）和专业操作人员，限制了其在资源有限或床旁诊断（Point-of-Care, POC）场景下的应用。等温扩增技术（如环介导等温扩增，LAMP）因其无需复杂温度循环的特点，更适合集成到便携式设备中。尽管微流控芯片（Lab-on-a-Chip）技术曾被提出作为实现微型全分析系统（μTAS）的解决方案，但其制造成本高、工艺复杂，限制了商业化推广。近年来，印刷电路板（PCB）技术因其成本低、可大规模生产且易于集成电子元件的特点，成为替代传统微流控平台的有力候选。

在此背景下，研究人员开发了一种基于PCB的集成式系统（Lab-on-PCB），将核酸等温扩增与电化学检测功能整合于一体，旨在实现低成本、便携且操作简便的POC诊断。该系统针对SARS-CoV-2的检测需求，通过逆转录LAMP（RT-LAMP）扩增病毒RNA，并利用亚甲基蓝（MB）作为 redox-active intercalator（氧化还原活性嵌入剂）进行电化学检测，无需荧光标记或复杂光学部件。研究成果发表于《Scientific Reports》，为NAAT技术的 democratization（普及化）提供了重要技术支持。

研究采用多项关键技术方法：基于PCB的加热器设计，通过铜迹线线圈实现温度控制（65°C）和电阻测温，无需外部传感器；电化学检测模块集成三电极系统（工作电极、对电极和伪参考电极），通过循环伏安法（CV）测量MB与DNA结合后的电流变化；PDMS（聚二甲基硅氧烷）微腔室键合技术，用于样品封闭和防止蒸发；开源软硬件控制平台（STM32微控制器和MATLAB Simulink接口），实现设备自动化和数据传输。所有实验使用合成SARS-CoV-2和Influenza A RNA模板，通过商业化LAMP试剂盒（WarmStart）进行扩增验证。

加热功能校准

通过占空比（Duty Cycle）与温度的相关性校准PCB加热器，确保65°C恒温精度。使用K型热电偶测量温度分布，验证热传导方程（一维热方程）的适用性，为后续等温扩增提供稳定温度环境。

核酸扩增

采用RT-LAMP技术扩增SARS-CoV-2 RNA（靶向Orf1a基因），在PCB加热器上成功完成60分钟65°C反应。凝胶电泳结果显示，扩增产物与常规热循环仪和实验室烘箱对照组 band pattern（条带模式）一致，证明PCB平台扩增效率等效于传统方法。

酶失活功能验证

通过软件控制实现85°C加热10分钟，演示酶失活步骤。当失活步骤置于扩增前时，反应完全抑制；置于扩增后则不影响产物生成，表明设备可扩展用于热依赖性样本预处理（如病毒裂解）。

电化学检测

使用MB作为 intercalator（嵌入剂），通过CV检测扩增产物。阳性样本（10⁵ copies/reaction SARS-CoV-2 RNA）显示阳极峰值电流显著降低（从35 nA降至-50 nA），而阴性样本（无模板对照）和非靶标样本（Influenza A RNA）无此变化，证明检测特异性高。线性校准曲线（Y = 1.60E-08-1.12E-08X; R2 = 0.94）显示灵敏度达10 copies/reaction，低于COVID-19症状出现典型病毒载量（10² copies/reaction）。与商用 potentiostat（恒电位仪）对比结果一致，验证了PCB电化学模块的可靠性。

该研究成功开发了一种低成本、便携的Lab-on-PCB系统，集成RT-LAMP扩增与电化学检测功能，实现对SARS-CoV-2 RNA的高灵敏、特异性检测。系统核心优势在于利用PCB技术降低制造成本（主控单元<10美元）和简化操作，同时通过电阻测温、嵌入式电位控制等技术避免外部元件依赖。研究结果表明，该系统可检测低至10 copies/reaction的病毒RNA，且无Influenza A交叉反应，符合POC诊断的REASSURED标准（世界卫生组织定义）。尽管当前设计需手动转移样品，未来通过微流控集成或实时监测设计可进一步实现全自动化。这项工作推动了NAAT技术在床旁诊断中的 democratization（普及化），为传染病快速响应提供了可行解决方案。