用于自动化多重分子即时检测的全集成离心微流控qPCR平台

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Fully integrated centrifugal microfluidic qPCR platform for automated multiplex molecular point-of-care testing

【字体：大中小】 时间：2026年10月12日 来源：Sensors and Actuators B: Chemical 7.7

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　　 •开发了一种全集成离心微流控平台，用于自动化多重RT-qPCR分析。•集成了气密性试剂储存模块和自动释放模块，实现芯片上试剂的长期保存。•提出了一种向下凸出的三维提取腔室，配合双侧磁操控，实现高效核酸提取。•在单个腔室内实现了灵敏且可重复的四通道"样本到结果"检测，全程仅需7

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开发了一种全集成离心微流控平台，用于自动化多重RT-qPCR分析。
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集成了气密性试剂储存模块和自动释放模块，实现芯片上试剂的长期保存。
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提出了一种向下凸出的三维提取腔室，配合双侧磁操控，实现高效核酸提取。
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在单个腔室内实现了灵敏且可重复的四通道"样本到结果"检测，全程仅需70分钟。

引言

快速准确的分子诊断对于控制传染病暴发和推动精准医学至关重要 [1]、[2]、[3]。核酸检测（NAT）因其高灵敏度和高特异性，被广泛认为是病原体鉴定的金标准 [4]、[5]、[6]。尽管等温扩增技术在即时检测（POCT）领域引起了广泛关注，但其多重检测能力往往受限于引物干扰和非特异性扩增 [7]、[8]、[9]。相比之下，实时定量聚合酶链式反应（qPCR）具有更优越的定量准确性、多重检测能力和分析稳健性 [10]。然而，传统qPCR工作流程仍高度依赖中心化实验室基础设施、笨重的仪器和繁琐的人工操作步骤，这不仅增加了操作复杂度，也提高了交叉污染的风险，从而限制了其在去中心化和资源有限环境中的适用性 [11]、[12]、[13]。离心微流控技术提供了一种有前景的策略，通过将试剂储存、核酸提取、扩增和检测集成在单一一次性芯片上，实现NAT的集成化和自动化，从而无需复杂的外部泵或主动阀阵列即可实现全自动"样本到结果"系统 [14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。凭借其紧凑的结构、简便的操作和高集成度，离心微流控平台在POCT分子诊断领域受到了广泛关注。

尽管取得了这些进展，若干关键挑战仍然制约着全集成离心NAT系统的实际应用转化。目前报道的大多数离心NAT系统仍依赖"按需加载"的工作流程，这限制了操作便捷性，无法满足POCT场景中对即用型部署的实际需求 [14]、[17]、[21]。因此，开发具有稳定芯片上试剂储存和自动释放功能的全集成离心平台，对于POCT分子诊断系统的实际应用转化至关重要 [22]、[23]。此外，简单、稳定和可重复的流体控制是全自动集成离心微流控平台的另一项关键指标。传统的毛细管阀和虹吸阀通常依赖于亲水或疏水表面修饰来调节液体传输 [24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。然而，亲水表面易受环境湿度、污染和物理降解的影响，这可能损害虹吸稳定性，最终导致预设流体序列失败 [15]、[30]。除了表面性质调控之外，一些研究还采用了气压驱动试剂转移。例如，Krauss等人利用芯片上化学反应产生的CO?气体推动试剂向旋转中心移动 [31]。该策略克服了离心驱动的固有局限——即流体主要受径向向外驱动——从而为流道操作路径的设计提供了更大的灵活性。然而，此类气压辅助的流体控制策略需要在芯片上额外集成化学试剂储存单元和产气反应腔室。这些额外组件不仅增加了平台的结构和操作复杂度，还占用了宝贵的芯片空间，从而限制了其在紧凑的全集成离心微流控系统中的应用。核酸提取对自动化离心系统同样构成重大挑战 [32]、[33]。与硅基膜法提取相比——后者流体阻力高且液体滞留性强，可能导致扩增抑制物残留 [34]、[35]、[36]——磁珠法提取具有较低的流体阻力，并可在磁操控下实现可逆聚集和分散，因此更适合自动化离心微流控 [37]、[38]、[39]。然而，高效的磁操控要求磁体靠近提取腔室，这在紧凑芯片架构中与核酸裂解和洗脱所需加热模块存在固有的空间冲突。尽管已提出非接触式加热策略来规避此问题，但其热传递效率低且热响应时间长，限制了其在快速分子诊断中的适用性 [17]。

为克服上述局限，我们开发了一种全集成离心微流控平台，用于基于qPCR的自动化多重"样本到结果"核酸检测。该系统将试剂储存、自动液体处理、磁珠法核酸提取、扩增和四通道多重荧光检测集成在单一一次性芯片及其配套设备中，实现了几乎无需人工干预的全封闭"样本到结果"工作流程。芯片内集成了气密性试剂储存结构，以实现多种生化试剂在芯片上的长期保存。结合专用试剂释放模块，成功实现了芯片上试剂的自动输送。本研究引入了一种欧力驱动的虹吸策略，以实现简单且稳健的流体控制。与传统依赖表面修饰的亲水虹吸结构不同，欧力驱动虹吸通过离心力和欧力实现可编程的液体转移，增强了流体操作的长期可靠性和可重复性。同时，该策略占用空间极小，便于在有限的集成微流控芯片面积内容纳多个功能模块的紧凑集成。为克服紧凑离心系统中磁操控与热控制之间的空间冲突，设计了一种创新的凸出式提取腔室架构。通过将控制磁体横向布置，该构型在确保高效磁珠操控的同时，使加热模块与反应腔室之间实现直接物理接触，从而保证了理想的热传导效率。此外，为避免PCR热循环过程中的试剂蒸发和液体损失，采用了一种结合石蜡相变屏障与胶膜阀的协同密封策略，确保了稳定一致的扩增条件和高检测可重复性。所开发的微流控平台能够在单个腔室内通过四个荧光通道全自动检测四种不同的靶标，同时检测通量可通过增加并联PCR腔室轻松扩展。这些进展为开发高集成度、多重检测且性能稳定的POCT分子诊断系统奠定了实用且可扩展的技术框架。

章节摘要

全集成离心微流控qPCR芯片

全集成离心微流控qPCR芯片使用SolidWorks设计，包含五大主要功能模块：芯片核心单元、试剂储存单元、核酸提取单元、洗脱液收集单元和洗脱液计量单元，如图1A所示。芯片核心单元由三层组成：上盖、腔室层和下盖（图1B）。如图1C所示，腔室层集成了反应腔室、试剂通道以及

试剂储存单元性能评估

芯片上试剂的长期储存对于提升POCT系统的实用性和可用性至关重要。因此，我们对试剂储存单元的密封性能进行了系统评估。将试剂封装在三个独立的试剂储存单元中，并使用高精度分析天平定期测量各单元的质量。如图3A所示，所有三个储存单元在一个月储存期内均表现出轻微的质量下降。然而，

结论与展望

本研究开发了一种全集成离心微流控平台，用于自动化多重qPCR分析。作为概念验证，使用模拟临床样本成功验证了完整的人工免干预"样本到结果"工作流程。针对集成分子诊断中的关键挑战——包括试剂保存、流体控制、核酸提取和多重检测——本研究引入了多种创新策略。首先，

CRediT作者贡献声明

Lei Wang：撰写——初稿，验证，方法论，调查研究，数据整理。Hao Chen：验证，项目管理。Lingxuan Liu：软件。Yize Zhang：软件。Youhong Zeng：调查研究。Xingwei Ma：验证。Guijun Miao：撰写——审阅与编辑，项目管理。Lulu Zhang：撰写——审阅与编辑，项目管理，资金获取。Xianbo Qiu：撰写——审阅与编辑，方法论，资金获取，概念构思。