《Biosensors and Bioelectronics》：Finger-Actuated STEerable microfluidics CHip (FASTECH) integrating recombinase polymerase amplification and lateral-flow assay for multiple point-of-care testing of childhood diarrhea viruses
编辑推荐：
何一晨|沈佩杰|方梦军|李伟|王西同|徐志楠|舒强|黄迪教育部生物质化学工程重点实验室，浙江大学化学与生物工程学院，杭州，310027，中国摘要急性病毒性腹泻是一种常见的儿童疾病，是全球发病率和死亡率的主要原因，尤其是在低收入国家。核酸检测对于临床管理至关重要，因为它能够准确识别
何一晨|沈佩杰|方梦军|李伟|王西同|徐志楠|舒强|黄迪
教育部生物质化学工程重点实验室，浙江大学化学与生物工程学院，杭州，310027，中国
摘要
急性病毒性腹泻是一种常见的儿童疾病，是全球发病率和死亡率的主要原因，尤其是在低收入国家。核酸检测对于临床管理至关重要，因为它能够准确识别致病病毒并支持针对性治疗。然而，传统的核酸检测方法依赖于复杂的仪器和受过培训的人员，这限制了其在家庭检测和初级保健环境中的使用。因此，迫切需要一个用户友好、微型化且便携的平台，该平台能够集成无需提取的核酸释放、扩增和结果读取功能。在这项研究中，开发了一种由手指驱动的可操控微流控芯片（FASTECH），该芯片结合了重组酶聚合酶扩增和侧向流动分析技术。该平台能够同时检测三种主要的腹泻相关病毒，包括轮状病毒A、诺如病毒和腺病毒，其检测灵敏度分别为1拷贝/μL、1拷贝/μL和5拷贝/μL。结合自开发的一次性裂解管，FASTECH在室温下5分钟内完成样本处理和核酸释放，并在25分钟内实现样本输入到结果输出的全过程。使用90个临床样本进行的验证显示，其结果与金标准qPCR高度一致。总之，FASTECH有望为资源有限的地区提供可靠的儿科传染病即时诊断平台，为公共卫生工作提供有力支持。
引言
急性传染性腹泻是一种常见的疾病，其特征是排便次数增多和粪便稀薄或呈水样，常伴有呕吐和发热等症状，主要由轮状病毒A、诺如病毒和腺病毒等病原体引起，继续威胁着全球儿童的健康（Black等人，2024；Y.-H. Fang等人，2025；Wang等人，2021）。据估计，全球每年有17亿儿童患有腹泻疾病，导致约45万人死亡，给医疗系统带来了巨大负担（Perin等人，2022；Khan等人，2022）。这一公共卫生挑战在低收入和中等收入国家尤为严重，这些国家往往面临清洁水源不足和卫生设施不完善的问题（Ante-Testard等人，2024；Das等人，2025）。因此，快速准确地检测儿童中的腹泻致病病毒对于提供及时治疗和防止病毒传播至关重要。
现有的传统检测技术可以分为免疫学检测方法和核酸检测方法（Ushijima等人，2024）。尽管免疫学方法操作简单且成本低廉，能够实现快速检测，但经典的免疫学方法（如侧向流动免疫测定条）在低病毒载量时灵敏度不足，并且在多重检测时存在特异性挑战，从而导致结果不准确，临床价值有限（Lobato和O’Sullivan，2018a）。核酸检测方法，特别是定量聚合酶链反应（qPCR），虽然具有高灵敏度和特异性，但受到高成本、处理时间较长以及需要受过培训的操作人员、专业设备和清洁实验室环境的限制，因此无法满足资源有限或现场条件下简单、快速和高效诊断的即时检测需求（Ji等人，2023；Yang等人，2020）。
等温扩增技术，包括环介导等温扩增（LAMP）、重组酶聚合酶扩增（RPA）和滚环扩增（RCA），仅需要恒定温度条件，无需热循环仪，使其成为基于PCR方法的强大替代方案（Bachmann等人，2024；M. Fang等人，2025；Lee等人，2025；Zhang等人，2025）。其中，RPA在37至42°C的温和温度下实现高灵敏度和特异性的核酸扩增，利用了重组酶、单链结合蛋白和聚合酶的协同作用。由于其简单性、快速反应动力学、高灵敏度和低操作温度要求，RPA已成为即时检测应用的理想技术（Zhou等人，2023；Justo等人，2025；Zai等人，2025；Zhao等人，2025）。然而，其广泛应用受到一些限制，包括非特异性扩增、气溶胶污染风险以及依赖外部仪器进行结果读取（如荧光检测和凝胶电泳）。微流控技术提供了精确的流体操控、高可控性和低成本，并具有强大的生物安全性，使其成为完全集成的核酸检测的理想方法（Huang等人，2023；Li等人，2023；Khamcharoen等人，2024）。通过将RPA操作步骤集成到封闭和受控的设备中，可以显著提高生物安全性，有效降低核酸污染和泄漏的风险。此外，当与可视化的侧向流动条结合使用时，这种集成系统不仅提高了RPA技术的实际应用性，还便于其在即时检测场景中的部署（Lobato和O’Sullivan，2018b；Xiong等人，2021）。在开发多种微流控平台时，采用了多种驱动机制，包括毛细力、重力、离心力和磁力（Zhou等人，2023；Khamcharoen等人，2024；Li等人，2025；Wu等人，2025；Huang等人，2025）。然而，大多数这些平台仍然需要外部设备（如微泵或离心机）来控制流体流动和腔室间的转移，也没有克服复杂精密芯片制造的需求。
在这里，我们开发了一种由手指驱动的可操控微流控芯片（FASTECH）诊断设备，该设备集成了RPA和多重侧向流动条，能够同时、快速且高灵敏度地检测三种腹泻相关病毒。与传统驱动方法不同，该设备的微流控芯片通过简单的手动旋转操作进行控制，逐步将样本引入扩增腔室以启动RPA反应，并将扩增产物推进到侧向流动条上进行结果解读。最终，“样本输入到结果输出”的整个检测过程在25分钟内完成，无需额外的复杂设备。此外，该设备还配备了一个通过3D打印制造的一次性病毒裂解管，其中预储存了与RPA高度兼容的病毒核酸释放试剂，可在5分钟内完成样本预处理。使用90个临床腹泻粪便样本评估了该设备的完整检测性能，qPCR的检测结果作为比较验证的标准。FASTECH设备具有便携性、高灵敏度和快速检测能力，为家庭和社区环境提供了一个简单有效的即时检测平台，有潜力显著改善资源有限地区的儿童健康状况和疾病预后。
章节片段
核心微流控芯片的设计与制造
该芯片由十层不同厚度的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）组成（图S1）。每层的结构组件，包括流体通道、反应腔室和其他功能特征，均在AutoCAD软件中设计，随后通过精密激光切割制造。用纯水彻底冲洗并烘干后，使用双面粘合膜组装各层，施加轻微压力以确保PMMA之间的紧密接触
FASTECH的设计和工作原理
为了减少用户步骤和潜在错误，该设备集成了一个标准化协议，用于同时检测三种常见的儿童腹泻病毒，如图1A所示。具体步骤如下：（i）将粪便样本重新悬浮在生理盐水中以释放病毒颗粒；（ii）通过一次性裂解管释放病毒核酸；（iii）将裂解液加载到微流控芯片中以启动RPA扩增；（iv）使用无需仪器的视觉检测方法进行结果解读
结论
本研究介绍了FASTECH平台，这是一种便携的、无需仪器的多重微流控系统，专为即时检测导致儿童腹泻的三种关键病毒而设计。该平台采用手指驱动机制，将传统的LFA-RPA程序简化为三个手动步骤，显著降低了操作复杂性并提高了精度。与其他依赖精确液体控制进行多重检测的微流控系统不同，FASTECH
CRediT作者贡献声明
沈佩杰：方法学、研究。方梦军：资源、研究。何一晨：撰写——原始草稿、可视化、方法学、研究、数据管理、概念化。黄迪：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法学、研究、资金获取、概念化。徐志楠：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。舒强：方法学、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（22404149和22578390）、国家重点研发计划（2021YFC2103200）、中国博士后科学基金（2023M742994）以及CPSF博士后奖学金计划（GZC20232319）的财政支持。
