《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Reciprocation-enhanced centrifugal microfluidic biosensor for waterborne E. coli detection
编辑推荐：
摘要水传播病原体因其与胃肠道疾病及致命结果的关联，仍是重大的公共卫生挑战。其检测需要快速、特异、便携、易用且可靠的平台，这使得微流控生物传感成为一项有前景的策略。在此，我们提出了一种离心微流控器件，该器件在集总参数计算建模的指引下，将被动弹性膜辅助往复机制与PAMAM树枝状大
摘要
水传播病原体因其与胃肠道疾病及致命结果的关联，仍是重大的公共卫生挑战。其检测需要快速、特异、便携、易用且可靠的平台，这使得微流控生物传感成为一项有前景的策略。在此，我们提出了一种离心微流控器件，该器件在集总参数计算建模的指引下，将被动弹性膜辅助往复机制与PAMAM树枝状大分子-适体功能化PDMS界面相结合，用于大肠杆菌O157:H7的检测。该模型指导了器件设计并评估了膜和流体参数对往复运动的影响，结果显示在30 rpm/s下的实验液体往复运动吻合良好，最大误差为6.76%，液面前缘位置偏差为1.25 mm。傅里叶变换红外光谱分析支持了用APTMS、PAMAM树枝状大分子和DNA适体进行的逐步PDMS改性。使用表达mRuby的大肠杆菌O157:H7作为活细胞荧光模型，细菌捕获在较低的角加速度下增加，并随往复次数重复而增强。最高荧光响应出现在1 rpm/s经过三个循环后，信号强度与循环次数高度相关（R2 = 0.997）。该平台检测大肠杆菌O157:H7的计算检测限为8.14 × 103 CFU/mL。这些结果表明往复增强全细胞捕获是可行的，并支持未来在水质监测中的病原体检测应用。
引言
据联合国儿童基金会统计，全球约有20亿人（占全球人口的26%）无法获得安全的饮用水，36亿人（46%）缺乏安全管理的卫生服务[1]。此外，不安全的WASH（水、卫生和环境卫生）服务导致的死亡估计世界死亡率为每10万人中18.3人，其中包括与病原体相关的胃肠道感染导致的死亡。根据世界卫生组织饮用水质量标准，大肠杆菌和其他耐热大肠菌群在任何100 mL可饮用水样品中均不应被检测到[2]。这些数据揭示了检测水传播病原体以防止疾病传播的迫切需求。常见的病原体检测方法，如培养技术和分子检测，广泛用于水质监测。培养方法成本低且标准化，但需要较长的培养时间，限制了其用于快速检测[3]。分子技术如常规聚合酶链反应（PCR）和环介导等温扩增（LAMP）提供了更高的特异性和更快的结果，但需要专用设备且本质上无法区分活菌和非活菌[4,5]。一种新的病原微生物检测方法是通过微流控生物传感器实现，其优势在于使用少量样品即可进行准确检测[6,7]。然而，据报道的器件依赖于单次通过流动，限制了目标微生物与传感表面之间的相互作用[8]。
为解决这一问题，已探索了多种捕获策略，如印迹聚合物[[9], [10], [11]]、抗体[[12], [13], [14]]和适体[[15], [16], [17]]。与抗体相比，适体因其化学稳定性、易于改性、耐降解性和更小的尺寸而具有优势，这使得识别位点具有更高的表面密度[18]。使用纳米结构界面，如聚（酰胺胺）（PAMAM）树枝状大分子，可通过增加有效表面积和可用结合位点数量来增强捕获效率[19,20]。
除了表面功能化外，流体动力学策略在微流控生物传感器的性能中也起着关键作用。在这方面，离心微流控平台已应用于支持水质分析和污染物检测。例如，近期系统已集成了固相萃取用于重金属的富集和检测，以及基于适体的比色测定法用于同时检测Pb2+、Hg2+和As3+[21,22]。在离心微流控中，大多数器件传统上在单向流下运行，样品仅经过传感表面一次，通常导致输运限制的结合和降低的捕获效率[23,24]。为克服这些局限性，另一种方法是使用往复式流动，即在封闭的微流控回路中定义的控制性来回流体运动，以增强分析物-表面相互作用[25]。往复式流动通过反复将样品输运到传感区域上方来改善生物传感器性能，增加有效停留时间，促进表面附近的对流补充，并缓解扩散限制的传质，而无需增加总检测时间[25,24]。与简单地降低流速（可能损害通量）不同，流动往复使目标物种能够动态暴露于捕获表面，同时提供实际的处理时间。此外，周期性流动反转可减少停滞边界层并改善结合均匀性，从而增强颗粒基和全细胞捕获系统[23,26,27]。在离心平台中，往复式流动可通过主动或被动机制实现。基于弹性膜的被动方法尤其具有吸引力，因为它们利用圆盘加速和减速引起的压力变化来驱动双向流动，无需外部泵、阀门或复杂的控制硬件[6]。先前的研究表明，流动调制策略增强了片上系统（lab-on-a-disc）中的输运、混合和颗粒运动，凸显了其解决纯单向运行输运挑战的潜力[28]。此外，已证明被动往复可增强基于抗原-抗体结合的复杂样品中离心盘上的检测[25]，但估计往复过程中的流量对于避免副作用和增强检测至关重要。
基于这些概念，本研究据我们所知首次将被动弹性膜辅助往复机制与PAMAM树枝状大分子-适体功能化PDMS相结合，用于大肠杆菌O157:H7的全细胞检测。尽管基于适体的细菌捕获、PAMAM辅助的表面功能化和往复式流动已分别进行了研究，但据我们所知，其整合到被动往复离心平台中进行全细胞捕获的报道尚未出现[29,30]。首先，我们使用集总参数计算模型描述了圆盘加速和减速过程中系统的水力学行为，将现有的离心微流控网络模型扩展至包含弹性膜腔室以防止问题。从该模型获得的预测结果协助了往复式圆盘及其操作参数的实验实现。该平台实现了往复式流动条件下的细菌捕获，如图1所示。在圆盘加速期间，液体样品从入口腔室被驱向压力腔室，压缩被困空气并形变弹性膜，储存压力能。在减速期间，膜松弛产生反向压力梯度，驱动流体样品返回入口腔室。反复的正反向运动使样品多次暴露于适体功能化表面，增加了大肠杆菌O157:H7的捕获概率。我们的平台检测到了大肠杆菌O157:H7，在受控实验条件下实现了8.14 × 103 CFU/mL的计算检测限。这些结果支持了被动流动往复增强离心微流控生物传感器中全细胞捕获的潜力，为未来器件设计和建模研究提供了基础。
章节摘要
往复式微流控系统的集总参数建模
基于先前报道[31]，实施了一个集总参数计算模型，以描述往复式离心微流控系统在不同旋转驱动下的水力学行为。该模型使用Simscape?环境（MathWorks）开发，并将微流控盘表示为离散功能组件的互连网络，每个组件均受降阶本构方程支配。如图2A所示，系统被分解为四个
理论
开发了一个计算模型，用于描述往复式离心微流控器件中的流体输运和膜辅助流动反转。
结论
可靠的大肠杆菌检测对于微生物水质评估至关重要。虽然常规的基于PCR的方法具有灵敏性，但它们可能检测到活菌和非活菌的DNA，而全细胞生物传感提供了一种检测完整细菌细胞的互补方法[41]。本工作开发了一种离心微流控器件，基于集总参数计算建模，整合了被动弹性膜辅助往复机制和PAMAM
作者贡献
Mario A. Farías-álvarez：数据整理、形式化分析、调查研究、软件、实验、可视化和原始草稿撰写。Luis M. Salazar-García：形式化分析、验证、实验、原始草稿撰写、审阅和编辑。Masoud Madadelahi：概念构思、调查研究、资金获取、方法论、形式化分析、项目管理、资源、监督、可视化、原始草稿撰写、审阅和编辑。
资金支持
本工作得到了渥太华大学-蒙特雷理工种子基金项目的支持。
CRediT作者贡献声明
Mario A. Farías-álvarez：调查研究。Luis M. Salazar-García：调查研究。Masoud Madadelahi：监督、调查研究。
Mario A. Farías-álvarez|Luis M. Salazar-García|Masoud Madadelahi
蒙特雷理工学院工程与科学学院，Av. Eugenio Garza Sada, NL, 2501, 蒙特雷, 64849, 墨西哥
