三种常见的商业化微流控设备及其检测原理 | 研发思路

微流控(Microfluidics)指的是使用微管道 (尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体的系统所涉及的科学和技术，在生物医学、分析化学、疾病诊断、药物筛选等领域有广泛的应用。微流控技术的应用极大促进了临床上的病原菌检测效率，使得基于核酸的“即时检验（point-of-care，POC）”成为可能。其中，较为典型商业化的微流控检测设备往往都包含一个一次性的“检测盒（袋）”，可以在系统内部完成所需的机械传动、加热和信号读取等操作。以下分别介绍了三种常见的商业化微流控设备以及它们的检测原理。 （ 作者：李超群 袁满 王永成 ）

01、生物梅里埃—FilmArray™系统

图1  Filmarray检测袋结构图 

注：A：试剂储存管；B：柱塞；C：细胞裂解腔；D和E：核酸纯化腔；F和G:第一步PCR扩增区；I：第二步PCR检测室；X：复溶液加入管；Y：样本加入管 

Filmarray检测袋分别为试剂储存区、细胞裂解腔、DNA或者RNA纯化腔、第一扩增室和包含了102个微整列的第二步扩增检测室。储液区（图1 A）中以冻干粉的形式储存了裂解、清洗和PCR反应所需的试剂，储液管保持真空状态。外接的气动阀通过连接“B”驱动各反应液进入到检测袋中，而另一个气动装置直接作用于各个腔室的气囊，调节液体在各个腔室之间的流动。 

使用前，将复溶液从“X”中注入到各贮液管中，而样本从“Y”口注入到检测袋中进入到装裂解腔“C”，在陶瓷破碎珠和外接装置的机械力学作用下破碎病原菌释放核酸。核酸释放液在核酸腔室“E”中，被提前装载的磁珠固定，并在检测袋外的磁场作用下与缓冲液配合对核酸进行清洗。核酸进入到腔室“F”并与其中的PCR/RT-PCR试剂进行混合，气动阀操作液体在“F”和“G”腔室中来回混匀，在外接温度控制模块的控制下进行逆转录和第一步PCR扩增。之后产物在经过稀释后被分配到“I”的微阵列中进行检测并收集荧光信号，整个鉴定的时间大约为1h。

02、赛沛公司的GeneXpert分子诊断系统

图2 Genexpert检测盒示意图。

A：检测盒结构示意图；B：微生物裂解室示意图 

GeneXpert是一种由程序驱动的盒式检测控制仪器，并安装了荧光检测和热循环控制系统（图2 A），与一次性的检测盒连接。 基于微流控的GeneXpert检测盒内部设置多个腔室，用于储存裂解液、纯化和洗脱所用的缓冲液以及所有RT-PCR所需的引物探针、酶和缓冲液，同时设置了1个腔室专门储存样品处理废物。 检测盒中心是一个注射器筒，它通过注射器与GeneXpert连接，利用注射筒的拉动驱动液体在不同的腔室之间流动，同时注射筒的拉动也可以对溶液起到混匀的作用。 旋转阀则控制着液体在各个腔室中的流动。 

微生物的裂解步骤主要在检测盒底部进行（图2 B），当进入微生物裂解步骤时，GeneXpert的超声发生装置连接到检测盒底座，从而将病原菌裂解释放核酸。 核酸扩增与检测部分，检测盒连接一个检测和主体的类三角形PCR管，管中提前储存了qPCR检测所需的试剂。 当插入GeneXpert系统时，PCR管在温度控制模块的控制下进行加热或者冷却，以达到核酸扩增的目的，同时利用光学检测模块收集信号，对PCR产物进行实时检测。 GeneXpert集成了样本预处理、微生物破碎、核酸纯化、以及qPCR检测，实现了化从样本到结果的全自动化流程。

03、博奥晶典-新型冠状病毒2019-nCoV核酸检测试剂盒（全集成碟式芯片法）

图3 微流控核酸分析仪结构俯视图 

博奥微流控核酸分析仪由离心式微流控检测芯片、离心、加热和光学检测模块组成（图3）。离心式微流控芯片具有2个平行的反应组件，可同时分析2个样品。每个模型包括3个主要模块，即核酸提取、逆转录-预扩增和扩增检测部分。通过将灭活样本直接插入到芯片中，在外界离心装置的驱动以下液体逐渐由中心流经各个腔室，并释放核酸，多余的废液被收集到图中“8”的废液收集腔中，核酸利用RT-RPA的方式进行逆转录和恒温扩增，得到的样本再进行稀释被分配到LAMP区域扩增并收集光学信号。实现在45min之内对2019-nCoV多位点的检测的目的。