一种手持式居家多重核酸检测微流控系统

如图 1，手持式仪器尺寸为 55  × 40  × 100 mm (长 × 宽 × 高)。

该仪器含有五个部分：1 个微流体芯片和 4 个外部辅助模块，分别用于样品处理、流体控制、RPA 孵育和荧光检测。

芯片制作可见硅、玻璃和石英微流控芯片的制作。

图 1

仪器爆炸视图如图 2 ，四个外部辅助模块如下：

(1) 样品处理模块：该模块首先加热至 65 °C 激活蛋白酶 K，然后升温至 90 °C失活，确保在扩增前有效释放核酸。

(2) 流体控制模块：该模块配备电机驱动的气囊，可调节芯片内的气压，控制流经通道的流体。片内混合可通过电机多次驱动气囊以压缩和释放腔内空气。

(3) RPA 加热模块：该模块可维持 42 °C 的稳定温度。RPA 腔体与加热块紧密耦合，并配备高精度传感器，以确保温度稳定准确。此外，系统在 RPA 区域集成了定时器和专用温控装置，确保其运行过程中不受室内环境温度影响。

(4) 荧光检测模块 (图 6)：该模块采用三通道荧光扫描系统，在核酸扩增过程中同时检测来自三个 RPA 腔体的荧光信号，每个通道配备光电二极管检测器、激发和发射滤光片及 LED 激发光。可见体外诊断常用荧光检测器、常见等温扩增产物检测方法。

图 2

如图 3，高扭矩电机通过压缩和释放芯片上的气囊来控制内部的流体流动。该装置包含两个加热单元，每个加热单元都利用陶瓷加热板和热敏电阻来控制裂解温度，并构建RPA扩增系统。

步进电机带动驱动三个微型荧光检测器实现信号采集。

图 3

如图 4，微流体结构设计考虑了以下因素以增强芯片内部液体和空气管理：

(1) S 形微通道结构用于限制重力驱动的向下流动，从而防止液体过早流到下游腔室。

(2) 锥形储气腔作为压力缓冲器和调节器，其尺寸经过优化，以匹配气囊的空气压缩能力和系统对液体流量的控制要求，确保液体流量稳定，波动最小。

(3) RPA 检测腔含有底部入口，以防止气泡形成和死体积，并具有锥形几何形状，以确保完全排出流体，最大限度地减少残留空气或试剂。

图 4

图 5 所示为系统工作流程。

首先，将拭子样本置于保存液中，然后将部分溶液转移至微流控芯片中，并将芯片插入分析仪。

其次，用蛋白酶 K 裂解样本，释放核酸。最后将冻干试剂溶解并混合后，在每个 RPA 腔中进行三重 RPA 扩增，同时检测荧光信号。

图 5

如图 6，在步进电机的驱动下，三个荧光检测器快速扫描三个 RPA 腔，并实时捕获每个腔中三个目标信号。

该结构可同时检测 9 个靶标，即 8 种病原体加一个内部对照。

图 6

片上流体运动流程如图 7。

首先，将 100 μL 核酸样本装入芯片中 (图 7A)。其次，裂解过程持续 120 s (图 7B)，在此期间，裂解腔加热至 65 °C 以激活蛋白酶 K 来裂解样本，释放核酸并降解抑制剂。然后温度升高至 95 °C 以灭活蛋白酶 K，防止其干扰后续的 RPA 扩增。

第三，裂解后，将样本转移到 RPA 扩增腔 (30 s 实现冻干试剂混匀) ，混匀流程为在裂解腔和 RPA 扩增腔间进行 30 s 的双向（上下）流动循环(图 7C)。

图 7

双向流动循环流程如下：(1) 当电机压缩气囊时，增加的气压将液体样品驱动进入 RPA 腔体。随着液体进入，RPA 腔体和储气腔体中的空气都会被压缩，从而逐渐增加液体样品下方的压力。(2) 当电机释放气囊时，液体上方的压力会降低，从而将液体从 RPA 腔体吸回裂解腔体。

最后，电机重新压缩气囊确保三个 RPA 腔体充满液体。随后检测腔被加热至42°C，持续 20 min，以进行扩增反应(图 7D)。整个检测过程耗时约 25 min。

图 8

参考文献

Handheld RPA-based molecular POCT system for rapid, low-cost 8-plexed detection of respiratory pathogens at home.