集成滤纸的微流控器件，用于快速、超灵敏和高通量的生物负荷检测
2023-07-30 10:31:11   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

根据世界卫生组织（World Health Organization，WHO）的数据，全球45%的疾病负担是由生物负荷造成的。在生物制药的生产中，与生物负荷有关的污染也是一个主要问题。因此，快速和准确的生物负荷检测在食品、卫生、制药和环境应用中变得越来越必要。

近几十年来，微流控技术已成为一项强大的技术，并在分析化学、制药、化学合成和临床应用等几个前沿研究领域得到了应用。近年来，微流控技术也被应用于微生物研究。微流控器件具有微米级特征尺度和大规模集成的特点，在微生物分析和抗生素持久性研究方面具有低成本、高通量和高效率等特殊优势。随着微流控技术的发展，一些研究利用滤纸作为捕获和检测细菌的手段，并且由于其低成本、易于获取、加工和修饰，以及可抛性而变得流行。

然而，已报道的基于滤纸的微流控器件具有很高的检测限（LOD，57 CFU/m ~ 500 CFU/mL），并且精度较低。此外，滤纸基微流控器件通常需要复杂的修饰（抗体功能化），即将纳米颗粒固定化，并利用紫外线将滤纸上用于检测的图案光固化。同时，由于经过特定抗体功能化，滤纸基微流控器件通常对特定细菌菌株的检测具有特异性。这些缺点阻碍了快速、简便、低成本的滤纸基微流控器件在细菌检测，特别是在现场检测中的广泛应用。

据麦姆斯咨询报道，近期，为了准确、高灵敏度地检测生物负荷，来自美国马里兰大学巴尔的摩分校（University of Maryland Baltimore County）的研究人员制造了一种新型的微流控器件，该器件集成了滤纸，以用于细胞捕获。同时，该器件利用荧光标记的间苯二酚的氧化还原反应在滤纸上原位检测生物负荷，并使用便携式多通道荧光计进行荧光测量。此外，该微流控器件采用微波诱导热辅助键合技术进行制备，具有制备简便、成本低和速度快的优势。相关研究成果以“A novel, low-cost microfluidic device with an integrated filter for rapid, ultrasensitive, and high-throughput bioburden detection”为题发表在Scientific Reports期刊上。

图1 （a）集成相应厚度滤纸的微流控器件的不同层；（b）由不同组件键合而成的微流控器件（左）以及具有刃天青样品的微流控器件（右）的照片

研究人员首先探索了不同材料和尺寸的滤纸，并优化了相关参数，以获得更高的荧光信号和实现更灵敏的生物负荷检测。

图2 匹配不同直径圆孔的聚醚砜（PES）滤纸的荧光响应

芽孢杆菌是一种广泛存在的革兰氏阳性细菌，对人类、植物和其它生物有害，并会引起严重的传染病。因此，研究人员利用该微流控器件对培养的原代枯草芽孢杆菌样品进行过滤，以此验证并考察其性能参数。研究结果表明，与金标准荧光测量装置分光光度计和在多通道荧光仪中的普通微流控试剂盒（C）相比，该集成滤纸的微流控试剂盒（CF）具有更高的灵敏度和更低的检测限（0.037 CFU/mL）。

图3 （a）不同细菌样品在具有集成滤纸的微流控试剂盒的荧光仪中的响应；（b）5 CFU/mL细菌样品在具有两种不同微流控试剂盒的荧光仪中以及在分光光度计中的响应

图4 （a）不同细菌样品在具有集成滤纸的微流控试剂盒（CF）和普通微流控试剂盒（C）的荧光仪中以及在具有96孔板的分光光度计中的荧光斜率；（b）计算出的在荧光仪中的集成滤纸的微流控试剂盒（CF）和普通微流控试剂盒（C）以及在分光光度计中的96孔板的检测限和灵敏度

此外，该微流控器件的检测限还可以通过增大过滤体积来提高。从图5中可以看出，随着微流控器件过滤体积的增大，荧光强度和斜率显著增加。这种增加反过来又增强了带有荧光计的微流控器件的灵敏度，如图5b所示。

图5 （a）不同过滤体积的5 CFU/mL的芽孢杆菌在具有微流控试剂盒的荧光仪中的响应；（b）随着过滤体积的增大，微流控器件灵敏度的变化

另外，利用该微流控器件和检测方法，研究人员可以在实验室培养的样品孵育后6小时内检测到细菌，比金标准培养方法减少了至少4倍的检测时间。在孵育后，样品注入的时间取决于注入体积，最快只需要一分钟，并且可以很容易地完成。而其它细菌检测程序，如聚合酶链式反应（PCR）、酶联免疫吸附测定（ELISA）和细菌培养方法，均需要一定的程序、技术准备和极其清洁的操作区域，这些操作更复杂，需要训练有素的人员才能完成。这就是该微流控器件在检测超低水平生物负荷上优于其它传统方法的所在。此外，该研究所开发的微流控器件的成本约为1.6美元/个，而8通道荧光计的成本约为1300美元，其成本可以通过扩大生产进一步降低，并且与传统仪器相比具有成本效益。

总体而言，这种新型的微流控器件和荧光仪一起可以作为一种快速便携式工具，用于不同应用场景下的高灵敏度、准确和高通量的细菌检测。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41598-023-38770-x

延伸阅读：

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》