华中科技大学刘笔锋团队Small Methods：大气压增强自密封旋转滑移芯片及其在微生物学的应用

在微生物学研究中，传统的细菌筛选和抗生素药敏试验方法是资源密集型的，需要消耗大量的时间和劳动力。微流控技术提供了一种高效的替代方案，该技术能够快速得到结果并且只需要较小的样品消耗。然而社区和医院对低成本，用户友好的平台的需求仍然存在，这对现阶段的微流控设备提出了挑战。受马德堡半球的启发，华中科技大学刘笔锋团队采取因地制宜的研究策略，利用无处不在的大气压来实现滑移芯片的自密封，同时该旋转滑移芯片（RSC）配备了3D圆形圣诞树状微流体浓度梯度发生器来生成线性浓度梯度，通过对芯片通道的编辑来适配不同微生物指标的检测。相关论文近期发表在Small Methods 期刊上。

图1. 旋转滑移芯片设计原理图

该研究工受到马德堡半球的启发，利用无处不在的大气压来完成芯片的封装，在该条件下无需任何表面修饰就能完成旋转滑移芯片的封装，同时在滑移芯片上搭载了能够自动生成多个浓度溶液的浓度梯度生成装置去进行更加复杂的实验，该装置仅需要一次操作就能通过裸眼对实验结果进行读取（图1）。

图2. 浓度梯度生成效果示意图

为验证RSC浓度梯度的生成效果，研究团队分别进行理论建模、数值模拟和实际验证。这些结果都表明环形浓度梯度发生器能够生成非常稳定的线性浓度梯度（图2）。

图3. A) 芯片结构图, B) RSC密封效果示意图, C) 不同的芯片亚型示意图

为了验证大气压的密封效果，研究团队以芯片自身的重力作为参照，使用超过芯片自身重力40倍的拉力无法将芯片分离，同时研究团队通过对芯片图案进行编辑，可以让芯片去适配不用的微生物学应用（图3）。

图4. RSC-Ⅰ上进行蛋白浓度测定

研究团队以大肠杆菌分泌β半乳糖苷酶为例，使用RSC-Ⅰ对来源于大肠杆菌的β半乳糖苷酶浓度进行测定（图4），并使用RSC-Ⅱ对浓度测定完毕的β半乳糖苷酶的酶活进行测定（图5），最后测定该菌株对不同抗生素的敏感程度（图6）。在RSC-Ⅰ中，使用BCA法测定蛋白浓度能获得具有良好线性效果的标准曲线（R²=0.9942），此外该微流控设备能够将BCA实际盒的检出限降低10倍（图4）。在RSC-Ⅱ对浓度测定完毕的β半乳糖苷酶的酶活进行测定，并可以通过裸眼对检测结果进行观察（图5）。

图5. RSC-Ⅱ测定β半乳糖苷酶的酶活

最后通过RSC-Ⅲ测定大肠杆菌对多种抗生素敏感程度，在此基础上研究团队通过RSC生成多种抗生素的浓度来进行抗生素联合用药（图6），并能在4 h获得检测结果。

图6. RSC-Ⅲ进行细菌药敏检测

综上所述，该研究设计了一种通过大气压进行自密封的微流控装置，其特点是设计简单、成本低、同时不需要对材料表面进行表面改性。RSC能够实现可编程多浓度梯度生成、多芯片操作以及多靶标分析。用户只需对旋柄进行一次操作就能通过肉眼获得检测结果。此外，在该装置上能够将BCA法的检出限降低10倍；在细菌药敏检测中与传统方法（>24 h）相比，它在4 h获得菌株的药敏信息，并能够在该装置上进行抗生素联合检测提供更多的用药信息，并展示了良好的分析性能。该装置可以通过肉眼获得检测结果也可以通过分析软件和信号读取仪器进一步提高检测效果。这项研究为POCT提供了一种新的低成本多功能的制作思路。

华中科技大学刘笔锋教授和陈鹏副教授为共同通讯作者。华中科技大学博士生万超、硕士生伊龙雨为共同第一作者。本文得到国家重点研发计划和国家自然科学基的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Atmospheric Pressure Enhanced Self-Sealing Rotation-SlipChip with Programmable Concentration Gradient Generation for Microbiological Applications

Chao Wan, Longyu Yi, Huijuan Yuan, Shunji Li, Xin Wang, Yuxiao Shu, Han Xie, Mengcheng Lei, Zeyu Miao, Wei Du, Xiaojun Feng, Yiwei Li, Peng Chen, Bi-Feng Liu

Small Methods, 2024, DOI: 10.1002/smtd.202400454