一种新型Lab-in-a-Fiber光流控器件的开发

据麦姆斯咨询报道，近日，由瑞典皇家理工学院（KTH Royal Institute of Technology）、英国赫瑞瓦特大学（Heriot-Watt University）、荷兰原子和分子物理学研究所（Institute for Atomic and Molecular Physics，AMOLF）、瑞典国家研究院（Research Institutes of Sweden，RISE）等科研机构组建的一支研究团队在Scientific Reports期刊上发表了可用于病毒检测的基于液滴微流控和激光诱导荧光（LIF）的光流控器件的最新论文。

微流控技术为生物学家在高度控制的微型系统中操作和分析生物样本提供了强有力的解决方案。微流控芯片具有亚毫米级的流道系统，由连接的储液器提供液体。微流控芯片设计和并行化有助于在单个器件中快速、多模式处理和检测分子或细胞物种，加上自动化的大规模生产，使其在诊断、环境分析和生物科学领域实现了商业化应用。

液滴微流控是一种微流控技术，它利用离散的水液滴，由不溶于水的油分离，并由表面活性剂稳定，可作为微型样本容器。单分散液滴可以在微流控系统内生成和检测。这种技术能够以超高通量（>1000液滴s⁻¹）对10⁻⁹至10⁻⁶ L样本包中的单个细胞或分子进行数字检测和分析。液滴已被用于体外封装多种样本（如细菌和细胞等），并进行高灵敏度的病毒检测。

液滴封装材料的检测和量化可能涉及集成到芯片中的光学元件的使用。所谓的光流控器件提供了一种将关键微流控样本处理能力与光学功能协同结合的方法，为生物和化学传感开辟了前景广阔的途径。已建立的光学技术，如荧光激活液滴分选、光学显微镜或LIF，可以集成到微流控芯片中。

将微流控能力直接集成到光纤和毛细管中，为台式光流控技术提供了另一种新兴的途径。光纤具有一系列特性，包括柔性、化学和生物惰性、易于光耦合和高纵横比。此外，它们在从电信到医学中的传感和成像等众多领域的广泛使用，带来了高耐受性和千米长度的标准化生产，可以使用为电信生产开发的设备将其组装成具有精确通道尺寸的低成本光流控器件。

在之前的研究工作中，研究团队的成员展示了几种由光纤和毛细管阵列制成的用于生物医学应用的全光纤光流控器件。他们还展示了用于检测、捕获和收集荧光微粒的器件，并通过开发一种低成本的全光纤流式细胞仪展示了这些技术的潜力。

最近，他们又展示了在不间断流体中通过光纤器件进行粒子分离和计数。此外，结构中空纤维允许直接在流体介质中引导光，这已被用于拉曼（Raman）传感和跟踪包括病毒颗粒在内的纳米级物体的扩散。结构光波导（如光笼），也已被开发用于吸收光谱，并可能在生物分析中应用。这些无缝集成的光流控器件——“光纤实验室”（Lab-in-a-Fiber）显示了将Lab-in-a-Fiber技术应用于分子诊断的潜力。

自2019年底开始，冠状病毒（SARS-CoV-2）或新冠肺炎（COVID19）大流行成为全球卫生面临的重大挑战，并将继续产生深远的社会和经济后果。这场大流行突显了高收入国家以及低收入国家对全球可部署、快速和可扩展的生物分子检测的必要性。针对SARS-CoV-2持续感染而开发的检测方法包括快速抗原检测（检测鼻咽拭子样本中关键病毒蛋白的存在）和核酸检测（扩增和检测鼻、咽喉或口腔拭子中的病毒遗传物质）。其中，与快速抗原检测相比，核酸扩增检测有望提供更高的灵敏度和潜在的更高的特异性。

在本论文的研究工作中，作者们描述了一种新型Lab-in-a-Fiber光流控器件的开发及其在液滴微流控方面的潜在应用。他们将液滴微流控与LIF检测相结合，这是通过开发一种光学侧耦合光纤实现的，被称之为“潜望镜光纤”。他们还描述了这种Lab-in-a-Fiber光流控器件的制造过程。该光流控器件的示意图如图1所示，包括两个模块，其作用如下：通过流动聚焦产生液滴；以及光学检测。

图1 Lab-in-a-Fiber光流控器件概述

图2 液滴生成模块

图3 液滴检测模块

图4 操作Lab-in-a-Fiber光流控器件的光学元件和硬件

他们提供了一系列荧光素浓度的表征数据，确定了开发的光流控器件具有10 nM荧光素的检测限（LOD）。最后，他们通过在COVID-19诊断的背景下检测逆转录环介导等温扩增（RT-LAMP）产物，表明该光流控器件在现实和相关的荧光状态下能够正常运行。该新型光流控器件代表着向即时检测液滴的数字RT-LAMP平台的开发迈出了重要一步。

图5 使用RT-LAMP试验的表征和结果

原文标题：基于液滴微流控和激光诱导荧光的光流控器件，可用于病毒检测

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审核编辑：汤梓红