高导热性集成EWOD芯片，用于超快速、低成本的病原体检测

《Analytica Chimica Acta》：High-thermal-conductivity integrated EWOD chip for ultra-fast, low-cost pathogen detection

本研究开发了一种低成本集成式电泳微流控芯片检测系统，通过屏幕印刷与注塑成型结合工艺制备碳掺杂聚碳酸酯芯片，显著提升热传导效率。采用亲水位点设计实现精准液滴定位和PCR电解质分解抑制，结合三阶段PID温控算法优化热循环性能。实验表明系统可在10分钟完成45循环PCR扩增，30分钟内实现103 CFU/mL浓度病原体检测，核心部件成本控制在1美元以下。

　　

Fangzhou Zhang|Kun Wang|Xiaoqiang Shu|Danfeng Su|Yongjie Yu|Chang Chen|Jianlong Zhao|Shilun Feng|Bo Liu

中国嘉兴314100，向富实验室

摘要

背景

电润湿（EWOD）技术以其精确的液滴操控能力而闻名，它在克服传统核酸检测方法的局限性方面展现出巨大潜力，能够实现快速现场检测并支持传染病控制工作。然而，其实际应用受到高成本、与PCR热循环过程兼容性差以及热传递效率低等挑战的限制。

结果

为了解决这些问题，本研究开发了一种低成本、完全集成的EWOD检测系统。该系统采用丝网印刷-注塑成型混合工艺制备了具有增强热导率的碳掺杂聚碳酸酯芯片，提高了热传递效率。设计亲水位点以诱导“固定效应”，从而在PCR过程中实现精确的液滴定位和气泡抑制。此外，还集成了一种三阶段PID温度控制策略以优化系统性能，共同克服了与芯片热传递、液滴操控和气泡抑制相关的关键挑战。实验结果表明，该系统能够在10分钟内完成45个循环的PCR扩增，并在30分钟内实现浓度为10^3 CFU/mL的病原体全流程检测，关键芯片组件的成本控制在1美元以下。

意义

本研究为现场核酸检测提供了一种快速且经济有效的解决方案，显著推进了EWOD技术的实际应用。

引言

病原体的早期检测对于传染病监测至关重要，而快速准确的检测是精准预防和控制的基础。先进检测技术的发展在提高临床诊断效率和构建韧性公共卫生系统方面具有战略价值[1]。常见的检测方法包括全基因组测序[2]、核酸检测[3]和免疫蛋白测定[4]。其中，核酸检测因其及时性、经济性以及高灵敏度和特异性而在现场和流行病预防检测中得到广泛应用[5]。

在核酸检测领域，实时荧光定量PCR（qPCR）已成为最广泛使用的“金标准”方法，因为它具有高灵敏度、优异的特异性和精确的定量能力。其标准流程包括样本收集、核酸提取、PCR扩增和荧光检测等关键步骤[6]、[7]。为了满足即时检测（POCT）应用的需求，当前的研究重点在于开发低成本、完全集成、便携且高度敏感的芯片和系统，以支持多目标检测[8]、[9]。在这一趋势下，微流控芯片凭借其高集成度、低试剂消耗和便携性，逐渐成为将核酸检测技术应用于现场的重要技术平台[10]、[11]、[12]。根据不同的流体操控原理，用于核酸检测的微流控芯片主要可以分为离心型[13]、电控型[14]、光电型[16]和磁控型[17]。例如，Yang等人应用EWOD理论通过电场精确操控液滴并进行核酸检测[18]；Park等人结合光电润湿机制开发了具有集成智能手机荧光检测功能的3D打印微流控芯片[19]；Zou等人利用光热材料实现了快速细菌DNA提取和定量PCR检测[20]；Strachan等人将红外介导的PCR与旋转诱导的磁聚集测定相结合，创建了一种新型的快速可视化核酸检测平台[21]。

在上述检测方法中，基于EWOD的微流控芯片因其在液滴操控、高集成度和自动化方面的优势而在核酸检测中受到广泛关注。目前，这类芯片主要采用PCB技术制造，并在多项研究中表现出优异的性能。例如，Hung将磁珠技术集成到数字微流控平台上，实现了全血DNA的高效室温提取和清洗过程，大大简化了工作流程[22]；Yehezkel等人开发了一种可编程的有序聚合EWOD芯片，结合有限的稀释和液滴温度区穿梭策略，实现了单分子PCR，为DNA合成和克隆提供了新方法[23]；Anderson开发了一种由41,000个电极组成的薄膜晶体管DMF阵列，能够进行多路径并行反应，该系统成功完成了SARS-CoV-2检测中的核酸提取和双链DNA去除，充分展示了其在病原体诊断中的实际价值[24]。

然而，基于PCB技术的芯片存在环境风险且经济成本相对较高。为了克服这些瓶颈，人们开发了多种低成本且可扩展的制造技术。Dixon利用喷墨印刷和卷对卷涂层技术实现了高性能柔性数字微流控芯片的低成本制造[25]；Kim等人开发了一种基于PCB的数字微流控平台，通过结合EWOD和声学气泡驱动实现高效开放表面液滴混合[26]；Jafry等人开发了一种基于纸张的低成本一次性数字微流控诊断平台，通过双面电动喷射印刷技术支持基于智能手机的比色检测[27]；Soum等人提出了圆珠笔直写层压技术[28]、[29]，而Shen等人开发了一种直写3D打印-PTFE膜工艺[30]，这两种方法为基于纸张的芯片低成本制造和简单核酸扩增芯片的开发提供了新途径。尽管这些方法在成本控制方面取得了显著进展，但数字微流控芯片在qPCR应用中仍面临试剂加热电解和热传递效率低等关键挑战，限制了其广泛应用。

为了解决现有基于电润湿的数字微流控芯片在核酸检测中存在的成本高、热循环兼容性差和热传递效率低的问题，本研究旨在开发一种低成本、完全集成的检测系统。我们将采用丝网印刷-注塑成型混合工艺制备高热导率微流控芯片，并构建一个集成电润湿驱动、磁操控和优化PID温度控制算法的检测平台（图1a）。表面亲水修饰技术将用于实现精确的试剂定位和PCR电解抑制（图1b）。此外，还将使用碳纤维掺杂基底来提升系统的热传递性能（图1c）。该系统的快速检测能力将在大肠杆菌（Escherichia coli）和沙门氏菌（Salmonella）检测模型中进行验证（图1d），为病原体现场检测提供全面解决方案。

材料与仪器

大肠杆菌 O157:H7 (ABM35390-2) 和 沙门氏菌 (ABM48140-1) 来自上海Sangon Biotech公司。核酸提取使用长沙Sansure Biotech公司的通用试剂盒完成，磁珠来自江苏Konway Century Biotechnology公司。PCR引物和探针由上海Biosune Biotechnology公司合成，扩增使用瑞士Roche公司的KAPA3G HotStart DNA聚合酶进行。EWOD芯片由

芯片设计特点与优化

设计的EWOD芯片具有高度集成和功能分区的结构，如图2a所示。上层包括样品裂解室（14.1 μL，含有磁珠、样品和裂解缓冲液）、两个洗涤室（每个4.7 μL）以及一个洗脱室（12 μL），形成了有序的样品处理流程。中间的紫色区域是液滴操控区，在这里精确的电场和磁场控制液滴的转移、混合和反应

结论

本研究提出了一种基于数字微流控技术的低成本、集成化的病原体核酸检测系统。芯片设计采用了碳掺杂的PC注射成型和局部减薄工艺，实现了高热导率和低成本基底。关键组件的制造成本控制在1美元以下，显示出显著的经济优势，并具有广泛应用的巨大潜力。在芯片检测区域，亲水位点的设计

CRediT作者贡献声明

Kun Wang：撰写——初稿。Fangzhou Zhang：撰写——初稿。Chang Chen：概念构思。Yongjie Yu：数据管理。Danfeng Su：概念构思。Xiaoqiang Shu：概念构思。Bo Liu：资源提供。Shilun Feng：撰写——审稿与编辑，资源协调。Jianlong Zhao：监督

利益声明

作者声明没有竞争性财务利益。

数据可用性

本研究中的原始数据和贡献包含在文章或补充材料中。如有进一步咨询，请联系相应作者。

资助

本工作得到了国家重点研发计划（编号：2023YFA0915200、2023YFA0915204）的资助。此外，该研究还得到了中国科学院的设备研发项目（PTYQ2024YZ0010）、上海市科学技术委员会的项目（XTCX-KJ-2024-038）以及向富实验室研究项目的支持

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们衷心感谢非作者合作者的宝贵贡献，他们使这项研究成为可能。