基于微流控的空气病原微生物快速捕获和检测技术的研究

Airborne pathogen spreads fast and is hard to monitor, and usually causes large-scale outbreak of infectious diseases. While, traditional techniques for airborne pathogen detection depends on time-consuming culture process or expensive instruments, which is not conducive to point-of-care tests and led to limited range of applications. This is the first proposal of using microfluidic chips for airborne pathogen capture and analysis. First, airborne bacteria and fungal spore are used for exploring the scientific principles and characters that affects the capture efficiency of the airborne microorganism. Next, nano structure will be designed and fabricated for capturing of airborne virus. Last, high-throughput LAMP, continuous-flow PCR and on-chip ELISA analysis will be performed to establish a new technology platform for airborne pathogen capture and analysis, which can simultaneously achieve point-of-care qualitative tests and quantitative analysis with high accurate. This research will explore the detailed scientific principles for airborne pathogen capture with the microfluidic staggered herringbone mixer (SHM) structure, which will help to lay a good foundation of novel airborne pathogen detection techniques, and further improve the ability of early warning of airborne disease outbreaks.

空气传播疾病具有传播速度快和难于监测的特点，容易在短时间内爆发大范围疫情。而现有的空气病原微生物检验技术均需要耗时培养或依赖昂贵设备，不利于现场快检和普及应用。本研究首次将微流控芯片用于空气微生物的捕获和分析，首先以空气中的细菌和真菌孢子为研究对象，深入探索芯片管道微结构、表面化学和空气流体动力学特性等因素对微生物吸附捕获的影响及具体科学机理；其次，引入纳米级芯片结构，对空气中的病毒进行截留和捕获富集；最后，研究建立芯片内高通量LAMP、连续流动式Real-time PCR和免疫学分析的新技术平台，在同一张芯片上完成对空气微生物的从捕获到检验分析的全部流程，既可以实现现场快速定性检验，也可以满足精确定量分析的需要。本项目将揭示微流控芯片捕获空气微生物的科学原理，为建立新型空气疾病检验技术奠定基础，有助于提高我国对空气疾病疫情的早期预警能力。

本研究对空气微生物芯片捕获的科学机制进行了探索分析，初步确定了芯片管道构型、表面化学修饰和气流动力学等因素对捕获富集效果的影响；根据实验结果和现场实际测试发现的问题，进一步加大了芯片的通气量，通过多条并行连通的芯片管道结构提高了空气微生物富集速度；在芯片洗脱和菌体裂解方式上进行了改进，提高了菌体DNA释放效率；设计和构建了芯片LAMP和PCR实时扩增系统，能够实现将采集得到的空气微生物直接进行芯片内分子生物学分析；对芯片内扩增的管道结构和预处理方法进行了改进，可以有效避免气泡的产生，能保障芯片的稳定运行；提高了芯片的检测通量，可以同时针对五种微生物进行并行检测；扩增反应产生的荧光信号经CCD探头采集后通过计算机进行实时分析。本研究构建的微流控芯片快速检测系统具有便携性好、检测速度快、检测通量高和检测特异性高的特点。通过在临床医院进行现场实地测试，对系统进行了整体改进。在芯片加工制造工艺和结构设计方面积累了大量经验，对空气微生物采集的方法、条件和效果进行了详细研究和评估，对空气微生物芯片捕获的科学机理进行了深入探索，为今后该技术的转化应用打下了良好基础。本研究执行期间共发表SCI文章3篇，中文核心期刊文章3篇，获得相关国家发明专利授权4项。