核酸检测直接面向病原体的遗传物质，具有高灵敏度和高特异性的特点，在传染性疾病的筛查和诊断中不可或缺。然而，传统的核酸检测方法依赖于专业实验室和经过严格训练的检验人员，通常需要多台设备联合操作，手工步骤繁琐，耗时费力且存在污染风险，总检测时间长达3-5小时，无法实现现场快速检测和“样品进，结果出”的效果。为了突破这一局限，实验室设计并开发了一种全自动微流控核酸现场快速检测系统，在紧凑的225mm×335mm×264mm空间内设计集成了核酸提取的全部流程及qPCR所需的变温和光学模块，并搭配了预封装试剂的微流控检测芯片作为生化反应场所。该系统通过仪器与芯片的协同耦合实现多物理场的高效控制，能够在30分钟内实现包括完整提取流程与45个扩增循环在内的全自动核酸定量检测。在新冠注册检中表现优异，灵敏度达到22拷贝/毫升，且检测精密度控制在2%以内。

图1 检测流程示意图

核酸提取是核酸检测的重要上游步骤。为了实现核酸提取快速、高效和自动化，研究人员建立了一种基于磁珠法的超声辅助核酸提取系统。该系统通过对磁珠和试剂混合的复杂多物理场过程进行耦合建模，结合声学知识和机器学习的非接触式流动模式测量方法对磁珠及流体运动进行量化表征，指导微流控芯片反应腔结构设计与超声波激励策略的改进，显著提升了提取性能。实验表明，基于声流体动力学模型进行超声参数和结构的优化，可以有效增强声流效应，从而促进试剂与磁珠的混合性能。例如当超声入射角为10°时，混合指数可提高84%；增加的锥形和薄片微结构可分别使局部混合指数达到83.6%和92.5%；在单步混合过程中，仅需15秒的超声连续激励就能达到与手工混合10分钟相当的提取性能。此外，使用流场模式测量方法对1946幅流场图像进行标注，平均识别精度可达到96.4%。通过该方法对实际流场的测量和分析，进一步优化超声波激励策略，使得系统的性能与“金标准”人工核酸提取方法相当，对于弱阳性样本的检出率达到100%，而完成完整提取的耗时仅为人工提取的40%。

图2 超声辅助核酸提取过程及磁珠不同分散状态

在成功获取高质量的核酸提取产物后，接下来的步骤是对这些产物进行扩增检测。研究人员通过引入热力学理论并结合先进的温度控制策略，开发了基于qPCR的快速扩增系统。该系统具备超过8℃/秒的最大变温速度，在保证扩增效率的同时，可在20分钟内即完成45个扩增循环，实现了具有临床意义的定量检测。

图3 温度控制流程及扩增温度曲线

该研究成果已获得中华人民共和国医疗器械注册证（三类），并在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement、Analytica Chimica Acta、Sensors and Actuators B: Chemical等期刊上发表多篇论文。该系列论文第一作者包括实验室张东旭、高润鑫、黄玉麟、胡杨等，通讯作者包括实验室夏宁邵、张军、葛胜祥、张东旭以及温州大学张祥雷等。该系列研究获得国家自然科学基金、福建省科技重大专项、福建省卫生健康委员会医学科研计划项目以及中央高校基本科研业务费专项资金的资助。

论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10487788

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0003267023013971?via%3Dihub

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925400523006548