“微流控+3D打印”制作低成本的新冠病毒RNA基因傳感器

來(lái)源：MEMS

3D打印技術(shù)，也稱(chēng)為增材制造，基于連續(xù)材料層的數(shù)字化沉積制造三維物體，可應(yīng)用于航空、能源設(shè)備、制藥、醫(yī)療設(shè)備和診斷等領(lǐng)域。3D打印對(duì)于定制傳感器件的分散式按需生產(chǎn)非常有用。與3D打印機(jī)相比，3D打印筆（3D-PP）成本更低，并且易于使用。

目前，由SARS-CoV-2（新型冠狀病毒）引起的COVID-19（新冠肺炎）疫情是全球重大緊急事件。根據(jù)以往流行性病毒經(jīng)驗(yàn)，高靈敏度和特定的COVID-19實(shí)驗(yàn)室診斷對(duì)于病例識(shí)別、接觸者追蹤和風(fēng)險(xiǎn)管理的及時(shí)決策至關(guān)重要。盡管逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（RT-PCR）因其高選擇性和高靈敏度，是SARS-CoV-2檢測(cè)的“金標(biāo)準(zhǔn)”技術(shù)，但它耗時(shí)長(zhǎng)，并且需要由專(zhuān)業(yè)人員在中心實(shí)驗(yàn)室操作。因此，開(kāi)發(fā)一種快速、低成本且可靠的用于即時(shí)醫(yī)療（POC）應(yīng)用的分子診斷檢測(cè)方案，是抗擊新冠疫情的迫切需求。

在這場(chǎng)與病毒的賽跑中，芯片實(shí)驗(yàn)室（lab-on-a-chip）和微流控芯片因其獨(dú)特的性能而用途廣泛，例如能夠在小型器件上集成樣品制備、反應(yīng)和檢測(cè)，僅需少量樣品和試劑，且自動(dòng)化程度高，一次性使用，便攜性好。其中，電化學(xué)微流控器件發(fā)揮著重要作用，因?yàn)殡娀瘜W(xué)檢測(cè)易于小型化而不損失分析性能。此外，該方法對(duì)SARS-CoV（冠狀病毒）檢測(cè)的有效性此前已得到驗(yàn)證。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，由捷克布拉格化學(xué)與技術(shù)大學(xué)高級(jí)功能納米機(jī)器人中心無(wú)機(jī)化學(xué)系、中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院研究部、布爾諾理工大學(xué)未來(lái)能源與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的研究人員組成的科研團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)了一款由3D打印筆制造的針狀SARS-CoV-2基因傳感器。研究人員將靶向SARS-CoV-2的N基因序列的單鏈DNA（ssDNA）探針吸附在經(jīng)化學(xué)和電化學(xué)激活的3D打印筆電極上。然后，將該SARS-CoV-2基因傳感器與SARS-CoV-2靶向RNA一起孵育，與單鏈DNA探針雜交，使其從3D打印筆電極表面加合而解吸。解吸之后，通過(guò)微分脈沖伏安法（DPV）對(duì)單鏈DNA探針中的腺嘌呤進(jìn)行電化學(xué)氧化。最后，該系統(tǒng)由單個(gè)PDMS（聚二甲基硅氧烷）通道和插入出口側(cè)的三電極系統(tǒng)組成的微流控芯片實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)下圖）。該三電極系統(tǒng)完全由3D打印而成。這種微流控基因傳感器能夠在“On/Off”模式下，7分鐘內(nèi)檢測(cè)出SARS-CoV-2靶向RNA。

用于SARS-CoV-2病毒檢測(cè)的芯片實(shí)驗(yàn)室基因傳感器原理圖

微流控電化學(xué)基因傳感器

PDMS微流控芯片是按照先前已公布的研究?jī)?nèi)容制造而成。該芯片由一個(gè)PDMS層組成，該層包含一個(gè)開(kāi)放通道（截面為50 × 50 μm，長(zhǎng)1 cm）、兩個(gè)儲(chǔ)液層（直徑2 mm），以及用于封閉通道的玻璃基板。

由PDMS微通道和3D打印筆制作的帶有三個(gè)電極的電化學(xué)電池組成的芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)

該芯片集成在芯片支架中，便于泵送管道和電化學(xué)電池的連接。使用Y型連接器將兩個(gè)注射器連接到微芯片入口。一個(gè)注射器含有pH為7.4的磷酸鹽緩沖溶液（PBS）和COVID-SARS-2 RNA溶液。使用雙注射泵以一定的速度注入液體。此外，將一個(gè)塑料電化學(xué)電池（體積為200微升）插入微芯片出口，并將三個(gè)3D打印筆電極浸入電池中。工作電極（基因傳感器）被放置在微芯片通道的出口處（在出口儲(chǔ)液層內(nèi)，總體積為8微升）。

微流控基因傳感器是通過(guò)用SARS-CoV-2的單鏈DNA反義寡核苷酸（探針：5'-CCAATGTGATCTTTTGGTGT）修飾3D打印筆電極制造的，靶向SARS-CoV-2的N基因序列在生物傳感中的作用已被證實(shí)。利用單鏈DNA和碳納米材料之間的π-π堆疊優(yōu)勢(shì)，該單鏈DNA探針被物理吸附到活化的3D打印筆電極表面，以保證始終使用新的3D打印筆電極來(lái)制備基因傳感器。

基因傳感器機(jī)制是基于使用微分脈沖伏安法氧化單鏈DNA中的腺嘌呤產(chǎn)生信號(hào)，從而獲得更大的峰面積。相反，在SARS-CoV-2 RNA（靶標(biāo)：5′-ACACCAAAAGAUCACAUUGG）存在的情況下，SARS-CoV-2探針的單鏈DNA反義寡核苷酸與SARS-CoV-2的RNA靶標(biāo)雜交，從3D打印筆電極解吸，導(dǎo)致腺嘌呤的氧化信號(hào)降低，氧化峰降低。

結(jié)語(yǔ)

研究人員利用3D筆式打印電極（3D-PP）制作了一款用于SARS-CoV-2檢測(cè)的低成本、一次性基因傳感器。該傳感機(jī)制是通過(guò)與SARS-CoV-2的RNA靶標(biāo)相互作用后，解吸單鏈DNA探針，并監(jiān)測(cè)未解吸的單鏈DNA（微分脈沖伏安法對(duì)腺嘌呤的氧化信號(hào)）。將該基因傳感器集成到芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中，產(chǎn)生一種“On/Off”傳感裝置，可以在7分鐘內(nèi)檢測(cè)SARS-CoV-2的RNA，而樣品和試劑消耗最少。此外，該研究是微流控和3D打印技術(shù)（尤其是3D打印筆）的結(jié)合，就如何提供易于使用、一次性和低成本的即時(shí)檢測(cè)的傳感裝置給出的一個(gè)具有前景的示例，具有普遍適用性。