“微流控+3D打印”制作低成本的新冠病毒RNA基因傳感器

來源：MEMS

3D打印技術，也稱為增材制造，基于連續(xù)材料層的數(shù)字化沉積制造三維物體，可應用于航空、能源設備、制藥、醫(yī)療設備和診斷等領域。3D打印對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，高靈敏度和特定的COVID-19實驗室診斷對于病例識別、接觸者追蹤和風險管理的及時決策至關重要。盡管逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈式反應（RT-PCR）因其高選擇性和高靈敏度，是SARS-CoV-2檢測的“金標準”技術，但它耗時長，并且需要由專業(yè)人員在中心實驗室操作。因此，開發(fā)一種快速、低成本且可靠的用于即時醫(yī)療（POC）應用的分子診斷檢測方案，是抗擊新冠疫情的迫切需求。

在這場與病毒的賽跑中，芯片實驗室（lab-on-a-chip）和微流控芯片因其獨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、反應和檢測，僅需少量樣品和試劑，且自動化程度高，一次性使用，便攜性好。其中，電化學微流控器件發(fā)揮著重要作用，因為電化學檢測易于小型化而不損失分析性能。此外，該方法對SARS-CoV（冠狀病毒）檢測的有效性此前已得到驗證。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，由捷克布拉格化學與技術大學高級功能納米機器人中心無機化學系、中國醫(yī)科大學附屬醫(yī)院研究部、布爾諾理工大學未來能源與創(chuàng)新實驗室的研究人員組成的科研團隊，開發(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)化學和電化學激活的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，通過微分脈沖伏安法（DPV）對單鏈DNA探針中的腺嘌呤進行電化學氧化。最后，該系統(tǒng)由單個PDMS（聚二甲基硅氧烷）通道和插入出口側的三電極系統(tǒng)組成的微流控芯片實現(xiàn)（見下圖）。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)檢測出SARS-CoV-2靶向RNA。

用于SARS-CoV-2病毒檢測的芯片實驗室基因傳感器原理圖

微流控電化學基因傳感器

PDMS微流控芯片是按照先前已公布的研究內(nèi)容制造而成。該芯片由一個PDMS層組成，該層包含一個開放通道（截面為50 × 50 μm，長1 cm）、兩個儲液層（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電極的電化學電池組成的芯片實驗室系統(tǒng)

該芯片集成在芯片支架中，便于泵送管道和電化學電池的連接。使用Y型連接器將兩個注射器連接到微芯片入口。一個注射器含有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，將一個塑料電化學電池（體積為200微升）插入微芯片出口，并將三個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（在出口儲液層內(nèi)，總體積為8微升）。

微流控基因傳感器是通過用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。利用單鏈DNA和碳納米材料之間的π-π堆疊優(yōu)勢，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打印筆電極來制備基因傳感器。

基因傳感器機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，從而獲得更大的峰面積。相反，在SARS-CoV-2 RNA（靶標：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靶標雜交，從3D打印筆電極解吸，導致腺嘌呤的氧化信號降低，氧化峰降低。

結語

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檢測的低成本、一次性基因傳感器。該傳感機制是通過與SARS-CoV-2的RNA靶標相互作用后，解吸單鏈DNA探針，并監(jiān)測未解吸的單鏈DNA（微分脈沖伏安法對腺嘌呤的氧化信號）。將該基因傳感器集成到芯片實驗室系統(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（尤其是3D打印筆）的結合，就如何提供易于使用、一次性和低成本的即時檢測的傳感裝置給出的一個具有前景的示例，具有普遍適用性。