济南大学AFM：基于生物传感器的微流控平台用于病原菌的快速临床检测

近日，来自济南大学的刘宏教授、周伟家教授和中国科学院深圳先进技术研究院王泽南副研究员团队，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Biosensor-Based Microfluidic Platforms for Rapid Clinical Detection of Pathogenic Bacteria”的综述文章，第一作者为侯莹，刘震。该综述总结了微流控生物传感器（包括用于床旁检测的微流控设备）在病原菌临床检测中的最新进展。文章详细探讨了各类病原菌检测策略，并分析了其优势与局限性。同时，重点介绍了用于捕获和检测病原菌的先进微流控平台，如微流道、微阵列、数字微流体和纸基平台等，并总结了这些微流控设备的研究成果及存在的不足。此外，文章还列举了基于生物传感器的微流控设备在检测细菌失衡相关疾病中的应用案例。最后，对基于生物传感器的高效微流控技术在病原菌临床检测中的潜在研究方向提出了展望，为未来的技术开发提供了思路。

图1. 用于病原菌快速临床检测的微流控芯片。

【本文要点】

要点一：病原菌检测的一般原理和方法

文章总结了病原菌检测的一般原理和方法，包括依赖培养技术的细菌鉴定、免疫诊断、分子诊断以及单个致病菌的结构分析和成像。深入理解这些原理和方法的优势和不足，并针对这些不足，借助微流控芯片与现有的分子生物学和免疫学检测方法的高兼容性和无缝集成，为传统的病原体检测提供了创新的解决方案。

图2. 致病菌检测的传统方法和结合微流控的方法。

要点二：用于病原菌检测的微流控生物传感器平台

微流控技术是一种用于输送、混合、分离或以其他方式处理液体的综合技术。基于该技术的微流控生物传感器可分为两类：基于微芯片的微流控和基于微流控纸张的分析装置。该部分详细剖析了近年来利用微流体技术进行细菌捕获和检测的先进平台，包括微流道、微阵列、数字微流体和纸质平台。目标是在现场实现快速、高通量、高度特异性和便携式活病原体检测系统。

图3. 微流控生物传感器的两类：基于微芯片的微流控和基于微流控纸张的分析装置。

图4. 离心式微流道芯片

图5. 微阵列芯片

图6. 数字微流体芯片

图7. 微流控纸质平台

要点三：用于临床中细菌感染引发疾病诊断的微流控生物传感器

微流控的多学科领域有望解决众多挑战。已生产出大量可批量生产且具有成本效益的即时检测医疗器械。本章总结了微流控生物传感平台在细菌感染引发的疾病诊断方面的应用。便携式和超灵敏的生物传感器，包括荧光、电化学、比色和视觉检测方案，在临床诊断中具有广阔的前景。

图8. 基于微流控芯片的病原菌临床检测

要点四：总结与展望

尽管基于生物传感器的微流控平台在病原体检测中的应用前景广阔，但仍存在一些挑战。解决这些挑战对于这些技术的进一步发展和实际实施至关重要。

（1）传感器稳定性：确保生物传感器的长期稳定性和可重复性对于保持一致的性能至关重要。研究应着眼于开发强大的传感器材料，提高生物识别元件在各种条件下的功能稳定性。

（2）灵敏度增强：虽然目前的平台已经证明微流控传感器平台可以用于多个病原体标记物或单个细胞的检测，但高通量、多靶点的检测容易产生交叉污染。捕获单元与靶标的结合特异性也成为影响检测结果准确性的重要因素。

（3）集成和小型化：开发完全集成和小型化的系统，将样品制备，病原体检测和数据分析结合在一个平台上，对于即时检测应用至关重要。

（4）大规模生产和降低成本：大规模生产这些平台的可扩展性和经济可行性仍然是重大障碍。应努力优化制造工艺和利用成本效益高的材料，使这些技术易于获得。

（5）POCT应用：随着即时检测需求的迫切，开发精确、低成本、集成化、便携化、高灵敏度的微流控芯片成为人们日益追求的目标。开发简单的手持设备和用于芯片检测的信号传输方法，如蓝牙传输和智能手机接收，是微流控芯片广泛采用的必要条件。

（6）法规和临床验证：确保法规遵从性和获得临床验证对于在临床环境中采用这些平台至关重要。为了满足监管机构的严格要求并获得医疗保健专业人员的信任，必须进行严格的测试和标准化。

（7）跨学科合作：基于生物传感器的微流控平台的开发需要跨多个学科的合作，包括生物学、化学、工程学和医学。促进跨学科研究和促进学术界、工业界和医疗保健提供者之间的合作关系将加速这些技术从实验室到临床实践的转化。

【通讯作者简介】

刘宏，济南大学前沿交叉科学研究院院长，山东大学晶体材料国家重点实验室教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。中国硅酸盐学会晶体生长分会理事，中国光学学会材料专业委员会会员理事，中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事。主要研究方向：生物传感材料与器件、纳米能源材料、组织工程与干细胞分化、光电功能材料等。十年来，主持了包括十五、十一五、十二五863、十三五国家重点研发项目和自然基金重大项目、自然基金重点项目在内的十余项国家级科研项目，取得了重要进展。2004至今，在包括Adv. Mater., Nano Letters, ACS Nano, J. Am. Chem. Soc., Adv. Fun. Mater., Envir. Eng. Sci.等学术期刊上发表SCI文章400余篇，其中，影响因子大于10的超过110篇，个人文章总被引次数超过23000次，H因子为72，40余篇文章被Web of Science的ESI选为高被引用论文，文章入选2013年中国百篇最具影响国际学术论文、2015和2019年度进入英国皇家化学会期刊“Top 1%高被引中国作者”榜单。2018、2019、2020连续三年被科睿唯安评选为“全球高被引科学家”。应邀在化学顶尖期刊Chemical Society Review和材料顶尖期刊Advanced Materials和Advanced Energy Materials上发表综述性学术论文，在国际上产生重要影响。授权专利40余项，有关生化传感器研究在山东大学进行了千万元成果转让，与企业合作进行产业化生产。2019年获山东省自然科学奖一等奖。

Email: hongliu@sdu.edu.cn

周伟家，济南大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师，学术带头人。主要从事能源催化和功能器件相关研究，在氢能源、二氧化碳资源化和催化电池等方面取得一系列研究成果，以第一或通讯作者在Nat. Commun., Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等期刊发表SCI收录论文120余篇，被引15000余次，H因子65，中国百篇最具影响力国际学术论文1篇，ESI高被引用论文14篇；中国化学快报、物理化学学报、BMEMat、SusMat期刊的青年编委和Interdiscip. Mater.学术编辑；以第一发明人授权发明专利21项。主持国家优秀青年基金，国家重点研发计划课题，山东省杰出青年基金，山东省泰山学者特聘专家计划，山东省重点研发计划等国家省部级项目16项。获得山东省青年科技奖（2022），山东省自然科学一等奖（3/5，2019），中国颗粒学会自然科学二等奖（1/5，2022）和山东化学化工学会科学技术二等奖（1/9，2023）。

Email: ifc_zhouwj@ujn.edu.cn

网页：
https://publons.com/researcher/1640871/weijia-zhou/

团队官方网站：aems.ujn.edu.cn

王泽南，IEEE会员，中国科学院深圳先进技术研究所认知技术中心的副教授。2011年毕业于新加坡南洋理工大学，获电气与电子工程学士学位，2016年获机械与航空航天工程博士学位。主要从事生物医学设备、医学图像处理、机构设计、医疗机器人和芯片实验室技术相关研究。

Email: zn.wang1@siat.ac.cn

文章链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202411484

来源：高分子科学前沿

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