Strategi diagnostik tradisional pikeun ngadeteksi kasakit tepa merlukeun pamakean instrumen benchtop anu henteu cocog pikeun uji titik perawatan (POCT).Munculna microfluidics mangrupakeun téhnologi kacida miniaturized, otomatis, sarta terpadu anu alternatif poténsial pikeun métode tradisional pikeun gancang, béaya rendah, akurat diagnostics on-situs.Métode diagnostik molekular seueur dianggo dina alat mikrofluida salaku metode anu paling mujarab pikeun deteksi patogén.Tinjauan ieu nyimpulkeun kamajuan panganyarna dina diagnostik molekular dumasar-mikrofluida tina kasakit tepa boh tina sudut pandang akademik sareng industri.Kahiji, urang ngajelaskeun prosés on-chip has asam nukléat, kaasup pretreatment sampel, amplifikasi, jeung maca sinyal.Karakteristik, kaunggulan sareng kalemahan tina opat jinis platform mikrofluida teras dibandingkeun.Salajengna, urang bakal ngabahas pamakean tes digital pikeun kuantifikasi mutlak asam nukléat.Duanana alat diagnostik molekular basis mikrofluidik komérsial klasik sareng panganyarna diringkeskeun salaku bukti kaayaan pasar ayeuna.Tungtungna, urang ngajukeun arah hareup pikeun diagnosis microfluidic kasakit tepa.
Panyakit tepa disababkeun ku patogén, kalebet baktéri, virus, sareng parasit, anu disebarkeun ka sakumna dunya.Teu kawas panyakit séjénna, patogén gancang jadi kainféksi sarta sumebar antara manusa jeung sato inang ngaliwatan inokulasi, hawa jeung média cai [1].Pencegahan panyakit tepa penting salaku ukuran kaséhatan masarakat.Tilu strategi utama pikeun merangan panyakit tepa: (1) ngontrol sumber inféksi;(2) gangguan tina jalur transmisi;(3) panyalindungan populasi rentan.Di antara strategi utama, kontrol sumber inféksi dianggap strategi anu paling penting kusabab genah sareng béaya rendah.Diagnosis gancang, isolasi, sareng pengobatan individu anu katépaan kritis, ngabutuhkeun strategi diagnostik anu gancang, sénsitip, sareng akurat [2].Diagnosis ayeuna panyakit tepa biasana ngagabungkeun pamariksaan klinis dumasar kana tanda sareng gejala sareng studi laboratorium sapertos kultur sél sareng diagnostik molekular, anu meryogikeun tanaga terlatih, prosedur intensif tanaga gawé, sareng alat uji mahal [3, 4].Nyegah wabah kasakit tepa merlukeun diagnosis lokal gancang, murah, jeung akurat, utamana di wewengkon sumberdaya-watesan dimana kasakit tepa umum tur parna [5], kitu ogé perlakuan di padang atawa di medan perang, dimana kaayaan darurat teu bisa diprediksi..perawatan médis diwatesan [6].Dina kontéks ieu, microfluidics mangrupikeun téknologi anu ngagabungkeun téknologi sistem microelectromechanical, nanotéhnologi, atanapi élmu bahan pikeun manipulasi cairan anu tepat [7,8,9,10], nyayogikeun kamungkinan anyar pikeun deteksi titik-perawatan (POCT).) agén tepa di luar rumah sakit sareng laboratorium.Dibandingkeun sareng diagnostik anu nyéépkeun waktos tradisional, téknologi microfluidic nawiskeun conto sareng tabungan biaya pikeun diagnostik molekular nalika wabah panyakit.Panyebaran global panyakit koronavirus 2019 (COVID-19) disababkeun ku sindrom pernapasan akut parah coronavirus 2 (SARS-CoV-2), ku kituna pentingna mikrofluida pikeun pencegahan sareng kadali pandémik dina waktosna ditekenkeun deui [11, 12]. , 13].Teu kawas diagnostics tradisional, microfluidic POCT ngagunakeun alat portabel leutik mimitian ti analis benchtop ka strip test sidestream leutik pikeun nguji deukeut titik sampling [14].Tés ieu ngagaduhan préparasi sampel anu saderhana atanapi henteu, amplifikasi sinyal gancang, sareng bacaan sinyal sénsitip anu nyababkeun durasi pondok sareng hasil akurat dina sababaraha menit.Kasadiaan sareng produksi massal alat-alat kasehatan anu didasarkeun ku mikrofluida parantos ngalegaan aplikasi diagnostik anu murah sareng langsung di luar rumah sakit, caket pasien, bahkan di bumi.
Diantara strategi anu aya pikeun ngadiagnosa panyakit tepa, diagnostik molekular mangrupikeun salah sahiji anu paling sénsitip [15, 16].Salaku tambahan, diagnostik molekular sering dianggo salaku standar emas pikeun deteksi kontinyu COVID-19, ngamungkinkeun deteksi langsung daérah khusus virus RNA atanapi DNA sateuacan awal réspon imun [17, 18].Dina review ayeuna, urang nampilkeun kamajuan panganyarna dina prosés diagnostik molekular basis microfluidics pikeun kasakit tepa, ti hiji sudut pandang akademis pikeun perspéktif industri hareup (Gbr. 1).Urang mimitian ku tilu léngkah konci dina deteksi asam nukléat: pretreatment sampel on-chip, amplifikasi asam nukléat, jeung maca sinyal.Urang lajeng ngabandingkeun tipena béda platform microfluidic kalawan struktur jeung fungsi maranéhanana, némbongkeun ciri unik (kaunggulan jeung kalemahan).Deteksi asam nukléat digital satuluyna dibahas sareng dipasihkeun salaku conto téknologi generasi katilu pikeun kuantifikasi mutlak molekul patogén tepa.Salaku tambahan, sababaraha alat POCT komérsial anu khas sareng pangénggalna bakal dibere pikeun nunjukkeun kaayaan pasar POCT microfluidic ayeuna pikeun diagnostik molekular.Kami ogé bakal ngabahas sareng ngajelaskeun visi kami pikeun aplikasi anu bakal datang.
Modul chip microfluidic pikeun deteksi asam nukléat bisa dibagi kana tilu kategori (sampling, pangakuan, jeung signalling) nurutkeun fungsi maranéhanana [19].Diantara modul ieu, modul sampling utamana nyadar lysis sampel sarta ékstraksi asam nukléat.Modul sensor utamana ngatur konvérsi sareng amplifikasi sinyal asam nukléat.Modul signalling ngadeteksi sinyal dirobah sarta diolah ku modul sensing.Dumasar kana prosés ngadeteksi asam nukléat dina chip, urang bakal nyimpulkeun rupa-rupa chip anu tiasa ngawujudkeun fungsi "input sareng output".
Léngkah munggaran dina deteksi asam nukléat nyaéta ékstraksi asam nukléat, nyaéta ngasingkeun asam nukléat udagan tina sampel aslina.Ekstraksi asam nukléat dilaksanakeun pikeun ngamurnikeun asam nukléat tina rereged molekular séjén, mastikeun integritas struktur primér molekul asam nukléat, sarta ngaoptimalkeun hasil.Ékstraksi asam nukléat merlukeun lysis sampel diperlukeun tur newak asam nukléat, kualitas sarta efisiensi nu boga dampak badag dina hasil panalungtikan sarta diagnostik.Sakur efek samping halus salami ékstraksi tiasa ngabatesan deteksi salajengna.Contona, métode polymerase chain reaction (PCR) jeung loop isothermal amplification (LAMP) dihambat ku sababaraha sésa pangleyur organik kayaning étanol jeung isopropanol dina réagen isolasi asam nukléat [20].Ékstraksi cair-cair sareng ékstraksi fase padet mangrupikeun metode anu paling populér pikeun ngasingkeun asam nukléat [21], tapi ékstraksi cair-cair dina chip kawates pisan, sabab réagen anu dianggo dina ékstraksi cair-cair ngabalukarkeun korosi kalolobaan chip mikrofluida. .Di dieu, urang nyorot metode ékstraksi fase padet dumasar microarray sareng ngabandingkeun kaunggulan sareng kalemahanana.
Silikon mangrupikeun bahan substrat anu cocog sareng asam nukléat kusabab biokompatibilitasna, stabilitas, sareng gampang modifikasi [22].Anu penting, nalika dirobih sareng silika atanapi bahan sanés, komposit ieu nunjukkeun sipat pikeun nyerep asam nukléat anu bermuatan négatif dina pH rendah, kaayaan uyah anu luhur bari éluting kalayan pH anu luhur, larutan uyah anu rendah.Dumasar fenomena ieu, kasebut nyaéta dimungkinkeun pikeun purify asam nukléat.
Rupa-rupa wangun bahan dumasar silika geus dipaké pikeun ékstraksi asam nukléat dina microfluidics, kayaning manik silika, powders, saringan microfiber, sarta mémbran silika [23, 24, 25, 26].Gumantung kana sipat bahan, bahan dumasar silikon bisa dipaké dina microcircuits ku cara béda.Contona, granules silika, powders, sarta nanofilters komérsial bisa saukur ditempatkeun kana pori atawa microchannels tina chip microfluidic tur mantuan nimba asam nukléat tina sampel [27, 28, 29].Mémbran silika anu dirobih permukaan ogé tiasa dianggo pikeun ngamurnikeun DNA gancang tina patogén kalayan béaya rendah.Contona, Wang et al.[30] Ku ngagabungkeun réaksi amplifikasi denaturasi jeung bursa ranté-dimédiasi vesicle jeung mémbran silika dilapis ku oligosakarida chitosan, sistem portabel serbaguna diwanohkeun nu hasil ngadeteksi 102-108 unit ngabentuk koloni.(CFU)/ml Vibrio parahaemolyticus., sareng ayana virus éta gampang katingali.Powell et al.[31] Microarrays basis silikon lajeng dipaké pikeun ngadeteksi virus hepatitis C (HCV), human immunodeficiency virus (HIV), virus Zika, sarta papillomavirus manusa sarta rambatan otomatis, nu 1.3 μl mikroréaktor tortuous dikembangkeun pikeun néwak virus RNA.sarta ngalakukeun amplifikasi in situ.Salian métode ieu, microcolumns silika permukaan-dirobah ogé maénkeun peran konci dina ékstraksi asam nukléat, sakumaha géométri jeung sipat bahan modifying greatly ngaronjatkeun efisiensi ékstraksi.Chen et al.[32] ngusulkeun platform microfluidic pikeun isolasi RNA-konsentrasi low dumasar kana microcolumns silikon-coated amino.Alat mikrofluida ieu ngahijikeun sakumpulan mikropilar 0,25 cm2 dina substrat silikon pikeun ngahontal efisiensi ékstraksi anu langkung luhur ngaliwatan desain rasio permukaan anu luhur sareng volume.Kauntungannana desain ieu alat microfluidic bisa ngahontal nepi ka 95% efisiensi ékstraksi asam nukléat.Strategi basis silikon ieu nunjukkeun nilai ngasingkeun asam nukléat gancang kalayan béaya rendah.Dina kombinasi sareng chip microfluidic, strategi ékstraksi dumasar-silikon henteu ngan ukur tiasa ningkatkeun efisiensi deteksi asam nukléat, tapi ogé ngagampangkeun miniaturisasi sareng integrasi alat analitik [20].
Métode pamisahan magnét ngagunakeun partikel magnét pikeun ngasingkeun asam nukléat ku ayana médan magnét éksternal.Partikel magnét anu biasa dianggo kalebet partikel magnét Fe3O4 atanapi γ-Fe2O3 anu dilapis ku silika, amino sareng karboksil [33,34,35,36].Fitur anu ngabédakeun partikel magnét dibandingkeun sareng metode SPE berbasis silikon nyaéta betah manipulasi sareng kontrol nganggo magnet éksternal.
Nganggo interaksi éléktrostatik antara asam nukléat sareng silika, dina kaayaan uyah luhur sareng pH rendah, asam nukléat diserep dina permukaan partikel magnét anu dilapis silika, sedengkeun dina kaayaan uyah lemah sareng pH luhur, molekul tiasa dikumbah. deui..Manik-manik magnét anu dilapis silika ngamungkinkeun pikeun nimba DNA tina sampel volume ageung (400 μL) nganggo gerakan anu dikontrol sacara magnét [37].Salaku démo, Rodriguez-Mateos et al.[38] dipaké magnet tunable ngadalikeun mindahkeun manik magnét ka kamar béda.Dumasar partikel magnét anu dilapis silika, 470 salinan/mL RNA génomik SARS-CoV-2 tiasa diekstrak tina conto cai limbah pikeun deteksi transkripsi balik LAMP (RT-LAMP) sareng résponna tiasa dibaca dina 1 jam.mata taranjang (Gbr. 2a).
Alat dumasar kana bahan magnét sareng porous.Diagram konseptual alat mikrofluida IFAST RT-LAMP pikeun deteksi RNA SARS-CoV-2 (diadaptasi tina [38]).b Alat mikro Centrifugal pikeun dSPE asam nukléat swab buccal (diadaptasi tina [39]).c Konsentrator sampel anu didamel mandiri nganggo kartu FTA® (diadaptasi tina [50]).d Fusion 5 filter kertas dirobah ku chitosan (diadaptasi tina [51]).SARS-CoV-2 sindrom pernapasan akut parna coronavirus 2, RT-LAMP reverse transcription loop dimédiasi isotermal amplifikasi, FTA finders mitra téhnologi, NA asam nukléat
Partikel magnét anu muatanana positip cocog pikeun ngagantelkeun tulang tonggong fosfat tina asam nukléat.Dina konsentrasi uyah nu tangtu, gugus fosfat nu boga muatan négatip tina asam nukléat bisa boga muatan positif dina beungeut partikel komposit magnét.Ku alatan éta, nanopartikel magnét kalayan permukaan kasar jeung dénsitas luhur gugus amino dikembangkeun pikeun ékstraksi asam nukléat.Saatos pamisahan magnét sareng meungpeuk, nanopartikel magnét sareng komplek DNA tiasa langsung dianggo dina PCR, anu ngaleungitkeun kabutuhan panyucian sareng operasi élusi anu rumit sareng nyéépkeun waktos [35].Nanopartikel magnét dilapis ku gugus karboksil négatip ogé parantos dianggo pikeun misahkeun asam nukléat anu diserep dina permukaan dina larutan poliétilén glikol sareng natrium klorida konsentrasi luhur [36].Kalayan manik magnét anu dirobih permukaan ieu, ékstraksi DNA cocog sareng amplifikasi salajengna.Dignan et al.[39] ngajelaskeun platform microfluidic centrifugal otomatis tur portabel pikeun pretreatment asam nukléat, sahingga tanaga non-teknis ngagunakeun eta dina situs.Salaku tambahan, kasaluyuan DNA terasing sareng LAMP, metode anu cocog pikeun analisa asam nukléat titik-perawatan, salajengna nunjukkeun syarat alat minimal sareng kasesuaian pikeun uji kolorimétri (Gbr. 2b).
Métode manik magnét nawiskeun kamungkinan ékstraksi otomatis, sababaraha diantarana aya dina ékstrak asam nukléat otomatis komérsial [KingFisher;ThermoFisher (Waltham, MA, AS), QIAcube® HT;CapitalBio (Beijing, Cina) jeung Biomek®;Beckman (Miami, AS).), Florida, AS)].Kaunggulan tina ngagabungkeun manik magnét jeung microfluidics bisa dipaké pikeun ékstraksi otomatis efisien asam nukléat, nu bisa berpotensi maju ngembangkeun diagnostics molekular;kumaha oge, kombinasi manik magnét jeung microfluidics masih ngandelkeun pisan kana sistem kontrol kompléks pikeun manipulasi tepat manik magnét, nu ngécéskeun popularitas produk komérsial anu gede pisan tur mahal, nu ngawatesan aplikasi salajengna tina manik magnét di POCT.
Sababaraha bahan porous sapertos saringan nitroselulosa anu dirobih, kartu Finders Technology Associates (FTA), kertas saringan basis polyethersulfone, sareng bahan anu dilapis glycan ogé parantos dianggo pikeun deteksi asam nukléat [40, 41, 42, 43, 44].Bahan serat porous sapertos kertas serat mimiti dianggo pikeun ngasingkeun DNA ku cara ngabeungkeut sacara fisik molekul DNA anu untaian panjang sareng serat.Pori leutik ngakibatkeun pangwatesan fisik molekul DNA kuat, nu positif mangaruhan ékstraksi DNA.Kusabab ukuran pori kertas serat anu béda, efisiensi ékstraksi henteu tiasa nyumponan kabutuhan amplifikasi DNA [45, 46].Kartu FTA mangrupikeun kertas saringan komérsial anu dianggo dina widang ubar forensik sareng seueur dianggo di daérah diagnostik molekular anu sanés.Ngaliwatan pamakéan kertas filter selulosa impregnated jeung rupa-rupa bahan kimia pikeun lyse mémbran sél dina sampel, DNA dileupaskeun ditangtayungan tina degradasi nepi ka 2 taun.Nu leuwih anyar, kertas selulosa impregnated geus dimekarkeun pikeun deteksi molekular rupa-rupa patogén, kaasup SARS-CoV-2, leishmaniasis, jeung malaria [47,48,49].HIV dina plasma terasing ieu lysed langsung, sarta asam nukléat viral ieu enriched dina mémbran FTA® aliran diwangun kana concentrator nu, nu ngamungkinkeun produksi efisien asam nukléat [50] (Gbr. 2c).Masalah utama pikeun deteksi asam nukléat ngagunakeun kartu FTA nyaéta yén bahan kimia sapertos guanidine sareng isopropanol ngahambat réaksi amplifikasi salajengna.Pikeun ngajawab masalah ieu, urang ngembangkeun Fusion 5 chitosan-dirobah kertas saringan, nu ngagabungkeun kaunggulan duanana interlacing fisik molekul DNA jeung kertas filter serat, sarta adsorption éléktrostatik DNA dina sanyawa chitosan-dirobah pikeun ngahontal ékstraksi asam nukléat kacida efisien. ..serat filter [51] (Gbr. 2d).Nya kitu, Zhu et al.[52] nunjukkeun metode PCR anu dimodifikasi-kitosan dumasar kana sistem microfluidic kapilér in situ pikeun isolasi gancang sareng deteksi RNA virus Zika.Asam nukléat bisa adsorbed / desorbed dina medium lysate dicampur / PCR, masing-masing, dumasar kana sipat on / off switch chitosan.on jeung off", responsif kana pH.
Sakumaha didadarkeun di luhur, strategi ieu ngagabungkeun kaunggulan rupa-rupa bahan fase padet sarta ngaronjatkeun efisiensi ékstraksi asam nukléat dina microfluidics.Dina aplikasi praktis, pamakéan bahan ieu dina jumlah badag teu ekonomis, sarta perlakuan permukaan ditangtoskeun atanapi modifikasi permukaan bahan umum kalawan bahan ieu ogé bisa ngawétkeun fungsi maranéhanana.Ku alatan éta, éta dipercaya yén palaksanaan strategi ieu sanggeus ulikan pilot bisa ngurangan waragad.
Uji asam nukléat dina platform mikrofluida mindeng ngagunakeun volume sampel leutik (<100 µl), ku kituna merlukeun amplifikasi asam nukléat udagan kalawan panyilidikan husus pikeun konvérsi sinyal nu merenah pikeun deteksi hilir (optik, listrik, jeung magnét) [53, 54]. Uji asam nukléat dina platform mikrofluida mindeng ngagunakeun volume sampel leutik (<100 µl), ku kituna merlukeun amplifikasi asam nukléat udagan kalawan panyilidikan husus pikeun konvérsi sinyal nu merenah pikeun deteksi hilir (optik, listrik, jeung magnét) [53, 54]. При тестировании нуклеиновых кислот на микрожидкостных платформах часто используются небольшие объемы образцов (< 100 мкл), поэтому требуется амплификация целевых нуклеиновых кислот с помощью специальных зондов для преобразования в сигнал, удобный для последующего обнаружения (оптического, электрического и магнитного) [53, 54]. Nalika nguji asam nukléat dina platform microfluidic, volume sampel leutik (<100 µL) mindeng dipaké, jadi amplifikasi asam nukléat udagan ku panyilidikan husus diperlukeun pikeun ngarobah kana sinyal merenah pikeun deteksi saterusna (optik, listrik, jeung magnét). [53, 54].微流控微流控 上 的 的 核酸 检测 通常 通常 使用 小样本量 (<100 μl), 因此 需要 需要 特定 探针 目标 核酸 为 为 为 为 为 为) 电学 和 ,,电学 和, 53, 53, 53, 53 ].微流控 平台 上 的 核酸 核酸 使用 小样本量 ((<100 μl), 因此 需要 需要 探针 扩增扩增, 以光学 信号, 54,20, 54, ]. Обнаружение нуклеиновых кислот на микрожидкостных платформах обычно использует небольшие объемы образцов (<100 мкл), что требует амплификации целевых нуклеиновых кислот с помощью специальных зондов для преобразования в сигналы для последующего обнаружения (оптического, электрического и магнитного) [53, 54]]. Deteksi asam nukléat dina platform microfluidic biasana ngagunakeun volume sampel leutik (<100 μl), nu merlukeun amplifikasi asam nukléat udagan ku panyilidikan husus pikeun ngarobah kana sinyal pikeun deteksi saterusna (optik, listrik, jeung magnét) [53, 54]] .Amplifikasi asam nukléat dina mikrofluida ogé tiasa nyepetkeun réaksi, ngaoptimalkeun wates deteksi, ngirangan syarat sampel, sareng ningkatkeun akurasi deteksi [55, 56].Dina taun-taun ayeuna, kalayan réalisasi deteksi gancang sareng akurat, rupa-rupa metode amplifikasi asam nukléat parantos diterapkeun dina mikrofluida, kalebet PCR sareng sababaraha réaksi amplifikasi isothermal.Bagian ieu bakal nyimpulkeun métode pikeun deteksi asam nukléat dumasar kana sistem mikrofluida.
PCR mangrupikeun simulasi prosés réplikasi DNA hiji organisme, téori anu dijelaskeun sacara rinci di tempat sanés sareng moal dibahas di dieu.PCR tiasa ngagedékeun sajumlah leutik target DNA/RNA dina laju éksponénsial, ngajantenkeun PCR alat anu ampuh pikeun deteksi gancang asam nukléat.Dina dasawarsa panganyarna, seueur alat microfluidic portabel anu dilengkepan ku sistem siklus termal PCR parantos dikembangkeun pikeun nyumponan kabutuhan diagnostik titik-perawatan [57, 58].On-chip PCR bisa dibagi jadi opat jenis (konvensional, aliran kontinyu, spasial switched, sarta PCR convective) nurutkeun métode kontrol suhu béda [59].Contona, Gee et al.[60] ngembangkeun metode PCR (RT-qPCR) transkripsi terbalik langsung dina platform microfluidic sorangan pikeun deteksi multipleks virus SARS-CoV-2, influenza A sareng B dina sampel swab tikoro (Gbr. 3a).Park et al.[61] ngawangun chip analisis patogén basajan ku ngahijikeun film ipis PCR, éléktroda, jeung modul microfluidic basis polydimethylsiloxane-dioperasikeun ramo.Sanajan kitu, duanana karya embody nu shortcomings umum PCR konvensional.PCR butuh siklus termal, anu ngabatesan miniaturisasi alat sareng ngirangan waktos tés.
Ngembangkeun aliran kontinyu dumasar microfluidic jeung spasi-switched PCR kritis pikeun alamat masalah ieu.Ngagunakeun saluran serpentine panjang atawa saluran lempeng pondok, aliran PCR kontinyu bisa nyadiakeun amplifikasi gancang ku aktip sirkulasi réagen dina tilu zona preheat kalawan pompa off-chip.Operasi ieu hasil ngahindarkeun fase transisi antara suhu réaksi béda sahingga nyata ngurangan waktu nguji [62] (Gbr. 3b).Dina ulikan sejen ku Jung et al.[63] ngajukeun analisa genetik PCR Rotary anyar anu ngagabungkeun karakteristik PCR tetep sareng aliran pikeun PCR transkripsi balik ultrafast sareng multiplex (Gbr. 3c).Pikeun amplifikasi asam nukléat, microchip PCR bakal diputer ngaliwatan tilu blok pemanasan dina suhu béda: 1. Blok Denaturation 94 ° C, 2. blok Annealing dina 58 ° C, 3. Blok ékspansi dina 72 ° C.
Aplikasi PCR dina microfluidics.Répréséntasi skéma tina dirRT-qPCR dina platform microfluidic (diadaptasi tina [60]).b Répréséntasi skéma tina aliran kontinyu PCR microarray dumasar kana saluran serpentine (diadaptasi tina [62]).c Répréséntasi skéma tina analisa genetik PCR Rotary, diwangun ku microchip, tilu blok pemanasan sareng motor stepper (diadaptasi tina [63]).d Diagram thermoconvection PCR kalawan centrifugation na setup (diadaptasi tina [64]).DirRT-qPCR, réaksi ranté polimérase transkripsi sabalikna kuantitatif langsung
Ngagunakeun kapilér jeung puteran atawa malah pelat ipis, convection PCR bisa gancang ngagedékeun asam nukléat ku convection termal bébas alam tanpa merlukeun hiji pompa éksternal.Contona, platform microfluidic polimér olefin siklik dikembangkeun dina tahap pemanasan puteran fabricated anu ngagunakeun Ngabuburit termal kalawan centrifugation dina PCR loop microchannel [64] (Gbr. 3d).Leyuran réaksi ieu disetir ku convection termal, nu terus-terusan bursa suhu luhur jeung low dina microchannel kalawan struktur annular.Sakabéh prosés amplifikasi tiasa réngsé dina 10 menit kalayan wates deteksi 70,5 pg / saluran.
Sapertos anu diharapkeun, PCR gancang mangrupikeun alat anu kuat pikeun sistem diagnostik molekular sampel-réspon sareng analisis multipleks terpadu.Rapid PCR sacara signifikan ngirangan waktos anu diperyogikeun pikeun ngadeteksi SARS-CoV-2, anu nyumbang kana kontrol efektif tina pandémik COVID-19.
PCR merlukeun cycler termal kompléks nu teu cocog pikeun POCT.Nu leuwih anyar, téhnik amplifikasi isothermal geus dilarapkeun ka microfluidics, kaasup tapi teu diwatesan ku LAMP, recombinase polymerase amplification (RPA), sarta amplifikasi dumasar kana runtuyan asam nukléat [65,66,67,68].Kalayan téknik ieu, asam nukléat diamplifikasi dina suhu konstan, ngagampangkeun nyiptakeun alat POCT portabel anu murah, sénsitip pisan pikeun diagnostik molekular.
Assays LAMP basis microfluidics-throughput tinggi ngamungkinkeun sababaraha deteksi kasakit tepa [42, 69, 70, 71].Dina kombinasi sareng sistem microfluidic centrifugal, LAMP tiasa langkung ngagampangkeun otomatisasi deteksi asam nukléat [69, 72, 73, 74, 75].Spin-na-réaksi SlipChip dikembangkeun pikeun deteksi visual sababaraha baktéri paralel ngagunakeun LAMP [76] (Gbr. 4a).Nalika nganggo LAMP anu dioptimalkeun dina uji, rasio sinyal-to-noise fluoresensi sakitar 5 kali, sareng wates deteksi ngahontal 7,2 salinan / μl DNA génomik. Leuwih ti éta, ayana lima patogén baktéri pencernaan umum, kaasup Bacillus cereus, Escherichia coli, Salmonella enterica, Vibrio fluvialis jeung Vibrio parahaemolyticus, anu visualized dumasar kana métode dina <60 mnt. Leuwih ti éta, ayana lima patogén baktéri pencernaan umum, kaasup Bacillus cereus, Escherichia coli, Salmonella enterica, Vibrio fluvialis jeung Vibrio parahaemolyticus, anu visualized dumasar kana métode dina <60 mnt.Leuwih ti éta, ayana lima patogén baktéri umum tina saluran pencernaan, kaasup Bacillus cereus, Escherichia coli, Salmonella enterica, Vibrio fluvialis jeung Vibrio parahaemolyticus, ieu visualized ngagunakeun metoda ieu kirang ti 60 menit.此外, 基于 该 在 在 <60 分钟分钟 分钟内内内内内内内内可视化视化 y视化了了了五五五 yes y了常见 消化道 细菌病原体 的存在的的的的的存在存在, 包括肠杆菌 氏副溶血性 氏副溶血性.此外, 基于 该 在 在 <60 分钟分钟分钟分钟分钟内内内内内内内内内内视化视化视化视化视化视化了了五五五五五五五五五五五五五五种种种种种种种种种种种种种种常见常见消化道消化道存在存在存在存在存在存在 ,包括, 大肠杆菌 性 ... ... 弧菌性 性 ... ... 大性 性 ... ... 大性 性 ... ... 肠性 性 ... ... 肠性 性菌 ... ... 肠性 性 ... ... ... 肠性弧菌弧菌 弧菌 弧菌 弧菌 弧菌 弧菌 弧菌 弧菌 弧菌 HIPSajaba ti éta, ayana lima patogén cerna baktéri umum, kaasup Bacillus cereus, Escherichia coli, Salmonella enterica, Vibrio fluvius, sarta Vibrio parahaemolyticus, ieu visualized ngagunakeun métode ieu kirang ti 60 menit.
Kaunggulan LAMP dina microfluidics diantarana, respon gancang sarta deteksi miniaturized.Sanajan kitu, alatan suhu réaksi (sakitar 70 ° C), aerosol anu inevitably dihasilkeun salila LAMP, hasilna laju positif palsu tinggi.Spésifisitas assay, desain primer, sareng kontrol suhu ogé kedah dioptimalkeun pikeun LAMP.Sajaba ti éta, desain chip anu nerapkeun sababaraha deteksi target dina chip tunggal anu nilai hébat sarta kudu dimekarkeun.Salaku tambahan, LAMP cocog pikeun deteksi multi-tujuan terpadu dina hiji chip, anu penting pisan, tapi masih aya seueur rohangan pikeun pangwangunan.
Laju positip palsu LAMP anu luhur tiasa dikirangan sawaréh ku RPA, sabab suhu réaksi anu kawilang rendah (~ 37 °C) nyababkeun masalah évaporasi anu kawilang sakedik [77].Dina sistem RPA, dua primers sabalikna initiate sintésis DNA ku ngariung ka recombinase sarta amplifikasi bisa réngsé dina 10 menit [78,79,80,81].Ku alatan éta, sakabéh prosés RPA leuwih gancang ti PCR atawa LAMP.Dina taun anyar, téhnologi microfluidic geus ditémbongkeun jang meberkeun ngaronjatkeun kagancangan jeung akurasi RPA [82,83,84].Contona, Liu et al.[85] ngembangkeun hiji microfluidic terpadu aliran lateral polymerase recombinase amplification assay pikeun deteksi gancang jeung sénsitip SARS-CoV-2 ku ngahijikeun reverse transkripsi RPA (RT-RPA) jeung sistem deteksi strip test aliran lateral universal.kana sistem mikrofluida tunggal.Gambar 4b).Watesan deteksi nyaéta 1 salinan/µl atanapi 30 salinan/sampel, sareng deteksi tiasa réngsé dina sakitar 30 menit.Kong et al.geus ngembangkeun hiji alat microfluidic wearable.[86] ngagunakeun suhu awak sareng sistem deteksi fluoresensi dumasar telepon sélulér pikeun gancang sareng langsung ngadeteksi DNA HIV-1 nganggo RPA (Gambar 4c).The wearable RPA assay ngadeteksi 100 salinan/mL tina runtuyan target dina 24 menit, demonstrating poténsi gede pikeun diagnosis gancang orok HIV-1-inféksi dina setting sumberdaya-watesan.
amplifikasi Isothermal dina nguji titik-of-care (POCT).Ngembangkeun sareng produksi spin sareng réaksi SlipChip.Saatos las plasma, chip luhur jeung handap dirakit kalawan susunan kacangan pikeun ngabentuk chip final (diadaptasi tina [76]).b Skéma tina sistem MI-IF-RPA pikeun deteksi COVID-19 (diadaptasi tina [85]).c Skéma tina tés RPA anu tiasa dianggo pikeun deteksi gancang DNA HIV-1 (diadaptasi tina [86]).SE Salmonella enterica, VF Vibrio fluvius, VP Vibrio parahaemolyticus, BC Bacillus cereus, EC Escherichia coli, FAM carboxyfluorescein, virus immunodeficiency manusa HIV, RPA recombinase polymerase amplifikasi, LED light emitting diode, MI-IF-RPA Microfluidics Integrated Lacombinase Microfluidics F Integrated Amplifikasi
RPA basis Microfluidic ngembang pesat, kumaha oge, biaya fabrikasi chip sarta konsumsi réaksi teuing tinggi na kudu ngurangan pikeun ngaronjatkeun kasadiaan téhnologi ieu.Sajaba ti éta, sensitipitas luhur RPA bisa mangaruhan amplifikasi produk non-spésifik, utamana dina ayana kontaminasi.Watesan ieu tiasa mangaruhan aplikasi RPA dina sistem mikrofluida sareng kéngingkeun optimasi salajengna.Primer sareng panyilidikan anu dirancang kalayan saé pikeun sagala rupa target ogé diperyogikeun pikeun ningkatkeun kamampuan strategi mikrofluida dumasar RPA di POCT.
Cas13 sareng Cas12a gaduh kamampuan sacara acak meulah asam nukléat sahingga tiasa dikembangkeun salaku alat deteksi sareng diagnostik.Cas13 sareng Cas12a diaktipkeun nalika ngariung kana target DNA atanapi RNA, masing-masing.Sakali diaktipkeun, protéin mimiti meulah asam nukléat caket dieu séjén, nu satutasna pituduh RNAs targeting asam nukléat patogén-spésifik bisa megatkeun panyilidikan fluoresensi quenched sarta ngaleupaskeun fluoresensi.Dumasar kana téori ieu, Kellner et al.[87] dimekarkeun métode basis Cas13 [Spésifik High-sensitipitas énzimatik Reporter UnLOCKING (SHERLOCK)], sarta Broughton et al.[88] dimekarkeun pendekatan sejen dumasar kana Cas12a [CRISPR Trans Reporter targeting DNA endonuclease (DTECR)].
Dina taun-taun ayeuna, rupa-rupa metode pikeun ngadeteksi asam nukléat dumasar kana CRISPR parantos muncul [89, 90].Métode dumasar CRISPR konvensional sering nyéépkeun waktos sareng padat karya kusabab sababaraha prosedur kalebet ékstraksi asam nukléat, amplifikasi sareng deteksi CRISPR.Paparan cairan kana hawa tiasa ningkatkeun kamungkinan hasil positip palsu.Dibikeun di luhur, sistem basis CRISPR peryogi pisan optimasi.
Platform microfluidic anu dikawasa pneumatik anu tiasa ngalaksanakeun 24 nganalisa paralel parantos dikembangkeun pikeun aplikasi deteksi CRISPR-Cas12a sareng CRISPR-Cas13a [91].Sistem ieu dilengkepan alat deteksi fluoresensi anu ngalangkungan amplifikasi asam nukléat sareng otomatis ngadeteksi sampel DNA sareng RNA femtomolar.Chen et al.[92] amplifikasi recombinase terpadu jeung sistem CRISPR-Cas12a dina microfluidics centrifugal (Gbr. 5a).Karya ieu ngatasi kasusah pikeun ngahijikeun dua prosés ieu kusabab Cas12a tiasa nyerna DNA utusan sareng ngahambat prosés amplifikasi.Sajaba ti éta, Chen et al.[92] Sajaba tos disimpen réagen réaksi dina kontrol microfluidic centrifugal pikeun otomatis ngalengkepan sakabéh prosés.Dina karya sejen, Silva et al.[93] ngembangkeun metode diagnostik tanpa amplifikasi CRISPR / Cas12a sareng smartphone pikeun ngadeteksi SARS-CoV-2 (Gbr. 5b).Assay ieu, katelah sistem bébas amplifikasi dumasar telepon sélulér, ngawengku énzim CRISPR/Cas-gumantung anu dumasar kana visualisasi smartphone sinyal gelembung dihasilkeun katalase dina saluran microfluidic.Deteksi sénsitip kirang ti 50 salinan/µl asam nukléat tanpa pre-amplifikasi, sadayana prosés ti suntikan sampel dugi ka maca sinyal ngan ukur 71 menit.
Métode deteksi asam nukléat dumasar kana CRISPR.POCT centrifugal pikeun diagnostik molekular terpadu dumasar kana CRISPR (diadaptasi tina [92]).b Pangwangunan tés CASCADE pikeun analisis dumasar smartphone SARS-CoV-2 (diadaptasi tina [93]).RAA recombinase amplifikasi, PAM motif protospacer padeukeut, CRISPR clustered ulang palindromic pondok dina interval nu biasa, sistem CASCADE tanpa amplifikasi telepon sél jeung énzim CRISPR / CAS-gumantung, 1-étil-3- [3-dimethylaminopropyl] carbodiimide hydrochloride EDC
Salaku hambalan panungtungan dina deteksi asam nukléat, deteksi sinyal langsung ngagambarkeun hasil diagnostik tur mangrupakeun faktor kritis dina ngembangkeun hiji POCT efisien, sénsitip, sarta akurat.Sinyal tiasa dibaca nganggo sababaraha metode sapertos fluoresensi, éléktrokimia, kolorimétri sareng strategi magnét.Dina bagian ieu, urang ngajelaskeun rationale pikeun tiap pendekatan tur ngabandingkeun diagnostics molekular kasakit tepa dina microfluidics.
Strategi dumasar-fluoresensi loba dipaké pikeun diagnostics POCT kasakit tepa alatan kaunggulan luar biasa maranéhanana sensitipitas alus teuing, béaya rendah, betah operasi, sarta titik-of-care analisis [94, 95].Strategi ieu ngagunakeun fluorophores anu dilabélan sapertos pewarna fluoresensi sareng bahan nano pikeun nyiptakeun sinyal anu tiasa dideteksi (peningkatan fluoresensi atanapi quenching).Pananjung ieu nunjukkeun yén strategi dumasar-fluoresensi tiasa dibagi kana panyiri fluoresensi langsung, sinyal-on, sareng deteksi fluoresensi sinyal-off [96].Deteksi labél fluoresensi langsung nganggo labél fluoresensi khusus pikeun labél ligan khusus anu ngahasilkeun jumlah fluoresensi khusus nalika sacara selektif kabeungkeut kana udagan.Pikeun deteksi fluoresensi dumasar-sinyal, kualitas sinyal fluoresensi positif patali jeung gedena dipikaresep.Inténsitas fluoresensi tiasa diabaikan dina henteuna udagan sareng tiasa dideteksi nalika jumlah udagan anu cekap aya.Sabalikna, inténsitas fluoresensi nu dideteksi ku fluoresensi "sinyal-off" sabanding tibalik jeung jumlah udagan, mimitina ngahontal nilai maksimum sarta laun-laun turun nalika udagan ieu enlarged.Contona, ngagunakeun CRISPR-Cas13a target-gumantung mékanisme trans-beulahan, Tian et al.[97] dimekarkeun strategi pangakuan novél pikeun ngadeteksi RNA nu bypass transkripsi sabalikna langsung (Gbr. 6a).Saatos ngariung kana RNA target pelengkap, kompleks CRISPR-Cas13-RNA tiasa diaktipkeun, nyababkeun pembelahan transcollateral ku RNA reporter non-spésifik.Wartawan anu dilabélan fluoresensi [fluorophore (F)] dipadamkeun ku pamaen (Q) utuh sareng fluoresces nalika dibeulah ku kompleks anu diaktipkeun.
Kauntungannana deteksi éléktrokimia nyaéta speed deteksi tinggi, produksi gampang, béaya rendah, gampang dibawa jeung kontrol otomatis.Éta mangrupikeun metode analitis anu kuat pikeun aplikasi POCT.Dumasar transistor pangaruh médan graphene Gao dkk.[98] dimekarkeun nanobiosensor pikeun deteksi multiplex of antigén kasakit Lyme ti baktéri Borrelia burgdorferi kalawan wates deteksi 2 pg / ml (Gbr. 6b).
Tes kolorimétri parantos dianggo dina aplikasi POCT, kauntungan tina kauntungan portabilitas, béaya rendah, betah persiapan, sareng bacaan visual.Deteksi kolorimétri tiasa nganggo oksidasi peroksidase atanapi nanomaterial sapertos peroksidase, agrégasi nanomaterials, sareng tambihan pewarna indikator pikeun ngarobih inpormasi ngeunaan ayana asam nukléat target kana parobahan warna anu katingali [99, 100, 101].Utamana, nanopartikel emas loba dipaké dina ngembangkeun strategi colorimetric, sarta alatan kamampuhna pikeun dipicuna parobahan warna gancang sarta signifikan, aya ngaronjatkeun minat ngembangkeun platform colorimetric POCT pikeun diagnosis in situ kasakit tepa [102].Kalawan alat microfluidic centrifugal terpadu [103], patogén foodborne dina sampel susu kacemar bisa otomatis dideteksi dina tingkat 10 sél baktéri, sarta hasilna bisa dibaca visually dina 65 menit (Gbr. 6c).
Téhnik sensing magnét tiasa akurat ngadeteksi analit nganggo bahan magnét, sareng aya minat anu signifikan dina aplikasi POCT dina dasawarsa ayeuna.Téhnik sensing magnét gaduh sababaraha kaunggulan unik sapertos bahan magnét béaya rendah tinimbang komponén optik anu mahal.Nanging, panggunaan médan magnét ningkatkeun efisiensi deteksi sareng ngirangan waktos persiapan sampel [104].Salaku tambahan, hasil probing magnét nunjukkeun spésifisitas tinggi, sensitipitas, sareng rasio sinyal-to-noise anu luhur kusabab sinyal latar magnét anu teu pati penting tina sampel biologis [105].Sharma et al.ngahijikeun biosensor dumasar simpang torowongan magnét kana platform microchip portabel.[106] pikeun deteksi multiplex of patogén (Gbr. 6d).Biosensor sacara sensitip ngadeteksi asam nukléat subnanomolar anu diisolasi tina patogén.
Metoda deteksi sinyal has.Konsep deteksi hyperlocalized of Cas13a (diadaptasi tina [97]).b Graphene nanobiosensor FET dina kombinasi kalayan Lyme GroES scFv (diadaptasi tina [98]).c indikasi Colorimetric pikeun deteksi multiplex of patogén foodborne dina chip microfluidic centrifugal: No. .d Biosensor dumasar kana simpang torowongan magnét, kaasup platform a, diwangun-di blocking amplifier, hiji unit kontrol, sarta catu daya pikeun sinyal generasi / akuisisi (diadaptasi tina [106]).GFET Graphene FET, Escherichia coli, Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio parahaemolyticus, Listeria monocytogenes, PC PC, PDMS Dimethicone, PMMA polymethyl methacrylate
Sanaos ciri anu saé tina metode deteksi di luhur, aranjeunna tetep gaduh kalemahan.Metoda ieu dibandingkeun (tabel 1), kaasup sababaraha aplikasi kalawan rinci (pro jeung kontra).
Kalawan ngembangkeun microfluidics, sistem microelectromechanical, nanotéhnologi jeung élmu bahan, pamakéan chip microfluidic pikeun deteksi kasakit tepa terus advancing [55,96,107,108].Manipulasi tepat alat-alat miniatur sareng cairan nyumbang kana akurasi diagnostik sareng efektivitas biaya.Ku alatan éta, pikeun ngembangkeun salajengna, usaha geus dilakukeun pikeun ngaoptimalkeun tur ningkatkeun chip, hasilna rupa-rupa chip microfluidic kalawan struktur jeung fungsi béda.Di dieu urang sakeudeung ngenalkeun sababaraha jinis platform microfluidic umum sareng ngabandingkeun karakteristikna (pro sareng kontra).Salaku tambahan, sabagéan ageung conto anu didaptarkeun di handap fokus utamina dina merangan SARS-CoV-2.
LOCCs mangrupikeun sistem analitik kompleks miniatur anu paling umum sareng operasina pisan miniatur, terpadu, otomatis sareng paralel tina suntikan sampel sareng persiapan, kontrol aliran sareng deteksi cair [109, 110].Cairan dimanipulasi ngaliwatan géométri dirancang taliti jeung interaksi loba épék fisik kayaning gradién tekanan, aksi kapilér, éléktrodinamika, médan magnét jeung gelombang akustik [111].LOCC nembongkeun kaunggulan unggulan dina screening-throughput tinggi na sababaraha deteksi, kalawan speed analisis gancang, ukuran sampel leutik, konsumsi kakuatan low, sarta manajemén tinggi na efisiensi operasi;kumaha oge, alat LOCC pisan hipu, jeung manufaktur, bungkusan, sarta panganteur.Sanajan kitu, multiplexing jeung dipake deui nyanghareupan kasusah pisan [96].Dibandingkeun sareng platform anu sanés, LOCC gaduh kaunggulan unik tina segi keragaman aplikasi maksimal sareng kasaluyuan téknologi pangsaéna, tapi kalemahanna ogé écés, nyaéta pajeulitna anu luhur sareng kaulangan anu goréng.Gumantungna kana pompa éksternal, nu mindeng gede pisan jeung mahal, salajengna ngawatesan pamakéan maranéhanana di POCT.
Salila wabah COVID-19, LOCC nampi seueur perhatian.Dina waktos anu sami, aya sababaraha chip énggal anu ngagabungkeun sababaraha téknologi.Salaku conto, smartphone ayeuna seueur dianggo salaku alat analitik portabel sareng gaduh poténsi anu hadé pikeun integrasi LOCC.Sun et al.[21] nyieun chip microfluidic anu ngamungkinkeun multiplexing runtuyan asam nukléat husus tina lima patogén, kaasup SARS-CoV-2, ngagunakeun LAMP sarta dianalisis aranjeunna ngagunakeun smartphone dina 1 jam sanggeus ahir réaksi.Salaku conto sejen, Sundah et al.[112] nyiptakeun saklar molekular [amplifikasi katalitik ku saklar kaayaan transisi molekular (CATCH)] pikeun deteksi langsung sareng sénsitip target RNA SARS-CoV-2 nganggo smartphone. CATCH cocog sareng LOCC portabel sareng ngahontal prestasi anu unggul (kira-kira 8 salinan RNA / μl; <1 h dina suhu kamar) [112]. CATCH cocog sareng LOCC portabel sareng ngahontal prestasi anu unggul (kira-kira 8 salinan RNA / μl; <1 h dina suhu kamar) [112]. CATCH совместим с портативным LOCC и обеспечивает превосходную производительность (примерно 8 копий РНК/мклт; 1 темпт; CATCH cocog sareng LOCC portabel sareng nyayogikeun throughput anu saé (kira-kira 8 salinan RNA / µl; <1 jam dina suhu kamar) [112]. CATCH 与便携式LOCC 兼容并具有卓越的性能（大约8 RNA 拷贝/μl；室温下< 1 小时）[112]. CATCH 与便携式LOCC 兼容并具有卓越的性能（大约8 RNA 拷贝/μl；室温下< 1 小时）[112]. CATCH совместим с портативными LOCC и обладает превосходной производительностью (contoh 8 копий РНК/мкпл; < 1 копий РНК/мкпл; CATCH cocog sareng LOCC portabel sareng gaduh kinerja anu saé (kira-kira 8 salinan RNA / µl; <1 jam dina suhu kamar) [112].Salaku tambahan, alat LOCC pikeun diagnostik molekular ogé ngagunakeun sababaraha gaya panggerak sapertos vakum, regang, sareng médan listrik.Kang dkk.[113] nunjukkeun real-time, ultra-gancang nanoplasma-on-a-chip PCR pikeun diagnosis gancang sareng kuantitatif COVID-19 di lapangan nganggo chip PCR cair plasmonic vakum.Li et al.[114] salajengna ngembangkeun chip microfluidic anu didorong ku manteng anu ngamungkinkeun diagnosis COVID-19.Platformna nganggo sistem amplifikasi RT-LAMP pikeun nangtukeun naha sampel sacara kualitatif positip atanapi négatif.Salajengna, Ramachandran et al.[115] ngahontal gradién médan listrik luyu ngagunakeun isotachophoresis (ITP), téhnik fokus ion selektif dilaksanakeun dina microfluidics.Kalayan ITP, target RNA tina sampel swab nasopharyngeal atah tiasa dimurnikeun sacara otomatis.Lajeng Ramachandran et al.[115] Ngagabungkeun purifikasi ITP ieu sareng LAMP anu ditingkatkeun ITP sareng uji CRISPR mendakan SARS-CoV-2 dina swab nasopharyngeal manusa sareng spésimén klinis sakitar 35 menit.Sajaba ti éta, ideu anyar terus muncul.Jadhav et al.[116] ngusulkeun skéma diagnostik dumasar kana spéktroskopi Raman anu ditingkatkeun permukaan dina kombinasi sareng alat mikrofluida anu ngandung nanotube karbon dilapis emas / pérak anu berorientasi vertikal atanapi mikro / nanotube electrospun.Membran-functionalized diwangun-di filter microchannels anu disposable.Alatna nyerep virus tina rupa-rupa cairan/exudasi awak sapertos ciduh, nasopharynx sareng cimata.Ku kituna, titer virus loba pisan jeung virus bisa diidentifikasi akurat ku tanda tangan Raman.
LOAD mangrupikeun platform microfluidic centrifugal dimana sadaya prosés dikontrol ku protokol frékuénsi anu muterkeun substrat mikrostruktur [110].Alat LOAD dicirikeun ku ngagunakeun gaya centrifugal salaku gaya nyetir penting.Cairan ogé tunduk kana gaya kapiler, Euler sareng Coriolis.Nganggo alat centrifuge, analisa dilakukeun dina operasi cair kontinyu tina radial ka jero ka posisi luar, ngaleungitkeun kabutuhan pipah éksternal tambahan, pompa, aktuator, sareng klep aktip.Pondokna, metoda kontrol tunggal simplifies operasi.Gaya anu nimpah cairan dina saluran mikrofluida anu sami dina jarak anu sami ti pusat beban sami, anu ngamungkinkeun pikeun ngulang struktur saluran.Ku kituna, alat-alat LOAD téh basajan tur leuwih ekonomis mun rarancang jeung pabrik ti parabot LOCC konvensional, bari réaksina sakitu legana bebas sarta parallelized;kumaha oge, alatan kakuatan mékanis tinggi pakakas centrifugal, bahan chip sadia diwatesan sarta volume leutik hésé.kana mobil.Dina waktos anu sami, sabagéan ageung alat LOAD dirancang pikeun panggunaan tunggal, anu mahal pikeun deteksi skala ageung [96, 117, 118, 119].
Dina dekade panganyarna, LOAD, dianggap salah sahiji alat microfluidic paling ngajangjikeun, geus narima perhatian considerable ti peneliti jeung pabrik.Janten, LOAD parantos nampi katampi sareng parantos dianggo pikeun diagnostik molekular patogén tepa [120, 121, 122, 123, 124], khususna nalika wabah COVID-19.Contona, dina ahir 2020, Ji et al.[60] nunjukkeun uji RT-qPCR langsung pikeun deteksi paralel gancang sareng otomatis tina inféksi SARS-CoV-2 sareng influenza A sareng B dina spésimén swab tikoro.Lajeng Xiong et al.[74] nampilkeun platform mikrofluidik discoid terintegrasi LAMP pikeun deteksi gancang, akurat, sareng sakaligus tujuh coronavirus pernapasan manusa, kalebet SARS-CoV-2, dina 40 menit.Dina awal 2021, de Oliveira et al.[73] nunjukkeun chip microfluidic centrifugal toner polystyrene, dioperasikeun sacara manual nganggo rotator fingertip, pikeun diagnosis molekuler RT-LAMP COVID-19.Salajengna, Dignan et al.[39] nampilkeun microdevice centrifuge portabel otomatis pikeun ngamurnikeun SARS-CoV-2 RNA langsung tina bagian swab buccal.Medved et al.[53] ngusulkeun sistem sampling aerosol SARS-CoV-2 inline kalayan chip fluoresensi mikrofluidik puteran volume leutik kalayan wates deteksi 10 salinan/μL sareng ambang siklus minimum 15 menit.Suarez et al.[75] nembé ngalaporkeun pamekaran platform mikrofluidik séntrifugal modular terpadu pikeun deteksi langsung SARS-CoV-2 RNA dina conto swab nasopharyngeal anu teu aktif panas nganggo LAMP.Conto-conto ieu nunjukkeun mangpaat anu hébat sareng janji LOAD dina diagnostik molekular COVID-19.
Dina 1945 Muller jeung Clegg [125] munggaran dibere saluran microfluidic dina kertas maké kertas filter jeung parafin.Dina 2007, grup Whitesides [126] nyiptakeun platform kertas fungsional munggaran pikeun uji protéin sareng glukosa.Kertas geus jadi substrat idéal pikeun microfluidics.Kertas boga sipat alamiah kayaning hydrophilicity jeung struktur porous, biocompatibility alus teuing, beurat hampang, kalenturan, foldability, béaya rendah, betah pamakéan sarta genah.µPADs klasik diwangun ku struktur hidrofilik/hidrofobik diwangun dina substrat kertas.Gumantung kana struktur tilu diménsi, μPADs bisa dibagi jadi dua diménsi (2D) jeung tilu diménsi (3D) μPADs.2D µPADs dihasilkeun ku ngabentuk wates hidrofobik pikeun ngabentuk saluran mikrofluida, sedengkeun 3D µPADs biasana dijieun tina tumpukan lapisan kertas microfluidic 2D, sakapeung ku kertas tilepan, téhnik slip, saluran kabuka, jeung percetakan 3D [96].Cairan cai atawa biologis dina μPAD utamana dikawasa ku gaya kapiler tanpa sumber kakuatan éksternal, facilitating pre-nyimpen réagen, penanganan sampel, sarta deteksi multiplex.Sanajan kitu, kontrol aliran akurat tur deteksi multiplex anu hampered ku speed deteksi cukup, sensitipitas, sarta reusability [96, 127, 128, 129, 130].
Salaku platform microfluidic anu teu biasa, μPAD parantos diwanohkeun sareng dikembangkeun pikeun diagnosis molekular panyakit tepa sapertos HCV, HIV, sareng SARS-CoV-2 [131, 132].Pikeun deteksi selektif jeung sénsitip HCV, Tengam et al.[133] ngembangkeun biosensor novel dumasar kana kertas fluoresensi ngagunakeun usik asam nukléat anu khusus dumasar kana péptida pyrrolidinyl.Asam nukléat diimobilisasi sacara kovalén dina kertas selulosa sawaréh dioksidasi ku alkilasi réduktif antara gugus amino jeung gugus aldehida, sarta deteksi dumasar kana fluoresensi.Sinyal ieu tiasa dibaca ku gadget anu didamel khusus sareng kaméra fluoresensi portabel anu digabungkeun sareng kaméra telepon sélulér.Salajengna, Lu et al.[134] ngarancang éléktroda fleksibel dumasar-kertas dumasar kana nikel/nanopartikel emas/karbon nanotube/polivinil alkohol rangka organologam komposit pikeun deteksi sasaran HIV ku hibridisasi DNA maké métilén biru salaku indikator rédoks DNA.Nu leuwih anyar, Chowdury et al.[135] nampilkeun desain platform hipotetis pikeun uji µPAD titik perawatan nganggo ciduh pasien atah digabungkeun sareng LAMP sareng téknologi pencitraan portabel pikeun deteksi analit COVID-19.
Tés aliran lateral nungtun cairan ku gaya kapilér sareng ngontrol gerakan cairan ku kabasaan sareng karakteristik substrat porous atanapi mikrostruktur.Alat aliran gurat diwangun ku sampel, konjugat, inkubator sareng deteksi, sareng bantalan nyerep.Molekul asam nukléat dina LFA mikawanoh binders husus nu tos disimpen dina situs ngariung jeung ngabeungkeut salaku kompléx.Nalika cairanana ngaliwatan pelat inkubasi sareng deteksi, kompléx kawengku ku molekul néwak anu aya dina garis uji sareng kontrol, nunjukkeun hasil anu tiasa dibaca langsung ku mata taranjang.Ilaharna, LFA bisa réngsé dina 2-15 menit, nu leuwih gancang ti kapanggihna tradisional.Alatan mékanisme husus, LFA merlukeun sababaraha operasi sarta teu merlukeun parabot tambahan, nu ngajadikeun eta pisan ramah-pamaké.Gampang pikeun ngahasilkeun sareng miniatur, sareng biaya substrat dumasar-kertas langkung handap.Nanging, éta ngan ukur dianggo pikeun analisa kualitatif, sareng deteksi kuantitatif sesah pisan, sareng kamampuan multiplexing sareng throughput terbatas pisan, sareng ngan ukur hiji asam nukléat anu cekap tiasa dideteksi dina hiji waktos [96,110,127].
Sanajan kalolobaan aplikasi LFA museurkeun kana immunoassays, pamakéan LFA pikeun diagnostics molekular dina chip microfluidic ogé éféktif jeung populér [136].Dina kasus virus hépatitis B, HIV sareng SARS-CoV-2 LFA Gong et al.[137] ngajukeun platform LFA nanopartikel up-konversi sareng nunjukkeun fleksibilitas platform miniatur sareng portabel ieu ngaliwatan deteksi sénsitip sareng kuantitatif tina sababaraha target sapertos asam nukléat HBV.Sajaba ti éta, Fu et al.[138] nunjukkeun novél LFA dumasar kana spéktroskopi Raman anu ditingkatkeun permukaan pikeun analisis kuantitatif DNA HIV-1 dina konsentrasi rendah.Pikeun deteksi gancang sareng sénsitip SARS-CoV-2, Liu et al.[85] ngembangkeun analisis aliran gurat RPA terintegrasi mikrofluida ku ngagabungkeun RT-RPA sareng sistem deteksi aliran gurat universal kana sistem mikrofluida tunggal.
Aplikasi tina rupa-rupa platform microfluidic beda-beda gumantung kana studi husus, ngamangpaatkeun pinuh kamampuhan jeung kaunggulan tina platform.Kalayan klep, pompa sareng saluran anu hargana, LOCC mangrupikeun platform anu paling komprehensif pikeun kabébasan aplikasi sareng interoperabilitas kalayan rohangan pangageungna pikeun pangwangunan.Ku alatan éta, kami ngarepkeun sareng nyarankeun yén studi pang anyarna dilaksanakeun di LOCC salaku usaha munggaran sareng kaayaanana dioptimalkeun.Salaku tambahan, metode anu langkung éfisién sareng akurat diperkirakeun tiasa dipanggihan sareng dianggo dina sistem.LOAD unggul dina kadali cairan anu tepat tina alat LOCC anu tos aya sareng nunjukkeun kaunggulan unik dina drive tunggal ku gaya centrifugal tanpa peryogi drive éksternal, sedengkeun réspon paralel tiasa dipisahkeun sareng disingkronkeun.Ku kituna, dina mangsa nu bakal datang, LOAD bakal jadi platform microfluidic utama kalayan operasi manual kirang tur téhnologi leuwih dewasa sarta otomatis.Platform µPAD ngagabungkeun mangpaat LOCC sareng bahan dumasar kertas pikeun diagnosa béaya rendah, panggunaan tunggal.Ku alatan éta, pangwangunan hareup kudu difokuskeun téknologi merenah tur well-ngadegkeun.Salaku tambahan, LFA cocog pisan pikeun deteksi mata taranjang, ngajangjikeun ngirangan konsumsi sampel sareng nyepetkeun deteksi.Perbandingan platform anu lengkep dipidangkeun dina Tabel 2.
Analisis digital ngabagi sampel kana seueur mikroréaktor, anu masing-masing ngandung jumlah diskrit molekul target [139, 140].Uji digital nawiskeun kauntungan anu signifikan pikeun ngalakukeun kuantitatif mutlak ku ngalaksanakeun rébuan ékspérimén biokimia paralel sakaligus sareng individual dina kompartemen skala mikron tinimbang dina fase kontinyu.Dibandingkeun sareng mikrofluida tradisional, réaksi kompartemen tiasa ngirangan volume sampel, ningkatkeun efisiensi réaksi, sareng gampang diintegrasikeun sareng metode analitis sanés tanpa peryogi saluran, pompa, klep, sareng desain kompak [141, 142, 143, 144, 145, 146, 147] .Dua métode di handap ieu dipaké dina assays digital pikeun ngahontal separation seragam jeung akurat solusi, kaasup réagen jeung sampel kayaning sél, asam nukléat, jeung partikel séjén atawa molekul: (1) leupaskeun emulsions exploiting instability panganteur cair;(2) division Asép Sunandar Sunarya dilumangsungkeun ku konstrain geometri alat.Dina metodeu anu kahiji, tetesan anu ngandung réagen sareng conto dina saluran mikro tiasa diciptakeun ku metode pasip sapertos co-current, crossflow, flow focusing, staged emulsification, microchannel emulsification, sareng mémbran ngaliwatan gaya geser kentel sareng émulsifikasi kalayan parobahan saluran.lokalisasi [143, 145, 146, 148, 149] atawa ngagunakeun métode aktip [150, 151], nu ngawanohkeun énergi tambahan ngaliwatan listrik, magnét, kontrol termal jeung mékanis.Dina pendekatan dimungkinkeun, uniformity volume cairan pangalusna dina chambers microfluidic dibagikeun ku ngajaga struktur spasial tina ukuran anu sarua, kayaning micropits na arrays permukaan [152,153,154].Utamana, titik-titik mangrupikeun bagian aliran utama anu ogé tiasa dibangkitkeun sareng dimanipulasi dina susunan éléktroda dumasar kana mikrofluida digital (DMF).Éléktrowéting diéléktrik mangrupikeun salah sahiji téori DMF anu paling diulik, sabab éléktrowét diéléktrik ngamungkinkeun manipulasi anu tepat tina tetes individu, ngadalikeun bentuk sinyal listrik cair sareng asimétri ngalangkungan sisi anu béda [141, 144].Operasi utama sareng titik-titik dina DMF kalebet asihan, pamisahan, sareng ngahijikeun [151, 155, 156], anu tiasa diterapkeun dina sagala rupa widang analisis, khususna dina deteksi molekular [157, 158, 159].
Deteksi asam nukléat digital nyaéta téknologi diagnostik molekular generasi katilu nuturkeun PCR konvensional sareng PCR sacara real-time kuantitatif (qPCR), paralel sareng sekuen throughput tinggi sareng biopsi cair.Dina dua dekade pamungkas, asam nukléat digital geus gancang dimekarkeun dina widang diagnostics molekular patogén tepa [160, 161, 162].Kuantifikasi mutlak deteksi asam nukléat digital dimimitian ku ngabungkus sampel sareng réagen kana kompartemen individu pikeun mastikeun yén unggal sekuen targét gaduh kamungkinan anu sami pikeun asup ka unggal kompartemen individu.Sacara téoritis, unggal bagian tiasa ditugaskeun sababaraha sekuen udagan, atanapi tiasa waé henteu aya sistem mikroréaksi mandiri.Ngaliwatan rupa-rupa mékanisme sensing ditétélakeun di luhur, kompartemen kalawan urutan sasaran mikroba anu ngahasilkeun sinyal di luhur ambang nu tangtu bisa divisualisasikeun ku mata taranjang atawa ku mesin sarta dilabélan salaku positip, sedengkeun kompartemen séjén anu ngahasilkeun sinyal handap ambang anu dilabélan salaku positif. .négatif, anu ngajadikeun sinyal pikeun tiap bagian boolean.Ku kituna, ku ngitung jumlah kompartemen dijieun jeung laju hasil positif sanggeus réaksi, salinan aslina tina sampel tés bisa cocog ngagunakeun rumus distribusi Poisson tanpa merlukeun kurva baku, nu diperlukeun pikeun analisis kuantitatif rutin misalna. sakumaha qPCR.[163] Dibandingkeun sareng metode diagnostik molekular tradisional, deteksi asam nukléat digital gaduh tingkat otomatisasi anu langkung luhur, laju analisa sareng sensitipitas anu langkung luhur, réagen anu langkung saeutik, kontaminasi anu langkung saé, sareng desain sareng pabrik anu langkung sederhana.Kusabab ieu, pamakean tes digital, khususna metode dumasar-drop, pikeun diagnostik molekular, ngagabungkeun téknik amplifikasi sareng sinyal maca, parantos ditaliti sacara saé nalika wabah kritis SARS-CoV-2.Contona, Yin et al.[164] gabungan tetesan digital sareng metode PCR gancang pikeun ngadeteksi gén ORF1ab, N, sareng RNase P dina SARS-CoV-2 dina chip mikrofluida.Utamana, sistem éta tiasa ngaidentipikasi sinyal positip dina 115 detik, anu langkung gancang tibatan PCR konvensional, nunjukkeun efektivitasna dina deteksi titik-perawatan (Gambar 7a).Dong et al.[165], Sow et al.[157], Chen et al.[166] jeung Alteri et al.[167] ogé nerapkeun tetesan PCR digital (ddPCR) pikeun ngadeteksi SARS-CoV-2 dina sistem mikrofluida kalayan hasil anu luar biasa.Pikeun ningkatkeun laju deteksi, Shen et al.[168] kahontal basis ddPCR chip Imaging dina sakumaha saeutik salaku 15 s tanpa pamakéan téhnik gambar stitching, nyepetkeun prosés téhnologi ddPCR ti lab ka aplikasi.Henteu ngan ukur metode amplifikasi termal sapertos PCR anu diterapkeun, tapi ogé metode amplifikasi isothermal dianggo pikeun nyederhanakeun kaayaan réaksi sareng réspon gancang.Lu et al.[71] ngembangkeun SlipChip pikeun analisa tetesan, sanggup ngahasilkeun titik-titik tina rupa-rupa ukuran dina kapadetan luhur dina hiji léngkah sareng ngitung asam nukléat SARS-CoV-2 nganggo LAMP digital (Gambar 7b).Salaku téhnologi ngembang pesat, CRISPR ogé bisa maénkeun peran penting dina deteksi asam nukléat digital ngaliwatan pencitraan colorimetric merenah tanpa perlu noda asam nukléat tambahan.Ackerman et al.ngembangkeun réaksi matriks kombinatorial pikeun évaluasi multipleks asam nukléat.[158] mendakan 169 virus anu aya hubunganana sareng manusa, kalebet SARS-CoV-2, dina titisan anu ngandung réagen deteksi asam nukléat basis CRISPR-Cas13 dina uji microwell (Gambar 7c).Salaku tambahan, amplifikasi isothermal sareng téknologi CRISPR tiasa dianggo dina sistem anu sami pikeun ngagabungkeun mangpaat duanana.Park et al.[169] Uji digital CRISPR/Cas12a dikembangkeun dina chip mikrofluida komérsial pikeun ngadeteksi SARS-CoV-2 anu diekstrak sareng dipanaskeun dumasar kana RT-RPA tahap tunggal kalayan deteksi sinyal-ka-latar anu langkung pondok sareng langkung luhur. babandingan waktos., rentang dinamis lega tur sensitipitas hadé (Gbr. 7d).Sababaraha pedaran ngeunaan conto ieu dirumuskeun dina Tabél 3.
Platform digital has pikeun deteksi asam nukléat.a Alur kerja PCR digital gancang diwangun ku opat léngkah konci: persiapan sampel, distribusi campuran réaksi, prosés amplifikasi, sareng kuantifikasi target (diadaptasi tina [164]).b Schematic némbongkeun analisis titik-titik SlipChip pikeun formasi droplét dina dénsitas luhur (diadaptasi tina [71]).c CARMEN-Cas workflow diagram13 (diadaptasi tina [158]).d Ihtisar deteksi virus digital canggih kalawan CRISPR / Cas dina hiji pot (diadaptasi tina [169]).W/O water-in-oil, polydimethylsiloxane PDMS, PCR polymerase chain reaction, DAQ data collection, PID proportional integral derivative, CARMEN combinatorial matrix reaction for multiplex nucleic acid evaluation, SARS-CoV-2, sindrom pernapasan akut parna, coronavirus 2, RT Amplifikasi tina reverse transcriptase recombinase polymerase-RPA, sinyal S/B di latar tukang
waktos pos: Sep-15-2022
