基于环介导等温扩增的纸基核酸快速检测
核酸分子具有丰富的遗传信息，对疾病诊断具有关键价值。传统核酸检测技术受限于耗时长、需大型仪器设备等局限，严重制约了其在大规模、突发性疾病检测中的应用。纸基微流控具有便携、自驱动等优势，在整合等温扩增技术后，为核酸分子快速、准确的检测提供可能。
据麦姆斯咨询报道，近期，来自重庆大学等科研机构的研究人员，于《重庆医科大学学报》发表综述文章，从纸基微流控的设计出发，总结了纸基微流控在核酸分子检测中的研究进展，并分析了影响其检测灵敏度、稳定性等的干扰因素，为推动纸基微流控向临床转化提供重要参考。
图1 基于纸基微流控的核酸检测技术
基于环介导等温扩增（lamp）的纸基核酸快速检测
lamp体系中mg²⁺、焦磷酸等副产物的变化常被作为核酸检测依据。为与纸基微流控更好地整合，基于体系中mg²⁺的浓度变化，有研究人员利用多层纸基材料进行3d组装，结合蜡染技术构建了多个具有纵向流体空间的lamp反应区（图2a），仅需一步加样，即可通过mg²⁺敏感染料羟基萘酚蓝的荧光特性对lamp信号进行实时分析。此外，利用lamp扩增过程中能产生大量焦磷酸，导致反应体系的ph发生明显改变这一特点的纸基ph指示法，已在寨卡病毒等检测中被证明具有较高灵敏度，检测限低至1拷贝/μl。除了利用lamp反应体系本身的特性变化作为检测依据外，其他报道的纸基lamp信号输出方法还包括底物显色、荧光标记和基于流体层析距离（图2b）的检测等。然而，上述研究大多依靠单独的扩增步骤。为将扩增与检测整合于一体，有研究人员设计了一种疟疾检测poct装置（图2c），并通过整合一个多功能3d纸带进行临床血液样本的扩增前预处理；经lamp反应后，靶标能继续与通道中预储存的红色微球结合，随后在2d纸基微流控上完成检测，实现了扩增与检测一体化。
图2 基于lamp技术的纸基核酸快速检测
基于重组酶聚合酶扩增（rpa）的纸基核酸快速检测
与lamp相比，rpa技术能够在37℃的室温条件下在20mi内实现靶核苷酸的高效常温扩增。由于rpa具有相对较低的最适扩增温度，因此在选择疏水区构建方法时无须考虑反应温度对疏水材料的影响，便于直接在纸基微流控上实现扩增与检测一体化。
基于杂交链式反应（hcr）的纸基核酸快速检测
hcr是一种无酶核酸扩增技术，该技术的提出使得核酸分子的体外扩增摆脱了对聚合酶的依赖，进一步降低了纸基核酸快速检测装置的生产、存储成本。目前，已有相关研究利用hcr反应设计了一种能更高效检测沙门菌的纸基微流控芯片（图3a）。此外，有研究人员在基于hcr反应的同时巧妙地利用了纸张的咖啡环效应作为信号转导手段（图3b），将体系中液体的蒸发过程转化为纸张末端彩色条带的形成过程，仅需测量着色带长度即可对mirna-21进行定量，检测限为0.2pmol/l，为提高检测灵敏度提供了新思路。
图3 基于hcr 技术的纸基核酸快速检测
基于催化发卡自组装反应（cha）的纸基核酸快速检测
cha是在hcr技术基础上开发的一种更高效、更灵敏的无酶信号放大技术。cha与hcr的主要区别在于，cha反应中靶标触发级联放大效应后并不会作为生成物的一部分参与后续延伸，而是会被重新释放到体系中充当“催化剂”继续触发下一段cha反应，产生更明显的信号放大效果。无酶催化的cha具有更高灵敏度和放大效率，在纸基微流控中是一种同样经济且更适用于微量靶标的检测手段。
基于cha反应强大的信号放大效果，研究人员开发了一种能够在纸质芯片上具有双重放大能力的早期胰腺癌诊断卡（图4a）。与传统的免疫分析试纸条相比，该设计通过同时引入cha和金沉积手段达到更高的检测灵敏度。为了缩短反应时间、提高检测效率，研究人员进一步将该技术进行了拓展：在靶标触发cha反应后，分别利用量子点和多色荧光基团标记取代了金增强步骤（图4b-c），实现对mirna-21和丙型肝炎病毒精确定量的同时将反应时间缩短至原来的1/3。
图4 基于cha技术的纸基核酸快速检测
总体而言，纸基微流控技术自21世纪初研发以来取得了巨大进步，已成为临床poct领域的重要组成部分。随着研究的深入，其在核酸快速检测领域的检测灵敏度、功能集成度等方面取得了较大突破；加之便携式信号分析设备开发以及机器学习等算法的引入正在逐步提高纸基微流控在核酸检测中的定量分析能力，并逐步向智能化、通用化迈进。近年来系列核酸等温扩增技术被相继开发后，核酸扩增摆脱了梯度温控设备的限制，纸基微流控核酸检测技术也因此迎来了高速发展。但用于核酸检测的纸基微流控装置在进行临床或复杂环境下的评估之前，必须在实验室进行大量的测试和改良工作，以应对真实应用场景下可能出现的各种问题。此外，将核酸检测涉及的多个样本预处理步骤集成在纸质设备中，将难以避免地提升装置的复杂程度，在此情况下如何同时方便用户使用的问题也不容忽视。
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图1 基于纸基微流控的核酸检测技术
基于环介导等温扩增（lamp）的纸基核酸快速检测
lamp体系中mg²⁺、焦磷酸等副产物的变化常被作为核酸检测依据。为与纸基微流控更好地整合，基于体系中mg²⁺的浓度变化，有研究人员利用多层纸基材料进行3d组装，结合蜡染技术构建了多个具有纵向流体空间的lamp反应区（图2a），仅需一步加样，即可通过mg²⁺敏感染料羟基萘酚蓝的荧光特性对lamp信号进行实时分析。此外，利用lamp扩增过程中能产生大量焦磷酸，导致反应体系的ph发生明显改变这一特点的纸基ph指示法，已在寨卡病毒等检测中被证明具有较高灵敏度，检测限低至1拷贝/μl。除了利用lamp反应体系本身的特性变化作为检测依据外，其他报道的纸基lamp信号输出方法还包括底物显色、荧光标记和基于流体层析距离（图2b）的检测等。然而，上述研究大多依靠单独的扩增步骤。为将扩增与检测整合于一体，有研究人员设计了一种疟疾检测poct装置（图2c），并通过整合一个多功能3d纸带进行临床血液样本的扩增前预处理；经lamp反应后，靶标能继续与通道中预储存的红色微球结合，随后在2d纸基微流控上完成检测，实现了扩增与检测一体化。
图2 基于lamp技术的纸基核酸快速检测
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hcr是一种无酶核酸扩增技术，该技术的提出使得核酸分子的体外扩增摆脱了对聚合酶的依赖，进一步降低了纸基核酸快速检测装置的生产、存储成本。目前，已有相关研究利用hcr反应设计了一种能更高效检测沙门菌的纸基微流控芯片（图3a）。此外，有研究人员在基于hcr反应的同时巧妙地利用了纸张的咖啡环效应作为信号转导手段（图3b），将体系中液体的蒸发过程转化为纸张末端彩色条带的形成过程，仅需测量着色带长度即可对mirna-21进行定量，检测限为0.2pmol/l，为提高检测灵敏度提供了新思路。
图3 基于hcr 技术的纸基核酸快速检测
基于催化发卡自组装反应（cha）的纸基核酸快速检测
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图4 基于cha技术的纸基核酸快速检测
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