“微流控+3D打印”制作低成本的新冠病毒RNA基因传感器

来源：MEMS

3D打印技术，也称为增材制造，基于连续材料层的数字化沉积制造三维物体，可应用于航空、能源设备、制药、医疗设备和诊断等领域。3D打印对于定制传感器件的分散式按需生产非常有用。与3D打印机相比，3D打印笔（3D-PP）成本更低，并且易于使用。

目前，由SARS-CoV-2（新型冠状病毒）引起的COVID-19（新冠肺炎）疫情是全球重大紧急事件。根据以往流行性病毒经验，高灵敏度和特定的COVID-19实验室诊断对于病例识别、接触者追踪和风险管理的及时决策至关重要。尽管逆转录聚合酶链式反应（RT-PCR）因其高选择性和高灵敏度，是SARS-CoV-2检测的“金标准”技术，但它耗时长，并且需要由专业人员在中心实验室操作。因此，开发一种快速、低成本且可靠的用于即时医疗（POC）应用的分子诊断检测方案，是抗击新冠疫情的迫切需求。

在这场与病毒的赛跑中，芯片实验室（lab-on-a-chip）和微流控芯片因其独特的性能而用途广泛，例如能够在小型器件上集成样品制备、反应和检测，仅需少量样品和试剂，且自动化程度高，一次性使用，便携性好。其中，电化学微流控器件发挥着重要作用，因为电化学检测易于小型化而不损失分析性能。此外，该方法对SARS-CoV（冠状病毒）检测的有效性此前已得到验证。

据麦姆斯咨询报道，由捷克布拉格化学与技术大学高级功能纳米机器人中心无机化学系、中国医科大学附属医院研究部、布尔诺理工大学未来能源与创新实验室的研究人员组成的科研团队，开发了一款由3D打印笔制造的针状SARS-CoV-2基因传感器。研究人员将靶向SARS-CoV-2的N基因序列的单链DNA（ssDNA）探针吸附在经化学和电化学激活的3D打印笔电极上。然后，将该SARS-CoV-2基因传感器与SARS-CoV-2靶向RNA一起孵育，与单链DNA探针杂交，使其从3D打印笔电极表面加合而解吸。解吸之后，通过微分脉冲伏安法（DPV）对单链DNA探针中的腺嘌呤进行电化学氧化。最后，该系统由单个PDMS（聚二甲基硅氧烷）通道和插入出口侧的三电极系统组成的微流控芯片实现（见下图）。该三电极系统完全由3D打印而成。这种微流控基因传感器能够在“On/Off”模式下，7分钟内检测出SARS-CoV-2靶向RNA。

用于SARS-CoV-2病毒检测的芯片实验室基因传感器原理图

微流控电化学基因传感器

PDMS微流控芯片是按照先前已公布的研究内容制造而成。该芯片由一个PDMS层组成，该层包含一个开放通道（截面为50 × 50 μm，长1 cm）、两个储液层（直径2 mm），以及用于封闭通道的玻璃基板。

由PDMS微通道和3D打印笔制作的带有三个电极的电化学电池组成的芯片实验室系统

该芯片集成在芯片支架中，便于泵送管道和电化学电池的连接。使用Y型连接器将两个注射器连接到微芯片入口。一个注射器含有pH为7.4的磷酸盐缓冲溶液（PBS）和COVID-SARS-2 RNA溶液。使用双注射泵以一定的速度注入液体。此外，将一个塑料电化学电池（体积为200微升）插入微芯片出口，并将三个3D打印笔电极浸入电池中。工作电极（基因传感器）被放置在微芯片通道的出口处（在出口储液层内，总体积为8微升）。

微流控基因传感器是通过用SARS-CoV-2的单链DNA反义寡核苷酸（探针：5'-CCAATGTGATCTTTTGGTGT）修饰3D打印笔电极制造的，靶向SARS-CoV-2的N基因序列在生物传感中的作用已被证实。利用单链DNA和碳纳米材料之间的π-π堆叠优势，该单链DNA探针被物理吸附到活化的3D打印笔电极表面，以保证始终使用新的3D打印笔电极来制备基因传感器。

基因传感器机制是基于使用微分脉冲伏安法氧化单链DNA中的腺嘌呤产生信号，从而获得更大的峰面积。相反，在SARS-CoV-2 RNA（靶标：5′-ACACCAAAAGAUCACAUUGG）存在的情况下，SARS-CoV-2探针的单链DNA反义寡核苷酸与SARS-CoV-2的RNA靶标杂交，从3D打印笔电极解吸，导致腺嘌呤的氧化信号降低，氧化峰降低。

结语

研究人员利用3D笔式打印电极（3D-PP）制作了一款用于SARS-CoV-2检测的低成本、一次性基因传感器。该传感机制是通过与SARS-CoV-2的RNA靶标相互作用后，解吸单链DNA探针，并监测未解吸的单链DNA（微分脉冲伏安法对腺嘌呤的氧化信号）。将该基因传感器集成到芯片实验室系统中，产生一种“On/Off”传感装置，可以在7分钟内检测SARS-CoV-2的RNA，而样品和试剂消耗最少。此外，该研究是微流控和3D打印技术（尤其是3D打印笔）的结合，就如何提供易于使用、一次性和低成本的即时检测的传感装置给出的一个具有前景的示例，具有普遍适用性。