[发明专利]基于磁流变液技术的恒温扩增型太赫兹多通道微流控芯片及其用于病原菌检测的方法

说明书

本发明公开了基于磁流变液技术的恒温扩增型太赫兹多通道微流控芯片及其用于病原菌检测的方法，包括滚环扩增(Rolling circle amplification,RCA)反应模块、磁流变液交换模块、超材料纳米颗粒信号放大模块和微流体芯片结构。微流体芯片结构为设置有多条检测通道的“罗盘型”结构，中心设置有总入口，每条检测通道由内至外依次连接有RCA反应模块、磁流变液交换模块和超材料纳米颗粒信号放大模块。检测方法利用RCA、磁流变液和超材料纳米颗粒信号放大模块解决水敏感性、灵敏度低的问题。作为一种快速、准确检测病原菌的新方法，对感染性疾病的诊断和治疗具有重要的意义。

技术领域

本发明涉及病原菌检测领域，具体涉及基于磁流变液技术的恒温扩增型太赫兹多通道微流控芯片，还涉及利用微流控芯片检测病原菌的方法。

背景技术

快速准确检测病原菌的种属，对于感染性疾病的诊断和后续治疗至关重要。传统的病原菌检测方法所需时间较长，从收集标本到准确获取病原菌的类型通常需要几天到一周左右。此外，细菌培养操作繁琐，且不同细菌需要不同的酶学和生化反应鉴定而消耗大量的试剂。为了快速鉴定病原菌的种属，一系列包括飞行质谱技术、荧光定量PCR、核酸测序在内的分子生物学方法被提出，但由于各自弊端这些方法均未能替代传统的细菌培养与鉴定方法。基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)可通过细菌特异性的电荷区分不同类型的病原菌，但其检测灵敏度仅为10⁵-10⁶CFU⁴。此外，质谱技术只能检测培养后的单一样本，无法检测混合样本，并在区分大肠杆菌和志贺氏菌等方面仍存在一定的缺陷。荧光定量PCR方法可以通过不同荧光标记同时检测多种病原菌，但是受限于仪器昂贵、操作繁琐，无法在实际临床工作中常规展开。因此，建立一种快速、准确检测病原菌的新方法对于感染性疾病的诊断和治疗具有重要的意义。

太赫兹(Terahertz,THz)波是指频率为0.1-10THz，波长为3mm到30μm，介于毫米波与红外光之间频谱范围的电磁波。近几年来，THz波在生物医学应用领域掀起了研究热潮，已经成为当前物理学与生物医学交叉领域收到极大重视的研究热点。在病原菌检测方面，组成病原菌的核酸、蛋白、糖类和脂类等生物大分子之间/内的弱相互作用力(氢键、范德华力等)、骨架震动和转动的能级等正好处于THz波的频率范围内，使得THz波对病原菌内部的含水量和胞内结构等代谢变化具有较好的敏感性。因此，可以通过病原菌内部含水量和胞内结构的差异实现不同种属病原菌的区分。但是利用现有THz波检测技术检测病原菌仍然存在特异性、灵敏度和水敏感性问题。(1)特异性问题：THz波对病原菌菌体进行直接检测是利用不同种属病原菌胞内含水量和胞内结构不同的原理，这种方法虽然可以区分纯化培养后的病原菌，但是本质上并不具备较高的检测特异性。考虑到临床样本存在结果类似的病原菌或多种病原菌混杂的情况，直接检测的方式无法在临床样本中特异地区分病原菌的种属。(2)灵敏度问题：前期研究结果表明，在不借助任何信号放大技术的前提下，THz光谱只能检测到10⁸CFU以上的病原菌。(3)水敏感问题：室温时1THz频率下水对THz波的吸收系数高达250cm^-1左右，液相环境中病原菌的THz吸收信号往往被湮没。因此，由于特异性、敏感性和水敏感性问题的限制，现有的THz波检测技术尚无法满足临床病原菌的实际检测需求。

磁流变液是一种在外加磁场作用下材料特性发生急剧变化的新型智能材料。磁流变液由微米量级的可磁化的固体颗粒(分散质)分散于母液如硅油中形成的悬浮体，在外加磁场下流变性质会发生急剧变化，其粘度成数量级增加且表现出较强的抗剪切力，使材料整体呈类固体状，在此状态下材料的介电常数等物理特性也会发生进一步变化。由于磁流变液效应具有可逆性、响应迅速的特点，已经广泛应用于自动控制、医疗、汽车工业、飞机制造等诸多领域。但是目前为止，未见磁流变液技术用于太赫兹波检测领域的报道。

发明内容