核酸检测技术是目前临床上被广泛应用的一种实验室诊断技术。得益于其在灵敏度以及检测特异性上的独特优势,核酸检测在临床诊疗活动中正扮演着越来越重要的角色。尤其在传染病的大范围筛查、诊断以及治疗中,核酸检测技术正逐渐成为该领域不可或缺的诊断技术之一。然而,现有核酸检测技术操作流程复杂、实验条件要求高,因此对于实验室环境、专用设备、操作人员、空间场地、运营成本的要求十分严苛。这导致了该技术较低的普及率,从而造成了目前临床上核酸检测供不应求的窘境。为降低核酸检测技术难度,实现核酸检测从大型实验室到现场检测的场景转移,目前国际上主要依赖基于微流控技术的集成式核酸一体化检测平台。这种一体化的核酸检测系统通过功能模块的整合,实现了“Sample in,answer out”的全自动化检测,使核酸检测的操作难度、对于实验环境及大型专业仪器的依赖程度大幅降低。然而,一体化核酸检测平台的研发及整合涉及生物、医学、机械、工程等多学科的交叉及协作,研发难度大,技术门槛高。目前国际上仅欧美少数在该领域的研发方面起步较早的国家具备较为完整的研发及市场化产业链条及成熟的市场化产品。我国在该领域的研发及市场化工作较晚,至今仍未形成完整的产业链条及成熟的市场化产品。为填补我国在一体化核酸检测仪领域的市场空白,尽快推出具备自主知识产权的核酸快速检测产品,本研究首先从整体应用需求确定检测系统所需具备的功能要求。之后从突破各个核心功能模块的关键技术入手,逐一实现一体化核酸检测系统各个功能模块的设计、加工以及工作性能验证。我们建立并优化了核酸现场检测体系的三个主要核心功能模块。先后完成了基于超声辅助的核酸样本提取及纯化系统、快速核酸扩增及实时检测系统以及非离心式的集成式全血样本分离系统的研究。分别实现了 5分钟以内的快速核酸样本提取及纯化、30分钟内的核酸扩增与实时荧光检测以及可在5分钟内完成血浆纯化的负压驱动芯片式全血样本处理。在后续的模块系统化整理中,我们提出了“一对多”的多次通断液流阀门系统,实现了对于十一重液路的多次通断控制,为模块的整合及一体化奠定了基础。另一方面,则通过分体式的试剂仓设计,实现了含多种液体及固体组分的单人份预装试剂在常温下的长期保存。在完成各个功能模块的建立及性能验证后,本研究进一步针对各个模块的体积大小、各模块功能间的相互联系、芯片各功能模块与配套驱动机械的空间排布,对芯片各个模块的位置进行排布优化,并以液路管道将各个模块进行串联整合,最终完成一体化、自动化的核酸现场检测系统的搭建。在此过程中,还需要针对液路管道的长度、模块间的协同运作、芯片与仪器间的空间配合、芯片模块间工作时产生的相互干扰等模块进行进一步的优化及调整,从而获得最优的检测性能及产业化性能。在本研究中,我们创新性地提出了“免疫捕获+滤膜过滤”的二次捕获法,首次在核酸一体化检测系统中实现了五分钟内的免离心全血血浆分离及定量技术。同时,基于参数化模拟研究以及生物学实践,我们成功地实现了异型超声反应腔的设计及验证,实现了快速、稳定的核酸提取及纯化,为大体积生化反应的超声辅助反应技术的参数化设计指出了一条可行之路。另一方面,本研究中提出的分体式设计首次在“一体化”的基础上赋予了微全分析系统出色的通用性,使其具备了向全项目泛用型检测系统拓展的潜力及可能。综上所述,本研究基于模块化的研究及之后的系统集成化研究,在五大功能模块及三个核心创新点的基础上,成功搭建了一套自动化、一体化的核酸现场检测系统。该系统实现了理想的“Sample in,answer out”式的简单操作。操作人员仅需在试剂仓的样本孔中添加全血样本,再将芯片推入仪器,即完成了所有的手工操作步骤。芯片与配套的驱动仪器相配合,驱动样本、试剂在芯片中根据反应需求分步、定向流动。最后在30分钟左右完成整个核酸检测流程并输出检测报告。