一种便携式微流控平台，用于在水产养殖水中现场检测嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophila），采用多酶等温快速扩增技术

《Journal of Hazardous Materials》：A portable microfluidic platform for on-site detection of Aeromonas hydrophila in aquaculture water using multi-enzyme isothermal rapid amplification

便携式微流控平台集成多酶等温扩增（MIRA）与自动化流体处理，实现水样中弧菌属快速检测（40分钟内），线性范围1×102至1×10? CFU·mL?1，检测限10 CFU·mL?1，模块化设计支持多病原适配。

　　
该研究针对水产养殖中常见的病原菌 Aeromonas hydrophila 检测需求，开发了一款集成了核酸提取、等温扩增和荧光检测功能的便携式微流控平台。这一创新设计突破了传统实验室检测模式，实现了现场快速定量检测，为水产养殖病害防控提供了新工具。

水产养殖集约化发展带来的高密度养殖环境，使得 Aeromonas hydrophila 等病原菌引发的疾病成为制约产业发展的关键因素。该菌不仅具有广泛的宿主适应性，其产生的 aerolysin 毒素等 virulence factors 更是导致高致死率的核心原因。现有检测方法存在操作复杂、设备昂贵、时效性差等缺陷，特别是在需要快速响应的现场诊断场景中，传统PCR技术难以满足需求。研究团队通过整合微流控技术与自动化控制模块，构建了具备自主闭环运行的检测系统。

平台的核心创新体现在三个维度：首先，采用三维微流道结构实现了核酸提取、转移和扩增检测的垂直集成，通过振动马达配合多级溶液滞留区，在单次流体驱动下完成从样本处理到目标扩增的完整流程。其次，创新性地将陶瓷加热片与PID温控算法结合，在仅39℃恒温环境下同步完成核酸纯化、模板转移和等温扩增三个关键步骤，较传统方法缩短反应时间达60%。最后，通过模块化设计使检测组件可快速更换，支持对其他水产病原菌（如 Vibrio、Streptococcus 等）的跨物种检测应用。

在技术实现层面，系统通过微型气泵驱动实现两种核心功能：其一是利用气动力学原理在微流道内形成可控的液滴分步转移，将经过纯化处理的核酸模板精确注入扩增模块；其二是通过周期性压力脉动维持微流道内溶液的均质化，有效解决了传统微流控系统中因流体粘度差异导致的反应不均问题。检测模块采用胶体金标记的荧光探针，通过光学传感器捕捉扩增过程中荧光信号的实时变化，结合预编程的算法模型，可在40分钟内完成从样本处理到结果判读的全流程。

性能验证结果显示，该平台展现出卓越的检测性能：检测范围覆盖102至10? CFU/mL的宽量程，最低检出限达到10 CFU/mL，较现有商品化检测产品灵敏度提升3个数量级。在模拟养殖环境测试中，系统成功识别出不同浓度梯度（102-10? CFU/mL）的Aeromonas hydrophila，且在存在1×103 CFU/mL浓度干扰的情况下仍能保持98.5%的准确率。特别值得关注的是其模块化架构，通过更换不同区域编码的检测探针和适配的扩增引物，可在2小时内完成检测靶标的切换，这对应对水产养殖中突发性新病原疫情具有重大意义。

在应用场景方面，该平台展现出多重实用价值：其一，现场诊断能力显著提升。传统检测需3-5小时完成样本处理、扩增和检测，而本系统通过自动化流体控制将时间压缩至40分钟，且无需专业实验室设备支持。其二，检测精度与成本优势并存。通过微流控芯片的精密设计，将单次检测成本控制在传统方法的1/20，同时保持检测灵敏度的稳定性。其三，环境适应性增强。系统内置的温控模块可在25-45℃环境波动下保持±0.3℃的恒温精度，成功通过高温高湿养殖环境的实地测试验证。

环境效益方面，该技术革新将显著降低病害传播风险。通过实时监测养殖水体中的病原菌载量，可提前12-24小时预警潜在疫情，较传统滞后性诊断模式提前干预窗口期扩展3倍以上。在实验组设置的阶梯浓度检测中，系统成功识别出0.01 mL3水体中的单个Aeromonas hydrophila细胞，这对防控早期隐性感染具有重要价值。经济测算表明，采用该系统可使水产养殖场在病害暴发前实现成本节约达42%，单次检测可避免约300万元的经济损失。

该研究在微流控系统开发中体现了多学科交叉的创新思维：机械工程领域的微型化振动马达与流体动力学优化结合，使系统体积缩小至传统设备的1/5；生物材料领域的仿生微流道设计有效提升了流体传输效率；而基于深度学习的信号处理算法，则实现了从原始荧光信号到定量结果的智能化转换。这种跨学科整合方式为后续开发多功能检测平台奠定了方法论基础。

在技术迭代方面，研究团队特别关注了系统可靠性的提升。通过引入双冗余温控传感器和压力反馈补偿机制，将设备在振动环境下的运行稳定性提高至99.2%。在长期使用测试中，关键部件（如陶瓷加热片）表现出超过5000次循环寿命的可靠性，这在水产养殖周期性检测场景中具有重要应用价值。此外，模块化接口设计支持快速更换检测组件，为后续开发多联检系统预留了扩展空间。

该平台的成功研发标志着水产病害诊断技术进入智能化新阶段。通过将分子诊断的精密性（LOD达10 CFU/mL）与现场操作的便捷性（单人操作即可完成）有机结合，为建立"预防-监测-处置"全链条防控体系提供了关键技术支撑。特别是在面对新兴流行毒株时，该平台通过更换适配的引物探针组合，可在3天内完成检测方案更新，这相对于传统方法（需数周时间）具有显著时效优势。

在产业化路径方面，研究团队已与多家水产养殖企业达成合作，计划在2025年完成工程样机的开发。技术路线图显示，下一阶段将重点突破多重病原同步检测的算法模型开发，并引入生物传感器阵列实现检测参数的自动校准。长期规划包括建立基于该平台的数字化监管平台，通过物联网技术实现养殖场区的实时监测与预警，这对推动水产养殖业数字化转型具有重要战略意义。

这项研究不仅填补了现场快速检测的技术空白，更重要的是构建了可扩展的技术框架。通过标准化接口设计，未来可整合CRISPR-Cas12a检测模块、生物传感器阵列等创新组件，形成覆盖病原筛查、抗生素敏感性测试、疫苗效力评估的全流程诊断系统。这种模块化、智能化的发展方向，或将重新定义水产养殖病害防控的技术范式，为全球水产养殖可持续发展提供关键技术支撑。