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基于微流控技术的细菌检测技术研究
2024年5月17日发(作者：毛映阳)
工业技术
DOI：10.16660/.1674-098X.2020.15.079
2020 NO.15
Science and Technology Innovation Herald
科技创新导报
基于微流控技术的细菌检测技术研究
贾亦琛 徐胜男 林淑英 王晨 张月颖 兰添 宋婷婷 陈培培 宋波
*
(齐齐哈尔医学院医学技术学院 黑龙江齐齐哈尔 161000)
①
摘 要：微生物定性定量检测不仅对于疾病诊断有重要作用，对于食品安全和环境监测均有重要作用。现有的微生物检
测技术多依赖于大型专业化实验室，检测时间长，样品试剂消耗多，操作复杂，要求操作人员专业性高，且敏感度也不高。
针对此问题，一种微型化、高通量、反应时间短以及样品和试剂消耗量少的新型检测技术——微流控技术逐渐发展起
来。微流控技术现已在多个领域有具体应用，本文阐述了基于微流控技术的细菌检测技术研究。
关键词：微生物 微流控 微生物检测
中图分类号：X830 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2020)05(c)-0079-02
1 微流控芯片简介
微流控芯片（microfluidic chip）又称微全分析系统
(Miniatrized Total AnalysisSystem ，μ-TAS)，是一种若干
平方厘米以硅、石英、玻璃或高分子聚合物等材料制作的
芯片，具有微米尺度空间并对流体进行操控的技术产品，
具有小型化、高通量、试剂消耗微量、分辨率高、自动化、
灵敏度高、操作简单等突出优点
[1]
。微流控芯片利用微米
尺度空间对流体进行操控的特征将实验室中：采样、稀
释、加样、反应、分离、检测等基本操作集成在一块芯片
上，实现常规实验室多功能技术平台。
微控流芯片的加工技术主要依托于微电子加工技术，
采用标准软刻蚀工艺加工，即在玻璃基板上旋涂光胶，继
而遮蔽含有微通道图形的掩膜，曝光及显影后得到模具。
现有的微流控芯片的基本加工技术主要包括注塑法
[2]
、
光刻和蚀刻技术等。注塑法使Soildworks软件设计微流控
芯片所需模具结构，使用3D打印机打印芯片模具，其主要
优点是模具可多次重复使用万次，芯片加工时间短、成本
低、适合芯片的批量产，但其只能使用热塑性材料，模具价
格高、制作复杂
[3]
。
存在的共有特征从而对其分类。(3)鉴别培养基，根据微生
物的代谢特点，在培养基中加入某种指示剂或化学药品。
与选择培养相比，鉴别培养基的鉴别所得结果的范围比较
小，一般可直接测定某微生物的种类。除此之外还包括血
清学鉴定和分子生物学鉴定，但微生物的检测金标准仍
然是培养法
[4]
，但该方法耗时长、操作繁琐、灵敏度低，通
常要耗时18~24h。
噬菌体裂解试验鉴定菌型，免疫荧光，放射核素和酶
联免疫（ELISA）三大标记技术及聚合酶链反应（PCR）等
各种微生物学检验新技术也应用于临床。但这些技术操
作繁琐、试剂样品耗量大，样品配置、浓缩等步骤耗时长，
检测前，需要复杂的样品处理程序，且无法判断微生物是
否存活，容易出现假阳性
[5]
。
3 微流控芯片检测技术在微生物检测中的应用
新型微流控技术现已在核酸分离和定量分析、DNA测
序及各类病原体的检测等方面广泛应用，在蛋白、氨基酸、
PCR产物等领域也有了成熟的检测技术，其基于免疫分析
原理，主要以抗原、抗体和荧光靶标为新型标记物
[6]
。
现有的新型微流控技术主要包括如下几种：(1)电化
学芯片具有灵敏、快速等检测优点，细菌悬液通过检测孔
时，表面性质产生不同脉冲信号，并将其转化为细菌数量
和种类等相关信息。但电阻抗芯片对设备要求及设计成
本，在以后的研究中应努力降低材料成本
[7]
。(2)基因芯片
功能的实现主要基于杂交测序方法，将某种已知核酸探
针固定于基质，待测菌的核酸序由于与探针形成特异性
反应，从而可以被捕获，依据最大荧光强度的探针分布，
从而确定被检测核酸的探针序。(3)环介导等温扩增技术
（loop-mediated amplification,LAMP）在细菌、耐药基因、
病毒、寄生虫和真菌的鉴定方面近些年受到学者们的广泛
2 传统的微生物检测技术
传统微生物检测有三种方法：(1)直接显微镜观察，正
常情况，在一定的培养条件下（相同的培养基、温度以及培
养时间），同种微生物表现出稳定的菌落特征。可以通过
显微镜观察菌落特征对微生物种类进行判断。(2)选择培
养基培养微生物或人为提供有利于目的菌株生长的条件，
选择培养基，其作用是允许特定种类的微生物生长，同时
抑制或阻止其他微生物生长。选择培养一般是通过观察
微生物的同化作用类型或某一特征进行间接判断，得到的
微生物往往并不只有一种，但是能够大致确定这些微生物
①基金项目：2019年大学生创新创业训练计划，国家级，省级重点《基于微流控技术的细菌快速检测技术研究》（课题
编号：2）。
通讯作者：宋波（1982—），女，汉族，黑龙江齐齐哈尔人，硕士，讲师，研究方向：病原，E-mail：67633166@。
科技创新导报
Science and Technology Innovation Herald
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科技创新导报
2020 NO.15
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工业技术
of Escherichia coli O157: H7 using gold nanoparticle
aggregation and smart phone imaging[J]. Biosensors &
bioelectronics, 2019, 124-125: 143-149.
[5] Xingkai Hao Poying Yeh Yubo, Qin, et al. Aptamer
surface functionalizetion of microfluidic devices
using dendrimers as multi-handled templates and its
application in sensitive detection of foodbome pathogenic
bacteria[J]. Analytica chimica acta, 2019,1056:96-107.
[6] 周淑芳,苟彤,方伟波,等,基于微流控芯片的数字PCR荧
光图像分析方法[J].生命科学仪器,2018,16(1):296-297.
[7] 郝良玉,曲晗,李志萍,等.微流控技术在病原微生物检测
中的应用[J].检验医学与临床,2018,15(21):3299-3302.
[8] 邵奕霖,徐小平,高菊逸.多种基于微流控芯片的检测方
法用于细菌检测[J].临床检验杂志,2017,35(4):296-297.
[9] 李昕,夏舒,张海燕,等.纸芯片流速控制方法及在多步骤
实验中的应用[J].现代仪器与医疗,2018,24(3):14-16,19.
[10] 冯奇亮.基于介电泳非接触电导检测研究[D].太原理工
大学,2016.
[11] 朱春霖.微流控技术在临床医学检测中的研究进展[J].
中国继续医学教育,2017,9(16):62-63.
[12] Yuting Shang Jiadi Sun, YongLi, et al. Loop-mediated
isothermal amplification-based microfluidic chip for
pathogen detection[J]. Critical reviews in food science
and nutrition, 2018: 1-24.
关注，其中在细菌检测应用最为广泛。(4)纸质微流控芯片
是经过多种加工修饰，使得纸上形成疏水网络
[8]
，价格低
廉且易于携带，但由于其机械韧性较差，方法复杂，制作时
间长，因此不利于大规模生产。(5)非接触电导检测分析法
是一种能检测色谱柱流出的组分和其量的变化的仪器，其
中的电导检测器是离子色谱中最为常见的检测器
[9]
。(6)介
电泳分离技术是基于低压电频信号对中性粒子进行特异
性的操控的原理，其反应速度快，可针对多种粒子，因而有
更广泛的应用。在微流控系统中介电泳技术是实现粒子分
离和富集的关键技术之一。(7)化学发光免疫分析法：化学
发光免疫分析法是化学发光和免疫分析相结合而形成的
一种新型的检测方法，以化学发光试剂标记抗原或抗体，
与待测物经过一系列的免疫反应和理化反应后，根据发
光强度判断待测物的含量
[10]
。在微流控芯片上进行化学
发光检测具有显著的优点，非常适合在微通道中进行。
4 微流控芯片的发展趋势及展望
随着各种信息技术的快速发展微流控芯片技术得到
了进一步的提升，主要表现在:(1)提高微流控芯片的精准
分析能力，并融合多种新技术;(2)将互联网系统与微流控
芯片技术相结合。目前,芯片实验技术仍旧处于早期的研
究阶段，但芯片技术凭借着其显著的优势以及巨大的商业
价值，目前为止也仍然在迅速发展，特别是集PCR技术、
毛细管电泳、荧光标记于一身的微流控芯片，其在基因测
序、基因表达、疾病诊断等各个领域的应用前景已经获得
人们的极大关注
[11]
。
过去十年中提出了很多快速检测细菌的方法，如基于
核酸(PCR，NASBA和RPA)，基于免疫学(ELISA，LFD和
LAT)，以及基于生物传感器(光学，电化学和基于质量的生
物传感器)方法，但这些方法都存在许多不足
[12]
，无法满足
临床对于病原微生物快速诊断及治疗的需求。从目前发展
现状来看，微流控芯片已经突破了传统及原有技术所带来
的难题，并且在众多领域中有了更深层次的研究，并不断
扩大应用范围于更多领域。相信在未来的几年内，以微流
控技术为核心的技术将会取代更多的检测系统，给人们带
来更便捷、安全、高效、灵敏的检测产品。
参考文献
[1] 任春燕,马圆圆,王景冉,等.微流控芯片设计和应用[J].实
验技术与管理,2018,35(10):84-87.
[2] 王可可,杨柯,赵俊,等,基于微流控芯片的荧光定量
PCR法快速检测乙肝病毒核酸[J].分析科学学报，
2018,34(4):450-454.
[3] 袁哲,李宗安,茱莉娅,等.PDMS微流控芯片中的微通道
加工技术[J].微纳电子技术,2019,56(3):239-247.
[4] Lingyan, Zheng, Gaozhe, Cai, Siyuan, Wang,ming, Liao.
Amicrofluide colorimetric biosensor for rapid detectiong
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基于微流控技术的细菌检测技术研究
贾亦琛 徐胜男 林淑英 王晨 张月颖 兰添 宋婷婷 陈培培 宋波
*
(齐齐哈尔医学院医学技术学院 黑龙江齐齐哈尔 161000)
①
摘 要：微生物定性定量检测不仅对于疾病诊断有重要作用，对于食品安全和环境监测均有重要作用。现有的微生物检
测技术多依赖于大型专业化实验室，检测时间长，样品试剂消耗多，操作复杂，要求操作人员专业性高，且敏感度也不高。
针对此问题，一种微型化、高通量、反应时间短以及样品和试剂消耗量少的新型检测技术——微流控技术逐渐发展起
来。微流控技术现已在多个领域有具体应用，本文阐述了基于微流控技术的细菌检测技术研究。
关键词：微生物 微流控 微生物检测
中图分类号：X830 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2020)05(c)-0079-02
1 微流控芯片简介
微流控芯片（microfluidic chip）又称微全分析系统
(Miniatrized Total AnalysisSystem ，μ-TAS)，是一种若干
平方厘米以硅、石英、玻璃或高分子聚合物等材料制作的
芯片，具有微米尺度空间并对流体进行操控的技术产品，
具有小型化、高通量、试剂消耗微量、分辨率高、自动化、
灵敏度高、操作简单等突出优点
[1]
。微流控芯片利用微米
尺度空间对流体进行操控的特征将实验室中：采样、稀
释、加样、反应、分离、检测等基本操作集成在一块芯片
上，实现常规实验室多功能技术平台。
微控流芯片的加工技术主要依托于微电子加工技术，
采用标准软刻蚀工艺加工，即在玻璃基板上旋涂光胶，继
而遮蔽含有微通道图形的掩膜，曝光及显影后得到模具。
现有的微流控芯片的基本加工技术主要包括注塑法
[2]
、
光刻和蚀刻技术等。注塑法使Soildworks软件设计微流控
芯片所需模具结构，使用3D打印机打印芯片模具，其主要
优点是模具可多次重复使用万次，芯片加工时间短、成本
低、适合芯片的批量产，但其只能使用热塑性材料，模具价
格高、制作复杂
[3]
。
存在的共有特征从而对其分类。(3)鉴别培养基，根据微生
物的代谢特点，在培养基中加入某种指示剂或化学药品。
与选择培养相比，鉴别培养基的鉴别所得结果的范围比较
小，一般可直接测定某微生物的种类。除此之外还包括血
清学鉴定和分子生物学鉴定，但微生物的检测金标准仍
然是培养法
[4]
，但该方法耗时长、操作繁琐、灵敏度低，通
常要耗时18~24h。
噬菌体裂解试验鉴定菌型，免疫荧光，放射核素和酶
联免疫（ELISA）三大标记技术及聚合酶链反应（PCR）等
各种微生物学检验新技术也应用于临床。但这些技术操
作繁琐、试剂样品耗量大，样品配置、浓缩等步骤耗时长，
检测前，需要复杂的样品处理程序，且无法判断微生物是
否存活，容易出现假阳性
[5]
。
3 微流控芯片检测技术在微生物检测中的应用
新型微流控技术现已在核酸分离和定量分析、DNA测
序及各类病原体的检测等方面广泛应用，在蛋白、氨基酸、
PCR产物等领域也有了成熟的检测技术，其基于免疫分析
原理，主要以抗原、抗体和荧光靶标为新型标记物
[6]
。
现有的新型微流控技术主要包括如下几种：(1)电化
学芯片具有灵敏、快速等检测优点，细菌悬液通过检测孔
时，表面性质产生不同脉冲信号，并将其转化为细菌数量
和种类等相关信息。但电阻抗芯片对设备要求及设计成
本，在以后的研究中应努力降低材料成本
[7]
。(2)基因芯片
功能的实现主要基于杂交测序方法，将某种已知核酸探
针固定于基质，待测菌的核酸序由于与探针形成特异性
反应，从而可以被捕获，依据最大荧光强度的探针分布，
从而确定被检测核酸的探针序。(3)环介导等温扩增技术
（loop-mediated amplification,LAMP）在细菌、耐药基因、
病毒、寄生虫和真菌的鉴定方面近些年受到学者们的广泛
2 传统的微生物检测技术
传统微生物检测有三种方法：(1)直接显微镜观察，正
常情况，在一定的培养条件下（相同的培养基、温度以及培
养时间），同种微生物表现出稳定的菌落特征。可以通过
显微镜观察菌落特征对微生物种类进行判断。(2)选择培
养基培养微生物或人为提供有利于目的菌株生长的条件，
选择培养基，其作用是允许特定种类的微生物生长，同时
抑制或阻止其他微生物生长。选择培养一般是通过观察
微生物的同化作用类型或某一特征进行间接判断，得到的
微生物往往并不只有一种，但是能够大致确定这些微生物
①基金项目：2019年大学生创新创业训练计划，国家级，省级重点《基于微流控技术的细菌快速检测技术研究》（课题
编号：2）。
通讯作者：宋波（1982—），女，汉族，黑龙江齐齐哈尔人，硕士，讲师，研究方向：病原，E-mail：67633166@。
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工业技术
of Escherichia coli O157: H7 using gold nanoparticle
aggregation and smart phone imaging[J]. Biosensors &
bioelectronics, 2019, 124-125: 143-149.
[5] Xingkai Hao Poying Yeh Yubo, Qin, et al. Aptamer
surface functionalizetion of microfluidic devices
using dendrimers as multi-handled templates and its
application in sensitive detection of foodbome pathogenic
bacteria[J]. Analytica chimica acta, 2019,1056:96-107.
[6] 周淑芳,苟彤,方伟波,等,基于微流控芯片的数字PCR荧
光图像分析方法[J].生命科学仪器,2018,16(1):296-297.
[7] 郝良玉,曲晗,李志萍,等.微流控技术在病原微生物检测
中的应用[J].检验医学与临床,2018,15(21):3299-3302.
[8] 邵奕霖,徐小平,高菊逸.多种基于微流控芯片的检测方
法用于细菌检测[J].临床检验杂志,2017,35(4):296-297.
[9] 李昕,夏舒,张海燕,等.纸芯片流速控制方法及在多步骤
实验中的应用[J].现代仪器与医疗,2018,24(3):14-16,19.
[10] 冯奇亮.基于介电泳非接触电导检测研究[D].太原理工
大学,2016.
[11] 朱春霖.微流控技术在临床医学检测中的研究进展[J].
中国继续医学教育,2017,9(16):62-63.
[12] Yuting Shang Jiadi Sun, YongLi, et al. Loop-mediated
isothermal amplification-based microfluidic chip for
pathogen detection[J]. Critical reviews in food science
and nutrition, 2018: 1-24.
关注，其中在细菌检测应用最为广泛。(4)纸质微流控芯片
是经过多种加工修饰，使得纸上形成疏水网络
[8]
，价格低
廉且易于携带，但由于其机械韧性较差，方法复杂，制作时
间长，因此不利于大规模生产。(5)非接触电导检测分析法
是一种能检测色谱柱流出的组分和其量的变化的仪器，其
中的电导检测器是离子色谱中最为常见的检测器
[9]
。(6)介
电泳分离技术是基于低压电频信号对中性粒子进行特异
性的操控的原理，其反应速度快，可针对多种粒子，因而有
更广泛的应用。在微流控系统中介电泳技术是实现粒子分
离和富集的关键技术之一。(7)化学发光免疫分析法：化学
发光免疫分析法是化学发光和免疫分析相结合而形成的
一种新型的检测方法，以化学发光试剂标记抗原或抗体，
与待测物经过一系列的免疫反应和理化反应后，根据发
光强度判断待测物的含量
[10]
。在微流控芯片上进行化学
发光检测具有显著的优点，非常适合在微通道中进行。
4 微流控芯片的发展趋势及展望
随着各种信息技术的快速发展微流控芯片技术得到
了进一步的提升，主要表现在:(1)提高微流控芯片的精准
分析能力，并融合多种新技术;(2)将互联网系统与微流控
芯片技术相结合。目前,芯片实验技术仍旧处于早期的研
究阶段，但芯片技术凭借着其显著的优势以及巨大的商业
价值，目前为止也仍然在迅速发展，特别是集PCR技术、
毛细管电泳、荧光标记于一身的微流控芯片，其在基因测
序、基因表达、疾病诊断等各个领域的应用前景已经获得
人们的极大关注
[11]
。
过去十年中提出了很多快速检测细菌的方法，如基于
核酸(PCR，NASBA和RPA)，基于免疫学(ELISA，LFD和
LAT)，以及基于生物传感器(光学，电化学和基于质量的生
物传感器)方法，但这些方法都存在许多不足
[12]
，无法满足
临床对于病原微生物快速诊断及治疗的需求。从目前发展
现状来看，微流控芯片已经突破了传统及原有技术所带来
的难题，并且在众多领域中有了更深层次的研究，并不断
扩大应用范围于更多领域。相信在未来的几年内，以微流
控技术为核心的技术将会取代更多的检测系统，给人们带
来更便捷、安全、高效、灵敏的检测产品。
参考文献
[1] 任春燕,马圆圆,王景冉,等.微流控芯片设计和应用[J].实
验技术与管理,2018,35(10):84-87.
[2] 王可可,杨柯,赵俊,等,基于微流控芯片的荧光定量
PCR法快速检测乙肝病毒核酸[J].分析科学学报，
2018,34(4):450-454.
[3] 袁哲,李宗安,茱莉娅,等.PDMS微流控芯片中的微通道
加工技术[J].微纳电子技术,2019,56(3):239-247.
[4] Lingyan, Zheng, Gaozhe, Cai, Siyuan, Wang,ming, Liao.
Amicrofluide colorimetric biosensor for rapid detectiong
80
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