用于制備臨床樣品的技術已經完善，可用于多種臨床情況下的診斷測試，例如，提取，濃縮和純化呼吸道病毒顆粒。這些技術可提供高純度和高濃度的目標樣品，但需要大量設備和訓練有素的人員來進行，而在資源有限的環境中很難實現這一點，而快速檢測和診斷對于正確處理呼吸道病毒至關重要。微流體已廣泛用于資源受限的環境中的快速病毒檢測，在這種環境中，大多數設備都專注于檢測而不是樣品制備。最初的微流體原型由于它們依賴于幾個片外預處理步驟和外部實驗室設備而受到阻礙。最近，樣品制備方法也已被并入微流控技術中，以多合一的自動化方式進行病毒檢測。在較小體積的樣品和試劑中已證明了病毒的提取，濃縮和純化，不需要專門的培訓或復雜的設備。最近的設備顯示出能夠獨立有效地運行以提供快速，自動化的樣品制備以及高效檢測病毒樣品的能力。在這篇綜述中，討論了用于分離和純化病毒樣品的微流體樣品制備方法，總結了當前系統的局限性，并確定了潛在的進展。在更少量的樣品和試劑中，病毒的濃縮和純化已得到證明，不需要專門的培訓或復雜的設備。最近的設備顯示出能夠獨立有效地運行以提供快速，自動化的樣品制備以及高效檢測病毒樣品的能力。

介紹

呼吸道病毒遍布全球，感染人類的上呼吸道和下呼吸道，導致呼吸窘迫，，尤其是在兒童和老年人中。這些病毒的流行可以保持持久或季節性變化。總體而言，這些呼吸道病毒持續具有在全球范圍內傳播的潛力，如先前的暴發[2009 H1N1，嚴重急性呼吸道綜合癥（SARS）和中東呼吸綜合癥（MERS）]以及目前的2019年冠狀病毒病（COVID- 19）大流行。對這些病毒的顯著緩解、管理和治療在很大程度上依賴于快速識別高危人群并測試感興趣的生物樣本中是否存在病毒的能力。通常，在沒有實驗室設備或訓練有素的人員的情況下，在資源有限的環境中可以對這些樣品進行快速而靈敏的檢測。必須對這些生物學和臨床樣品進行處理，以產生高純度的濃縮病毒。生物樣品的收集方法以及所需的樣品存儲和處理步驟根據要檢測的病毒和最適合檢測病毒的樣品基質而有所不同。

呼吸道病毒

有大量的呼吸道病毒。考慮到它們的致突變性和全球流行性，必須測試數百種血清型。這些病毒通常會引起呼吸窘迫和發燒癥狀，并導致發病，特別是在兒童和老年人中。在人類中最常見的病毒包括呼吸道合胞病毒（RSV），人副流感病毒（HPIV），人間質肺病毒（HMPV），人鼻病毒（HRV），冠狀病毒，腺病毒，博卡病毒，腸病毒以及甲型和乙型流感。這些病毒不是唯一存在的呼吸道病毒，但它們涵蓋了臨床相關呼吸道病毒的最大范圍。特別是2009年H1N1（新型A / H1N1流感；也稱為豬流感），SARS（嚴重急性呼吸道綜合癥；由SARS冠狀病毒或SARS-CoV引起），MERS（中東呼吸綜合癥；由MERS-冠狀病毒或MERS引起） -CoV）和最近的COVID-19（2019年冠狀病毒病；由SARS-CoV-2引起）已導致全球大流行，最初都沒有適當的治療選擇或疫苗，而快速和低成本的檢測是實現遏制這一目標的關鍵成功的。

臨床樣本

臨床樣品的生物學起源和時間大大影響了病毒的準確和早期檢測。例如，并非所有病毒最初都會導致痰液的產生（咳嗽產生的粘液），因此拭子可能是必需的，盡管它們無法像其他采樣方法一樣深，例如吸氣收集（收集樣本）通過真空泵導管系統）。此外，病毒在體內整個孵育過程中，會在不同時間在不同區域積聚。由于這些原因，適當的測試需要通過各種方法（通過抽吸，拭子或自然回收手段）回收各種樣品。從這些病毒中回收的臨床樣本來自鼻，鼻咽，喉（口咽），支氣管肺泡，痰，糞便，腦脊髓液和血液成分，例如全血和血清。可以通過灌洗（洗滌），拭子，吸出物和靜脈放血（撤針，尤其是抽血）來收集樣品。這些可以在圖1中以圖形方式看到。

圖1.（a）人體中顯示的各種樣本位置，包括鼻，鼻咽，口咽/喉嚨和支氣管肺泡。（b）灌洗：將導管放置在所需位置，通過撒藥器沖洗鹽水并收集流出物的支氣管肺泡灌洗（BAL）的示例。（c）抽吸是通過抽吸動力導管收集樣品。鼻咽抽吸是一個例子。（d）如鼻拭子示例所示，將拭子插入該位置以收集

每種病毒可能使用不止一種收集方法。此外，需要在采集地點以外的地方進行處理的臨床樣品也必須置于病毒或通用運輸介質中或冷藏保存（短期為2/8°C，長期為-70 / -80°C期限存儲）。該處理步驟很重要，因為它可以保存病毒樣品以備后用。

微流控純化和提取方法

微流控技術和芯片實驗室（LOC）設備已實現了更高通量的病毒樣品純化，這通常是自動化的，并且需要更少量的起始臨床樣品。微流控裝置使用各種原理從生物基質中提取，純化和濃縮病毒樣品。這些技術可大致分為（1）基于磁珠，（2）基于液滴，（3）基于結構（4）基于流體特性的方法。這些方法的分類基于導致病毒樣品捕獲的主要成分。

基于粒子的方法

基于粒子的方法涉及向臨床樣品中添加抗體包被的，生物素化的或其他功能化的千分尺或亞微米級顆粒，以從各種臨床樣品中捕獲目標病毒。可以將這些珠子離心以將其從溶液中除去，因為它們的大小和密度都比未結合的病毒大，或者可以通過使用膜過濾來分離，而剩下的廢物則可以流出。在微流體平臺上很難實現離心分離，因為這需要更復雜的微流體設計，在某些情況下是由外部設備執行的。

其他基于粒子的方法依賴于磁性功能化粒子從臨床樣品中過濾出病毒樣品。這些磁珠不需要離心，因為系統中的外部磁場作用于它們，將其從溶液中去除。外部磁場由放置在含有微珠的反應室上方的磁體感應。該方法可以很容易地在微流體裝置上實施。微流體室的大小，溶液的流速和反應體積取決于所施加磁場的強度。為了易于使用，這些磁體產生磁場通常是永久性的。

基于液滴的方法

為了將樣品中的目標病原體分類以進行分析，開發了微滴微流控技術。通過用表面活性劑在油相中乳化包含病原體的水相，可以實現單細胞/細菌/病毒區室化。大量單分散的油包水液滴的產生頻率為每秒?1000個液滴。作為病原體和試劑在微液滴包封（直徑約30? μ m和體積?5 PL）中，濃度增加，以提高檢測靈敏度。此外，通過使用液滴分離病原體，大多數隨機分子和污染物可以封裝在單獨的液滴中。

樣品制備方法高度依賴于檢測方法的選擇。與通常用于微流體病毒檢測的基于實驗室的純化方法相比，在單個微流體芯片中同時進行純化和檢測的同時演示肯定會增加制造復雜性并可能損害測定性能。微流控芯片中主要處理樣品的純化和提取方法PCR和等溫擴增、基于抗體的免疫測定的熒光信號。基于免疫測定的方法包括電化學，熒光和光譜/比色檢測。

盡管基于粒子的方法在過去由于試劑和規程的更多標準/跨平臺可用性而變得越來越流行，但基于液滴的方法卻因其能夠以非常小的體積執行多重實驗并提高了靈敏度而變得越來越受歡迎。基于結構的方法在芯片設計和易用性方面存在局限性，盡管該方法已顯示出巨大的實用性，并且必須進一步探索以克服這些限制。基于擴增的樣品檢測在很大程度上很流行，因為RT-PCR可用于非常早地檢測病毒顆粒。基于光譜/比色檢測的方法還受到不完善的樣品制備方法留下的廢物的嚴重影響。這些方法因其易用性，敏感性和特異性而具有巨大的潛力，但在完善樣品制備模塊方面還需要做更多的工作。值得注意的是，很少有將電化學檢測與微流體樣品制備模塊結合在芯片上的例子。這可能部分是由于歸因于樣品廢物和其他因素的準確性問題引起的，但應進一步研究。總體而言，可以看出，片上病毒檢測方法與樣品制備模塊的結合可能有幾個重要的發展領域。

微流控設備的最新進展為開發需要更小，臨床相關樣本量的高效提取系統打開了大門。適當的樣品純化，濃縮和完整的樣品制備可為資源貧乏的環境提供可用方案，以解決呼吸道病毒的出現。當前，這些設備仍以可變的高效捕獲機制和復雜的設備制造形式面臨挑戰，然而，新穎方法的發現以及將這些樣品制備方法與快速新穎的檢測方法結合起來的進一步發展將使更完整的樣品能夠應對目前缺少用于呼吸道病毒的即時護理設備的設備。

文章節選自文獻：https://doi.org/10.1063/5.0041089

Microfluidic sample preparation for respiratory virus detection: A review