新冠疫情嚴(yán)重危害國民健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，精準(zhǔn)高效的檢測技術(shù)可為疾病防控提供重要依據(jù)。紙基微流控芯片（也稱紙上微型實(shí)驗(yàn)室）采用纖維濾紙作為基體材料，通過構(gòu)筑親/疏水通道并借助材料內(nèi)部毛細(xì)作用引導(dǎo)流體輸運(yùn)，實(shí)現(xiàn)微尺度下流體自驅(qū)動(dòng)與自流控。紙基芯片具有環(huán)保、低成本、運(yùn)輸和存儲(chǔ)方便等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在臨床診斷、環(huán)境監(jiān)測和食品安全等領(lǐng)域，伴隨人工智能發(fā)展，醫(yī)學(xué)信息學(xué)、智慧醫(yī)療取得了快速進(jìn)步?；跀?shù)據(jù)挖掘，智能化疾病風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測、藥物應(yīng)用指導(dǎo)、治療效果評(píng)估和轉(zhuǎn)歸預(yù)后推斷等研究正日臻完善。結(jié)合紙基微流控芯片與深度學(xué)習(xí)，同步改進(jìn)現(xiàn)有儀器技術(shù)的硬件載體和軟件架構(gòu)，將有助于完善現(xiàn)有核酸檢測方法并緩解疫情常態(tài)化核酸檢測壓力。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，基于此，福州大學(xué)孫浩、福建省立醫(yī)院黃毅和深圳技術(shù)大學(xué)賈原團(tuán)隊(duì)在國家自然科學(xué)基金委員會(huì)主管、主辦的Fundamental Research期刊上發(fā)表論文。設(shè)計(jì)了7層結(jié)構(gòu)的復(fù)合式紙基微流控芯片，采用激光加工和機(jī)械過塑等工藝批量制造原理樣機(jī)。紙基檢測單元具有二維簡平化特點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)聚丙烯管反應(yīng)體系，芯片結(jié)構(gòu)抑制了光學(xué)系統(tǒng)中雜光干擾與信號(hào)衰減。同時(shí)，芯片上傳熱過程更加快速和均勻，提升了檢測效率。以商業(yè)化合成的SARS-CoV-2 ORF1ab基因片段為模板，完成實(shí)時(shí)熒光定量反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（RT-qPCR）。芯片上熒光信號(hào)由儀器光電實(shí)時(shí)系統(tǒng)采集，并傳輸給遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）、長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（LSTM）和門控循環(huán)單元（GRU）模型，實(shí)現(xiàn)核酸檢測時(shí)間序列數(shù)據(jù)的早期快速預(yù)測。

芯片與常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)化儀器系統(tǒng)兼容，具有基礎(chǔ)研究實(shí)用性和工程可擴(kuò)展性。單片成本約1.6元，布列多個(gè)檢測單元完成并行檢測，每個(gè)檢測單元試劑消耗為1.1微升（約為常規(guī)同比檢測的3%）。研究結(jié)果表明，紙基檢測單元采集信號(hào)具有更高信噪比；深度學(xué)習(xí)模型準(zhǔn)確預(yù)測了擴(kuò)增曲線趨勢，最早可在第13擴(kuò)增周期時(shí)刻定性辨識(shí)被檢樣本屬性；可在20周期時(shí)刻精準(zhǔn)預(yù)測終點(diǎn)（40周期）信號(hào)值，借助閾值判據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)曲線，實(shí)現(xiàn)了被檢樣本定量分析。這種大比例縮減檢測時(shí)間和降低檢測成本的方法，不僅對(duì)于大規(guī)模篩查和常態(tài)化檢測具有重要價(jià)值，而且可遷移至更廣泛的診斷領(lǐng)域。

此外，該項(xiàng)研究是紙基微流控和人工智能在新冠病毒檢測時(shí)序數(shù)據(jù)分析的首次集成創(chuàng)新，已授權(quán)中、美、澳等國多項(xiàng)發(fā)明專利。研究有助于為醫(yī)學(xué)信息學(xué)和儀器科學(xué)等領(lǐng)域提供參考，共同為緩解我國當(dāng)前疫情防控提供新技術(shù)和新途徑。在應(yīng)對(duì)未來潛在大規(guī)模流行病、輔助提升疾病防控水平、完善貧困邊遠(yuǎn)地區(qū)醫(yī)療保障等方面具有積極意義。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.fmre.2021.12.005

審核編輯 ：李倩