在资源有限的环境中，快速准确的疾病诊断对于优化医疗资源及控制疫情爆发至关重要。然而，开发一种用户友好、成本效益高、高精度且特异性强的即时诊断（POCT）系统仍然是一项艰巨的挑战。

近日，哈尔滨工业大学机电工程学院任玉坤教授团队在微流控便携式核酸检测设备方向取得重要进展，提出基于水平热对流的新型核酸扩增机制，突破了单端恒温加热和设备超便携两大技术难题，为现场即时诊断提供新思路。相关研究成果以《用于临床诊断的集成式水平对流PCR系统》（Integrated Horizontal Convective PCR System for Clinical Diagnostics）为题发表于《科学进展》（Science Advances）。该研究在基层医疗和突发公共卫生事件现场快速检测领域具有重要应用前景。

水平对流PCR系统工作原理

传统分子诊断技术面临双重困境：一方面是大型中央化检测设备需要样本集中、操作人员专业化以及检测效率低，而另一方面则是便携式设备稳定性差和检测精度不高。因此，开发具有良好环境适应性且高精度的便携式检测设备具有紧迫性。

针对上述问题，团队提出基于瑞利-贝纳德对流的水平核酸扩增新机制，实现毛细管单端加热时，溶液受热上升、遇冷下沉，形成稳定对流循环，使核酸分子在密闭空间内自主穿越变性、退火、延伸三温区。

同步开发的“毛细自装载”技术利用液固界面张力，仅需4.5秒即可完成13微升（μL）样本吸入与双端密封，彻底消除气泡干扰。配合振动隔离装置，系统在车载颠簸及30°倾斜环境下仍可稳定运行。

基于该技术的终端便携式检测设备，可集成于U盘实现超便携检测目标。通过130例临床试验（包括乙肝、新冠、甲流），准确率为96%，特异性为100%，检测限低至10拷贝数每微升。

超便携终端检测设备

研究结果表明，所开发的集成水平对流PCR系统（IHCS）能够检测多种类型的临床样本，包括血液和呼吸道标本，从而在非临床环境中实现快速可靠的诊断。IHCS通过单热源驱动的水平热对流策略克服了传统限制。

该设计具有以下关键优势：（i）通过利用水平热对流，IHCS在保持扩增效率的同时最大限度地减少了环境扰动。 (ii) 毛细作用能够实现快速样品加载和高效双端密封，增强热稳定性，最小化污染，并防止高病毒载量样品干扰邻近检测。(iii) 单端加热配置简化了设备架构，使其适用于家庭传染病筛查，检测成本低至1.40美元，检测限与标准医院检测方法相当。(iv) 在一项涉及130例患者样本的临床评估中，IHCS实现了对乙型肝炎病毒、SARS-CoV-2和甲型流感病毒的准确检测，诊断灵敏度为96.84%（95例中92例）和特异性为100%。

IHCS的关键创新在于其实施水平热对流，确保更稳定的流动动力学和更高效的扩增，同时使用更小的样本体积。这种设计增强了其在多样环境条件下的鲁棒性。

像IHCS这样经济高效的诊断平台有潜力重塑分子诊断市场。商业PCR系统每台成本超过19,000美元，每项测试约8美元，通常仅限于资源充足的机构使用。相比之下，IHCS的制造成本仅为98美元，预计每项测试成本为1.40美元。值得注意的是，成本中有显著部分来自光学滤光系统（42美元），通过大规模生产使用经济型替代方案，可以大幅降低该部分成本，从而进一步提高可负担性和可扩展性。

与传统依赖密封、专有微流控芯片的POCT系统不同，IHCS采用模块化设计，可以灵活重构以应对新兴挑战。其精简架构支持使用标准化、市售包装格式快速切换试剂，从而扩展了其对粪便或组织等多样化样本类型的适用性。这种灵活性对于应对不断变化的环境和社会经济条件所驱动的诊断需求至关重要。

未来发展可能包括与数字健康平台集成，以实现实时结果共享和远程监测。这种连接性使IHCS成为更广泛云诊断生态系统中的基础工具，促进全球范围内传染病早期、准确和可扩展的检测。