Miniaturized electrophoresis: An integrated microfluidic cartridge with functionalized hydrogel-assisted LAMP for sample-to-answer analysis of nucleic acid

微流控 核酸 环介导等温扩增 检出限 核酸定量 样品制备 分子诊断学 纳米技术 材料科学 计算机科学 色谱法 DNA 化学 生物信息学 生物 生物化学
作者
Natish Kumar,Monika Kumari,Devtulya Chander,Sandeep Dogra,Asha Chaubey,Ravi Kumar Arun
出处
期刊:Biomicrofluidics [American Institute of Physics]
卷期号:18 (6)
标识
DOI:10.1063/5.0211812
摘要

Accurate detection of pathogenic nucleic acids is crucial for early diagnosis, effective treatment, and containment of infectious diseases. It facilitates the timely identification of pathogens, aids in monitoring disease outbreaks, and helps prevent the spread of infections within healthcare settings and communities. We developed a multi-layered, paper-based microfluidic and miniaturized electrophoresis system for rapid nucleic acid extraction, separation, amplification, and detection, designed for resource-limited settings. Constructed from acrylic, transparency film, pressure-sensitive adhesion, and Whatman paper using a CO2 laser, the setup simplifies traditional methods and eliminates the need for complex equipment. DNA extraction and purification are achieved using Zweifach–Fung bifurcation and Fahraeus effect principles, with detection via a hydrogel-assisted colorimetric isothermal reverse transcriptase-loop-mediated isothermal amplification technique. The system accurately identified the SARS-CoV-2 N-gene and β-actin human gene, validated by a compact electrophoresis setup. In clinical validation with 12 patient specimens, the system demonstrated a positive predictive agreement of 83.0% and a negative predictive agreement of 100%. The system achieves a limit of detection of 1 copy/μl and can potentially transform nucleic acid detection assays in healthcare settings. This study addresses key challenges in nucleic acid detection, such as ensuring sample quality and quantity, reducing reliance on sophisticated equipment, preventing contamination, simplifying procedures, and providing rapid and accurate diagnostics for emerging pathogens.
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