核酸提取是核酸检测的重要上游步骤。为了实现核酸提取快速、高效和自动化，研究人员建立了一种基于磁珠法的超声辅助核酸提取系统。该系统通过对磁珠和试剂混合的复杂多物理场过程进行耦合建模，结合声学知识和机器学习的非接触式流动模式测量方法对磁珠及流体运动进行量化表征，指导微流控芯片反应腔结构设计与超声波激励策略的改进，显著提升了提取性能。实验表明，基于声流体动力学模型进行超声参数和结构的优化，可以有效增强声流效应，从而促进试剂与磁珠的混合性能。例如当超声入射角为10°时，混合指数可提高84%；增加的锥形和薄片微结构可分别使局部混合指数达到83.6%和92.5%；在单步混合过程中，仅需15秒的超声连续激励就能达到与手工混合10分钟相当的提取性能。此外，使用流场模式测量方法对1946幅流场图像进行标注，平均识别精度可达到96.4%。通过该方法对实际流场的测量和分析，进一步优化超声波激励策略，使得系统的性能与“金标准”人工核酸提取方法相当，对于弱阳性样本的检出率达到100%，而完成完整提取的耗时仅为人工提取的40%。

在成功获取高质量的核酸提取产物后，接下来的步骤是对这些产物进行扩增检测。研究人员通过引入热力学理论并结合先进的温度控制策略，开发了基于qPCR的快速扩增系统。该系统具备超过8℃/秒的最大变温速度，在保证扩增效率的同时，可在20分钟内即完成45个扩增循环，实现了具有临床意义的定量检测。

该研究成果已获得中华人民共和国医疗器械注册证（三类），并在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement、Analytica Chimica Acta、Sensors and Actuators B: Chemical等期刊上发表多篇论文。该系列论文通讯作者包括实验室夏宁邵，厦门大学张军、葛胜祥、张东旭以及温州大学张祥雷等。该系列研究获得国家自然科学基金、福建省科技重大专项、福建省卫生健康委员会医学科研计划项目以及中央高校基本科研业务费专项资金的资助。

论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10487788

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0003267023013971?via%3Dihub

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925400523006548