基于智能手機控制設計的自動化便攜式系統

本文開發了一種基于智能手機控制的自動化便攜式系統，采用 LAMP 等溫擴增技術可實現對特定病原體靶標的檢測。采用磁珠法來純化病毒或細菌樣品。在低溫下實現病原體裂解。

擴增過程中采用比色法對其擴增結果進行比色分析。整個檢測過程可在 40 min 內完成。

檢測病原體的系統操作流程如圖 1 所示。

圖1

所有試劑均在片外制備并在檢測前裝入芯片對應的腔室中。

液體通過毛細力自發填充微通道，并被疏水軟閥阻止，這可以通過設備上配備的沖壓機構按需觸發。

芯片整體結構如圖 2 所示。

圖 2

顏色強度（病毒或細菌載量）由顏色傳感器測量，整個分析過程可在 40 min 內自動執行。

如圖 3 所示，自驅動微流控芯片由 PDMS 微流控結構層、親水膜、疏水 PDMS 層和玻璃基板組成。

圖 3

如圖 4 所示，該芯片具有兩個模塊：樣品預處理模塊和 LAMP 反應模塊。

前者由 4 個深度為 2 mm 的儲液腔組成，用于儲存樣品、磁珠、洗滌緩沖液和裂解緩沖液，其儲液腔直徑分別為 4、4、6 和 5 mm。液體通道的寬度和高度分別為 600 μm 和 500 μm。出口腔內放置了一個毛細管泵和四張濾紙用于液體輸送，收集廢液。

LAMP 反應模塊由單獨用于陰性對照、陽性對照和測試樣品的區域（直徑 6 mm，高0.5 mm）。

圖 4

樣品檢測區 通過蛇形通道與樣品預處理區 相連；該通道可以減少 LAMP 擴增期間的液體回流，因為它相對窄 (400 μm)、較長且具有多個直角轉彎。

在每個儲液腔的下游端插入疏水軟閥用來阻止液體流動。每一個閥都可以通過一個沖壓機構單獨激發。雙入口和單入口疏水軟閥的最大寬度分別為 3400 和 1900 μm，閥門的高度均為 550 μm。

圖 5

在進行分析之前，將所有試劑加載到芯片上相應容器中，包括 20 μL 病原體樣品、20 μL 磁珠、25 μL 、20 μL 裂解緩沖液和 25 μL LAMP 反應混合物。

首先通過機械結構按壓疏水軟閥使其關閉，讓樣品和磁珠充分接觸。然后將其轉移到反應腔中在室溫下孵育 5 min。同時在按壓疏水軟閥的同時施加垂直方向的振動攪拌，從而實現高效混合。 系統結構如圖 6 所示。

圖 6

本文通過一個機械模塊來控制一個沖床(punch)在 Z 軸方向以 6.9 Hz 的頻率反復上下撞擊混合區域來實現高效混合（圖 7d）。該方法可使得混合效率在 1 s 內從 28.9 % 增加到 98.6 %（圖 7e）。

圖 7

審核編輯：劉清