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中科院研发出便携式病原体核酸即时检测系统

发布时间:2021/9/23 11:42:25编辑:Ma Liang
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       足不出户,用手机就能在家做病原体核酸检测?
       近日,中科院科学家研发出一款便携式病原体核酸即时检测系统MS²。有了该系统,再加上一部智能手机和相关 App,即可分别在 65 分钟和 30 分钟内,完成聚合酶链式反应检测、以及重组酶聚合酶扩增检测。

 
       日前,相关论文成为最新一期 Analyst 杂志的封面论文,题目为《MS² 设备:智能手机辅助的微流体设备上的移动核酸分析》(MS²device: smartphone-facilitated mobile nucleic acid analysis on microfluidicdevice)。研究人员表示,具备相同检测功能的商业仪器一般在 10000-20000 美元,而 MS² 设备的硬件成本在 1000 美元左右,价格只有前者的 10%-20%。
 

       可至少供电 5 小时,捕获图像能直接存在手机中
       近年来,基于微流控芯片和智能手机的移动传感技术(MS²,Mobilesensing),已被证明可应用于分子诊断分析。然而,目前报道的基于 MS² 的核酸分析系统功能相对较少,因此在应用上面临着一定限制。为提供一个更加通用的平台,中科院合肥物质科学研究院安光所生物医学光学研究团队开发出上述基于 MS² 的核酸分析设备,在构造上它包含一个热循环器、一个多荧光检测单元、一个聚合酶链式反应芯片、一个等温芯片和一个智能手机。
       如下图,MS² 设备的体积约为 325mm × 200mm × 200mm,重量为 5kg。设备上面放有一款华为手机上,手机含有一个8m像素的相机模块,可收集最大分辨率为 2560 × 1920 像素的图片。
 
       聚合酶链式反应芯片中包含 6 个腔室,每个腔室都能进行独立的聚合酶链式反应。而等温的重组酶聚合酶扩增(RPA)芯片包含 12 个小腔室,使用薄膜对其密封后,就能确保反应密封进行。当把扩增试剂载入微流控芯片,并放置在 MS² 设备上时,智能手机即可控制整个下游扩增和分析,包括温度设置、光通道模式选择、图像采集和数据处理。
       此外,该设备的平均功耗约为 38.4W,即便在充分考虑功率损失的情况下,也可供电至少 5 小时。MS² 设备上集成了四个光通道,分别是 FAM、HEX、TAMRA 和 ROX。此外,该设备还与多重聚合酶链式反应和等温扩增兼容,使用时用户可通过相关 App 去控制核酸扩增和分析。
 
       具体来说,App 控制着整个使用过程,将 App 的温度接口连接到微控制器上的蓝牙,并设置聚合酶链式反应模式或等温模式,此外还能显示实时温度数据。在一个名为 CAPTURE 界面中,用户可以设置荧光图像采集模式,包括重组酶聚合酶扩增的手动图像采集模式、定量聚合酶链式反应的自动图像采集模式、以及多路聚合酶链式反应的自动图像采集模式。
       另据悉,用户还可定制手机相机的焦距、增益和曝光时间等参数,捕获的图像能以 JPEG 格式存储手机里。
       研究人员表示,据他们所知,MS² 设备是首次报道的兼容聚合酶链式反应、多重聚合酶链式反应、以及等温重组酶聚合酶扩增扩增的平台。他们还在聚合酶链式反应芯片上验证了 MS² 器件的有效性,并利用相关模型验证了多重聚合酶链式反应的功能,结果显示其灵敏度达每 μL1 个拷贝,扩增效率达 106.8%。
 
       实验中,研究人员使用金黄色葡萄球菌,来进一步验证在 MS² 设备上基于重组酶聚合酶扩增的等温检测。
       检测时,要事先制备出含有金黄色葡萄球菌的反应混合物,然后将金黄色葡萄球菌的引物和探针预装到等温芯片中;接着使用智能手机捕获等温芯片的初始荧光图像;随后将重组酶聚合酶扩增反应条件设置为 40°C,扩增时间为 30 分钟;最后,把智能手机上的光学检测通道设置为 FAM,并记录 8 个反应室的相对荧光强度值。
       如果在实验结束时,嵌入特异性引物和探针的一个反应室的荧光显著增强,说明扩增结果为阳性。为了进一步扩大应用范围,他们在等温芯片上进行了等温实验,最终发现 MS² 设备具备分子诊断应用的潜力。
       谈及芯片在研究中起到的作用,清华大学脑与认知科学研究所助理教授吴嘉敏告诉 DeepTech,对于便捷端的手机处理来说,它存在的一个难点是如何让环境变得可控,即如何让它和实验室环境保持一致。
 
       对于相关测试设备来说,如果它处于实验室环境,那么会相对稳定和可控。但是对于便携式设备来说,每个用户的使用环境都不相同,因此需要使用微流控芯片,来让环境变得相对稳定,从而得出更可靠的结论。此外,设备成本也可得到显著下降。
       是否适配不同手机,是待优化的关键点之一
       吴嘉敏表示,Lab on a Chip(集成在一个芯片上的实验室),自 20 世纪初就开始被更多人接受,甚至有一个专门的期刊就叫 Lab on a Chip,该期刊专门报道机械芯片、小型化控制芯片等成果。
       最近几年,随着智能手机的发展以及相关产业的推动,单个手机上 CPU 运行的性能,跟五年前的电脑 CPU 的性能不相上下。
       而随着摩尔定律的发展,CPU 的处理能力会有显著提升。另外,手机镜头也开始具备传感能力,因此可感知到三维定位,这时的手机镜头本身就是很好的感知器件。当前一些手机的成像芯片,甚至可以做到一亿级像素,此外镜头模组的设计也正在持续优化。
       他举例称,像华为手机的潜望式模组,已经能把手机镜头的成像性能,提升很多。因此手机等硬件平台,越来越能支持病原体核酸检测设备的发展,并已成为一种大势所趋,甚至很多医疗分析也开始变为云上医疗。而现在的难点在于,初始判别数据的采集比如聚合酶链式反应的检测,还是要用户亲自到医院做检测。而一旦有了这款可移动便携设备,那就无需再去医院,因此会给老百姓的生活带来很大方便。

 
 
       吴嘉敏告诉 DeepTech,以这种方式进行病原体核酸检测,对于硬件的鲁棒性和自动化程度要求非常高。因为用户使用该设备时,使用环境各不相同,所以该团队做了很多温度控制和微流控。
       其中,微流控能让成像区域可被有效限制在特定位置,相当于把成像过程变得可控化。而平时在医院做切片时,需要人工加入相关试剂。而现在使用微流控芯片,即可一体化地控制试剂用量,从而带来更高的自动化程度。但目前,该设备只是在特定型号的手机做测试,而使用在不同型号的手机上,可能结果精度不一样,每款手机的线性度(音)不太可控,举例来说,用华为手机和苹果手机拍摄同一个物体,出来的照片并非完全一样。
       因为在很多手机的图像处理软件中,手机厂商会使用 AI 技术来对图片做渲染,尽管这样视觉效果更好,但反而会影响测量数据的真实性,也即会干扰输出结果的稳定性,这也是未来该团队待优化的方面之一。而研究人员则认为,MS² 设备显示出与传统商用设备一致的性能。因此,它可给分子诊断相关研究和潜在医学诊断应用,提供一个简单和集成的实验平台。
       其还表示,在医疗诊断、健康管理和生物安全等应用中,MS² 设备具有很大的发展前景。在接下来的研究中,他们将进一步加入核酸提取模块,让设备得到优化和完善,从而让分析能力更加有保障。
 

微信号:ayiwangapp17

(来源: 中国仪器仪表协会分析仪器分会 )

标签:核酸检测设备

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