基于智能手机控制设计的自动化便携式系统

本文开发了一种基于智能手机控制的自动化便携式系统，采用 LAMP 等温扩增技术可实现对特定病原体靶标的检测。采用磁珠法来纯化病毒或细菌样品。在低温下实现病原体裂解。

扩增过程中采用比色法对其扩增结果进行比色分析。整个检测过程可在 40 min 内完成。

检测病原体的系统操作流程如图 1 所示。

图 1

所有试剂均在片外制备并在检测前装入芯片对应的腔室中。

液体通过毛细力自发填充微通道，并被疏水软阀阻止，这可以通过设备上配备的冲压机构按需触发。

芯片整体结构如图 2 所示。

图 2

颜色强度（病毒或细菌载量）由颜色传感器测量，整个分析过程可在 40 min 内自动执行。

如图 3 所示，自驱动微流控芯片由 PDMS 微流控结构层、亲水膜、疏水 PDMS 层和玻璃基板组成。

图 3

如图 4 所示，该芯片具有两个模块：样品预处理模块和 LAMP 反应模块。

前者由 4 个深度为 2 mm 的储液腔组成，用于储存样品、磁珠、洗涤缓冲液和裂解缓冲液，其储液腔直径分别为 4、4、6 和 5 mm。液体通道的宽度和高度分别为 600 μm 和 500 μm。出口腔内放置了一个毛细管泵和四张滤纸用于液体输送，收集废液。

LAMP 反应模块由单独用于阴性对照、阳性对照和测试样品的区域（直径 6 mm，高 0.5 mm）。

图 4

样品检测区 通过蛇形通道与 样品预处理区 相连； 该通道可以减少 LAMP 扩增期间的液体回流，因为它相对窄 (400 μm)、较长且具有多个直角转弯。

在每个储液腔的下游端插入疏水软阀用来阻止液体流动。每一个阀都可以通过一个冲压机构单独激发。双入口和单入口疏水软阀的最大宽度分别为 3400 和 1900 μm，阀门的高度均为 550 μm。

图 5

在进行分析之前，将所有试剂加载到芯片上相应容器中，包括 20 μL 病原体样品、20 μL 磁珠、25 μL   、20 μL 裂解缓冲液和 25 μL LAMP 反应混合物。

首先通过机械结构按压疏水软阀使其关闭，让样品和磁珠充分接触。然后将其转移到反应腔中在室温下孵育 5 min。同时在按压疏水软阀的同时施加垂直方向的振动搅拌，从而实现高效混合。 系统结构如图 6 所示。
 

图 6

本文通过一个机械模块来控制一个冲床(punch)在 Z 轴方向以 6.9 Hz 的频率反复上下撞击混合区域来实现高效混合（图 7d）。该方法可使得混合效率在 1 s 内从 28.9 % 增加到 98.6 %（图 7e）。

图 7

审核编辑：刘清