- 智能化的便攜式流感診斷系統
- 使用NI公司的CompactDAQ硬件系統
- LabVIEW軟件來(lái)創(chuàng )建小型熱循環(huán)儀
"利用NI公司的Compact DAQ硬件系統，以及用于控制和數據分析的LabVIEW圖形化系統設計軟件，我們創(chuàng )建了一個(gè)小型且便攜式的系統。"
Hsieh Tseng Ming James, Institute of Bioengineering and Nanotechnology, A-Star
The Challenge:
開(kāi)發(fā)一個(gè)比傳統系統更加易于使用的，易于攜帶的，并且成本更低廉的小型熱循環(huán)儀。
The Solution:
使用NI公司的CompactDAQ硬件系統和LabVIEW軟件來(lái)創(chuàng )建小型熱循環(huán)儀，并且憑借USB接口的即插即用功能，以執行實(shí)時(shí)的聚合酶鏈反應。
聚合酶鏈反應（PCR）熱循環(huán)是進(jìn)行分子診斷的黃金準則。然而，在應對流感大流行方面，全球所面臨的主要挑戰是只有專(zhuān)業(yè)人員才能進(jìn)行有效的診斷測試。此外，商業(yè)上可用的熱循環(huán)儀也只能用于實(shí)驗室環(huán)境使用，因此，我們很難對其進(jìn)行操作，要將商用熱循環(huán)儀的應用領(lǐng)域擴大到緊急情況下，以及公共檢測站，例如機場(chǎng)，其笨重且昂貴的特性無(wú)疑是一個(gè)障礙。因此，迫切需要我們開(kāi)發(fā)一種便宜的，可攜帶的，且可任意使用的分子診斷工具。
為了提供靈活的，成本低廉的診斷系統，我們在新加坡生物工程和納米技術(shù)研究所的研究小組開(kāi)發(fā)了一個(gè)小型診斷系統，該診斷系統采用美國疾病控制和預防中心（CDC）所推薦的PCR技術(shù)來(lái)檢測傳染性急病。我們的系統從實(shí)時(shí)PCR到病毒基因目標鏈的檢測對整個(gè)診斷過(guò)程進(jìn)行整合與自動(dòng)化，以執行數據的分析。
通過(guò)使用NI 公司的CompactDAQ硬件系統，以及用于控制和數據分析的LabVIEW圖形化系統設計軟件作為我們的解決方案，我們創(chuàng )建了一個(gè)小型且便攜式的系統。該系統由一個(gè)較小的珀爾帖器（溫度裝置），電源供應器（能量裝置），和具有USB接口即插即用功能的光檢測器（光學(xué)裝置）構成。
我們的熱循環(huán)儀是便攜式的，完全自動(dòng)化的，且可用于在重要場(chǎng)合中大規模健康檢查的情況下使用，例如在機場(chǎng)檢查站控制傳染性疾病的傳播。系統自動(dòng)化是可靠診斷的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢，因為流感大流行可能會(huì )在偏遠地區發(fā)生，那里可能沒(méi)有受過(guò)專(zhuān)業(yè)訓練的人員處理試驗樣品。此外，系統自動(dòng)化的實(shí)現大大降低了人力和培訓費用。
利用該系統同時(shí)運行包含預加載PCR反應物的三個(gè)聚合物，從抽樣到結果所花費時(shí)間不到一小時(shí)，并且允許采用大量生物的多樣性。利用熱敏電阻的實(shí)時(shí)溫度反饋，一個(gè)內部比例積分微分(PID)芯片來(lái)處理溫度控制。該控制器由一個(gè)補償器，輸出裝置和傳感器反饋信號組成，反饋信號對于控制加熱器輸出功率，以及保持溫度是很必要的。使用LabVIEW軟件，我們對圖形用戶(hù)接口進(jìn)行編程，以顯示實(shí)時(shí)溫度，設置溫度，并且顯示來(lái)自三個(gè)通道的實(shí)時(shí)PCR結果 (如圖1A所示)。
整個(gè)集成系統的配置包括執行PCR系統運行和反應的循環(huán)溫控系統、固定安裝的三個(gè)藍色LED光源、排布于LED至光電倍增管(PMT)光路之間用于實(shí)時(shí)光學(xué)探測的相關(guān)透鏡和濾波器。系統中包括一組銅制或黃銅制的加熱室，與放置樣本的聚合體反應室集成在一起。
LabVIEW是系統構架的核心，中心處理器單元的設計專(zhuān)門(mén)針對執行由LabVIEW預編寫(xiě)的指令，可用于控制系統啟動(dòng)和健康檢查、PCR運行的熱量循環(huán)控制、和多路復用熒光信號的光學(xué)檢測。
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在PCR處理的循環(huán)溫控過(guò)程中，系統于退火循環(huán)的最后一秒進(jìn)行光學(xué)檢測。三個(gè)LED同時(shí)由來(lái)自NI 9265模擬輸出模塊的電流驅動(dòng)依次點(diǎn)亮，每個(gè)LED持續發(fā)光200 ms，在下一個(gè)LED燈點(diǎn)亮前熄滅當前LED燈。
特殊設計的裝置用于聚焦和引導LED光路傳輸。光在照射到放置DNA樣本的反應室之前要先通過(guò)一個(gè)濾波器。光線(xiàn)在到達PMT之前還需通過(guò)一系列透鏡和濾波器，最后由NI 9206模擬輸入模塊讀出該信號。
我們使用LabVIEW來(lái)進(jìn)行信號處理以獲取數據集的均值，來(lái)自PMT的信號被放大并處理。之后將向用戶(hù)顯示數據，并通過(guò)主用戶(hù)菜單將該數據連續更新于三個(gè)獨立的曲線(xiàn)圖中(見(jiàn)圖2)。
穩定性和重用性
在分子診斷中，PCR是一種將特定DNA片段放大至分子級別的常用方法。在實(shí)現過(guò)程中，需要在94 °C下進(jìn)行40至50次循環(huán)的熱變，在60 °C下進(jìn)行退火，在60 °C下進(jìn)行延伸。整個(gè)過(guò)程的關(guān)鍵點(diǎn)在于精確的溫度控制，保持2 °C/s的溫度上升率，以避免產(chǎn)生或放大錯誤的DNA序列?！?br />
我們使用LabVIEW來(lái)控制獨立的高端和低端參考輸出通道，并采用一塊由高速金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)組成的電路，設計并制造了片上加熱方案，實(shí)現了PWM實(shí)時(shí)控制。溫度測量顯示，我們獲得的加溫和冷卻率分別為2.5 °C/s和2.2 °C/s。對于每一路的溫度設置，過(guò)沖小于1 °C，并且穩定性保持在±0.1 °C。
結果與結論
我們使用1至104的TaqMan探針，通過(guò)連續稀釋的甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)互補DNA(cDNA) 來(lái)確認PCR的實(shí)時(shí)探測性能。結果證實(shí)，從Ct曲線(xiàn)中確定的敏感度與市場(chǎng)上的實(shí)時(shí)熱循環(huán)儀(圖1B)性能相當。
與市面上其它的熱循環(huán)儀相比，我們的系統更緊湊、便攜性更高，且恒溫性更好(表1)。系統的便攜性使其在大范圍流感爆發(fā)的早期發(fā)揮更大的作用。同時(shí)，該診斷系統非常適合在門(mén)診、急診室、公共檢查站點(diǎn)等地使用。此外，由于其便攜性好、價(jià)格低、體積小、且使用方便等特點(diǎn)，該熱循環(huán)儀在食品安全方面具有潛在的優(yōu)勢。
