用LabVIEW开发智能化的便携式流感诊断系统 虚拟仪器

用LabVIEW开发智能化的便携式流感诊断系统 虚拟仪器

 北京瀚文网星科技有限公司

通过使用NI 公司的CompactDAQ硬件系统，以及用于控制和数据分析的LabVIEW图形化系统设计软件作为我们的解决方案，我们创建了一个小型且便携式的系统。该系统由一个较小的珀尔帖器（温度装置），电源供应器（能量装置），和具有USB接口即插即用功能的光检测器（光学装置）构成。

我们的热循环仪是便携式的，*自动化的，且可用于在重要场合中大规模健康检查的情况下使用，例如在机场检查站控制传染性疾病的传播。系统自动化是可靠诊断的一个关键优势，因为流感大流行可能会在偏远地区发生，那里可能没有受过专业训练的人员处理试验样品。此外，系统自动化的实现大大降低了人力和培训费用。

利用该系统同时运行包含预加载PCR反应物的三个聚合物，从抽样到结果所花费时间不到一小时，并且允许采用大量生物的多样性。利用热敏电阻的实时温度反馈，一个内部比例积分微分(PID)芯片来处理温度控制。该控制器由一个补偿器，输出装置和传感器反馈信号组成，反馈信号对于控制加热器输出功率，以及保持温度是很必要的。使用LabVIEW软件，我们对图形用户接口进行编程，以显示实时温度，设置温度，并且显示来自三个通道的实时PCR结果 (如图1A所示)。

系统配置

整个集成系统的配置包括执行PCR系统运行和反应的循环温控系统、固定安装的三个蓝色LED光源、排布于LED至光电倍增管(PMT)光路之间用于实时光学探测的相关透镜和滤波器。系统中包括一组铜制或黄铜制的加热室，与放置样本的聚合体反应室集成在一起。

LabVIEW是系统构架的核心，中心处理器单元的设计专门针对执行由LabVIEW预编写的指令，可用于控制系统启动和健康检查、PCR运行的热量循环控制、和多路复用荧光信号的光学检测。

在PCR处理的循环温控过程中，系统于退火循环的zui后一秒进行光学检测。三个LED同时由来自NI 9265模拟输出模块的电流驱动依次点亮，每个LED持续发光200 ms，在下一个LED灯点亮前熄灭当前LED灯。

特殊设计的装置用于聚焦和引导LED光路传输。光在照射到放置DNA样本的反应室之前要先通过一个滤波器。光线在到达PMT之前还需通过一系列透镜和滤波器，zui后由NI 9206模拟输入模块读出该信号。

我们使用LabVIEW来进行信号处理以获取数据集的均值，来自PMT的信号被放大并处理。之后将向用户显示数据，并通过主用户菜单将该数据连续更新于三个独立的曲线图中(见图2)。

PCR混合物被置于聚碳酸酯PCR反应室中，并加油以防止蒸发。PCR在以下温度条件下完成：95 °C下持续20秒(Taq聚合酶活化) 、50 次循环的放大(在95 °C下保持5秒进行加热变性、在60 °C保持60秒进行退火和延伸)。LabVIEW程序记录每次循环中DNA复制发出的荧光。

稳定性和重用性

在分子诊断中，PCR是一种将特定DNA片段放大至分子级别的常用方法。在实现过程中，需要在94 °C下进行40至50次循环的热变，在60 °C下进行退火，在60 °C下进行延伸。整个过程的关键点在于精确的温度控制，保持2 °C/s的温度上升率，以避免产生或放大错误的DNA序列。

我们使用LabVIEW来控制独立的和低端参考输出通道，并采用一块由高速金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)组成的电路，设计并制造了片上加热方案，实现了PWM实时控制。温度测量显示，我们获得的加温和冷却率分别为2.5 °C/s和2.2 °C/s。对于每一路的温度设置，过冲小于1 °C，并且稳定性保持在±0.1 °C。

结果与结论

我们使用1至104的TaqMan探针，通过连续稀释的甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH)互补DNA(cDNA)  来确认PCR的实时探测性能。结果证实，从Ct曲线中确定的敏感度与市场上的实时热循环仪(图1B)性能相当。

与市面上其它的热循环仪相比，我们的系统更紧凑、便携性更高，且恒温性更好(表1)。系统的便携性使其在大范围流感爆发的早期发挥更大的作用。同时，该诊断系统非常适合在门诊、急诊室、公共检查站点等地使用。此外，由于其便携性好、价格低、体积小、且使用方便等特点，该热循环仪在食品安全方面具有潜在的优势。

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