基于透射-散射比值法的恒温核酸检测系统的开发及应用

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近年来爆发的传染病让灵敏度高、特异性好的核酸检测逐渐进入大众的视野。特别是2019年爆发的“新冠”,对核酸检测有了质和量的需求。传统的核酸检测不仅需要大量的人力和物力,而且需要专业的操作人员、严格的无菌环境、精密的仪器设备来进行操作,整个流程费时费力。一些基层医疗机构以及一些特殊场所(如海关、机场、车站等)不具备基本核酸检测能力,在疫情面前十分被动。在此背景下,核酸即时检测(Point-Of-Care testing,POCT)装置乘势而上。核酸POCT装置具有便携,环境要求低;操作简单,人力要求低;价格便宜,成本要求低;检测快速,时间要求低等优点。本课题开发了一个核酸POCT系统,使其适用于不具备核酸检测能力的基层医疗或特殊场所。装置采用检测特异性高、仪器成本低的环介导等温扩增方法进行核酸扩增;采用准确度高的透射-散射法对核酸扩增的产物进行浊度检测。研究内容包括:(1)通过不同光源和探测器之间的对比,选择激光二极管和光电二极管作为系统的光源和探测器;根据它们的尺寸以及系统的光学原理设计了具有光学结构的热井;设计了系统加热模块的结构,研究了热井、热盖、隔热垫、加热片、隔热垫温度传感器等加热零部件的设计、选材、加工等。研究了光源、光电检测的电路原理图并设计和制作了符合热井尺寸结构的PCB板。使得装置的光源稳定性好,变异系数CV值均小于2.5%;且光电二极管的噪声值小、均一性好。(2)系统下位机应用的是目前最受青睐的STM32系列单片机;具体地研究了单片机对装置的光源、光电检测、温度的控制。采用基于LUA脚本语言的触摸屏作为系统的上位机,并设计了人性化的触摸屏操作界面。还具体研究了上位机和下位机的通信和控制,实现了在触摸屏上进行反应温度设置、温度实时显示、实时反应曲线的显示、实验结果的分析等功能。(3)将系统装置进行简易搭建后,对装置的温控性能进行了测试,热井和热盖的升温阶段的加热速率分别为0.5℃/s、1.4℃/s,平衡后的变异系数分别为0.1726%、0.3576%;试管中的温度平衡后的变异系数为0.1988%;系统装置的加热性能好,温度稳定性高。对透射和散射光信号进行了浊度标定,其相关系数分别为0.9989和0.9195。用商用试剂盒进行实验测试,结果显示核酸可以正常的扩增,结果判断也没有出现假阳性、假阴性结果。实现了一体化的核酸扩增和定性检测。
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