用LabVIEW開發(fā)智能化的便攜式流感診斷系統(tǒng) 虛擬儀器

用LabVIEW開發(fā)智能化的便攜式流感診斷系統(tǒng) 虛擬儀器

 北京瀚文網(wǎng)星科技有限公司

通過使用NI 公司的CompactDAQ硬件系統(tǒng)，以及用于控制和數(shù)據(jù)分析的LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計軟件作為我們的解決方案，我們創(chuàng)建了一個小型且便攜式的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個較小的珀爾帖器（溫度裝置），電源供應(yīng)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(gòu)成。

我們的熱循環(huán)儀是便攜式的，*自動化的，且可用于在重要場合中大規(guī)模健康檢查的情況下使用，例如在機場檢查站控制傳染性疾病的傳播。系統(tǒng)自動化是可靠診斷的一個關(guān)鍵優(yōu)勢，因為流感大流行可能會在偏遠地區(qū)發(fā)生，那里可能沒有受過專業(yè)訓(xùn)練的人員處理試驗樣品。此外，系統(tǒng)自動化的實現(xiàn)大大降低了人力和培訓(xùn)費用。

利用該系統(tǒng)同時運行包含預(yù)加載PCR反應(yīng)物的三個聚合物，從抽樣到結(jié)果所花費時間不到一小時，并且允許采用大量生物的多樣性。利用熱敏電阻的實時溫度反饋，一個內(nèi)部比例積分微分(PID)芯片來處理溫度控制。該控制器由一個補償器，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，我們對圖形用戶接口進行編程，以顯示實時溫度，設(shè)置溫度，并且顯示來自三個通道的實時PCR結(jié)果 (如圖1A所示)。

系統(tǒng)配置

整個集成系統(tǒng)的配置包括執(zhí)行PCR系統(tǒng)運行和反應(yīng)的循環(huán)溫控系統(tǒng)、固定安裝的三個藍色LED光源、排布于LED至光電倍增管(PMT)光路之間用于實時光學(xué)探測的相關(guān)透鏡和濾波器。系統(tǒng)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(yīng)室集成在一起。

LabVIEW是系統(tǒng)構(gòu)架的核心，中心處理器單元的設(shè)計專門針對執(zhí)行由LabVIEW預(yù)編寫的指令，可用于控制系統(tǒng)啟動和健康檢查、PCR運行的熱量循環(huán)控制、和多路復(fù)用熒光信號的光學(xué)檢測。

在PCR處理的循環(huán)溫控過程中，系統(tǒng)于退火循環(huán)的zui后一秒進行光學(xué)檢測。三個LED同時由來自NI 9265模擬輸出模塊的電流驅(qū)動依次點亮，每個LED持續(xù)發(fā)光200 ms，在下一個LED燈點亮前熄滅當前LED燈。

特殊設(shè)計的裝置用于聚焦和引導(dǎo)LED光路傳輸。光在照射到放置DNA樣本的反應(yīng)室之前要先通過一個濾波器。光線在到達PMT之前還需通過一系列透鏡和濾波器，zui后由NI 9206模擬輸入模塊讀出該信號。

我們使用LabVIEW來進行信號處理以獲取數(shù)據(jù)集的均值，來自PMT的信號被放大并處理。之后將向用戶顯示數(shù)據(jù)，并通過主用戶菜單將該數(shù)據(jù)連續(xù)更新于三個獨立的曲線圖中(見圖2)。

PCR混合物被置于聚碳酸酯PCR反應(yīng)室中，并加油以防止蒸發(fā)。PCR在以下溫度條件下完成：95 °C下持續(xù)20秒(Taq聚合酶活化) 、50 次循環(huán)的放大(在95 °C下保持5秒進行加熱變性、在60 °C保持60秒進行退火和延伸)。LabVIEW程序記錄每次循環(huán)中DNA復(fù)制發(fā)出的熒光。

穩(wěn)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。在實現(xiàn)過程中，需要在94 °C下進行40至50次循環(huán)的熱變，在60 °C下進行退火，在60 °C下進行延伸。整個過程的關(guān)鍵點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。

我們使用LabVIEW來控制獨立的和低端參考輸出通道，并采用一塊由高速金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)組成的電路，設(shè)計并制造了片上加熱方案，實現(xiàn)了PWM實時控制。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(shè)置，過沖小于1 °C，并且穩(wěn)定性保持在±0.1 °C。

結(jié)果與結(jié)論

我們使用1至104的TaqMan探針，通過連續(xù)稀釋的甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)互補DNA(cDNA)  來確認PCR的實時探測性能。結(jié)果證實，從Ct曲線中確定的敏感度與市場上的實時熱循環(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(tǒng)更緊湊、便攜性更高，且恒溫性更好(表1)。系統(tǒng)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，該診斷系統(tǒng)非常適合在門診、急診室、公共檢查站點等地使用。此外，由于其便攜性好、價格低、體積小、且使用方便等特點，該熱循環(huán)儀在食品安全方面具有潛在的優(yōu)勢。

北京瀚文網(wǎng)星科技有限公司，是一家以LabVIEW（虛擬儀器）為主要技術(shù)手段的開發(fā)公司，為您提供全套的系統(tǒng)集成服務(wù)，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟件開發(fā)、軟件與硬件的產(chǎn)品升級與改造。其服務(wù)領(lǐng)域包括：汽車、通信、航空、半導(dǎo)體、電子設(shè)計生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學(xué)等各領(lǐng)域。涵蓋了從研發(fā)、測試、生產(chǎn)到服務(wù)的產(chǎn)品開發(fā)所有階段。

      北京瀚文網(wǎng)星科技有限公司經(jīng)N認證，已正式成為NI聯(lián)盟合作伙伴，為您提供運動控制、電子設(shè)計、視覺和射頻以及無線等諸多領(lǐng)域的解決方案，技術(shù)咨詢以及資源整合。所提供服務(wù)確保符合NI產(chǎn)品認證和行業(yè)標準，更有效地使用NI資源，提供優(yōu)質(zhì)的NI產(chǎn)品及LabVIEW軟件服務(wù)。

    北京瀚文網(wǎng)星科技有限公司不但代理NI全系列產(chǎn)品，更為您提供LabVIEW軟件服務(wù)。在NI產(chǎn)品使用過程中，或者由于時間關(guān)系，或者NI產(chǎn)品本身功能比較復(fù)雜，導(dǎo)致工作無法順利開展。這些都可以交給我們來解決。我們不僅僅是代理，更為您提供技術(shù)解決方案。公司在設(shè)備開發(fā)與集成方面積累了豐富經(jīng)驗，為您提供完整的解決方案。可以提供結(jié)構(gòu)設(shè)計、機械加工、有機玻璃設(shè)計與加工、電路設(shè)計、機箱選型、開孔與絲印、線纜及連接器選型與加工等服務(wù)。

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