图片来源：论文
编译 胡月莲
编辑 魏潇
处理具有传染性的样本是检测分析传染病中无法回避的工作，科研人员通常需要从临床样本中提取传染源的基因信息来获取疾病信息。尽管有手套和个人防护装备的保护，但手动处理样本的过程中，仍会不可避免地接触机器设备，尚存在人机、人人间交叉污染的可能性。因此，处理传染源样本的研究人员需要尽可能减少手动过程来避免意外感染。而对于具有高度传染性的疾病，若能实现现场样本的自动快速分析诊断将会是非常理想的方式。
近日，一项由韩国庆熙大学（KyungHee University）领导的研究推出了一种便携式样本预处理微系统。通过蓝牙与微控制器链接，配合手机中的程序，能够在用户下达语音命令后启动微控制器，开启样品加载、纯化、收集过程，规避了人工操作过程中可能出现的风险。
这款手掌大小的设备只有 11 盎司重（≈311.84 g），可通过充电宝或 5 V 智能手机充电器供电，且能够在一分钟内纯化鼠伤寒沙门菌基因组 DNA，提取效率为 70±5%。这样的系统可谓兼具“快速”、“轻便”与“自动化”的三大特性，在现场样本提取和检测中具有很大的应用潜力。
供电示意图。图片来源：论文
语音控制，启动程序
便携式样本预处理微系统由多个组件组成，包括一次性微流体芯片（示意图中蓝色组件）、空气路线通道（示意图中红色组件）、内置气泵电机的压力管路（示意图中黄色组件）和真空管路（示意图中紫色组件）。这些组件通过 6 个三通电磁阀连接在一起，并由一个内置蓝牙模块的微控制器进行操作。
组件示意图。图片来源：论文
微系统通过蓝牙连接到手机 app，当研究员使用 app 并说出一个操作指令时，通过 MAI（MIT App Inventor）编码的语音识别程序将识别该命令并发送给微控制器。微控制器将启动各组件功能，对样品溶液进行加载、洗涤、纯化、收集，整个过程可在 1 分钟内执行完毕。（该研究中使用的微控制器代码及应用程序源代码可在https://nanobiomems.khu.ac.kr/software/voice-control获得。）
App 示意图 图片来源：论文
目前而言，该操作仍需要使用者触摸手机来启动语音识别软件，但开发团队表示，未来将通过添加虚拟助手软件免去手动部分。
提取 DNA
DNA 的提取主要在微流体芯片组件中进行，由空气路线通道组件及其余管道、气泵等作为流体操控的辅助。
一次性微流体芯片（下图a）长 48 mm、宽 27 mm、高 19 mm，由一个样品加载层（第一层）、穿插的 PDMS 膜，和一个真空/空气供应交互层（第二层）组成。
第一层承担加载及纯化样本的主要工作。下图的第一层示意图中，以红色表示洗涤 #1 溶液，以绿色表示洗涤 #2 溶液，紫色表示洗脱溶液，黄色表示废物室，天蓝色表示收集室。一层底部含有用于控制流体的微通道、气动阀和锯齿型微通道，用于捕获和纯化 DNA 的硅胶珠就位于这些锯齿形微通道中。
第二层与下层组件空气路线通道（下图b）相连接，该组件中的数条微通道可提供压力/真空供应，与侧壁相连的抽吸泵可通过驱动气动阀的开关来控制一层中的流体。
样本预处理微系统流控装置DOI: (10.1021/acssensors.2c01849)
一旦使用者向手机 app 传达了指令，芯片就会如下图所示进行样本预处理操作。
在初始阶段，为了防止泄露，所有的阀门均处于关闭状态。在样本加载阶段，样本溶液从样本室中释放，流向含有硅胶珠的微通道以捕获 DNA，剩余的部分则向下流入废物室。在两次洗涤阶段中，洗涤溶液也将通过微通道纯化珠窗中的 DNA，并最终流入废物室。在最后的洗脱阶段中，洗脱室和收集室的阀门将被打开，亲和 DNA 的洗脱溶液在通过微通道的同时，将纯化后的 DNA 带入收集室，最终完成了 DNA 纯化与提取的过程。
微流体芯片操作步骤示意图DOI: (10.1021/acssensors.2c01849)
作为对比参考，研究人员使用实验室常见商用 QIAamp DNA Mini（德国 Qiagen）试剂盒对同样的基因进行了提纯，后通过 qPCR 扩增了双方的提纯产物，用以进行对两者提取物中 DNA 完整性与纯度的评估。对比结果显示，微系统提取效率比常见标准手动方式低 32 ± 8.9%。
核酸的提取效率在很大程度上取决于所用的提取基质，商用 Qiagen 试剂盒采用硅胶膜作为基质，而微系统使用的是硅胶珠基质。相较于硅胶膜，硅胶珠之间的空隙体积更大，使得 DNA 溶液在珠床中的停留时间更短，导致 DNA 捕获效率更低。
尽管微系统的提取效率低于商用 Qiagen 试剂盒，但是，微系统的优点在于它是便携式的、全自动的。传统手动提取方式需要操作台等更大的空间，还需要用到独立仪器，不易于移动，只能在固定的空间场所内进行。而微系统适用于随时随地的现场筛查，具有更高的临场应用价值。
主要来源：
https://doi.org/10.1021/acssensors.2c01849
https://www.sciencedaily.com/releases/2023/02/230201102842.htm#
【标题】Function of the Speech Recognition of the Smartphone to Automatically Operate a Portable Sample Pretreatment Microfluidic System
【作者】Hoang Khang Bui, Vu Minh Phan, Huynh Quoc Nguyen, Van Dan Nguyen, Hiep Van Nguyen, and Tae Seok Seo*
【期刊】ACS Sens.
【时间】February 1, 2023
【DOI】https://doi.org/10.1021/acssensors.2c01849
【摘要】We proposed a portable sample pretreatment microsystem, which can be automatically operated through speech recognition in a smartphone app. The proposed sample pretreatment microsystem consists of a microfluidic chip, an air router, pressure and vacuum lines with air pump motors, six 3-way solenoid valves, and a microcontroller with a Bluetooth module. The command of a human voice conducted the whole process of DNA extraction from pathogenic bacterial samples. Thus, manual interference during the DNA extraction is eliminated, preventing any potential infection from human touch. The palm-sized sample pretreatment microsystem can be run by a portable battery or a conventional smartphone charger. Genomic DNA ofSalmonella typhimuriumwas purified on a chip in less than 1 min with an extraction efficiency of 70 ± 5%.
【链接】https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.2c01849
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