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基于硝酸纤维素膜和手机拍照检测与传输的快速低成本尿液检测纸芯片的研制学生曹雪指导教师周小棉李难广州市第一人民医院检验科2011年3月2日技术路线选题依据研究目标研究内容拟解决的关键问题可行性分析预期结果进度安排实验方法参考文献微流控芯片又称芯片实验室（LabonaChip），指的是把生物和化学等领域中所涉及到的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米(甚至更小)的芯片上,由微通道形成网络,以可控流体贯穿整个系统,用以实现常规生物或化学实验室的各种功能的一种技术。常见微流控芯片的材料纸材料的一些特殊的优点：1）成本低廉适合制备一次性使用的芯片；2）无需外界动力源组成纸的纤维素可以吸收水分，表面张力可以作为整个芯片的驱动力；3）纸具有可燃性纸质芯片在完成分析功能后可以采取燃烧的方法安全处理，不会留下生物垃圾。2007年初哈佛大学的Whitesides小组首次尝试将纸作为一种微流控芯片的制作材料。纸质微流控芯片的研究目前正处于初步发展阶段。光刻法喷墨打印法等离子处理法绘图法芯片制作方法1）Whitesides小组提出利用拍照手机对纸芯片上的生化反应的显色结果进行拍照并进行远程传输，实现现场检测、远程诊断。2）Dungchai等人在纸芯片上集成电极，在纸芯片上实现了葡萄糖、乳酸和尿酸的电化学同时检测。3）Delaney等人在纸芯片上集成了电化学发光检测。芯片检测技术硝酸纤维素膜1.蛋白吸附能力强；2.孔径仅为0.45μm3.表面更为光滑和均匀现场即时诊断（Pointofcaretesting，POCT）又称为床边检测或病人身边检测、家用检验等。同时具有：空间上的“现场”和时间上的“即时”。现场即时诊断具有广阔的应用领域，要求分析速度快、操作简便、体积小、便携化等。现场即时诊断常用的技术包括干化学法测定、免疫层析和生物传感器等，现在正在发展中的一些现场即时诊断技术还包括微流控芯片、生物芯片、图形分析、纳米技术和表面等离子共振技术等。尿液常规分析是临床上最重要的三大常规检测项目之一，主要用于泌尿生殖系统疾病、代谢性疾病（如糖尿病等）、肝胆疾病及其他系统疾病的诊断和鉴别诊断、治疗检测及健康普查。干化学尿液分析仪BACK通过应用硝酸纤维素膜作为纸芯片的制作材料，研制出可用于尿液蛋白质、葡萄糖、白细胞、潜血（红细胞/Hb)、亚硝酸盐、pH、比重、酮体、胆红素、尿胆原、维生素C等11项检测的一次性纸芯片，并且利用拍照手机作为检测器，将拍得的图像传输到电脑上，再用软件对其取值进行定量分析或肉眼观察进行定性分析。期望可为边远山区、野外、急救现场等远离中心医院的患者提供新一代价格低廉的即时远程检验工具。研究目标BACK研究内容1.纸芯片的制备用喷蜡打印技术制备各种被检项目的试剂储存区、样本分配通道和加样区；针对不同的检测项目将其试剂加入试剂贮存区，经烘干形成纸芯片。利用拍照手机作为检测器，并用软件（如Imagepro、Photoshop）对其取值进行定量分析，研究纸芯片各项检测指标的检测灵敏度、线性范围、批间变异与批内变异以及储存有效期；2.纸芯片的性能检测3.比对纸芯片的尿液分析结果与现有的尿11项分析仪的结果进行比对（尿蛋白质、葡萄糖、白细胞、潜血（红细胞）、亚硝酸盐、pH、比重、酮体、胆红素、尿胆原、维生素C等11项检测）BACK技术路线芯片的设计喷蜡打印与烘烤试剂加载手机拍照与定量分析纸芯片性能考察与常规分析法进行比对BACK一.纸芯片的制备1.尿十一项检测用纸芯片初步设计图：黑色中心圆区为样品加载区；周边各黑色中心圆区为试剂储存区（反应区或测试区）；其中左上角质控是指显色剂质控；放线状线条为进样通道（等长度）。实验方法2.喷蜡打印制备硝酸纤维素膜纸芯片喷蜡打印：首先在电脑上利用绘图软件如Freehand等设计各种图案，然后用喷蜡打印机在硝酸纤维素膜（Whatman(BA85,0.45µmporesize)）上打印出所设计的图案。烘烤：将喷蜡打印的硝酸纤维素膜置入125℃烘箱中烘烤5min，让打印的蜡熔化并透过膜形成封闭的疏水围堰。3.纸芯片检测区试剂的加载与检测原理具体内容测定项目试剂储存区所要加载的试剂加载试剂的量检测原理葡萄糖碘化钾溶液（0.6M）和辣根过氧化物酶和葡萄糖氧化酶的溶液各0.5μL葡萄糖会在葡萄糖氧化酶与辣根过氧化物酶的催化反应下与碘化钾反应产生黄色产物。尿酸显色剂，辣根过氧化物酶和lactateoxidase(114UmL−1)溶液各0.5μL尿酸会在尿酸氧化酶与辣根过氧化物酶的催化反应下于显色剂反应产生有色产物。白细胞吲哚酚酯1μL利用粒细胞酯酶能水解吲哚酚酯，生成吲哚酚与有机酸，吲哚酚进一步氧化生成靛蓝。隐血（红细胞Hb）显色剂，过氧化氢溶液各0.5μL血红蛋白具有类过氧化物酶作用，以催化过氧化氢作为电子受体使色原氧化呈色。亚硝酸盐Gries试剂1μL大肠埃希菌等革兰阴性杆菌能还原尿液中的硝酸盐为亚硝酸盐。后者使试剂中的对氨基苯磺酸重氮化，成为对重氮苯磺酸再与α-萘胺结合成N-α-萘胺偶氮苯磺酸，呈现红色。PH溴麝香草酚蓝1μL溴麝香草酚蓝在酸性为黄色，中性为绿色，碱性为蓝色。比重酸碱指示试剂1μL尿中电解质释放出阳离子，阳离子与离子交换体中的氢离子交换，使之释放出氢离子，氢离子再与其中的酸碱指示剂反应，根据指示剂显示的颜色可推知尿中的电解质浓度，以电解质浓度来代表密度，从而得出比重值。酮体酮体试剂（亚硝基铁氰化钠、无水碳酸钠和硫酸铵按比例组成）1μL含酮体的尿液中加入亚硝基铁氰化钠后，与氨液接触时出现紫色。胆红素二氯苯胺重氮盐1μL在强酸性介质中，胆红素与二氯苯胺重氮盐起偶联作用，生成红色偶氮化合物。尿胆原二甲基氨基苯甲醛1μL尿胆原在酸性溶液中与对二甲基氨基苯甲醛反应，生成红色化合物。维生素C磷钼酸1μL维生素C与磷钼酸反应，生成钼蓝。二.定量分析用拍照手机对显色分析区域进行拍照将照片通过USB数据线、红外或互联网远程传输等方法将其传输到电脑中利用电脑中图像分析软件对反应区域图像信号转换成8位灰度模式，然后选取分析区域获得分析区域的平均灰度值，实现结果量化对得到的数值进行结果判定三.纸芯片性能考察用标准品、尿液样本对尿液11项分析纸芯片的各项指标进行检测灵敏度、线性范围、批间变异与批内变异以及储存有效期等性能考察.BACK四.比对取一定数目的尿液标本，同时用纸芯片与常规分析法（全自动尿11项分析仪法）进行检测，再将两个结果进行线性相关分析。1.纸芯片的设计（整个芯片的大小、具体每个区域的大小尺寸和相对比例等），各个反应区会不会相互影响。2.试剂加载。3.如何具体地对制作出来的尿液检测纸芯片进行相关的性能考察。4.试剂反应区的成像问题。拟解决的关键问题BACK可行性分析仪器与器材试剂研制了一种手机微距拍摄增强装置较好地解决普通手机高清淅成像问题硝酸纤维素膜的选择喷蜡打印条件的选择时间优化和温度优化初步建立了以蜡制备的纸芯片用于BSA与葡萄糖的生化分析BACK预期结果理想不理想各个反应区的显色深浅与尿液中各个成分的浓度呈一定的相关性。且可以用手机拍摄高清晰的图像，并在电脑上进行定量分析。BACK1月~2月：查阅相关文献,立题,作开题报告。3月~4月：制作纸芯片，对其性能进行检测，与常规的分析方法进行比对。5月：整理分析相关数据，讨论结果，论文写作与修改。进度安排BACK参考文献1、周小棉，林炳承。广东医学，2004，25(3):124-126。2、Science14October2005:Vol.310.p.1993、DawR,FinkelsteinJ.Nature,2006,442(7101):367-418.4、Martinez,A.W.,Phillips,S.T.,Butte,M.J.,Whitesides,G.M.AngewandteChemie-5.InternationalEdition,2007,46(8):1318-1320.5、Zhao,W.A.,vandenBerg,A.LabonaChip,2008,8(12):1988-1991.6、Lu,Y.,Shi,W.W.,Jiang,L.,Qin,J.H.,Lin,B.C.Electrophoresis,2009,30(9):1497-1500.7、AndresW.Martinez,ScottT.Phillips,andGeorgeM.Whitesides.Anal.Chem.2010,82,3–10。8、Martinez,A.W.,Phillips,S.T.,Wiley,B.J.,Gupta,M.,Whitesides,G.M.LabonaChip,2008,8(12):2146-2150.9、Zhao,W.A.,vandenBerg,A.,Labonpaper.LabonaChip,2008,8(12):1988-1991.10、Martinez,A.W.,Phillips,S.T.,Whitesides,G.M.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,2008,105(50):19606-19611.11、Abe,K.,Suzuki,K.,Citterio,D.AnalyticalChemistry,2008,80(18):6928-6934.12、Li,X.,Tian,J.F.,Nguyen,T.,Shen,W.AnalyticalChemistry,2008,80(23):9131-9134.13、Bruzewicz,D.A.,Reches,M.,Whitesides,G.M.AnalyticalChemistry,2008,80(9):3387-3392.14、Chen,Z.C.,Fang,C.,Wang,H.Y.,He,J.S.,Deng,Z.S.SensorsandActuatorsB-Chemical,2009,141(2):436-440.15、Hou,S.Y.,Chen,H.K.,Cheng,H.C.,Huang,C.Y.AnalyticalChemistry,2007,79(3):980-985.16、Martinez,A.W.,Phillips,S.T.,Carrilho,E.,Thomas,S.W.,Sindi,H.,Whitesides,G.M.AnalyticalChemistry,2008,80(10):3699-3707.17、Ellerbee,A.K.,Phillips,S.T.,Siegel,A.C.,Mirica,K.A,Martinez,A.W.,Striehl,P.,Jain,N.,Prentiss,M.,Whitesides,G.M.AnalyticalChemistry,2009,81(20):8447-8452.18、Dungchai,W.,Chailapakul,O.,Henry,C.S.AnalyticalChemistry,2009,81(14):5821-5826.19、DelaneyJL.,HoganCF.,TianJF.,ShenW.Analyticalchemistry,2011,online.20、InternationalTelecommunicationUnion.MarketInformationandStatistics,2006.(11/5/07).21、Braun,R.P.;Vecchietti,J.L.;Thomas,L.;Prins,C.;French,L.E.;Gewirtzman,A.J.;Saurat,J.H.;Salomon,D.Arch.Dermatol.2005,141,254-258.22、Dziadzio,M.;Hamdulay,S.;Reddy,V.;Boyce,S.;Keat,A