智能手機(jī)微孔板分析儀的開發(fā)與HSA的定量檢測(cè)

晁曉欣，李海琴，楊澤華，張校亮，譚 慷，李曉春*

(1.太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 物理與光電工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，山西 太原 030024；3.山西醫(yī)科大學(xué)第六醫(yī)院，山西 太原 030008)

人血清白蛋白(Human serum albumin,HSA)是由肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞合成的一種蛋白質(zhì)，人體血液包含的蛋白質(zhì)中HSA的含量最多，所占比例約為40%～60%。HSA對(duì)于確保血漿滲透壓維持在穩(wěn)定值，調(diào)節(jié)體腔間液體分布具有重要作用，是臨床血常規(guī)檢測(cè)的重要指標(biāo)之一，正常人體血液中HSA的濃度值為35～ 55 g/L，其濃度水平的增高或降低可以預(yù)示多種疾病[1-2]。目前HSA的檢測(cè)方法主要有鹽析法、電泳法和比色法[3]，相比其它檢測(cè)方法，比色法具有反應(yīng)快速、操作簡(jiǎn)便和檢測(cè)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。溴甲酚綠比色法通過建立反應(yīng)溶液的色度信息與HSA濃度值的關(guān)系實(shí)現(xiàn)HSA的定量檢測(cè)，是臨床檢測(cè)HSA的常用方法。

智能手機(jī)具有普及范圍廣、輕量便攜、高分辨率成像和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能等優(yōu)點(diǎn)，且可以遠(yuǎn)程傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享[4]，其內(nèi)置有多種傳感器可以實(shí)現(xiàn)生化指標(biāo)的即時(shí)檢測(cè)[5-6]。手機(jī)攝像頭是最常用的一種傳感器，可進(jìn)行樣品的數(shù)字圖片采集并實(shí)現(xiàn)比色分析檢測(cè)。近幾年，研究人員開發(fā)了許多基于智能手機(jī)的檢測(cè)設(shè)備，并將其用于醫(yī)學(xué)指標(biāo)[7-9]和其它生化分子檢測(cè)[10-11]。相比目前實(shí)驗(yàn)室中使用的大型檢測(cè)儀器，利用智能手機(jī)開發(fā)的便攜式、低成本的檢測(cè)設(shè)備可以面向普通用戶，在現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)領(lǐng)域具有巨大潛力。微孔板是一種高通量反應(yīng)容器，利用它可以提高檢測(cè)速度并降低檢測(cè)成本，有利于疾病的快速診斷并降低檢測(cè)費(fèi)用。目前微孔板的分析主要依賴于酶標(biāo)儀，而酶標(biāo)儀是一種光譜分析儀器，內(nèi)部包含精密的光學(xué)元件和復(fù)雜的光路設(shè)計(jì)，其體積大、價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜且依賴于電腦，難以應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)中?；诖耍瑢⒅悄苁謾C(jī)和微孔板結(jié)合起來開發(fā)新的便攜式檢測(cè)儀器引起了研究人員的廣泛關(guān)注。但是實(shí)驗(yàn)中存在一個(gè)問題，即手機(jī)攝像頭無法對(duì)尺寸很大的96微孔板全范圍準(zhǔn)確成像，研究者提出了很多方法來解決這個(gè)問題。2015年，Berg等[12]提出使用96根光纖采集微孔板的圖像，再將獲得的圖像用手機(jī)攝像頭進(jìn)行拍照和自動(dòng)分析處理的方法。這種方法使用光纖對(duì)大尺寸的微孔板進(jìn)行圖像采集，再將光纖采集的小尺寸圖像用手機(jī)進(jìn)行拍照，解決了手機(jī)攝像頭不能對(duì)微孔板全范圍準(zhǔn)確成像的問題。2016年，Wang等[13]設(shè)計(jì)制作了一個(gè)由64個(gè)小的微棱鏡構(gòu)成的微棱鏡陣列，將微棱鏡陣列放置在微孔板上方使每一個(gè)微孔都正對(duì)一個(gè)微棱鏡，由于從微孔板中透射的光線會(huì)在微棱鏡中發(fā)生折射，并且微棱鏡的斜三角形設(shè)計(jì)會(huì)讓光線偏折進(jìn)手機(jī)攝像頭中，從而實(shí)現(xiàn)了智能手機(jī)對(duì)微孔板中64個(gè)微孔的準(zhǔn)確成像分析。2018年，Wang等[14]成功地將之前的微棱鏡擴(kuò)展為96個(gè)微棱鏡，實(shí)現(xiàn)了96個(gè)微孔的準(zhǔn)確成像分析。使用微棱鏡的方法改變了光路的方向，使微孔板中的光線偏折會(huì)聚到手機(jī)攝像頭中，實(shí)現(xiàn)了智能手機(jī)對(duì)微孔板全范圍準(zhǔn)確成像。隨后，Yang等[15]嘗試?yán)梅瓷溏R將微孔板底部的圖像反射到手機(jī)攝像頭中實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)對(duì)96微孔板的全范圍準(zhǔn)確成像，該方法將之前手機(jī)攝像頭從微孔板上方成像變?yōu)閷?duì)微孔板底部成像，解決了手機(jī)對(duì)微孔板拍照時(shí)，液面反射光對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，但該方法無法解決智能手機(jī)對(duì)微孔板全范圍準(zhǔn)確成像的問題。綜上所述，使用光纖和微棱鏡的方法可以解決全范圍成像的問題，但是光纖采集圖像和微棱鏡的制作工藝都非常復(fù)雜且成本很高，無法廣泛應(yīng)用于資源有限和不發(fā)達(dá)地區(qū)。2019年，李偉等[16]提出直接利用手機(jī)攝像頭對(duì)微孔板中的反應(yīng)溶液進(jìn)行拍照，利用計(jì)算機(jī)對(duì)獲得的圖像進(jìn)行自動(dòng)分析處理，然后再將檢測(cè)結(jié)果顯示在手機(jī)界面上的方法。文中開發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)在手機(jī)距離微孔板180 mm時(shí)才能對(duì)32個(gè)微孔進(jìn)行準(zhǔn)確成像，要實(shí)現(xiàn)手機(jī)攝像頭對(duì)尺寸很大的96微孔板全范圍準(zhǔn)確成像，就必須增加手機(jī)到微孔板的距離，但這會(huì)增加檢測(cè)裝置的體積并且降低成像的分辨率，難以應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)中。

為了更好地解決這個(gè)問題，本文采用大孔徑的聚焦透鏡對(duì)光線進(jìn)行折射會(huì)聚，以實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)對(duì)96微孔板的全范圍準(zhǔn)確成像。通過設(shè)計(jì)面光源為微孔板提供均勻照明，以3D打印技術(shù)制作光學(xué)裝置，并結(jié)合智能手機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)了一款便攜式微孔板分析儀。采用開發(fā)的分析儀實(shí)現(xiàn)了病人血清樣品中HSA的快速定量檢測(cè)，且檢測(cè)結(jié)果與生化分析儀檢測(cè)結(jié)果一致，可以滿足臨床檢測(cè)的需求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

TKA-Genpure UV 超純水系統(tǒng)(美國(guó)賽默飛世爾公司)；Starter 3100 pH計(jì)(美國(guó)奧豪斯公司)；MB100-4A微孔板恒溫振蕩器(杭州奧盛儀器有限公司)；Pipet-Lite XLS多通道移液槍(美國(guó)梅特勒托利多公司)；Multiskan FC酶標(biāo)儀(賽默飛世爾(上海)儀器有限公司)。

溴甲酚綠(變色范圍3.8～5.4，Bio Basic Inc公司)；人血清白蛋白(HSA，96%～99%)、疊氮鈉(分析純，≥99.5%)購自索萊寶公司；氫氧化鈉(≥98.0%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；檸檬酸(≥99.5%，科密歐公司)；檸檬酸鈉(分析純，≥99%)、Tween-20購自美國(guó)Sigma-Aldrich公司；人血清白蛋白標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心)；人血清實(shí)際樣品來自山西醫(yī)科大學(xué)第六醫(yī)院；實(shí)際樣品濃度值由日立全自動(dòng)生化分析儀7600P測(cè)得。

1.2 溴甲酚綠顯色劑的制備

檸檬酸緩沖液(pH 4.2)：將0.1 mol/L的檸檬酸和0.1 mol/L的檸檬酸鈉按照12.3∶7.7的體積比混合，配成pH 4.2的緩沖液。

溴甲酚綠顯色劑：向419 mg的溴甲酚綠中加入10 mL 0.1 mol/L的NaOH溶液和100 mg的NaN3，用檸檬酸緩沖液定容至1 000 mL，隨后在每1 mL溶液中加入2.5 μL Tween-20，溶液由藍(lán)綠色變?yōu)辄S綠色，即制得溴甲酚綠顯色劑。

1.3 白蛋白標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備

人血清白蛋白標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溶液中白蛋白的質(zhì)量濃度為42.9 g/L，取50 μL HSA標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)加入2.6 mg白蛋白粉末配成85.8 g/L的白蛋白溶液。用檸檬酸緩沖液稀釋白蛋白溶液，制備成質(zhì)量濃度分別為60.06、55.77、51.48、47.19、42.90、38.61、34.32、30.03、25.74、21.45 g/L的10個(gè)白蛋白標(biāo)準(zhǔn)樣品。

1.4 智能手機(jī)微孔板分析儀的開發(fā)

1.4.1 智能手機(jī)的光學(xué)裝置為了給微孔板提供均勻的照明并避免周圍環(huán)境光的影響，設(shè)計(jì)了一個(gè)可以與智能手機(jī)結(jié)合使用的光學(xué)裝置。該光學(xué)裝置的示意圖如圖1A所示，整個(gè)裝置尺寸為144 mm×144 mm×135 mm。圖1B為光學(xué)裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要由面光源、微孔板插槽、透鏡和智能手機(jī)拍照口組成，裝置各部分固定封閉在外殼里，透鏡固定在微孔板的正上方，外殼上面有一個(gè)拍照孔，手機(jī)通過拍照孔對(duì)微孔板進(jìn)行拍照成像。整個(gè)裝置采用3D MAX Studio設(shè)計(jì)，并使用3D打印機(jī)(惠普)打印。面光源放置在微孔板的下方，光從微孔板透射出來后進(jìn)入透鏡中，經(jīng)透鏡的折射會(huì)聚到手機(jī)攝像頭中。實(shí)驗(yàn)中使用220 V交流電為面光源供電，使用華為Honor7i智能手機(jī)進(jìn)行拍照和數(shù)據(jù)分析。圖1C所示為智能手機(jī)應(yīng)用程序測(cè)定HSA的實(shí)際過程以及待放入的微孔板。

圖1 基于智能手機(jī)微孔板分析儀的光學(xué)裝置示意圖(A)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(B)以及智能手機(jī)測(cè)定HSA實(shí)際操作過程(C)Fig.1 Schematic diagram(A),internal structure(B) of optical device on smartphone-based microplate reader and the operation for measuring HSA concentration using a smartphone(C)

1.4.2 智能手機(jī)應(yīng)用程序檢測(cè)原理及過程本文設(shè)計(jì)的智能手機(jī)應(yīng)用程序在華為Honor7i手機(jī)上進(jìn)行調(diào)試，此程序也可以安裝在其它Android操作系統(tǒng)的手機(jī)上。圖2為應(yīng)用程序“HSA Detect”運(yùn)行界面。用戶點(diǎn)擊手機(jī)桌面上的應(yīng)用程序圖標(biāo)后，程序開始運(yùn)行并進(jìn)入主界面(圖2A)，主界面有3個(gè)選項(xiàng)：“Detect”、“Help”和“Quit”。當(dāng)用戶點(diǎn)擊界面上的“Detect”按鈕后，程序進(jìn)入檢測(cè)界面(圖2B)，屏幕上顯示96微孔板矩形預(yù)覽框，使每個(gè)矩形預(yù)覽框與微孔板的微孔對(duì)齊，自動(dòng)聚焦后點(diǎn)擊拍照?qǐng)D標(biāo)按鈕，此時(shí)應(yīng)用程序自動(dòng)調(diào)用智能手機(jī)的相機(jī)拍攝照片，同時(shí)在后臺(tái)自動(dòng)處理圖片和分析數(shù)據(jù)。最后，用戶點(diǎn)擊“Analyze”按鈕，樣品的色度信息以及檢測(cè)結(jié)果將顯示在結(jié)果界面(圖2C)。應(yīng)用程序分析處理的過程首先是將獲得的圖片裁剪，計(jì)算各微孔中心區(qū)域25×25 pixel像素區(qū)域的平均像素強(qiáng)度并將其轉(zhuǎn)換為RGB值，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)樣品的RGB值和濃度值之間的關(guān)系自動(dòng)擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線，最后將待測(cè)樣品的RGB值代入標(biāo)準(zhǔn)曲線得到對(duì)應(yīng)的濃度值，并將檢測(cè)結(jié)果顯示在智能手機(jī)屏幕上。

圖2 智能手機(jī)檢測(cè)HSA的手機(jī)界面Fig.2 Smartphone app interface of HSA detectionA.main menu; B.detection interface; C.results interface

2 結(jié)果與討論

2.1 智能手機(jī)微孔板分析儀成像效果分析

智能手機(jī)攝像頭對(duì)96微孔板進(jìn)行成像時(shí)，正對(duì)手機(jī)攝像頭的微孔可以準(zhǔn)確成像，而邊緣的微孔由于手機(jī)攝像頭視場(chǎng)有限，導(dǎo)致部分孔底光線無法進(jìn)入攝像頭中，從而無法對(duì)其準(zhǔn)確成像。智能手機(jī)微孔板分析儀中手機(jī)攝像頭的位置是固定的，但是每個(gè)微孔到手機(jī)攝像頭的角度和位置都不同，因此，手機(jī)攝像頭對(duì)96個(gè)微孔所成的像均不一樣，導(dǎo)致96個(gè)微孔的背景顏色不一致，無法實(shí)現(xiàn)待測(cè)樣品的準(zhǔn)確比色分析。為解決該問題，采用對(duì)光線具有折射會(huì)聚作用的透鏡，使從微孔板中透射出來的光線經(jīng)過透鏡折射后會(huì)聚到手機(jī)攝像頭中，實(shí)現(xiàn)對(duì)96微孔板中所有微孔的準(zhǔn)確成像。

為了對(duì)使用透鏡前后智能手機(jī)的成像效果進(jìn)行分析，在微孔板的所有微孔中加入濃度、體積均相同的品紅色墨水，然后用智能手機(jī)進(jìn)行拍照。圖3A是手機(jī)直接對(duì)微孔板拍照獲得的圖片，從圖中可以看出邊緣微孔的孔底無法準(zhǔn)確成像，拍照時(shí)會(huì)拍到孔底邊緣，在對(duì)獲得的圖片進(jìn)行顏色分析時(shí)，孔底邊緣會(huì)對(duì)樣品的色度信息產(chǎn)生影響，從而影響樣品檢測(cè)的準(zhǔn)確性。圖3B是使用透鏡后智能手機(jī)對(duì)微孔板拍照獲得的圖片，從圖中可以看出所有微孔均可準(zhǔn)確成像，且所成的像和手機(jī)攝像頭正對(duì)微孔拍照時(shí)的成像一致，可以看到完整的孔底。使用透鏡后智能手機(jī)攝像頭獲得的微孔板圖片中，微孔的背景顏色是孔底的顏色，且所有樣品孔的背景顏色一致，可以滿足數(shù)字圖片比色分析的要求。

圖3 智能手機(jī)直接對(duì)微孔板拍照所獲得的圖像(A)以及放置透鏡后獲得的圖像(B)Fig.3 The image of a microplate directly captured by the smartphone(A) and the captured image of a microplate with a lens(B)

2.2 Tween-20含量的優(yōu)化

Tween-20是一種常用的去離子表面活性劑，參與溴甲酚綠顯色反應(yīng)時(shí)可使反應(yīng)溶液由暗綠色變成桔黃色，降低其在630 nm處的空白吸光度值。為了降低實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)溶液的空白背景，提高檢測(cè)的靈敏度和檢測(cè)范圍，需要確定Tween-20的最佳濃度。實(shí)驗(yàn)中，用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定Tween-20含量為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 μL/mL的溴甲酚綠溶液的吸光度值。結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出，隨著Tween-20含量的增加，溶液630 nm處的吸光度值逐漸下降，當(dāng)Tween-20含量為2.5 μL/mL時(shí)，630 nm處的吸光度達(dá)到飽和，并且溶液的顏色由藍(lán)綠色變成桔黃色。為了保證溴甲酚綠顯色劑的空白吸光度值最小，且Tween-20試劑不過量，確定實(shí)驗(yàn)中Tween-20的最佳含量為2.5 μL/mL。

圖4 溴甲酚綠溶液630 nm處的吸光度和Tween-20含量的關(guān)系Fig.4 Relationship between the absorbance at 630 nm of bromocresol green solution and Tween-20 content

2.3 顏色通道的選擇

智能手機(jī)數(shù)字圖片比色分析通過分析R、G、B值與濃度值之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)濃度測(cè)定，在不同實(shí)驗(yàn)中，R、G、B 3個(gè)顏色通道對(duì)待測(cè)樣品的響應(yīng)變化不同，因此，選擇合適的顏色通道對(duì)保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性具有重要意義。為了確定本儀器測(cè)定HSA溶液的最佳顏色通道，用開發(fā)的分析儀對(duì)HSA標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行拍照分析。在HSA檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，隨著HSA濃度增加,溶液的顏色由黃綠色變?yōu)樗{(lán)綠色，測(cè)定10個(gè)不同質(zhì)量濃度的人血清白蛋白標(biāo)準(zhǔn)樣品，并將顯色完成后的溶液用智能手機(jī)拍照，計(jì)算所獲圖片中檢測(cè)區(qū)域的R、G、B值，并分析顏色值與質(zhì)量濃度之間的關(guān)系。如圖5所示，R值和G值隨著HSA質(zhì)量濃度的增加均表現(xiàn)出很寬的變化范圍，并且與質(zhì)量濃度之間呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別是0.982 2和0.993 0，而B值沒有明顯的線性變化。此外，G值的線性相關(guān)度相比R值的更高，表明在HSA實(shí)驗(yàn)中G值更敏感。因此，用開發(fā)的分析儀測(cè)定HSA濃度時(shí)，顏色通道選擇G通道。

圖5 RGB值隨HSA質(zhì)量濃度的變化Fig.5 Variation of RGB value with HSA mass concentrationA.R value;B.G value; C.B value

2.4 基于智能手機(jī)微孔板分析儀檢測(cè)HSA

為了探究智能手機(jī)微孔板分析儀的準(zhǔn)確性和可靠性，用開發(fā)的分析儀和商用酶標(biāo)儀同時(shí)測(cè)定相同的樣品，并進(jìn)行對(duì)比。配制不同質(zhì)量濃度(21.45 ～60.06 g/L)的HSA標(biāo)準(zhǔn)樣品，將智能手機(jī)測(cè)得的反應(yīng)溶液G值與酶標(biāo)儀測(cè)得的吸光度進(jìn)行比較。如圖6A所示，從圖中可以看出，兩種儀器的測(cè)定結(jié)果之間呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.989 3，證明開發(fā)的分析儀可以準(zhǔn)確檢測(cè)樣品中HSA濃度。此外，正常人體中白蛋白的質(zhì)量濃度范圍為35 ～55 g/L，因此實(shí)驗(yàn)中確立的標(biāo)準(zhǔn)曲線可以滿足實(shí)際檢測(cè)的需求。

圖6 酶標(biāo)儀和智能手機(jī)檢測(cè)結(jié)果的相關(guān)性(A)以及實(shí)際樣品中生化分析儀檢測(cè)結(jié)果和智能手機(jī)檢測(cè)結(jié)果的比較(B)Fig.6 Correlation of the measurement result between microplate reader and smartphone(A) and comparison of smartphone and the clinical analyzer in the detection of human serum samples(B)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所開發(fā)智能手機(jī)微孔板分析儀的實(shí)用性，采用開發(fā)的儀器測(cè)定12個(gè)病人血清樣品中的HSA濃度值，并將檢測(cè)結(jié)果與醫(yī)院全自動(dòng)生化分析儀測(cè)定的結(jié)果進(jìn)行比較。全自動(dòng)生化分析儀的測(cè)定方法和本文方法均為溴甲酚綠法，兩種儀器的測(cè)定結(jié)果如圖6B所示，從圖中可以看出兩者的檢測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)良好的一致性，從而驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)開發(fā)的分析儀可以滿足臨床檢測(cè)的需求，同時(shí)，相比目前使用的全自動(dòng)生化分析儀，所開發(fā)的檢測(cè)儀具有體積小、成本低廉和操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié) 論

研究開發(fā)了基于智能手機(jī)的便攜式96微孔板檢測(cè)技術(shù)與儀器，并利用開發(fā)的儀器實(shí)現(xiàn)了HSA的高通量快速定量檢測(cè)。首次采用大孔徑聚焦透鏡實(shí)現(xiàn)了手機(jī)對(duì)微孔板的全范圍準(zhǔn)確成像，設(shè)計(jì)了面光源為微孔板提供均勻照明，通過3D打印制作了光學(xué)裝置，結(jié)合開發(fā)的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)96微孔板中所有樣品的自動(dòng)分析。利用該檢測(cè)儀器對(duì)HSA標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測(cè)定，檢測(cè)結(jié)果與酶標(biāo)儀檢測(cè)結(jié)果具有高度的線性關(guān)系，證明開發(fā)的分析儀具有良好的準(zhǔn)確性和可靠性。用該儀器實(shí)現(xiàn)了病人血清樣品中HSA的定量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果和醫(yī)院的全自動(dòng)生化分析儀測(cè)定結(jié)果具有良好的一致性，可以滿足臨床中HSA的檢測(cè)需求。該分析儀具有體積小和成本低的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)、基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)和普通用戶家中，實(shí)現(xiàn)HSA的現(xiàn)場(chǎng)快速定量檢測(cè)。