中心議題：

• 智能化的便攜式流感診斷係統

解決方案：

• 使用NI公司的CompactDAQ硬件係統
• LabVIEW軟件來創建小型熱循環儀

 "利用NI公司的Compact DAQ硬件係統，以及用於控製和數據分析的LabVIEW圖形化係統設計軟件
，我們創建了一個小型且便攜式的係統。"

Hsieh Tseng Ming James, Institute of Bioengineering and Nanotechnology, A-Star

The Challenge:

開發一個比傳統係統更加易於使用的，易於攜帶的，並且成本更低廉的小型熱循環儀。

The Solution:

使用NI公司的CompactDAQ硬件係統和LabVIEW軟件來創建小型熱循環儀，並且憑借USB接口的即插即用功能，以執行實時的聚合酶鏈反應。

聚合酶鏈反應（PCR）rexunhuanshijinxingfenzizhenduandehuangjinzhunze。raner，zaiyingduiliugandaliuxingfangmian，quanqiusuomianlindezhuyaotiaozhanshizhiyouzhuanyerenyuancainengjinxingyouxiaodezhenduanceshi。ciwai，shangyeshangkeyongderexunhuanyiyezhinengyongyushiyanshihuanjingshiyong，yinci
，womenhennanduiqijinxingcaozuo
，yaojiangshangyongrexunhuanyideyingyonglingyukuodadaojinjiqingkuangxia，yijigonggongjiancezhan，lirujichang，qibenzhongqieangguidetexingwuyishiyigezhangai。yinci，poqiexuyaowomenkaifayizhongbianyide
，kexiedaide，qiekerenyishiyongdefenzizhenduangongju。

為(wei)了(le)提(ti)供(gong)靈(ling)活(huo)的(de)，成(cheng)本(ben)低(di)廉(lian)的(de)診(zhen)斷(duan)係(xi)統(tong)，我(wo)們(men)在(zai)新(xin)加(jia)坡(po)生(sheng)物(wu)工(gong)程(cheng)和(he)納(na)米(mi)技(ji)術(shu)研(yan)究(jiu)所(suo)的(de)研(yan)究(jiu)小(xiao)組(zu)開(kai)發(fa)了(le)一(yi)個(ge)小(xiao)型(xing)診(zhen)斷(duan)係(xi)統(tong)，該(gai)診(zhen)斷(duan)係(xi)統(tong)采(cai)用(yong)美(mei)國(guo)疾(ji)病(bing)控(kong)製(zhi)和(he)預(yu)防(fang)中(zhong)心(xin)（CDC）所推薦的PCR技術來檢測傳染性急病。我們的係統從實時PCR到病毒基因目標鏈的檢測對整個診斷過程進行整合與自動化
，以執行數據的分析。

通過使用NI 公司的CompactDAQ硬件係統，以及用於控製和數據分析的LabVIEW圖形化係統設計軟件作為我們的解決方案，我們創建了一個小型且便攜式的係統。該係統由一個較小的珀爾帖器（溫度裝置）
，電源供應器（能量裝置），和具有USB接口即插即用功能的光檢測器（光學裝置）構成。

womenderexunhuanyishibianxieshide，wanquanzidonghuade，qiekeyongyuzaizhongyaochanghezhongdaguimojiankangjianzhadeqingkuangxiashiyong
，liruzaijichangjianzhazhankongzhichuanranxingjibingdechuanbo。xitongzidonghuashikekaozhenduandeyigeguanjianyoushi，yinweiliugandaliuxingkenenghuizaipianyuandiqufasheng，nalikenengmeiyoushouguozhuanyexunlianderenyuanchulishiyanyangpin。ciwai

，xitongzidonghuadeshixiandadajiangdilerenlihepeixunfeiyong。

利用該係統同時運行包含預加載PCR反(fan)應(ying)物(wu)的(de)三(san)個(ge)聚(ju)合(he)物(wu)，從(cong)抽(chou)樣(yang)到(dao)結(jie)果(guo)所(suo)花(hua)費(fei)時(shi)間(jian)不(bu)到(dao)一(yi)小(xiao)時(shi)
，並(bing)且(qie)允(yun)許(xu)采(cai)用(yong)大(da)量(liang)生(sheng)物(wu)的(de)多(duo)樣(yang)性(xing)。利(li)用(yong)熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)的(de)實(shi)時(shi)溫(wen)度(du)反(fan)饋(kui)，一(yi)個(ge)內(nei)部(bu)比(bi)例(li)積(ji)分(fen)微(wei)分(fen)(PID)xinpianlaichuliwendukongzhi。gaikongzhiqiyouyigebuchangqi

，shuchuzhuangzhihechuanganqifankuixinhaozucheng，fankuixinhaoduiyukongzhijiareqishuchugonglv，yijibaochiwendushihenbiyaode。shiyongLabVIEW軟件，我們對圖形用戶接口進行編程，以顯示實時溫度
，設置溫度，並且顯示來自三個通道的實時PCR結果 (如圖1A所示)。 係統配置

整個集成係統的配置包括執行PCR係統運行和反應的循環溫控係統、固定安裝的三個藍色LED光源、排布於LED至光電倍增管(PMT)光路之間用於實時光學探測的相關透鏡和濾波器。係統中包括一組銅製或黃銅製的加熱室
，與放置樣本的聚合體反應室集成在一起。

LabVIEW是係統構架的核心
，中心處理器單元的設計專門針對執行由LabVIEW預編寫的指令
，可用於控製係統啟動和健康檢查、PCR運行的熱量循環控製

、和多路複用熒光信號的光學檢測。
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在PCR處理的循環溫控過程中，係統於退火循環的最後一秒進行光學檢測。三個LED同時由來自NI 9265模擬輸出模塊的電流驅動依次點亮
，每個LED持續發光200 ms
，在下一個LED燈點亮前熄滅當前LED燈。

特殊設計的裝置用於聚焦和引導LED光路傳輸。光在照射到放置DNA樣本的反應室之前要先通過一個濾波器。光線在到達PMT之前還需通過一係列透鏡和濾波器，最後由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據集的均值
，來自PMT的信號被放大並處理。之後將向用戶顯示數據，並通過主用戶菜單將該數據連續更新於三個獨立的曲線圖中(見圖2)。 PCR混合物被置於聚碳酸酯PCR反應室中

，並加油以防止蒸發。PCR在以下溫度條件下完成：95 °C下持續20秒(Taq聚合酶活化) 、50 次循環的放大(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程序記錄每次循環中DNA複製發出的熒光。

穩定性和重用性

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。在實現過程中，需要在94 °C下進行40至50次循環的熱變
，在60 °C下進行退火，在60 °C下進行延伸。整個過程的關鍵點在於精確的溫度控製，保持2 °C/s的溫度上升率
，以避免產生或放大錯誤的DNA序列。　

我們使用LabVIEW來控製獨立的高端和低端參考輸出通道
，並采用一塊由高速金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)組成的電路，設計並製造了片上加熱方案，實現了PWM實時控製。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。對於每一路的溫度設置
，過衝小於1 °C，並且穩定性保持在±0.1 °C。

結果與結論

我們使用1至104的TaqMan探針
，通過連續稀釋的甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)互補DNA(cDNA)  來確認PCR的實時探測性能。結果證實，從Ct曲線中確定的敏感度與市場上的實時熱循環儀(圖1B)性能相當。

與市麵上其它的熱循環儀相比，我們的係統更緊湊、便攜性更高，且恒溫性更好(表1)。係統的便攜性使其在大範圍流感爆發的早期發揮更大的作用。同時，該診斷係統非常適合在門診、急診室、公共檢查站點等地使用。此外，由於其便攜性好、價格低、體積小、且使用方便等特點
，該熱循環儀在食品安全方麵具有潛在的優勢。