用于高质量微尺度等离子体分离的腕式球形等离子体分离装置

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Wrist ball plasma separation device for high quality microscale plasma separation

血浆分离关键步骤，传统离心机存在设备昂贵、需电力、样本量大等问题。本文创新性提出基于腕球的离心分离装置（WPSD），利用手动驱动实现7300rpm高速旋转，结合Boycott效应提升分离效率，在90秒内完成5微升全血分离，获得纯度99.9%、产率100%的高品质血浆，且溶血率低，适用于无稳定电力资源的地区快速血检。

　　本文介绍了一种基于手腕球的微尺度血浆分离装置（WPSD），该装置能够通过离心力实现无电力驱动的血浆分离，为资源匮乏地区提供了一种低成本、高效率的点对点（POC）血液检测方法。血浆作为血液的液体成分，在临床诊断中具有重要价值，常用于检测血糖、癌症标志物等关键指标。然而，传统离心方法存在设备昂贵、体积大、依赖电力等问题，限制了其在偏远地区和基层医疗环境中的应用。因此，开发一种简单、经济、便携且无需电力的血浆分离方法成为研究的重点。

本文提出了一种创新性的解决方案，利用手腕球作为离心装置，通过人体手动操作实现血浆的高效分离。手腕球作为一种常见的健身器材，具有结构简单、成本低廉、易于获取等优点。实验中，通过在手腕球上钻孔并插入透明聚丙烯（PP）塑料管，装入全血样本后，通过左右手的摆动使手腕球迅速旋转并加速至约7300转每分钟（rpm）的速度。这种旋转速度所产生的离心力达到了约1212倍重力加速度（g），远高于传统离心机的约503.1g，从而显著提升了血浆分离的效率和纯度。

此外，研究团队还利用了Boycott效应来进一步优化血浆分离性能。Boycott效应是一种在离心过程中，由于离心管中液体的流动特性，使得液体在离心管底部形成一个相对静止的区域，从而加快了血浆的分离过程。通过这种效应，WPSD能够在90秒内实现高达99.99%的血浆纯度和接近100%的血浆回收率，且仅需约5微升的全血样本。这表明，WPSD不仅在分离速度和效率上优于传统方法，还极大地减少了对血液样本的需求，使得该技术更加适用于资源有限的医疗场景。

在血浆分离过程中，血红细胞（RBCs）由于密度较高，会迅速沉降到离心管底部，而血浆则因密度较低，会相对集中在离心管的上部。这种分离方式避免了传统离心方法中因长时间高速旋转导致的细胞破裂（溶血）问题，同时保持了血浆的完整性。实验结果显示，WPSD分离的血浆溶血水平与传统离心方法相当，进一步证明了其在血浆质量上的优势。

除了高效的血浆分离能力，WPSD还展示了其在实际应用中的潜力。研究团队利用分离后的血浆进行基于距离的血糖浓度检测，这种方法通过观察血浆颜色的变化，无需复杂仪器即可直接读取血糖浓度。这种直观、简便的检测方式为快速诊断提供了新的思路，尤其是在缺乏专业设备的基层医疗机构中，具有显著的实用价值。

WPSD的开发不仅解决了传统离心方法的诸多局限，还融合了日常生活中常见的物品，使得技术更加贴近实际应用需求。这种基于人体动力学的创新设计，体现了跨学科研究在医疗技术领域的应用前景。通过将手腕球的旋转原理与血浆分离技术相结合，研究团队成功实现了无电力驱动、低成本、高效率的血浆分离，为推动便携式医疗设备的发展提供了新的方向。

在研究过程中，实验材料的选择也体现了对实际应用的考虑。手腕球来源于市场上的普通健身器材，透明聚丙烯塑料管和滤纸等材料则易于获取且成本低廉。这种材料的选用不仅降低了设备的制造成本，还确保了装置的便携性和可重复使用性。实验中使用的D-（+）-葡萄糖作为测试样本，其分离效果和检测准确性得到了充分验证，为后续的临床应用奠定了基础。

从实验结果来看，WPSD在血浆分离效率、纯度以及溶血控制方面均表现出色。其分离速度和纯度均优于现有的手动离心装置，如早期的“蛋打器”式手动离心机，其旋转速度约为1200rpm，血浆回收率为58%；“扭力球”式的离心装置虽然能够实现类似的分离效果，但其旋转速度仍低于WPSD。相比之下，WPSD的旋转速度更快，分离时间更短，且能够实现更高的血浆回收率和纯度。这些优势使得WPSD成为一种极具潜力的替代方案，尤其适用于需要快速、准确、低成本血浆分离的场景。

此外，WPSD的结构设计也具有一定的灵活性和可调整性。通过调整手腕球的旋转方式和离心管的布局，可以进一步优化分离效果。这种设计思路不仅适用于血浆分离，还可能拓展到其他微尺度液体分离领域，如细胞分离、微生物检测等。未来的研究可以进一步探索WPSD在不同血液样本和不同检测需求下的适用性，以及如何通过改进装置结构来提升其性能。

从技术角度来看，WPSD的创新点在于将日常物品转化为高效的医疗设备。这种思路打破了传统医疗设备的界限，使得技术开发更加贴近用户需求和实际应用场景。同时，WPSD的使用方式也更加人性化，不需要复杂的操作流程，只需通过简单的左右手摆动即可完成分离过程，降低了对专业操作人员的依赖，提高了设备的普及性和易用性。

在实际应用中，WPSD可以与其他便携式检测设备相结合，形成一体化的点对点血液检测系统。这种系统不仅可以用于血糖检测，还可以用于其他血液指标的快速分析，如乳酸、电解质、炎症因子等。通过将血浆分离与检测技术集成，可以提高诊断的准确性和效率，减少检测时间和成本，为基层医疗和偏远地区的健康监测提供有力支持。

从研究背景来看，随着全球医疗资源分配不均的问题日益突出，开发适用于资源匮乏地区的医疗技术成为迫切需求。WPSD的出现正好填补了这一空白，为发展中国家和偏远地区提供了一种可行的解决方案。相比传统的离心设备，WPSD不仅减少了设备的依赖性，还降低了对电力供应的需求，使得其能够在没有稳定电力的环境中正常运行。这种无电力驱动的特性，使得WPSD在应急医疗、野外作业和基层医疗等场景中具有广泛的应用前景。

总体而言，WPSD作为一种创新性的血浆分离装置，具有显著的优势。其低成本、无电力驱动、高效分离和易于操作的特点，使其成为点对点血液检测的理想选择。此外，该装置的成功应用也表明，通过将日常物品与科学研究相结合，可以创造出具有实际价值的医疗解决方案。未来，随着进一步的技术优化和临床验证，WPSD有望在更广泛的医疗领域中得到推广和应用，为全球健康事业做出贡献。