基于图像分析与低成本光学透射的双相微流控系统凝集定量检测技术研究

本研究创新性地将图像分析与低成本光学透射技术结合，在双相Lab-in-Tubing微流控平台上实现了0.0128-5000 μg/mL宽浓度范围内凝集反应(agglutination)的精准定量。通过MATLAB图像处理与线断传感器(LBS)光学测量协同算法，对链霉亲和素包被磁珠(Streptavidin-coated Dynabeads)与生物素化牛血清白蛋白(bBSA)反应体系进行三浓度区间分类，准确率达97.9%，为微流控诊断提供了高性价比解决方案。

　　

在生物医学检测领域，凝集反应(agglutination)作为抗体-抗原特异性结合的重要表征手段，广泛应用于血型鉴定、病原体检测等场景。然而传统检测方法面临两大瓶颈：单相微流控系统难以实现宽动态范围检测，而多模式检测技术又受限于高昂成本。这一矛盾在资源有限场景尤为突出，制约了精准诊断技术的普及。

针对这一挑战，The University of British Columbia（英属哥伦比亚大学）的Abdul Basit Zia团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表研究，开发出基于聚四氟乙烯(PTFE)管道的双相Lab-in-Tubing微流控平台。该平台创新性地融合图像分析与低成本光学传感技术，通过分析液滴内磁珠聚集状态实现0.0128-5000 μg/mL超宽浓度范围的凝集定量。关键技术包括：1）采用3D打印喷嘴生成含梯度浓度Streptavidin-coated Dynabeads与bBSA的液滴；2）MATLAB图像算法提取21维特征参数；3）线断传感器(LBS)实时监测光学透射率变化；4）建立多参数贝叶斯分类算法(MBBS)实现三浓度区间自动分类。

【材料与方法】
研究团队设计双相流动系统，通过矿物油载体在PTFE管(内径0.556 mm)内生成连续液滴。每个液滴包含不同比例的Dynabeads M-270 Streptavidin与生物素化BSA(bBSA)，形成0.0128-5000 μg/mL浓度梯度。检测系统由USB显微镜(500 fps)和LBS传感器构成，同步采集液滴图像与透光信号。

【结果】
图像分析单独使用时，可100%区分凝集/非凝集液滴，并将浓度划分为三个区间：Band 1(0.0128-0.32 μg/mL)、Band 2(1.6-40 μg/mL)和Band 3(200-5000 μg/mL)，准确率达97.5%。结合LBS光学数据后，MBBS算法将分类准确率提升至97.9%。研究首次证实，液滴长宽比(aspect ratio)与灰度标准差(Grayscale STD)是区分Band 1与Band 2的关键参数，而Band 3可通过透光率骤降特征识别。

【讨论与结论】
该研究突破传统单相微流控的检测局限，通过双相系统实现三大创新：1）将检测下限延伸至0.0128 μg/mL；2）利用低成本LBS传感器(<5美元)替代昂贵光谱仪；3）开发出适用于宽浓度范围的通用分类算法。特别值得注意的是，系统对Band 3(高浓度区)的识别准确率高达99.3%，完美解决了"前带现象(prozone effect)"导致的假阴性难题。这种"图像+光学"双模态策略为即时诊断(POCT)设备开发提供了新范式，其模块化设计更便于适配不同检测场景。正如作者Ian G. Foulds强调的，该技术路线兼具实验室级精度与产业化成本优势，在传染病快速筛查、环境监测等领域具有重大应用潜力。