基于智能手机接口的图像识别技术，在新型微吸管尖端平台上实现肌酐测定：从全血样本到肌酐结果的直接检测

《Analytica Chimica Acta》：Smartphone Interfaced Image Based Creatinine Estimation on a Novel Micro Pipette Tip-based Platform: Whole Blood Sample-to-Creatinine Readout

　　沙尚克·库马尔（Shashank Kumar）、乌贾瓦尔·辛格（Ujjawal Singh）、比斯玛·穆什塔克（Bisma Mushtaq）、里图·辛格（Ritu Singh）、达尔门德拉·库马尔（Dharmendra Kumar）、里希·拉姆（Rishi Ram）、塔伦·库马尔（Tarun Kumar）、维杰·辛德（Vijay Shinde）、阿纳布·萨克尔（Arnab Sarkar）
印度瓦拉纳西IIT（BHU）机械工程系

**摘要**
即时诊断设备的迅速发展突显了多种微流控平台，这些平台因其低成本、便携性、即用性和易于操作的特点而受到特别关注，且几乎不需要高技能的人力资源。我们设想开发一种基于微吸管尖端的新型平台，通过指尖采血样本进行单一临床检测来测定肌酐含量。该平台采用便携式微吸管尖端设计，结合智能手机接口的分析系统，能够快速分离血浆并利用比色法检测肌酐。平台内置混合太阳能/交流电驱动的迷你离心机，仅需32微升指尖血样即可高效提取血浆，无需传统实验室设施。分离出的血浆在同一吸管尖端内与碱性3,5-二硝基苯甲酸反应，10分钟内生成稳定的有色复合物，通过非酶促检测方法实现定量分析。结果通过智能手机摄像头捕捉，并通过定制应用程序提取RGB强度值，得出肌酐浓度（单位：毫克/分升mg/dL）。检测限约为0.16 mg/dL，定量限约为0.52 mg/dL。该测试套件与金标准结果高度一致。此外，该设备还具备高纯度血浆分离功能。因此，这种低成本基于微吸管尖端的平台能够实现从样本到结果的快速比色检测，具有极高的准确性，可轻松应用于现场诊断。

**引言**
即时（POC）诊断设备可在数小时内完成检测，不仅可用于食品掺假检测[1]，还可用于从复杂实验室到床边的血液相关病理诊断[2][3][4]，其主要目标是实现快速、低成本的可持续诊断服务，并且仅需少量血液样本[5]。尽管传统的金标准实验室系统可靠性高，但耗时较长，需要专业设备和技术人员，限制了其在即时诊断中的应用。相比之下，微流控设备被视为POC检测的有希望的替代方案[6][7][8]，但作为真正意义上的即时诊断工具的应用仍存在争议[9]。虽然已设计出多种微流控设备用于POC诊断[10][11][12][13]，但这些系统常面临设计复杂、血浆分离步骤多等问题，限制了其现场应用[14]。例如，纸质微流控设备常用于现场血浆分离和检测[15]，但需要额外的制造技术（如蜡印刷、铁模和永磁体）来创建疏水屏障，这会增加成本。然而，血浆产量低且纯度不高。另一种简易纸质微流控设备使用壳聚糖或血型抗体，但这些化学物质需冷藏保存，不适用于偏远地区[16][17]，同时设备对通道设计要求严格，易发生样品蒸发和堵塞问题[18][19]。

肌酐（2-氨基-1-甲基-5H-咪唑-4-酮）是肌肉中肌酸代谢的副产物，是评估肾功能的关键生物标志物，其快速定量对于诊断和管理肾脏疾病至关重要[20][21]。多种方法（如色谱技术、质谱[24]、核磁共振、毛细管区带电泳、化学发光、光谱学和电化学[22][23][24][25][26]）被用于肌酐检测。但这些方法依赖先进的实验室设施、多步骤样本处理和专业技术人员，不适合资源有限的现场应用。近年来，非侵入性（尿液）或最小侵入性（如指尖采血）样本采集技术得到发展，推动了金标准方法向现场应用的转化[27]。Dosso等人开发了Creasensor：一种基于液体封装的自供电微流控泵生物传感器，可在0.67-20 mg/dL范围内有效检测肌酐[28]；Sittiwong和Unob开发了纸质比色平台，检测范围为1-6 mg/dL[29]；Tseng等人提出了基于Jaffe反应的3D μPAD平台用于全血肌酐检测[30]；Ram等人将相同反应原理应用于便携式离心机驱动的Lab-on-a-Disc平台[31]。然而，早期用于肌酐检测的POC平台存在以下问题：
a) 多数平台使用静脉血，需依赖高技能人员；
b) 血浆分离需持续电力供应，限制了现场应用；
c) 大多数平台采用单点Jaffé反应而非双点Jaffé反应，导致选择性不足，影响准确性；
d) 现有平台无法在同一检测过程中同时分离和检测血浆；
e) 大多数平台依赖复杂仪器。

而在金属微提取领域，基于微吸管尖端的平台几乎不存在上述问题[33]，这类平台在化学和生物应用中作为微型传感器非常受欢迎[34]，但其在全血样本检测中的应用尚未充分探索。受此启发，我们设计了基于微吸管尖端的简易、低成本微流控平台，用于即时诊断。该平台使用常见实验室耗材，并与智能手机应用集成，可即时提供结果。设备集成了离心分离血浆和比色检测功能，可在单台设备中完成所有步骤。离心模块采用混合电源（交流电/太阳能），确保在实验室和资源有限环境中稳定运行。

**结论**
本研究提出了一种紧凑、低成本的基于微吸管尖端的微流控平台，可实现指尖采血、血浆分离和比色检测。该平台结合DNBA检测方法和智能手机图像分析，直接从全血中定量肌酐，检测限为0.16 mg/dL，定量限为0.52 mg/dL，并经过金标准验证。

**作者贡献声明**
里图·辛格（Ritu Singh）：撰写、审稿与编辑；
里希·拉姆（Rishi Ram）：实验研究、验证；
达尔门德拉·库马尔（Dharmendra Kumar）：软件开发、验证；
维杰·辛德（Vijay Shinde）：监督、撰写、审稿与资金获取；
塔伦·库马尔（Tarun Kumar）：实验研究、资源协调；
沙尚克·库马尔（Shashank Kumar）：概念设计、方法论、数据管理、正式分析、实验研究、初稿撰写；
阿纳布·萨克尔（Arnab Sarkar）：概念设计、实验研究、监督、资金获取、审稿与编辑；
比斯玛·穆什塔克（Bisma Mushtaq）：实验研究。

**利益冲突声明**
作者声明无可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢印度科技部（DST）和IIT（BHU）的I-DAPT Hub基金会提供的财政支持，以及IIT（BHU）Ruchi Chawla博士领导的挑战项目资助，这些支持促进了研究的完成。同时感谢印度空间研究组织（ISRO）的协助。