低成本、体积可控的试纸条尿液分析法用于家庭检测

摘要

试纸尿液分析是一种快速且经济的评估个人健康状况的方法。本文介绍一种准确、低成本的试纸尿液分析方法，可消除传统浸入-擦拭操作流程中的主要误差来源，且操作简便，非专业人员在家中即可完成。

摘要

尿液试纸分析可快速且经济地评估多种生理状况，但其准确使用需要良好的操作技术和培训。人工进行尿液试纸分析依赖于正常的色觉、适当的光照条件，并需在限时内与比色卡进行易出错的颜色比对。通过自动化尿液试纸分析的关键步骤，可消除潜在的误差来源，从而实现家庭自测。本文描述了在任何环境中构建可定制自动化尿液分析设备所需的步骤。该设备制造成本低，组装简单。我们详细说明了针对所选试纸类型进行设备定制，以及定制手机应用程序以分析检测结果的关键步骤。我们演示了该设备在尿液分析中的应用，并讨论了确保设备稳定运行所必需的关键测量和制造步骤。随后，我们将所提出的方法与“浸入-擦拭”法（即尿液试纸分析的金标准技术）进行了比较。

引言

尿液是一种无创性的多种疾病或健康代谢指标来源。尿液分析（尿液的物理和/或化学分析）可快速进行，用于检测肾脏疾病、尿路疾病、肝脏疾病、糖尿病以及总体水合状态¹。尿液分析试纸条是一种价格低廉、半定量的诊断工具，其原理基于比色变化来提示近似的生理水平。每条试纸条可进行多种检测，包括pH、渗透压、血红蛋白/肌红蛋白、血尿、白细胞酯酶、葡萄糖、蛋白尿、亚硝酸盐、酮体和胆红素²。试纸条尿液分析的原理依赖于定时反应的发生，通过将试纸条上试剂垫的颜色变化与比色卡进行比较，从而确定待测物的浓度³。由于其价格低廉且使用方便，试纸条已成为医疗保健中尿液分析最常用的工具之一。

传统上，试纸条尿液分析依赖经过培训的护士或医学技术人员手动将试纸条插入盛有尿液样本的容器中，擦去多余的尿液，并在特定时间将试纸上的色块与比色卡上的颜色进行比对。尽管“浸入-擦拭”法是试纸条分析的金标准，但其依赖人工视觉判断的特性限制了可获得的定量信息。此外，试纸条尿液分析的两个手动步骤——浸入-擦拭步骤和比色结果比对——均需要准确的操作技术，这限制了患者在家庭环境中直接进行可靠检测的可能性。由于擦拭操作可能导致样本垫之间的交叉污染，从而引起颜色变化不准确。另外，擦拭过程中缺乏体积控制，可能导致样本量不一致，进而影响分析物浓度的准确测定。尤为重要的是，将试纸条浸入尿液（即检测开始）到与比....

方案

1. 制备并组装尿液分析装置

1. 制作底板（图1A）。
   1. 使用计算机辅助设计（CAD）软件，通过多段线工具绘制一个尺寸为 2.1641 英寸 × 0.0547 英寸 × 6.3828 英寸（宽 × 高 × 长）的矩形区域。
   2. 测量试纸条上的测试区域（包含第一个和最后一个测试垫之间距离以及测试垫宽度的矩形区域）。
      注：此信息用于绘制固定试纸条并分隔各测试垫间液体的通孔（以防止交叉污染）。
   3. 添加与测试区域中每个测试垫大小和位置相对应的通孔。
   4. 绘制两个凸起的侧边凸缘，尺寸为 2.1641 英寸 × 0.6797 英寸（宽 × 长）。
   5. 使用多段线工具绘制一个止挡块（尺寸为 0.1172 英寸 × 0.2109 英寸，宽 × 长），以方便底板与滑块之间的对齐。该止挡块应垂直于凸缘，并在物理上阻止滑块移动超过尿液试纸条的测试垫。
   6. 使用 Region 命令选择止挡块和凸缘的线条，将其合并为一个区域；然后使用 Extrude 命令将该区域向上拉伸至 0.0703 英寸的高度。在设备的另一侧重复此步骤。
   7. 在两个凸缘上均制作一个凹槽（尺寸为 0.1895 英寸 × 0.3500 英寸，宽 × 长），以方便与盒子对齐。凹槽位置应距离凸缘底边 ....

结果

图4展示了在尿液分析测试中尿液如何转移到试纸上。在常规测试中，由于盒子遮挡了视线，无法观察到尿液的转移过程。当使用移液器将样本加入进样口后（步骤3.1），尿液会填充载玻片上的孔洞（图4A）。图4B和图4C分别显示了尿液在板套上逐步移动的过程，以及载玻片与挡块接触后的状态。请注意，尿液与试纸接触后会在试纸垫上引发比色反应并产生颜色变化。

图5 展示了在转移尿液的表面（即底板、顶板和滑片）未充分喷涂疏水喷雾时可能出现的问题。图5A 显示了喷涂良好与喷涂不良的滑片示意图。若喷涂不充分，在滑动步骤中可能会观察到条纹状痕迹（如 图5B 中白色箭头所示），从而降低转移体积的准确性。.......

讨论

传统的试纸条尿液分析法经济便捷，但需要人工仔细操作才能获得准确结果。人工尿液试纸条分析易受光照条件变化、个体颜色辨识差异以及交叉污染的影响。许多诊所和医院已配备可自动进行尿液试纸条分析的仪器，但这些仪器通常体积庞大、价格昂贵，且仍依赖于正确的浸入-擦拭操作方法。此外，这些仪器需要每年校准和维护，以确保结果准确。

该方案通过自动化并控制试纸条尿液分析中的多个关键步骤（例如，将液体分配至测试垫、起始时间的控制、光照条件的管理以及与参考标准进行定量比较），从而获得可靠的结果。为此，方案中的关键步骤涉及设备的设计，包括步骤1.4.3、1.1.4、1.4.7和1.1.5，这些步骤分别确保通孔的尺寸与所需体积相匹配、止挡件的正确放置以使通孔与试纸条对齐、作为计时指示器的二维码的准确定位，以及防止环境光对测试造成干扰。此外，尿液通过滑片并随后沉积到试纸条上的过程高度依赖于所用材料的表面特性。因此，若基板、上盖板和滑片采用非疏水性表面，则必须喷涂足量的疏水喷雾。尤其关键的是，必须确保滑片通孔的内表面已被充分喷涂，以便液体在滑落后能滴落到试纸条的测试垫上。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
黑色浇铸亚克力板 12" x 24" x 1/8"	McMaster Carr	8505K742	$14.27
图表贴纸	Stickeryou.com		$12.39
透明抗刮擦和抗紫外线浇铸亚克力板 12" x 24" x 1/16"	McMaster Carr	8560K172	$9.52
一次性聚乙烯移液管	Fischer Brand	13-711-9AM	批号：14311021
Fortus ABS-M30	Stratasys	345-42207	批号：108078
Githut: https://github.com/Iftak/UrineTestApp
Innovating Science - 尿液分析诊断试剂盒替换液（IS3008）	Amazon		$49
不发白的亚克力胶粘剂 Scigrip 4，4 盎司罐装	MCM	7517A1	$9.22
Rust-Oleum 274232 防粘处理底漆-9 盎司和面漆 9-盎司，磨砂透明	Amazon	颜色：磨砂透明	$6.99
尿液分析试纸条 10 项（100 次测试）MISSION 品牌	Medimpex United, Inc	MUI-MS10	$10.59