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低成本、体积可控的试纸条尿液分析法用于家庭检测

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DOI：

10.3791/61406

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2021年5月8日

 ,  , 
1Vanderbilt Biophotonics Center and Department of Biomedical Engineering, Vanderbilt University, 2Department of Electrical Engineering and Computer Science, Vanderbilt University

本文内容

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）到与比色卡进行比对之间的时间间隔对于结果的准确分析至关重要，也是人为误差的一个主要潜在来源。手动比色比对的难点在于，多个色块必须同时读取，而某些色块又需在不同时间点读取。即使比色时间完全准确，其结果仍依赖于操作者的视觉敏锐度，而操作者可能存在色盲，或在不同光照环境下对颜色的感知存在差异4。这些挑战解释了为何临床医生只能依赖经过培训的专业人员进行试纸条尿液分析。然而，自动化尿液分析系统可通过消除手动浸入-擦拭步骤、引入时间控制机制，并实现与校准后比色参考的同步颜色比对，从而解决上述所有问题。这将进一步减少用户误差，使该技术有望在家庭环境中推广应用。

在过去的20年中，自动分析仪已被用于读取尿液试纸检测结果，其准确性达到或超过了目视分析5。许多诊所和医生办公室使用此类设备快速分析并打印传统的试纸检测结果。大多数尿液分析仪可最大限度地减少目视检查误差，并确保结果的一致性6。这些设备操作简便，比人工检查更高效，但仍要求使用者正确执行浸入-擦拭操作步骤。因此，这些仪器供未经培训的人员（如家庭用户）操作的能力有限；此外，其价格极为昂贵。

近年来，手机已成为多种生物比色检测的有力工具7,8,9,10，包括尿液分析11,12,13。由于其具备远程传感能力和高成像分辨率，手机已发展为有效的医疗健康分析设备14,15。事实上，美国食品药品监督管理局（FDA）已批准了多款基于智能手机的家用尿液检测产品16,17,18。一些新型市售智能手机产品采用了成熟的尿液分析试纸条，而另一些则使用专有的比色垫。所有此类产品均采用专有方法，以校准不同型号手机在不同光照条件下的差异。然而，这些解决方案存在一个问题：用户除了需正确执行手动浸渍-擦拭操作（即避免交叉污染）外，还必须在合适的时间手动拍摄图像。值得注意的是，这些检测均未控制滴加到试纸条上的尿液体积，而我们发现这会影响显色反应19及最终解读的生理结果。当前这些设备在工作流程中存在的不足与成本问题，提示有必要进一步开发一种无需人为干预、可精确控制尿液体积的沉积方法，并实现试纸条摄影的免手持操作。

我们描述了一种无需手动浸入-擦拭步骤的体积控制型自动化试纸条尿液分析方案。该自动化过程的关键在于一种设备19，其基本原理基于 SlipChip20，利用表面化学效应在不同层之间转移液体。简而言之，转移滑片及其周围板套上的疏水涂层迫使液体在装置内无阻力地移动，当滑片到达最终位置时，液体被释放到试纸条的检测垫上，此时底部的疏水屏障已被空气取代。此外，配套的遮光盒可标准化光照条件、相机视角以及对焦距离，以确保获得不受环境光照影响的准确且可重复的结果。配套的软件应用程序可自动完成图像采集和比色分析。在本方案描述之后，我们提供了在不同条件下尿液分析测试的代表性结果。与标准的浸入-擦拭方法相比，本方法表现出良好的可靠性。

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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 0.466 英寸。使用 Region 命令创建矩形，并将拉伸高度设为 0.1250 英寸。
    8. 使用 Solid Subtract 命令，先选择设备主体，按 Enter，再选择凹槽区域，再次按 Enter。在设备的另一侧重复此操作。
      注：该形状将从设备中被移除。
    9. 使用 3D 打印机打印底板，并用砂纸打磨两个凸缘之间的顶面区域，使表面粗糙化。
      注：打磨至关重要，以确保疏水涂层能够牢固附着在底板上。
    10. 用胶带覆盖凸缘（避免喷涂到凸缘），然后对底板喷涂疏水涂料。在底板上喷涂多层（4–8 层）底漆。喷涂时，喷罐应距离底板约 8–12 英寸。干燥后，设备应呈现乳白色外观。
      警告：喷涂时请遵循制造商关于合适场所和个人防护装备（PPE）的说明。
    11. 等待 30 分钟后，多次喷涂面漆（6–8 次）。使用前让底板干燥 12 小时。从凸缘上移除胶带。
  2. 制作顶板（图1B）。
    1. 在 CAD 软件中使用多段线工具绘制一个尺寸为 2.05 英寸 × 5.470 英寸（宽 × 长）的矩形区域。
    2. 添加一个略大于试纸条测试区域的矩形通孔（“观察通孔”），例如 0.230 英寸 × 3.147 英寸（宽 × 长）。将其置于顶板顶部边缘下方 0.921 英寸、左侧边缘右侧 1.165 英寸、右侧边缘左侧 1.165 英寸处。
    3. 绘制第二个通孔（“进样孔”），尺寸为 0.075 英寸 × 3.146 英寸（宽 × 长）。将其置于顶板底部边缘上方 0.236 英寸、顶部边缘下方 1.737 英寸、左右边缘内侧各 1.162 英寸处。
    4. 使用激光切割机从透明亚克力板上切割出顶板。清除残留的灰尘或碎屑。
  3. 制作进样盖（图1B）。
    1. 在 CAD 软件中使用多段线工具绘制一个尺寸为 0.247 英寸 × 3.3378 英寸（宽 × 长）的矩形区域。在进样盖两侧边缘附近（距边缘约 0.073 英寸）各添加一个直径为 0.127 英寸的圆形通孔。
    2. 使用激光切割机从透明亚克力板上切割出进样盖。
  4. 制作滑块（图1C）
    1. 在 CAD 软件中使用多段线工具绘制一个尺寸为 2.771 英寸 × 0.0625 英寸 × 5.000 英寸（宽 × 高 × 长）的矩形区域。
    2. 添加与测试区域中每个测试垫位置相匹配的通孔。第一个通孔为 0.105 英寸见方，应与第一个测试垫重叠：距离滑块左右边缘各 1.096 英寸，距离顶部边缘 0.960 英寸，距离底部边缘 1.681 英寸。根据所选试纸条品牌的需求添加更多通孔（通常共 10 个），后续每个通孔之间的间距应根据试纸条上测试垫的实际间距确定。
      注：通孔尺寸至关重要，以确保向试纸条垫上准确滴加液体体积。对于本实验所用品牌的试纸条，我们设计的通孔可在每个测试垫上沉积 15 µL 液体。
    3. 使用激光切割机从透明亚克力板上切割出滑块。清除残留的灰尘或碎屑。
    4. 对滑块正面喷涂疏水涂料。在滑块上喷涂多层（6–8 次）底漆。喷涂时，喷罐应距离滑块约 8–12 英寸。
    5. 等待 30 分钟后，多次喷涂面漆（8–12 次）。使用前让滑块干燥 12 小时。
    6. 从在线二维码生成器下载二维码，并将所需二维码打印在带粘性背衬的纸上。将二维码放置在第一通孔右侧 0.17 英寸处，与所有通孔处于同一行。
      注：只要二维码紧邻通孔，其精确位置并不重要。
    7. 使用透明胶带覆盖二维码并将其固定在滑块上。
  5. 组装进样口和板套（图1D）。
    1. 使用亚克力胶水将进样盖粘接到顶板的进样孔位置，完成进样口的制作。等待 24–48 小时，以确保部件牢固粘合。
    2. 进样盖牢固粘合后，对顶板背面喷涂疏水涂料。将顶板倒置放置，喷涂多层（4–8 次）第一层底漆。
    3. 喷罐距离顶板 8–12 英寸，喷涂后等待 30 分钟干燥，然后多次喷涂面漆（6–8 次）。使用前让顶板干燥 12 小时。
    4. 通过亚克力胶水将已完成的顶板粘接到底板的凸缘上，组装板套（即顶板与底板的组合体）。这两个部件可通过目视轻松对齐，因为顶板的底边将与底板的底边对齐。在干燥过程中，使用夹具固定底板凸缘，并根据制造商说明等待 24–48 小时后再使用。
  6. 制作色卡贴纸。
    1. 从制造商网站下载所用试纸条品牌的比色卡。
    2. 在图形编辑软件中打开下载的文件。
    3. 在图形编辑软件中打开此前用于激光切割的顶板模板数字文件（本方案第 1.2 步）。
    4. 通过匹配制造商比色卡中的颜色块来创建色卡贴纸的颜色方块。在图形编辑软件中使用取色工具选中制造商比色卡中的第一个颜色块，然后使用矩形工具在顶板模板的相应行（即试纸条垫所在行）上绘制相同颜色的方块。对每个对应测试垫行的颜色块重复此操作。
    5. 删除与顶板模板相关的图层。
    6. 通过在线贴纸打印服务将色卡贴纸打印为乙烯基贴纸。将色卡贴纸贴到板套上，并与各个通孔对齐。
  7. 制作盒子（图1E）。
    1. 在 CAD 软件中绘制两个长边盒片（部件“a”和“b”），为尺寸 4.92 英寸 × 6.63 英寸（宽 × 长）的矩形。在部件“a”的底边中央添加一个尺寸为 0.2 英寸 × 6.11 英寸（宽 × 长）的切口。
    2. 在 CAD 软件中绘制两个短边盒片（部件“d”和“e”），为尺寸 1.805 英寸 × 6.63 英寸（宽 × 长）的矩形。
    3. 将盒盖（部件“c”）绘制为尺寸 1.805 英寸 × 6.63 英寸（宽 × 长）的矩形。在盒盖上绘制“成像通孔”：尺寸为 0.74 英寸 × 0.910 英寸（宽 × 长），位置距离底部 3.17 英寸、顶部 2.53 英寸、右侧边缘 0.65 英寸、左侧边缘 0.42 英寸。
      注：成像通孔的精确位置应根据用于分析的手机型号进行选择。
    4. 为每个盒片设计互锁边缘图案，使所有盒壁可在每条边上相互卡合，如 图1D 所示。为制作互锁边缘，在长边上交替设置凸起/凹陷结构，凸起尺寸为 0.135 英寸 × 1.17 英寸（宽 × 长）。在每个盒片的每条长边上绘制两个凸起。短边采用相同的凸起/凹陷模式，但凹陷尺寸为 0.135 英寸 × 0.460 英寸（宽 × 长）。
    5. 使用激光切割机切割五个部件，或使用 3D 打印机打印。
      注：使用亚克力材料激光切割的部件制造成本较低，且可压平以便运输。建议使用黑色亚克力，因其有助于在测试过程中吸收散射光。
    6. 如果盒子材料具有光泽表面，在盒子内部添加黑色 construction paper（建筑纸），以防止成像分析时闪光灯产生散射。

2. 准备测试

  1. 从 GitHub 下载 UrineTest 移动应用程序（https://github.com/Iftak/UrineTestApp）。 
  2. 将该应用程序安装到手机上。 
    注意：此步骤在特定手机上仅需执行一次，适用于所有后续使用。如有需要，可启用手机的开发者模式以完成安装。 
  3. 在手机上启动 UrineTest 应用程序（图 2A）。
  4. 阅读说明，根据所用试纸条的品牌规格，在屏幕上的文本输入窗口中修改分析物名称和读取时间（图 2B），并输入新的参数（图 2C）。
    注意：每种试纸条垫片的必要读取时间取决于所使用的试纸条品牌。
  5. 将各个组件组装在一起，并将试纸条插入板套下方的通孔中（图 1F）。 
  6. 将板套放入盒中，使其缺口与盒体的缝隙对齐。 
  7. 将滑片放入板套内，使其通孔与入口对齐。
  8. 将手机放置在盒子顶部，使后置摄像头镜头对准观察用的通孔，以便成像。测试前请检查手机屏幕上的图像，确保摄像头视野未被遮挡。应用程序将自动开启手机闪光灯。
  9. 阅读手机对齐说明（图 2D），并相应调整手机位置，使试纸条与屏幕上黑色矩形叠加区域的边界重合（图 2E）。
  10. 点击应用程序窗口中的 开始 按钮以启动测试。
    注意：当二维码进入视野时，此操作将自动打开手机摄像头进行读取（图 2F）。

3. 进行测试

  1. 使用一次性聚乙烯移液管，将约 0.5 mL 尿液加入进样孔中（图 3）。
    注意：液体的确切体积并不重要，但应至少为 0.5 mL，以确保所有通孔均获得足够的尿液。加入液体后，应观察到液体流经进样口并进入载玻片的各个通孔中。
  2. 将载玻片推入板套，直至被底板限位器挡住，以启动检测。
    注意：当二维码位于手机视野范围内时，尿液应与试纸条垫片接触。扫描二维码后，应用程序将打开一个窗口用于分析颜色变化（图 2G），并在同一窗口中自动显示结果（图 2H）。
  3. 妥善丢弃尿液，并用 10% 次氯酸钠溶液清洗板套和载玻片，再用去离子水冲洗一次。在再次使用前使其完全干燥。

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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。...

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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。

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作由多萝西·J·温菲尔德·菲利普斯校长教师研究员项目资助。艾米丽·克赖特由美国国家科学基金会研究生研究奖学金（NSF GRFP）资助。

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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 Carr8505K742$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 Carr8560K172$9.52
一次性聚乙烯移液管Fischer Brand13-711-9AM批号：14311021
Fortus ABS-M30Stratasys345-42207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		MCM7517A1$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, IncMUI-MS10$10.59

参考文献

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