提供了详细的说明,用于构建一种开源的模块化荧光仪,该荧光仪可与多种低成本加热装置兼容,用于进行实时、定量的等温核酸扩增。
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提供了详细的说明,用于构建一种开源的模块化荧光仪,该荧光仪可与多种低成本加热装置兼容,用于进行实时、定量的等温核酸扩增。
传统的核酸检测与定量方法依赖于聚合酶链式反应(PCR),需要使用价格昂贵的热循环仪,并通过集成荧光检测扩增产物。等温核酸扩增技术无需热循环过程;然而,要获得实时、定量的结果,仍需基于荧光的产物检测。目前市面上已有多种集成了荧光检测功能的便携式等温加热设备;但在资源有限的环境中,这些设备的成本仍然是广泛采用的主要障碍。本文介绍了一种模块化、低成本荧光检测仪的设计与组装方案,该仪器由市售组件构建而成。该检测仪封装于紧凑的3D打印外壳中,设计用于放置在商用加热块上方,加热块中可容纳PCR管。本文所述荧光检测仪已优化用于检测异硫氰酸荧光素(FITC)染料,但该系统可改造以适用于实时核酸扩增反应中常用的各种报告染料。通过两种等温扩增技术进行实时核酸检测,验证了该系统的临床适用性:使用重组酶聚合酶扩增(RPA)检测商业试剂盒中提供的阳性对照DNA,以及使用逆转录环介导等温扩增(RT-LAMP)检测具有临床意义水平的SARS-CoV-2 RNA。
等温扩增技术被广泛用于核酸的检测。与需要热循环的传统PCR方法相比,等温扩增可在单一温度下实现核酸扩增,从而缩短检测时间,并对抑制物具有更强的耐受性1,2。等温扩增的另一项关键优势在于仪器设备的简化。大多数等温扩增反应仅需一个加热模块和一种检测方式——可通过荧光实时监测进行实时检测,或通过侧向流动试纸条或凝胶电泳进行终点检测3,4。实时荧光检测是通过检测嵌入染料在双链DNA存在时产生的荧光信号,或在特定双链DNA序列存在时被激活的淬灭型荧光探针所释放的荧光信号来实现的。
尽管市面上已有商用的台式等温荧光仪,但许多设备在检测方法的定制化方面存在不足。例如,许多仪器需要使用特定的或厂商提供的耗材,推荐指定供应商,或必须依赖专有软件才能获得宣传中的性能指标。大多数此类系统的售价超过5000美元,这对于资源有限环境下的广泛应用构成了显著障碍。此外,在资源匮乏地区,用户还面临设备维护困难的问题,原因包括恶劣的环境条件、备件供应链薄弱,以及维护和维修所需的专用工具5。为满足这一需求,本文介绍了一种模块化、低成本荧光仪的设计与组装方法,该仪器由现成组件构成,封装于紧凑的3D打印外壳中(图1A-C),并提供两种可选配置。该设备的第一种配置使用市售玻璃滤光片和二向色镜以阻隔过量背景光,总组装成本为830美元。尽管这些滤光片在基于荧光的成像系统中广泛使用,但此前研究已表明,用低成本的光学滤光片替代昂贵的高规格滤光膜仍可实现核酸检测6。荧光仪的第二种配置在采用这些低成本滤光片的基础上,进一步以φ½"分光镜替代二向色镜,使系统总成本从830美元降至450美元。
第一种构型的组装代表性图像如图1和图2所示,第二种构型的类似图像见补充文件6。为避免需要专业的光学对准,该光学系统设有指定区域用于放置各个光学元件,且可使用相对低端的3D打印机制造,从而有利于该设计的广泛使用。两种构型在构建和组装上的唯一区别在于3D打印所用的文件以及装入外壳中的光学元件。两种系统的3D打印外壳外部尺寸相同。表1展示了两种系统的成本对比。
如图1A所示,为了保持较小的体积,该荧光仪采用Φ½"(约12.5 mm)的光学元件,并结合紧凑的激发与检测系统,其布局可从PCR管顶部测量信号。图1所示系统设计用于检测激发峰和发射峰波长分别接近490 nm和525 nm的染料,包括FITC以及与之相近的常用染料SYBR和SYTO-9,这些染料通常作为实时核酸扩增反应中的报告分子7,8。根据需要,激发光源、光学滤光片和检测器可轻松替换为适用于其他荧光染料的组件。核酸扩增反应通常在PCR管中进行,该荧光仪可置于任何市售的、用于承载PCR管的加热模块上方(图1D),从而实现对等温扩增反应的实时监测。合适的加热模块在大多数生物医学实验室中均有配备,且售价低于500美元。
先前已证实,使用单板计算机作为低成本、即时检测替代方案来控制成像技术是可行的9。基于该研究, 本实验方案采用由单板计算机驱动的图形用户界面(图1D),以实现在检测现场进行实时数据记录和结果显示,从而无需使用笔记本电脑进行数据处理或可视化。荧光测量数据通过I2C协议从光传感器传输至微控制器,再通过串行通信提供给单板计算机。照明和数据传输的电气连接通过在微型面包板上进行简化的布线和焊接实现,无需专门的印刷电路板(PCB)。运行该荧光计所需的软件可通过开源软件框架获取,运行设备所需的代码详见补充代码文件。整套荧光计的组装成本介于450至830美元之间,实验结果表明,其能够提供准确可靠的荧光测量,用于监测核酸的实时等温扩增。
1. 准备步骤:3D打印与焊接
注意:本方案中描述的光学系统适用于标准干式块加热器。
2. 光学组装
3. 电子元件与触摸屏组装
4. 软件安装
5. 记录实时荧光数据
组装完成后,可通过测量FITC染料稀释系列的荧光来验证荧光计的性能。图3A展示了在荧光计第一种配置的两个通道中,以1×PBS配制的浓度分别为0、20、40、60和80 pg/µL的FITC染料的测量结果。每个样品测量三次,LED曝光时间为1.5秒,间隔20秒。荧光计的两个通道在目标浓度范围内均表现出线性响应。
通过将该系统与市售的干式加热块结合使用,进行两种等温扩增技术(RPA 和 RT-LAMP)的扩增反应,进一步验证了荧光检测仪的临床适用性。
图3B展示了在39 °C下对标准商用试剂盒中提供的阳性对照DNA按照制造商说明配制的实时RPA阳性和阴性对照反应(50 µL)进行扩增时,测得的扣除基线后的荧光随时间变化过程。对于产生相对较低荧光水平的RPA反应,采用荧光检测仪的第一种配置进行测量,该配置可更有效地抑制激发光。
图3C 展示定制 RT-LAMP 检测在不同时间点的测量结果 65 °C 利用Zhang等人描述的N2、E1和As1e引物组10,以及 Rabe 和 Cepko11RT-LAMP 反应产生更强的荧光信号,使用第二种低成本荧光检测仪配置进行测量。寡核苷酸购入后用 2×TE 缓冲液重悬,浓度为 1 mM。正向内引物(FIP)和反向内引物(BIP)寡核苷酸采用高效液相色谱法纯化。每组引物(N2、E1 和 As1e)混合配制 1000 µL 25倍混合液的配制如下: 40 µL FIP的 40 µL BIP的 5 µL F3的 5 µL B3的 10 µL LF的 10 µL LB 的 890 µL 1× TE缓冲液。为配制每个RT-LAMP反应体系, 1 µL 每对引物组均加入 0.5 µL 50倍荧光染料 12.5 µL 2×主混合液,并将反应体系补足至 20 µL 按照制造商说明使用无核酸酶水。将SARS-CoV-2 RNA对照品用无核酸酶水连续稀释至每份10、100或1,000拷贝的浓度 µL,以及 5 µL 总体积为 25 µL所有实验中使用的无模板对照(NTC)均为无核酸酶水。RT-LAMP 反应上层覆盖有 25 µL 分子生物学级矿物油
RPA 和 RT-LAMP 反应分别在 0.2 mL 低剖面 8 孔 PCR 条形管的两个孔中配制,并用超透明平盖密封。每个 RPA 和 RT-LAMP 反应均设置三个重复。在所有测试中,微型荧光仪均成功量化了与 DNA 扩增相关的荧光信号随时间的上升。

图1:置于加热块上方的光学外壳及组装完成的微型荧光仪。(A)光学外壳示意图,显示一个检测通道中放置的光学元件。(B)微型荧光仪组装后第一种构型的示意图。(C)光学外壳实物照片,显示一个检测通道中已安装光学元件。(D)组装完成的微型荧光仪放置在商用加热块上的实物照片。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:微型荧光仪的组装与电气控制示意图。A-J) 第一种系统配置中,光学元件在3D打印的光学外壳中的逐步安装位置。(K)两种配置下微型荧光仪的电气连接图。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:使用微型荧光仪获得的代表性测量结果。(A)两个通道中测得的荧光信号与FITC染料浓度的关系,显示在所需动态范围内呈线性响应。(B)商业试剂盒的阳性和阴性对照样本在等温扩增过程中的实时荧光信号随时间变化。阳性对照样本出现预期的扩增曲线。(C)自定义RT-LAMP检测中,SARS-CoV-2 RNA的50、500和5000拷贝样本以及NTC样本在等温扩增过程中的实时荧光信号随时间变化。扩增曲线在接近该检测方法的检出限处出现,符合预期。请点击此处查看此图的放大版本。
| 系统 1 | 系统 2 | |||
| 项目 | 数量 | 总价(美元) | 数量 | 总价(美元) |
| 光学组件 | ||||
| 透镜 | 6 | 158.14 | 6 | 158.14 |
| 反射镜 | 2 | 244.56 | 2 | 60 |
| 光学滤光片 | 4 | 200 | 6 | 5 |
| 小计 | 602.7 | 小计 | 223.14 | |
| 照明与检测 | ||||
| LED | 2 | 72.62 | 2 | 72.62 |
| LED 驱动器 | 1 | 11.49 | 1 | 11.49 |
| 光电二极管 | 2 | 50 | 2 | 50 |
| 小计 | 134.11 | 小计 | 134.11 | |
| 电子与显示组件 | ||||
| Arduino Nano | 1 | 20.7 | 1 | 20.7 |
| Raspberry Pi | 1 | 35 | 1 | 35 |
| LCD 屏幕 | 1 | 25 | 1 | 25 |
| 迷你面包板 | 1 | 4 | 1 | 4 |
| 10V 电源 | 1 | 8.6 | 1 | 8.6 |
| 小计 | 93.3 | 小计 | 93.3 | |
| 总成本(美元) | 830.11 | 450.55 | ||
表1:微型荧光仪两种配置的成本比较。
补充文件 1:System1_Optics_Enclosure_Top.stl 请点击此处下载该文件。
补充文件 2:System1_Optics_Enclosure_Bottom.stl,以及 请点击此处下载该文件。
补充文件 3:LCD_Screen_Holder.stl 请点击此处下载该文件。
补充文件 4:System2_Optics_Enclosure_Top.stl 请点击此处下载此文件。
补充文件 5:System2_Optics_Enclosure_Bottom.stl,以及 请点击此处下载该文件。
补充文件 6:System2_BuildInstructions.pdf 请点击此处下载该文件。
补充代码文件 1:MiniFluorimeter_2Diode.ino 请点击此处下载该代码文件。
补充代码文件 2:MiniFluorimeter_2Diode_GUI.py 请点击此处下载该代码文件。
本文介绍了一种开源、低成本、模块化、便携式的荧光检测仪,可用于等温扩增反应的定量荧光检测。开源项目具有易于维护、成本低廉的优点,其替换部件易于获取,并且基于模块化设计,用户可根据自身需求灵活调整系统。本方案详细描述了机械、光学和电子组件的组装过程以及光学性能的验证方法。此外,该荧光检测仪被证实具有足够的灵活性,可监测两种在温度、反应体积和荧光检测要求方面差异显著的等温扩增检测方法:RPA exo 和 RT-LAMP。RPA 反应在 39 °C 下进行,反应体积为 50 µL,通过序列特异性的 FAM 标记探针产生荧光信号;而 RT-LAMP 反应在 65 °C 下进行,反应体积为 25 µL,采用嵌入式染料来指示扩增 DNA 的存在。由于荧光信号通过平盖 PCR 管顶部进行检测,该荧光仪能够兼容两种不同反应体积的检测,且加热能力仅受限于所选商用加热模块的性能。此外,由于 RT-LAMP 采用染料法而非探针法生成荧光信号,其产生的荧光强度几乎比 RPA 高出一个数量级。然而,所选光学传感器的动态范围足以检测并量化这两种信号,且通过基线扣除算法可校正这些差异,从而获得可靠的荧光读数。
为了促进技术推广并最大限度降低潜在的维护成本,采用了模块化设计,可兼容在不同环境中广泛使用的加热设备。在本方案中,使用了一种常见的干式金属浴加热器;相同的光学和电路设计可轻松适配其他市售的加热器。如果采用其他干式金属浴加热器,仅需对3D外壳设计进行少量修改。具体而言,必须调整光学外壳STL文件中的底部定位柱,以确保与其他商用加热块的孔位正确对齐。尽管示例中展示的外壳是在相对低端的3D打印机上打印的(参见材料表),但仍需注意确保打印机的分辨率和/或打印公差足以容纳光学元件和螺纹嵌件。在所提供的STL文件中,根据制造商提供的尺寸,在光学元件的径向和轴向两侧各增加了0.01–0.02英寸的公差。这可确保所有光学元件牢固地安装在外壳内,并且外壳能完全阻挡多余光线进入或逸出。为确保螺纹嵌件实现合适的压配合,在CAD文件中从制造商提供的直径基础上减去了约0.01–0.02英寸的相似公差。
采用第一种荧光计配置可成功监测RPA反应,而RT-LAMP反应则可使用任一配置进行监测。由于RPA反应中荧光探针产生的荧光信号较弱,因此需要第一种配置更优的杂散光抑制能力。相比之下,RT-LAMP采用嵌入染料进行信号生成,产生的荧光强度较高,因此适用于使用摄影滤光片的第二种配置的较低动态范围。用户应根据其检测方法中荧光信号生成元件——嵌入染料或荧光探针——选择匹配的荧光计配置。
该系统的一个局限性在于,加热依赖于通过标准墙式插座供电的商用加热块。其他研究团队已表明,通过整合便携式可充电电池组,可进一步开发该系统,使其适用于缺乏稳定电力供应的地区12。另一个局限性是系统的通量相对较低,每次仅能同时对两个样本进行荧光检测。虽然可将多个外壳打印件放置在同一加热块上以提高通量,但所使用的光传感器仅有四个唯一的 I2C 地址,这限制了最多只能同时检测四个样本。若要进一步提高通量,需要采用具有更多唯一 I2C 地址的其他类型光传感器。
作者声明无利益冲突。
特别感谢 Chelsey Smith、Megan Chang、Emilie Newsham、Sai Paul 和 Christopher Goh 在样品制备方面的协助。作者感谢 Caroline Noxon 对稿件的修改。本研究的资金由美国人民通过美国国际开发署(USAID)提供,由IAVI通过研究资助CCID 9204,在IAVI与USAID之间的资助协议AID-OAA-A16-00032项下支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1/4英寸长 4-40螺纹嵌件 | McMaster-Carr | 90742A116 | 用于将3D打印光学外壳的两侧固定在一起。 |
| 10V电源 | GlobTek, Inc. | WR9HU1800CCP-F(R6B) | 交流/直流壁挂式适配器,10V,18W |
| 15 mm焦距透镜 | Thorlabs | LA 1074 | 荧光计共使用两个。该透镜用于聚焦LED照明光。 |
| 1英寸长 4-40螺丝 | McMaster-Carr | ||
| 20 mm焦距透镜 | Thorlabs | LA 1540 | 荧光计共使用四个。 |
| 2x WarmStart LAMP主混合液 | New England Biolabs, Inc | E1700 | 主混合液用于生成图3C所示的LAMP反应 |
| 3.5” 触摸屏 | Uctronics | BO10601 | |
| 3/16英寸长 4-40螺丝 | McMaster-Carr | 90128A105 | |
| 3/16英寸长 4-40螺纹嵌件 | McMaster-Carr | 90742A115 | 用于将OPT3002测试板固定到3D打印外壳上 |
| 3/8英寸长 4-40螺丝 | McMaster-Carr | 90128A108 | 用于将3D打印光学外壳的两侧固定在一起。 |
| 3D打印机耗材 | 3D Universe | UMNFC-PC285-BLACK | 推荐使用黑色或其他深色 |
| 使用的3D打印机 | Ultimaker | Ultimaker 2+ | |
| 8联PCR管条 | BioRad | #TLS0801 | |
| 高级迷你干式恒温加热器 | VWR International | 10153-320 | 以下加热模块可作为替代品,无需重新设计光学组件:949VWMNLUS、949VWMHLUS 和 949VWMHLEU |
| 筒形插孔转双针适配器 | SparkFun Electronics | 1568-1238-ND | |
| 蓝色激发滤光片箔 | LEE | LE071S | 专为与FITC配合使用而选择——其他荧光染料可能需要不同的滤光片。 |
| 蓝色LED - 460 nm | Mouser | LZ1-30DB00-0100 | 专为与FITC配合使用而选择——其他荧光染料可能需要不同部件 |
| 二向色镜 | Thorlabs | DMLP505T | 专为与FITC配合使用而选择——其他荧光染料可能需要不同部件 |
| 发射滤光片 | Edmunds Optics | OG-515 | 专为与FITC配合使用而选择——其他荧光染料可能需要不同部件。部件上的箭头应背离光源方向。 |
| 激发滤光片 | Omega Filters | 490AESP | 专为与FITC配合使用而选择——其他荧光染料可能需要不同部件 |
| LED驱动器 | LEDdynamics | 3021-D-I-700 | |
| M2.5六角形嵌件 | McMaster-Carr | 91292A009 | 用于将树莓派固定在3D打印的LCD屏幕支架上 |
| 微控制器 | Arduino | Nano | |
| 迷你面包板 | Adafruit | 65 | |
| 分子生物学级矿物油 | Sigma Aldrich | 69794 | |
| OPT3002EVM - 光电数字传感器 | Texas Instruments | OPT3002EVM: | 所使用的光电数字传感器。包含两块PCB:SM-USB_DIG板和OPT3002测试板;本设备仅需使用OPT3002测试板。 |
| 购买的寡核苷酸 | Integrated DNA Technologies | ||
| RPA试剂盒阳性对照DNA | TwistDx Limited | CONTROL01DNAE | |
| SARS-CoV-2 RNA对照 | Twist Biosciences | MN908947.3 | |
| 单板计算机 | Raspberry Pi | Raspberry Pi 3 | |
| TwistAmp RPA exo试剂盒 | TwistDx Limited | TAEXO02KIT | |
| 超透明平盖 | BioRad | #TCS0803 | |
| 黄色发射滤光片箔 | LEE | LE767S | 专为与FITC配合使用而选择——其他荧光染料可能需要不同部件 |