通過光盤診斷的開源分享

注意：有關錯誤及其生成方式、錯誤更正方法等的更多詳細說明，請訪問此鏈接。對于 DVD 驅(qū)動器，PIE 和 PIF 是根據(jù)不同的算法生成的。請訪問以下鏈接了解更多詳情。標準 ECMA 267 (http://www.ecma-international.org)，p. 26–30

光學現(xiàn)象

現(xiàn)在讓我們了解所有這些技術術語如何適用于我們的項目：

用于讀取 DVD 和 CD 的傳統(tǒng)光盤驅(qū)動器包含執(zhí)行定量化學和生物分析所需的所有組件。該驅(qū)動器有兩個 650 和 780 nm 的激光器，分別用于讀取 DVD 和 CD，一個 Si 光電二極管檢測器，以及一個用于掃描整個磁盤表面的精密激光跟蹤系統(tǒng)。在開發(fā)的 Lab-on-DVD 傳感器系統(tǒng)中，從光電二極管提取模擬信號，然后在從光盤讀取數(shù)字內(nèi)容期間將其數(shù)字化并帶入數(shù)據(jù)采集程序。該信號用于定量檢測沉積在光盤讀取表面上的化學或生物測定的光學特性的變化。

使用光盤驅(qū)動器進行定量化學和生物分析的基礎。(A) 激光束與沉積在光盤讀取面上的傳感器薄膜的雙程相互作用；(B) 傳感器薄膜的光學現(xiàn)象和參數(shù)

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在沒有檢測的情況下，激光通過光盤表面?zhèn)鬏?，從光盤的反射數(shù)據(jù)層反射，然后返回到光電二極管檢測器。當對 CD 或 DVD 光盤的讀取面進行檢測時，激光會兩次穿過傳感器薄膜，如上圖所示。在傳感器薄膜與化學或生物物質(zhì)相互作用時，傳感器薄膜的光學特性發(fā)生變化，導致激光拾取頭的光電二極管檢測器檢測到的光量發(fā)生變化，并允許對測定響應進行定量。

傳統(tǒng) CD/DVD 驅(qū)動器的光學系統(tǒng)將激光聚焦到磁盤內(nèi)的反射層上，達到 ~1 μm 的光點，并對到達檢測器的光提供偏振和相位控制。在從磁盤讀取數(shù)字數(shù)據(jù)時，這些特性對于抑制環(huán)境光和由磁盤表面的劃痕和其他缺陷產(chǎn)生的光很重要。在當前的光盤驅(qū)動器應用中，這些特性為基于分析中可能產(chǎn)生的各種光學現(xiàn)象的化學和生物量化提供了機會（見上圖 B）。（RA Potyrailo、WG Morris、AM Leach、TM Sivavec、MB Wisnudel 和 S. Boyette，“用于定量化學傳感的計算機光盤驅(qū)動器的模擬信號采集”，Anal. Chem。，卷。78，沒有。16，第 5893–5899 頁，2006 年。）

原則

這是最重要的部分，我們項目的基礎，它是如何工作的。

現(xiàn)在，對于定量分析（或者可以稱之為多重生物篩選），我們開發(fā)了一種軟件，該軟件將根據(jù)上述各種光學現(xiàn)象產(chǎn)生的錯誤計數(shù)進行定量分析。由于這些現(xiàn)象取決于多種因素，我們必須控制其中的一些因素以測量所需參數(shù)的分析物濃度、蛋白質(zhì)的存在與否等。因此，圓盤表面的任何不規(guī)則都會產(chǎn)生各種影響。這些影響將以錯誤計數(shù)的形式出現(xiàn)，但為此，我們需要了解大小為 ～200 nm (> λ/4) 的物體才能引起激光反射的顯著中斷（以創(chuàng)建“可讀的” ” 數(shù)字信號）在標準光驅(qū)中。

生物大分子（通常為幾納米）太小而無法檢測；因此，必須放大分子結合信號。我們的意思是，使用現(xiàn)成的檢測分子，我們可以通過產(chǎn)生大到足以阻擋/散射激光的分子來放大信號，從而產(chǎn)生光驅(qū)可檢測到的讀取錯誤。在飽和濃度下，可以用肉眼觀察到結合點。有關詳細信息，請參閱ELISA 底物和標準 ELISA 程序。

請注意，我們在測定中使用陽性和陰性對照，以便我們可以檢查假陽性、測定的有效性并優(yōu)化測定程序。

我們用不同濃度的染料標記了圓盤的表面。該軟件將掃描光盤并根據(jù) y 軸上的錯誤計數(shù)及其在 x 軸上的邏輯位置（稱為扇區(qū)號）/播放時間生成圖表。下面給出了一個例子。

使用 Bio-ID 軟件生成的典型誤差圖。

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重要說明：我們可以通過使用已知濃度的樣品/分析物繪制校準曲線來標準化測試結果。然后掃描實驗樣品，根據(jù)校準曲線擬合數(shù)據(jù)，求出分析物的濃度。

使用我們的軟件，可以在圓盤本身的表面上進行 ELISA 測試和更多實驗，并且具有高靈敏度。可以使用下面給出的公式確定 CD 上發(fā)生反應/結合事件的位置（如果它顯著干擾激光讀取過程）。

公式 1：其中 r (mm) 是位置的半徑（距光盤中心的徑向距離），t 是播放時間（分鐘）

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如下圖所示，典型的 700-MB CD-R 包含 79.7 分鐘音頻數(shù)據(jù)的可編程區(qū)域半徑為 58 毫米，25 毫米為中心部分的半徑。這個可編程區(qū)域是我們的實驗區(qū)域。檢測只能在這部分開發(fā)，否則會導致讀取光盤時出錯。

典型 CD 的布局

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對于 DVD，可以使用相同的公式，將常數(shù)替換為符合 DVD 規(guī)格的常數(shù)。該公式也可以使用邏輯位置而不是播放時間以不同的格式編寫。

公式 2：其中 x 是邏輯位置 (MB)，r 是徑向距離 (mm)

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對于標準尺寸的單面 DVD，總數(shù)據(jù)存儲容量為 4.7 GB，數(shù)據(jù)記錄在半徑為 24 毫米至 58 毫米的區(qū)域。等式 1 和 2 都是必需的，因為我們可以根據(jù)相應的物理位置（即扇區(qū)距光盤中心的徑向距離）轉(zhuǎn)換誤差分布圖。這消除了數(shù)據(jù)的擴展，因為光盤外部的扇區(qū)多于內(nèi)部。

光盤上的生物測定

可以在 CD/DVD 的表面上執(zhí)行不同種類的生物測定。對于這個項目，我們只考慮在光盤（CD、DVD 等）的表面進行 ELISA。CD、DVD 的表面由聚碳酸酯材料制成，這使得它們適合執(zhí)行 ELISA 測試，因為已經(jīng)進行了廣泛的研究以優(yōu)化測試參數(shù)。然而，我們必須注意，其他一些測試，如用于病毒檢測的基于抗體/抗原的測試、檢查水污染水平以及更多測試，可以使用前面描述的相同原理和光學現(xiàn)象進行。可能性是無限的。

專門針對 COVID 19 的檢測，我們找到了一種合適的蛋白質(zhì)，可作為檢測分子/抗原/抗體。我們需要大量的臨床試驗才能100%確定實際數(shù)字，并優(yōu)化試劑的檢測參數(shù)和用量。到那時我們將無法提供確切的蛋白質(zhì)，因為我們尚未收到經(jīng)過驗證的結果。就過去的研究而言，這種使用基于誤差的分析方法可以檢測出超過80%的靈敏度。

請在此鏈接中找到在光盤上準備 ELISA 測定的詳細步驟。請謹慎行事，因為該主題非常敏感，因為它與傳染病的診斷有關。盡管您也可以使用此軟件進行非常簡單的實驗。

經(jīng)常問的問題

問：當有如此多的驅(qū)動器時，人們?nèi)绾芜M行任何有意義的測量，其中大多數(shù)驅(qū)動器的固件如此古怪，甚至都不是測量設備？

答：這是我們想法的概念證明。我們正在努力通過使用定制硬件（即經(jīng)過少量修改的 CD/DVD 驅(qū)動器和一些額外的硬件來標準化結果）來獲得更好的靈敏度和特異性。我們還計劃提供具有已知屬性且適合運行此類測試的光盤。

問：光盤卡住、驅(qū)動器可能不同、驅(qū)動器無法識別等運行時錯誤怎么辦？

一種。這可以使用我們在材料清單和之前的特定文檔中提到的推薦硬件來解決。這些可以通過其他方式解決；視情況而定。

結論：

• 我們的軟件有助于以極低的初始投資成本和每個樣本試劑成本提高 COVID 19 和其他生物測定的測試。
• 它為技術/非技術用戶提供了一個平臺，可以輕松地進行生物測定的定量分析。

得到教訓

• 無論人們來自哪里，無論他們來自哪里，甚至在家中也可以聚在一起用廉價的電子產(chǎn)品制造出真正令人驚嘆的東西。
• CD/DVD 等消費電子產(chǎn)品堪稱現(xiàn)代工程奇跡。但是，它們的工作方式、對它們完整功能的訪問權限都無法公開獲得，也沒有得到很好的記錄。

未來的計劃

• 我們正在構建另一個原型，它使用 DVD 驅(qū)動器和一些額外的硬件來從驅(qū)動器中獲取原始數(shù)據(jù)，并在執(zhí)行分析時提供更好的靈敏度。
• 在護理點環(huán)境中制作獨立的診斷系統(tǒng)，提供廉價和高吞吐量的診斷。