暗场照明增强人工智能辅助数字微流控技术用于现场病原体检测

《Analytica Chimica Acta》：Darkfield illumination enhancing artificial-intelligence-assisted digital microfluidics for on-site pathogen detection

本文报道了一种集成暗场照明的ITO-DMF平台，通过可切换双模式光学系统（暗场成像+荧光检测）显著提升液滴对比度，使深度学习模型在目标检测（mAP50=98.3%）和语义分割（mIoU=98.2%）中表现卓越。该AI辅助系统成功实现了临床样本中肺炎支原体的全自动多步检测（11分钟内完成），与qPCR结果完全一致，为床旁检测（POCT）、单细胞分析等应用提供了高扩展性解决方案。

　　

亮点

可切换双模式光学系统的工作机制

在明场照明配置下，光线直接穿透ITO-DMF芯片（图3A），但由于水与硅油的折射率相近，无法为透明液滴提供高对比度清晰图像，严重限制了AI模型在液滴识别与追踪中的表现。在本研究中，我们采用透射式暗场照明配置，通过光学设计使照明光线以倾斜角度入射，仅捕获液滴界面散射的光线，从而在暗背景上呈现高对比度的完整液滴轮廓。

暗场照明增强AI视觉性能

暗场照明显著提升了液滴边缘的可见度，为深度学习模型提供了高质量的图像数据。在目标检测任务中，模型达到98.3%的mAP₅₀；在语义分割任务中，平均交并比（mIoU）高达98.2%。这种高保真视觉反馈确保了液滴操作的精确性，为后续终点分析奠定基础。

肺炎支原体自动化检测验证

作为功能验证，该平台通过AI驱动的液滴控制，实现了临床样本中肺炎支原体的全自动、多步骤检测。基于RPA-CRISPR/Cas12a的等温扩增检测流程在11分钟内完成，与qPCR结果一致性达100%，证明了系统在复杂生物检测中的可靠性。

结论

本研究成功开发了一种集成ITO-DMF平台，其快速可切换双模式光学系统将暗场成像过程控制与荧光终点检测无缝结合。关键创新在于紧凑、低成本的透射式暗场配置（含3D打印LED暗场照明器、透明ITO-DMF芯片和USB相机），该设计显著提升了AI视觉的鲁棒性，为床旁检测、DNA存储、单细胞分析等应用提供了高扩展性解决方案。