CN106701566B - 一种集核酸提取、扩增、检测于一体的机械装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集核酸提取、扩增、检测于一体的机械装置。包括：卡盒；卡盒加热器：马达驱动，加热器里面包埋有磁铁；马达控制机制：卡盒内伸出盒体的螺杆右端部、伸出盒体的压板轴右端部均与马达相连，通过马达控制卡盒取样针横向及上下移动；集成电路板；条码阅读器：卡盒被插入仪器，通过条码阅读器对卡盒进行识别处理，分析结果直接汇总到电脑。本发明核酸提取、扩增和检测所需所有试剂预先置于卡盒内，避免了污染的机会；高浓度的PCR产物被封闭在卡盒里面，污染源也得到了有效控制。解决了污染的问题不但让用户放心，也解决了空间短缺，基建费用过高的问题。集分子诊断核酸提取、扩增、检测于一体，实现了自动化、封闭化。

Description

一种集核酸提取、扩增、检测于一体的机械装置

（一）技术领域

本发明属于生物医疗器械技术领域，特别涉及一种集核酸提取、扩增、检测于一体的机械装置。

（二）背景技术

分子诊断共有三个主要步骤：核酸提取、扩增和检测。每个步骤都有很多方法，每个方法都有不同的试剂可以进行选择，每个方法又有一些厂家生产出了不同的自动化仪器，因此，对临床使用者的一个挑战就是如何挑选和整合这些试剂和仪器，使得每个步骤都有最优化的结果。

一个最佳的分子鉴别诊断的解决方案应该是：提取、扩增、检测，三位一体；全自动、全封闭、防污染，三项全能。

扩增的必要性：扩增的目的是为了增加信噪比。所有诊断都是在寻求最佳的信噪比，感染性疾病尤其如此。比如血源感染时，病人一毫升血里面可能只有二十个细菌，而同样一毫升血里面则有百万个白细胞，这些白细胞里面的核酸和其它大分子就成为了检测的噪音，所以扩增的目的就是扩大信号，增加信噪比。不扩增，就很难得到诊断所需要的特异性和敏感性。

自动化是市场所需：临床实验室的管理和操作人员不是院校和科研单位里的博士硕士，他们一般没有坚实的分子生物学技术基础，因此若想大规模地推广一项分子诊断技术，该技术的自动化程度一定要高，这样才能避免人为错误，提高诊断效率。实时PCR实际上已经完成了自动扩增和检测，但是，多重扩增和检测的问题并没有得到很好的解决。

封闭体系是市场所求：所谓不封闭，就是在PCR扩增了以后还需要开管盖，把高浓度的PCR产物拿出来进行下一步反应。这个开放性的程序很容易造成实验室扩增产物污染，导致假阳性的结果。所有做过PCR的人都知道，污染是迟早要发生的，而且一旦发生就非常难去除，给诊断实验带来不可逾越的困难。

为了避免污染，即便是在很基层的医院，也需要把分子诊断实验室设置成有多个隔离房间：标本提取，反应建立，扩增和检测等要分开，避免污染。

2014年11月19日公开了一种自动检测试剂卡盒，该自动检测试剂卡盒包括螺杆、螺杆旋钮、连接件、取样针、负压发生器、压杆针、压板、压板旋钮、进样口、样品池、试剂仓、杂交槽，核酸提取、扩增和检测过程都在盒体内部完成，全程封闭，不与外界接触，解决了实验室及临床PCR污染的技术问题。虽然公开了该自动检测试剂卡盒与外部机械部分配合使用，外部机械由控制系统控制，可以在控制系统上输入指令，按照检测步骤设置好取液间隔以及取哪个试剂仓中的试剂等，但是该卡盒如何与外部机械部分配合使用，怎么通过控制系统控制外部机械根据设定好的步骤取试剂，如何进行核酸提取、扩增，及后续PCR扩增产物与卡盒底的芯片如何进行反应，如何检测分析、数据结果怎么读取等都没有涉及，对于本领域技术人员而言，这些都是不清楚的，即自动检测试剂卡盒无法做到真正的推广应用。

一个最佳的分子鉴别诊断的解决方案就应该是：提取、扩增、检测，三位一体；全自动、全封闭、防污染，三项全能。衡量一个技术平台的实用性和成熟度也要看它是否完成了这三位一体，三项全能的完美整合，而本发明就提供了这么一种设备。该设备还通过与一次性的卡盒配套使用来避免污染：因为PCR反应在厂家就设立好了（试剂预先放在卡盒里了），也就避免了污染的机会；另外，高浓度的PCR产物被封闭在卡盒里面，污染源也得到了有效控制。解决了污染的问题不但让用户放心，也给基层医院解决了空间短缺，基建费用过高的问题。

（三）发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种集核酸提取、扩增、检测于一体的机械装置，提取、扩增、检测，三位一体；全自动、全封闭、防污染，三项全能。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种集核酸提取、扩增、检测于一体的机械装置，其特殊之处在于：包括：

卡盒：包括盒体，盒体的顶面上设置进样口，进样口上设置密封盖，盒体底部分别设置样品池、试剂仓、杂交槽，杂交槽底部设置芯片，该芯片上有能与PCR产物特异性杂交的检测探针，其中，样品池与进样口相对设置，盒体内分别设置螺杆、取样针，所述螺杆左、右两端分别经轴承三、轴承四与盒体相应侧转动连接，螺杆水平设置，螺杆的右端伸出盒体，螺杆上设置连接件，该连接件与螺杆通过螺纹相连，连接件的顶面上设置有取样针容置孔，取样针容置孔的中心轴与螺杆的中心轴垂直，取样针容置孔底部固定设置第一弹簧，第一弹簧与取样针容置孔通轴设置，第一弹簧由取样针容置孔底部向上延伸并伸出取样针容置孔，取样针套设在第一弹簧内，取样针通过管道与负压发生器连通，负压发生器包括壳体、活塞和活塞杆，活塞杆上套有第二弹簧，活塞杆的自由端固定连接压杆针的左端，压杆针的右端伸出盒体，用于推进活塞杆，取样针的上方设置有压板，压板包括压板本体及与压板本体连接的压板轴，其中，压板轴与螺杆平行设置，压板轴的左端通过轴承一与盒体转动连接，压板轴的右端通过轴承二与盒体转动连接；

卡盒加热器：马达驱动，加热器里面包埋有磁铁；

马达控制机制：卡盒内伸出盒体的螺杆右端部、伸出盒体的压板轴右端部均与马达相连，通过马达控制卡盒取样针横向及上下移动；

条码阅读器：卡盒被插入仪器，通过条码阅读器对卡盒进行识别处理，分析结果直接汇总到电脑。

所述的集核酸提取、扩增、检测于一体的机械装置可同时处理1-4个卡盒，每个卡盒处理单元都是独立运作。

所述的集核酸提取、扩增、检测于一体的机械装置，盒体底部还有废液槽。核酸提取、扩增、检测所需的所有试剂分别置于试剂仓中，试剂仓的开口端由锡箔纸封闭。

样品池、试剂仓、废液槽、杂交槽的上方设置多孔板，多孔板左、右端分别与盒体内壁固定设置，多孔板上的孔与样品池、试剂仓、废液槽、杂交槽的开口端分别对应。

盒体内壁设有限定压板轴旋转角度的压板限位板，压板限位板位于压板本体下方，压板限位板的中心轴与压板轴垂直。

轴承三、轴承四安装处均安装密封垫。

本发明有益效果：本发明核酸提取、扩增、检测所需的所有试剂预先置于卡盒内，避免了污染的机会；另外，高浓度的PCR产物被封闭在卡盒里面，污染源也得到了有效控制。解决了污染的问题不但让用户放心，也给基层医院解决了空间短缺，基建费用过高的问题。集分子诊断核酸提取、扩增和检测于一体，实现了自动化、封闭化，装置使用方便。

（四）附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图1为本发明卡盒的结构示意图；

附图2为本发明压板和压板限位板的位置关系示意图；

附图3为本发明螺杆与连接件的位置关系示意图；

附图4为本发明集核酸提取、扩增、检测于一体的机械装置的结构示意图；

附图5为本发明扫描仪的结构示意图。

图中，1盒体，11进样口，2压板，21轴承一， 23轴承二，24压板限位板，25压板本体，26压板轴，3取样针，31活塞，32负压发生器，33第二弹簧，34压杆针，35第一弹簧，36管道，4螺杆，41轴承三，42轴承四，43螺杆旋钮，44连接件，45取样针容置孔，5样品池，61试剂仓一，62试剂仓二，63试剂仓三 ，64试剂仓四，65试剂仓五，66试剂仓六，67试剂仓七，68废液槽 ，7杂交槽 ，71玻璃芯片 ，8锡箔纸，9多孔板，10卡盒加热器， 12集成电路板，13条码阅读器，14高速旋转平台，15激光发射器,16光电倍增管，17卡盒位，18马达控制机制。

（五）具体实施方式

本实施例集核酸提取、扩增、检测于一体的机械装置包括卡盒、卡盒加热器10、马达控制机制18、电源控制和外接信息接口、集成电路板12、条码阅读器13。

卡盒包括盒体1，盒体1的顶面上设置进样口11，进样口11上设置密封盖，盒体1底部分别设置样品池5、试剂仓61-67、杂交槽7、废液槽68，试剂仓61-67为七个，分别为试剂仓一 61、试剂仓二 62、 试剂仓三 63、试剂仓四 64、试剂仓五 65、试剂仓六 66、试剂仓七67 ；七个试剂仓61-67中分别放置有核酸提取、PCR 扩增及杂交检测所需试剂，且七个试剂仓61-67的口部由锡箔 8 封闭。杂交槽7底部设置玻璃芯片71，该玻璃芯片71上有能与PCR产物特异性杂交的检测探针，PCR 产物带有荧光标记 （ 放在反向引物上），所以杂交完成特异性靶点的识别。试剂仓一 61、 试剂仓二 62、 试剂仓三 63、试剂仓四 64、试剂仓五65、试剂仓六 66、试剂仓七 67、废液槽 68、样品池 5、杂交槽7上部设置有多孔板 9，多孔板 9 与盒体 1 内壁固定连接，多孔板 9 上的孔分别对应试剂仓一 61、 试剂仓二 62、试剂仓三 63、试剂仓四 64、试剂仓五 65、试剂仓六66、试剂仓七 67、废液槽 68、样品池5、杂交槽7的开口端。其中，样品池5与进样口11相对设置。盒体1内分别设置螺杆4、取样针3，所述螺杆4左、右两端分别经轴承三41、轴承四42与盒体1相应侧转动连接，螺杆4水平设置，螺杆4的右端伸出盒体1，螺杆4上设置连接件44，该连接件44与螺杆4通过螺纹相连，转动螺杆4，连接件44与螺杆4相对运动，连接件44的顶面上设置有取样针容置孔 45，取样针容置孔 45 的中心轴与螺杆 4 的中心轴垂直，取样针容置孔 45 底部固定设置第一弹簧35，第一弹簧 35 与取样针容置孔 45 通轴设置，第一弹簧 35 由取样针容置孔45底部向上延伸并伸出取样针容置孔 45，取样针 3 套设在第一弹簧 35 内，旋转螺杆，取样针3随着连接件 44在试剂仓、样品池 5、废液槽 68、杂交槽7之间移动，取样针 3 通过管道 36与负压发生器 32 连通，负压发生器 32 包括壳体、活塞 31 和活塞杆，活塞杆上套有第二弹簧 33，活塞杆的自由端固定连接压杆针 34 的左端，压杆针 34 的右端伸出盒体 1，用于推进活塞杆，当不推动压杆针 34 时，第二弹簧 33将压杆针 34 弹回原位，取样针 3 的上方设置有压板 2，压板 2 包括压板本体 25 及与压板本体 25连接的压板轴 26，其中，压板轴 26 与螺杆 4 平行设置， 压板轴 26 的右端通过轴承一 21 与盒体 1 转动连接，压板轴 26 的左端通过轴承二 23 与盒体 1 转动连接，压板轴 26 的右端伸出盒体 1。压板本体 25 用于向下按压取样针 3，旋转压板轴 26，压板轴 26 带动压板本体 25向下按压取样针 3，不旋转压板轴 26时，第一弹簧 35 将压板本体 25 弹回原位。盒体 1内壁还固定设置有用于限定压板轴 26旋转角度的压板限位板 24，压板限位板 24 位于压板本体25 下方，压板限位板 24 的中心轴与压板轴 26 垂直，压板轴 26 转至一定角度时，压板25 与压板限位板 24 接触，压板轴 26 不能继续旋转，为了便于取试剂仓61-67中的试剂，压板限位板 24 限制压板轴 26 的旋转角度小于 150°。

上述卡盒实际上就是把一个试验员“克隆”到这个一次性使用的塑料盒里面进行常规实验室液体操作。所有反应的试剂都预先在生产厂家就放入卡盒的底部，做核酸提取的磁珠液预先存放在卡盒底部。扩增反应结束后，自动移液枪把反应产物全部放到杂交槽7里面，杂交槽7底部有打印好的玻璃芯片71，上面有能和PCR产物特异性杂交的检测探针，因为PCR产物带有荧光标记（放在反向共用引物上的），所以杂交完成特异性靶点的多重识别。杂交液，冲洗缓冲液等都预先储存在卡盒底部，用过的液体，含有高浓度PCR产物的液体也都存放在卡盒底部的废液槽内。一旦把标本加入进样口11，然后封闭该口，整个标本提取、扩增和检测过程都在这个卡盒里面完成，全程封闭，不和外界接触，不会产生污染。

卡盒加热器10：三个独立控制的加热器做PCR 反应。加热器里面还包埋了磁铁，所以以磁珠为基础的核酸提取操作也可以在卡盒里面解决。加热器还为杂交提供恒温，控制杂交反应的特异性。

马达控制机制18：卡盒内伸出盒体1的螺杆4右端部、伸出盒体1的压板轴26右端部均与马达相连：通过马达控制卡盒取样针3横向及上下移动。

电源控制和外接信息接口。

集成电路板12：控制所有自动化运动。

条码阅读器13：卡盒被插入仪器，通过条码阅读器13对卡盒进行识别处理，分析结果直接汇总到电脑，可以直接以电邮或短信的方式发给医生。

每台装置可以同时处理四个标本（随机上机，不用等满四个一起上）。每个卡盒处理单元都是独立运作，不同的单元可以跑不同内容的卡盒，对不同病人的标本和不同的病进行分子鉴别诊断。如果临床需要同时处理更多的标本，可以串联起12台处理器同时对48个标本进行处理。

经过集核酸提取、扩增、检测于一体的机械装置的卡盒已经完成了提取、扩增和杂交及清洗等程序，最后环节就是读取检测数据。实验员仅需要把卡盒从集核酸提取、扩增、检测于一体的机械装置中取出（卡盒处理结束后仪器和软件有提示）放到激光扫描阅读装置里面，1-5分钟的扫描就可以对1－4个卡盒进行全自动数据读取。该扫描仪包括高速旋转平台14、激光发射器15和光电倍增管16，卡盒底部的芯片在旋转盘上高速运动，高速旋转平台14上面设置4个卡盒位17，所述卡盒位17横截面为四分之一圆。激光发射器15和光电倍增管16位于高速旋转平台14的下方，激光发射器15、光电倍增管16相对设置。卡盒底部的芯片在旋转盘上高速运动，激光只要单向扫描一次就能对四个卡盒进行扫描读数。

Claims (6)

1.一种集核酸提取、扩增、检测于一体的机械装置，其特征在于：包括：

卡盒：包括盒体，盒体的顶面上设置进样口，进样口上设置密封盖，盒体底部分别设置样品池、试剂仓、杂交槽，盒体底部还有废液槽,杂交槽底部设置芯片，该芯片上有能与PCR产物特异性杂交的检测探针，其中，样品池与进样口相对设置，盒体内分别设置螺杆、取样针，所述螺杆左、右两端分别经轴承三、轴承四与盒体相应侧转动连接，螺杆水平设置，螺杆的右端伸出盒体，螺杆上设置连接件，该连接件与螺杆通过螺纹相连，连接件的顶面上设置有取样针容置孔，取样针容置孔的中心轴与螺杆的中心轴垂直，取样针容置孔底部固定设置第一弹簧，第一弹簧与取样针容置孔通轴设置，第一弹簧由取样针容置孔底部向上延伸并伸出取样针容置孔，取样针套设在第一弹簧内，取样针通过管道与负压发生器连通，负压发生器包括壳体、活塞和活塞杆，活塞杆上套有第二弹簧，活塞杆的自由端固定连接压杆针的左端，压杆针的右端伸出盒体，用于推进活塞杆，取样针的上方设置有压板，压板包括压板本体及与压板本体连接的压板轴，其中，压板轴与螺杆平行设置，压板轴的右端通过轴承一与盒体转动连接，压板轴的左端通过轴承二与盒体转动连接；

卡盒加热器：马达驱动，加热器里面包埋有磁铁；

马达控制机制：卡盒内伸出盒体的螺杆右端部、伸出盒体的压板轴右端部均与马达相连，通过马达控制卡盒取样针横向及上下移动；

条码阅读器：卡盒被插入仪器，通过条码阅读器对卡盒进行识别处理，分析结果直接汇总到电脑。

2.根据权利要求1所述的集核酸提取、扩增、检测于一体的机械装置，其特征在于：集核酸提取、扩增、检测于一体的机械装置同时处理1-4个卡盒，每个卡盒处理单元都是独立运作。

3.根据权利要求2所述的集核酸提取、扩增、检测于一体的机械装置，其特征在于：试剂仓的开口端由锡箔纸封闭。

4.根据权利要求1-3任一所述的集核酸提取、扩增、检测于一体的机械装置，其特征在于：样品池、试剂仓、废液槽、杂交槽的上方设置多孔板，多孔板左、右端分别与盒体内壁固定设置，多孔板上的孔与样品池、试剂仓、废液槽、杂交槽的开口端分别对应。

5.根据权利要求4所述的集核酸提取、扩增、检测于一体的机械装置，其特征在于：盒体内壁设有限定压板轴旋转角度的压板限位板，压板限位板位于压板本体下方，压板限位板的中心轴与压板轴垂直。

6.根据权利要求5所述的集核酸提取、扩增、检测于一体的机械装置，其特征在于：轴承三、轴承四安装处均安装密封垫。