CN109536368A - 一种便携式对流pcr扩增检测装置 - Google Patents

一种便携式对流pcr扩增检测装置 Download PDF

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    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6844—Nucleic acid amplification reactions
    • C12Q1/686—Polymerase chain reaction [PCR]

Abstract

本发明公开了一种便携式对流PCR扩增检测装置，该装置主要包括扩增部分和检测部分。扩增部分包括加热器、储水箱、导热模块、及散热模块；检测部分包括光学模块、智能手机及其固定模块。该装置使用加热器加热水产生水蒸汽，借助水蒸汽加热导热部分获取对流PCR所需的反应温度，实现核酸扩增过程。同时，基于智能手机，设计了兼容各型号智能手机的检测模块，通过智能手机自带摄像头采集对流PCR反应过程的荧光图像，借助智能手机上的应用软件完成定性检测。检测过程中，先将CPCR反应管放入加热装置完成核酸扩增反应，扩增反应完成后，将检测模块固定在智能手机上，把CPCR管插入检测模块即可利用智能手机完成核酸扩增结果的定性检测。

Description

一种便携式对流PCR扩增检测装置
技术领域
本发明涉及生命医学检测、诊断领域，尤其涉及一种便捷的快速核酸扩增和检测装置。
背景技术
POCT(point-of-care testing)，即现场快速检测，通过便携式仪器设备与自动化检测方法，在各类工作环境中，包括各类医疗条件较为匮乏的环境下，快速完成疾病检测。因具有检测成本低、操作简单、方便快捷等显著优势，POCT对于提升基层医疗的疾病诊断水平具有重要的现实意义。
核酸分析技术是一种基于核酸的诊断方法,通过核酸扩增与检测技术，实现高灵敏度的疾病诊断。核酸分析的主要手段之一是PCR(Polymerase Chain Reaction)技术。传统PCR需要依靠高精度的热循环来实现，其检测时间长、装置复杂度高、成本高，不利于核酸分析方法的推广与应用。近年来，逐步发展的对流PCR扩增技术利用固定的温度梯度使得对流PCR反应器内部产生高效的热对流，由此自发驱动PCR反应试剂连续流动，经历不同的温度区域，实现了高效的PCR扩增。与传统PCR相比，对流PCR不仅显著简化了PCR扩增反应装置，而且能够有效降低PCR扩增检测所需要的时间，为面向POCT的核酸分析打下良好的基础。
发明内容
本发明目的在于实现一种便携式的PCR扩增检测装置，其利用对流PCR(Convective PCR,CPCR)的特性，使用蒸汽为反应提供热量，完成核酸扩增过程，之后，利用智能手机对扩增产物进行检测，并自动给出定性的检测结果。适用于现场快速、便捷的核酸诊断。
为实现上述目的，本发明设计了一种便携式对流PCR扩增检测装置。装置主要分为扩增模块和检测模块。其中，扩增模块包括储水箱、导热模块、及散热模块；检测模块包括智能手机、手机支架与暗室。在储水箱底部利用酒精灯等加热器或热源进行加热，使水箱中的水加热沸腾，产生蒸汽作用在导热模块与散热模块上，分别对CPCR管底部和上部进行加热，通过调节导热模块、散热模块的温度梯度及散热效率，使CPCR管底部温度达到95℃附近，上部温度达到58℃附近，由此实现高效CPCR扩增反应。扩增反应结束后，将CPCR管转移至固定在手机上的检测模块中，通过光学系统，由智能手机闪光灯激发CPCR管内的扩增产物产生荧光信号，同时，由智能手机摄像头(12)接收来自CPCR管(1)内扩增产物的荧光信号，并通过内置的应用程序对采集到的荧光图像进行处理，实现定性乃至半定量检测。
储水箱包括水箱9、注水孔8和橡胶塞7和蒸汽孔槽6；其顶部开有一注水孔8和蒸汽孔槽6，橡胶塞7塞在注水孔8中。导热模块包括导热板5、下加热模块4、上加热模块2和上加热散热片3。下加热模块4下表面与导热板5上表面连接，其上开有一扩增孔10，CPCR管1插入扩增孔10底部。上加热模块2下表面与导热板5上表面连接，中间的位置与上加热散热片3连接，上部有一通孔，CPCR管1的放置在上加热模块的通孔中。
手机支架主要包括可伸缩手机支架18、滤光片固定框16、接收滤光片14、激发滤光片15。可伸缩手机支架18其上刻有卡槽17，滤光片固定框16装卡在卡槽17中，其位置可以在卡槽17内左右移动，暗室11与滤光片固定框连接在一起。接收滤光片14和激发滤光片15分别嵌在滤光片固定框16上，其中，接收滤光片14对应的摄像头12的位置，激发滤光片15对应的闪光灯13的位置。CPCR管1插入暗室11上的孔中。
导热板5与蒸汽孔6有一定的距离，调节导热板5与蒸汽孔6的距离，可以调节导热板的温度，同时调节下加热模块4与导热板5的接触面积和体积，可以使得扩增孔10内的CPCR管1内底部温度保持到95℃附近。上加热模块2也与导热板5相接触，并在上面加装一定厚度的加热散热片3，通过调节上加热模块2的宽度和上加热散热片3的散热效率，可以实现由导热板5传递上来的高温在CPCR管1内的上部降到58℃附近，并保持稳定。
通过注水孔8往水箱9中注水，注水完毕后用橡胶塞7封住注水孔8，防止蒸汽外泄，能够使蒸汽集中在蒸汽孔6中。使用酒精灯等热源对水箱9底部进行加热，水沸腾后产生蒸汽作用在导热板5上，导热板分别将热量传递给下加热模块4和上加热模块2上，通过调节导热模块、散热模块的温度梯度及散热效率，使CPCR管内底部和上部温度保持在95℃附近和58℃附近，满足扩增反应特定的温度需求。
设计的检测模块能兼容大部分的智能手机，包括尺寸不同、摄像头、闪光灯不同位置的智能手机。可伸缩手机支架18通过调整宽度装卡在手机上，滑动暗室11带动滤光片固定框16到手机摄像头的位置，CPCR管1插入暗室中，此时打开摄像头与闪光灯读取荧光图像信息，并通过内置的应用程序分析荧光图像，实现对样品的检测。
接收滤光片14为矩形，对应的在摄像头12的位置，激发滤光片15为异型结构，对应在闪光灯13的位置，激发滤光片15设计成L型的异型结构，其结构可覆盖摄像头的右部及下部区域，目的在于适应不同的智能手机，兼容闪光灯在摄像头的不同位置的智能手机。
可伸缩手机支架上18有一卡槽，与滤光片固定框16底部相配合，使得滤光片固定框16可以在可伸缩手机支架18上的卡槽中运动，接收滤光片14和激发滤光片15镶嵌在滤光片固定框16的对应位置。手动滑动卡槽内的滤光片固定框16，可以使滤光片在手机支架上左右移动，目的在于将摄像头和闪光灯与相应的滤光片对应起来，使之能兼容摄像头和闪光灯布局不一致的智能手机。
反应试剂内荧光标记物激发中心波长为492nm，所以选用激发滤光片15允许通过的光波长范围为425-500nm，用于对闪光灯13产生的激发光进行过滤，得到特定波长范围425-500nm的激发光。该波长区间作为检测光源，能量较高。
反应试剂内荧光标记物激发出的荧光信号中心波长为518nm，所以选用接收滤光片14允许通过的光的波长范围为大于510nm，对检测的荧光信号进行过滤，同时避免激发光直接进入手机摄像头12中。
暗室11为一矩形的不透明罩子，上开有一竖孔放置CPCR管1，暗室11与滤光片固定框16相固定，随着固定框移动。其主要功能在于固定摄像头到待检测CPCR管的距离，固定拍照焦距，同时，也为相机拍照检测提供一定的遮光环境，减少环境光线对检测装置的影响。
所述水箱9材质为金属铝或其它导热性能良好的金属材料，加热源采用酒精灯、煤气灶或其它可能的简易加热器。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、本发明设计了一种便携式对流PCR扩增检测装置，使用加热器产生水蒸汽提供热源，为CPCR扩增反应提供稳定的温度。可以实现无需电力的核酸扩增和检测，价格低廉。满足野外等各类医疗条件匮乏环境下及时核酸诊断、分析的需求
2、本发明设计了一种兼容不同智能手机的检测模块，用户手动调节的光学模块以匹配自己手机的摄像区域，使用智能手机作为检测平台，使装置设计更加便携，通用性也更高。
3、本发明具有体积小、结构简单、操作简便、通用性高、便携性高的特点。适用范围广泛，可支持对核酸的快速、定性乃至半定量检测。
附图说明
图1为本发明CPCR扩增装置的整体装置示意图。
图2为本发明中加热模块结构示意图。
图3为本发明检测部分工作原理图。
图4为本发明检测装置整体装置示意图。
图5为本发明结构整体示意图。
图中：1、CPCR管，2、上加热模块，3、上加热散热片，4、下加热模块，5、导热板，6、蒸汽孔，7、橡胶塞，8、注水孔，9、水箱，10、扩增孔，11、暗室，12、摄像头，13、闪光灯，14、接收滤光片，15、激发滤光片，16、滤光片固定框，17、卡槽，18、可伸缩手机支架，19、智能手机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1-5所示，该装置操作过程为先将水注入注水孔8中，注水完毕后，将橡胶塞7放入注水孔8中，使用酒精灯等加热器对水箱9底部进行加热，水沸腾后产生的蒸汽作用在导热板5上，一段时间加热模块的温度稳定后，将含有扩增试剂的CPCR管1插入扩增孔10中，进行扩增反应。
导热板5分别将热量传递到下加热模块4和上加热模块2上，通过调节导热模块、散热模块的温度梯度及散热效率，使CPCR管内底部和上部温度保持在95和58附近，满足扩增反应特定的温度需求。
核酸扩增过程
事先将检测模块通过可伸缩手机支架18固定在智能手机上，手动调节暗室11将滤光片固定框16移动至智能手机的摄像头上，待扩增反应完成后，将CPCR管1取出，放入暗室11上的检测孔中。打开智能手机的闪光灯13，经由激发滤光片15后照射暗室11中CPCR管1内扩增反应产物，激发出一定波长的荧光信号，经过接收滤光片14后，由智能手机拍取对流PCR管内扩增产物的荧光图像，并通过内置的应用程序分析荧光图像，对检测结果进行判读，实现对核酸扩增产物的定性乃至半定量检测。
上述附图及具体实施例仅用于说明本发明，本发明并不局限于此。在由本发明权利要求所限定的发明实质和范围内对本发明进行细微的改变均落在本发明的保护范围内。如吸液膜的材质、形状及尺寸，进样腔、样品定量腔的形状、尺寸，各类功能性及连接性孔的形状、尺寸，以及废液腔的形状等。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于：装置分为扩增模块和检测模块；扩增模块包括储水箱、导热模块及散热模块；检测模块包括智能手机、手机支架与暗室(11)；在储水箱底部利用酒精灯进行加热，使水箱中的水加热沸腾，产生的蒸汽作用在导热模块与散热模块上，分别对CPCR管(1)底部和上部进行加热，通过调节导热模块、散热模块的温度梯度及散热效率，使CPCR管(1)底部温度达到95℃，上部温度达到58℃，由此实现高效CPCR扩增反应；扩增反应结束后，将CPCR管(1)转移至固定在手机上的检测模块中，通过光学系统，由智能手机的闪光灯(13)激发CPCR管(1)内的扩增产物产生荧光信号，同时，由智能手机摄像头(12)接收来自CPCR管(1)内扩增产物的荧光信号，并通过内置的应用程序对采集到的荧光图像进行处理，实现定性乃至半定量检测；
储水箱包括水箱(9)、注水孔(8)和橡胶塞(7)和蒸汽孔槽(6)；水箱(9)为矩形，水箱(9)的顶部开有一注水孔(8)和蒸汽孔槽(6)，橡胶塞(7)放入注水孔(8)中；
导热模块包括导热板(5)、下加热模块(4)、上加热模块(2)和上加热散热片(3)；导热板(5)距离蒸汽孔槽(6)有一定距离，下加热模块(4)与导热板(5)紧密连接，下加热模块(4)上开有一扩增孔(10)，CPCR管(1)插入扩增孔(10)底部；上加热模块(2)底部与导热板(5)紧密连接，中间的位置与上加热散热片(3)连接，上部有一通孔，CPCR管(1)的放置在上加热模块的通孔中；
手机支架包括可伸缩手机支架(18)、滤光片固定框(16)、接收滤光片(14)、激发滤光片(15)；可伸缩手机支架(18)内部在伸缩轴上装有弹簧用以回弹，可伸缩手机支架(18)上刻有卡槽(17)，滤光片固定框(16)装卡在卡槽(17)中，滤光片固定框(16)位置能够在卡槽(17)内左右移动，接收滤光片(14)和激发滤光片(15)分别嵌在滤光片固定框(16)中，接收滤光片(14)对应的摄像头(12)的位置，激发滤光片(15)对应的闪光灯(13)的位置。
2.根据权利要求1所述的一种便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于：将水通过注水孔(8)注入水箱(9)当中，使用橡胶塞(7)封住孔，并使用酒精灯对水箱(9)底部进行加热，产生的蒸汽为反应提供热量。
3.根据权利要求1所述的一种便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于：通过酒精灯进行加热，水沸腾后产生100℃的水蒸汽，蒸汽通过蒸汽孔(6)往外散发，导热板(5)受到蒸汽加热，将温度传递给下加热模块(4)和上加热模块(2)，对CPCR管(1)上部和下部进行加热，通过热传导、温度梯度控制及散热调节，使CPCR管(1)在扩增反应时管内底部温度维持着95℃附近，管内上部温度维持在58℃。
4.根据权利要求1所述的一种便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于：加热时，通过调节导热板(5)与蒸汽孔(6)的距离，控制导热板的温度，同时调节下加热模块(4)与导热板(5)的接触面积和体积，使得扩增孔(10)内的CPCR管(1)内底部温度保持到95℃；上加热模块(2)也与导热板(5)相接触，并在上面加装一定厚度的加热散热片(3)，通过调节上加热模块(2)的宽度和上加热散热片(3)的散热效率，实现由导热板(5)传递上来的高温在CPCR管(1)内的上部降到58℃，并保持稳定。
5.根据权利要求1所述的一种便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于：通过智能手机(19)自带的闪光灯(13)产生激发光源，经过激发滤光片(15)，照射暗室(11)中CPCR管(1)内的扩增反应产物，激发出一定波长的荧光信号；智能手机(19)自带的摄像头(12)通过接收滤光片(14)拍取对流PCR管内扩增产物的荧光图片，并通过内置的应用程序分析荧光图像，实现检测结果的判读。
6.根据权利要求1所述的一种便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于：接收滤光片(14)为矩形，对应的在摄像头(12)的位置，激发滤光片(15)为异型结构，对应在闪光灯(13)的位置，激发滤光片(15)设计成异型结构的目的在于适应不同的智能手机，兼容闪光灯在摄像头不同位置的智能手机。
7.根据权利要求1所述的一种便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于：可伸缩手机支架上(18)有一卡槽，与滤光片固定框(16)底部相配合，使得滤光片固定框(16)在可伸缩手机支架(18)上的卡槽中运动，接收滤光片(14)和激发滤光片(15)镶嵌在滤光片固定框(16)的对应位置；手动滑动卡槽内的滤光片固定框(16)，使滤光片在手机支架上左右移动，目的在于对应摄像头和闪光灯以适应不同的智能手机。
8.根据权利要求1所述的一种便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于：暗室(11)为一矩形的不透明罩子，上开有一孔放置CPCR管(1)，暗室(11)与滤光片固定框(16)相固定，也能随着固定框移动；固定摄像头到待检测CPCR管的距离，使拍照焦距为固定值，也为相机拍照检测提供遮光环境。
9.根据权利要求1所述的一种便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于：可伸缩手机支架(18)调整其宽度装卡在手机上，滑动暗室(11)带动滤光片固定框(16)到手机摄像头的位置，CPCR管(1)插入暗室中，配置完成后，打开摄像头与闪光灯读取荧光图像信息，实现对待检测物质的定性检测。
10.根据权利要求1所述的一种便携式对流PCR扩增检测装置，其特征在于：所述水箱(9)材质为金属铝。
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