CN109554295B - 远洋船员的pcr扩增与疾病检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远洋船员的PCR扩增与疾病检测装置，该装置包括反应基座和PCR扩增热管，所述反应基座上设置有上层加热器和下层加热器，所述上层加热器和下层加热器之间设置有绝缘层；所述PCR扩增热管的顶部通过管架安装在上层加热器的上方，所述PCR扩增热管的底部向下延伸依次贯穿上层加热器、绝缘层嵌入至下层加热器内；所述上层加热器内设置有用于调节其左侧温度的第一电热调节器和用于调节其右侧温度的第二电热调节器；所述下层加热器内设置有用于调节其左侧温度的第三电热调节器和用于调节其右侧温度的第四电热调节器。本发明检测装置体积小、易于携带，适用于远洋运输船舶船员长时间无法靠岸进行疾病检测。

Description

远洋船员的PCR扩增与疾病检测装置

技术领域

本发明涉及疾病检测装置的技术领域，具体地指一种远洋船员的PCR扩增与疾病检测装置。

背景技术

随着社会经济和科技的发展需要，长时间、长距离的海上科研及海上运输活动日益频繁。远航期间，确保全体随行人员身心健康是圆满完成航程任务的关键，如何正确应对并及时处理测量船员在远航期间常见病与突发疾病显得尤为重要。

经过国内外专家研究发现船员长期船舶生活对船员听觉系统、神经系统、心血管系统、消化系统、肺功能等组织器官伤害和振动疾病、外伤、中毒等职业性危害。另外，远航期间，上呼吸道感染、皮肤病、口腔溃疡、训练伤及胃肠道疾病等疾病比较多发。在肝肠炎传染病、肿瘤、心血管疾病、呼吸系统疾病、消化系统疾病、泌尿生殖系统疾病、内分泌系统患病率均高于我国普通居民患病率。其中，特别是胃肠疾病，幽门螺旋杆菌感染率随着年龄的增长而升高。船员长时间的海上工作，海洋环境中大风、强流、浓雾、寒潮等恶劣气象海况频繁出现，使航海成为一种高风险职业。船员远离陆地致生活信息闭塞、新鲜食物缺乏、船体摇晃、长时间的噪音、持续的振动、电磁辐射环境和高温高湿、特殊的职务岗位特点和值班制度等对船员职业健康造成损害。航行期内，或者极端天气条件下，疾病和意外事故又无法及时得到陆地医学救助将对船员的健康造成巨大损失。

如果船上有对船员疾病的预检测设备，可避免船员无法及时得到陆地医学救助而对船员的健康及船舶公司造成的巨大损失。同时，采取适当设备检测，也可避免部分船员为了上船工作，隐瞒病史或病情。虽然现在船员上船前必须在指定医院体检，获得健康证，才能上船工作，但不排除某些船员为了谋取工作利益最大化，制作假证，给船舶航行带来不可预知的风险。

目前的PCR扩增与检测设备，大多都在大型正规的省市级医院，具有成本高、体积大、且不易携带配备的特点，难以满足远洋运输船舶船员疾病检测的要求。对于航行周期长，许久未做过相关疾病监测的船员来说，是亟待解决的问题。因此，需要开发一种用于远洋船员的PCR扩增与疾病检测装置。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种远洋船员的PCR扩增与疾病检测装置，该检测装置体积小轻便、易于携带，适用于远洋运输船舶船员长时间无法靠岸进行疾病检测。

为实现上述目的，本发明所设计的一种远洋船员的PCR扩增与疾病检测装置，包括反应基座和PCR扩增热管，所述反应基座上设置有上层加热器和下层加热器，所述上层加热器和下层加热器之间设置有绝缘层；

所述PCR扩增热管的顶部通过管架安装在上层加热器的上方，所述PCR扩增热管的底部向下延伸依次贯穿上层加热器、绝缘层嵌入至下层加热器内；

所述上层加热器内设置有用于调节其左侧温度的第一电热调节器和用于调节其右侧温度的第二电热调节器，所述第一电热调节器和第二电热调节器分别位于PCR扩增热管的两侧；

所述下层加热器内设置有用于调节其左侧温度的第三电热调节器和用于调节其右侧温度的第四电热调节器，所述第三电热调节器和第四电热调节器分别位于PCR扩增热管的两侧。

进一步地，所述上层加热器内还设置有荧光采集组件，所述荧光采集组件包括光源和光电二极管，所述光源和光电二极管分别位于PCR扩增热管的两侧。

进一步地，所述反应基座内设置有反应凹槽，所述反应基座的顶部设置有用于注入水的注水口和用于添加氧化钙的加料口，所述注水口通过导流管与反应凹槽连通，所述加料口与反应凹槽直接相连通；所述反应基座上还设置有若干个排气孔。

进一步地，所述下层加热器底部设置有若干根支撑立柱，所述支撑立柱置入反应凹槽内与其槽底部相抵接。

进一步地，所述反应凹槽具有第一导流坡和第二导流坡，所述第一导流坡的坡度小于第二导流坡的坡度，所述注水口和加料口与第一导流坡位于同侧。

进一步地，所述PCR扩增热管包括加热管和设置在加热管上方进料口的端盖；所述加热管由下至上依次设置有安装管段、毛细管段和反应管段，所述端盖可嵌入安装管段内与其密封连接，所述毛细管段的内腔嵌入有若干根毛细管。

进一步地，所述毛细管段具有大径口端和小径口端，所述毛细管段的直径由大径口端向小径口端逐渐减小；

所述大径口端与安装管段的底端连接，所述小径口端与反应管段的顶端连接。

进一步地，所述反应管段的一侧为低温管段，另一侧为中温管段，所述低温管段与中温管段的底部之间设置有高温管段；

所述低温管段的温度为55℃，所述中温管段的温度为72℃，所述高温管段的温度为95℃。

再进一步地，它还包括PLC控制系统，所述PLC控制系统的电信号输入端与光电二极管的电信号输出端连接，所述PLC控制系统的控制信号输出端分别与光源、第一电热调节器、第二电热调节器、第三电热调节器、以及第四电热调节器的控制信号输入端连接。

更进一步地，所述下层加热器的外壳为隔热板构成的箱体结构，所述下层加热器的内壁与反应凹槽的外壁之间填充有大理石颗粒；所述下层加热器的底部设置有若干个与地面相连的地脚螺栓。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

其一，本发明的装置设计有反应基座和PCR扩增热管，通过调节上层加热器、下层加热器左右两侧的电热调节器，可以保证左右温度差异与合适的温度梯度，使得PCR扩增热管的低温管段、中温管段、高温管段的工作时温度能够保持在55℃、72℃、95℃，通过热升力以及毛细作用驱动管道循环往复，完成DNA扩增过程。

其二，本发明的反应基座内设计有反应凹槽，反应凹槽内能够进行局部的生石灰与水的反应利用水蒸汽的温度，对上层部件进行辅助加热，节省了电能使用，降低了成本。

其三，本发明设计有荧光采集组件，荧光采集组件包括光源和光电二极管，光源发射的光线穿射过PCR扩增热管后由光电二极管接收，光电二极管将光信号转化为电信号传递给PLC控制系统，进行后续的序列对比与疾病分析过程。

其四，本发明的装置采用石灰水与水反应产热方式，成本低廉、易于实现，而且装置结构简单、体积小、易于携带，克服了远洋运输船舶船员长时间无法靠岸的疾病检测的问题。

附图说明

图1为一种远洋船员的PCR扩增与疾病检测装置的立体结构示意图；

图2为图1所示远洋船员的PCR扩增与疾病检测装置的主视剖视结构示意图；

图3为图2中PCR扩增热管的放大剖视结构示意图；

图4为图3中加热管的放大剖视结构示意图；

图5为图1所示远洋船员的PCR扩增与疾病检测装置控制电路示意图；

图中，反应基座1、注水口1.1、加料口1.2、PCR扩增热管2、加热管2.1、安装管段2.11、毛细管段2.12、大径口端2.121、小径口端2.122、反应管段2.13、低温管段2.131、中温管段2.132、高温管段2.133、端盖2.2、上层加热器3、下层加热器4、绝缘层5、管架6、第一电热调节器7.1、第二电热调节器7.2、第三电热调节器7.3、第四电热调节器7.4、荧光采集组件8、光源8.1、光电二极管8.2、反应凹槽9、第一导流坡9.1、第二导流坡9.2、排气孔10、支撑立柱11、毛细管12、PLC控制系统13、地脚螺栓14、导流管15。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图中所示的远洋船员的PCR扩增与疾病检测装置，包括反应基座1、PCR扩增热管2和PLC控制系统13，反应基座1上设置有上层加热器3和下层加热器4，上层加热器3和下层加热器4之间设置有绝缘层5。上层加热器3和下层加热器4采用良好的导温材料制成，绝缘层5采用硅酸铝陶瓷纤维制成，可以隔绝上层加热器3和下层加热器4间的温度影响。PCR扩增热管2的顶部通过管架6安装在上层加热器3的上方，PCR扩增热管2的底部向下延伸依次贯穿上层加热器3、绝缘层5嵌入至下层加热器4内。

上述技术方案中，上层加热器3内设置有用于调节其左侧温度的第一电热调节器7.1和用于调节其右侧温度的第二电热调节器7.2，第一电热调节器7.1和第二电热调节器7.2分别位于PCR扩增热管2的两侧；下层加热器4内设置有用于调节其左侧温度的第三电热调节器7.3和用于调节其右侧温度的第四电热调节器7.4，第三电热调节器7.3和第四电热调节器7.4分别位于PCR扩增热管2的两侧。

上述技术方案中，上层加热器3内还设置有荧光采集组件8，用于对光信号的采集。荧光采集组件8包括光源8.1和光电二极管8.2，光源8.1和光电二极管8.2分别位于PCR扩增热管2的两侧，光源8.1发射的光线穿射过PCR扩增热管2后由光电二极管8.2接收，光电二极管8.2将光信号转化为电信号传递给PLC控制系统13，进行后续的序列对比与疾病分析过程。

上述技术方案中，PLC控制系统13的电信号输入端与光电二极管8.2的电信号输出端连接，PLC控制系统13的控制信号输出端分别与光源8.1、第一电热调节器7.1、第二电热调节器7.2、第三电热调节器7.3、以及第四电热调节器7.4的控制信号输入端连接，通过第一电热调节器7.1、第二电热调节器7.2、第三电热调节器7.3和第四电热调节器7.4用于调节上层加热器3和下层加热器4内部左右两侧的热敏电阻阻值大小，以满足局部管段的温度要求，保证低温管段的温度为55℃，中温管段的温度为72℃，高温管段的温度为95℃。

上述技术方案中，反应基座1内设置有反应凹槽9，反应基座1的顶部设置有用于注入水的注水口1.1和用于添加氧化钙的加料口1.2，注水口1.1通过导流管15与反应凹槽9连通，加料口1.2与反应凹槽9直接相连通；在反应凹槽9内，按照氧化钙：水＝3.1：1的比例进行混合，满足水蒸气温度大于100℃，能够将温度向上传递。反应基座1上还设置有若干个排气孔10。下层加热器4的外壳为隔热板构成的箱体结构，下层加热器4的内壁与反应凹槽9的外壁之间填充有大理石颗粒，能够起到良好的隔绝热量散失的功能，具备保温作用。下层加热器4的底部设置有若干个与地面相连的地脚螺栓14，地脚螺栓14上可以配装有减压弹簧，起到减压缓冲的作用。

上述技术方案中，下层加热器4底部设置有若干根支撑立柱11，支撑立柱11置入反应凹槽9内与其槽底部相抵接。反应凹槽9具有第一导流坡9.1和第二导流坡9.2，第一导流坡9.1的坡度小于第二导流坡9.2的坡度，注水口1.1和加料口1.2与第一导流坡9.1位于同侧，通过注水口1.1注入的水和通过加料口1.2添加的氧化钙能够快速反应，产生大量的热水蒸气。

上述技术方案中，PCR扩增热管2包括加热管2.1和设置在加热管2.1上方进料口的端盖2.2，加热管2.1内装有PCR反应溶液，PCR反应溶液按质量份数计由如下组分配制而成：水100份、缓冲溶液15份、氯化镁溶液8份、寡核苷酸23份、DNA聚合酶3份、矿物油1份、dATP5份、dGTP5份、dCTP5份、dTTP5份。加热管2.1由下至上依次设置有安装管段2.11、毛细管段2.12和反应管段2.13，端盖2.2可嵌入安装管段2.11内与其密封连接，毛细管段2.12的内腔嵌入有若干根毛细管12。

上述技术方案中，毛细管段2.12具有大径口端2.121和小径口端2.122，毛细管段2.12的直径由大径口端2.121向小径口端2.122逐渐减小；大径口端2.121与安装管段2.11的底端连接，小径口端2.122与反应管段2.13的顶端连接。反应管段2.13的一侧为低温管段2.131，另一侧为中温管段2.132，低温管段2.131与中温管段2.132的底部之间设置有高温管段2.133；低温管段2.131的温度为55℃，中温管段2.132的温度为72℃，高温管段2.133的温度为95℃。本发明可以通过计算机CFD计算流体力学进行模拟仿真，PCR反应溶液的流向如图4所示，根据大量实际数据中提取的数据，进行PCR扩增的PCR反应溶液的粘弹特性参数的设置，进行温度与流速的设置，分别对三个不同温度管段定义边界条件。以管径、长度、不同温度段之间的距离为研究对象，确定热管的管径、长度，以及温度为95℃、55℃、72℃所对应的管道长度，作为上、下层加热器的高度加工制作的依据。

当PCR反应溶液与毛细管段2.12接触时，在浸润情况下PCR反应溶液沿毛细管12的缝隙上升或渗入，称之为毛细管作用。PCR反应溶液在毛细管段2.12由于内聚力以及附着力的差异，克服地心引力而向上上升，在反应管段2.13上，依靠三个恒定的反应温度，使得反应管段2.13的低温管段2.131、高温管段2.133、中温管段2.132形成恒定且稳定的温度梯度，基于热力学与流体力学原理，形成周期性流动条件，循环往复的进行流动反应。本发明是基于毛细管作用与热浮升力作用，来驱动管道内的PCR反应溶液循环往复，完成DNA的扩增过程。聚合酶链式反应PCR可以用于放大扩增特定的DNA片段，已经成为分子诊断领域的新标准，PCR可以在体外特定情况下通过95℃的变性形成DNA单链，55℃的退火使引物结合到单链上，72℃的延伸阶段，引子开始沿着DNA链合成互补链。因此，本发明可以满足PCR扩增的完成过程所述特定的温度段，并实现PCR反应溶液流动的动力要求。

以上仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，其余未详细说明的为现有技术。

Claims (3)

1.一种远洋船员的PCR扩增与疾病检测装置，其特征在于：包括反应基座(1)和PCR扩增热管(2)，所述反应基座(1)上设置有上层加热器(3)和下层加热器(4)，所述上层加热器(3)和下层加热器(4)之间设置有绝缘层(5)；

所述PCR扩增热管(2)的顶部通过管架(6)安装在上层加热器(3)的上方，所述PCR扩增热管(2)的底部向下延伸依次贯穿上层加热器(3)、绝缘层(5)嵌入至下层加热器(4)内；

所述上层加热器(3)内设置有用于调节其左侧温度的第一电热调节器(7.1)和用于调节其右侧温度的第二电热调节器(7.2)，所述第一电热调节器(7.1)和第二电热调节器(7.2)分别位于PCR扩增热管(2)的两侧；

所述下层加热器(4)内设置有用于调节其左侧温度的第三电热调节器(7.3)和用于调节其右侧温度的第四电热调节器(7.4)，所述第三电热调节器(7.3)和第四电热调节器(7.4)分别位于PCR扩增热管(2)的两侧；

所述PCR扩增热管(2)包括加热管(2.1)和设置在加热管(2.1)上方进料口的端盖(2.2)；所述加热管(2.1)内装有PCR反应溶液，PCR反应溶液按质量份数计由如下组分配制而成：水100份、缓冲溶液15份、氯化镁溶液8份、寡核苷酸23份、DNA聚合酶3份、矿物油1份、dATP5份、dGTP5份、dCTP5份、dTTP5份；

所述上层加热器(3)内还设置有荧光采集组件(8)，所述荧光采集组件(8)包括光源(8.1)和光电二极管(8.2)，所述光源(8.1)和光电二极管(8.2)分别位于PCR扩增热管(2)的两侧；

所述反应基座(1)内设置有反应凹槽(9)，所述反应基座(1)的顶部设置有用于注入水的注水口(1.1)和用于添加氧化钙的加料口(1.2)，所述注水口(1.1)通过导流管(15)与反应凹槽(9)连通，所述加料口(1.2)与反应凹槽(9)直接相连通；在反应凹槽(9)内，按照氧化钙：水＝3.1：1的比例进行混合，满足水蒸气温度大于100℃，能够将温度向上传递；所述反应基座(1)上还设置有若干个排气孔(10)；

所述下层加热器(4)底部设置有若干根支撑立柱(11)，所述支撑立柱(11)置入反应凹槽(9)内与其槽底部相抵接；

所述反应凹槽(9)具有第一导流坡(9.1)和第二导流坡(9.2)，所述第一导流坡(9.1)的坡度小于第二导流坡(9.2)的坡度，所述注水口(1.1)和加料口(1.2)与第一导流坡(9.1)位于同侧；

所述加热管(2.1)由下至上依次设置有安装管段(2.11)、毛细管段(2.12)和反应管段(2.13)，所述端盖(2.2)可嵌入安装管段(2.11)内与其密封连接，所述毛细管段(2.12)的内腔嵌入有若干根毛细管(12)；

所述毛细管段(2.12)具有大径口端(2.121)和小径口端(2.122)，所述毛细管段(2.12)的直径由大径口端(2.121)向小径口端(2.122)逐渐减小；

所述大径口端(2.121)与安装管段(2.11)的底端连接，所述小径口端(2.122)与反应管段(2.13)的顶端连接；

所述反应管段(2.13)的一侧为低温管段(2.131)，另一侧为中温管段(2.132)，所述低温管段(2.131)与中温管段(2.132)的底部之间设置有高温管段(2.133)；

所述低温管段(2.131)的温度为55℃，所述中温管段(2.132)的温度为72℃，所述高温管段(2.133)的温度为95℃。

2.根据权利要求1所述远洋船员的PCR扩增与疾病检测装置，其特征在于：它还包括PLC控制系统(13)，所述PLC控制系统(13)的电信号输入端与光电二极管(8.2)的电信号输出端连接，所述PLC控制系统(13)的控制信号输出端分别与光源(8.1)、第一电热调节器(7.1)、第二电热调节器(7.2)、第三电热调节器(7.3)、以及第四电热调节器(7.4)的控制信号输入端连接。

3.权利要求2所述远洋船员的PCR扩增与疾病检测装置，其特征在于：所述下层加热器(4)的外壳为隔热板构成的箱体结构，所述下层加热器(4)的内壁与反应凹槽(9)的外壁之间填充有大理石颗粒；所述下层加热器(4)的底部设置有若干个与地面相连的地脚螺栓(14)。

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