CN109628298B - 一种便携式集成核酸分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式集成核酸分析装置，该装置包括微流控芯片核酸提取单元、CPCR扩增单元与胶体金试纸检测单元。微流控芯片包括核酸提取与扩增反应腔、核酸提取膜、反应腔固定模块、提取支撑模块、废液腔、及吸水滤纸；CPCR扩增单元包括：核酸提取与扩增反应腔、提取支撑模块、CPCR扩增固定模块、加热电阻膜、及隔离器件。胶体金试纸检测单元包括：胶体金检测模块、试纸固定模块、及试纸模块支撑结构。本装置能够首先完成核酸提取，得到被核酸提取膜捕获的纯化核酸；然后以所捕获核酸为模板，通过对流PCR实现高效的核酸扩增；最后，通过胶体金纸条检测方式，对对流PCR扩增产物进行即时检测，实现检测结果的阴/阳性判断。

Description

一种便携式集成核酸分析装置

技术领域

本发明涉及生命医学检测、诊断领域，尤其涉及一种基于核酸提取膜的核酸快速提取及对流CPCR(Convective PCR,CPCR)扩增于一体的微流控芯片核酸分析装置。

背景技术

传统的基于磁珠的核酸提取方法通常需要庞大的设备，而且洗脱与纯化步骤繁琐耗时，不利于自动化核酸诊断的实现。基于核酸提取膜的核酸提取由于操作性强、提取效率高、适用于POCT(point-of-care)现场快速诊断，成为了核酸分析领域的热门研究方向。传统的PCR扩增方法需要对扩增样品进行周期性的升降温控制，各步骤的温度过渡时间长，导致扩增时间较长。基于热对流原理的毛细管对流PCR(CPCR)技术通过热对流过程来实现高效的等效温度循环，提供各步骤所需温度，大大减少了扩增时间。

将基于核酸提取膜的核酸提取方法，与对流PCR技术相互结合，配合以胶体金纸条检测方法，构建一体化的便携式核酸分析系统，显著的降低核酸分析系统的复杂度，并提高核酸分析效率，为实现POCT核酸分析提供了可能。

发明内容

本发明目的在于提供一种将基于核酸提取膜的核酸快速提取和基于对流PCR的核酸扩增，以及基于胶体金纸条的快速检测于一体的便携式核酸分析装置，该装置能够依次完成核酸提取和CPCR扩增反应，并利用胶体金试纸进行疾病分析，实现核酸提取、扩增和检测的一体化操作，实现POCT核酸分析。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为集基于核酸提取膜的核酸快速提取及对流CPCR扩增检测一体的便携式核酸分析装置，该装置包括核酸提取单元、CPCR扩增单元、胶体金试纸检测单元、及其他配套设备。

核酸提取单元包括：提取与扩增反应腔1、核酸提取膜2、核酸提取固定模块3、提取与扩增支撑模块4、废液腔5、吸水滤纸6。核酸提取膜2固定在提取与扩增反应腔1中，提取与扩增反应腔1固定在核酸提取固定模块3上，提取与扩增支撑模块4用于支撑反应固定芯片3并将提取与扩增反应腔1与废液腔5连通在一起，吸水滤纸6放置在废液腔5中进行废液的处理。提取与扩增反应腔1是核酸提取的通道和核酸扩增的场所。

CPCR扩增单元包括：CPCR扩增固定模块7、加热电阻膜8。提取与扩增反应腔1固定在CPCR扩增固定模块7上，提取与扩增支撑模块4用于支撑CPCR扩增固定模块7并将提取与扩增反应腔1与试纸检测单元连通在一起，加热电阻膜8紧贴在CPCR扩增固定模块7的一侧进行扩增过程的热源供应。

胶体金试纸检测单元包括：胶体金检测试纸9、引流吸水纸10、试纸固定模块11、试纸挤压模块12、刺穿刀片13、滑轨模块14。胶体金检测试纸10放置在试纸固定模块11中，可以根据不同样本的需要放置对应试纸，试纸固定模块11可以插入到试纸模块支撑结构12中，形成完整的胶体金试纸检测单元。

其他配套设备包括：供电电池15、供电电池电池盒16、抽气泵17、整体支撑板18、隔热板19、隔热石棉20、橡胶塞21、底部外壳22、上部外壳23。供电电池15放置在供电电池电池盒16中，分别为加热电阻膜8与抽气泵17进行供电。抽气泵17在核酸提取过程中将各步骤流体从提取与扩增反应腔1中抽到废液腔5中，完成核酸提取过程。整体支撑板18为核酸提取单元、CPCR扩增单元以及胶体金试纸检测单元提供支撑.隔热板19与隔热石棉20位于供电电池电池盒16与整体支撑板18中间，减少热量的向外逸散，保证CPCR扩增过程中温度的均一性与稳定性。底部外壳22将供电电池电池盒16与抽气泵17包裹起来，与外界环境隔离开。上部外壳23将反应单元包裹起来，与底部外壳22相互配合，形成完整的便携式核酸检测装置。

核酸提取膜2位于提取与扩增反应腔1底部，核酸提取膜2作为一种固相核酸捕获载体，通过与wash buffer的配合，可以完成核酸的捕获与纯化，而且可以直接作为CPCR反应的固相载体，提供CPCR所需要的扩增模板，为核酸提取与CPCR扩增的一体化提供了基础。

将裂解后的检测样品与各步骤所需的核酸wash buffer依次手动注入到提取与扩增反应腔1中，用橡胶塞21将提取与扩增反应腔1堵住，然后通过抽气泵17的作用，使得各步骤液体依次通过提取与扩增反应腔1的毛细管微通道与核酸提取膜2，其中，裂解样品中的核酸模板被核酸提取膜2所捕获并纯化，而废液则通过核酸提取固定模块3与提取与扩增支撑模块4的通孔到达废液腔5并被吸水滤纸6所吸收。

在核酸提取步骤结束后，将提取与扩增反应腔1放置在CPCR扩增固定模块7中，将扩增引物与扩增体系手动注入到提取与扩增反应腔1中，用石蜡油封住上层，用橡胶塞21将提取与扩增反应腔1堵住，避免试剂的挥发，防止扩增过程带来的生物污染。然后打开加热电阻膜的供电电源，进行30min的CPCR反应。

待CPCR扩增反应结束后，将被检测疾病对应胶体金检测试纸(9)和刺穿刀片(13)放置于试纸固定模块(11)对应卡槽中，引流吸水纸(10)一端紧贴胶体金检测试纸下部，另一端置于刺穿刀片(13)对应凹槽中。试纸固定模块(11)中有6个圆柱形凹槽，与试纸挤压模块(12)的凸起结合，模块中各部分完全固定。将装配完成的检测模块由外而内经由滑轨模块(14)的滑轨式凹槽，插入到CPCR扩增固定模块7中，刺穿刀片(13)将提取与扩增反应腔(1)截断，扩增液流到引流吸水纸(10)中并通过渗析作用到达胶体金检测试纸(9)，从装置外部观察显色状态判断样本阴阳性。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、本发明以一种基于核酸提取膜2的核酸快速提取及CPCR扩增芯片，将核酸提取与核酸扩增过程在同一个反应腔中完成，实现核酸提取与扩增的一体化操作，降低成本与操作难度，同时大大减少了装置的体积，为POCT核酸分析提供了可能。

2、本发明具有便携式、结构简单、操作简单、核酸提取效率高，一体化等优点，可以完成从提取到扩增再到检测的一整套核酸分析流程，现场得到检测结果。

3、本发明适用于多种基于核酸分析的疾病检测，可以提取各种核酸分子并进行扩增，只需要配合相对应的胶体金检测纸条就可以进行多种疾病检测。

4、本发明体积小，便于随身携带，可以适用于多种复杂环境而不需要庞大的设备支撑。可以进行恶劣环境下的即时疾病监测。

5、本发明通过装置的集成与配合，整体装置与外界隔离，有效防止气溶胶污染带来的隐藏生物危害。

6、本发明利用核酸提取膜2进行核酸提取，可以提高核酸提取效率和质量，为后续的CPCR扩增提供了基础。

7、本发明采用电池供电，只需要推动开关按钮就可以进行真空泵以及加热电阻膜的控制，操作简单易行，不需要进行另行训练就可以完成整个检测过程。

8、本发明采用胶体金纸条的检测方法，通过肉眼就可以进行检测结果的观察，直截明了，从提取到检测结束，整个过程可以在一个小时内完成，高效便捷。

附图说明

图1为一种便携式集成核酸分析装置的结构示意图

图2为一种便携式集成核酸分析装置中核酸分析过程整体示意图

图3为一种便携式集成核酸分析装置中胶体金试纸检测单元示意图

图4为一种便携式集成核酸分析装置中胶体金试纸检测单元配合示意图图5为一种便携式集成核酸分析装置中刀片刺穿过程示意图

图中：

1、提取与扩增反应腔 2、核酸提取膜 3、核酸提取固定模块

4、提取与扩增支撑模块 5、废液腔 6、吸水滤纸

7、CPCR扩增固定模块 8、加热电阻膜 9、胶体金检测试纸

10、引流吸水纸 11、试纸固定模块 12、试纸挤压模块

13、刺穿刀片 14、滑轨模块 15、供电电池

16、供电电池电池盒 17、抽气泵 18、整体支撑板

19、隔热板 20、隔热石棉 21、橡胶塞

22、底部外壳 23、上部外壳

具体实施方式

下面将结合本发明中图1至图5，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做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。

如图1所示，本发明的一个实施例操作过程为通过移液枪或自动加样针将样本溶液加入已经将核酸提取膜2放置在底部的提取与扩增反应腔1中，此时提取与扩增反应腔1固定在核酸提取固定模块中，将橡胶塞21塞到提取与扩增反应腔1中，将抽气泵对应的电源开关打开，使样本溶液透过核酸提取膜2，并通过通道到达废液腔5中，被吸水滤纸6吸收，样本溶液中的核酸分子被吸附在核酸提取膜2的表面。再次以同样方式将wash buffer注入提取与扩增反应腔1中，打开电源，使各步骤洗涤液透过核酸提取膜2，完成洗涤与纯化操作，核酸提取膜2上就可以得到具有纯化的核酸模板；然后，将取与扩增反应腔1转移到CPCR扩增固定模块7中固定，将扩增试剂注入提取与扩增反应腔1中，启动加热电阻膜的对应电源开关，8分钟左右既可以升温至底部扩增温度95℃±1℃，开始CPCR扩增过程，该过程持续30分钟，扩增结束后关闭加热电源，被检测疾病对应胶体金检测试纸9和刺穿刀片13放置于试纸固定模块11对应卡槽中，引流吸水纸10一端紧贴胶体金检测试纸下部，另一端置于刺穿刀片13对应凹槽中。将试纸挤压模块集成后，形成完整的胶体金检测模块，将装配完成的检测模块由外而内经由滑轨模块14的滑轨式凹槽，插入到CPCR扩增固定模块7中，刺穿刀片13将提取与扩增反应腔1截断，扩增液流到引流吸水纸10中并通过渗析作用到达胶体金检测试纸9，通过渗析作用，浸透整个胶体金试纸，通过肉眼观察试纸上的C线与T线，即可完成疾病的检测，由此实现了核酸提取与核酸扩增及疾病监测的一体化操作过程。

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 (6)

1.一种便携式集成核酸分析装置，其特征在于：本装置包括核酸提取单元、CPCR扩增单元和胶体金试纸检测单元；本装置将核酸提取，核酸扩增与胶体金纸条检测分析集成，完成整套核酸分析流程；

核酸提取单元用于核酸提取，核酸提取单元包括：提取与扩增反应腔（1）、核酸提取膜（2）、核酸提取固定模块（3）、提取与扩增支撑模块（4）、废液腔（5）、吸水滤纸（6）；核酸提取膜（2）固定在提取与扩增反应腔（1）的底部，核酸提取固定模块（3）、提取与扩增支撑模块（4）、废液腔（5）自上而下通过卡槽配合或者粘结剂黏结成为整体，吸水滤纸（6）通过双面胶固定在废液腔（5）的底部；

CPCR扩增单元用于核酸扩增，CPCR扩增单元包括： CPCR扩增固定模块（7）、加热电阻膜（8）；CPCR扩增固定模块（7）通过卡槽与提取与扩增支撑模块（4）配合成为整体；加热电阻膜（8）紧贴在CPCR扩增固定模块（7）侧面与其形状一致的凹槽中，保证加热效果，为提取与扩增反应腔（1）提供热源；

胶体金试纸检测单元用于进行核酸分析，胶体金试纸检测单元包括：胶体金检测试纸（9）、引流吸水纸（10）、试纸固定模块（11）、试纸挤压模块（12）、刺穿刀片（13）、滑轨模块（14）；胶体金试纸检测单元用于扩增后的样本的实时检验，通过肉眼观察C线和T线进行样本阴/阳性判断；

试纸固定模块（11）中央有一个与胶体金检测试纸（9）形状一致的卡槽，用于固定胶体金检测试纸（9），试纸固定模块（11）与不同类型的胶体金检测试纸（9）相适应，引流吸水纸（10）一端紧贴胶体金检测试纸下部，另一端置于刺穿刀片（13）对应凹槽中；试纸固定模块（11）中有六个圆柱形凹槽，与试纸挤压模块（12）的凸起结合，将胶体金检测试纸（9）与引流吸水纸（10）被固定在对应位置；

胶体金试纸检测单元中使用刺穿刀片（13）作为刺穿工具，将提取与扩增反应腔（1）从中间截断；刺穿刀片（13）为异形结构，其后端结构与试纸固定模块（11）卡口相适应；首先将胶体金检测试纸（9）与引流吸水纸（10）进行固定，再将刺穿刀片（13）与试纸固定模块（11）结合成为整体；

胶体金试纸检测单元以试纸固定模块（11）作为驱动模块，胶体金检测试纸（9）、引流吸水纸（10）、试纸挤压模块（12）、刺穿刀片（13）均与之结合，构成胶体金试纸检测模块；该模块以抽拉形式进行腔体刺穿与病毒检测；滑轨模块（14）的凹槽与试纸固定模块（11）的外轮廓匹配，凹槽作为滑轨式通道，胶体金试纸检测模块以该通道作为运动通道，自外而内手动推进，刺穿刀片（13）将提取与扩增反应腔（1）截断，扩增液流出至引流吸水纸（10）；

核酸提取膜（2）作为固相提取载体，配合相应试剂完成核酸的捕获与纯化；又能够作为扩增载体，提供CPCR扩增模板；核酸提取膜（2）为直径为1-2mm的圆孔状薄片，紧密固定在提取与扩增反应腔（1）底部，提取与扩增反应腔（1）底部内径比核酸提取膜（2）直径小0.2mm；提取与扩增反应腔（1）通过核酸提取固定模块（3）的上部圆孔凹槽形成紧配合；提取与扩增支撑模块（4）上表面有两个带有通孔的凸起圆柱，两个圆柱分别用于固定核酸提取固定模块（3）与CPCR扩增固定模块（7），并进行位置定位，保证自上而下的通孔圆心一致，提取与扩增支撑模块（4）位于废液腔（5）上方，两者通过粘结剂粘合，确保流体通道自上而下连贯性；核酸提取过程中，样本与试剂手动加入至提取与扩增反应腔（1）中，盖上橡胶塞（21），打开抽气泵（17），溶液依次通过提取与扩增反应腔（1）的毛细管微通道与核酸提取膜（2），其中，裂解样品中的核酸模板被核酸提取膜（2）所捕获并纯化，而废液则通过核酸提取固定模块（3）与提取与扩增支撑模块（4）的通孔到达废液腔（5）并被吸水滤纸（6）所吸收。

2.根据权利要求1所述的一种便携式集成核酸分析装置，其特征在于：核酸提取结束后，停止抽气泵（17），将提取与扩增反应腔（1）转移至CPCR扩增固定模块（7）中固定，提取与扩增反应腔（1）的外部圆形结构与CPCR扩增固定模块（7）的上部圆孔形成紧配合，从而实现提取与扩增反应腔（1）至胶体金试纸的连通引流；完成此装配过程后，将扩增体系手动加入至提取与扩增反应腔（1），橡胶塞（21）进行封闭隔离，打开加热电阻膜（8）对应开关，达到扩增所需温度梯度后，开始CPCR扩增过程。

3.根据权利要求1所述的一种便携式集成核酸分析装置，其特征在于：待CPCR扩增反应结束后，将组装完成的胶体金检测模块经由滑轨模块（14）插入到CPCR扩增模块中，刺穿刀片（13）将提取与扩增反应腔（1）从中间截断，扩增液流到引流吸水纸（10）中并通过渗析作用到达胶体金检测试纸（9），观察试纸条带显色状态判断样本阴阳性。

4.根据权利要求1所述的一种便携式集成核酸分析装置，其特征在于：本装置中的核酸提取与CPCR扩增均在提取与扩增反应腔（1）完成，将提取与扩增反应腔（1）手动转移至对应固定模块即可完成提取与扩增操作；胶体金试纸检测单元与CPCR扩增单元相集成，减小了装置的体积并成为耦合模块，通过底部外壳（22）与上部外壳（23）进行装配封装。

5.根据权利要求1所述的一种便携式集成核酸分析装置，其特征在于：本装置中将核酸提取，CPCR扩增，胶体金试纸检测完全集成，成为耦合整体，完成整套核酸分析流程。

6.根据权利要求1所述的一种便携式集成核酸分析装置，其特征在于：本装置利用电池进行供电，各步骤通过便捷的手工操作完成，所有模块均由透明PMMA材料加工完成，透光性强，便于各模块间的粘接，从装置外部即可观察反应状态，检测过程中无需将胶体金纸条抽出观察，防止产生生物污染。

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