CN109632772A - 一种基于智能手机的多通道对流pcr扩增检测装置 - Google Patents

一种基于智能手机的多通道对流pcr扩增检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于智能手机的多通道对流PCR扩增检测装置，该装置包括加热单元、检测单元。加热单元包括：顶层加热模块、底层加热模块、顶层加热电阻膜、底层加热电阻膜、顶层温度检测元件、底层温度检测元件。通过加热单元为反应腔的上下端提供稳定的热源，使核酸模板参与对流PCR反应。控温模块实时采集温度数据，将数据信息传至智能手机，实现对流PCR扩增反应过程的温度监控。检测单元包括LED灯、光纤、激发光滤光片、接收光滤光片及智能手机。多通道CPCR扩增检测装置复杂度低，装置小巧便携，操作简单，借助智能手机降低了系统复杂度，缩短了检测时间，提高了对流PCR检测效率，为实现现场快速核酸诊断与分析打下了良好的基础。

Description

一种基于智能手机的多通道对流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，尤其是涉及到应用于对流PCR扩增技术的分子诊断检测方法与装置。
背景技术
传统的PCR扩增方法往往需要对反应样品进行持续性的、周期性的升降温控制，由于各个模块的热惯性作用，导致各步反应之间的过渡过程时间较长，因此，PCR扩增所需的总时间往往较长。基于热对流原理的对流PCR(ConvectivePCR,CPCR)技术通过反应试剂的热对流过程来实现高效的热循环，因此，其所需的扩增反应时间显著少于传统PCR扩增反应。
传统的PCR扩增检测技术操作步骤繁多，系统复杂，检测成本高且仪器体积大，不利于PCR分子诊断方法的推广与应用。PCR检测方式既可以使用光电检测方法，也可以使用图像检测方法，本装置使用智能手机内置相机拍照，实现多个CPCR管的图像检测，将更加方便的实现多通道CPCR检测，降低检测复杂度，实现对流PCR的简易化、便携化。将智能手机整合到疾病检测中，既能够利用智能手机的内置摄像头实现检测信号的图像采集；同时，也能够依靠智能手机自身的软件平台来运行各类应用程序，实现系统控制与数据处理。与此同时，智能手机体积小巧，有利于实现检测装置的便携化。所以将基于智能手机的控制-检测模块，与对流PCR技术相互结合，构建便携式的核酸快速扩增检测装置，能够显著降低核酸扩增一体化系统的复杂度，提高核酸扩增的效率，为实现方便快捷、操作简单的一体化核酸诊断分析打下坚实的基础。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置，该装置能够同时完成多个、多种核酸的CPCR扩增反应，并且使用的是利用智能手机内置摄像头拍照的图像检测方法，对多个CPCR管的图像拍照检测，将更加方便的实现多通道CPCR检测，降低检测复杂度，实现对流PCR的简易化、便携化，实现核酸扩增和检测的一体化操作，实现高通量核酸分析。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置，该装置包括加热单元、检测单元。
加热单元包括：底层加热电阻膜7、底层加热模块8、顶层加热电阻膜9、顶层加热模块10、隔热模块11、底层测温元件12、顶层双侧测温元件13。底层加热电阻膜7紧贴在底层加热模块8底部，由底部支架3进行固定，对底层加热模块8进行加热，使之升温。顶层加热电阻膜9置于顶层加热模块10中圆形加热腔两侧的长方形加热板上，从两侧来给中间的圆形加热腔进行温度传导加热。底层测温元件12埋入底层加热模块中心位置，而顶层左右双侧测温元件13分别埋入顶层加热模块10的左右两侧长方形板中，由此实现上下两层温度的检测。
检测单元包括：LED灯4、LED灯罩模块5、LED灯入射孔6、接收光滤光片15、发射光滤光片16、智能手机17。LED灯4通过螺纹孔固定在底板上，上层固定发射光滤光片17，再通过LED灯罩模块5对LED灯实现聚光作用，光通过LED灯罩模块上的8孔通过8根光纤进行导光，传到LED灯光入射孔中，对CPCR反应试管14进行荧光照射。接收光滤光片15位于智能手机摄像头和CPCR反应试管14之间，实现对接受荧光的过滤，荧光照射后的CPCR反应试管反射光通过滤光片15进入智能手机17的摄像头中，智能手机17进行拍照采集图像，通过智能手机进行图像处理。
本发明中可以在CPCR反应试管14的上下端分别设置顶层加热模块10和底层加热模块8，通过上下两端加热实现CPCR扩增，也可以仅设置底层加热模块8，采用单加热源加热来实现CPCR扩增。
通过单个LED灯4和光纤的结合可以实现分别激发多个反应孔位中试剂的荧光染料，再通过智能手机17摄像头经由接收光滤光片15对多个反应孔位的荧光信号进行同时检测，由此实现了高通量核酸检测。
底层测温元件12和顶层双侧测温元件13既可以是热电阻也可以是热电偶。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、本发明是一种基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置，将核酸扩增过程与智能手机进行了结合，既可以借助智能手机内置摄像头实现图像检测，同时也能够借助其内部应用程序实现加热温度控制。由此，显著降低对流PCR扩增系统的复杂度与成本。
2、本发明利用LED灯和光纤的配合使用，减少了多个LED灯的使用，有效的利用了一个LED灯的多重复用，降低了系统复杂度。
3、本发明具有体积小、结构简单、操作简单、自动化程度高、核酸扩增效率高等优点，既可以单独使用，也能够与反应及检测装置一起，构成一体化的检测系统。
附图说明
图1为一种基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置的整体结构示意图。
图2为一种基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置中荧光检测模块配合结构示意图。
图3为一种基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置中加热模块结构示意图。
图4为一种基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置中反应模块中的主要反应试管结构图。
图5为一种基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置中加热模块中的顶层加热模块结构示意图。
图6为一种基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置中荧光检测模块中的LED灯罩模块结构分层示意图。
图7为本发明的整体示意图。
图中：
1、底板 2、顶层加热模块支架 3、底层加热模块支架
4、LED灯 5、LED灯罩模块 6、LED灯入射孔
7、底层加热电阻膜 8、底层加热模块 9、顶层加热电阻膜
10、顶层加热模块 11、隔热模块 12、底层测温元件
13、顶层双侧测温元件 14、CPCR反应试管 15、接收光滤光片
16、发射光滤光片 17、智能手机 18、光纤
具体实施方式
下面将结合本发明中图1至图6，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。
一种基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置，该装置包括加热单元与检测单元；
加热单元包括底层加热电阻膜7、底层加热模块8、顶层加热电阻膜9、顶层加热模块10、隔热模块11、底层测温元件12和顶层双侧测温元件13，底层加热模块8安装在底层加热电阻膜7上，顶层加热电阻膜9、顶层加热模块10、隔热模块11顺次连接，底层加热模块8上设有底层测温元件12，底层加热模块8通过底层测温元件12与隔热模块11连接；顶层加热电阻膜9上设有顶层双侧测温元件13；加热单元用于加热CPCR反应试管14中扩增反应试剂，为CPCR扩增反应提供温度条件；顶层加热模块10的外侧设有LED灯入射孔6；
检测单元包括LED灯4、LED灯罩模块5、LED灯入射孔6、接收光滤光片15、激发光滤光片16、智能手机17，LED灯4通过激发光滤光片16安装在LED灯罩模块5上，LED灯罩模块5的顶部是接收光滤光片15，智能手机17通过接收光滤光片15与LED灯罩模块5连接；检测单元中LED灯4为CPCR扩增检测过程中提供激发光，智能手机17利用内置的摄像头对CPCR扩增产物进行拍照、图像处理，完成扩增产物的高通量实时检测或高通量终点检测。
顶层加热模块10设计为圆形加热模块，缩小加热模块分布距离；在圆形加热模块中，八个试管孔位以圆圈形式分布，这样使得多通道CPCR扩增反应时加热更加均匀、而八个试管孔位更加聚集的设计，可以使智能手机更好的聚焦，将八个反应试管拍摄检测完全。
与顶层加热模块10上八个反应孔位对应的侧壁上设计了八个LED入射孔6，通过与光纤的配合使用，用于在荧光检测过程中,提供激发反应试剂产生荧光。
顶层加热模块10采用的加热方式为：中间为圆形加热模块，两侧为扁长方形加热器，反应试管被两侧的加热器同时加热，获取理想的温度均匀性；同时,顶层加热模块的工作方式不影响反应试管的荧光采集。
八个CPCR反应试管14底部完全被底层加热模块8包裹，使下层反应更加充分；底层加热电阻膜7紧贴底层加热模块8，为底层加热模块8提供均匀的热量。
底层加热模块8与顶层加热模块10相隔的距离为CPCR反应试管14提供双层供热，使得CPCR扩增反应更加充分。
底层加热模块8与顶层加热模块10中间设计隔热模块，避免底层加热模块8与顶层加热模块10的相互干扰；且隔热模块两侧设计为散热片形状，提高隔热效果。
LED灯罩模块5中设计了双层空间结构，下层空间放置LED灯4，中间设计隔板，放置激发光滤光片16，再通过上层空间聚光，为八条光纤提供光源，此结构的设计充分利用一个LED灯与一个滤光片为八个反应试管14提供激发光源。
既在CPCR反应试管15的上下端分别设置底层加热模块8和顶层加热模块10，通过上下两端同时加热实现CPCR扩增，也仅设置底层加热模块8，只对顶层加热模块10提供荧光照射，采用单加热源加热来实现CPCR扩增。
通过智能手机17的摄像头获取多个CPCR反应试管14的荧光检测信号，更加方便的实现多通道CPCR检测，降低检测复杂度；同时，通过智能手机来控制单片机模块达到调节底层加热模块8和顶层加热模块10反应温度的目的，实现装置的一体化操作，实现高通量分析。
如图1所示，本发明的一个实施例操作过程为将已经提取好的核算模板与扩增试剂注入CPCR反应试管14中，通过智能手机17的蓝牙模块与下位机单片机模块进行通讯，手机控制启动加热单元，采用上、下层双热源加热方式，为顶层加热电阻膜9提供电源，使得顶层加热电阻膜升温，从而给顶层加热模块10升温。顶层加热模块10温度由两侧向内部进行温度传导，为插在顶层加热模块10中的CPCR反应试管14上层加热控温，顶层加热温度为55℃。底层加热电阻膜7紧贴底层加热模块8，由此给底层加热模块8加热，来给CRCP反应试管的下层加热以及控温，底层加热温度为95℃，CPCR反应试管14在上、下两层加热模块不同温度中完成CPCR扩增，由此实现了核酸提取与核酸扩增一体化的操作过程。在反应期间，智能手机17实时监控上、下两层加热模块温度，保证反应的稳定性。在CPCR扩增过程中智能手机17控制点亮LED灯4，智能手机软件中调用照相机功能对多个CPCR反应试管14进行拍照，进行图像处理，分析扩增效果，实现CPCR扩增实时图像检测；或者在CPCR扩增反应之前利用智能手机17照相机对多个CPCR反应试管14进行拍摄图片，扩增完成之后，点亮LED灯4，利用智能手机17照相机拍摄图片，进行图像处理，分析扩增效果，实现CPCR扩增高通量终点图像检测。
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，所述的程序是一款自行编译完成的应用于安卓手机的内部应用程序，其中包含LED灯的控制，加热模块的温度控制、温度实时检测监控功能以及图像拍照图像处理功能。
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)

1.一种基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置，其特征在于：该装置包括加热单元与检测单元；
加热单元包括底层加热电阻膜(7)、底层加热模块(8)、顶层加热电阻膜(9)、顶层加热模块(10)、隔热模块(11)、底层测温元件(12)和顶层双侧测温元件(13)，底层加热模块(8)安装在底层加热电阻膜(7)上，顶层加热电阻膜(9)、顶层加热模块(10)、隔热模块(11)顺次连接，底层加热模块(8)上设有底层测温元件(12)，底层加热模块(8)通过底层测温元件(12)与隔热模块(11)连接；顶层加热电阻膜(9)上设有顶层双侧测温元件(13)；加热单元用于加热CPCR反应试管(14)中扩增反应试剂，为CPCR扩增反应提供温度条件；顶层加热模块(10)的外侧设有LED灯入射孔(6)；
检测单元包括LED灯(4)、LED灯罩模块(5)、LED灯入射孔(6)、接收光滤光片(15)、激发光滤光片(16)、智能手机(17)，LED灯(4)通过激发光滤光片(16)安装在LED灯罩模块(5)上，LED灯罩模块(5)的顶部是接收光滤光片(15)，智能手机(17)通过接收光滤光片(15)与LED灯罩模块(5)连接；检测单元中LED灯(4)为CPCR扩增检测过程中提供激发光，智能手机(17)利用内置的摄像头对CPCR扩增产物进行拍照、图像处理，完成扩增产物的高通量实时检测或高通量终点检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置，其特征在于：顶层加热模块(10)设计为圆形加热模块，缩小加热模块分布距离；在圆形加热模块中，八个试管孔位以圆圈形式分布，这样使得多通道CPCR扩增反应时加热更加均匀、而八个试管孔位更加聚集的设计，可以使智能手机更好的聚焦，将八个反应试管拍摄检测完全。
3.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置，其特征在于：与顶层加热模块(10)上八个反应孔位对应的侧壁上设计了八个LED入射孔(6)，通过与光纤(18)的配合使用，用于在荧光检测过程中,提供激发反应试剂产生荧光。
4.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置，其特征在于：顶层加热模块(10)采用的加热方式为：中间为圆形加热模块，两侧为扁长方形加热器，反应试管被两侧的加热器同时加热，获取理想的温度均匀性；同时,顶层加热模块的工作方式不影响反应试管的荧光采集。
5.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置，其特征在于：八个CPCR反应试管(14)底部完全被底层加热模块(8)包裹，使下层反应更加充分；底层加热电阻膜(7)紧贴底层加热模块(8)，为底层加热模块(8)提供均匀的热量。
6.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置，其特征在于：底层加热模块(8)与顶层加热模块(10)相隔的距离为CPCR反应试管(14)提供双层供热，使得CPCR扩增反应更加充分。
7.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置，其特征在于：底层加热模块(8)与顶层加热模块(10)中间设计隔热模块，避免底层加热模块(8)与顶层加热模块(10)的相互干扰；且隔热模块两侧设计为散热片形状，提高隔热效果。
8.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置，其特征在于：LED灯罩模块(5)中设计了双层空间结构，下层空间放置LED灯(4)，中间设计隔板，放置激发光滤光片(16)，再通过上层空间聚光，为八条光纤(18)提供光源，此结构的设计充分利用一个LED灯与一个滤光片为八个反应试管(14)提供激发光源。
9.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置，其特征在于：既在CPCR反应试管(15)的上下端分别设置底层加热模块(8)和顶层加热模块(10)，通过上下两端同时加热实现CPCR扩增，也仅设置底层加热模块(8)，只对顶层加热模块(10)提供荧光照射，采用单加热源加热来实现CPCR扩增。
10.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的多通道CPCR扩增检测装置，其特征在于：通过智能手机(17)的摄像头获取多个CPCR反应试管(14)的荧光检测信号，更加方便的实现多通道CPCR检测，降低检测复杂度；同时，通过智能手机来控制单片机模块达到调节底层加热模块(8)和顶层加热模块(10)反应温度的目的，实现装置的一体化操作，实现高通量分析。
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