CN110982685A - 高危病原微生物无人化隔离检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物安全防护技术与装备领域，本发明公开了一种高危病原微生物无人化隔离检测系统及方法。装置包括：隔离舱、传递舱、病原体核酸自动处理与检测单元、通风过滤系统和控制系统；病原体核酸自动处理与检测单元设置在隔离舱内部，隔离舱底部设置有废弃物排出口，内部设置有操作手套，一侧与传递舱连通，另一侧设有设备门；传递舱一侧与隔离舱连通，另一侧设有第一密闭门，传递舱上设有第二密闭门，第二密闭门与样本灭活模块连通；通风过滤系统包括隔离舱通风过滤装置和传递舱通风过滤装置；隔离舱通风过滤装置设置在隔离舱的顶部，传递舱通风过滤装置设置在传递舱的窗体上。本发明的装置自动化程度高，具有良好的生物安全性。

Description

高危病原微生物无人化隔离检测系统及方法

技术领域

本发明涉及生物安全防护技术与装备领域，具体涉及一种高危病原微生物无人化隔离检测系统及方法。

背景技术

近年来，高危病原微生物引发的重大传染病来势汹汹，给人类健康造成重大危害。为降低感染风险，对可能含有高危病原微生物样本的处理与检测通常需要在高等级生物安全实验室的生物安全柜内进行，操作人员必须全程穿戴个体防护装备。尽管如此，对操作人员而言，整个工作过程依然存在较大的暴露风险。

我国幅员辽阔，高等级生物安全实验室数量分布不均，尤其是偏远地区，是许多传染病疫情的自然发源地，卫生条件落后，疾控力量非常薄弱，缺少生物安全防御的专业人员和装备，难以在疫情现场开展高危病原微生物的检测与处置，为我国新发突发传染病现场应急防控带了严峻挑战。

目前，传统的病原体检测主要依靠人工，依托多台实验室设备才能完成，整个流程包括取样、样本灭活、核酸提取、核酸检测与留存等操作，步骤繁琐，耗时较长，暴露风险较高。同时，操作过程中还应包括废弃物的收集和安全处理。虽然目前市场上已有多型液体工作站可自动完成提取核酸工作，但其一般应用在单一类标本并且一次提取标本量非常大(几十个到几百个)的实验场合，且提取过程均无严格的生物安全隔离措施，并不适用于高危病原体样本的核酸提取，而且核酸提取也仅是核酸检测全流程中的一个步骤。而已有的现场检测设备自动化程度不高，难以满足从样本直接到核酸检测的全流程自动化处理要求。由此可见，现有装备大多定位在实验室应用，功能较为分散，缺乏高等级生物防护设计，不能实现高危病原微生物样本的全流程自动处置与检测。

国内与微生物核酸检测装备大多针对普通微生物样本，因此没有针对高危病原体微生物核酸检测的生物防护设计，不适用于在传染病防控现场或普通实验室独立开展高危病原体样本核酸检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高危病原微生物无人化隔离检测系统及方法，本发明的装置自动化程度高，具有良好的生物安全性。

本发明第一方面的实施例提供了一种高危病原微生物无人化隔离检测系统，所述的无人化隔离检测系统包括：隔离舱、传递舱、病原体核酸自动处理与检测单元、通风过滤系统和控制系统；

所述的病原体核酸自动处理与检测单元设置在所述的隔离舱内部，所述的隔离舱底部设置有废弃物排出口，排出口套装废弃物收集袋，所述的隔离舱内部设置有操作手套，所述的隔离舱一侧与传递舱连通，另一侧设有设备门；

所述的传递舱一侧与所述的隔离舱连通，另一侧设有第一密闭门，所述的传递舱上与所述的隔离舱连通的一侧设有第二密闭门，所述的第二密闭门与病原体核酸自动处理与检测单元的样本灭活模块连通；

所述的通风过滤系统包括隔离舱通风过滤装置和传递舱通风过滤装置；所述的隔离舱通风过滤装置设置在所述的隔离舱的顶部，所述的传递舱通风过滤装置设置在所述的传递舱的窗体上。

进一步的，所述的传递舱通风过滤装置包括送风高效过滤器、排风高效过滤器和排风机；送风高效过滤器前端的进气口处设置有第一密闭阀，排风高效过滤器与排风机之间设置有第二密闭阀；所述的送风高效过滤器设置在所述的传递舱的窗体上，所述的排风高效过滤器设置在所述的传递舱的窗体上。

进一步的，所述的隔离舱通风过滤装置包括：送风高效过滤器、排风高效过滤器、送风机和排风机；所述的送风高效过滤器设置在所述的隔离舱的顶部，所述的排风高效过滤器设置在所述的隔离舱的顶部；所述的送风机与送风高效过滤器之间设置有第一密闭阀，所述的排风机与排风高效过滤器之间设置有第二密闭阀。

进一步的，所述的控制系统包括隔离舱自控装置和病原体核酸自动处理与检测单元控制装置。

进一步的，所述的隔离舱自控装置设置在所述的隔离舱上部，所述的病原体核酸自动处理与检测单元控制装置设置在所述的传递舱的上部。

进一步的，隔离舱内底部一侧配备局部层流出风口用于为核酸样本留样提供洁净空气保护，层流出风口前端依次安装高效过滤器、密闭阀和风机。

进一步的，所述的隔离舱的舱体材质为柔性透明薄膜。

进一步的，所述的设备门为气密拉链式结构。

进一步的，所述的病原体核酸自动处理与检测单元包括样本灭活模块、核酸提取模块、核酸检测模块。

进一步的，所述的高危病原微生物无人化隔离检测系统包括显示装置，用于显示处理和检测结果。

本发明第二方面的实施例提供了一种高危病原微生物的自动处理与检测方法，采用上述的任一种装置完成，包括如下步骤：

将检测所需的试剂通过传递舱放入隔离舱相应位置；

将原始样本送入传递舱，送入隔离舱的病原体核酸自动处理与检测单元，在所述的病原体核酸自动处理与检测单元对样品进行检测；

样本检测完成后，对传递舱和隔离舱进行气体熏蒸消毒。

借由上述方案，本发明高危病原微生物无人化隔离检测系统及方法至少具备如下有益效果：

本发明的高危病原微生物无人化隔离检测系统自动化的运行方式可大幅提高工作效率，降低对操作人员专业技能的要求，有利于处理与检测流程的标准化与客观化，减小操作人员主观因素对结果的影响。高等级生物防护隔离设计可最大限度地降低高危样本的泄漏风险和操作人员的暴露风险，使得本发明成为一套可独立运行的可移动的高危病原微生物处理与检测实验室，特别适合缺乏高等级生物实验室设施的机动应用场合，可切实提升高危病原体的机动处置与防控能力。

附图说明

图1为本发明一实施例高危病原微生物无人化隔离检测系统结构示意图；

图2为本发明一实施例病原体核酸自动处理与检测单元结构示意图；

图3为本发明一实施例消毒机与传递舱和隔离舱连接结构示意图；

图4为本发明一实施例局部层流出风口结构示意图。

具体实施方式

下面通过以下实施例对本发明作进一步详细描述，以便本领域的技术人员进一步理解本发明，但不对本发明构成任何限制。

结合附图1-4，一种高危病原微生物无人化隔离检测系统，所述的无人化隔离检测系统包括：隔离舱2、传递舱1、病原体核酸自动处理与检测单元15、通风过滤系统和控制系统；

所述的病原体核酸自动处理与检测单元15设置在所述的隔离舱2内部，所述的隔离舱2底部设置有废弃物排出口，废弃物排出口连接有传递套筒9，排出口套装废弃物收集袋，所述的隔离舱内部设置有操作手套，所述的隔离舱2一侧与传递舱1连通，另一侧设有设备门；

所述的传递舱1一侧与所述的隔离舱2连通，另一侧设有第一密闭门，所述的传递舱1上与所述的隔离舱2连通的一侧设有第二密闭门，所述的第二密闭门与病原体核酸自动处理与检测单元的样本灭活模块连通；

所述的通风过滤系统包括隔离舱通风过滤装置(包括图1中所示的进风口6和排风口7)和传递舱通风HEPA过滤器8；所述的隔离舱通风过滤装置设置在所述的隔离舱2的顶部，所述的传递舱通风HEPA过滤器8设置在所述的传递舱1的窗体上。

消毒机11与隔离舱2、传递舱1的连通方式如图3所示(图中箭头方向代表气体流向，进入处为送风，流出为排风，送风与排风的风机、密闭阀和过滤器相同，只是位置不同)，在本发明的一些实施例中，所述的传递舱通风HEPA过滤器8包括送风高效过滤器(过滤器25)、排风高效过滤器(过滤器25)和排风机(风机24)；送风高效过滤器前端的进气口处设置有第一密闭阀，排风高效过滤器与排风机之间设置有第二密闭阀；所述的送风高效过滤器设置在所述的传递舱的窗体上，所述的排风高效过滤器设置在所述的传递舱的窗体上。

如图3所示(图中箭头方向代表气体流向，进入处为送风，流出为排风，送风与排风的风机、密闭阀和过滤器相同，只是位置不同)，在本发明的一些实施例中，所述的隔离舱通风过滤装置包括：送风高效过滤器(过滤器25)、排风高效过滤器(过滤器25)、送风机和排风机(风机24)；所述的送风高效过滤器设置在所述的隔离舱2的顶部，所述的排风高效过滤器设置在所述的隔离舱2的顶部；所述的送风机与送风高效过滤器之间设置有第一密闭阀(密闭阀26)，所述的排风机与排风高效过滤器之间设置有第二密闭阀(密闭阀26)。22为控制器，23为压差传感器，压差传感器23实时监测隔离舱内压差，并将压差信号传输至控制器22，控制器22根据调整规则对排风机24进行调节，从而实现对隔离舱内压差的调节。

本发明的高危病原微生物无人化隔离检测系统自动化的运行方式可大幅提高工作效率，降低对操作人员专业技能的要求，有利于处理与检测流程的标准化与客观化，减小操作人员主观因素对结果的影响。高等级生物防护隔离设计可最大限度地降低高危样本的泄漏风险和操作人员的暴露风险，使得本发明成为一套可独立运行的可移动的高危病原微生物处理与检测实验室，特别适合缺乏高等级生物实验室设施的机动应用场合，可切实提升高危病原体的机动处置与防控能力。

在本发明的一些实施例中，所述的控制系统包括隔离舱自控装置和病原体核酸自动处理与检测单元控制装置。

在本发明的一些实施例中，所述的隔离舱自控装置设置在所述的隔离舱上部，所述的病原体核酸自动处理与检测单元控制装置设置在所述的传递舱的上部。

在本发明的一些实施例中，所述的隔离舱的舱体材质为柔性透明薄膜。

在本发明的一些实施例中，所述的设备门为气密拉链式结构。

在本发明的一些实施例中，所述的病原体核酸自动处理与检测单元包括样本灭活模块、核酸提取模块、核酸检测模块。

在本发明的一些实施例中，所述的高危病原微生物无人化隔离检测系统包括显示装置，用于显示处理和检测结果。

本发明第二方面的实施例提供了一种高危病原微生物的自动处理与检测方法，采用上述的任一种装置完成，包括如下步骤：

将检测所需的试剂通过传递舱放入隔离舱相应位置；

将原始样本送入传递舱，送入隔离舱的病原体核酸自动处理与检测单元，在所述的病原体核酸自动处理与检测单元对样品进行检测；

样本检测完成后，对传递舱和隔离舱进行气体熏蒸消毒。

本发明所述装置系统主要由隔离舱2、传递舱1、病原体核酸自动处理与检测单元15、气体消毒单元，通风过滤装置、总控与人机交互单元及支撑框架3等部分组成。

隔离舱安装有多只操作手套14，并在一侧安装有设备门，另一侧与传递舱相连，病原体核酸自动处理与检测单元15安装在隔离舱2内，隔离舱2顶部设置隔离舱控制屏4，隔离舱控制屏4，旁设置有开关16，隔离舱底部设置废弃物排出口，废弃物排出口连接有传递套筒9，传递套筒9密封套装有废弃物收集袋10。隔离舱自控系统由显示屏和开关按钮组成。

传递舱1透明视窗上安装有多只操作手套14。传递舱1与外界连通一侧设置密闭门，传递舱1与隔离舱2连接一侧同时设置密闭门，传递舱窗体上设置有通风HEPA过滤器8，一侧设置透明视窗。传递舱1内侧密闭门与隔离舱2内病原体核酸自动处理与检测单元的样本灭活模块相连通。传递舱顶部设置有病原体核酸自动处理与检测单元控制屏5。

结合附图4，隔离舱2内底部一侧配备局部层流出风口131用于为核酸样本留样提供洁净空气保护，层流出风口131前端依次安装高效过滤器132、密闭阀133和风机134。

隔离舱通风过滤系统由送风高效过滤器、排风高效过滤器、密闭阀、送风机以及排风机组成。风机与过滤器之间安装有密闭阀。

传递舱通风过滤装置由送风高效过滤器、排风高效过滤器、密闭阀以及排风机组成。送风高效过滤器前端的进气口处设置密闭阀，排风高效过滤器与排风机之间设置密闭阀。

结合附图2，病原体核酸自动处理与检测单元15水平安装在隔离舱2内，主要由样本灭活151、核酸提取152、核酸检测153三个模块和核酸留样区域154组成。样本灭活模块152位于单元左侧，样本经由传递舱2首先进入该模块，通过空气浴加热的方式对其进行灭活。加热的目标温度和时间可通过程序设置。在样本加热过程中，样本架作水平振荡，以提高受热均匀度并防止血样凝结。灭活过程结束以后，灭活模块151靠近核酸提取模块152一侧的密闭门自动打开，核酸提取模块152负责吸样的机械臂组打开样本管，定量吸取样本，将其移到提取工作区的特定位置。负责提取的机械臂组按照预设提取程序，将样本与相关提取试剂混合，经过裂解、吸附、清洗、洗脱等步骤，得到样本核酸提取液。负责留样的机械臂组先将核酸提取液全部移入留样管，如果程序中包含检测步骤，则再定量吸取核酸提取液，将其加入到核酸检测模块153已预封相关试剂的检测卡内，检测卡按照预设检测程序进行反应，检测结果实时显示在人机交互界面上。留样管内剩余的核酸提取液由人工通过操作手套将其封闭并取出。

气(汽)体消毒系统由消毒机、消毒管路及密闭阀等组成，可分别对隔离舱和传递舱进行气体熏蒸消毒(见图3)。气(汽)体消毒系统的供气管路分别连接至隔离舱和传递舱送风系统中的密闭阀与送风高效过滤器之间，气(汽)体消毒系统的供气管路与隔离舱和传递舱送风系统之间分别设置有密闭阀。气(汽)体消毒系统的吸气管路分别连接至隔离舱和传递舱排风系统中的密闭阀与排风高效过滤器之间，气(汽)体消毒系统的吸气管路与隔离舱和传递舱排风系统之间分别设置有密闭阀。

对隔离舱消毒的流程如下：首先关闭隔离舱送排风系统的两个密闭阀和送排风机，并打开消毒机与隔离舱送排风系统之间的两个密闭阀，然后启动消毒机发生消毒气体，在消毒机内置风机的作用下，消毒气(汽)体依次穿透送风高效过滤器，进入隔离舱，再穿透排风高效过滤器，通过消毒管路进入消毒机，持续运行，直至达到消毒效果。

对传递舱消毒的流程如下：首先关闭传递舱送排风系统的两个密闭阀和排风机，并打开消毒机与传递舱送排风系统之间的两个密闭阀，然后启动消毒机发生消毒气体，在消毒机内置风机的作用下，消毒气(汽)体依次穿透送风高效过滤器，进入传递舱，再穿透排风高效过滤器，通过消毒管路进入消毒机，持续运行，直至达到消毒效果。所用消毒气(汽)体可为甲醛、二氧化氯、过氧化氢等消毒剂。

检测流程：

以埃博拉病毒血样检测为例，具体说明检测流程。

1)工作准备。将系统工作所需的相关试剂(预封磁珠法核酸提取试剂的多孔板、预封核酸检测试剂的微流控检测芯片)与耗材(移液吸头、留样离心管等)通过传递舱放入隔离舱相应位置。

2)接样/分样。将装有原始埃博拉血液样本的样本运输罐或采血管(离心管)等从左侧舱门送入传递舱，关闭舱门。操作人员通过操作手套在传递舱内打开运输罐，对样本进行分装或直接将采血管(离心管)经由传递舱右侧的密封门送入隔离舱的样本灭活模块。分装或留样的样本可放回运输罐。

3)样本灭活(可选)。装有血样的采血管(离心管)进入灭活模块后，竖直放置在样本支架上，关闭灭活模块左侧的密封门。按设定参数(60℃，30min)进行空气浴灭活。灭活过程中，样本支架带动采血管(离心管)进行水平振荡，以促进管内血样均匀升温并防止血样凝结。灭活完成后，样本支架停止振荡，样本出口的密封盖自动打开。

4)核酸提取。按照预设提取程序，夹取机械臂抓取样本支架上的采血管(离心管)至开盖台，打开管盖，移液机械臂吸取200～1000μl血液样本至核酸提取多孔板的加样腔。夹取机械臂将管盖盖回，并将采血管(离心管)放回至样本支架。如果样本支架上有多支采血管(离心管)，则依次进行上述加样步骤。全部样本加样完成后，移液机械臂从核酸提取多孔板的多个试剂孔中分别吸取相关试剂和磁珠与血样混合，在移液吸头与外部磁场的配合下依次经过裂解、吸附、清洗、洗脱等步骤，得到约200～300μl样本核酸提取液。

5)核酸检测。移液机械臂吸取40～80μl核酸提取液，将其加入到检测芯片的加样孔内。核酸提取液进入芯片的反应腔室，与预封试剂混合，构建完成实时荧光检测反应体系。按照预设扩增程序，开始实时荧光扩增。对反应腔室的荧光检测结果实时显示在人机交互界面上。移液机械臂将核酸提取多孔板内剩余的核酸提取液全部吸取到留样离心管内，作为留存样本。在将核酸提取液吸取到核酸留样离心管前，打开隔离舱内底部一侧的层流出风口为核酸灌装区域提供单向流动的洁净空气，保护核酸留样离心管内的空气在留样过程中不受舱内空气污染。移液机械臂将核酸提取液移入留样离心管之后，由操作人员通过操作手套手动盖好留样管的盖子。完成后可关闭此层流风。

6)清理废弃物。检测结束后，操作人员通过操作手套将隔离舱内用过的核酸提取多孔板、检测芯片、移液吸头等全部废弃物通过废物传递套筒9丢入废弃物收集袋中，集中收集后另行处理。

7)熏蒸消毒。每批次样本检测完成后，对传递舱和隔离舱进行彻底的气体熏蒸消毒。

8)留样。消毒完成之后，传递舱内的运输罐和未使用的采血管(离心管)等可由进样口取出。隔离舱内的核酸留样管可经由样本灭活模块进入传递舱，再从进样口取出。

以上各个步骤，1)、2)、6)、8)需人工完成，从3)至5)的核心处理与检测环节则由系统自动完成。7)则需手工一键启动，后面则自动完成。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上介绍仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种高危病原微生物无人化隔离检测系统，其特征在于，所述的无人化隔离检测系统包括：隔离舱、传递舱、病原体核酸自动处理与检测单元、通风过滤系统和控制系统；

所述的病原体核酸自动处理与检测单元设置在所述的隔离舱内部，所述的隔离舱底部设置有废弃物排出口，排出口套装废弃物收集袋，所述的隔离舱内部设置有操作手套，所述的隔离舱一侧与传递舱连通，另一侧设有设备门：

所述的传递舱一侧与所述的隔离舱连通，另一侧设有第一密闭门，所述的传递舱上与所述的隔离舱连通的一侧设有第二密闭门，所述的第二密闭门与病原体核酸自动处理与检测单元的样本灭活模块连通；

所述的通风过滤系统包括隔离舱通风过滤装置和传递舱通风过滤装置；所述的隔离舱通风过滤装置设置在所述的隔离舱的顶部，所述的传递舱通风过滤装置设置在所述的传递舱的窗体上。

2.根据权利要求1所述的高危病原微生物无人化隔离检测系统，其特征在于，所述的传递舱通风过滤装置包括送风高效过滤器、排风高效过滤器和排风机；送风高效过滤器前端的进气口处设置有第一密闭阀，排风高效过滤器与排风机之间设置有第二密闭阀；所述的送风高效过滤器设置在所述的传递舱的窗体上，所述的排风高效过滤器设置在所述的传递舱的窗体上。

3.根据权利要求1所述的高危病原微生物无人化隔离检测系统，其特征在于，所述的隔离舱通风过滤装置包括：送风高效过滤器、排风高效过滤器、送风机和排风机；所述的送风高效过滤器设置在所述的隔离舱的顶部，所述的排风高效过滤器设置在所述的隔离舱的顶部；所述的送风机与送风高效过滤器之间设置有第一密闭阀，所述的排风机与排风高效过滤器之间设置有第二密闭阀。

4.根据权利要求1所述的高危病原微生物无人化隔离检测系统，其特征在于，所述的控制系统包括隔离舱自控装置和病原体核酸自动处理与检测单元控制装置。

5.根据权利要求4所述的高危病原微生物无人化隔离检测系统，其特征在于，所述的隔离舱自控装置设置在所述的隔离舱上部，所述的病原体核酸自动处理与检测单元控制装置设置在所述的传递舱的上部。

6.根据权利要求1所述的高危病原微生物无人化隔离检测系统，其特征在于，所述的隔离舱的舱体材质为柔性透明薄膜。

7.根据权利要求1所述的高危病原微生物无人化隔离检测系统，其特征在于，所述的设备门为气密拉链式结构。

8.根据权利要求1所述的高危病原微生物无人化隔离检测系统，其特征在于，所述的病原体核酸自动处理与检测单元包括样本灭活模块、核酸提取模块、核酸检测模块。

9.根据权利要求1所述的高危病原微生物无人化隔离检测系统，其特征在于，所述的高危病原微生物无人化隔离检测系统包括显示装置，用于显示处理和检测结果。

10.根据权利要求1所述的高危病原微生物无人化隔离检测系统，其特征在于，所述的隔离舱内底部一侧配备层流出风口用于为核酸样本留样提供洁净空气保护，层流出风口前端依次安装高效过滤器、密闭阀和风机。

11.一种高危病原微生物的自动处理与检测方法，其特征在于，采用权利要求1-10任一项所述的装置完成，包括如下步骤：

将检测所需的试剂通过传递舱放入隔离舱相应位置；

将原始样本送入传递舱，送入隔离舱的病原体核酸自动处理与检测单元，在所述的病原体核酸自动处理与检测单元对样品进行检测；

样本检测完成后，对传递舱和隔离舱进行气体熏蒸消毒。

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