CN111426666A - 多种类病毒同时高通量自动检测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多种类病毒同时高通量自动检测仪，由温控器、自动转移装置、自动加料装置、激发光源阵列、光源滤光片、荧光滤光片、阵列光电检测器、数据处理显示与传输模块、USB供电接口等构成，集灭活、核酸提取、扩增及高通量检测于一体，可用于新冠、流感、非洲猪瘟、禽流感、埃博拉等各种病毒的高通量、多种类病毒同时检测。只需将待测样本放入仪器中，通过手机APP遥控，即可自动同时检测，并自动发送至后台进行大数据云处理分析。该仪器操作简便、智能、安全、速度快、灵敏度高，能够同时检测多种病毒的海量样本，达到快速筛查的目的。
Description
技术领域
本发明涉及医学检测仪器领域，特别涉及一种可实现多种病毒同时高通量检测的仪器。
背景技术
目前抗疫一线主要采用RT_PCR检测和CT检查两种手段开展新冠病人检查。RT_PCR检测是金标准，但耗时较长、对专业仪器和人员的要求较高，因此造成了前期病毒检测的“堰塞湖”。
另外还有多家公司开发出了新冠特异性抗体检测产品，正在临床检测验证。特异性抗体检测有很高的检测灵敏度和特异性，适合大面积筛查，是核酸检测的重要补充，但缺点是对感染者的早期诊断有一定局限性。CT属于临床诊断，也可为2019-nCoV肺炎的早期诊断及治疗提供重要依据，但胸部CT影像只是胸部X光(CT或胸片)的表现，这种阴影在各种肺病都可以出现，比如，病毒性肺炎、细菌性肺炎、支原体肺炎、肺部肿瘤、肺结核扩散期和矽肺都会出现，所以，只依据胸部CT影像作为诊断依据是有局限性的。同时CT容易产生交叉感染，必须要采取完全封闭的单独器具，检查一个病人，就需要进行一次要消毒，不光是机器，还包括工作人员的所有装备，消耗巨大。而且，CT 对医生的要求较高，无法大面积开展，更无法判别无症状感染者，有很大局限性。
目前新冠肺炎检测方式主要是针对病毒核酸的检测，核酸检测对操作要求高，检测时间相当长。而且因为各种原因，如咽拭子采样手法、部位，样本前处理过程，核酸试剂检测下线等问题，并不是所有疑似的患者都能准确的检测出结果，存在一定概率的假阴性，对于真是新型冠状病毒感染的病人，也不过只有30％至50％的阳性率。通过采集疑似病例咽拭子的办法，还是有很多假阴性。肺泡灌洗液检测病毒的阳性率高是因为，与上呼吸道相比，这个病毒更容易感染肺。然而，肺泡灌洗液检测操作麻烦，病人痛苦。必须要做局部麻醉的纤维支气管镜才能取出肺泡灌洗液，显然不可能给每个疑似患者都做这种检查，所以没有普遍应用的价值。“假阴性”病例不会被隔离，不会被收治，存在着在人群中继续传播病毒的风险。之所以存在那么多的假阴性，归根结底，还是灵敏度和准确性不够高。
面对突然激增的检测需求，迫切需要开发能够高通量快速检测及区分新冠和其他病毒的仪器和方法，以实现快速、准确诊断和分类治疗，及时控制疫情。
发明内容
本发明公开了一种可以实现多种类病毒同时高通量自动检测的仪器，该仪器包括灭活温控器1、自动转移装置2、扩增温控器3、自动加料装置4、激发光源阵列5、光源滤光片6、荧光滤光片7、透镜8、阵列光电检测器9、数据处理显示与传输模块10、USB供电接口11，如图1所示。预先将检测不同种类病毒用的相应核酸基因编辑技术(Clustered regularlyinterspaced short palindromic repeats,CRISPR)检测试剂置于测试装置中，将待测病毒核酸检测方法的灭活、等温扩增、特异性标记过程整合为一体，并通过高灵敏光电检测手段进行高通量准确判读。只需将待测样本阵列放入进样口后，通过手机设置参数开始检测，仪器将自动进行灭活、扩增和反应等所有过程，最终通过高灵敏荧光检测来高通量判断所有样本的核酸阴、阳性，并上传至云端进行大数据处理分析。
该仪器包括样本高通量自动处理和高通量并行检测两大模块，其中的灭活温控器1、自动转移装置2、扩增温控器3、自动加料装置4构成检测仪的样本高通量自动处理模块，待测样本进入到灭活温控器1上自动完成加热灭活后，通过自动转移装置2将待测样本转移到扩增温控器3上，通过自动加料装置4 加料后自动进行扩增过程，完成后再通过自动转移装置2将待测样本转移到高通量并行检测模块中；其中的高通量并行检测模块包括激发光源阵列5、光源滤光片6、荧光滤光片7、透镜8、阵列光电检测器9、数据处理显示与传输模块10，激发光源阵列5的光经过光源滤光片6后，照射到待测样本阵列上，测样本阵列被激发出的荧光透过荧光滤光片7，经透镜8聚焦后进入到阵列光电检测器9中各自相应的像元上，形成相应的电信号送入到数据处理显示与传输模块10中，经过数据处理显示与传输模块10处理后形成结果显示出来，并将结果上传至后台或云端。
本发明仪器的基本操作过程及原理如下：
首先，下载安装好“移动核酸检测”手机app程序，然后给检测仪接通电源，在手机设置中点击设备连接选项，选择蓝牙开启，搜索并选择检测设备，输入配对密码并确定。分别设定好“灭活”、“扩增”、“检测”三大步骤的相关参数，或直接使用默认值；将待测样本阵列通过进样口放入灭活区的温控器1 中，盖上进样口的盖子。然后点击手机上的“开始检测”按钮开始检测，待测样本被加热到相应温度进行相应时间的灭活和核酸提取；接着，待测样本阵列被自动转移装置2转移至已经加热到设定温度的扩增区温控器3中，通过自动加料装置4加入所需的试剂后开始扩增；扩增完成后再由自动转移装置2将待测样本阵列转移至检测区与荧光分子的反应，使得待检测的核酸具有荧光功能，检测区的激发光源阵列5打开，发出的光通过光源滤光片6后，照射到待测样本阵列各单元上，如果样本中有待测病毒核酸，则将激发出相应标记物的荧光信号，透过荧光滤光片7，经透镜8聚焦后，进入到阵列光电检测器9中各相应的像元上转化成电信号，输送到数据处理显示与传输模块10，使显示器或手机app界面上显示各待测样本的检测结果，实现对不同种类病毒的高通量快速检测，同时将结果上传到后台或云端进行大数据云处理分析；如果样本中没有待测病毒核酸，则没有荧光信号进入阵列光电检测器9相应的像元中，显示器或手机app界面上相应待测样本位置显示检测结果为“阴性”。
所述的USB供电接口11可以通过USB线连接为检测仪供电。
所述的数据处理显示与传输模块10，主要实现仪器的数据处理、显示及信号传输功能，可以是单片机加显示屏、电脑或手机加蓝牙装置，优选的，采用手机加蓝牙装置可以同时进行数据处理、显示、传输、定位等功能。其中的蓝牙装置是为了与手机建立通信，并由手机上安装的app来操控测试过程、显示结果及上报数据。
所述的进样口是该检测仪普通测试人员唯一可以打开进样的窗口，样品由此处放入检测仪中，之后整个测试过程中不再开盖，以简化流程、实现智能化检测，并确保操作人员的安全和减小测试环境被核酸污染风险。
所述的灭活区域在进样口下方，由灭活池及配套的灭活温控器1构成，其中配套的温控器主要用于精确控制灭活区域的温度。待测样本阵列通过进样口到达灭活区域后，首先自动进行灭活处理，对待测样本病毒进行灭活，并提取相应的核酸，灭活处理的温度和时间等参数可通过手机app设定或修改。灭活步骤完成后，待测样本阵列通过自动转移装置2转入到扩增区域进行下一个步骤。
所述的扩增区域与灭活区域相邻，由扩增池及配套的温控器3构成，与灭活区域属于各自独立可控的温区，提前按照手机app设置的参数使扩增区域到达相应温度条件，以节约测试时间。待测样本阵列到达扩增区域后，通过自动加料装置4加注扩增各自所需的试剂，然后自动进行扩增。扩增步骤完成后，待测样本阵列通过自动转移装置2转入到检测区域进行下一个步骤。当仪器的检测灵敏度足够高时，本扩增步骤可以省略、本模块可以去掉，直接从灭活区域自动转移到检测区域进行与荧光分子的反应，形成核酸发射荧光的功能，进而实现检测，节约本步骤所需时间，大幅缩短整个检测过程的耗时，显著提升对待测病毒的检测速度。
所述的检测区域与扩增区域相邻，其中的高通量并行检测模块由激发光源阵列5、光源滤光片6、荧光滤光片7、透镜8、阵列光电检测器9、数据处理显示与传输模块10构成，激发光源阵列5的光经过光源滤光片6后，透射到待测样本阵列上，待测样本被激发出的荧光透过荧光滤光片7后，经过透镜 8被聚焦到阵列光电检测器9中各相应像元上，形成相应的电信号送入到数据处理显示与传输模块10中，经过数据处理显示与传输模块10处理后形成结果显示出来，并将结果上传至后台或云端。其中激发光源阵列5为发光中心波长比待测病毒核酸标记物荧光峰位短的LED阵列，以实现对标记物荧光的激发，对于新冠病毒检测而言，发光中心波长通常大于500nm；其中的光源滤光片6 只透过激发光源波段的光，而不能透过所激发出荧光波段的光，以获得更纯的激发光源和提升光电检测系统的信噪比，其典型的透射谱如图2所示；其中的荧光滤光片7典型的透射谱如图3所示，该滤光片只透过荧光波段的信号光、同时反射激发光源波段的光，以防止激发光和其他杂散光的干扰，以保证检测系统的信噪比，该滤光片可以是过滤掉激发光波段光的长波通滤光片，也可以是只有荧光波段透过、其他波段截止的窄带滤光片滤光片，优选的，为了获得更好的信噪比和更高的灵敏度，可以选择与待测荧光波段一致的窄带滤光片，其典型的透射谱如图3所示；其中的阵列光电检测器9，是将待测样本阵列中各样本激发标记物产生的荧光信号转化为电信号并判断待测样本阳性的重要依据，可以是光电倍增管阵列、硅光二极管阵列、电荷藕合器件图像传感器CCD、互补性氧化金属半导体CMOS、单光子探测器阵列，可根据仪器的检测灵敏度和成本要求选择。
所述的灭活温控器1、自动转移装置2、扩增温控器3、自动加料装置4、激发光源阵列5、光源滤光片6、荧光滤光片7、透镜8、阵列光电检测器9、数据处理显示与传输模块10共同构成了自动、智能的高通量检测系统，使整个检测过程可以通过电脑或手机来操作实现自动化和智能并行检测，并将结果上传至后台或云端，大幅提高工作效率、减小人为误差干扰、大大降低检测人员的生物感染风险。
该仪器在检测病毒方面具有普适性，只要有针对不同病毒的核酸CRISPR 检测试剂，在仪器内提前放置好相应的试剂，就能实现对相应病毒的高通量、快速、准确检测。
采用上述技术方案使本发明具有以下优点：
1、检测效率高
整个检测过程通过自动化设计与控制，实现高通量自动化样本处理与检测，极大地提高了效率；不同温区的温度同时提前控制到位，缩短了分别加热和降温的时间；通过秒级的快速荧光检测替代传统3分钟左右的试纸反应观察，既缩短了观察时间，同时又避免了人为误判和为了用试纸必须对试管开盖而带来的核酸对测试环境的污染。因此，全程不超过30分钟，即可实现8*12个待测样本，甚至高达100*100个待测样本的检测，效率极高。
2、检测范围广
只要在自动加料装置的不同位置放置针对不同病毒检测的试剂，就可实现针对不同病毒的同时高通量检测，检测范围显著扩大，而且效率极高。
3、操作简便、智能
操作非常简便和智能，只需自行采样后放入仪器中，即可自动操作并给出最终检测结果，中间无需任何人员干预，非常利于推广应用。
4、远程诊断和大数据分析
检测结果实时上传到后台或云端，可实现远程诊断和大数据分析，非常有利于传染病疫情的及时分析判断与正确决策。
5、检测人员风险低
由于检测全程封闭不开盖，大大降低了检测人员的生物感染风险。
附图说明
附图1多种类病毒同时高通量自动检测仪的示意图。
附图2光源滤光片6的典型透射谱。
附图3荧光滤光片7的典型透射谱。
具体实施方式
为使本发明的内容、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例进一步阐述本发明，这些实施例仅用于说明本发明，而本发明不仅限于以下实施例。下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：
实施例1：新冠病毒的高通量检测
多种类病毒同时高通量自动检测仪包括灭活温控器1、自动转移装置2、扩增温控器3、自动加料装置4、激发光源阵列5、光源滤光片6、荧光滤光片 7、透镜8、阵列光电检测器9、数据处理显示与传输模块10、USB供电接口11。其中LED激发光源阵列的中心波长为480nm，光源滤光片6的透射谱如图2所示，荧光滤光片7的透射谱如图3所示，阵列光电检测器9为CMOS。
具体操作步骤如下：
首先，下载安装好“移动核酸检测”手机app程序，然后给检测仪接通电源，在手机设置中点击设备连接选项，选择蓝牙开启，搜索并选择检测设备，输入配对密码并确定。分别设定好“灭活”、“扩增”、“检测”三大步骤的相关参数，或直接使用默认值；将100*100个待测样本阵列通过进样口放入灭活区，盖上进样口的盖子。然后点击手机上的“开始检测”按钮开始检测，待测样本被加热到95℃灭活5分钟和核酸提取；接着，待测样本阵列被自动转移装置 2转移至已经加热到37℃的扩增区，通过自动加料装置4加入新冠病毒核酸 CRISPR检测试剂后开始扩增15分钟；扩增完成后再由自动转移装置2将待测样本阵列转移至检测区，加入荧光分子与其反应5分钟，检测区的LED激发光源阵列5打开，阵列光电检测器9检测荧光信号，手机app界面上显示各待测样本的检测结果，总共仅耗时不超过30分钟，效率极高。
实施例2：多种病毒的高通量同时检测
多种类病毒同时高通量自动检测仪包括灭活温控器1、自动转移装置2、扩增温控器3、自动加料装置4、激发光源阵列5、光源滤光片6、荧光滤光片 7、透镜8、阵列光电检测器9、数据处理显示与传输模块10、USB供电接口 11。其中LED激发光源阵列的中心波长为480nm，光源滤光片6的透射谱如图2所示，荧光滤光片7的透射谱如图3所示，阵列光电检测器9为CCD。
具体操作步骤如下：
首先，下载安装好“移动核酸检测”手机app程序，然后给检测仪接通电源，在手机设置中点击设备连接选项，选择蓝牙开启，搜索并选择检测设备，输入配对密码并确定。分别设定好“灭活”、“扩增”、“检测”三大步骤的相关参数，或直接使用默认值；将分布于100*100不同特定区域中的新冠、非洲猪瘟、禽流感、埃博拉病毒待测样本阵列通过进样口放入灭活区，盖上进样口的盖子。然后点击手机上的“开始检测”按钮开始检测，待测样本阵列被加热到 95℃灭活5分钟和核酸提取；接着，待测样本阵列被自动转移装置2转移至已经加热到37℃的扩增区，通过自动加料装置4加入各自对应的病毒核酸 CRISPR检测试剂后开始扩增15分钟；扩增完成后再由自动转移装置2将待测样本阵列转移至检测区，加入荧光分子与其反应5分钟，检测区的LED激发光源阵列5打开，阵列光电检测器9检测荧光信号，手机app界面上显示各待测样本针对新冠、非洲猪瘟、禽流感、埃博拉等多种病毒的检测结果，总共仅耗时不超过30分钟，效率极高。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种多种类病毒同时高通量自动检测仪，包括灭活温控器(1)、自动转移装置(2)、扩增温控器(3)、自动加料装置(4)、激发光源阵列(5)、光源滤光片(6)、荧光滤光片(7)、透镜(8)、阵列光电检测器(9)、数据处理显示与传输模块(10)、USB供电接口(11)，其特征在于：
所述的的灭活温控器(1)、自动转移装置(2)、扩增温控器(3)、自动加料装置(4)构成检测仪的样本自动处理模块，待测样本进入到灭活温控器(1)上自动完成加热灭活及核酸提取后，通过自动转移装置(2)将待测样本转移到扩增温控器(3)上，通过自动加料装置(4)加料后自动进行扩增过程，完成后再通过自动转移装置(2)将待测样本转移到检测模块中；
检测模块包括激发光源阵列(5)、光源滤光片(6)、荧光滤光片(7)、、透镜(8)、阵列光电检测器(9)、数据处理显示与传输模块(10)；
激发光源阵列(5)的光经过光源滤光片(6)后，照射到待测样本阵列上，待测样本阵列各样本被激发出的荧光透过荧光滤光片(7)，经透镜(8)聚焦后，进入到阵列光电检测器(9)中的各自像元上，形成相应的电信号送入到数据处理显示与传输模块(10)中；经过处理后形成结果显示出来，并将结果上传至后台或云端。
2.根据权利要求1所述的一种多种类病毒同时高通量自动检测仪，其特征在于：所述的阵列光电检测器(9)采用光电倍增管阵列、硅光二极管阵列、电荷藕合器件图像传感器CCD、互补性氧化金属半导体CMOS或单光子探测器阵列。
3.据权利要求1所述的一种多种类病毒同时高通量自动检测仪，其特征在于：所述的数据处理显示与传输模块(10)采用单片机加显示屏、电脑或手机加蓝牙装置。
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