CN111849750B - 一种基因分型芯片的自动化检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及体外诊断试剂检测领域,更具体地,涉及一种基因分型芯片的自动化检测系统所述检测系统包括:杂交温控组件、移液组件、移动导轨和杂交清洗组件;所述杂交温控组件包括基因分型芯片容器,所述基因分型芯片容器内可水平放置基因分型芯片膜条;所述移液组件包括设置在同一直线方向上依次排列的针头抛弃窗、针头转盘、PCR产物中转盘和图像获取装置;所述杂交清洗组件包括加液机构和杂交清洗机构。本发明的有益效果在于:本发明检测系统可以实现快速、方便的吸取和加样。本发明基因分型芯片的自动化检测系统实现自动杂交与检测,保证检测步骤的连续性,人工介入工作量较小,并提高了检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及体外诊断试剂检测领域,更具体地涉及一种基因分型芯片的自动化检测系统。
背景技术
目前国内临床进行DNA检测的主要方法为实时荧光PCR与杂交捕获法,PCR-膜杂交法采用基因扩增技术及导流杂交原理,通过反向点杂交检测扩增产物与包被有型特异性探针膜杂交结果,再用碱性磷酸酶系统定性检测,从而对基因型进行分型检测分析,对于预防疾病发生具有重要的临床应用价值。
目前PCR-反向点杂交法的基因分型芯片通常采用样品提取-PCR放大-恒温杂交-可见光判读的方法,人工介入工作量较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种可以连续进行的,减轻人工工作量的基因分型芯片的自动化检测系统。
本发明提供的技术方案为:一种基因分型芯片的自动化检测系统,所述检测系统包括:杂交温控组件、移液组件、移动导轨和杂交清洗组件;
所述杂交温控组件包括基因分型芯片容器,所述基因分型芯片容器内可水平放置基因分型芯片膜条;
所述移液组件包括设置在同一直线方向上依次排列的针头抛弃窗、针头转盘、PCR产物中转盘和图像获取装置;所述移液组件还包括移液导轨,所述滑动连接在移液导轨上的移液针,所述移液针在移液导轨上滑动经过针头抛弃窗、针头转盘和PCR产物中转盘;
所述杂交清洗组件包括加液机构和杂交清洗机构;所述加液机构包括多个容器和加液板;所述多个容器包括杂交A液容器、杂交B液容器、杂交C液容器、杂交D液容器和蒸馏水容器;所述杂交A液容器、杂交B液容器、杂交C液容器、杂交D液容器和蒸馏水容器分别通过各自对应的加液通道与加液板上对应的加液出口连通;所述杂交清洗机构包括杂交清洗容器,所述加液板的加液出口用于向杂交清洗容器中加液;
所述杂交温控组件在移动导轨上滑动并经过图像获取组件和杂交清洗容器。
优选的,上述的基因分型芯片的自动化检测系统中,所述杂交A液容器、杂交B液容器、杂交C液容器、杂交D液容器和蒸馏水容器各自对应的每个加液通道上设置有蠕动泵和温控组件,所述温控组件用于预热或预冷加液通道中的液体。
优选的,上述的基因分型芯片的自动化检测系统中,所述加液机构还包括杂交加液导轨,所述加液板滑动连接在杂交加液导轨上,所述加液板在杂交加液导轨上滑动并经过杂交清洗容器。
优选的,上述的基因分型芯片的自动化检测系统中,所述图像获取装置包括3组CMOS摄像系统,所述CMOS摄像系统的镜头位置设有TEC冷却部件。
本发明的有益效果在于:本发明的基因分型芯片的自动化检测系统使用时,先将PCR产物滴入PCR产物中转盘的小试管,并在杂交温控组件内放置基因分型芯片,同时准备好杂交显色所需要的反应液体之后,以后的检测步骤就可以都在检测系统上进行,可以实现快速、方便的吸取和加样。本发明基因分型芯片的自动化检测系统实现自动杂交与检测,保证检测步骤的连续性,人工介入工作量较小,并提高了检测效率。
附图说明
图1为本发明具体实施方式基因分型芯片的自动化检测系统的杂交温控组件位于图像获取装置下方时的结构示意图;
图2为本发明具体实施方式基因分型芯片的自动化检测系统的杂交温控组件位于拉出状态时的结构示意图;
图3为本发明具体实施方式的基因分型芯片的自动化检测系统的杂交温控组件位于杂交清洗容器时的结构示意图;
标号说明:
1、杂交温控组件;
2、移液组件;11、针头抛弃窗;12、针头转盘;13、PCR产物中转盘;14、图像获取装置;15、移液导轨;16、移液针;
3、移动导轨;
4、杂交清洗组件;41、多个容器;42、加液板;43、杂交清洗容器;44、杂交加液导轨。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果,以下结合实施方式予以说明。
实施例1
请参阅图1、图2和图3,本发明提供一种基因分型芯片的自动化检测系统(本实施例的基因分型芯片为HPV基因分型芯片),所述检测系统包括:杂交温控组件1、移液组件2、移动导轨3和杂交清洗组件4;
所述杂交温控组件1包括基因分型芯片容器,所述基因分型芯片容器内可水平放置基因分型芯片膜条;
所述移液组件2包括设置在同一直线方向上依次排列的针头抛弃窗11、针头转盘12、PCR产物中转盘13和图像获取装置14;所述移液组件2还包括移液导轨15和滑动连接在移液导轨上的移液针16,所述移液针在移液导轨上滑动经过针头抛弃窗、针头转盘和PCR产物中转盘;
所述杂交清洗组件包括加液机构和杂交清洗机构;所述加液机构包括多个容器41和加液板42;所述多个容器41包括杂交A液容器、杂交B液容器、杂交C液容器、杂交D液容器和蒸馏水容器;所述杂交A液容器、杂交B液容器、杂交C液容器、杂交D液容器和蒸馏水容器分别通过各自对应的加液通道与加液板上对应的加液出口连通;所述杂交清洗机构包括杂交清洗容器43,所述加液板的加液出口用于向杂交清洗容器43中加液;
所述杂交温控组件在移动导轨上滑动并经过图像获取组件和杂交清洗容器。
所述加液机构还包括杂交加液导轨44,所述加液板42滑动连接在杂交加液导轨44上,所述加液板42在杂交加液导轨44上滑动并经过杂交清洗容器43。
上述基因分型芯片的自动化检测系统中,其中本发明检测系统的具体产品的前区域左侧为PCR产物中转盘,配套有移液针预备的转盘和移液针抛弃窗口;本发明检测系统的右侧为HPV芯片装载和摄像位置;本发明检测系统的左后位置为相对密封的HPV杂交液加样清洗区域。
同时,本发明检测系统的下部设计为整体的抽屉式组件,可以通过电动方式抽出(各运动部件位置确定且步进电机解锁后,也可手动抽出),以方便加样和取样。在抽屉式组件的两侧安装滑杆,中央底部位置安装步进电机螺杆,抽屉式组件的整体位移示意图如下图2所示,图2为抽屉式组件处于拉出状态(加样或清理时候)。
同时,在该抽屉的右侧区域底板上,安装了两个可前后移动的导轨,用于支撑杂交温控组件,并且该组件由步进电机+螺杆进行驱动。步进电机可以带动杂交温控组件进行前后移动,以保证在杂交温控组件执行预加样/PCR产物微加样/杂交液加样/反应槽清洗/HPV芯片摄像的过程中,进行的必要的前后移动。
杂交温控组件进行杂交液加样时候,可在前后位移螺杆组件的驱动下,将安放有HPV芯片载物托盘及芯片的温控组件整体移位到仪器后部的杂交液加样/清洗/区域,此时杂交温控组件对应的位置如图3所示,图3为温控组件+HPV芯片处于仪器的杂交位置(杂交显色过程)。
上述基因分型芯片的自动化检测系统的移液组件的PCR产物中转盘中,考虑到整合PCR功能的全自动HPV检测仪设计的连惯性,设计上在仪器的前部左侧预留有PCR模块位置,暂时可设计为可绕圆心旋转的PCR产物中转载物台。为实现全自动连续加样功能,仪器装配了微液加样装置和移液装置。
PCR产物中转载物台模块使用圆形铝合金材料,在圆周方向加工了12个可放置与商用PCR仪配套的塑料离心管,以用于中转PCR后的待测液;同时在其更左侧,也加工了一个对应的可放置微量移液针针头的转配转盘,并在最左侧也装配了一个移液针针头的抛弃窗口,这样将可以自动化地实现了移液针头自动安装,抽取定量的微量待测液,给杂交槽自动加样待测液和自动抛弃使用后的移液针头。
需要进一步是说明的是,在目前阶段的仪器内,PCR产物中转盘内的待测液小试管内存储的是医院提交的待测样品经提纯处理和PCR放大后所形成的待测产物;但在最终版本,在该位置将实现完整的PCR功能模块,以达到HPV芯片更加自动化测试的目的。
PCR产物中转盘配备了TEC制冷模块,并能够在步进电机作用下执行旋转。为确保待测液不受污染,PCR中转盘配备一个上盖,该上盖将是一个在旋转方向上不可转动的同心圆盘,依靠自身重力密封离心试管空间。
优选的,上述基因分型芯片的自动化检测系统的移液组件包括PCR产物微量移液加样装置(移液针);
可水平左右移动的微量加液装置(移液针)实现了待测液的自动加样,该移液加样装置,在垂直方向也安装了一个微距升降螺杆,可以带动移液针在垂直方向上进行一定距离的升降,以实现XZ两方向运动,从而实现从离心管内取样、对芯片位置进行滴样,以及移液针的装配和抛弃。为了避免与杂交温控组件的前后位移螺杆的安装干涉问题,设计上将PCR产物微量加样装置对应的移液螺杆安装在仪器中部的顶端,并采用水平横向安装。
特别说明:现有基因分型芯片的自动化检测系统暂不实现PCR待测产物的微量自动加样,但在PCR中转盘上,预留温控组件,以低温保存离心管内的PCR待测产物。
优选的,上述基因分型芯片的自动化检测系统的移液组件的图像获取装置的设置中,考虑到HPV生物芯片长宽比较大,系统设计4联装载物模块,整机并排配备3组共12联,因此安装了3组CMOS摄像系统,以削减镜头的移位装置。
为解决PCR扩增和杂交环节,液体升温及降温过程所产生的挥发性蒸汽,在CMOS镜头位置,加装TEC冷却部件,以确保3个镜头处于除雾状态。
为确保均匀照明,在TEC散热器下平面,安装LED阵列,实现补光。
所设计的3组CMOS摄像系统+除雾TEC装置+LED阵列加工为一个整体,安装于HPV自动化检测仪器的前部上端。
三联装的CMOS模组使用了三个30W像素的OV7670,对应配合各自的AL422A缓冲FIFO,存将图像通过DMA通道转存储于SRAM,该模组和STM32F410配合,将像素数据转换为655格式后通过串口上报给WIN中央处理计算机,形成BMP图像。
优选的,上述基因分型芯片的自动化检测系统的杂交清洗组件中,为简化杂交液移液装置的液体通道切换和清洗环节,在仪器的后部设计了ABCD各杂交液液流通道的加样系统,ABCD每个液体均有一个蠕动泵和预热/预冷组件。杂交液加样/移液组件共配备ABCD+蒸馏水共5个加液通道,并也同时配备一个虹吸式排液吸管,由单独的蠕动泵排液到废液孔。
本实施例的基因分型芯片的自动化检测系统的移动导轨和杂交加液导轨为XZ两方向的位移的导轨组件,其由两套螺杆机构完成,其驱动力来源于步进电机。该两套螺杆组件分别是安装于载物台相配套的抽屉式底板上的前后方向移动的一个螺杆+2个光杆;另一个是安装在顶部的可水平左右移动的杂交加液导轨,以实现逐条芯片杂交槽内的加样和清洗。
由于清除在HPV芯片反应槽内试液的虹吸头,需要浸没在液位最低平面处,所以在设计上也在杂交加液导轨模块上的加液装置,也同时装配了一套与PCR产物移液装置中一样的可垂直升降的位移机构,以配合试液移除所使用的虹吸管的升降需求。
本实施例的基因分型芯片的自动化检测系统的电路结构如下:
本实施例的检测系统的图像采集核心为3模组的30万像素CMOS图像传感器,控制电路核心是由STM32控制器与RTX实时操作系统所构成的核心板,控制模块具备2+2+2+1个步进电机、2个LED温度传感器、1个光学引擎温度传感器、2个转盘中转装置、1个杂交液蠕动泵系统、1个微量测试液移液系统、1个LED半导体制冷部件及、一个PCR产物中转台冷却组件和一套杂交液预热预冷装置,以及配套的PID控制器和16组继电器切换组件。
X86主机通过USB扩展器,扩充USB/UART接口以传输控制协议,协议先由STM32解析,并通过STM32执行控制所需要的操作命令。STM32MCU采集LED照明器件温度、光学引擎环境温度、步进电机位置参数和LED照明状态,并结合X86主机的控制指令,对大功率LED的照明、芯片载物台移动、中转载物盘和半导体制冷部件温度进行控制。同时,摄像使用的3组CMOS图像传感器也是通过STM32处理器串口转USB后通过USB扩展器汇集于X86主机。
本发明基因分型芯片的自动化检测系统的工作原理:利用生物素等标记的引物对目标序列进行扩增,产物和固定在基质(尼龙膜,硝酸纤维素膜)上的特异性探针进行杂交。先将待用的探针分别点到硝酸纤维素膜或尼龙膜上,每个探针一个点,并编上号,再将待测的样本的PCR特异性扩增的产物与之杂交,继而待测样本就会与具有同源序列的探针结合,后经洗涤去除未结合的PCR产物。由于待测样本具有生物素一类的标记物,结合了待测样本的探针点上即带有生物素一类的标记物,再经相应的显色反应便能显出杂交信号,这样一次就可以判断某一基因座位的大部分或全部等位基因。
本实施例的基因分型芯片的自动化检测系统的检测方法包括如下步骤:
首先将试条水平放置在杂交温控组件的基因分型芯片容器,并将医疗待测样品经提纯处理和PCR放大后,所形成的HPV待测产物,滴放在PCR产物中转盘中。
测试开始,移液导轨上移液针移动把一定量的PCR产物中转盘的PCR待测产物液体转移到基因分型芯片容器;
杂交温控组件在移动导轨上滑动到杂交清洗容器,并加注对应量的杂交液,杂交液使用前进行预热。预热结束后的杂交液通过加液通道流到加液板,并从加液板的对应出口流到杂交清洗容器中,HPV基因分型芯片膜条上固定的检测探针与融解在杂交液内的待测标靶基因序列发生连续的双链杂交反应。另外,在杂交反应时间区间内,杂交温控组件将HPV芯片杂交槽的温度控制在最优的杂交温度点,以确保顺利杂交。
显色和清洗结束后,杂交温控组件在移动导轨上滑动到图像获取装置下方,将HPV基因分型芯片的生化检测结果形象图像信息,保存并上传给后台处理机,完成信息采集。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换,或直接或间接运用在相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (2)
1.一种基因分型芯片的自动化检测系统,其特征在于,所述检测系统包括杂交温控组件、移液组件、移动导轨和杂交清洗组件;
所述杂交温控组件包括基因分型芯片容器,所述基因分型芯片容器内可放置基因分型芯片膜条;
所述移液组件包括设置在同一直线方向上依次排列的针头抛弃窗、针头转盘、PCR产物中转盘和图像获取装置;所述移液组件还包括移液导轨和滑动连接在移液导轨上的移液针,所述移液针在移液导轨上滑动经过针头抛弃窗、针头转盘和PCR产物中转盘;
所述杂交清洗组件包括加液机构和杂交清洗机构;所述加液机构包括多个容器和加液板;所述多个容器包括杂交A液容器、杂交B液容器、杂交C液容器、杂交D液容器和蒸馏水容器;所述杂交A液容器、杂交B液容器、杂交C液容器、杂交D液容器和蒸馏水容器分别通过各自对应的加液通道与加液板上对应的加液出口连通;所述杂交清洗机构包括杂交清洗容器,所述加液板的加液出口用于向杂交清洗容器中加液;
所述杂交温控组件在移动导轨上滑动并经过图像获取组件和杂交清洗容器;
所述加液机构还包括杂交加液导轨,所述加液板滑动连接在杂交加液导轨上,所述加液板在杂交加液导轨上滑动并经过杂交清洗容器;
所述杂交A液容器、杂交B液容器、杂交C液容器、杂交D液容器和蒸馏水容器各自对应的每个加液通道上设置有蠕动泵和温控组件,所述温控组件用于预热或预冷加液通道中的液体。
2.根据权利要求1所述的基因分型芯片的自动化检测系统,其特征在于,所述图像获取装置包括3组CMOS摄像系统,所述CMOS摄像系统的镜头位置设有TEC冷却部件。
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