CN111944678A - 一种便携式核酸比色检测装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式核酸比色检测装置及其使用方法，其包括主控板、计算机控制系统、工业相机、试管载架和温育系统；计算机控制系统与主控板信号连接，主控板与工业相机和温育系统信号连接；计算机控制系统通过主控板发送温控信号到温育系统，使得放置于温育系统中的核酸样品能够进行等温扩增反应；试管载架设置在温育系统一侧，用于承载等温扩增反应后的试管样品；工业相机设置在试管载架对侧，根据主控板发送的控制信号对试管载架内放置的所有试管样品进行拍照，所采集的图像数据通过主控板发送到计算机控制系统；计算机控制系统对接收到的图像数据进行实时分析判断，得到检测结果。本发明可以广泛应用于核酸比色领域。

Description

一种便携式核酸比色检测装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及核酸检测领域，特别是涉及一种便携式核酸比色检测装置及其使用方法。

背景技术

当前生物医学研究正从整体和细胞水平深入到分子水平。核酸是细胞内一类重要的生物分子，参与调控细胞的大部分功能。核酸检测，即核酸扩增检测技术泛指以扩增DNA或RNA为手段，从而筛查特定基因的检测技术。常见的核酸检测技术有聚合酶链式反应(PCR)、环介导等温扩增(LAMP)、依赖核酸序列的扩增(NASBA)、滚环扩增技术(RCA)、依赖解旋酶DNA等温扩增技术(HDA)、重组酶聚合酶扩增(RPA)、变性泡介导的链交换扩增技术(SEA)等，其主流检测方式为荧光检测系统。

荧光定量PCR检测技术，整个过程利用荧光信号积累实时监测整个核酸扩增进程。在反应体系中加入荧光基团，使用不同波长的激发光照射反应管，当反应管的试剂被激发出特定波长时，用光学传感器如光敏二极管、光电倍增管等将采集到的荧光强度信号传送到计算机进行实时数据显示和分析。根据检测技术的不同，荧光检测使用的仪器有荧光定量PCR检测仪和等温荧光检测仪等。

显然，这些仪器都需要一个荧光激发装置和复杂的光路设计，且检测试剂中有荧光基团的存在，增加了荧光检测的复杂性和成本。此外，目前市场上大部分荧光检测仪是用于分子检测实验室、医院检验科检测使用的中大型仪器，价格较为昂贵，不便于携带，实验者必须将检测样本拿到实验室中检测，不适合在食品安全、动物疫病、突发性疾病等领域的现场、快速、应急检测。

比色核酸检测法是通过可见光下反应液的吸光值来检测核酸的一种方法，该方法可通过直接肉眼观察反应前后扩增液颜色变化来确定待检样本是否存在，又被称为核酸目视检测或可视检测法。核酸比色检测法可以得到定性或定量、快速的初筛检测结果，适用于突发事件的现场检测、应急检测等应用场景。然而，比色核酸检测只能通过手写报告或手动拍照记录检测结果，存在一定人工误判误差或篡改实验结果的可能，限制了比色核酸检测技术在某些领域的应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种便携式核酸比色检测装置及其使用方法，该装置集核酸检测、判断于一体，更加小巧、准确、快速、方便、经济，可以满足各种现场的即时检测需求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种便携式核酸比色检测装置，其包括：主控板、计算机控制系统、工业相机和温育系统；所述计算机控制系统与所述主控板信号连接，所述主控板与所述工业相机和温育系统信号连接；所述计算机控制系统通过主控板发送温控信号到所述温育系统，使得放置于所述温育系统中的核酸样品能够进行扩增反应；所述工业相机根据所述主控板发送的控制信号对所述温育系统内放置的反应管进行拍照，所采集的图像数据通过所述主控板发送到所述计算机控制系统；所述计算机控制系统对接收到的图像数据进行实时读数形成光吸收曲线，分析判断后给出定性或定量检测结果。

进一步的，所述检测装置还包括一试管载架，所述试管载架设置在所述温育系统一侧，所述工业相机设置在所述试管载架对侧，用于根据计算机控制系统发送的控制信号对所述试管载架内放置的等温扩增反应后的反应管进行拍照，所采集的图像数据发送到所述计算机控制系统。

进一步的，所述检测装置还包括一打印机，所述打印机与所述计算机控制系统信号连接，对所述计算机控制系统给出的定性或定量检测结果进行打印。

进一步的，所述打印机、主控板、计算机控制系统、工业相机、试管载架和温育系统集成设置在一箱体内。

进一步的，所述温育系统包括温控加热组件和多排试管孔，各排所述试管孔均设置在所述温控加热组件上，所述温控加热组件通过串口通讯与所述主控板信号连接。

进一步的，所述计算机控制系统包括用户显示界面、核酸检测模块和串口通讯单元；所述用户显示界面用于提供人机交互接口，并实时显示系统状态；所述核酸检测模块包括参数配置单元、开始实验单元、结束实验单元和结果判读单元；所述参数配置单元用于设置所述温育系统的初始温度、反应温度、反应时间，所述试管载架中放置的反应管的大小、位置和检测类型参数，所述工业相机的拍摄间隔以及是否需要打印定性或定量检测结果，并在系统开机后将所述温育系统的初始温度通过所述串口通讯单元发送到所述主控板，由所述主控板控制所述温育系统进入待机状态；所述开始实验单元用于在操作人员将试样放入所述温育系统后，将所述参数配置单元内设置的反应温度和反应时间发送到主控板，由所述主控板控制所述温育系统按照预设反应温度和反应时间进行等温扩增反应，反应结束后蜂鸣提示；所述停止实验单元用于操作人员在实验结束后确认，使得所述温育系统自动关闭降温，或在实验过程中随时停止实验；所述结果判断单元用于接收所述工业相机通过所述主控板发送的图像数据，并对图像数据进行实时分析判断，得到定性或定量检测结果。

进一步的，所述计算机控制系统中还设置有USB单元和无线通信单元；所述USB接口单元用于接收采用其他仪器或设备进行扩增反应后的图片数据，并发送到所述结果判断单元进行判断；所述无线通信单元用于通过wifi、蓝牙无线信号方式实现与其他设备间的数据传递，将检测报告上传或共享。

进一步的，所述结果判断单元包括数据接收模块、数据预处理模块、标准曲线数据库和检测结果判别模块；所述数据接收模块用于接收由所述工业相机、所述USB接口单元或所述无线通信单元发送的图像数据，并发送到所述预处理模块；所述预处理模块用于实时对接收到的图像数据进行预处理，将其转换为灰度数据并发送到所述检测结果判别模块；所述检测结果判别模块用于将接收到的灰度数据和所述标准曲线数据库中存储的标准曲线数据进行实时对比，获得对应的定性或定量检测结果，当所述参数配置单元中设置需要打印结果时，将检测结果发送到所述打印机进行打印。

进一步的，所述工业相机的预设拍摄间隔为10-30s。

一种便携式核酸比色检测装置的使用方法，其包括以下步骤：1)系统启动后，主控板根据计算机控制系统内存储的初始温度控制温育系统进入待机状态；2)操作人员将实验用的反应管放入温育系统上的试管孔内，开始实验，主控板控制温育系统升温达到预设反应温度后开始计时，待试样样品管内样品扩增反应达到预设反应时间后蜂鸣提示；3)实验结束后温育系统自动关闭降温；4)主控板控制工业相机拍照，所得图像数据发送给计算机控制系统；5)计算机控制系统对图像进行实时分析判断，并给出定性或定量检测结果。

进一步的，所述步骤5)中，计算机控制系统对图像进行实时分析判断的方法，包括以下步骤：5.1)采用颜色拾取算法对不同时刻接收到的图像数据进行预处理，获得各时刻的灰度数据；5.2)将各时刻的灰度数据、预设阈值和到达阈值的时间，和标准曲线数据对比给出定量检测结果；将各时刻的灰度数据和预设阈值比较，给出定性检测结果；5.3)根据不同时刻获取的灰度数据绘制实时光吸收曲线，将绘制的光吸收曲线与标准曲线进行对比，获得实时观测结果。

进一步的，所述步骤5.2)中，将各时刻的灰度数据与预设阈值进行比较时，当灰度数据小于预设阈值时，则为阳性，当灰度数据大于预设阈值时，则为阴性。

进一步的，所述预设阈值对应HSV颜色空间的H值，其取值范围为0-60。

进一步的，所述预设阈值的取值范围为10-50。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用工业相机对试管载架内的样品进行拍照，并基于比色法对图像数据的阴阳性进行判断，能够实时采集数据形成光吸收曲线，对检测结果分析判别。2、本发明设置有打印机，能够对计算机控制系统输出的检测结果进行打印，检测结果更加直观。3、本发明温育系统能够同时对多个试管样品进行加热和扩增反应，同时试管载架中设置有多个样品孔，实现了样品的多通道检测。4、本发明温育系统外部设有上盖，保证扩增过程在一个密闭的空间内，避免试剂污染问题。5、本发明计算机控制系统中设置有参数设置模块，系统开机后能够根据预设参数对温育系统进行控制，且预设参数能够根据实际情况进行修改，操作更加简便，适用范围广。6、本发明检测装置各部件集成设置在一箱体内，体积小巧，可置于单独包装或置于快检箱内，更加便携，适合随时随地的现场检测。7、本发明还设置有无线通信装置，能够与其他设备进行无线通讯，将得到的定性或定量检测结果报告进行上传或分享。本发明基于比色法核酸快检技术，集检测、判断于一体，准确、快速、方便、经济满足各种现场的即时检测需求，可以广泛应用于核酸比色检测领域。

附图说明

图1是本发明便携式核酸比色检测装置的结构示意图；

图中各标记如下：1、打印机；2、主控板；3、计算机控制系统；4、工业相机；5、试管载架；6、温育系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供的一种便携式核酸比色检测装置，其包括：主控板2、计算机控制系统3、工业相机4、试管载架5和温育系统6。其中，计算机控制系统3与主控板2信号连接，主控板2与工业相机4和温育系统6信号连接。计算机控制系统3通过主控板2发送温控信号到温育系统6，使得放置于温育系统6中的核酸样品能够进行等温扩增反应；试管载架5设置在温育系统6一侧，用于承载等温扩增反应后的试管样品；工业相机4设置在试管载架5对侧，用于根据主控板2发送的控制信号对试管载架5内放置的所有试管样品进行拍照，所采集的图像数据通过主控板2发送到计算机控制系统3；计算机控制系统3用于对接收到的图像数据进行实时分析判断，并给出定性或定量检测结果。

优选的，该检测仪还包括一打印机1，打印机1与计算机控制系统3信号连接，对计算机控制系统3给出的定性或定量检测结果进行打印。

优选的，打印机1、主控板2、计算机控制系统3、工业相机4、试管载架5和温育系统6集成设置在一箱体内，使得检测仪体积小巧，更加便携，适用于现场检测。更为优选的，温育系统6外侧设置有活动盖，用于保证扩增过程在一个密闭的空间内，避免试剂污染问题。

优选的，工业相机4采用CCD成像，像素为200万-1000万，无畸变镜头。

优选的，试管载架5包括多个并排设置的样品孔。

优选的，温育系统6包括温控加热组件和多排试管孔，所有试管孔均设置在温控加热组件上，用于放置装有核酸样品的PCR反应管，温控加热组件通过串口通讯与主控板2信号连接，在主控板2控制下进行加温。

优选的，该检测装置也可以不设置试管载架5，此时，工业相机4设置在温育系统6的试管孔下方，根据计算机控制系统3发送的控制信号对放置在温育系统6中试管孔内的PCR反应管进行拍照，所采集的图像数据发送到计算机控制系统3。

优选的，计算机控制系统3包括用户显示界面、核酸检测模块和串口通讯单元。其中，用户显示界面用于提供人机交互接口，并实时显示系统状态；核酸检测模块包括参数配置单元、开始实验单元、结束实验单元和结果判读单元。其中，参数配置单元用于设置温育系统6的初始温度、反应温度、反应时间，试管载架5中放置的反应管大小、位置和检测类型参数，工业相机4的拍摄间隔以及是否需要打印判别结果；系统开机后，参数配置单元将温育系统6的初始温度通过串口通讯单元发送给主控板2，由主控板2根据初始温度对温育系统6进行控制，当温育系统6达到初始温度后进入待机状态；开始实验单元用于在操作人员将试样放入温育系统6后，将参数配置单元内存储的反应温度和反应时间发送到温育系统6，当温育系统6达到反应温度后自动计时，当达到反应时间后蜂鸣提示；停止实验单元用于操作人员在实验结束后确认，使得温育系统6自动关闭降温，或在实验过程中随时停止实验；结果判断单元用于接收工业相机4通过主控板2发送的图像数据，并对图像数据进行实时分析判断，得到的定性或定量检测结果可以通过打印机1打印。

优选的，工业相机4的预设拍摄间隔为10-30s，更利于光吸收曲线的绘制。

优选的，用户显示界面中还设置有实时拍照单元，用于实验过程中操作人员根据实际需要实时点击用户显示界面进行实时拍照。

优选的，计算机控制系统中还设置有USB单元和无线通信单元；USB接口单元用于接收采用其他仪器或设备(比如在PCR仪器、等温检测仪、金属浴等仪器)进行扩增反应后的图片数据，并发送到结果判断单元进行判断；无线通信单元用于通过wifi、蓝牙等无线信号方式实现与其他设备间的数据传递。

优选的，结果判断单元包括数据接收模块、数据预处理模块、标准曲线数据库、检测结果判别模块和数据发送模块。其中，数据接收模块用于接收由工业相机4或USB接口单元发送的图像数据；预处理模块用于对接收到的图像数据进行预处理，将其转换为灰度数据并发送到检测结果判别模块；检测结果判别模块用于将接收到的灰度数据和标准曲线数据库中存储的标准曲线数据进行实时对比，获得对应的定性或定量检测结果；当参数配置单元中设置需要打印结果时，数据发送模块将定性或定量检测结果发送到打印机1进行打印。

基于上述便携式核酸比色检测装置，本发明还提供一种便携式核酸比色检测装置的使用方法，包括以下步骤：

1)系统启动后，主控板2根据计算机控制系统3内存储的初始温度控制温育系统6进入待机状态；其中，本发明中温育系统6的预设初始温度设置为50℃；

2)操作人员将实验用的反应管放入温育系统6上的试管孔内，开始实验，主控板2控制温育系统6升温达到预设反应温度后开始计时，待反应管内样品扩增反应达到预设反应时间后蜂鸣提示；

3)操作人员确认实验结束后温育系统6自动关闭降温，操作人员将扩增反应后的反应管转移到试管载架5；

4)主控板2控制工业相机4对反应管进行实时拍照，所得图像数据发送给计算机控制系统3；

5)计算机控制系统3对图像进行实时分析判断，并给出定性或定量检测结果，该结果可以通过打印机1输出。

其中，计算机控制系统3对图像进行实时分析判断的方法，包括以下步骤：

5.1)采用颜色拾取算法对不同时刻接收到的图像数据进行预处理，获得各时刻的灰度数据；

5.2)将各时刻的灰度数据、预设阈值和到达阈值的时间，和标准曲线数据对比，给出定量检测结果；将得到的各时刻的灰度数据与预设阈值进行比较，得到各时刻的阴阳性判别结果；

具体的，将各时刻的灰度数据与预设阈值进行比较时，当灰度数据小于预设阈值时，则为阳性，当灰度数据大于预设阈值时，则为阴性；本申请设定的预设阈值范围为0-60，更为优选的，可以设置为10-50，具体可以实际情况设置，本发明中设置的预设阈值为25；

5.3)根据不同时刻获取的灰度数据绘制光吸收曲线，将绘制的光吸收曲线与标准曲线数据库中的标准曲线进行对比，获得实时观测结果；其中，标准曲线数据库是经过大量样本实验积累的经验数据。

实施例一

下面通过具体实施例对本发明检测仪的比色检测过程进行介绍。

本实施例采用以购买自青岛耐德生物的单增李斯特菌核酸检测试剂盒(等温比色法)(货号KDC1104)，检测合成的单增李斯特菌基因组DNA(5'-GTCATTGGAAACTGGAGACTGGAGTGCAGAAGAGGAGAGTGG-3'(SEQ ID No.1))，严格按照说明书要求，采用的1-8号试剂分别为基因组样本重复1、基因组样本重复2、基因组样本重复3、基因组样本重复4、阳性对照、阴性对照，空管，空管。

扩增反应液配置完成后置于本检测仪的温育模块内，将温育系统的反应温度设置为61摄氏度，点击“开始试验单元”。听到蜂鸣提醒后(也即温育系统在反应温度下进行扩增反应达到预设反应时间后)，将反应管移动到判读区域试管载架上，点击参数设置单元，根据反应管的大小和位置选择对应的参数(因判读试管架位置固定，该反应管大小一致的情况下参数值不用更改，可直接点击主屏幕的结果判读单元)。选择待检样本类型，点击拍照判读，屏幕将实时显示判读结果并打印检测报告。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (14)

1.一种便携式核酸比色检测装置，其特征在于其包括：主控板、计算机控制系统、工业相机和温育系统；

所述计算机控制系统与所述主控板信号连接，所述主控板与所述工业相机和温育系统信号连接；

所述计算机控制系统通过主控板发送温控信号到所述温育系统，使得放置于所述温育系统中的核酸样品能够进行扩增反应；

所述工业相机根据所述主控板发送的控制信号对所述温育系统内放置的反应管进行拍照，所采集的图像数据通过所述主控板发送到所述计算机控制系统；

所述计算机控制系统对接收到的图像数据进行实时读数形成光吸收曲线，分析判断后给出定性或定量检测结果。

2.如权利要求1所述的一种便携式核酸比色检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括一试管载架，所述试管载架设置在所述温育系统一侧，所述工业相机设置在所述试管载架对侧，用于根据计算机控制系统发送的控制信号对所述试管载架内放置的等温扩增反应后的反应管进行拍照，所采集的图像数据发送到所述计算机控制系统。

3.如权利要求2所述的一种便携式核酸比色检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括一打印机，所述打印机与所述计算机控制系统信号连接，对所述计算机控制系统给出的定性或定量检测结果进行打印。

4.如权利要求3所述的一种便携式核酸比色检测装置，其特征在于：所述打印机、主控板、计算机控制系统、工业相机、试管载架和温育系统集成设置在一箱体内。

5.如权利要求1所述的一种便携式核酸比色检测装置，其特征在于：所述温育系统包括温控加热组件和多排试管孔，各排所述试管孔均设置在所述温控加热组件上，所述温控加热组件通过串口通讯与所述主控板信号连接。

6.如权利要求2所述的一种便携式核酸比色检测装置，其特征在于：所述计算机控制系统包括用户显示界面、核酸检测模块和串口通讯单元；

所述用户显示界面用于提供人机交互接口，并实时显示系统状态；

所述核酸检测模块包括参数配置单元、开始实验单元、结束实验单元和结果判读单元；

所述参数配置单元用于设置所述温育系统的初始温度、反应温度、反应时间，所述试管载架中放置的反应管的大小、位置和检测类型参数，所述工业相机的拍摄间隔以及是否需要打印定性或定量检测结果，并在系统开机后将所述温育系统的初始温度通过所述串口通讯单元发送到所述主控板，由所述主控板控制所述温育系统进入待机状态；

所述开始实验单元用于在操作人员将试样放入所述温育系统后，将所述参数配置单元内设置的反应温度和反应时间发送到主控板，由所述主控板控制所述温育系统按照预设反应温度和反应时间进行等温扩增反应，反应结束后蜂鸣提示；

所述停止实验单元用于操作人员在实验结束后确认，使得所述温育系统自动关闭降温，或在实验过程中随时停止实验；

所述结果判断单元用于接收所述工业相机通过所述主控板发送的图像数据，并对图像数据进行实时分析判断，得到定性或定量检测结果。

7.如权利要求6所述的一种便携式核酸比色检测装置，其特征在于：所述计算机控制系统中还设置有USB单元和无线通信单元；

所述USB接口单元用于接收采用其他仪器或设备进行扩增反应后的图片数据，并发送到所述结果判断单元进行判断；

所述无线通信单元用于通过wifi、蓝牙无线信号方式实现与其他设备间的数据传递，将检测报告上传或共享。

8.如权利要求7所述的一种便携式核酸比色检测装置，其特征在于：所述结果判断单元包括数据接收模块、数据预处理模块、标准曲线数据库和检测结果判别模块；

所述数据接收模块用于接收由所述工业相机、所述USB接口单元或所述无线通信单元发送的图像数据，并发送到所述预处理模块；

所述预处理模块用于实时对接收到的图像数据进行预处理，将其转换为灰度数据并发送到所述检测结果判别模块；

所述检测结果判别模块用于将接收到的灰度数据和所述标准曲线数据库中存储的标准曲线数据进行实时对比，获得对应的定性或定量检测结果，当所述参数配置单元中设置需要打印结果时，将定性或定量检测结果发送到所述打印机进行打印。

9.如权利要求6所述的一种便携式核酸比色检测装置，其特征在于：所述工业相机的预设拍摄间隔为10-30s。

10.一种采用如权利要求1～9任一项所述便携式核酸比色检测装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

1)系统启动后，主控板根据计算机控制系统内存储的初始温度控制温育系统进入待机状态；

2)操作人员将实验用的反应管放入温育系统上的试管孔内，开始实验，主控板控制温育系统升温达到预设反应温度后开始计时，待试样样品管内样品扩增反应达到预设反应时间后蜂鸣提示；

3)实验结束后温育系统自动关闭降温；

4)主控板控制工业相机拍照，所得图像数据发送给计算机控制系统；

5)计算机控制系统对图像进行实时分析判断，并给出定性或定量检测结果。

11.如权利要求10所述的一种便携式核酸比色检测装置的使用方法，其特征在于：所述步骤5)中，计算机控制系统对图像进行实时分析判断的方法，包括以下步骤：

5.1)采用颜色拾取算法对不同时刻接收到的图像数据进行预处理，获得各时刻的灰度数据；

5.2)将各时刻的灰度数据、预设阈值和到达阈值的时间，与标准曲线数据对比，给出定量检测结果；将各时刻的灰度数据和预设阈值比较，给出定性检测结果；

5.3)根据不同时刻获取的灰度数据绘制实时光吸收曲线，将绘制的光吸收曲线与标准曲线进行对比，获得实时观测结果。

12.如权利要求11所述的一种便携式核酸比色检测装置的使用方法，其特征在于：所述步骤5.2)中，将各时刻的灰度数据与预设阈值进行比较时，当灰度数据小于预设阈值时，则为阳性，当灰度数据大于预设阈值时，则为阴性。

13.如权利要求11所述的一种便携式核酸比色检测装置的使用方法，其特征在于：所述预设阈值对应HSV颜色空间的H值，其取值范围为0-60。

14.如权利要求11所述的一种便携式核酸比色检测装置的使用方法，其特征在于：所述预设阈值的取值范围为10-50。

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