CN112538415A - 单盘式自动核酸分析装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及单盘式自动核酸分析装置，其包括：光学检测系统；单盘装载系统；升降机构用于控制离心机构的升降；离心机构用于在上升到预定位置的状态下使微流控芯片与单盘装载系统脱离接触，且与光学检测系统共同夹持微流控芯片，并控制微流控芯片进行转动，光学检测系统用于在转动状态下采用荧光检测方式检测微流控芯片；温度检测及控制系统用于检测环境温度及调控环境温度。只需将微流控芯片放上单盘装载系统，即可在一定程度上无需外部干预，自动进行升降、离心、温控以进行PCR扩增循环，最后进行光学检测，其实现方式结构紧凑，易于制造，稳定可靠，有利于实现低成本的、快速的、操作简单的、单样本多指标的、全自动的分子诊断设备。
Description
技术领域
本申请涉及生物检测领域，特别是涉及单盘式自动核酸分析装置。
背景技术
离心微流控隶属于微流控的一个分支，特指通过离心力来驱动液体的流动。它将生物和化学领域所涉及的基本操作单位集成在一个小型碟式的(disc-shaped)芯片上。由于离心微流控只需要一个电机来提供液体操控所需要的力，而碟片式芯片上的无处不在的离心场既能使得液体驱动更为有效，确保管道内没有残留液体，又能有效的实现基于密度差异的样本分离，也能让并行处理更为简单。因此，离心微流控被应用在即时诊断(Point-of-care testing，POCT)中。
荧光定量PCR(Polymerase Chain Reaction，聚合酶链式反应)技术是在常规PCR基础上加入相应的荧光染料或荧光标记探针，在PCR反应过程中通过荧光信号变化，对整个PCR进程进行实时检测，以荧光化学物质监测每次PCR循环后的产物的总量的方法，对待测样品中特定的DNA序列进行定量分析的方法。
荧光定量PCR仪是实时检测的反应仪器，qPCR(Quantitative Real-time PCR，实时荧光定量)仪中的加热制冷循环模块通过空气浴、水浴、金属浴等形式实现PCR的温度循环，PCR温度循环通常为至少数十次。
在基于PCR扩增的分子诊断体系中，由于PCR扩增时候会有气溶胶污染，也为了避免样本之间的交叉污染，一般情况下要组建一个分区实验室。这个实验室要实现样本处理、核酸提取、PCR扩增的分区操作，且必须具备良好的通风系统，实验室搭建成本高，往往只有大型医疗机构才有搭建的财力。另一方面，实验室操作人员要持证上岗，也大大增加了人工成本。与此同时，过多人工的介入势必也会带来人为的操作失误。这都大大地提高了基于PCR的分子诊断的技术使用门槛。并且，当前的分子诊断实验室模式，还存在两个缺点：在集中实验场地完成多样本和多检测项目操作，过程质量控制要求高，检测时间长；一般为多样本单指标检测模式，检测指标受限，无法实现单样本多指标感染病原体的筛查，无法实现单样本的快速检测。
发明内容
基于此，有必要提供一种单盘式自动核酸分析装置。
一种单盘式自动核酸分析装置，其包括：光学检测系统；单盘装载系统，用于承载微流控芯片；运动控制系统，包括离心机构及升降机构，升降机构连接离心机构，用于控制离心机构的升降；离心机构用于在上升到预定位置的状态下使微流控芯片与单盘装载系统脱离接触，且与光学检测系统共同夹持微流控芯片，并控制微流控芯片进行转动，光学检测系统用于在转动状态下采用荧光检测方式检测微流控芯片；以及温度检测及控制系统，用于在离心状态下检测微流控芯片所处环境温度，及调控环境温度。离心机构包括芯片底盘、离心板架、支撑杆及离心电机；支撑杆固定于升降机构上，离心板架固定于支撑杆上，升降机构连接支撑杆，用于通过支撑杆控制离心板架的升降；离心电机安装于离心板架上或下；芯片底盘位于离心板架上且与离心电机的离心轴连接，芯片底盘用于在离心板架上升到预定位置的状态下使微流控芯片与单盘装载系统脱离接触，且与光学检测系统共同夹持微流控芯片，并在离心电机控制下带动微流控芯片进行转动。光学检测系统包括荧光检测模块、通道切换模块、检测支架及芯片顶盘；荧光检测模块及通道切换模块均设置在检测支架上，通道切换模块用于切换选用荧光检测模块以在转动状态下采用荧光检测方式检测微流控芯片；芯片顶盘转动设置在检测支架上，且用于与上升到预定位置的离心机构共同夹持微流控芯片。温度检测及控制系统包括温控定位模块及加热模块；温控定位模块对应微流控芯片的扩增腔设置，用于在离心状态下检测微流控芯片所处环境温度；加热模块与温控定位模块对应设置，用于调控环境温度。温度检测及控制系统还包括热盖、连接杆、制冷模块及散热结构；热盖位于单盘装载系统上，且通过连接杆连接离心机构，以配合离心机构共同由升降机构控制升降；温控定位模块设置在热盖下，热盖对应微流控芯片的扩增腔开设有检测孔；制冷模块连接散热结构。单盘装载系统包括芯片托盘、托盘支架、安装柱及弹性件；安装柱设置在芯片托盘下，托盘支架滑动设置在安装柱上，弹性件设置于芯片托盘及托盘支架之间；托盘支架连接离心机构，以配合离心机构共同由升降机构控制升降；芯片托盘用于在离心机构上升到预定位置的状态下抵接温度检测及控制系统，弹性件用于在离心机构上升到预定位置的状态下发生形变以缩小芯片托盘与托盘支架的间距。单盘式自动核酸分析装置还包括壳体，光学检测系统及升降机构固定设置于壳体内，单盘装载系统、温度检测及控制系统及离心机构位于壳体内，且壳体设有对应单盘装载系统的开口，用于放置微流控芯片于单盘装载系统上。单盘式自动核酸分析装置还包括信息交互系统，信息交互系统分别连接光学检测系统、温度检测及控制系统、离心机构及升降机构，用于控制光学检测系统、温度检测及控制系统、离心机构及升降机构且进行信息交互。单盘式自动核酸分析装置还包括打印机，打印机与信息交互系统连接。单盘式自动核酸分析装置还包括控制终端，控制终端与信息交互系统连接。上述单盘式自动核酸分析装置，只需将微流控芯片放上单盘装载系统，即可在一定程度上无需外部干预，自动进行升降、离心、温控以进行PCR扩增循环，最后进行光学检测，其实现方式结构紧凑，易于制造，稳定可靠，有利于实现低成本的、快速的、操作简单的、单样本多指标的、全自动的分子诊断设备。
附图说明
图1为本申请单盘式自动核酸分析装置一实施例的结构示意图。图2为图1所示实施例的另一方向示意图。图3为图1所示实施例的另一方向示意图。图4为本申请光学检测系统一实施例的结构示意图。图5为图4所示实施例的另一方向示意图。图6为本申请温度检测及控制系统一实施例的结构示意图。图7为图6所示实施例配合托盘支架的结构示意图。图8为图7所示实施例的另一方向示意图。图9为本申请单盘装载系统一实施例的结构示意图。图10为图9所示实施例的另一方向示意图。图11为图9所示实施例的另一方向示意图。图12为图9所示实施例的另一方向示意图。图13为本申请离心机构一实施例的结构示意图。图14为图13所示实施例的另一方向示意图。图15为本申请升降机构一实施例的结构示意图。图16为图15所示实施例的另一方向示意图。图17为本申请单盘式自动核酸分析装置另一实施例的结构拆分示意图。图18为本申请单盘式自动核酸分析装置另一实施例的部分结构示意图。图19为图18所示实施例的另一方向示意图。图20为图18所示实施例的另一方向示意图。图21为图18所示实施例的另一方向示意图。图22为图18所示实施例的另一方向示意图。图23为本申请单盘式自动核酸分析装置另一实施例的结构示意图。图24为图23所示实施例的另一方向示意图。图25为图24所示实施例的另一方向示意图。图26为本申请单盘式自动核酸分析装置另一实施例的结构框架示意图。图27为本申请单盘式自动核酸分析装置另一实施例的流程框架示意图。图28为本申请单盘式自动核酸分析装置另一实施例的结构框架示意图。
附图标记：光学检测系统100、温度检测及控制系统200、单盘装载系统300、运动控制系统400、壳体500；荧光检测模块110、通道切换模块120、检测支架130、芯片顶盘140；温控定位模块210、加热模块220、热盖230、连接杆240、制冷模块250、散热结构260、抵接块231、开口区232、检测孔233；芯片托盘310、托盘支架320、安装柱330、弹性件340、空槽321、微流控芯片390、凹槽397、抵接部398、扩增腔399；离心机构410、芯片底盘411、离心轴412、离心板架413、支撑杆414、离心电机415；升降机构420、升降步进电机421、升降板422、导柱423、输出杆424。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本申请的说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。除非另有定义，本申请的说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本申请的说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在本申请一个实施例中，一种单盘式自动核酸分析装置，其包括：光学检测系统；单盘装载系统，用于承载微流控芯片；运动控制系统，包括离心机构及升降机构，升降机构连接离心机构，用于控制离心机构的升降；离心机构用于在上升到预定位置的状态下使微流控芯片与单盘装载系统脱离接触，且与光学检测系统共同夹持微流控芯片，并控制微流控芯片进行转动，光学检测系统用于在转动状态下采用荧光检测方式检测微流控芯片；温度检测及控制系统，用于在离心状态下检测微流控芯片所处环境温度，及调控环境温度。上述单盘式自动核酸分析装置，只需将微流控芯片放上单盘装载系统，即可在一定程度上无需外部干预，自动进行升降、离心、温控以进行PCR扩增循环，最后进行光学检测，其实现方式结构紧凑，易于制造，稳定可靠，有利于实现低成本的、快速的、操作简单的、单样本多指标的、全自动的分子诊断设备。
在其中一个实施例中，一种单盘式自动核酸分析装置，其包括以下实施例的部分结构或全部结构；即，单盘式自动核酸分析装置包括以下的部分技术特征或全部技术特征。在其中一个实施例中，如图1所示，一种单盘式自动核酸分析装置，其包括光学检测系统100、温度检测及控制系统200、单盘装载系统300以及运动控制系统400；其中，运动控制系统400包括离心机构410及升降机构420，温度检测及控制系统200、离心机构410及单盘装载系统300设置在升降机构420上，光学检测系统100位于温度检测及控制系统200、离心机构410及单盘装载系统300的上方，升降机构420控制温度检测及控制系统200、离心机构410及单盘装载系统300整体升降，在上升到预定位置的状态下，温度检测及控制系统200抵接光学检测系统100，单盘装载系统300抵接温度检测及控制系统200，温度检测及控制系统200及单盘装载系统300均停止上升，离心机构410继续上升使微流控芯片390与单盘装载系统300脱离接触，离心机构410与光学检测系统100共同夹持微流控芯片390，并控制微流控芯片390进行转动，在其中一个实施例中，温度检测及控制系统200用于在微流控芯片390转动时即离心状态下检测微流控芯片390所处环境温度，及调控环境温度，以实现PCR循环扩增的温度控制。
本申请各实施例中，光学检测系统100、温度检测及控制系统200、单盘装载系统300及运动控制系统400分别作为单独的组件独立设置，如图4至图16所示，易于生产，便于组装，有利于维护，且整体实现了单盘式自动核酸分析，各组件分别说明如下。
在其中一个实施例中，光学检测系统100用于在离心状态下采用荧光检测方式检测微流控芯片390。在其中一个实施例中，如图2所示，光学检测系统100包括荧光检测模块110及通道切换模块120；荧光检测模块110的数量为至少二个，通道切换模块120用于切换选用荧光检测模块110以在转动状态下采用荧光检测方式检测微流控芯片390。各实施例中，荧光检测模块为单通道荧光检测模块，用于实现单通道荧光检测。在其中一个实施例中，通道切换模块120设有切换电机，使光学通道能够自由切换，并方便拆卸，可以随着需要增加或者减少光学通道。在其中一个实施例中，光学检测系统包括若干个单通道的荧光检测模块以及控制通道之间切换的通道切换模块，每个荧光检测模块都集成了光源、发射光路和接收光路、光电检测传感器等部件，能够单独检测某个通道的荧光；通道切换模块通过一个切换电机控制一个转盘即检测支架130，荧光检测模块装在转盘上，切换电机控制转盘转动，确保安装到上面的每个荧光检测通道都可以对转盘下方的目标区域采集到所需要的荧光。
在其中一个实施例中，如图3所示，荧光检测模块110的数量为四个。本实施例中，光学检测系统100还包括检测支架130，荧光检测模块110及通道切换模块120均设置在检测支架130上，通道切换模块120用于切换选用荧光检测模块110以在转动状态下采用荧光检测方式检测微流控芯片390。本实施例中，单盘装载系统300包括芯片托盘310及托盘支架320，温度检测及控制系统200包括热盖230，热盖230位于芯片托盘310上及检测支架130下，芯片托盘310位于托盘支架320上及热盖230下；芯片托盘310用于承载微流控芯片390，托盘支架320用于安装芯片托盘310。
请一并参阅图4及图5，本实施例中，光学检测系统100还包括芯片顶盘140，即光学检测系统100包括荧光检测模块110、通道切换模块120、检测支架130及芯片顶盘140；其余实施例以此类推，不做赘述。芯片顶盘140转动设置在检测支架130上，且用于与上升到预定位置的离心机构410共同夹持微流控芯片390。在其中一个实施例中，芯片顶盘140用于与上升到预定位置的芯片底盘411共同夹持微流控芯片390；进一步地，在其中一个实施例中，芯片顶盘140具有转动轴，转动轴通过弹性体设置在检测支架130上。这样的设计，有利于保护微流控芯片390，一方面避免其受到过大的夹持力，另一方面有利于在高速离心状态下实现稳固地夹持固定微流控芯片390，确保离心操作的准确进行。
在其中一个实施例中，温度检测及控制系统包括温控定位模块及加热模块；温控定位模块对应微流控芯片的扩增腔设置，用于在离心状态下检测微流控芯片所处环境温度；加热模块与温控定位模块对应设置，用于调控环境温度。在其中一个实施例中，如图6所示，温度检测及控制系统200包括温控定位模块210、加热模块220、热盖230、连接杆240及散热结构260；温控定位模块210对应微流控芯片390的扩增腔399设置，用于在离心状态下检测微流控芯片390所处环境温度；加热模块220与温控定位模块210对应设置，用于调控环境温度。热盖230位于单盘装载系统300上，且通过连接杆240连接离心机构410，以配合离心机构410共同由升降机构420控制升降；温控定位模块210设置在热盖230下，请一并参阅图7及图8，热盖230对应微流控芯片390的扩增腔399开设有检测孔233；散热结构260用于在微流控芯片390停止转动时抵接微流控芯片390或其扩增腔399以实现快速散热。在其中一个实施例中，检测孔233可以作为温控定位模块210的一部分。本实施例中，热盖230开设有开口区232；温度检测及控制系统200或其热盖230还设有抵接块231，用于抵接芯片托盘310或其上的微流控芯片390；对于芯片托盘310或托盘支架320固定设置于热盖230下的实施例，芯片托盘310或托盘支架320通过抵接块231固定安装于热盖230下；对于托盘支架320固定设置于离心板架413上的实施例，抵接块231为弹性结构，用于在离心板架413上升到预定位置的状态下抵接芯片托盘310或其上的微流控芯片390且发生一定形变，以保护微流控芯片390。这样的设计，有利于根据不同需求实现灵活的产品方案。
为了便于实现快速降温控制，在其中一个实施例中，如图7及图8所示，温度检测及控制系统200还包括制冷模块250；制冷模块250及散热结构260分别连接加热模块220；或者，加热模块220通过制冷模块250连接散热结构260；或者，散热结构260分别连接制冷模块250及加热模块220；或者，制冷模块250与散热结构260连接在一起。本实施例中，加热模块220、制冷模块250及散热结构260均固定于托盘支架320，加热模块220位于托盘支架320上，制冷模块250部分位于托盘支架320上，部分位于托盘支架320下，散热结构260位于托盘支架320下。在其中一个实施例中，制冷模块为半导体制冷器(Thermo Electric Cooler，TEC)，进一步地，在其中一个实施例中，制冷模块用于在微流控芯片停止转动时抵接微流控芯片或其扩增腔以实现快速散热。在其中一个实施例中，制冷模块用于在微流控芯片停止转动时上升至抵接微流控芯片或其扩增腔以实现快速散热。在其中一个实施例中，温度检测及控制系统包括半导体制冷片模块即制冷模块，内温区模块即加热模块，以及温区定位模块即温控定位模块。半导体制冷片模块是负责对微流控芯片扩增区域进行加热和制冷的，并且半导体制冷片模块是可以升降的，在芯片停止转动的时候，半导体制冷片可以升上去紧贴芯片底部需要加热的区域，确保在芯片的扩增区域能够快速实现PCR的温度循环；内温区加热模块，是利用电阻丝、加热膜、或者陶瓷加热片等方式，对微流控芯片上面其他需要加热的区域，例如相变阀等区域进行加热，使之达到一定的温度，达到对相变阀的控制；定位模块是对芯片的各个区域进行定位，能够准确控制想要的区域的温度，主要是通过光电传感器实现的。这样的设计，提供了利用半导体制冷片及微流控芯片的全自动的PCR实时荧光检测系统产品作为单盘式自动核酸分析装置，有利于在控制PCR循环时，快速升温及快速降温，以提升PCR循环效率，避免由于降温速度过慢而影响PCR循环，从而有利于加快核酸分析，迅速提供分析结果。
为了便于取放微流控芯片，在其中一个实施例中，如图9及图10所示，在其中一个实施例中，单盘装载系统300包括芯片托盘310、托盘支架320、安装柱330及弹性件340；安装柱330设置在芯片托盘310下，托盘支架320滑动设置在安装柱330上，弹性件340设置于芯片托盘310及托盘支架320之间；托盘支架320连接离心机构410，以配合离心机构410共同由升降机构420控制升降；芯片托盘310用于在离心机构410上升到预定位置的状态下抵接温度检测及控制系统200例如其热盖230，弹性件340用于在离心机构410上升到预定位置的状态下发生形变以缩小芯片托盘310与托盘支架320的间距，在离心机构410下降到离开预定位置的状态下形状恢复以复原芯片托盘310与托盘支架320的间距。本实施例中，微流控芯片390的中心位置处设有凹槽397，以对应芯片顶盘140的形状，获得更稳固的夹持效果。为了配合温度检测及控制系统200的加热模块220及散热结构260等，托盘支架320还开设有空槽321以配合放置加热模块220及散热结构260等，以提升空间利用率，缩小产品体积。进一步地，在其中一个实施例中，芯片托盘310包括滑轨及托盘部，托盘部滑动设置在滑轨上，安装柱330设置在滑轨下；弹性件340为弹簧，其套置于安装柱330外。这样的设计，装配完成后，自然状态下，弹性件340顶住托盘支架320；当芯片托盘310抵持不动时，安装柱330亦保持不动，托盘支架320还可以沿安装柱330压缩弹性件340以继续上滑；一方面有利于通过芯片托盘快速方便地取出或放置微流控芯片，另一方面有利于配合芯片底盘顶起微流控芯片脱离芯片托盘以使芯片底盘与芯片顶盘共同夹持微流控芯片而实现离心，再一方面有利于保护芯片托盘及托盘支架，避免在离心机构上升时由于压力过大而导致芯片托盘或托盘支架损坏。
在其中一个实施例中，请一并参阅图11及图12，空槽321的位置对应微流控芯片390的扩增腔399而设置，即微流控芯片390转动时，扩增腔399在空槽321的位置处邻近加热模块220、制冷模块250及散热结构260，以实现PCR循环。空槽321还用于穿过芯片底盘411以使其具有抵接微流控芯片390的抵接部398的状态，即芯片底盘411上升到一定位置时，通过空槽321抵接于微流控芯片390的抵接部398处。本实施例中，安装柱330具有T形结构，用于在安装在芯片托盘310下后，托盘支架320位于安装柱330的较大端部及芯片托盘310之间，受到安装柱330的较大端部约束，不会脱落。在其中一个实施例中，安装柱330的较小端部螺接于芯片托盘310。这样的设计，有利于实现紧凑、可拆装的单盘装载系统，易于单独生产及共同组装，亦便于维护。
运动控制系统还用于控制系统中的各个电机，包括离心的直流无刷电机、及其他用来低速转动、定位的步进电机等，能够精确的控制转动的角度，转动的加速度等。为了实现对于微流控芯片的离心控制，在其中一个实施例中，如图13及图14所示，离心机构410包括芯片底盘411、离心板架413、支撑杆414及离心电机415；支撑杆414固定于升降机构420上，离心板架413固定于支撑杆414上，升降机构420连接支撑杆414，用于通过支撑杆414控制离心板架413的升降；离心电机415安装于离心板架413上或下；芯片底盘411位于离心板架413上且与离心电机415的离心轴412连接，芯片底盘411用于在离心板架413上升到预定位置的状态下使微流控芯片390与单盘装载系统300脱离接触，且与光学检测系统100共同夹持微流控芯片390，并在离心电机415控制下带动微流控芯片390进行转动。本实施例中，离心电机415安装于离心板架413下，离心板架413位于离心电机415及芯片底盘411之间。这样的设计，有利于单独生产离心机构及共同组装成单盘式自动核酸分析装置，亦便于维护离心机构，易于更换。
为了实现对于温度检测及控制系统、单盘装载系统及离心机构的升降控制，从而配合实现对于微流控芯片的离心控制，在其中一个实施例中，如图15及图16所示，升降机构420包括升降步进电机421、升降板422及导柱423，升降板422与导柱423滑动连接，升降步进电机421的输出杆424连接升降板422，升降步进电机421用于带动升降板422沿导柱423滑动。这样的设计，只需将温度检测及控制系统及离心机构分别固定于升降板上，单盘装载系统亦可固定于升降板上，即可实现准确的升降控制，有利于配合单盘装载系统及离心机构实现离心控制，且配合温度检测及控制系统实现温度控制。进一步地，这样的设计还有一个优点，由于温度检测及控制系统及离心机构分别固定于升降板上，因此离心机构的运作不会影响温度检测及控制系统，从而避免了由于离心机构的运作导致对于温度控制PCR循环的干扰。
在其中一个实施例中，如图17所示，通道切换模块120切换荧光检测模块110，使得一个或两个或三个或四个荧光检测模块110分别对准热盖230上的检测孔233，当微流控芯片390的扩增腔转到检测孔233的位置时，则可实现荧光检测，光学检测系统100、温度检测及控制系统200、单盘装载系统300及运动控制系统400分别独立设置，以升降机构420为基础，其余结构均位于其上，因此易于装配。升降机构420的四根导柱423为升降板422提供了稳定的升降限位，有利于准确控制离心机构410的芯片底盘411位置，使其精确地对准微流控芯片390例如其抵接部398。
在其中一个实施例中，温度检测及控制系统200、单盘装载系统300及离心机构410的组合如图18所示，温度检测及控制系统200、单盘装载系统300及离心机构410共同固定于升降板422上，图中一并示出了光学检测系统100的芯片顶盘140以显示其与微流控芯片390的相对位置，当离心机构410的离心轴412带动芯片底盘411上升到与芯片顶盘140共同夹持微流控芯片390的位置时，以该位置作为预定位置。请一并参阅图19及图20，为了增强散热作用，提升PCR循环的降温效率，散热结构260通常需要设计得比较大。本实施例中，抵接块231为弹性结构例如弹性块，抵接且保护微流控芯片390。请一并参阅图21及图22，可见散热结构260与离心机构410错开设计，进一步地，在其中一个实施例中，离心电机于其离心轴上靠近散热结构的位置处还可拆卸地设有风叶，用于在离心状态下可选地为散热结构提升对流散热效果，尤其适合应用于紧凑型的单盘式自动核酸分析装置产品，在狭小空间提升散热性能，从而提升PCR循环的降温效率。
进一步地，在其中一个实施例中，托盘支架320固定设置于热盖230下，此时托盘支架320带动芯片托盘310随热盖230共同升降；在其中一个实施例中，离心机构410在上升到预定位置的状态下，热盖230抵接光学检测系统100停止上升，芯片托盘310及托盘支架320亦停止上升，芯片底盘411将微流控芯片390从芯片托盘310中顶起且抵接芯片顶盘140，芯片底盘411与芯片顶盘140共同夹持微流控芯片390，然后离心电机415通过离心轴412带动芯片底盘411转动，对微流控芯片390进行离心操作，此时芯片顶盘140跟随转动。或者，在其中一个实施例中，托盘支架320固定设置于离心板架413上，此时托盘支架320带动芯片托盘310随离心板架413共同升降；在其中一个实施例中，离心机构410在上升到预定位置的状态下，热盖230抵接光学检测系统100停止上升，芯片托盘310及托盘支架320继续上升，直至芯片托盘310抵接热盖230，此时芯片托盘310及托盘支架320停止上升，芯片底盘411将微流控芯片390从芯片托盘310中顶起且抵接芯片顶盘140，芯片底盘411与芯片顶盘140共同夹持微流控芯片390，然后离心电机415通过离心轴412带动芯片底盘411转动，对微流控芯片390进行离心操作，此时芯片顶盘140跟随转动。其余实施例以此类推，不做赘述。
为了保护光学检测系统、温度检测及控制系统、单盘装载系统及运动控制系统，同时也为了便于携带使用，在其中一个实施例中，如图23所示，单盘式自动核酸分析装置还包括壳体500，光学检测系统100及升降机构420固定设置于壳体500内，单盘装载系统300、温度检测及控制系统200及离心机构410位于壳体500内，请一并参阅图24及图25，且壳体500设有对应单盘装载系统300的开口，用于放置微流控芯片390于单盘装载系统300上。进一步地，在其中一个实施例中，升降步进电机421及导柱423固定于壳体500上。在其中一个实施例中，通道切换模块120固定于壳体500上。在其中一个实施例中，托盘支架320固定于壳体500上。在其中一个实施例中，壳体500的底部支撑升降步进电机421及导柱423，以便控制升降板422上的离心机构410升降，使离心机构410与微流控芯片390配合固定或者相互分离；通道切换模块120固定于壳体500的顶部，以驱动检测支架130从而控制切换荧光检测模块110。这样的设计，有利于形成一个整体的单盘式自动核酸分析装置产品，且易于取放微流控芯片，便于携带，便于连接使用。
在其中一个实施例中，如图26所示，单盘式自动核酸分析装置包括光学检测系统、温度检测及控制系统、单盘装载系统及运动控制系统；光学检测系统包括荧光检测模块及通道切换模块；温度检测及控制系统包括温控定位模块、加热模块及制冷模块；单盘装载系统包括微流控芯片装载模块、芯片升降模块及芯片定位模块；运动控制系统包括离心机构及升降机构。其中，单盘装载系统主要功能是装载微流控芯片，让芯片能够很好的固定，满足水平度和平整度的要求，同时也能让芯片高速转动，满足离心的要求；芯片升降模块主要是在芯片插入的时候能够自动推出，自动收进去，并且收进去后能够升降使芯片跟离心的电机固定，芯片定位模块能够精确定位芯片的每个区域，确保对芯片的加热等操作能够精准进行。本实施例中，微流控芯片装载模块包括芯片托盘，芯片升降模块包括安装柱及弹性件，芯片定位模块包括托盘支架。在其中一个实施例中，单盘式自动核酸分析装置的使用如图27所示，对于微流控芯片，先进行芯片加样，然后装载芯片，即将其装载到单盘装载系统的芯片托盘上，然后在离心状态下进行裂解、清洗、洗脱、扩增及荧光检测等，然后启动检测，出报告，即可完成自动的核酸分析。
为了便于进行控制及显示信息，在其中一个实施例中，单盘式自动核酸分析装置还包括信息交互系统，信息交互系统分别连接光学检测系统、温度检测及控制系统、离心机构及升降机构，用于控制光学检测系统、温度检测及控制系统、离心机构及升降机构且进行信息交互。在其中一个实施例中，如图28所示，单盘式自动核酸分析装置包括光学检测系统、温度检测及控制系统、单盘装载系统、运动控制系统及信息交互系统；光学检测系统包括单通道荧光检测模块及通道切换模块；温度检测及控制系统包括温控定位模块、内温区加热模块及半导体制冷片模块；单盘装载系统包括微流控芯片装载模块、芯片升降模块及芯片定位模块；运动控制系统包括离心机构的直流无刷电机及升降机构的步进电机；信息交互系统包括液晶触摸屏、无线通讯模块及有线通讯模块。在其中一个实施例中，信息交互系统中的液晶触摸屏用来操控机器，设置参数，监控整个检测过程；无线通讯系统即无线通讯模块，例如采用WiFi及/或蓝牙等技术，用来跟手机通讯，使客户能在手机端直观看到检测结果，监测检测过程；有限通讯模块，例如网口等，主要用来进行数据传输，或者是系统级联，扩展检测通量，满足不同场合的需求。
为了便于实现分析结果输出，在其中一个实施例中，单盘式自动核酸分析装置还包括打印机，打印机与信息交互系统连接。这样的设计，有利于形成一个现场快速出具分析报告的医疗器械。例如，在使用时，先把样本加样到单盘芯片中，再把芯片放置到机器内部，然后启动检测，整个过程不需要人为参与，检测完成后直接出检测结果例如输出到打印机或者通过信息交互系统予以显示或对外发送。主要的检测过程都是在设备内部控制设备和微流控芯片一起完成的，通过设备的电机控制芯片转速以及设备内部的加热等装置，能够在微流控单盘芯片上实现样本的裂解，清洗，洗脱，PCR扩增直到荧光检测等功能。
为了便于进行控制，在其中一个实施例中，单盘式自动核酸分析装置还包括控制终端，控制终端与信息交互系统连接。在其中一个实施例中，控制终端为PC或智能手机等。例如，单盘式自动核酸分析装置可以跟PC机连接，在PC端专用软件上面进行过程控制，数据处理，和数据分析；PC端还可以进行系统级联，若干台装置可以通过有线网口级联，扩展通量，统一控制；也可以直接连打印机，打印检测报告。
需要说明的是，本申请的其它实施例还包括，上述各实施例中的技术特征相互组合所形成的、能够实施的单盘式自动核酸分析装置，能够作为一种低成本、快速、操作简单的、单样本多指标的、全自动的分子诊断设备，其结构紧凑，易于制造，稳定可靠，且能够实现单盘的全自动核酸分子检测，并且速度快，指标多，不需要专门的PCR实验室，也不需要专业的人员操作，可以使基层的门诊、社康医院都有核酸检测能力，本发明也可以实现仪器跟仪器之间的级联，扩展通量，满足检测量的要求。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的专利保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种单盘式自动核酸分析装置，其特征在于，包括：
光学检测系统；
单盘装载系统，用于承载微流控芯片；
运动控制系统，包括离心机构及升降机构，所述升降机构连接所述离心机构，用于控制所述离心机构的升降；所述离心机构用于在上升到预定位置的状态下使所述微流控芯片与所述单盘装载系统脱离接触，且与所述光学检测系统共同夹持所述微流控芯片，并控制所述微流控芯片进行转动，所述光学检测系统用于在转动状态下采用荧光检测方式检测所述微流控芯片；以及，
温度检测及控制系统，用于在离心状态下检测所述微流控芯片所处环境温度，及调控所述环境温度。
2.根据权利要求1所述单盘式自动核酸分析装置，其特征在于，所述离心机构包括芯片底盘、离心板架、支撑杆及离心电机；
所述支撑杆固定于所述升降机构上，所述离心板架固定于所述支撑杆上，所述升降机构连接所述支撑杆，用于通过所述支撑杆控制所述离心板架的升降；
所述离心电机安装于所述离心板架上或下；
所述芯片底盘位于所述离心板架上且与所述离心电机的离心轴连接，所述芯片底盘用于在所述离心板架上升到预定位置的状态下使所述微流控芯片与所述单盘装载系统脱离接触，且与所述光学检测系统共同夹持所述微流控芯片，并在所述离心电机控制下带动所述微流控芯片进行转动。
3.根据权利要求1所述单盘式自动核酸分析装置，其特征在于，所述光学检测系统包括荧光检测模块、通道切换模块、检测支架及芯片顶盘；
所述荧光检测模块及所述通道切换模块均设置在所述检测支架上，所述通道切换模块用于切换选用所述荧光检测模块以在转动状态下采用荧光检测方式检测所述微流控芯片；
所述芯片顶盘转动设置在所述检测支架上，且用于与上升到预定位置的所述离心机构共同夹持所述微流控芯片。
4.根据权利要求1所述单盘式自动核酸分析装置，其特征在于，所述温度检测及控制系统包括温控定位模块及加热模块；
所述温控定位模块对应所述微流控芯片的扩增腔设置，用于在离心状态下检测所述微流控芯片所处环境温度；
所述加热模块与所述温控定位模块对应设置，用于调控所述环境温度。
5.根据权利要求4所述单盘式自动核酸分析装置，其特征在于，所述温度检测及控制系统还包括热盖、连接杆、制冷模块及散热结构；
所述热盖位于所述单盘装载系统上，且通过所述连接杆连接所述离心机构，以配合所述离心机构共同由所述升降机构控制升降；
所述温控定位模块设置在所述热盖下，所述热盖对应所述微流控芯片的扩增腔开设有检测孔；
所述制冷模块连接所述散热结构。
6.根据权利要求1所述单盘式自动核酸分析装置，其特征在于，所述单盘装载系统包括芯片托盘、托盘支架、安装柱及弹性件；
所述安装柱设置在所述芯片托盘下，所述托盘支架滑动设置在所述安装柱上，所述弹性件设置于所述芯片托盘及所述托盘支架之间；
所述托盘支架连接所述离心机构，以配合所述离心机构共同由所述升降机构控制升降；
所述芯片托盘用于在所述离心机构上升到预定位置的状态下抵接所述温度检测及控制系统，所述弹性件用于在所述离心机构上升到预定位置的状态下发生形变以缩小所述芯片托盘与所述托盘支架的间距。
7.根据权利要求1所述单盘式自动核酸分析装置，其特征在于，还包括壳体，所述光学检测系统及所述升降机构固定设置于所述壳体内，所述单盘装载系统、所述温度检测及控制系统及所述离心机构位于所述壳体内，且所述壳体设有对应所述单盘装载系统的开口，用于放置所述微流控芯片于所述单盘装载系统上。
8.根据权利要求1至7中任一项所述单盘式自动核酸分析装置，其特征在于，还包括信息交互系统，所述信息交互系统分别连接所述光学检测系统、所述温度检测及控制系统、所述离心机构及所述升降机构，用于控制所述光学检测系统、所述温度检测及控制系统、所述离心机构及所述升降机构且进行信息交互。
9.根据权利要求8所述单盘式自动核酸分析装置，其特征在于，还包括打印机，所述打印机与所述信息交互系统连接。
10.根据权利要求8所述单盘式自动核酸分析装置，其特征在于，还包括控制终端，所述控制终端与所述信息交互系统连接。
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