CN113155748A - 一种用于病毒检测的检测装置及传感探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于病毒检测的检测装置及传感探头，检测装置包括传感探头和便携式控制系统；传感探头包括：微流控通道、过滤装置、固定装置和光纤传感器；微流控通道，实现待测鼻粘液在虹吸作用下自驱动流入植有光纤传感器的光纤传感器通道内；过滤装置设置于微流控通道内；固定装置，为超轻质多孔结构，包覆微流控通道；光纤传感器的光纤包层对应倾斜光纤光栅的位置的表面镀有第一金膜，第一金膜的表面设置有修饰的与病毒抗原对应的抗体，光纤传感器一端的端面镀有第二金膜；便携式控制系统，与光纤传感器的另一端连接，便携式控制系统根据接收的光束的光谱进行数据分析，判断待测鼻黏液中是否含有病毒抗原。本发明检测时间缩小，提高检测效率。

Description

一种用于病毒检测的检测装置及传感探头

技术领域

本发明涉及生物医药技术领域，尤其涉及一种用于病毒检测的检测装置及传感探头。

背景技术

目前，新型冠状病毒的检测方法是采集鼻拭子、痰液或者唾液，通过逆转录聚合酶链反应(RT-PCR)技术来进行病毒核酸识别，该方法灵敏度高，特异性好。但这种方法是比较耗时，单纯的检测过程就需要2-3个小时，并且需要在生物安全3级实验室中进行。因此如何快速、准确的进行新型冠状病毒检测是应对该病毒的重要问题。

发明内容

本发明提供一种用于病毒检测的检测装置及传感探头，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

第一方面，本发明实施例提供了一种用于病毒检测的检测装置，包括传感探头和便携式控制系统；

传感探头包括：微流控通道、过滤装置、固定装置和光纤传感器；

所述固定装置为超轻质多孔结构，包覆微流控通道和过滤装置；

微流控通道，实现鼻粘液在虹吸作用下自驱动流入植有光纤传感器的光纤传感器通道内；

过滤装置设置于微流控通道内，采用聚合物微柱阵列来实现对鼻腔粘液中干扰颗粒的过滤，以及使得所检测的病毒抗原通过，到达光纤传感器表面。

光纤传感器包括光纤纤芯、包裹所述光纤纤芯的光纤包层，光纤纤芯中设有倾斜光纤光栅，所述光纤包层对应倾斜光纤光栅的位置的表面镀有第一金膜，所述第一金膜的表面设置有修饰的与病毒抗原对应的抗体，光纤传感器一端的端面镀有第二金膜。

便携式控制系统，通过光纤跳线与光纤传感器的另一端连接，便携式控制系统发出的光在光纤传感器中传输，到达具有第二金膜的端面并发生反射，便携式控制系统根据接收的光信号的光谱进行数据分析，判断待测鼻黏液中是否含有病毒抗原，其中抗原和抗体发生免疫反应影响光纤表面折射率，进而影响所述接收的光信号的光谱。

进一步，所述过滤装置的截止尺寸为150nm，将大于150nm的干扰颗粒进行过滤。

进一步，倾斜光纤光栅的长度为1cm至2cm，所述倾斜光纤光栅的倾斜角度为8度至18度。

进一步，便携式控制系统包括光纤P偏振光谱识别模块和分析模块，光纤P偏振光谱识别模块用于识别包层模式是否在P偏振态，分析模块用于向光纤传感器传输光，当包层模式在P偏振态时，激发光纤表面等离子共振，分析模块接收由光纤传感器第二金膜反射的光信号，根据接收的光信号获取光谱特征，并采用基于机器学习的分析模型对所述光谱特征进行分析，输出鉴别结果，所述鉴别结果包括待测鼻黏液中含有病毒抗原或待测鼻黏液中不含有病毒抗原。

进一步，所述基于机器学习的分析模型为线性判别分析、分级聚类分析法、随机森林、K近邻算法、K均值聚类法、支持向量机(SVM)、叶贝斯算法、人工神经网络、决策树中的一种。

进一步，第一金膜的厚度的取值范围为40-60nm，第二金膜的厚度大于500nm。

进一步，所述微流控通道包括多个微流控管，每个微流控管为具有渐缩部分的渐缩管道，每个微流控管具有第一开口和第二开口，第一开口的口径比第二开口的口径大，待测鼻黏液在虹吸作用下从所述第一开口流入微流控管，经过过滤装置后，从第二开口流出到达植有光纤传感器的通道内。

第二方面，本发明实施例还提供了一种用于病毒检测的传感探头，包括：

传感探头包括：微流控通道、过滤装置、固定装置和光纤传感器；

所述固定装置为超轻质多孔结构，包覆微流控通道；

微流控通道，实现待测鼻粘液在虹吸作用下自驱动流入植有光纤传感器的光纤传感器通道内；

过滤装置设置于微流控通道内，采用聚合物微柱阵列来实现对鼻腔粘液中干扰颗粒的过滤，以及使得所检测的病毒抗原通过，到达光纤传感器表面；

光纤传感器包括光纤纤芯、包裹所述光纤纤芯的光纤包层，光纤纤芯中设有倾斜光纤光栅，所述光纤包层对应倾斜光纤光栅的位置的表面镀有第一金膜，所述第一金膜的表面设置有修饰的与病毒抗原对应的抗体，光纤传感器一端的端面镀有第二金膜。

本发明实施例的一种用于病毒检测的检测装置及传感探头，至少具有以下有益效果：传感探头包括：微流控通道、过滤装置、固定装置和光纤传感器，微流控通道通过虹吸作用获取待测鼻黏液，过滤装置对待测鼻粘液中大颗粒干扰物质的过滤，避免对光纤传感器造成干扰，固定装置包覆微流控通道和过滤装置，用于提高探头装置对吸附鼻腔粘液能力和鼻腔舒适度，光纤传感器设有倾斜光纤光栅，光纤包层对应倾斜光纤光栅的位置的表面镀有第一金膜，所述第一金膜的表面设置有修饰的与病毒抗原对应的抗体，病毒抗原对应的抗体能够与待测鼻黏液中的病毒抗原发生免疫反应，从而影响便携式控制系统接收到的光束的光谱，对便携式控制系统接收到的光束的光谱特征进行分析即可判断是否含有病毒抗原。无需使用荧光标记，减少检测误差，并且检测时间极大缩小，提高检测效率。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1是本发明实施例提供的一种用于病毒检测的检测装置的应用场景图；

图2是本发明实施例提供的一种传感探头的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种光纤传感器的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种TFBG-SPR反射光谱的波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于系统中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

图1是本发明实施例提供的一种用于病毒检测的检测装置的应用场景图。将传感探头100伸入鼻咽处进行检测，适用于能够通过鼻咽进行病毒检测的情形，例如，用于新型冠状病毒抗原或流感病毒抗原的检测，传感探头100通过光纤跳线300与便携式控制系统200连接。

图2是本发明实施例提供的一种传感探头的结构示意图。如图2所示，传感探头100包括：微流控通道110、过滤装置(图2未示出)、固定装置130和光纤传感器120；

固定装置130，用于固定传感探头100，所述固定装置130为超轻质多孔结构，包括多个孔，用于吸附待测鼻黏液400并包覆微流控通道110；

过滤装置设置于微流控通道110内，用于对待测鼻黏液400中的干扰颗粒进行过滤，以及使得所检测的病毒抗原通过。待检测的鼻粘液400通过微流通道和过滤装置后，到达植有光纤传感器的通道内(图2中未示出该通道)。过滤装置为聚合物微柱阵列，对鼻腔粘液中大颗粒干扰物质的过滤，其功能是一方面实现对大颗粒物的过滤，避免对光纤传感器120造成干扰，另一方面要保证所检测的病毒抗原可以顺畅通过，到达光纤传感器表面。

进一步，过滤装置的截止尺寸为150nm，将大于150nm的干扰颗粒进行过滤。

在一实施例中，传感探头100包括包覆外壳即固定装置130，包覆外壳在挤压载荷的作用下延伸率超过25％，包覆外壳插入鼻咽时，其与鼻腔的接触面积达95％以上。固定装置130为超轻质多孔结构，能够提高固定装置对吸附鼻腔粘液能力和鼻腔舒适度。

在一实施例中，引入超分子模板和功能性小分子合成具有剪切变稀和快速自愈性能的水凝胶，利用3D打印方法实现传感探头即包覆微流控系统的制备，常温固化成型。

在一实施例中，微流控通道，包括多个微流控管110，每个微流控管110具有第一开口和第二开口，待测鼻黏液400在虹吸作用下从所述多个孔进入第一开口，通过第一开口流入微流控管110，并从第二开口流出到达植有光纤传感器120的通道内；

在一实施例中，每个微流控管110为具有渐缩部分的渐缩管道111，第一开口的口径比第二开口的口径大。

在一实施例中，过滤装置设置于所述渐缩部分111，用于对待测鼻黏液400中的干扰颗粒进行过滤。

需要注意的是，微流控通道的结构并不限于图2所示的结构，只要结构的设计能够实现鼻粘液在虹吸作用下自驱动流入植有光纤传感器的光纤传感器通道内即可。

如图3所示，光纤传感器120包括光纤纤芯121、包裹所述光纤纤芯的光纤包层122，光纤纤芯中设有倾斜光纤光栅123，所述光纤包层122对应倾斜光纤光栅123的位置的表面镀有第一金膜124，所述第一金膜124的表面设置有修饰的与病毒抗原对应的抗体125，该抗体125用于与待测鼻黏液400中的病毒抗原发生免疫反应，光纤传感器120一端的端面镀有第二金膜126。第二金膜的作用是用于形成端面反射的镜子。

进一步，其中第一金膜124的表面设置的修饰的与病毒抗原对应的抗体125为通过化学方法修饰，通过抗体的氨基与第一金膜124表面的羧基发生缩合反应，将病毒抗原对应的抗体修饰在第一金膜124的表面。可以根据实际检测需要设置抗体，例如新型冠状病毒对应的抗体。

进一步，倾斜光纤光栅123的长度为1cm至2cm，所述倾斜光纤光栅的倾斜角度为8度至18度。

进一步，第一金膜的厚度的取值范围为40-60nm，第二金膜的厚度大于500nm。

进一步，过滤装置设置于微流控通道内，采用聚合物微柱阵列来实现对鼻腔粘液中大颗粒干扰物的过滤，其功能是一方面实现对大颗粒的过滤，避免对光纤传感器120造成干扰，另一方面保证所检测的病毒等病原体可以顺畅通过，达到光纤传感器120所在区域，使得待测鼻腔粘液从微流控通道110到达植有光纤传感器120的微流控通道内时，能够快速到达第一金膜124的表面，与病毒抗体125发生反应。

本发明还提供了一种病毒检测的检测装置，如图3所示，包括图2中的传感探头100，还包括便携式控制系统200。

在一实施例中，便携式控制系统200，通过光纤跳线300与光纤传感器120的另一端连接，便携式控制系统200发出的光在光纤传感器120中传输，到达具有第二金膜126的端面并发生反射，便携式控制系统200根据接收的反射光的光谱进行数据分析。

包层模式可以分为P偏振态和S偏振态，S偏振态激发电场方向平行于光纤圆柱面的包层模，P偏振态激发电场方向垂直于光纤圆柱表面的包层模，因此只有P偏振态才能实现高效地光纤表面SPR(Surface Plasmon Resonance：表面等离子体共振)激发。当P偏振态包层模和等离子体波矢相位匹配时，两者能量相互耦合，使包层模透射谱相应波段能量衰减，形成表面等离子体共振(SPR)。基于TFBG(倾斜光纤光栅)的SPR特征(P偏振态包层模式振幅被强烈吸收)中心波长的光纤传感器120最高可以获得500nm/RIU(折射率单位)左右的折射率灵敏度，实现较大范围的周围折射率(SRI)检测。但由于SPR signature(特征)较宽，品质因数(Q值)较小，很难获得较高的解调精度。对于微小折射率变化的检测主要是通过跟踪梳状透射谱SPR特征(SPR signature)附近的包层模式下的波长或振幅的变化来实现，因为这些包层模式结合了较高灵敏度和较窄光谱宽度。图4展示了TFBG-SPR反射光谱，横坐标为波长，纵坐标为强度。如图4所示，包括P偏振模式下的光谱和S偏振模式下的光谱，在P偏振模式下的光谱中，在波长λ0-λ3所在范围内TFBG-SPR的模式为包层模，在波长λ1-λ2所在范围内TFBG-SPR的模式为灵敏的包层模，对外界折射率变化非常敏感；在波长λ3-λ4所在范围内TFBG-SPR的模式为纤芯模，波长λ2附近所对应的光谱上的实线的走势为SPR特征。

先将抗体125键合在光纤传感器120表面，当待测鼻黏液400含有病毒抗原时，待测鼻黏液中的病毒抗原就会与病毒所对应的抗体125发生反应。生物分子间的结合引起光纤传感器120表面质量的增加，导致折射指数按同样的比例增强，使得所述光纤传感器120的表面折射率发生变化，从而影响便携式控制系统200接收到的光束的光谱，生物分子间反应的变化即被观察到，因此，以便携式控制系统200接收到的光束的光谱作为依据即可判断从待测体是否含有病毒抗原。

在一实施例中，所述金膜124的表面设置有修饰的新型冠状病毒所对应的抗体，当待测鼻黏液400含有新冠病毒抗原，抗体与抗原发生免疫反应，使得所述光纤传感器120的表面折射率发生变化，从而影响便携式控制系统200接收到的光束的光谱。

本实施例相对于现有技术而言，操作简单，不需要任何标记物，而且不会对人体造成任何影响。

便携式控制系统200包括光纤P偏振光谱识别模块和分析模块，光纤P偏振光谱识别模块用于识别包层模式是否在P偏振态，分析模块用于向光纤传感器传输光，当包层模式在P偏振态时，激发光纤表面等离子共振，机器学习的分析模型根据接收的光信号获取光谱特征进行分析，输出鉴别结果，所述鉴别结果包括待测鼻黏液中含有病毒抗原或待测鼻黏液中不含有病毒抗原。

其中，光纤P偏振光谱识别模块通过设置光谱采集速率和光束偏振方向的调节速率来提高光谱偏振态的识别效率。

分析模块包括光源、光谱仪、数据处理模块和存储模块，光源用于向光纤传感器120输出光束，光从光源传输到光纤传感器120的方向为正向，光从光纤传感器120传输到分析模块的方向为反向，光谱仪用于接收光纤传感器反向传输的光束，存储模块用于存储训练好的机器学习模型，通过训练集训练机器学习模型，将训练好的机器学习模型存储于分析模块，机器学习模型为线性判别分析(LDA)、分级聚类分析法(HC)、随机森林、K近邻算法(KNN)、K均值聚类法(K-mean)、支持向量机(SVM)、叶贝斯算法、人工神经网络(ANN)、决策树中的一种。数据处理模块，用于获取反向传输的光束的光谱特征，并调用机器学习模型对光谱特征进行处理分析，从而判断待测鼻黏液中是否含有病毒抗原。

本发明实施例的一种用于病毒检测的检测装置及传感探头，至少具有以下有益效果：传感探头包括：微流控通道、过滤装置、固定装置和光纤传感器，微流控通道通过虹吸作用获取待测鼻黏液，过滤装置对待测鼻粘液中大颗粒干扰物质的过滤，避免对光纤传感器造成干扰，固定装置包覆微流控通道，用于提高探头装置对吸附鼻腔粘液能力和鼻腔舒适度，光纤传感器设有倾斜光纤光栅，光纤包层对应倾斜光纤光栅的位置的表面镀有第一金膜，所述第一金膜的表面设置有修饰的与病毒抗原所对应的抗体，病毒抗原所对应的抗体能够与待测鼻黏液中的病毒抗原发生反应，从而影响便携式控制系统接收到的光束的光谱，便携式控制系统接收到的光束的光谱特征进行分析即可判断是否含有病毒抗原。无需使用荧光标记，减少检测误差，并且检测时间极大缩小，提高检测效率。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种用于病毒检测的检测装置，其特征在于，包括传感探头和便携式控制系统；

传感探头包括：微流控通道、过滤装置、固定装置和光纤传感器；

所述固定装置为超轻质多孔结构，包覆微流控通道；

微流控通道，实现待测鼻粘液在虹吸作用下自驱动流入植有光纤传感器的光纤传感器通道内；

过滤装置设置于微流控通道内，采用聚合物微柱阵列来实现对待测鼻腔粘液中干扰颗粒的过滤，以及使得所检测的病毒抗原通过，到达光纤传感器表面；

光纤传感器包括光纤纤芯、包裹所述光纤纤芯的光纤包层，光纤纤芯中设有倾斜光纤光栅，所述光纤包层对应倾斜光纤光栅的位置的表面镀有第一金膜，所述第一金膜的表面设置有修饰的与病毒抗原对应的抗体，光纤传感器一端的端面镀有第二金膜；

便携式控制系统，通过光纤跳线与光纤传感器的另一端连接，便携式控制系统发出的光在光纤传感器中传输，到达具有第二金膜的端面并发生反射，便携式控制系统根据接收的光信号的光谱进行数据分析，判断待测鼻黏液中是否含有病毒抗原，其中抗原和抗体发生免疫反应影响光纤表面折射率，进而影响所述接收的光信号的光谱。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述过滤装置的截止尺寸为150nm，将大于150nm的干扰颗粒进行过滤。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，倾斜光纤光栅的长度为1cm至2cm，所述倾斜光纤光栅的倾斜角度为8度至18度。

4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，便携式控制系统包括光纤P偏振光谱识别模块和分析模块，光纤P偏振光谱识别模块用于识别包层模式是否在P偏振态，分析模块用于向光纤传感器传输光，当包层模式在P偏振态时，激发光纤表面等离子共振，分析模块接收由光纤传感器第二金膜反射的光信号，根据接收的光信号获取光谱特征，并采用基于机器学习的分析模型对所述光谱特征进行分析，输出鉴别结果，所述鉴别结果包括待测鼻黏液中含有病毒抗原或待测鼻黏液中不含有病毒抗原。

5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述基于机器学习的分析模型为线性判别分析、分级聚类分析法、随机森林、K近邻算法、K均值聚类法、支持向量机(SVM)、叶贝斯算法、人工神经网络、决策树中的一种。

6.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，第一金膜的厚度的取值范围为40-60nm，第二金膜的厚度大于500nm。

7.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述微流控通道包括多个微流控管，每个微流控管为具有渐缩部分的渐缩管道，每个微流控管具有第一开口和第二开口，第一开口的口径比第二开口的口径大，待测鼻黏液在虹吸作用下从所述第一开口流入微流控管，经过过滤装置后，从第二开口流出到达植有光纤传感器的通道内。

8.一种用于病毒检测的传感探头，其特征在于，包括：

传感探头包括：微流控通道、过滤装置、固定装置和光纤传感器；

所述固定装置为超轻质多孔结构，包覆微流控通道；

微流控通道，实现待测鼻粘液在虹吸作用下自驱动流入植有光纤传感器的光纤传感器通道内；

过滤装置设置于微流控通道内，采用聚合物微柱阵列来实现对待测鼻腔粘液中干扰颗粒的过滤，以及使得所检测的病毒抗原通过，到达光纤传感器表面；

光纤传感器包括光纤纤芯、包裹所述光纤纤芯的光纤包层，光纤纤芯中设有倾斜光纤光栅，所述光纤包层对应倾斜光纤光栅的位置的表面镀有第一金膜，所述第一金膜的表面设置有修饰的与病毒抗原对应的抗体，光纤传感器一端的端面镀有第二金膜。

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