CN113308357A - 一种智能的防污染pcr管荧光检测系统 - Google Patents

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黄昆仑
张文强
粟元
李舒婷
邓学
潘景文
杜再慧
陈可仁
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Abstract

本发明提出了一种智能的防污染PCR管荧光检测系统，利用分子生物学技术和智能传感技术实现微米精准化、小型化、便携化。在螺纹密封式的防污染PCR管的管盖顶部是凹形和薄面的设计，其保证PCR管内的反应液的高度精准和荧光检测系统光路的精准；进一步，利用图像传感器通过位置信息和页面高度信息对精密步进电机进行微米级精准调控，保证发射光线打在PCR管内中心，并配合报警系统监测进一步监测液面高度，保证检测结果的准确，本发明利用激光对待测物质进行照射，通过荧光光强反映待测物含量，解决了当前荧光检测光路不精准、无法实现现场简单检测的问题。

Description

一种智能的防污染PCR管荧光检测系统
技术领域
本发明属于分子生物学领域，具体为一种通过激光照射读取PCR管荧光信号的便携式设备。
背景技术
荧光检测主要是通过在体系中加入荧光染料或荧光基团，这些荧光物质有其特定的波长，利用荧光分光光度计或酶标仪等大型仪器对其进行检测。就目前荧光检测而言，大多数检测仪器光路手段复杂、仪器过于笨重，限于利用比色皿检测，另外，检测仪器存在稳定性差、灵敏度差、分析样品时间长等问题，且需要专业人员操作，无法实现现场检测，而一些分子生物学检测往往需要进行快速、高效、通用的检测，急需一种对荧光信号有精准、快速、便携响应的智能的PCR管荧光设备。
发明内容
基于此，本发明采用了如下技术方案：
一种智能的防污染PCR管荧光检测系统，由遮光罩（1）、底板（2）、集成电路板（3）、光电倍增管模块（4）、PMT转接块（5）、单通道光学集成座（6）、二向色镜盖（7）、二向色镜（8）、接受光路模块（9）、发射光路模块（10）、激光光源固定座（11）、防污染螺纹密封式PCR管（12）、管盖螺纹（1202）、管盖中部凹形（1201）、PCR管底座（13）、激光发射器（14）、步进电机（15）、图像传感器（16）、轮盘（17）组成。
其中接受光路模块（9）由聚焦镜（901）、滤色镜（902）、隔圈（903）、接受光路光阑（904）、压圈（905）、O形圈（906）组成；
其中发射光路模块（10）由激发滤色镜（1001）、激发隔圈（1002）、激发聚焦镜（1003）、激发压圈（1004）、激发O形圈（1005）组成；
其中单通道光学集成座（6）、二向色镜盖（7）、PCR管底座（13）采用3D打印的方式制造，模块化快捷组装。
其中，底板（2）上安装一遮光罩（1）将其它部件包含在内，保证内部检测时激光光路不受外部光源干扰 。
优选遮光罩（1）尺寸为350 mm×300 mm×350 mm。
进一步地，PCR管底座（13）通过螺栓与底板（2）连接，二向色镜盖（7）再与PCR管底座（13）连接在一起，两片二向色镜（8）安装固定在二向色镜盖（7）内。
进一步地，单通道光学集成座（6）与二向色镜盖（7）通过螺钉连接；单通道光学集成座（6）在竖直方向上固定安装接受光路模块（9），保证接受光路在竖直方向上；单通道光学集成座（6）在水平方向上固定发射光路模块（10），保证激光发射光路在水平方向上。
进一步地，单通道光学集成座（6）与PMT转接块（5）通过螺栓连接，光电倍增管模块（4）与 PMT转接块（5）固定连接，光电倍增管模块（4）与集成电路板（3）通过信号线连接。
进一步地，以单通道光学集成座（6）为核心，将二向色镜盖（7）、二向色镜（8）、接受光路模块（9）、发射光路模块（10）、激光光源固定座（11）、激光发射器（14）连接集成在一起；
其中激光发射器（14）发射的光线通过水平方向的发射光路模块（10），进入二向色镜盖（7）内，经过二向色镜盖（7）内的二向色镜（8）改变为竖直方向的光路，并照射在含有待测物的防污染螺纹密封式PCR管（12）中；
其中光线照在防污染螺纹密封式PCR管中的待测物上，反射到接受光路模块（9）中，光路被变为竖直方向，并照在PMT转接块（5）和光电倍增管模块（4）上。
优选的，二向色镜（8）的尺寸为12 mm×15 mm×1 mm。
优选的，激光发射器与发射模块发射出波长450 nm至480 nm的蓝色激光。
优选的，滤色镜（902）与激发滤色镜（1001）的尺寸均为D12 mm×5 mm，透光率约为90 %。
优选的光学模块器件装配后的体积不超过80 mm×50 mm×50 mm。
另一方面，精密步进电机（15）推动PCR管底座（13）进行移动，将防污染螺纹密封式PCR管（12）中心对准检测光路中心；
其中精密步进电机（15）推动PCR管底座（13）是根据图像传感器（16）对防污染螺纹密封式PCR管（12）的位置和管内液面高度信息所决定，位置信息和液面高度信息通过信号线反馈电脑，进而完成对精密步进电机（15）的伺服控制，实现精准定位，保证发射光线打在PCR管内；
其中液面高度若未达到检测所需高度，电脑内的软件将会报警提示，并弹出PCR管底座（13），以便对防污染螺纹密封式PCR管（12）进行调整。
进一步地，防污染螺纹密封式PCR管（12），其中防污染螺纹密封式PCR管对普通PCR管进行了两处改进，一是PCR管口和PCR管盖有相互配合的螺纹（1202），拧紧达到密封防污染的目的；二是PCR管盖中部为凹形（1201）设计，可以增大光线的通过率，使检测结果更为准确。
进一步地，光电倍增管模块（4）将接受的光信号转变为电信号，进行适当的滤波、放大，并将处理后的信号通过信号线传输到集成电路板（3）和电脑中，通过得到反射光强度大小判断防污染螺纹密封式PCR管（12）待测物含量的多少。
优选的电脑软件是SSCOM软件。
另一方面，检测系统设计了转动模式，轮盘（12）表面圆周等距分布6个直径12mm通孔，每个通孔内镶嵌一个不同滤色效果的激发滤色镜（1001）；轮盘（12）与发射光路模块（10）的光路中线偏心安装，只有一个激发滤色镜（1001）中心会与发射光路模块（10）的光路中线重合；
其中激光光源固定座（11）中心与轮盘（12）中心通过轴连接，可转动激光光源固定座（11）中心带动轮盘（12）旋转，从而更换发射光路模块中不同的激发滤色镜（1001），使发射光路模块发射出不同波长的激光，实现多重物质检测。
另一方面，涉及一种智能的防污染PCR管荧光检测系统在荧光检测中的应用。
本发明具有的技术效果为：
(1) 本申请检测系统利用精密步进电机推动PCR管底座进行微米级别的移动，将PCR管中心对准检测光路中心,解决了传统检测中光路不精准、需要卡扣、滑槽调控等问题。
(2) 本申请同时利用图像传感器配合步进电机对PCR管的位置和管内液面高度进行检测，通过位置信息和液面高度信息对精密步进电机进行伺服控制，实现精准定位。
(3) 本申请的检测系统是智能传感系统，若图像传感器检测到管内液面高度未达到检测所需高度，电脑内的软件将会报警提示，并弹出PCR管底座，以便对PCR管进行调整。
(4) 本申请的检测系统所使用的防污染PCR管的管盖中部为凹形、薄面的特殊设计，可以增大光线的通过率，进一步保证发射光线打在PCR管内，使检测结果更为准确。
(5) 本申请的检测系统所使用的防污染PCR管是螺纹密封式的，可以阻止PCR反应反复升降温所造成的PCR管膨胀变形、泄露、顶盖密封不严以及管内液体溅出等问题，进一步保证检测时需要达到的液面高度。
(6) 本申请的检测系统设计了转动模式，轮盘表面圆周等距分布6个直径12mm通孔，每个通孔内镶嵌一个不同滤色效果的滤色镜；轮盘与发射光路模块的光路中线偏心安装，只有一个滤色镜中心会与发射光路模块的光路中线重合；激光光源固定座中心与转盘中心通过轴连接，可转动激光光源固定座中心带动转盘旋转，从而更换发射光路模块中不同的滤色镜，使发射光路模块发射出不同波长的激光，实现多重物质检测。
(7) 本申请装置操作简单，将待测物在PCR管中混合后可直接放入PCR管底座中，打开激光光源即可检测，简化了传统操作步骤，非专业人员也可以操作，实现现场检测。
附图说明
图1 为装置装配示意图。
图2 为装置刨面图。
图3 为装置局部刨面图。
图4 为光路模块放大图。
图5 为光路图。
图6 为检测过程框图。
具体实施方式
本发明公开了一种智能的防污染PCR管荧光检测系统，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2、图3所示的本发明实施例，包括：遮光罩（1）、底板（2）、集成电路板（3）、光电倍增管模块（4）、PMT转接块（5）、单通道光学集成座（6）、二向色镜盖（7）、二向色镜（8）、接受光路模块（9）、聚焦镜（901）、滤色镜（902）、隔圈（903）、接受光路光阑（904）、压圈（905）、O形圈（906）、发射光路模块（10）、激发滤色镜（1001）、激发隔圈（1002）、激发聚焦镜（1003）、激发压圈（1004）、激发O形圈（1005）、激光光源固定座（11）、防污染螺纹密封式PCR管（12）、PCR管底座（13）、激光发射器（14）、步进电机（15）、图像传感器（16）、轮盘（17）。
PCR管底座（13）通过螺栓与底板（2）连接，二向色镜盖（7）再与PCR管底座（13）连接在一起，两片二向色镜（8）又安装固定在二向色镜盖（7）内。而单通道光学集成座（6）与二向色镜盖（7）通过螺钉连接；单通道光学集成座（6）在竖直方向上固定安装接受光路模块（9），保证接受光路在竖直方向上；单通道光学集成座（6）在水平方向上固定发射光路模块（10），保证激光发射光路在水平方向上。此外，单通道光学集成座（6）与PMT转接块（5）通过螺栓连接，光电倍增管模块（4）与PMT转接块（5）固定连接，光电倍增管模块（4）与集成电路板（3）通过信号线连接。而激光发射器（14）通过激光光源固定座（11）与单通道光学集成座（6）进行螺栓连接；步进电机（15）安装在PCR管底座和底板（2）之间，用于调控PCR管底座的位置；图像传感器（16）与PCR底座（13）连接接，用于检测防污染螺纹密封式PCR管(12)的位置；轮盘（17）上安装激发滤色镜（1001）等与发射光路模块（10）的光路中线偏心安装。最后，底板（2）上安装一遮光罩（1）将其它部件包含在内，保证内部检测时激光光路不受外部光源干扰。
在本实施例中，单通道光学集成座（6）为核心，将二向色镜盖（7）、二向色镜（8）、接受光路模块（9）、发射光路模块（10）、激光光源固定座（11）、激光发射器（14）等部件装配后所占用的空间体积不超过80 mm×50 mm×50 mm。
在本实施例中，检测系统设计了转动模式，轮盘（12）表面圆周等距分布6个直径12mm通孔，每个通孔内镶嵌一个不同滤色效果的激发滤色镜（1001）；轮盘与发射光路模块（10）的光路中线偏心安装，只有一个滤色镜（1001）中心会与发射光路模块（10）的光路中线重合；激光光源固定座（11）中心与轮盘（12）中心通过轴连接，可转动激光光源固定座（11）中心带动转盘（12）旋转，从而更换发射光路模块中不同的激发滤色镜（1001），使发射光路模块发射出不同波长的激光，实现多重物质检测。
在本实施例中，遮光罩（1）为350 mm×300 mm×350 mm.
在本实施例中，单通道光学集成座（6）、二向色镜盖（7）、PCR管底座（13）采用3D打印的方式制造，模块化快捷组装，同时利用遮光材料对其进行镀层。
在本实施例中，二向色镜（8）的尺寸为12 mm×15 mm×1 mm。
在本实施例中，激光发射器（14）发出的光线为蓝色，波长450 nm至480 nm。
在本实施例中，滤色镜（902）与激发滤色镜（1001）的尺寸均为D12 mm×5 mm，透光率约为90 %。
在本实施例中，PCR管底座（13）中放置防污染螺纹密封式PCR管（12）的孔径为9mm，孔深为22 mm至23 mm。
如图2、图4、图5所示，工作流程：
先将待测物加入防污染螺纹密封式PCR管（12）中混合均匀，然后打开PCR管底座（13），将防污染螺纹密封式PCR管（12）置入PCR管底座（13）中，关闭PCR管底座（13）；激光发射器（14）发出的激光经过发射光路模块（10）中的激发滤色镜（1001）、激发聚焦镜（1003）等处理，发出水平方向的直线激光进入到单通道光学集成座（6）中并照射到二向色镜（8）上，激光光路被二向色镜（8）改变为竖直方向，照射在防污染螺纹密封式PCR管（12）中；其中将PCR管（12）装入PCR管底座（13）中后，精密步进电机（15）会推动PCR管底座（13）进行移动，以将PCR管（12）中心对准检测光路中心；同时，图像传感器（16）对PCR管（12）的位置信息进行实时监测，并将位置信息通过信号线传输给电脑，若其中液面高度若未达到检测所需高度，电脑内的软件将会报警提示，并弹出PCR管底座（13），进而完成对精密步进电机（15）的伺服控制，对PCR管底座（13）位置进行微调，实现精准定位，保证发射光线打在PCR管中心内。光电倍增管模块（4）、电路板（3）、电脑开启后，PCR管反射的激光经过接受光路模块（9）中的聚焦镜（901）、滤色镜（902）等处理后变为竖直方向上的直线激光并照射到光电倍增管模块（4）。光电倍增管模块（4）和集成电路板（3）将接受到的光信号转化为电信号，并进行放大、滤波等处理，将所接受的激光光照强度传输到电脑。电脑中得到反射光照的强度数值大小与PCR管待测物含量的数值多少成正比，因而通过反射光强度大小去判断PCR管中待测物含量的多少。
在本实施例中，电脑软件使用的是SSCOM软件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种智能的防污染PCR管荧光检测系统，其特征在于，包括：遮光罩（1）、底板（2）、集成电路板（3）、光电倍增管模块（4）、PMT转接块（5）、单通道光学集成座（6）、二向色镜盖（7）、二向色镜（8）、接受光路模块（9）、发射光路模块（10）、激光光源固定座（11）、防污染螺纹密封式PCR管（12）、管盖螺纹（1202）、管盖中部凹形（1201）、PCR管底座（13）、激光发射器（14）、步进电机（15）、图像传感器（16）、轮盘（17）；
所述接受光路模块（9）由聚焦镜（901）、滤色镜（902）、隔圈（903）、接受光路光阑（904）、压圈（905）、O形圈（906）组成；
所述发射光路模块（10）由激发滤色镜（1001）、激发隔圈（1002）、激发聚焦镜（1003）、激发压圈（1004）、激发O形圈（1005）组成；
所述单通道光学集成座（6）、二向色镜盖（7）、PCR管底座（13）采用3D打印的方式制造，模块化快捷组装；
所述底板（2）上安装一遮光罩（1）将其它部件包含在内，保证内部检测时激光光路不受外部光源干扰。
2.根据权利要求1所述的一种智能的防污染PCR管荧光检测系统，其特征在于，PCR管底座（13）通过螺栓与底板（2）连接，二向色镜盖（7）再与PCR管底座（13）连接在一起，两片二向色镜（8）安装固定在二向色镜盖（7）内。
3.根据权利要求1所述的一种智能的防污染PCR管荧光检测系统，其特征在于，单通道光学集成座（6）与二向色镜盖（7）通过螺钉连接；单通道光学集成座（6）在竖直方向上固定安装接受光路模块（9），保证接受光路在竖直方向上；单通道光学集成座（6）在水平方向上固定发射光路模块（10），保证激光发射光路在水平方向上。
4.根据权利要求1所述的一种智能的防污染PCR管荧光检测系统，其特征在于，单通道光学集成座（6）与PMT转接块（5）通过螺栓连接，光电倍增管模块（4）与PMT转接块（5）固定连接，光电倍增管模块（4）与集成电路板（3）通过信号线连接。
5.根据权利要求1所述的一种智能的防污染PCR管荧光检测系统，其特征在于，以单通道光学集成座（6）为核心，将二向色镜盖（7）、二向色镜（8）、接受光路模块（9）、发射光路模块（10）、激光光源固定座（11）、激光发射器（14）连接集成在一起；
其中激光发射器（14）发射的光线通过水平方向的发射光路模块（10），进入二向色镜盖（7）内，经过二向色镜盖（7）内的二向色镜（8）改变为竖直方向的光路，并照射在含有待测物的防污染螺纹密封式PCR管（12）中；
其中光线照在防污染螺纹密封式PCR管中的待测物上，反射到接受光路模块（9）中，光路被变为竖直方向，并照在PMT转接块（5）和光电倍增管模块（4）上。
6.根据权利要求1所述的一种智能的防污染PCR管荧光检测系统，其特征在于，精密步进电机（15）推动PCR管底座（13）进行移动，将防污染螺纹密封式PCR管（12）中心对准检测光路中心；
其中精密步进电机（15）推动PCR管底座（13）是根据图像传感器（16）对防污染螺纹密封式PCR管（12）的位置和管内液面高度信息所决定，位置信息和液面高度信息通过信号线反馈电脑，进而完成对精密步进电机（15）的伺服控制，实现精准定位，保证发射光线打在PCR管内；
其中液面高度若未达到检测所需高度，电脑内的软件将会报警提示，并弹出PCR管底座（13），以便对防污染螺纹密封式PCR管（12）进行调整。
7.根据权利要求1所述的一种智能的防污染PCR管荧光检测系统，其特征在于，防污染螺纹密封式PCR管（12），其中防污染螺纹密封式PCR管对普通PCR管进行了两处改进，一是PCR管口和PCR管盖有相互配合的螺纹（1202），拧紧达到密封防污染的目的；二是PCR管盖中部为凹形（1201）设计，可以增大光线的通过率，使检测结果更为准确。
8.根据权利要求1所述的一种智能的防污染PCR管荧光检测系统，其特征在于，光电倍增管模块（4）将接受的光信号转变为电信号，进行适当的滤波、放大，并将处理后的信号通过信号线传输到集成电路板（3）和电脑中，通过得到反射光强度大小判断PCR管（12）待测物含量的多少。
9.根据权利要求1所述的一种智能的防污染PCR管荧光检测系统，其特征在于，其检测系统设计了转动模式，轮盘（12）表面圆周等距分布6个直径12mm通孔，每个通孔内镶嵌一个不同滤色效果的激发滤色镜（1001）；轮盘（12）与发射光路模块（10）的光路中线偏心安装，只有一个激发滤色镜（1001）中心会与发射光路模块（10）的光路中线重合；
其中激光光源固定座（11）中心与轮盘（12）中心通过轴连接，可转动激光光源固定座（11）中心带动轮盘（12）旋转，从而更换发射光路模块中不同的激发滤色镜（1001），使发射光路模块发射出不同波长的激光，实现多重物质检测。
10.根据权利要求1所述的一种智能的防污染PCR管荧光检测系统，在荧光检测中的应用。
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