CN113832220A - 一种pcr荧光核酸检测方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种PCR荧光核酸检测方法及其应用,该PCR荧光核酸检测方法包括以下步骤:采用微流体芯片进行样品的PCR核酸扩增反应;采用蓝光激发样品靶标的荧光标记分子,并采用PCR荧光检测仪采集来自所述微流体芯片的荧光信号;采用黄光激发样品内标的荧光标记分子,并采用所述PCR荧光检测仪采集来自所述微流体芯片的荧光信号;基于所述PCR荧光检测仪采集的荧光信号进行图像处理与图像分析,并进行结果判断。本发明的PCR荧光核酸检测方法采用了微流体芯片,具有小型化、芯片化、检测流程高度集成的特点,能够实现核酸PCR超快荧光检测,可应用于病毒、细菌、细胞、体液中的核酸类物质的检测。
Description
技术领域
本发明属于基因检测技术领域,涉及一种PCR荧光核酸检测方法及其应用。
背景技术
通常的病毒检测有三种手段:全基因测序、核酸检测、免疫蛋白检测。针对疫情,CT技术也成为非常重要的检测技术,但价格昂贵并且不便捷不适用于室外,比如海关、普通诊所进行检测。相比而言,核酸检测具有显著优势,包括自动化的检测流程、高通量化,样品进数据出的大型平台式检测方式、即时现场检测。然而目前市场上大多的核酸检测PCR(聚合酶链式反应,英文名称:polymerase chain reaction)仪不便携、速度慢(30分钟以上的PCR扩增过程)、且价格昂贵。
因此,如何提供一种PCR荧光核酸检测方法及其应用,使得检测流程高度集成,并加快检测速度,成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种PCR荧光核酸检测方法及其应用,用于解决现有技术中核酸检测集成度低、速度慢的问题。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供PCR荧光核酸检测方法,包括以下步骤:
采用微流体芯片进行样品的PCR核酸扩增反应;
采用蓝光激发样品靶标的荧光标记分子,并采用PCR荧光检测仪采集来自所述微流体芯片的荧光信号;
采用黄光激发样品内标的荧光标记分子,并采用所述PCR荧光检测仪采集来自所述微流体芯片的荧光信号;
基于所述PCR荧光检测仪采集的荧光信号进行图像处理与图像分析,并进行结果判断。
可选地,所述PCR核酸扩增反应包括多个循环阶段,一个循环阶段依序包括升温阶段、裂解阶段、降温阶段及扩增阶段。
可选地,所述循环阶段的数量范围是30-50个。
可选地,在每个循环阶段的所述扩增阶段,于第一时间开启蓝光,于第二时间关闭蓝光,于第三时间开启黄光,于第四时间关闭黄光,其中,所述第一时间早于所述第二时间,所述第二时间早于所述第三时间,所述第三时间早于所述第四时间。
可选地,在每个循环阶段的所述扩增阶段,于第五时间开始采集蓝光激发的荧光信号,于第六时间停止采集蓝光激发的荧光信号,于第七时间开始采集黄光激发的荧光信号,于第八时间停止采集黄光激发的荧光信号,其中,所述第五时间晚于所述第一时间并早于所述第六时间,所述第六时间不晚于所述第二时间,所述第七时间晚于所述第三时间并早于所述第八时间,所述第八时间不晚于所述第四时间。
可选地,所述PCR荧光检测仪采用连续拍照或视频流的方式采集来自所述微流体芯片的荧光信号,其中,每一帧图像的曝光时间小于所述第二时间与所述第一时间之差,并小于所述第四时间与所述第三时间之差。
可选地,在每个循环阶段的所述扩增阶段,提取至少一张处于蓝光开启阶段的图像帧保存以供分析,提取至少一张处于黄光开启阶段的图像帧保存以供分析。
可选地,在每个循环阶段的所述扩增阶段,当提取多张处于蓝光或黄光开启阶段的图像帧保存时,将多张采集的图像帧的像素进行平均。
可选地,所述图像处理包括寻找PCR反应腔区域,并提取所述PCR反应腔区域对应的像素。
可选地,所述PCR荧光检测仪输出的图像采用RGB彩色模式,所述图像处理包括将输出图像的红色通道和红色通道的数据分别提取出来。
可选地,所述图像处理包括将PCR反应腔区域对应的像素值求平均值。
可选地,所述图像分析包括基于所述PCR核酸扩增反应的循环次数及每个循环对应的所述平均值绘制PCR反应曲线,并对前M个循环的数据求取方差值,将N倍方差值与所述PCR 反应曲线的焦点的横坐标记为Ct值,其中,M与N均为整数并小于总的循环次数。
可选地,所述结果判断包括将所述Ct值与标准Ct参考值进行比较,如果所述Ct值小于所述标准Ct参考值,则判断样品为阳性,如果所述Ct值大于所述标准Ct参考值,则判断样品为阴性。
可选地,所述蓝光的波长范围是450nm-490nm,所述蓝光激发的荧光波长范围是515 nm-530nm,所述黄光的波长范围是555nm-585nm。
可选地,所述微流体芯片包括衬底、至少一组微流体结构及至少一组隔热槽结构,所述微流体结构位于所述衬底中并包括依次连通的液体进口、液体输入流道、PCR反应腔、液体输出流道及液体出口,所述隔热槽结构上下贯穿所述衬底,一组所述隔热槽结构在所述衬底中围成至少一个收容区域,一个所述收容区域中设有至少一组所述微流体结构。
本发明还提供一种PCR荧光核酸检测方法的应用,所述PCR荧光核酸检测方法采用如上任意一项所述的PCR荧光核酸检测方法,所述应用包括病毒、细菌、细胞、体液中的核酸类物质检测。
如上所述,本发明的PCR荧光核酸检测方法采用微流体芯片进行样品的PCR核酸扩增反应,分别采用蓝光、黄光激发样品靶标、内标的荧光标记分子,并采用PCR荧光检测仪采集来自所述微流体芯片的荧光信号,最后基于PCR荧光检测仪采集的荧光信号进行图像处理与图像分析,并进行结果判断。本发明的PCR荧光核酸检测方法采用了微流体芯片,具有小型化、芯片化、检测流程高度集成的特点,可应用于病毒、细菌、细胞、体液中的核酸类物质的检测,能够实现核酸PCR超快荧光检测,有助于疫情状态下对人群进行快速筛查。
附图说明
图1显示为本发明的PCR荧光核酸检测方法的流程图。
图2a显示为一种微流体芯片的俯视结构示意图。
图3a与图3b分别显示为图2a与图2b所示的微流体芯片中隔热槽结构、液体输入流道、液体输出流道的平面布局图。
图4显示为第二种微流体芯片的俯视结构示意图。
图5显示为图4所示的微流体芯片中隔热槽结构、液体输入流道、液体输出流道的平面布局图。
图6显示为第三种微流体芯片中隔热槽结构、液体输入流道及液体输出流的平面布局图。
图7显示为第四种微流体芯片的俯视结构示意图。
图8显示为一个3分钟左右的PCR核酸扩增过程的各子系统的时序控制图。
图9显示为另一个3分钟左右的PCR核酸扩增过程的各子系统的时序控制图。
图10显示为PCR核酸扩增实验中第45个循环后将G(绿色)通道图片数据进行提取后的图片。
图11a-图11b显示为经典PCR反应曲线。
图12显示为PCR荧光核酸检测装置的结构示意图
图13显示为蓝光(黄光)LED灯发出的蓝光(黄光)通过准直透镜准直的示意图。
图14显示为蓝光(黄光)LED灯发出的蓝光(黄光)通过反光杯准直的示意图。
图15显示为蓝光(黄光)LED灯发出的蓝光(黄光)通过反光透镜准直的示意图。
图16显示为不同PCR设备的实验结果可上传至云端供不同本地设备获取的示意图。
元件标号说明
1 微流体芯片
101 衬底
102 微流体结构
1021 液体进口
1022 液体输入流道
1023 PCR反应腔
1024 液体输出流道
1025 液体出口
103 隔热槽结构
1031 收容区域
1032 隔热槽
104 盖板
2 蓝光LED组件
201 蓝光LED灯
202 蓝光准直部件
202a 准直透镜
202b 反光杯
202c 反光透镜
203 蓝光滤波片
3 黄光LED组件
301 黄光LED灯
302 黄光准直部件
303 黄光滤波片
4 PCR荧光检测仪
401 镜头模组
402 USB成像模组
403 焦平面
5 温控装置
6 控制电路板
7 双带通滤波片
8 硅柱
9 显示器
S1~S4 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图16。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本发明提供PCR荧光核酸检测方法,请参阅图1,显示为该方法的流程图,包括以下步骤:
S1:采用微流体芯片进行样品的PCR核酸扩增反应;
S2:采用蓝光激发样品靶标的荧光标记分子,并采用PCR荧光检测仪采集来自所述微流体芯片的荧光信号;
S3:采用黄光激发样品内标的荧光标记分子,并采用所述PCR荧光检测仪采集来自所述微流体芯片的荧光信号;
S4:基于所述PCR荧光检测仪采集的荧光信号进行图像处理与图像分析,并进行结果判断。
作为示例,上述步骤S1中所采用的微流体芯片中设有隔热槽结构,可以实现快速升降温,从而大大缩短PCR反应时间,可以将通常需要30分钟以上的PCR扩增过程缩短到5分钟以内,例如50个循环所需时间可为3分钟左右。
作为示例,请参阅图2a、图2b及图3,其中,图2a及图2b显示为两种微流体芯片的俯视结构示意图,图3a与图3b分别显示为图2a与图2b所示微流体芯片1中隔热槽结构、液体输入流道及液体输出流的平面布局图,该微流体芯片1包括衬底101、至少一组微流体结构102及至少一组隔热槽结构103,其中,所述微流体结构102位于所述衬底101中,并包括依次连通的液体进口1021、液体输入流道1022、PCR反应腔1023、液体输出流道1024及液体出口1025,所述隔热槽结构103上下贯穿所述衬底101,其中,一组所述隔热槽结构103 在所述衬底101中围成至少一个收容区域1031,一个所述收容区域1031中设有至少一组所述微流体结构102。图2a显示的是一组所述隔热槽结构103在所述衬底101中围成一个收容区域1031,一个所述收容区域1031中设有两组所述微流体结构102的情形。图2b显示的是一组所述隔热槽结构103在所述衬底101中围成一个收容区域1031,一个所述收容区域1031 中设有四组所述微流体结构102的情形。所述PCR反应腔1023、所述液体输入流道1022、及所述液体输出流道1024可均自所述衬底101上表面开口,并往所述衬底101下表面方向延伸,但未贯穿所述衬底101下表面,所述液体进口1021及所述液体出口1025均上下贯穿所述衬底101。所述微流体芯片还可包括盖板104,所述盖板104位于所述衬底101上表面,并遮盖所述液体进口1021、所述PCR反应腔1023、所述液体输入流道1022、所述液体输出流道1024及所述液体出口1025。所述盖板104的材质包括但不限于玻璃等透明材质。所述隔热槽结构103可包括至少两条分立设置的隔热槽1032,其中,至少有两条所述隔热槽在水平方向上部分重叠。本实施例中,所述隔热槽结构103包括四条隔热槽1032,其中两条隔热槽位于内圈,另外两条隔热槽位于外圈,内圈的两条隔热槽未连接以容许流道穿过,外圈的两条隔热槽同样未连接以容许流道穿过,其中,内圈的通道在外侧会被外圈的隔热槽所阻挡,外圈的通道在内侧会被内圈的隔热槽所阻挡,从而使得所述隔热槽结构103能够围成一个大致封闭的收容区域1031,从而增强隔热效果。需要指出的是,所述隔热槽结构103也可以仅包括一条隔热槽,只是相对于多层隔热槽的方案,隔热效果稍差。所述隔热槽可包含至少一个弯折角,所述弯折角呈弧形,例如所述弯折角采用圆角设计方案,有利于减轻芯片应力,增加芯片在使用过程中的耐压性,防止芯片碎裂。所述液体进口1021及所述液体出口1025 可均位于所述隔热槽结构103外围,所述液体输入流道1022及所述液体输出流道1024均穿过两条所述隔热槽之间的区域,以进入所述收容区域1031与所述PCR反应腔1023连接。所述液体进口1021及所述液体出口1025可设置成不同的形状以便于区分,例如所述液体进口 1021设置为圆形,所述液体出口1025设置为方形,圆形直径或方形边长在0.5mm-2mm之间。所述PCR反应腔1023可呈来回蜿蜒的蛇形,蛇形管PCR反应腔1023设计能有效避免气泡的产生,并提高空间利用率。本实施例中,所述PCR反应腔1023的宽度范围是0.1mm-2 mm,长度范围是1mm-10mm,整个微流体芯片的面积范围是10mm×10mm-50mm×50 mm。需要指出的是,本实施例中,所述隔热槽结构103围成的一个收容区域1031内包含两组所述微流体结构102,且两组所述微流体结构102的所述PCR反应腔1023的长度相同。然而在其它实施例里中,所述隔热槽结构103围成的一个收容区域1031内也可以包含其他数目的所述微流体结构,例如1-10组,当包含至少两组微流体结构时,不同所述微流体结构的所述PCR反应腔1023的长度也可以不同。另外,在其它实施例中,所述PCR反应腔1023的形状、尺寸,所述微流体芯片的面积也可以根据需要进行调整,例如所述PCR反应腔1023 采用边长为2mm-20mm的正方形,此处不应过分限制本发明的保护范围。另外,所述衬底 101包括但不限于硅衬底、氮化铝衬底、陶瓷衬底、金属衬底或塑料衬底中的任意一种,本实施例中优选采用硅衬底,其中,所述盖板104可通过直接健合方式与硅基衬底进行耦合,所述微流体结构102可通过刻蚀方法加工得到,所述隔热槽结构103可通过刻蚀刻穿硅衬底得到,使得所述PCR反应腔1023及大部分流道与周边硅衬底热绝缘。
请参阅图4及图5,其中,图4显示为第二种微流体芯片的俯视结构示意图,图5显示为该微流体芯片中隔热槽结构、液体输入流道及液体输出流的平面布局图。与图2a及图2b所示微流体芯片采用独立隔热槽结构且该隔热槽结构在所述衬底中仅围成一个收容区域不同的是,图4所示微流体芯片的隔热槽结构采用共享隔热槽,即一个隔热槽结构围成多个收容区域。图4及图5显示的为一个所述隔热槽结构103在所述衬底101中围成四个收容区域1031,四个收容区域1031中分别设有一所述PCR反应腔1023,每个所述PCR反应腔1023分别拥有独立的液体进口1021、液体输入流道1022、液体输出流道1024及液体出口1025,四个收容区域1031的面积相同,四个PCR反应腔1023的大小相同且对称设置的情形。也就是说微流体芯片具有4通道反应腔,可以分别用来测试阳性样品、阴性样品作为对照组,以及两个待测样品。需要指出的是,在其它实施例中,一个所述隔热槽结构103也可以在所述衬底101中围成其它数目的收容区域1031,例如2-10个,各个收容区域1031的大小可以相同,也可以不相同,每个收容区域1031中的PCR反应腔1023的数目也不限于1个,例如1-10个,各个PCR反应腔1023的大小、形状也可以根据需要进行调整,此处不应过分限制本发明的保护范围。
请参阅图6,显示为第三种微流体芯片中隔热槽结构、液体输入流道及液体输出流的平面布局图。与图4所示微流体芯片采用共享隔热槽结构不同的是,图6所示微流体芯片采用分立隔热槽结构,即所述微流体芯片包括多个分立设置的隔热槽结构。图6显示的为一个微流体芯片包括四个独立的隔热槽结构103,每个隔热槽结构103分别在所述衬底101中围成一个收容区域1031。需要指出的是,在其它实施例中,所述微流体芯片也可以包括其它数目的独立的隔热槽结构103,例如2-10个,每个独立的隔热槽结构103也可不仅仅围成一个收容区域1031,例如2-10个,各个收容区域1031的大小可以相同,也可以不相同,每个收容区域1031中的PCR反应腔1023的数目也不限于1个,例如1-10个,各个PCR反应腔1023 的大小、形状也可以根据需要进行调整,此处不应过分限制本发明的保护范围。
请参阅图7,显示为第四种微流体芯片的俯视结构示意图,与图2a所示微流体芯片包括两个或四个PCR反应腔1023时多个PCR反应腔1023对称设置不同的是,图7所示微流体芯片包括四个PCR反应腔1023,且四个PCR反应腔1023非对称设置,其中,所述隔热槽结构103围成的收容区域1031中分别四个所述PCR反应腔1023,其中两个所述PCR反应腔 1023的长度较长,另外两个所述PCR反应腔1023的长度较短。在实际应用中,长度较短的两个PCR反应腔1023可以分别作为阴形样品与阳性样品的对照试验,长度较长的两个PCR 反应腔1023可以作为实测样品通道。需要指出的是,本实施例中,内圈的通道在外侧未全部被外圈的隔热槽所阻挡,而外圈的一部分通道在内侧被内圈的隔热槽全部阻挡,另一部分通道在内侧未被内圈的隔热槽所阻挡,但由于未被阻挡的通道部分宽度很小,仍然能够达到较强的隔热效果。当然,在其它实施例中,也可以对隔热槽进行更为复杂的设计,使得没有未被阻挡的通道,以获得更好的隔热效果,此处不应过分限制本发明的保护范围。
作为示例,发生于所述微流体芯片中的PCR核酸扩增反应包括多个循环阶段,例如30-50 个。需要指出的是,由于所述PCR核酸扩增反应包含多个循环阶段,因此上述步骤S2与步骤S3根据一定的时序设计会重复多次。另外,在上述步骤S2与步骤S3中,靶标是指病毒基因组上的某一段特征序列,为待测组分,内标(Internal Standard)是指一定重量的纯物质,其作为内标物加到一定量的被分析样品混合物中,然后对含有内标物的样品进行色谱分析,分别测定内标物和待测组分的峰面积(或峰高)及相对校正因子,按公式即可求出被测组分在样品中的百分含量。
作为示例,所述PCR核酸扩增反应的一个循环阶段依序包括升温阶段、裂解阶段、降温阶段及扩增阶段。在每个循环阶段的所述扩增阶段,于第一时间开启蓝光,于第二时间关闭蓝光,于第三时间开启黄光,于第四时间关闭黄光,其中,所述第一时间早于所述第二时间,所述第二时间早于所述第三时间,所述第三时间早于所述第四时间。
作为示例,在每个循环阶段的所述扩增阶段,于第五时间开始采集蓝光激发的荧光信号,于第六时间停止采集蓝光激发的荧光信号,于第七时间开始采集黄光激发的荧光信号,于第八时间停止采集黄光激发的荧光信号,其中,所述第五时间晚于所述第一时间并早于所述第六时间,所述第六时间不晚于所述第二时间,所述第七时间晚于所述第三时间并早于所述第八时间,所述第八时间不晚于所述第四时间。
作为示例,所述蓝光的波长范围是450nm-490nm,所述蓝光激发的荧光波长范围是515 nm-530nm,所述黄光的波长范围是555nm-585nm。
作为示例,请参阅图8,显示为一个3分钟左右的PCR核酸扩增过程的各子系统的时序控制图,其中最上层曲线为温控系统(用于调节微流控芯片PCR反应腔的温度)所对应的温度变化曲线,分别对应PCR反应过程中的不同阶段,例如,98℃为裂解阶段,60℃为扩增过程,升降温速度为19℃/s,一般PCR反应需要进行30-50个类似温度循环。中间层的曲线为蓝光、黄光LED的工作时序曲线,在60℃开始时蓝色LED光被点亮并持续0.4s,于此同时,最下层曲线所示,成像相机(PCR荧光检测仪)在LED开启后经0.1-0.2s的延迟再进行拍照采样,成像相机的曝光时间的选取应保证在LED灯关闭前完成相机成像采样,在此可取0.2s–0.3s的曝光时间。当蓝色LED在3.4s时间点关闭之后,延迟0.2s之后黄色LED 光开启并持续0.4s,同理成像相机在黄色LED开启后延迟0.1–0.2s后进行成像采样,成像曝光时间为0.2s–0.3s。同理对每一个PCR温度循环,LED与成像相机进行上述操作直至整个PCR反应结束。
作为示例,所述PCR荧光检测仪也可以采用连续拍照或视频流的方式采集来自所述微流体芯片的荧光信号,其中,每一帧图像的曝光时间小于所述第二时间与所述第一时间之差,并小于所述第四时间与所述第三时间之差,以确保整个所提取的图像的整个曝光过程在LED 处于开启状态下进行。
作为示例,请参阅图9,显示为另一个3分钟左右的PCR核酸扩增过程的各子系统的时序控制图,其中,当蓝色LED灯被点亮时,即如图温度变为60℃时,控制系统(在此为软件控制程序)开始计时,当时间为蓝色LED保持点亮状态总时间的一半时,控制系统提取当前图像帧,即如最下方曲线所示,并保存图像供分析;同理在黄色LED被点亮并持续总亮度时间一半时,控制系统的提取当前图像帧并进行图像保存供后续分析。提取图像帧的时间点可以为LED灯总亮度时间的1/2,1/3,1/4等多种形式,取决于相机曝光时间、LED点亮总时间、以及PCR扩增过程总时间。
作为示例,为了降低噪声影响,每个荧光通道可以采集大于一张图片,并将多张采集的图像帧的像素进行平均以达到去噪目的,在相机曝光时间、LED点亮总时间、以及PCR扩增过程总时间的限制下,为采集多张图像,相机的曝光时间需要相应减小。
作为示例,上述步骤S4中所述的图像处理包括寻找PCR反应腔区域,并提取所述PCR 反应腔区域对应的像素。当所述PCR荧光检测仪输出的图像采用RGB彩色模式,所述图像处理包括将输出图像的R(红色)通道和G(绿色)通道的数据分别提取出来。请参阅图10,显示为PCR核酸扩增实验中第45个循环后将G通道图片数据进行提取后的图片。
作为示例,上述步骤S4中所述的图像处理包括将PCR反应腔区域对应的像素值求平均值。其中,可将每个循环中的图片做相同方式处理。
作为示例,所述图像分析还包括基于所述PCR核酸扩增反应的循环次数及每个循环对应的所述平均值绘制PCR反应曲线,并对前M个循环的数据求取方差值,将N倍方差值与所述PCR反应曲线的焦点的横坐标记为Ct值,其中,M与N均为整数并小于总的循环次数。其中,Ct值中的C代表Cycle(循环),t代表threshold(阈值),Ct值的含义是:每个反应管内的荧光信号到达设定的阈值时所经历的循环数。
作为示例,所述结果判断包括将所述Ct值与标准Ct参考值进行比较,如果所述Ct值小于所述标准Ct参考值,则判断样品为阳性,如果所述Ct值大于所述标准Ct参考值,则判断样品为阴性。
请参阅图11a及图11b,显示为根据上述原则绘制得到的经典PCR反应曲线,值得注意的是图12a中PCR曲线为经过平滑、去噪声、除基线等算法处理后的曲线;图12b为对PCR曲线取对数数学运算,并对得到的典型PCR曲线的线性部分进行线性拟合,可得到PCR反应扩增速率与相对初始浓度,进一步,通过临床试验给出阈值参数,如图12b,该阈值线与 PCR对数曲线的交点定义为实验Ct值,其中临床阈值的选取应保证阈值曲线交点于PCR曲线的线性部分。将所求出的实验Ct值与临床参考Ct_ref值作比较,如果Ct<Ct_ref,则视为该样本为阳性样本,否则为阴性。需要指出的是,具体判断标准可根据需要进行调整,此处不应过分限制本发明的保护范围。
实施例二
本实施例提供一种PCR荧光核酸检测装置,用以执行实施例一中所述的PCR荧光核酸检测方法。
请参阅图12,显示为该PCR荧光核酸检测装置的结构示意图,包括微流体芯片1、蓝光 LED组件2、黄光LED组件3、PCR荧光检测仪4、温控装置5及控制电路板6,其中,所述微流体芯片1用于进行核酸的PCR核酸扩增反应,所述蓝光LED组件1位于所述微流体芯片1上方,用于出射蓝光至所述微流体芯片1表面;所述黄光LED组件3位于所述微流体芯片1上方,用于出射黄光至所述微流体芯片1表面;所述PCR荧光检测仪4位于所述微流体芯片1上方,并位于所述蓝光LED组件2与所述黄光LED组件3之间,用于采集来自所述微流体芯片1的荧光信号;所述温控装置5位于所述微流体芯片1下方,用于调节所述微流体芯片1的温度;所述控制电路板6与所述蓝光LED组件2、所述黄光LED组件3、所述 PCR荧光检测仪4及所述温控装置5连接。
具体的,超快PCR通过TEC(Thermoelectric Cooler)温控装置实现。作为示例,所述温控装置5的顶部设有至少一根硅柱8,用于与所述微流体芯片1连接,所述温控装置5的下方可设有散热片(未图示)。所述微流体芯片1与所述温控装置5之间还可设有耦合导热材料层(未图示,当所述温控装置5的顶部设有所述硅柱8时,所述耦合导热材料层位于所述硅柱8与所述微流体芯片1的界面之间)。所述微流体1芯片通过所述耦合导热材料层与所述温控装置5进行耦合,所述耦合导热材料层可以防止所述微流体芯片1与所述温控装置5 之间形成空气间隔,有助于增加所述微流体芯片1与所述温控装置5之间的传热性能。所述耦合导热材料层包括但不局限于导热硅脂、石墨烯垫片等。所述耦合导热材料层可以作为一整块与所述微流体芯片1进行耦合,也可以单独分开与所述微流体芯片1中的微流体通道相对应进行耦合,即分立的导热材料分别置于所述微流体芯片1中微流体通道的正下方。
作为示例,所述蓝光LED组件2包括蓝光LED灯201及设于所述蓝光LED灯201出光面前方的蓝光准直部件202,所述黄光LED组件3包括黄光LED灯301及设于所述黄光LED 灯301出光面前方的黄光准直部件302。
作为示例,所述蓝光准直部件202与所述黄光准直部件302包括但不限于准直透镜、反光杯中的任意一种。请参阅图13至图15,其中,图13显示为所述蓝光LED灯201发出的蓝光通过准直透镜202a准直的示意图,图14显示为所述蓝光LED灯201发出的蓝光通过反光杯202b准直的示意图,图15显示为所述蓝光LED灯201发出的蓝光通过反光透镜202c 准直的示意图。黄光的光路设计可采用相同的原则。
作为示例,所述蓝光LED灯的中心波长为470nm,所述黄光LED灯的中心波长为585nm,LED的功率可取200mW-600mW。
作为示例,所述蓝光LED组件2还包括蓝光滤波片203,所述蓝光滤光片203位于所述蓝光准直部件202前方,所述蓝光滤波片203的带通中心波长为470nm;所述黄光LED组件3还包括黄光滤波片303,所述黄光滤光片303位于所述黄光准直部件302前方,所述黄光滤光片303的带通中心波长为585nm。
作为示例,所述PCR荧光检测仪4包括但不限于CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合器件)相机、CMOS相机、光电倍增管及雪崩光电二极管(英文全称Avalanche PhotoDiode,简称APD)中的任意一种,其中,所述光电倍增管可以是硅光电倍增管(英文全称Silicon Photomultiplier,简称SiPM)。
本实施例中,考虑到便携与成本因素,所述PCR荧光检测仪4优选采用USB CMOS相机。如图12所示,所述PCR荧光检测仪4包括面向所述微流体芯片1的镜头模组401及位于所述镜头模组401后方的USB成像模组402,其中,图12中还示出了成像芯片的焦平面 403。
作为示例,考虑到图像清晰度与运算量,USB CMOS相机的像素分辨率优选2Mp–10Mp,优选低照度相机,相机照度范围在0.0001lux–0.2lux,相机的光圈系数f/#越小,光的收集效率越高,f/#应小于f/3.0,对应相机的数字孔径NA为0.17,数字孔径越大,则光的收集效率越高。相机的视场角的选取优先考虑所需成像样品(微流体芯片)的大小与相机距离样品的距离。例如,若微流体芯片所需成像面积为12mm×12mm,机对角线视场角可选90°–150°;采用微焦距相机,焦距范围可选2.6mm–3.6mm,所对应物距范围为1cm–5cm。相机CMOS芯片对所探测信号的信噪比起到关键作用,所选取像素大小在1.2μm-3μm之间。为获得更大的测试信噪比,相机的曝光时间越长越好,最好大于320ms,取决于相机、LED激发以及温控系统三者同步以及PCR检测的整体时间要求。
需要指出的是,以上相机参数仅为示例,在实际应用中可根据需要进行调整,此处不应过分限制本发明的保护范围。
作为示例,为了除去激发光的影响,所述PCR荧光核酸检测装置还包括双带通滤波片7,所述双带通滤波片7位于所述PCR荧光检测仪4的入光面前方以进行滤波,其带通为:510 nm-550nm与610nm–650nm。
作为示例,所述PCR荧光核酸检测装置还包括显示器9,所述显示器9与所述控制电路板6连接,用于显示荧光图像数据,并可显示操作界面。
作为示例,PCR荧光检测通过对样品内标与靶标的测试进行核酸检测,本实施例中,采用所述黄光LED组件3对样品内标进行检测,采用所述蓝光LED组件2对样品靶标进行检测。靶标和内标对应所使用的荧光标记分子可以分别为FAM和ROX。FAM通道的激发波长经过所述蓝光滤光片203后为450nm-490nm,其所激发的荧光波长在515nm-530nm,同理, ROX通道的激发光波长经过所述黄光滤光片303后为555nm-585nm,其所激发的荧光波长在610nm-650nm之间。
作为示例,所述PCR荧光核酸检测装置还包括无线传输模块,所述无线传输模块与所述控制电路板连接,用于与无线智能终端交互,例如可通过手机、电脑或其它终端来读取荧光图像数据,并可通过智能终端上安装的应用程序APP来实现系统各模块控制以及图像分析、处理以及数据共享。此外,所述PCR荧光核酸检测装置还可以通过无线传输模块将核酸检测结果上传至云端服务器,其它终端可以从云端服务器中获取测试数据。请参阅图16,显示为不同PCR设备(记为PCR 1、PCR 2、PCR 3、…、PCR n)的实验结果可上传至云端供不同本地设备(记为PCR 1、PCR 2、…、PCR n),其中,n为整数。在实际应用中,其他用户,比如研究机构、检疫部门、政府机构可使用本地设备从云端服务器获取数据,并进行查看、数据分析,及时高效的对疫情防控提供核酸检测支持。
需要指出的是,实施例一中所述的PCR荧光核酸检测方法可不限于本实施例所述PCR 荧光核酸检测装置来实现,此处不应过分限制本发明的保护范围。
实施例三
本实施例中将实施例一中所述的PCR荧光核酸检测方法的应用于基因检测,被检测的对象包括但不限于病毒、细菌、细胞、体液中的核酸类物质,其中,被检测的病毒包括但不限于新型冠状病毒COVID-19。其中,核酸检测过程的PCR扩增过程在所述微流体芯片的PCR 反应腔1023内进行。
综上所述,本发明的PCR荧光核酸检测方法采用微流体芯片进行样品的PCR核酸扩增反应,分别采用蓝光、黄光激发样品靶标、内标的荧光标记分子,并采用PCR荧光检测仪采集来自所述微流体芯片的荧光信号,最后基于PCR荧光检测仪采集的荧光信号进行图像处理与图像分析,并进行结果判断。本发明的PCR荧光核酸检测方法采用了微流体芯片,具有小型化、芯片化、检测流程高度集成的特点,能够实现核酸PCR超快荧光检测,可应用于病毒、细菌、细胞、体液中的核酸类物质的检测,有助于疫情状态下对人群进行快速筛查。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (16)
1.一种PCR荧光核酸检测方法,其特征在于,包括以下步骤:
采用微流体芯片进行样品的PCR核酸扩增反应;
采用蓝光激发样品靶标的荧光标记分子,并采用PCR荧光检测仪采集来自所述微流体芯片的荧光信号;
采用黄光激发样品内标的荧光标记分子,并采用所述PCR荧光检测仪采集来自所述微流体芯片的荧光信号;
基于所述PCR荧光检测仪采集的荧光信号进行图像处理与图像分析,并进行结果判断。
2.根据权利要求1所述的PCR荧光核酸检测方法,其特征在于:所述PCR核酸扩增反应包括多个循环阶段,一个循环阶段依序包括升温阶段、裂解阶段、降温阶段及扩增阶段。
3.根据权利要求2所述的PCR荧光核酸检测方法,其特征在于:所述循环阶段的数量范围是30-50个。
4.根据权利要求2所述的PCR荧光核酸检测方法,其特征在于:在每个循环阶段的所述扩增阶段,于第一时间开启蓝光,于第二时间关闭蓝光,于第三时间开启黄光,于第四时间关闭黄光,其中,所述第一时间早于所述第二时间,所述第二时间早于所述第三时间,所述第三时间早于所述第四时间。
5.根据权利要求4所述的PCR荧光核酸检测方法,其特征在于:在每个循环阶段的所述扩增阶段,于第五时间开始采集蓝光激发的荧光信号,于第六时间停止采集蓝光激发的荧光信号,于第七时间开始采集黄光激发的荧光信号,于第八时间停止采集黄光激发的荧光信号,其中,所述第五时间晚于所述第一时间并早于所述第六时间,所述第六时间不晚于所述第二时间,所述第七时间晚于所述第三时间并早于所述第八时间,所述第八时间不晚于所述第四时间。
6.根据权利要求4所述的PCR荧光核酸检测方法,其特征在于:所述PCR荧光检测仪采用连续拍照或视频流的方式采集来自所述微流体芯片的荧光信号,其中,每一帧图像的曝光时间小于所述第二时间与所述第一时间之差,并小于所述第四时间与所述第三时间之差。
7.根据权利要求6所述的PCR荧光核酸检测方法,其特征在于:在每个循环阶段的所述扩增阶段,提取至少一张处于蓝光开启阶段的图像帧保存以供分析,提取至少一张处于黄光开启阶段的图像帧保存以供分析。
8.根据权利要求7所述的PCR荧光核酸检测方法,其特征在于:在每个循环阶段的所述扩增阶段,当提取多张处于蓝光或黄光开启阶段的图像帧保存时,将多张采集的图像帧的像素进行平均。
9.根据权利要求1所述的PCR荧光核酸检测方法,其特征在于:所述图像处理包括寻找PCR反应腔区域,并提取所述PCR反应腔区域对应的像素。
10.根据权利要求1所述的PCR荧光核酸检测方法,其特征在于:所述PCR荧光检测仪输出的图像采用RGB彩色模式,所述图像处理包括将输出图像的红色通道和绿色通道的数据分别提取出来。
11.根据权利要求1所述的PCR荧光核酸检测方法,其特征在于:所述图像处理包括将PCR反应腔区域对应的像素值求平均值。
12.根据权利要求11所述的PCR荧光核酸检测方法,其特征在于:所述图像分析包括基于所述PCR核酸扩增反应的循环次数及每个循环对应的所述平均值绘制PCR反应曲线,并对前M个循环的数据求取方差值,将N倍方差值与所述PCR反应曲线的焦点的横坐标记为Ct值,其中,M与N均为整数并小于总的循环次数。
13.根据权利要求12所述的PCR荧光核酸检测方法,其特征在于:所述结果判断包括将所述Ct值与标准Ct参考值进行比较,如果所述Ct值小于所述标准Ct参考值,则判断样品为阳性,如果所述Ct值大于所述标准Ct参考值,则判断样品为阴性。
14.根据权利要求1所述的PCR荧光核酸检测方法,其特征在于:所述蓝光的波长范围是450nm-490nm,所述蓝光激发的荧光波长范围是515nm-530nm,所述黄光的波长范围是555nm-585nm。
15.根据权利要求1所述的PCR荧光核酸检测方法,其特征在于:所述微流体芯片包括衬底、至少一组微流体结构及至少一组隔热槽结构,所述微流体结构位于所述衬底中并包括依次连通的液体进口、液体输入流道、PCR反应腔、液体输出流道及液体出口,所述隔热槽结构上下贯穿所述衬底,一组所述隔热槽结构在所述衬底中围成至少一个收容区域,一个所述收容区域中设有至少一组所述微流体结构。
16.一种PCR荧光核酸检测方法的应用,其特征在于:所述PCR荧光核酸检测方法采用如权利要求1-15任意一项所述的PCR荧光核酸检测方法,所述应用包括病毒、细菌、细胞、体液中的核酸类物质检测。
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