CN113930329A - 一种适用于crispr分子诊断技术的一体化核酸检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于CRISPR分子诊断技术的一体化核酸检测装置及方法，包括整体支架和同轴光纤，整体支架的内腔中转动连接有试管架，试管架用于放置试管，试管架套设在管套内腔，管套的顶部为开口结构，管套的内壁上设有第一温度传感器和加热片，第一温度传感器用于监测管套内腔的温度，加热片用于加热管套内腔的温度；同轴光纤的激发端用于接收激发光源，同轴光纤的同轴端穿过管套朝向试管，同轴光纤的同轴端用于传递激发光源至试管处并将试管处的光源传递至同轴光纤的发射端，同轴光纤的发射端处设有相机，所述相机用于拍摄发射端产生的荧光现象。本发明缩减了人工操作，提高了检测效率。

Description

一种适用于CRISPR分子诊断技术的一体化核酸检测装置及 方法

技术领域

本发明属于核酸分子诊断技术领域，具体属于一种适用于CRISPR分子诊断技术的一体化核酸检测装置及方法。

背景技术

快速、准确、灵敏、定量检测特定核酸序列在人类传染病的诊断、粮食安全、病原体的测定、全球生物安全以及在环境分析中跟踪生物污染以及环境质量监测等领域发挥着越来越重要的作用。新型冠状病毒迅速爆发的原因是因为缺少有效的检测手段；目前世界统一认准的标准检测方法是PCR检测，但是这种方法存在一定的缺陷，检测周期长，完成一次核酸检测大约需要两到三个小时；另外，PCR 检测还需要专门的技术人员，大型的仪器设备，这些条件都限制了该方法的应用。除了传统标准PCR检测之外，还有RPA(重组酶聚合酶扩增)技术，LAMP(环介导的等温扩增)技术，RCA (滚环扩增)技术，CPA(交叉引物扩增)技术以及PSR(聚合酶螺旋反应)技术等主流的核酸扩增检测技术，但是这些方法也都存在一定的优势和缺陷，比如RPA(重组酶聚合酶扩增)技术，其响应速度快，指数级放大但是RPA灵敏度较低，不能够满足临床检测要求；再比如 LAMP(环介导的等温扩增)技术，具有较高的灵敏度以及特异性，但是其引物设计复杂。因此，缺乏一种简单且有效的核酸检测方法，缩短检测时间，提高检测灵敏度，抑制病毒的传播速度。

CRISPR全称为“规律成簇的间隔短回文重复序列”(Clustered regularlyinterspaced short palindromic repeats)是一种广泛存在于古细菌和细菌的适应性免疫系统。CRISPR系统最早是在20世纪90年代初在大肠杆菌的基因组中发现。2013年，基因定点编辑技术CRISPR/Cas9 被研究人员发现，并将其成功应用，自此CRISPR技术开始成为最受欢迎的基因编辑工具。2017 年，基因编辑领域国际顶尖学者哈佛大学博德研究所张锋教授团队将CRISPR技术应用到核酸检测领域，在其和加州大学伯克利分校的JenniferDoudna团队共同努力下，该技术已被用于检测多种病原生物的核酸分子(如寨卡病毒、登革热病毒、结核分枝杆菌等)，两个团队2017 年至今基于CRISPR核酸检测技术已经在《Science》、《Nature》及其子刊发表多篇高水平文章， 2018年在由中国科学院和中国工程院组织的两院院士投票中基于CRISPR开发的病原体或肿瘤体外诊断技术入选2018年世界十大科技进展。此后，以Cas12、Cas13、Cas14等CRISPR 酶为基础的各种核酸检测平台也应运而生。

CRISPR技术相比较传统的核酸检测方法不仅在检测的成本、效率、便携性、特异性、简便性等方面都显示出了巨大的优势，同时该项技术还具有较好的生物相容性，能够跟其他技术结合，从而更加简便高灵敏的进行核酸检测，该项技术也被誉为下一代的新型核酸检测技术。但是CRISPR技术还存在一些问题，目前还没有一个简单便携式的检测平台，为CRISPR反应提供一个恒温以及荧光检测的外部环境，CRISPR核酸检测技术目前依赖于传统的核酸检测设备，这在一定程度上限制了其应用。同时，从核酸的提取到最后实现核酸检测，CRISPR反应大约需要三个步骤，核酸的提取、核酸的扩增以及靶标的检测。当前这三步都是分开进行的，每一步操作完成之后，都还需要面临试剂的转移，这样不仅容易造成试剂的污染和浪费，还需要大量的人力资源。因此，开发一个简单便携的以CRISPR技术为基础的集成化装置，将对核酸的检测具有非常重要的意义，它将摆脱核酸检测对大型荧光检测设备以及专业技术人员的限制，使核酸检测能够走出实验室，为核酸检测技术的发展奠定重要的基础。

2017年基因编辑领域国际顶尖学者哈佛大学博德研究所张锋教授团队[Gootenberg,J.S.et al.Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2[J].Science 356,438-442(2017)]利用RPA 扩增以及CRISPR技术创造了新一代的核酸检测技术SHERLOCK技术。该SHERLOCK核酸检测技术不仅灵敏度高，特异性好，而且检测效率高，能够在一个小时内实现相应的样本检测。但是该技术目前还没有相配套的专业检测仪器，不能够自动实现相应的样本检测，这就增加了实验操作的复杂性，而且在检测过程中，使用该技术需要面临开盖加样问题，极易造成实验室的气溶胶污染。

Degani I；Cheong J[Chang Yeol Lee,Ismail Degani,Jiyong Cheong,Jae-HyunLee,Hyun Jung Choi,JinwooCheon,Hakho Lee,2021.Fluorescence polarizationsystem for rapid COVID-19 diagnosis.Biosensors and Bioelectronics 178,113049]利用了CRISPR技术以及RPA扩增技术，开发了一种检测新冠病毒的新型检测平台。该检测平台通过一个13x4.5x5cm³的简易设备组成。该设备从左到右依次是光电倍增管、凸透镜、线性偏振器、带通滤波器；中间是一试管存放的试管架，该试管架能够保持一定的温度，同时试管架的底部具有一个激发光为470nm的LED 光源。右边跟左边的配置一样，不同的是，线性偏振器的偏振方向不一样，这样通过这个简单的仪器，就可以实现靶标的检测，但是该平台不能够解决检测过程中面临的开盖，人工转移等问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种适用于CRISPR分子诊断技术的一体化核酸检测装置及方法，解决目前使用RPA联合CRISPR技术进行核酸检测时，不能够实现自动化检测的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于CRISPR分子诊断技术的一体化核酸检测装置，包括整体支架和同轴光纤，所述整体支架的内腔中转动连接有试管架，所述试管架用于放置试管，所述试管架套设在管套内腔，所述管套的顶部为开口结构，所述管套的内壁上设有第一温度传感器和加热片，所述第一温度传感器用于监测管套内腔的温度，所述加热片用于加热管套内腔的温度；

所述同轴光纤的激发端用于接收激发光源，所述同轴光纤的同轴端穿过管套朝向试管，所述同轴光纤的同轴端用于传递激发光源至试管处并将试管处的光源传递至同轴光纤的发射端，所述同轴光纤的发射端处设有相机，所述相机用于拍摄发射端产生的荧光现象。

进一步的，所述整体支架的内腔中可拆卸连接有步进电机，所述步进电机的输出端和试管架过盈配合；

所述整体支架的内腔中还设有光电开关安装支架，所述光电开关安装支架上设有光电开关，所述光电开关用于控制步进电机的停止。

进一步的，所述试管架包括托盘和传动轴，所述传动轴和托盘一体成型，所述托盘为半圆形结构，所述托盘上设有若干个环形阵列的试管孔，所述试管穿过试管孔并与试管孔间隙配合，当试管放置在试管架上时，托盘外侧的试管由托盘的圆心向外扩散布置。

进一步的，所述管套的顶部和底部均为开口结构，所述管套的侧壁上环形阵列有若干个同轴端孔，所述同轴端孔用于嵌装同轴光纤的同轴端，所述管套的侧壁上还设有凸起；

所述整体支架的内腔中设有圆形凹槽，所述圆形凹槽的一相对侧壁上设有长方形凹槽，所述管套的底部套设在圆形凹槽内，所述凸起伸入在长方形凹槽内；

所述管套的内壁上粘接有第一温度传感器和加热片，所述加热片上粘接有第二温度传感器，所述第二温度传感器用于监测加热片的温度。

进一步的，所述整体支架的一侧设有光源腔体，所述光源腔体的内腔中设有LED灯，所述光源腔体的开口端面安装有同轴光纤支架LED端，所述同轴光纤支架LED端上贯通设置有激发光源孔，所述激发光源孔上嵌装有同轴光纤的激发端，所述LED灯发出的光源经过激发光源孔送至同轴光纤的激发端；

所述同轴光纤支架LED端的侧边设有第一滤光槽，所述第一滤光槽内放置有蓝色滤光片，所述LED灯发出的光源经过蓝色滤光片被同轴光纤的激发端接收。

进一步的，所述整体支架的另一侧还设有相机腔体，所述相机腔体的一端连接有相机安装支架，所述相机安装支架上设有相机安装凸起，所述相机安装凸起的内腔中可拆卸连接有相机；

所述相机腔体的另一端安装有同轴光纤支架相机端，所述同轴光纤相机端上贯通设有发射孔，所述发射孔上嵌装有同轴光纤的发射端，所述同轴光纤的发射端发射的光源经过发射孔送至相机拍摄处；

所述同轴光纤支架相机端的侧边设有第二滤光槽，所述第二滤光槽内放置有橙色滤光片，所述橙色滤光片位于相机和同轴光纤的发射端之间。

进一步的，所述整体支架的底部还连接有底座，所述底座的内腔中设有PCB电路板，所述PCB电路板用于控制试管架转动、加热片温度以及相机的启动和关闭，所述PCB电路板还用于接收第一温度传感器的检测信号，所述底座的外壁上连接有显示屏，所述显示屏用于与 PCB电路板完成人机交互。

进一步的，所述整体支架的顶部开口处铰接有盒盖。

本发明还提供了一种适用于CRISPR分子诊断技术的一体化核酸检测装置的检测方法，包括以下步骤：所述试管包括反应外管和套设在反应外管中的反应内管，所述反应外管和反应内管的开口盖合有管帽；

将CRISPR试剂冻干加入到反应外管，将RPA试剂加入到反应内管后，盖上管帽，反应外管和试管架间隙配合，

通过加热片对管套内腔进行加热，待达到恒温温度时，保持恒温加热并在恒温加热后转动试管架进行离心处理，离心处理结束后，通过对试管架进行正反转实现试管内试剂的混合均匀，继续以恒温温度加热，待恒温加热停止后，同轴光纤的激发端接收激发光源，同轴光纤的激发端传输激发光源至同轴光纤的同轴端，同轴光纤的同轴端基于激发光源接收试管处的光源，同轴光纤的同轴端向同轴光纤的发射端发射试管处的光源，相机拍摄同轴光纤的发射端的荧光现象，对相机拍摄的荧光现象进行图片处理，得到试剂的阴阳性结果，完成一体化核酸检测。

进一步的，所述CRISPR试剂的体积为20微升进行冻干保存，所述RPA试剂的体积为20 微升；

所述恒温温度为36～40℃，所述恒温温度的持续时间为15～25min；

离心处理的转速为600～6000rpm，离心处理的时间为5～20s；

试管架正转一圈以及反转一圈为一次，试管架的正反转次数为5～10次，正反转的持续时间为2～10s。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明公开了一种适用于CRISPR分子诊断技术的一体化核酸检测装置，温度传感器搭配加热片为核酸的扩增以及最后的CRISPR反应提供了适宜的反应条件；试管搭配试管架，旋转试管架实现了RPA试剂以及CRISPR试剂的混合以及混匀，同时在这个过程中避免了开盖和实验室气溶胶污染等问题以及自动实现了核酸样本的转移；LED灯、滤光片、相机和同轴光纤实现了最后的荧光检测。通过本发明的核酸诊断设备搭配试管，成功实现了以CRISPR技术为基础的核酸检测在不降低灵敏度，导致在较高假阳性的前提下，能够实现CRISPR检测联合RPA 扩增的自动化以及一体化，并使检测系统具有较高的鲁棒性，实验操作更加简便，而且能够有效防止实验室污染，实现样本进结果出，同时也避免了在核酸扩增到核酸检测这一过程中因为开盖、样本核酸的转移以及闭盖等操作引起的实验室气溶胶污染等问题，缩减了人工操作，提高了检测效率。

进一步的，步进电机和试管架的配合实现了，试剂的混匀、离心和正反转，同时光电开关增加了整个核酸检测装置的自动化，这样就完全避免了之前使用CRISPR分子诊断技术进行核酸检测所面临的开盖、样本核酸转移、闭盖等操作，通过简单的程序即可实现样本进结果出，提高了核酸检测的效率。

进一步的，管套内设置的温度传感器和加热片，能够为试剂反应提供适宜的反应条件，管套上的同轴光纤的同轴端能够对试管的光源进行实时监测。

进一步的，LED灯、滤光片、CMOS相机、同轴光纤实现了最后的荧光检测，该设备能够自动完成相应的核酸检测程序，无需复杂的人工操作，同时在做到自动化检测的同时，解决了因为开盖造成的实验室气溶胶污染等问题。

进一步的，PCB电路板作为整个系统的控制，显示屏则作为人机交互界面，实现用户与机器的交流以及最后将实验结果呈现在用户面前。能够自动实现核酸检测，并使检测系统具有较高的鲁棒性，实验操作更加简便，而且能够有效防止实验室污染，实现样本进结果出，提高核酸检测的效率。

进一步的，整体支架的顶部开口处铰接的盒盖，为整个反应营造一个暗室的环境，避免自然光对整个检测反应产生干扰。

本发明还提供一种适用于CRISPR分子诊断技术的一体化核酸检测装置的检测方法，实现了从RPA反应到CRISPR反应检测的自动化，这样就完全避免了之前使用CRISPR分子诊断技术进行核酸检测所面临的开盖、样本核酸转移、闭盖等操作，通过简单的程序即可实现样本进结果出，提高了核酸检测的效率；也避免了因开盖、样本核酸的转移等操作引起的实验室气溶胶污染等问题。同时我们开发的核酸检测设备联合核心试管以及试剂冻干技术也在一定程度上可以实现居家检测，解决了CRISPR检测技术甚至整个分子诊断技术中一个重要的难题。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图，其中：图1A为本发明的剖视结构示意图；图1B为图1A的侧视结构示意图；图1C为本发明的立体结构示意图；图1D为本发明的俯视结构示意图；

图2是本发明的试管的结构示意图；

图3是本发明的整体支架的结构示意图；

图4是本发明的盒盖的结构示意图；

图5是本发明的底座结构示意图；

图6是本发明的光电开关安装支架的结构示意图；

图7是本发明的同轴光纤的结构示意图；

图8是本发明的试管架的结构示意图；

图9是本发明的管套的结构示意图；

图10是本发明的同轴光纤支架相机端的结构示意图；

图11是本发明的同轴光纤支架LED端的结构示意图；

图12是本发明的相机安装支架的结构示意图；

附图中：1-盒盖，2-整体支架，3-试管架，4-管套，5-试管，6-光电开关，7-光电开关安装支架，8-底座，9-显示屏，10-加热片，11-第一温度传感器，12-PCB安装柱，13-相机安装支架，14-相机，15-同轴光纤支架相机端，16-LED灯，17-同轴光纤支架LED端，18-蓝色滤光片，19-橙色滤光片，20-管帽，21-反应外管，22-反应内管，23-步进电机；

A-同轴光纤的同轴端，B-同轴光纤的激发端，C-同轴光纤的发射端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1（图1A、图1B、图1C和图1D）所示，本发明提供了一种适用于CRISPR分子诊断技术的一体化核酸检测装置，包括整体支架2、盒盖1、温度传感器、加热片10、步进电机23、同轴光纤、LED灯16、相机14、蓝色滤光片18、橙色滤光片19、同轴光纤支架LED端17、同轴光纤支架相机端15、光电开关6、光电开关安装支架7、管套4、试管架3、底座8、相机安装支架13。

所述整体支架2为一圆柱体，两侧各有一长方体凸起。整体支架2内部开有步进电机槽，整体支架2与步进电机23通过螺钉连接。整体支架2内部开有若干通孔，该通孔作为温度传感器、硅橡胶加热片、步进电机23以及光电开关电源线的走线孔。整体支架2与光电开关安装支架7也是通过螺纹进行连接。两侧的长方体凸起，一侧作为LED灯16、同轴光纤支架LED 端17、蓝色滤光片18的安装处，另一侧作为相机14、同轴光纤支架相机端15、橙色滤光片 19的安装处，其中整体支架2与同轴光纤支架LED端17、同轴光纤支架相机端15都是通过螺钉进行连接固定。整体支架2的最上端有一凸起，用来安装盒盖1，为整个反应提供一个暗室的环境。

所述盒盖1为一圆柱结构，通过螺钉实现与整体支架2的相连接，为整个反应提供一个黑暗的环境。

所述温度传感器、加热片10利用PID算法共同组成一个恒温加热电路，为整个反应提供合适的温度条件。

所述步进电机23、光电开关6共同组成一个速度控制电路，实现试剂的转移混合以及混匀操作，同时也能够实现试管的初始定位。

所述同轴光纤、LED灯16、CMOS相机、蓝色滤光片18、橙色滤光片19共同组成荧光识别电路，实现最后反应荧光效果的读取。同轴光纤分为激发端、发射端以及同轴端，激发端连接到LED端，同轴端连接试管5处，发射端连接到相机端。LED灯16作为激发光源，在LED端装有一个蓝色滤光片18。相机14作为光源的接收装置，在相机端装有一个橙色滤光片19，实现最终荧光的读取。

所述同轴光纤支架LED端17、同轴光纤支架相机端15都开有一个长方形凹槽以及圆形的凹槽。长方形凹槽实现滤光片的安装，圆形的凹槽方便激发灯源的接收以及最后荧光的读取。同轴光纤支架LED端17、同轴光纤支架相机端15还分别实现同轴光纤激发端B与发射端的安装固定。该支架通过螺纹连接实现与整体支架2的安装固定。

所述光电开关安装支架7通过螺纹连接实现与光电开关6的安装固定，同时对于光电开关安装支架7本身的安装固定也是通过螺纹连接，实现与电机、整体支架2的安装。

所述管套4通过一侧凸起安装在整体支架2上。硅橡胶加热片通过胶粘的方式安装在管套内壁上，同时管套4也实现了同轴光纤的同轴端A的安装。

所述试管架3作为试管5的安装装置，实现八个试管5的安装固定。试管架3固定在电机上，跟随电机进行旋转，实现试管5内部试剂的转移混匀操作。

所述相机安装支架13作为相机14的安装装置，实现CMOS相机的安装固定。相机安装支架13通过螺纹连接固定在整体支架2上。

优选的，所述LED灯16的波长为470nm。

具体的，整体支架2，参见图3，本发明中，所述整体支架2对整个核酸诊断设备的各个零部件起到一个固定支撑作用。所述整体支架2通过螺钉连接固定在底座8上面。所述整体支架2的材质优选为尼龙材料；所述整体支架2优选的采用3D打印工艺制造；

具体的，盒盖1，参见图4。本发明中，所述盒盖1通过与整体支架2铰接，为整个反应营造一个暗室的环境，避免自然光对整个检测反应产生干扰；所述盒盖1通过螺栓与整体支架 2进行连接固定。所述盒盖1的材质优选为尼龙材料；所述盒盖1优选的采用注塑工艺制造。

具体的，温度传感器，本发明中温度传感器分为第一温度传感器11和第二温度传感器，所述第一温度传感器11和第二温度传感器分别能够实时监测管套4内腔的环境温度以及加热片10的温度，并通过PID实时算法维持管套4内腔的环境温度在39摄氏度。第二温度传感器通过胶粘的方式粘贴在硅橡胶加热片上，第一温度传感器11通过胶粘的方式粘贴在管套4的内腔室中。温度传感器优先选用DS18B20温度传感器。

具体的，还包括加热片10，本实施例中采用硅橡胶加热片，本发明中，加热片10能够对管套4所在的腔室环境进行加热，从而为整个反应提供一个合适的温度。加热片10通过胶粘的方式粘贴在管套4内壁中，实现加热片10的安装固定。加热片10优先选用硅橡胶加热片。其中第一温度传感器11通过PID实时算法维持管套4内腔的环境温度在39摄氏度，第一温度传感器11检测到管套4腔室的温度低，加热片10加热，管套4腔室的温度高，停止加热，同时第二温度传感器对于加热片10的加热温度会有一定的限制，两个温度传感器相互搭配，实现一个恒温的功能。

具体的，本发明中，步进电机23通过旋转试管架3，实现将放置在试管5中的RPA试剂与CRISPR试剂的混合以及混匀。如图2所示，其中试管5包括管帽20、反应外管21和反应内管22，试管5均匀的放置在试管架3上。整体支架2内部开有步进电机槽，该槽的大小与步进电机23的大小相适应。步进电机23通过间隙配合以及螺钉连接实现与整体支架2的安装固定。步进电机23的型号优先选用57BYG250B。

具体的，所述核酸诊断设备还包括同轴光纤，参见图7，本发明中，同轴光纤主要的作用是传递LED灯产生的光源以及将试管5处的荧光传递到相机端进行成像，实现八试管核酸的检测。同轴光纤的激发端B、同轴光纤的发射端C分别通过轴孔之间的间隙配合实现与同轴光纤支架LED端17、同轴光纤支架相机端15的安装固定。同轴光纤支架LED端17、同轴光纤支架相机端15的分别开有8个通孔，分别用于嵌装同轴光纤的激发端B和同轴光纤的发射端C。同轴光纤的同轴端A通过轴孔之间的过盈配合实现与管套4的安装固定。管套4上均匀开有八个通孔，为同轴端孔，用于安装同轴光纤的同轴端。同轴光纤优先选用塑料光纤。

具体的，核酸诊断设备还包括LED灯16，本发明中，LED灯16产生检测Fam荧光基团所需要的激发光源，该激发光源由同轴光纤的激发端B传递至同轴光纤的同轴端A即试管5处，然后试管5处的光源则由同轴光纤的同轴端A在传递到同轴光纤的发射端C，然后在由相机对同轴光纤的发射端C进行拍照处理，得到实验结果。所述LED灯16优先选用波长为470nm的光源。

具体的，所述核酸诊断设备还包括相机14，在本实施例中，相机14采用CMOS相机，本发明中，所述CMOS相机对同轴光纤的发射端C产生的荧光现象进行拍照处理，记录相应的实验结果。所述CMOS相机通过螺钉连接实现与相机安装支架13的安装固定，其中，相机安装支架13上设有相机安装凸起，所述相机安装凸起的内腔中可拆卸连接有相机14，相机安装支架 13和相机腔体的一端连接。所述CMOS相机优先选用OV5640相机。

具体的，所述核酸诊断设备包括蓝色滤光片18以及橙色滤光片19，本发明中，所述蓝色滤光片18以及橙色滤光片19可以滤掉其余的散光，保留检测所需波长。所述蓝色滤光片18 以及橙色滤光片19分别安装在同轴光纤支架LED端17、同轴光纤支架相机端15。所述同轴光纤支架LED端17、同轴光纤支架相机端15分别在靠近LED端以及CMOS相机端的一侧开有一长方形凹槽，分别为第一滤光槽和第二滤光槽，该长方形凹槽中心距离LED端以及CMOS相机端的侧边距离为5mm,该长方形凹槽的宽度比滤光片的宽度略宽1mm，同时同轴光纤支架LED 端17、同轴光纤支架相机端15在靠近LED端以及CMOS相机端的一侧另外开有一圆形凹槽，该圆形凹槽靠近LED端以及CMOS相机端打通，其中，同轴光纤支架LED端17上通过激发光源孔打通，LED灯16发出的光源经过激发光源孔送至同轴光纤的激发端B，同轴光纤相机端 15上通过发射孔打通，同轴光纤的发射端C发射的光源经过发射孔送至相机14拍摄处；在远离LED端以及相机端与长方形凹槽远离LED端以及相机端的侧边重合，通过长方形的凹槽实现滤光片的安装固定，通过圆形凹槽实现LED光源透过滤光片到达同轴光纤的激发端，发射端的光源能够透过滤光片到达相机14。所述圆形凹槽的直径比滤光片略小。

具体的，所述核酸诊断设备还包括同轴光纤支架LED端17、同轴光纤支架相机端15，分别参见图11以及图10。本发明中，所述同轴光纤支架LED端17、同轴光纤支架相机端15分别通过上下螺钉连接实现与整体支架2的安装固定。所述同轴光纤支架LED端17，同轴光纤支架相机端15优先选用亚克力板材。所述同轴光纤支架LED端17、同轴光纤支架相机端15优先选用机加工工艺制造。

具体的，所述核酸诊断设备包括光电开关6，本发明中，光电开关6主要负责控制步进电机23的停止，进而实现试管5的初始定位。光电开关6通过螺钉连接实现与光电开关安装支架7的连接固定。所述光电开关安装支架7开有与光电开关6尺寸相匹配的凹槽以及螺纹孔。光电开关优先选用FC-SPX304。

具体的，所述核酸诊断设备包括光电开关安装支架7，参见图6。本发明中，光电开关安装支架7主要实现光电开关6的安装固定。光电开关安装支架7通过螺钉连接实现与整体支架 2的连接。光电开关安装支架7优先选用尼龙材料。所述光电开关安装支架7优先选用机加工工艺制造。

具体的，核酸诊断设备包括管套4，参见图9。本发明中，管套4主要用来实现同轴光纤的同轴端A的安装以及硅橡胶加热片的安装。管套4通过凸起在整体支架2上实现安装固定以及初始定位。整体支架2内部开有与管套4相匹配的圆形凹槽，在圆形凹槽的一侧开有与管套 4相匹配的长方形凹槽，该凹槽与管套4的凸起相适应，两者的配合为间隙配合，通过整体支架2内部的圆形凹槽以及长方形凹槽实现了管套的初始定位。所述管套4优先选用尼龙材料。所述管套4优先选用机加工工艺制造。

具体的，所述核酸诊断设备包括试管架3，参见图8。本发明中，试管架3主要是用来作为试管5的安装装置，并搭配步进电机23实现试管5内部试剂的混合以及混匀。试管架3通过轴孔之间的过盈配合实现与步进电机23的安装固定。试管架3优先选用尼龙材料。所述试管架3优先选用3D打印制造技术制造。其中，包括托盘和传动轴，所述传动轴和托盘一体成型，所述托盘为半圆形结构，所述托盘上设有若干个环形阵列的试管孔，所述试管5穿过试管孔并与试管孔间隙配合，当试管5放置在试管架3上时，托盘外侧的试管5由托盘的圆心向外扩散布置。

具体的，核酸诊断设备包括PCB电路板，本发明中，PCB电路板能够对整个设备的运行进行系统性的控制，具体的，PCB电路板控制光电开关、LED灯、同轴光纤、相机、第一温度传感器、加热片和第二温度传感器，并先通过显示屏实现人机交互。PCB电路板通过螺钉实现与底座上的PCB安装柱12的连接固定。

具体的，所述核酸诊断设备包括显示屏9，本发明中，显示屏9作为人机交互界面，用来实现用户与机器的交流以及最后实验结果的呈现。显示屏9通过间隙配合实现与底座8的安装固定，并使用玻璃胶作为显示屏9以及底座8之间缝隙的填充物以及粘结剂。底座8在正面开有与显示屏9大小相适应的凹槽，用来安装显示屏9。所述显示屏9优先采用七寸Lvds显示屏。

具体的，所述核酸诊断设备包括底座8，参见图5。本发明中，所述底座8主要是用来安装固定PCB电路板以及Lvds显示屏，并对整体支架2起到一个支撑固定作用。所述底座8优先选用尼龙材料。所述底座8优先选用机加工工艺制造。

具体的，所述核酸诊断设备包括相机安装支架13，参见图12。本发明中，相机安装支架 13主要是用来安装固定CMOS相机。相机安装支架13平面有一凸起，该凸起作为CMOS相机的安装位置。所述相机安装支架13通过螺钉连接实现与整体支架2的连接。相机安装支架13 优先选用尼龙材料。相机安装支架13优先选用机加工工艺制造。

本发明还提供了利用所述的核酸诊断设备进行CRISPR分子诊断的方法，包括以下步骤：将CRISPR试剂冻干加入到所述反应外管21，将RPA试剂加入到反应内管22后，盖上管帽20，将试管5放入到核酸诊断设备。核酸诊断设备首先利用内部的加热片10对试管5进行加热，待温度达到特定的温度之后，然后启动温度保持功能，维持恒定的温度保持不变。恒温加热持续20min之后，核酸诊断设备自动启动步进电机23，对试管5进行离心处理，使两种试剂混合，然后再启动步进电机23的正反转，使两种试剂混合均匀。随后步进电机23停止旋转，继续保持核酸诊断设备的恒温功能，然后再等待大约20min后，加热片10停止加热，核酸诊断设备启动荧光识别功能，分别自动打开LED灯16，CMOS相机对试管5进行拍照，然后送至微处理器进行图片处理，得到实验的阴阳性结果。整个过程自动化，无需人工操作，实现了CRISPR 联合RPA技术自动进行核酸检测的创新。

在本发明中，将CRISPR试剂加入到所述反应外管21后，将RPA试剂加入到反应内管22。本发明对所述CRISPR试剂以及RPA试剂的具体组成和浓度没有特殊限定，采用本领域常规的 CRISPR试剂和RPA试剂即可；在本发明中，所述CRISPR试剂的体积优选为20微升进行冻干保存，所选RPA试剂的体积优选为20微升。

在本发明中，将待检测的样本加入到反应内管22中，盖上试管5的管帽20。本发明对所述待检测的样本的种类没有特殊限定，任意种类待检测的样本均可。在本发明中，所述待检测的样本的体积为42微升。

进一步的，所述核酸诊断设备的恒温保持程序优选为36℃～40℃，15～25min，更优选为 39℃，20min；所述离心的转速优选为600～6000rpm，更优选为1000rpm；所述离心的时间优选为5～20s，更优选为10s；所述步进电机23正反转的次数优选为5～10次，时间为2～10s，更优选为6次，5s。

实施例1

本实施例提供的核酸诊断设备具体实现核酸检测的步骤如下：首先将CRISPR试剂以及 RPA试剂按照试管5的要求加入到试管5中，然后将试管5放置到核酸诊断设备中，进行相应的核酸检测。核酸诊断设备通过PCB电路板中的stm32芯片，控制各个核酸诊断设备的各个零部件实现相应的功能。1)首先stm32芯片，控制硅橡胶加热片以及DS18B20温度传感器对试管5进行加热，然后将温度保持在39摄氏度，持续到最后反应结束；2)待对试管5加热20min之后，启动步进电机23以及光电开关6，对试管5进行离心处理，使两种试剂进行混合，然后步进电机23进行正反转，实现两种试剂的混合均匀；3)混匀完成之后，启动荧光识别电路，stm32芯片，打开LED灯16，CMOS相机，同时在搭配蓝色滤光片18，橙色滤光片19，同轴光纤，同轴光纤支架LED端17、同轴光纤支架相机端15，管套4对实验结果进行识别处理，得到靶标的阴阳性结果，然后将结果显示在Lvds显示屏上，以便用户能够方便的得到实验结果。

现以HBV为例，描述本实施例中核酸诊断设备的工作流程。

S1：在试管5中加入配置好的冻干CRISPR反应试剂以及RPA试剂。

S2：将试管5放入到该核酸诊断设备中。

S3：启动核酸诊断设备，设备将自动运行相应的核酸检测程序，在40min内，即可得到核酸靶标的阴阳性结果。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种适用于CRISPR分子诊断技术的一体化核酸检测装置，其特征在于，包括整体支架(2)和同轴光纤，所述整体支架(2)的内腔中转动连接有试管架(3)，所述试管架(3)用于放置试管(5)，所述试管架(3)套设在管套(4)内腔，所述管套(4)的顶部为开口结构，所述管套(4)的内壁上设有第一温度传感器(11)和加热片(10)，所述第一温度传感器(11)用于监测管套(4)内腔的温度，所述加热片(10)用于加热管套(4)内腔的温度；

所述同轴光纤的激发端用于接收激发光源，所述同轴光纤的同轴端穿过管套(4)朝向试管(5)，所述同轴光纤的同轴端用于传递激发光源至试管(5)处并将试管(5)处的光源传递至同轴光纤的发射端，所述同轴光纤的发射端处设有相机(14)，所述相机(14)用于拍摄发射端产生的荧光现象。

2.根据权利要求1所述的一种适用于CRISPR分子诊断技术的一体化核酸检测装置，其特征在于，所述整体支架(2)的内腔中可拆卸连接有步进电机(23)，所述步进电机(23)的输出端和试管架(3)过盈配合；

所述整体支架(2)的内腔中还设有光电开关安装支架(7)，所述光电开关安装支架(7)上设有光电开关(6)，所述光电开关(6)用于控制步进电机(23)的停止。

3.根据权利要求1所述的一种适用于CRISPR分子诊断技术的一体化核酸检测装置，其特征在于，所述试管架(3)包括托盘和传动轴，所述传动轴和托盘一体成型，所述托盘为半圆形结构，所述托盘上设有若干个环形阵列的试管孔，所述试管(5)穿过试管孔并与试管孔间隙配合，当试管(5)放置在试管架(3)上时，托盘外侧的试管(5)由托盘的圆心向外扩散布置。

4.根据权利要求1所述的一种适用于CRISPR分子诊断技术的一体化核酸检测装置，其特征在于，所述管套(4)的顶部和底部均为开口结构，所述管套(4)的侧壁上环形阵列有若干个同轴端孔，所述同轴端孔用于嵌装同轴光纤的同轴端，所述管套(4)的侧壁上还设有凸起；

所述整体支架(2)的内腔中设有圆形凹槽，所述圆形凹槽的一相对侧壁上设有长方形凹槽，所述管套(4)的底部套设在圆形凹槽内，所述凸起伸入在长方形凹槽内；

所述管套(4)的内壁上粘接有第一温度传感器(11)和加热片(10)，所述加热片(10)上粘接有第二温度传感器，所述第二温度传感器用于监测加热片(10)的温度。

5.根据权利要求1所述的一种适用于CRISPR分子诊断技术的一体化核酸检测装置，其特征在于，所述整体支架(2)的一侧设有光源腔体，所述光源腔体的内腔中设有LED灯(16)，所述光源腔体的开口端面安装有同轴光纤支架LED端(17)，所述同轴光纤支架LED端(17)上贯通设置有激发光源孔，所述激发光源孔上嵌装有同轴光纤的激发端，所述LED灯(16)发出的光源经过激发光源孔送至同轴光纤的激发端；

所述同轴光纤支架LED端(17)的侧边设有第一滤光槽，所述第一滤光槽内放置有蓝色滤光片(18)，所述LED灯(16)发出的光源经过蓝色滤光片(18)被同轴光纤的激发端接收。

6.根据权利要求1所述的一种适用于CRISPR分子诊断技术的一体化核酸检测装置，其特征在于，所述整体支架(2)的另一侧还设有相机腔体，所述相机腔体的一端连接有相机安装支架(13)，所述相机安装支架(13)上设有相机安装凸起，所述相机安装凸起的内腔中可拆卸连接有相机(14)；

所述相机腔体的另一端安装有同轴光纤支架相机端(15)，所述同轴光纤相机端(15)上贯通设有发射孔，所述发射孔上嵌装有同轴光纤的发射端，所述同轴光纤的发射端发射的光源经过发射孔送至相机(14)拍摄处；

所述同轴光纤支架相机端(15)的侧边设有第二滤光槽，所述第二滤光槽内放置有橙色滤光片(19)，所述橙色滤光片(19)位于相机(14)和同轴光纤的发射端之间。

7.根据权利要求1所述的一种适用于CRISPR分子诊断技术的一体化核酸检测装置，其特征在于，所述整体支架(2)的底部还连接有底座(8)，所述底座(8)的内腔中设有PCB电路板，所述PCB电路板用于控制试管架(3)转动、加热片温度以及相机(14)的启动和关闭，所述PCB电路板还用于接收第一温度传感器(11)的检测信号，所述底座(8)的外壁上连接有显示屏(9)，所述显示屏(9)用于与PCB电路板完成人机交互。

8.根据权利要求1所述的一种适用于CRISPR分子诊断技术的一体化核酸检测装置，其特征在于，所述整体支架(2)的顶部开口处铰接有盒盖(1)。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种适用于CRISPR分子诊断技术的一体化核酸检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：所述试管(5)包括反应外管(21)和套设在反应外管(21)中的反应内管(22)，所述反应外管(21)和反应内管(22)的开口盖合有管帽(20)；

将CRISPR试剂冻干加入到反应外管(21)，将RPA试剂加入到反应内管(22)后，盖上管帽(20)，反应外管(21)和试管架(3)间隙配合，

通过加热片(10)对管套(4)内腔进行加热，待达到恒温温度时，保持恒温加热并在恒温加热后转动试管架(3)进行离心处理，离心处理结束后，通过对试管架(3)进行正反转实现试管(5)内试剂的混合均匀，继续以恒温温度加热，待恒温加热停止后，同轴光纤的激发端接收激发光源，同轴光纤的激发端传输激发光源至同轴光纤的同轴端，同轴光纤的同轴端基于激发光源接收试管(5)处的光源，同轴光纤的同轴端向同轴光纤的发射端发射试管(5)处的光源，相机(14)拍摄同轴光纤的发射端的荧光现象，对相机(14)拍摄的荧光现象进行图片处理，得到试剂的阴阳性结果，完成一体化核酸检测。

10.根据权利要求9所述的一种适用于CRISPR分子诊断技术的一体化核酸检测装置的检测方法，其特征在于，所述CRISPR试剂的体积为20微升进行冻干保存，所述RPA试剂的体积为20微升；

所述恒温温度为36～40℃，所述恒温温度的持续时间为15～25min；

离心处理的转速为600～6000rpm，离心处理的时间为5～20s；

试管架(3)正转一圈以及反转一圈为一次，试管架(3)的正反转次数为5～10次，正反转的持续时间为2～10s。

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