CN114100722A - 便携式全自动核酸恒温扩增装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种便携式全自动核酸恒温扩增装置，包括装置外壳，装置外壳具有能够容纳微流控芯片的容纳腔，容纳腔具有进出口，进出口处设有门体组件，容纳腔内设有加热组件、运动组件，加热组件用于对微流控芯片提供恒温加热，运动组件包括两个彼此独立可控的升降驱动组件，两个升降驱动组件能够分别一一对应地驱动微流控芯片具有的第一活塞推杆、第二活塞推杆上下直线运动。本发明能够实现生物样本的全自动化操作，免去人员频繁手动操作有效杜绝操作失误导致的结果不准确的隐患，同时采用运动组件驱动活塞推杆能够精确掌握其行程、操控力度统一一致，使微流控芯片内部流体压力相对均衡，不易产生气泡。
Description
技术领域
本发明属于微流控芯片核酸恒温扩增设备设计技术领域，具体涉及一种便携式全自动核酸恒温扩增装置。
背景技术
目前国内外已经开发出不少自动化检测平台，如核酸提取仪、核酸杂交仪、化学发光仪等，这些自动化检测平台只能在实验室环境完成分子诊断流程中的某一步骤，很少有能够直接应用于病原体现场检测的小型化便携式检测平台。一些国外的产品像GeneXpert、FilmArray等，虽然其实现了全自动化核酸检测，但是其系统复杂、价格高昂，并不适合大规模的推广。针对传染性极强的疾病，非常需要一种操作简单、系统简单有效的核酸检测系统。专利申请号为CN2020104472011的专利文件公开了一种一体化自助式核酸检测装置，其本质上是一个手持式卡盒，从而多次手动操作，因此操作相对繁琐、活塞推杆的行程难以精确掌握；另外，手动操作的操控力度不统一、一致性差，使微流控芯片内部流体压力过大或过小，容易产生气泡，同时还存在操作失误导致结果不准确的隐患。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种便携式全自动核酸恒温扩增装置，能够实现生物样本的全自动化操作，免去人员频繁手动操作有效杜绝操作失误导致的结果不准确的隐患，同时采用所述运动组件驱动活塞推杆能够精确掌握其行程、操控力度统一一致，使微流控芯片内部流体压力相对均衡，不易产生气泡。
为了解决上述问题，本发明提供一种便携式全自动核酸恒温扩增装置，包括装置外壳，所述装置外壳具有能够容纳微流控芯片的容纳腔，所述容纳腔具有进出口，所述进出口处设有门体组件，所述容纳腔内设有加热组件、运动组件，所述加热组件用于对所述微流控芯片提供恒温加热，所述运动组件包括两个彼此独立可控的升降驱动组件，两个所述升降驱动组件能够分别一一对应地驱动所述微流控芯片具有的第一活塞推杆、第二活塞推杆上下直线运动。
在一些实施方式中，所述升降驱动组件包括驱动电机，所述驱动电机的回转丝杆上螺纹连接有运动块，所述运动块能够在所述回转丝杆旋转时上下直线运动，所述运动块上具有与所述第一活塞推杆或者第二活塞推杆连接的连接筒。
在一些实施方式中，所述运动组件还包括固定框架，两个所述升降驱动组件通过分别具有的所述驱动电机固定连接于所述固定框架内；和/或，邻近两个所述升降驱动组件分别具有的所述运动块处分别各设有一个位移传感器。
在一些实施方式中，所述加热组件包括承载框，所述门体组件包括门板，所述承载框连接于所述门板的内侧并与所述门板一起形成对所述微流控芯片的固定空间。
在一些实施方式中，所述承载框的底部设有加热件；和/或，所述加热组件还包括温度传感器。
在一些实施方式中，所述门体组件的外侧设置有交互组件，所述交互组件包括安装壳体，所述安装壳体上设置有检测按键、功能按键、多个指示灯，和 /或，所述安装壳体内设有喇叭。
在一些实施方式中，所述容纳腔内还设有主板组件，其与所述运动组件、加热组件、交互组件控制连接；和/或，还包括电源组件用于给所述便携式全自动核酸恒温扩增装置供电。
在一些实施方式中，所述门板的底部与所述装置外壳之间枢转连接，所述门板的底部与所述装置外壳之间设有磁吸组件，所述磁吸组件包括电磁铁，所述电磁铁被配置为在其断电时，所述磁吸组件丧失吸合能力，在其得电时，所述磁吸组件具备吸合能力。
在一些实施方式中，所述磁吸组件还包括铁块，所述铁块与所述电磁铁之一设于所述门板上，另一设于所述装置外壳上。
在一些实施方式中，所述门板的底部与所述装置外壳之间还设有弹簧。
本发明提供的一种便携式全自动核酸恒温扩增装置，所述微流控芯片被放置于所述容纳腔内，能够在所述运动组件的驱动作用下实现所述微流控芯片内的样本及其与试剂混合液在所述微流控芯片内的不同腔体内的转移、混合，通过所述加热组件实现对所述微流控芯片的恒温加热，从而能够实现生物样本的全自动化操作，免去人员频繁手动操作有效杜绝操作失误导致的结果不准确的隐患，同时采用所述运动组件驱动活塞推杆能够精确掌握其行程、操控力度统一一致，使微流控芯片内部流体压力相对均衡，不易产生气泡。
附图说明
图1为本发明实施例的便携式全自动核酸恒温扩增装置的分解结构示意图；
图2为图1中的便携式全自动核酸恒温扩增装置的组装结构示意图，图中示出门体组件处于打开状态；
图3为图1中的运动组件的结构示意图；
图4为图1中的门体组件处于打开状态时的截面图；
图5为图1中的门体组件处于闭合状态时的截面图；
图6为图1中的微流控芯片与加热组件组装后的示意图；
图7为图1中的微流控芯片的分解结构示意图；
图8为图1中的交互组件的结构示意图。
附图标记表示为：
1、交互组件；11、安装壳体；12、检测按键；13、功能按键；14、指示灯；15、喇叭；2、门体组件；21、门板；22、电磁铁；23、铁块；24、弹簧； 3、加热组件；31、承载框；32、加热件；33、温度传感器；4、前壳；5、主板组件；6、运动组件；61、驱动电机；62、运动块；621、连接筒；63、回转丝杆；64、固定框架；65、位移传感器；7、后壳；8、电源组件；100、微流控芯片；101、第一活塞推杆；102、第二活塞推杆；103、芯片前壳；104、胶塞；105、第一密封塞；106、第二密封塞；107、芯片后壳；108、试剂存储层； 109、显色区域；110、弹性胶带层；111、流体管道层。
具体实施方式
结合参见图1至图8所示，根据本发明的实施例，提供一种便携式全自动核酸恒温扩增装置，包括装置外壳，所述装置外壳具有能够容纳微流控芯片100 的容纳腔，所述容纳腔具有进出口，所述进出口处设有门体组件2，所述门体组件2用于打开或者关闭所述进出口，所述容纳腔内设有加热组件3、运动组件6，所述加热组件3用于对所述微流控芯片100提供恒温加热，所述运动组件6包括两个彼此独立可控的升降驱动组件，两个所述升降驱动组件能够分别一一对应地驱动所述微流控芯片100具有的第一活塞推杆101、第二活塞推杆102上下直线运动。该技术方案中，所述微流控芯片100被放置于所述容纳腔内，能够在所述运动组件6的驱动作用下实现所述微流控芯片100内的样本及其与试剂混合液在所述微流控芯片100内的不同腔体内的转移、混合，通过所述加热组件3实现对所述微流控芯片100的恒温加热，从而能够实现生物样本的全自动化操作，免去人员频繁手动操作有效杜绝操作失误导致的结果不准确的隐患，同时采用所述运动组件6驱动活塞推杆能够精确掌握其行程、操控力度统一一致，使微流控芯片100内部流体压力相对均衡，不易产生气泡。另外，在一个具体的实施例中其外形尺寸为140mm*110mm*200mm，体积较小、方便携带。
所述装置外壳具体由前壳4与后壳7相互扣合形成，以利于所述运动组件6 在所述容纳腔内的组装，同时形成一个相对密闭的空间并对处于所述容纳腔内的各部件形成保护。
作为一种具体的实现方式，所述升降驱动组件包括驱动电机61(也称丝杆电机)，所述驱动电机61的回转丝杆63上螺纹连接有运动块62，所述运动块62能够在所述回转丝杆63旋转时上下直线运动，所述运动块62上具有与所述第一活塞推杆101或者第二活塞推杆102连接的连接筒621，通过供电于所述驱动电机61实现所述第一活塞推杆101及第二活塞推杆102的自动推拉，控制精确。
所述运动组件6还包括固定框架64，其组装于所述容纳腔内，两个所述升降驱动组件通过分别具有的所述驱动电机61固定连接于所述固定框架64内，保证位置的可靠性；邻近两个所述升降驱动组件分别具有的所述运动块62处分别各设有一个位移传感器65，以能够对所述运动块62也即相应的第一活塞推杆101及第二活塞推杆102的具体行程进行检测、反馈，进一步保证样本及试剂混合液的定量转移。
所述加热组件3包括承载框31，所述门体组件2包括门板21，所述承载框 31连接于所述门板21的内侧并与所述门板21一起形成对所述微流控芯片100 的固定空间，将所述门板21的内侧面作为所述微流控芯片100的一个定位面，使所述装置的内部结构紧凑、合理，能够使所述装置的体积设计的更小，利于便携性的进一步提升。所述承载框31的底部设有加热件32，所述加热件32 例如可以为电阻丝、电热膜等发热部件，所述加热组件3还包括温度传感器33，能够检测所述加热件32的实时加热温度，以保证所述加热组件3加热恒定。
所述门体组件2的外侧设置有交互组件1，用户通过所述交互组件1实现对所述便携式全自动核酸恒温扩增装置的运行控制以及信息的交互。具体的，所述交互组件1包括安装壳体11，所述安装壳体11上设置有检测按键12、功能按键13、多个指示灯14，和/或，所述安装壳体11内设有喇叭15。具体的，多个所述指示灯14(在一个具体的实施例中为六个)可以分别被配置成闪亮、常亮、关闭三种状态，从而可以通过多个指示灯之间的状态组合实现不同的状态的指示效果，同时还能够提升装置的外观美感；所述功能按键13可以根据实际的需求对其功能进行配置，例如当用户按压其时能够开关仓门等，所述检测按键12则可以对生物样本的检测过程进行控制，例如开启检测进程等；所述喇叭15是为了人机交互设置，在不同的状态，播放不同的语音，给操作人员提示作用。
在一些实施方式中，所述容纳腔内还设有主板组件5，其与所述运动组件6、加热组件3、交互组件1控制连接，以能够控制所述加热组件3的恒温加热过程，所述运动组件6的上下运动的驱动过程等，从而使所述装置的控制部件能够集成于一体，例如精简所述装置的结构。
所述便携式全自动核酸恒温扩增装置还包括电源组件8用于给所述便携式全自动核酸恒温扩增装置供电，具体的，采用现有适配器电源，为仪器提供电能，并实现电压转换。
在一些实施方式中，所述门板21的底部与所述装置外壳之间枢转连接，所述门板21的底部与所述装置外壳之间设有磁吸组件，所述磁吸组件包括电磁铁22，所述电磁铁22被配置为在其断电时，所述磁吸组件丧失吸合能力，在其得电时，所述磁吸组件具备吸合能力，如此实现了所述门体组件的可控开闭。该技术方案中，与现有技术中的得电电磁铁的开闭原理相反，采用断电电磁铁作为保持闭合元件，能够在所述便携式全自动核酸恒温扩增装置的长时间的运行过程中断开对所述磁吸组件的供电，而仅在需要取出所述微流控芯片100观察检测结果或者放入微流控芯片100时(也即需要打开所述门体组件2)短时间使电磁铁22得电，有效克服现有技术中在装置运行过程中需要一直通电的不足，有效降低能耗，并能够延长电磁铁22的使用寿命。另外，相对于现有技术中得电闭合失电打开的磁吸组件，本发明中的磁吸组件无需高精度配合、结构小巧。具体的，所述磁吸组件还包括铁块23，所述铁块23与所述电磁铁 22之一设于所述门板21上，另一设于所述装置外壳上。
最好的，所述门板21的底部与所述装置外壳之间还设有弹簧24，具体例如扭簧，其能够同时施力于所述门板21的底部与所述装置外壳之间，当所述磁吸组件不具备吸合能力时，所述弹簧24能够在其弹性力的作用下将所述门板 21弹开，无需操作人员施力于门板21上去打开。
参见图7所示，本发明的微流控芯片中芯片前壳103和芯片后壳107整体保护支撑内部芯片，所述第一活塞推杆101及第二活塞推杆102下带胶塞，能够推动试剂在试剂存储层108内流动，胶塞104在加入样本后密封芯片。第一密封塞105及第二密封塞106把试剂存储层108的区域密封，所述试剂存储层 108具有试剂存储腔室，以进行试剂存储，其中有两个用于提供推杆活动空间。所述试剂存储层108的底部与流体管道层111之间设置弹性胶带层110，其选用双面胶基材，对流体管道层111和试剂存储层108进行粘接，以封装芯片。通过局部单向阀控制试剂流动方向，以配合流体管道层111以对试剂进行定向微量操作。所述流体管道层111具有流体管道，可对试剂进行微量操作，具有反应腔室，可供核酸扩增腔室以对核酸进行扩增。显色区域109具有显色试纸，能够呈现最终的检测结果。
微流控芯片100的运作流程如下：将样本加入样本孔中，将胶塞104塞入，样本会进入到相应的腔室中。先上拉动第一活塞推杆101，样本液体会从前述腔室通过弹性胶带层110的单向阀进入到流体管道层111的腔室内。试剂在腔室受到加热并发生化学反应。再向下推动第一活塞推杆101液体通过弹性胶带层110的单向阀进入试剂存储层另一存储腔室中。再向上推动第二活塞推杆 102液体从前述存储腔室通过弹性胶带层110单向阀进入流体管道层111的另一腔室中，试剂在另一腔室受到加热并发生化学反应。再向下推动第二活塞推杆102液体通过弹性胶带层110单向阀进入废液区(回收腔室)和显色区域109。显色区域109的试纸条遇到试剂开始显色。读取试纸条显色状态判断结果。
以下对本发明的便携式全自动核酸恒温扩增装置的运行过程进一步阐述：
将含有样本以及裂解液的生物检测芯片(也即前述的微流控芯片100)放入装置中，按下启动键(也即检测按键12)，加热组件3对生物检测芯片预热，达到设定温度后，对应第一活塞推杆101的驱动电机61运行，相应的运动块 62向上运动，带动生物检测芯片的第一活塞推杆101向上运动，液体进入反应腔与干粉混合，运动块62达到设定位置后停止。保持一段时间后，驱动电机 61运行，对应的运动块62向下运动，带动生物检测芯片第一活塞推杆101向下运动，达到设定位置停止，液体进入另一个反应腔室，与腔室内液体混合。之后与第二活塞推杆102对应的驱动电机61运行，相应的运动块62向上运动，带动生物检测芯片第二活塞推杆102向上运动，达到设定位置后停止，使液体进入新的反应腔室，液体和试剂进行混合。一段时间后，驱动电机61运行，运动块62向下运动，带动生物检测芯片第二活塞推杆102向下运动，液体进入显色反应腔室，试纸条开始显色。一段时间后，试纸条显色过程完毕，两个驱动电机61分别运行，驱动两个运动块62带动芯片第一活塞推杆101及第二活塞推杆102回到初始位置。按下开关(也即功能按键13)打开门板21，拿出生物芯片观察试纸条读出结果。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种便携式全自动核酸恒温扩增装置，其特征在于，包括装置外壳，所述装置外壳具有能够容纳微流控芯片(100)的容纳腔，所述容纳腔具有进出口，所述进出口处设有门体组件(2)，所述容纳腔内设有加热组件(3)、运动组件(6)，所述加热组件(3)用于对所述微流控芯片(100)提供恒温加热，所述运动组件(6)包括两个彼此独立可控的升降驱动组件，两个所述升降驱动组件能够分别一一对应地驱动所述微流控芯片(100)具有的第一活塞推杆(101)、第二活塞推杆(102)上下直线运动。
2.根据权利要求1所述的便携式全自动核酸恒温扩增装置，其特征在于，所述升降驱动组件包括驱动电机(61)，所述驱动电机(61)的回转丝杆(63)上螺纹连接有运动块(62)，所述运动块(62)能够在所述回转丝杆(63)旋转时上下直线运动，所述运动块(62)上具有与所述第一活塞推杆(101)或者第二活塞推杆(102)连接的连接筒(621)。
3.根据权利要求2所述的便携式全自动核酸恒温扩增装置，其特征在于，所述运动组件(6)还包括固定框架(64)，两个所述升降驱动组件通过分别具有的所述驱动电机(61)固定连接于所述固定框架(64)内；和/或，邻近两个所述升降驱动组件分别具有的所述运动块(62)处分别各设有一个位移传感器(65)。
4.根据权利要求1所述的便携式全自动核酸恒温扩增装置，其特征在于，所述加热组件(3)包括承载框(31)，所述门体组件(2)包括门板(21)，所述承载框(31)连接于所述门板(21)的内侧并与所述门板(21)一起形成对所述微流控芯片(100)的固定空间。
5.根据权利要求4所述的便携式全自动核酸恒温扩增装置，其特征在于，所述承载框(31)的底部设有加热件(32)；和/或，所述加热组件(3)还包括温度传感器(33)。
6.根据权利要求1所述的便携式全自动核酸恒温扩增装置，其特征在于，所述门体组件(2)的外侧设置有交互组件(1)，所述交互组件(1)包括安装壳体(11)，所述安装壳体(11)上设置有检测按键(12)、功能按键(13)、多个指示灯(14)，和/或，所述安装壳体(11)内设有喇叭(15)。
7.根据权利要求6所述的便携式全自动核酸恒温扩增装置，其特征在于，所述容纳腔内还设有主板组件(5)，其与所述运动组件(6)、加热组件(3)、交互组件(1)控制连接；和/或，还包括电源组件(8)用于给所述便携式全自动核酸恒温扩增装置供电。
8.根据权利要求4所述的便携式全自动核酸恒温扩增装置，其特征在于，所述门板(21)的底部与所述装置外壳之间枢转连接，所述门板(21)的底部与所述装置外壳之间设有磁吸组件，所述磁吸组件包括电磁铁(22)，所述电磁铁(22)被配置为在其断电时，所述磁吸组件丧失吸合能力，在其得电时，所述磁吸组件具备吸合能力。
9.根据权利要求8所述的便携式全自动核酸恒温扩增装置，其特征在于，所述磁吸组件还包括铁块(23)，所述铁块(23)与所述电磁铁(22)之一设于所述门板(21)上，另一设于所述装置外壳上。
10.根据权利要求8所述的便携式全自动核酸恒温扩增装置，其特征在于，所述门板(21)的底部与所述装置外壳之间还设有弹簧(24)。
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