CN114107017B - 一种基于rna类病毒检测的无极检测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于RNA类病毒检测的无极检测设备，包括：医用紫外线消毒灯、升降杆、反应池盖、金属样液反应槽、反应托盘、金电极、石英晶片、铜导线、控制模块、振荡电路和智能触摸屏；金电极的顶部环形金电极设置在测反应池盖的底部，金电极的底部圆形金电极设置在反应托盘的顶部，石英晶片设置在金属样液反应槽内，位于顶部环形电极与底部圆形电极之间，且不与顶部环形电极以及底部圆形电极接触。本发明可实现高精度快速便携检测，扩大压电传感芯片的质量检测范围，减少待测样液对金电极的腐蚀，延长芯片的使用寿命，为类病毒的检测提供反应迅速、稳定性更高的无极检测设备率。
Description
技术领域
本发明涉及RNA类病毒的核酸检测技术领域，具体涉及一种基于RNA类病毒检测的无极检测设备。
背景技术
现有的病毒检测技术多依靠病毒核酸的RT-PCR检测，或是根据病毒的同源性，通过病毒基因测序与已知的RNA类病毒基因片段进行对比来作为临床诊断的一项重要依据。但是常规检测病毒的方法具有灵敏性较低、耗时耗材、步骤繁琐等不足。而且用于病毒分子检测的有极结构的压电传感芯片，其金电极会大面积与待测样液接触，极易受到腐蚀，在分子检测过程中由于金电极本身也具有较大质量，同时金电极远低于石英晶片的Q值，导致压电传感芯片的质量检测范围减少，检测过程中检测精度低、芯片利用率低、设备使用寿命减少等问题。
新冠病毒检测设备及其检测光纤制备方法(CN112345461A)专利中所提到的病毒检测设备可以降低病毒检测难度和提高检测效率，但是整个检测设备是由光源、偏振控制装置、检测光纤以及光谱仪4个装置共同组成，设备组成复杂，不利于应对突发传染病卫生事件的紧急外地支援活动；而且该设备并不含有实时控制温度的装置，在病毒检测时需要人为控制检测环境与温度。
一种基于新冠类RNA病毒检测的无极小型化测量装置(CN113281393A)专利中采用的是多个单一的样品池排列组合成检测平台的形式，在实际实验过程中存在着用于连接压电传感检测芯片的铜导电贴片极易磨损，影响检测灵敏度的问题；而且样品测量池与放置测量池腔体内壁上的导电贴片经过多次的抽放后，会出现接触不良的现象，同时整个检测设备不含自主消毒装置，需要人为进行设备消毒，增加了操作人员的安全风险。
发明内容
本发明提供了一种基于RNA类病毒检测的无极检测设备，以解决现有技术中RNA类病毒核酸检测技术中检测耗时长、精度低、电极易腐蚀、重复性差、设备使用寿命减少的问题。
本发明提供了一种基于RNA类病毒检测的无极检测设备，包括：设备外壳、升降杆、LED光源、反应池盖、金属样液反应槽、圆形石英玻璃、石英晶片、环形金电极、圆形金电极、医用紫外条消毒灯、控制模块、振荡电路模块、智能触摸屏、反应托盘；
所述LED光源设置于所述设备外壳的内顶壁上；所述升降杆的基座与所述设备外壳的内顶壁固定连接，所述升降杆的顶杆与所述反应池盖固定连接，所述升降杆带动所述反应池盖在所述设备外壳内上下运动；所述反应池盖水平设置于所述设备外壳内，所述反应池盖与所述设备外壳的内地板之间依次水平设置金属样液反应槽、反应托盘；所述金属样液反应槽、反应托盘均可沿水平方向抽出、插入所述设备外壳内；所述医用紫外条消毒灯设置于所述设备外壳的内侧壁上；所述智能触摸屏、控制模块、振荡电路模块均设置于所述设备外壳的外壁上；所述金属样液反应槽上设有阵列排布的圆柱形腔室，所述圆柱形腔室底部设有石英晶片，供病毒样液检测；所述反应池盖、反应托盘上均设有阵列排布的圆柱形腔室，所述圆柱形腔室内均设有圆形石英玻璃；所述金属样液反应槽上的圆柱形腔室的排布方式与所述反应池盖、反应托盘上的圆柱形腔室的排布相同；所述环形金电极通过蒸镀法固定于所述反应池盖中的圆形石英玻璃的下表面；所述圆形金电极通过蒸镀法固定于所述反应托盘中的圆形石英玻璃的上表面；所述控制模块分别与所述振荡电路模块、升降杆连接；所述振荡电路分别与所述反应池盖、反应托盘连接，驱动所述石英晶片振荡。
进一步地，所述一种基于RNA类病毒检测的无极检测设备还包括：密封圈；所述石英晶片通过上、下两层所述密封圈夹持固定于所述圆柱形腔室内。
进一步地，所述升降杆的材料为碳纤维材料。
进一步地，所述石英晶片为AT切型压电石英晶片。
进一步地，所述圆形金电极到所述石英晶片的距离范围为大于2mm，小于3mm；所述环形金电极到所述石英晶片的距离范围为大于5mm，小于6mm。
进一步地，所述环形金电极、圆形金电极的表面涂覆有绝缘保护层，所述绝缘保护层的材料中包括聚四氟乙烯或聚乙烯。
进一步地，所述金属样液反应槽的圆柱形腔室的深度范围为大于3mm，小于4mm；所述反应池盖的厚度为大于7mm，小于8mm；所述反应托盘的厚度为大于9mm，小于10mm。
本发明的有益效果：
1.本发明采用了分层结构，将原有的无极样品测量池拆分成三层升降抽拉式结构，即金属样液反应槽、反应池盖和反应托盘，反应池盖采用升降式，反应托盘与金属样液反应槽采用抽拉式，并在金属样液反应槽内布置阵列式结构的圆柱形腔室，用于样液的检测，使得检测设备操作更加便捷，避免了金电极与样液接触，延长设备的使用寿命。
2.本发明用于病毒检测的压电芯片设计成无极结构，即在有极结构的基础上，将上下表面的金电极脱离石英晶片组装到上下石英玻璃视窗上，减少样液对金电极的腐蚀，还减小了石英晶片表面质量载荷，提高了压电传感器的质量测量范围，也有利于提高传感器的Q值，使检测精度更高。
3.本发明采用一种新型无极压电传感检测芯片，相比于传统的RNA类病毒的PCR荧光标记等生物化学检测方法，该无极结构的芯片可提供一种免标记的检测方法，简化了恒温扩增、荧光标记的步骤，避免荧光信号淬灭情况发生，并极大缩短了检测时间。而且采用的QCM的检测限达到ng级别，检测精度更高。
4.本发明将多个模块集成于同一基底，形成集成化双技术融合、光电结合的化学反应检测系统，具有节省样液、操作方便、检测耗时短、精度高、便携的生物医学检测技术优势。
5.本发明采用QCM-LSPR双技术压电传感检测芯片，即光电结合的方法进行RNA类病毒的检测与初筛，将一体化无极小型化检测样品测量池拆分成三层抽拉式检测托盘，直接将用于连接各控制模块的铜导线从托盘的外部引出，避免了铜导线与样液的接触，进一步增强检测灵敏度，延长设备的使用寿命；同时注入待测样液时，仅需要将反应托盘抽出即可，更加便于操作，节省检测时间；在检测腔内壁安装紫外线消毒灯，反应池盖上方安装升降装置，通过自动化智能设备来控制样液检测腔室的密闭情况，减少了检测人员与待测病毒的接触，进一步保障检测人员的安全。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1是本发明具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种基于RNA类病毒检测的无极检测设备，如图1所示，包括：设备外壳1、升降杆2、LED光源3、反应池盖4、金属样液反应槽5、圆形石英玻璃6、密封圈7、石英晶片8、环形金电极9、圆形金电极10、铜导线11、绝缘保护层12、医用紫外条消毒灯13、控制模块14、振荡电路15、智能触摸屏16、固定卡槽17、反应托盘18；设备外壳1和升降杆2的材料优选碳纤维，具有耐磨、耐高温、耐腐蚀的作用；升降杆2固定在反应池盖4的上表面，用于控制反应池盖与金属样液反应槽的组合；LED光源3安装在反应池盖4的池盖顶部，为压电芯片的使用提供光源；反应池盖4和金属样液反应槽5通过固定卡槽17组合，构成完整的圆柱形腔室结构，金属样液反应槽5中内含阵列式圆柱形腔室，用于组装石英晶片以及用于RNA病毒样液的检测，反应池盖4和金属样液反应槽5的材料优选铝，起传热作用；反应池盖4、反应托盘18和金属样液反应槽5的厚度经过优化处理：金属样液反应槽5的圆柱形腔室的深度范围为大于3mm，小于4mm；反应池盖4的厚度为大于7mm，小于8mm；反应托盘18的厚度为大于9mm，小于10mm，在满足两金电极的放置距离要求的同时，用于滴加检测检测样液的体积更小，有利于节省样液；反应池盖4和反应托盘18中间嵌入与金属样液反应槽5中阵列式圆柱形腔室结构对应的圆形石英玻璃6，环形金电极9通过蒸镀法固定于反应池盖4中嵌入的圆形石英玻璃6的下表面，圆形金电极10通过蒸镀法固定于反应托盘18中嵌入的圆形石英玻璃6的上表面，两个电极优先选用金材料，相比其它金属材料导电性更好，化学稳定性更强；环形金电极9和圆形金电极10表面都涂覆有绝缘保护层12，防止电极发生漏电和腐蚀；金属样液反应槽5的底部嵌入有石英晶片8。
两个金电极都从石英晶片8表面剥离开，分别制作于反应池盖4和反应托盘18的圆形石英玻璃6上，两个金电极与金属样液反应槽5的圆柱形腔室的圆心在同一条轴条上，金电极脱离石英晶片8有助于减少样液检测或者清洗压电传感芯片过程中化学物质对金电极的腐蚀，同时检测不同RNA病毒仅需更换石英晶片，成本更低；金电极到石英晶片的距离都经过优化处理：圆形金电极到所述石英晶片的距离范围为大于2mm，小于3mm；环形金电极到石英晶片的距离范围为大于5mm，小于6mm，经试验验证所在距离范围内金电极的传导的检测信号更加稳定，通过振荡电路15在金电极上施加一定频率的正弦波激励信号，可在金属样液反应槽5空间内产生激励电场，促使石英晶片8发生振荡，产生振荡频率信号，通过控制模块14中的采集电路采集振荡频率信号，用于RNA类病毒检测；圆形石英玻璃6表面蒸镀有镉或者钛金材料用于增加金电极的附着力；两个电极通过铜导线11与振荡电路15相连。
医用紫外线消毒灯13安装于设备外壳1的侧壁，用于样液反应结束后，检测腔内的灭菌消毒处理；智能触摸屏16安装于设备外壳外壁，通过导线与控制模块14相连，用于实时显示采集频率变化，具有人机交互的智能操作功能。反应池盖4通过固定卡槽17连接金属样液反应槽5，通过卡槽固定使拆卸更加方便，密封性好；石英晶片8上下表面组装有密封圈7，将病毒样液更好的密封在金属样液反应槽5的圆柱形反应腔室内；由于石英晶片质地较脆，密封圈7有助于减小对石英晶片的压力；反应托盘18固定于设备外壳内的下壁上，通过固定卡槽17与金属样液反应槽5紧密组合，此处固定卡槽采用抽拉式结构，便于检测过程的操作。
用于放置三层反应托盘进行检测样液的整个检测室的高度为15cm，宽为10cm，长为20cm。检测设备整体的长为25cm，宽为18cm，高为20cm。将所有控制模块集成于一体，构成智能化病毒检测设备，设备整体体积小，有利于应对突发性公共卫生安全事件的快速外地支援。
无极结构式压电传感芯片的核心部件是石英晶片，本设备通过信号激励的方法使石英晶片在奇次谐波下发生共振，产生振荡频率；在石英晶片表面修饰上与RNA类病毒序列相匹配的特异性结合的引物探针，将样液注入金属样液反应槽的阵列式圆柱形反应腔体内，样液中的RNA病毒分子与引物探针发生特异性结合，会使石英晶片表面的质量增加，导致石英晶片振荡频率下降，频率变化和吸附质量的数学关系满足以下方程：
公式中f0是石英晶片的基频，Δm是石英晶片上吸附的RNA分子的质量变化，S是金电极的有效面积，ηL是液体粘度，ρL是液体密度。
环形金电极的中空区域和石英玻璃圆片均可透光，LED光源可从透光区域入射到石英晶片上，联用LSPR技术可同步检测表面等离子体共振光电信号，提供吸附RNA分子膜的厚度、密度、质量等多种参数。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (4)
1.一种基于RNA类病毒检测的无极检测设备，其特征在于，包括：设备外壳、升降杆、LED光源、反应池盖、金属样液反应槽、圆形石英玻璃、AT切型压电石英晶片、环形金电极、圆形金电极、医用紫外条消毒灯、控制模块、振荡电路模块、智能触摸屏、反应托盘；
所述LED光源设置于所述设备外壳的内顶壁上；所述升降杆的基座与所述设备外壳的内顶壁固定连接，所述升降杆的顶杆与所述反应池盖固定连接，所述升降杆带动所述反应池盖在所述设备外壳内上下运动；所述反应池盖水平设置于所述设备外壳内，所述反应池盖与所述设备外壳的内地板之间依次水平设置金属样液反应槽、反应托盘；所述金属样液反应槽、反应托盘均可沿水平方向抽出、插入所述设备外壳内；所述医用紫外条消毒灯设置于所述设备外壳的内侧壁上；所述智能触摸屏、控制模块、振荡电路模块均设置于所述设备外壳的外壁上；所述金属样液反应槽上设有阵列排布的圆柱形腔室，所述圆柱形腔室底部设有AT切型压电石英晶片，供病毒样液检测；所述反应池盖、反应托盘上均设有阵列排布的圆柱形腔室，所述圆柱形腔室内均设有圆形石英玻璃；所述金属样液反应槽上的圆柱形腔室的排布方式与所述反应池盖、反应托盘上的圆柱形腔室的排布相同；所述环形金电极通过蒸镀法固定于所述反应池盖中的圆形石英玻璃的下表面；所述圆形金电极通过蒸镀法固定于所述反应托盘中的圆形石英玻璃的上表面；所述控制模块分别与所述振荡电路模块、升降杆连接；所述振荡电路分别与所述反应池盖、反应托盘连接，所述振荡电路在环形金电极上施加一定频率的正弦波激励信号，可在金属样液反应槽空间内产生激励电场，促使AT切型压电石英晶片发生振荡，产生振荡频率信号；AT切型压电石英晶片面修饰有与RNA类病毒序列相匹配的特异性结合的引物探针，
其中，所述圆形金电极到所述AT切型压电石英晶片的距离范围为大于2mm，小于3mm；所述环形金电极到所述AT切型压电石英晶片的距离范围为大于5mm，小于6mm；所述金属样液反应槽的圆柱形腔室的深度范围为大于3mm，小于4mm；所述反应池盖的厚度为大于7mm，小于8mm；所述反应托盘的厚度为大于9mm，小于10mm。
2.如权利要求1所述的基于RNA类病毒检测的无极检测设备，其特征在于，所述一种基于RNA类病毒检测的无极检测设备还包括：密封圈；所述AT切型压电石英晶片通过上、下两层所述密封圈夹持固定于所述圆柱形腔室内。
3.如权利要求1所述的基于RNA类病毒检测的无极检测设备，其特征在于，所述升降杆的材料为碳纤维材料。
4.如权利要求1所述的基于RNA类病毒检测的无极检测设备，其特征在于，所述环形金电极、圆形金电极的表面涂覆有绝缘保护层，所述绝缘保护层的材料中包括聚四氟乙烯或聚乙烯。
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