CN114107032A - 平行型光路设计的手持核酸检测微流控装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平行型光路设计的手持核酸检测微流控装置及其工作方法，所述装置包括装置壳体、LED灯、带通滤光片、陶瓷加热片、检测样本微流控芯片、长通滤光片和摄像装置，所述装置采用平行型光路设计，将LED灯、带通滤光片、陶瓷加热片、检测样本微流控芯片、长通滤光片、摄像装置沿竖直方向依次设置在装置壳体内。该装置设计科学合理，结构简单、紧凑，体积小，操作简便，便于携带。

Description

平行型光路设计的手持核酸检测微流控装置及其工作方法

技术领域

本发明属于核酸检测技术领域，具体涉及一种平行型光路设计的手持核酸检测微流控装置及其工作方法。

背景技术

传染病一直以来都对公共卫生健康具有严重的威胁，是世界上造成死亡和残疾的主要原因。

核酸检测方法因其优异的灵敏度、强特异性等显著优势，一直以来是传染病检测的金标准之一。首先，核酸作为一种常见的遗传物质，在不同种类的生物中具有独特的序列和数量。其次，核酸容易被检测，因为所有DNA和RNA的序列都是由四个基本核苷酸组成的。第三，目前许多核酸序列可以在短时间内于体外合成，且耗费成本低。最后，随着核酸测序技术的快速发展，核酸检测可以满足临床应用的要求。这些准确、灵敏的核酸检测结果为医学诊断提供了有效的证据。尤其是POCT(point-of-caretest)现场快速核酸检测，由于具有诊断时间短、自动化水平高、操作简便等显著优势，正日益得到人们的密切关注。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平行型光路设计的手持核酸检测微流控装置及其工作方法，该装置设计科学合理，结构简单、紧凑，体积小，操作简便，便于携带。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种平行型光路设计的手持核酸检测微流控装置，其特征在于，包括装置壳体、LED灯、带通滤光片、陶瓷加热片、检测样本微流控芯片、长通滤光片和摄像装置，所述装置采用平行型光路设计，将LED灯、带通滤光片、陶瓷加热片、检测样本微流控芯片、长通滤光片、摄像装置沿竖直方向依次设置在装置壳体内。

进一步地，所述陶瓷加热片为具有中心通孔的中空结构，以在对检测样本微流控芯片加热的同时，让LED灯发出的光线可以通过陶瓷加热片。

进一步地，所述装置壳体包括主壳体、顶部封盖和滤光片安装架，所述主壳体中部沿竖向开设有具有阶梯台面的阶梯通孔，所述阶梯通孔内的第一阶梯面上设置所述滤光片安装架，以安装所述长通滤光片，所述第一阶梯面下侧的第二阶梯面上安装所述陶瓷加热片，所述第二阶梯面下侧的第三阶梯面上安装所述带通滤光片，所述第三阶梯面下侧的通孔安装所述LED灯；所述顶部封盖上端开设有第一凹槽，所述摄像装置安装于所述第一凹槽内，所述顶部封盖中部沿竖向开设有第一透光通孔，所述顶部封盖下端设置有与主壳体的阶梯通孔上端相配合的对接结构，并通过所述对接结构与所述主壳体的阶梯通孔紧密对接配合。

进一步地，所述主壳体内还开设有第一通道，所述第一通道一端与第二阶梯面连通，另一端与主壳体的底部或旁侧部连通，以将陶瓷加热片的接线引出，进而对陶瓷加热片进行通电加热控制；所述主壳体内还开设有第二通道，所述第二通道一端与第三阶梯面下侧的通孔连通，另一端与主壳体的底部或旁侧部连通，以将LED灯的接线引出，进而对LED灯进行通电控制。

进一步地，所述滤光片安装架上端开设有第二凹槽，所述长通滤光片安装于所述第二凹槽内，所述滤光片安装架中部沿竖向开设有第二透光通孔。

进一步地，所述装置壳体采用热挤出3d打印机制造，所用材料为PLA，打印方式采用网状结构逐层堆积材料，以使装置壳体内部具有一定的空隙。

进一步地，所述装置上设有控制模块、电源模块和交互显示模块，所述控制模块分别与LED灯、陶瓷加热片、摄像装置和交互显示模块电性连接，以控制LED灯、陶瓷加热片、摄像装置工作，并通过交互显示模块进行人机交互和相关信息显示。

本发明还提供了所述平行型光路设计的手持核酸检测微流控装置的工作方法，首先，将检测样本微流控芯片放置于陶瓷加热片正上方，并使陶瓷加热片的中心通孔对准检测区域；然后，打开LED灯，通过控制输入电压调整LED灯到合适的亮度；而后，对陶瓷加热片通电，使其加热至设定温度；最后，通过摄像装置实时采集检测样本微流控芯片的图像并传输至计算机或控制装置，实时计算出检测区域像素点的平均灰度值，绘制出灰度值曲线，进而判断检测结果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、简化了光路设计。传统的荧光探测装置，激发光源和检测样本被激发出荧光的检测装置都在样本的上侧，导致激发光路和荧光光路容易产生干涉，影响检测结果。而且这种光路一般设计较为复杂，需要分光镜等光学元件，成本较高，检测的操作也较为复杂。有鉴于此，本发明采用竖直的光路设计，利用中心通孔的陶瓷加热片作为加热装置，使得样本芯片在下方受热反应的同时，下方的激发光源也能照射到反应区域。这种光路设计简单、巧妙，避免了光源和激发荧光之间的相互干涉，简化了检测的操作。

2、制造灵活，造价低，可根据实际情况随时改良。本装置壳体采用热挤出3d打印制造，耗材成本低，且打印方式采用网状结构将材料一层层堆积，使得装置壳体内部具有一定的空隙，既能节省材料和打印时间，又能减轻装置的重量，而且能起到保温隔热的效果。针对不同的滤光片和陶瓷加热片以及摄像头的尺寸，能够对内部结构进行合理的设计和调整，灵活性高。

3、规避操作繁冗。本装置作为即时检测的微流控装置，无需专业的操作人员即可进行检测。装置组装方法简便，检测的操作流程便捷，能对边远医疗卫生条件落后地区提供帮助。

4、重量轻，体积小，耗电量低，便于携带。不同于实验室检测系统的大型仪器，只能定点检测，难以携带。作为可携带的POC医疗诊断微流控装置，本发明重量较轻，约为170.5克，且占用体积较小，底面积为55×55mm²，高为120mm，总共占用体积约为0.000363m³，便于携带。由于本发明的耗电量较低，所以供电装置可采用充电宝供电，用自主设计定制的usb可调电压连接充电宝进行供电电压调节。

附图说明

图1是本发明实施例的装置内部组成结构示意图；

图2是本发明实施例中主壳体的结构示意图；

图3是本发明实施例中顶部封盖的结构示意图；

图4是本发明实施例中滤光片安装架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1-4所示，本实施例提供了一种平行型光路设计的手持核酸检测微流控装置，包括装置壳体、LED灯5（460-490nm）、带通（480nm-510nm）滤光片4、陶瓷加热片3、检测样本微流控芯片18、长通（510nm）滤光片2和摄像装置1，所述装置采用平行型光路设计，将LED灯5、带通滤光片4、陶瓷加热片3、检测样本微流控芯片18、长通滤光片2、摄像装置1沿竖直方向依次设置在装置壳体内。其中，所述陶瓷加热片3为具有中心通孔的中空结构，以在对检测样本微流控芯片18加热的同时，让LED灯发出的光线可以通过陶瓷加热片3。在本装置中，由于采用平行型光路设计，激发光路与发射光路平行，激发光经过滤光片滤过后，垂直照射芯片的检测区域，产生的荧光由发射滤光片滤除激发光和其他杂散光后，通过摄像装置拍摄进行检测。

在本实施例中，所述装置壳体包括主壳体6、顶部封盖和滤光片安装架16。如图2所示，所述主壳体6中部沿竖向开设有具有阶梯台面的阶梯通孔，所述阶梯通孔内的第一阶梯面7上设置所述滤光片安装架16，以安装所述长通滤光片2，所述第一阶梯面下侧的第二阶梯面8上安装所述陶瓷加热片3，所述第二阶梯面下侧的第三阶梯面11上安装所述带通滤光片4，所述第三阶梯面下侧的通孔12安装所述LED灯5。如图3所示，所述顶部封盖上端开设有方形的第一凹槽13，所述摄像装置1安装于所述第一凹槽13内，所述顶部封盖中部沿竖向开设有第一透光通孔14，以让摄像装置良好地采集图像，所述顶部封盖下端设置有与主壳体的阶梯通孔上端相配合的方形对接结构15，并通过所述对接结构15与所述主壳体6的阶梯通孔紧密对接配合。

此外，所述主壳体6内还开设有第一通道9，所述第一通道9一端与第二阶梯面8连通，另一端与主壳体6的底部或旁侧部连通，以将陶瓷加热片3的接线引出，进而对陶瓷加热片进行通电加热控制；所述主壳体6内还开设有第二通道10，所述第二通道10一端与第三阶梯面11下侧的通孔12连通，另一端与主壳体6的底部或旁侧部连通，以将LED灯5的接线引出，进而对LED灯进行通电控制。

如图4所示，为了布置上方的长通滤光片，本装置设计了一个方形的滤光片安装架16，并放置在阶梯通孔内的第一阶梯面7上。所述滤光片安装架16上端开设有第二凹槽17，所述长通滤光片安装于所述第二凹槽内，所述滤光片安装架中部沿竖向开设有第二透光通孔。

在本实施例中，所述装置壳体采用热挤出3d打印机制造，所用材料为PLA，打印方式采用网状结构逐层堆积材料，以使装置壳体内部具有一定的空隙，既节省材料，又能减轻装置的重量，而且能起到保温隔热的效果。

本装置可以采用外部5V的锂电池供电。用控制模块控制输入电压来调节led灯的亮度和加热片的温度。摄像头连接电脑，配合相应检测软件完成检测功能。此外，为了实现装置的自动化工作控制，并提高装置的便携性，在本发明的较佳实施例中，可以在装置上集成设置控制模块、电源模块和交互显示模块，控制模块分别与LED灯、陶瓷加热片、摄像装置和交互显示模块电性连接，以控制LED灯、陶瓷加热片、摄像装置工作，并通过交互显示模块进行人机交互和相关信息显示。

本实施例还提供了所述手持核酸检测微流控装置的工作方法，具体为：首先，将顶部封盖和滤光片安装架取下，将检测样本微流控芯片放置于陶瓷加热片正上方，并使陶瓷加热片的中心通孔对准检测区域；接着，将滤光片安装架和顶部封盖装回；然后，打开LED灯，通过控制输入电压调整LED灯到合适的亮度；而后，对陶瓷加热片通电，使其加热至设定温度（65度左右）；最后，通过摄像装置实时采集检测样本微流控芯片的图像并传输至计算机或控制装置，实时计算出检测区域像素点的平均灰度值，绘制出灰度值曲线，进而判断检测结果。若曲线在规定时间内（如1小时）出现“S”型曲线扩增情况，则判断结果为阳性。

本发明实现了一种现场快速核酸检测装置，简化了光路设计，具有成本低廉、操作简便、便于携带等优点。可以实现基于LAMP核酸扩增方法的核酸检测。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种平行型光路设计的手持核酸检测微流控装置，其特征在于，包括装置壳体、LED灯、带通滤光片、陶瓷加热片、检测样本微流控芯片、长通滤光片和摄像装置，所述装置采用平行型光路设计，将LED灯、带通滤光片、陶瓷加热片、检测样本微流控芯片、长通滤光片、摄像装置沿竖直方向依次设置在装置壳体内。

2.根据权利要求1所述的平行型光路设计的手持核酸检测微流控装置，其特征在于，所述陶瓷加热片为具有中心通孔的中空结构，以在对检测样本微流控芯片加热的同时，让LED灯发出的光线可以通过陶瓷加热片。

3.根据权利要求1所述的平行型光路设计的手持核酸检测微流控装置，其特征在于，所述装置壳体包括主壳体、顶部封盖和滤光片安装架，所述主壳体中部沿竖向开设有具有阶梯台面的阶梯通孔，所述阶梯通孔内的第一阶梯面上设置所述滤光片安装架，以安装所述长通滤光片，所述第一阶梯面下侧的第二阶梯面上安装所述陶瓷加热片，所述第二阶梯面下侧的第三阶梯面上安装所述带通滤光片，所述第三阶梯面下侧的通孔安装所述LED灯；所述顶部封盖上端开设有第一凹槽，所述摄像装置安装于所述第一凹槽内，所述顶部封盖中部沿竖向开设有第一透光通孔，所述顶部封盖下端设置有与主壳体的阶梯通孔上端相配合的对接结构，并通过所述对接结构与所述主壳体的阶梯通孔紧密对接配合。

4.根据权利要求3所述的平行型光路设计的手持核酸检测微流控装置，其特征在于，所述主壳体内还开设有第一通道，所述第一通道一端与第二阶梯面连通，另一端与主壳体的底部或旁侧部连通，以将陶瓷加热片的接线引出，进而对陶瓷加热片进行通电加热控制；所述主壳体内还开设有第二通道，所述第二通道一端与第三阶梯面下侧的通孔连通，另一端与主壳体的底部或旁侧部连通，以将LED灯的接线引出，进而对LED灯进行通电控制。

5.根据权利要求3所述的平行型光路设计的手持核酸检测微流控装置，其特征在于，所述滤光片安装架上端开设有第二凹槽，所述长通滤光片安装于所述第二凹槽内，所述滤光片安装架中部沿竖向开设有第二透光通孔。

6.根据权利要求3所述的平行型光路设计的手持核酸检测微流控装置，其特征在于，所述装置壳体采用热挤出3d打印机制造，所用材料为PLA，打印方式采用网状结构逐层堆积材料，以使装置壳体内部具有一定的空隙。

7.根据权利要求1所述的平行型光路设计的手持核酸检测微流控装置，其特征在于，所述装置上设有控制模块、电源模块和交互显示模块，所述控制模块分别与LED灯、陶瓷加热片、摄像装置和交互显示模块电性连接，以控制LED灯、陶瓷加热片、摄像装置工作，并通过交互显示模块进行人机交互和相关信息显示。

8.一种如权利要求1-7任一项所述平行型光路设计的手持核酸检测微流控装置的工作方法，其特征在于，首先，将检测样本微流控芯片放置于陶瓷加热片正上方，并使陶瓷加热片的中心通孔对准检测区域；然后，打开LED灯，通过控制输入电压调整LED灯到合适的亮度；而后，对陶瓷加热片通电，使其加热至设定温度；最后，通过摄像装置实时采集检测样本微流控芯片的图像并传输至计算机或控制装置，实时计算出检测区域像素点的平均灰度值，绘制出灰度值曲线，进而判断检测结果。

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