CN114164088A - 一种居家核酸检测的芯片结构、卡盒及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种居家核酸检测的芯片结构、卡盒及方法，芯片结构设置有多个单独的腔室，不同的测量腔室相对独立，互不影响，在使用时，根据测量的需求可以将核酸检测试剂预存在腔室内，不依赖仪器的支持，降低成本，方便携带，无需特殊的实验条件即可完成检测，普适性高，芯片结构简单，操作方便，普通人即可操作使用，节省了一定的医护条件，结合等温扩增技术和CRISPR检测技术，检测单元可以对最终的检测结果进行判读，实现对结果的定性分析，同时在检测芯片设置了内参实验，通过内参的实验结果，可验证试剂在运输的过程中是否发生变质，确保试剂盒检测的准确性。解决了现有技术中需要有配套仪器，检测成本高，准确性无法保证，费用高的问题。

Description

一种居家核酸检测的芯片结构、卡盒及方法

技术领域

本发明属于生物技术领域，涉及一种居家核酸检测的芯片结构、卡盒及方法。

背景技术

目前人类疾病的检测主要局限于实验室检测，通常，患者或样本会被带到医院或诊断诊所进行检测，检测结果会在几天内返回，较长的检测时间对患者本身疾病检查提供不了及时的反馈，对疫情防控来说，更是一个负担和压力。由于人员技术不够熟练以及医疗基础设施欠缺，疾病的检测往往被推迟。传统的核酸检测过程复杂，样本预处理、核酸提取、核酸扩增检测需要分布独立完成，且每个环节都需要结合样品需要在不同设备间转移，步骤复杂、操作难度大且需要专业人员、诊断成本也相对较高。

在新型冠状病毒肺炎疫情爆发以来，单一的实验室核酸检测方式难以应对大规模的人口核酸普查，疫情期间，由于缺乏专业技术人员且国内仪器自动化程度低等各方面因素，完成一次核酸检测大概需要两到三天的时间，这就在一定程度上增大了感染者因未能及时得到检测结果，进行隔离控制而导致的传播的风险。在疫情初期，由于资源紧张，不能够及时做到对新型冠状病毒肺炎患者的应检尽检，致使新型冠状病毒肺炎迅速传播。

目前很少有独立的系统可以完成病原体检测的全流程，应用于现场便携式的检测平台更是少之又少。在传染性疾病流行期间由于医疗资源限制或者疾病涉及个人隐私、或者疾病需要连续监测等原因，需要对病原体进行床旁快速检测(POCT)或者居家检测。

目前市面上也有类似的产品，例如美国赛沛的GeneXpert测试盒，GeneXpert测试盒手工准备操作简单，耗时少，且不需要专业的实验技能人员来操作也能很好的完成测试，但GeneXpert测试盒需要配套的仪器支持，成本高，且不便于现场、居家检测。

目前，实验室核酸检测是病原体检测的主要途径，但由于实验室检测存在各方面的原因，迫切需要一种新的核酸检测形式。居家检测正处于发展的热潮，但在如何保证低成本的同时确保检测的准确性和易用性，是限制居家检测应用和发展的一大瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种居家核酸检测的芯片结构、卡盒及方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种居家核酸检测的芯片结构，包括芯片主体，所述芯片主体上开设第一腔室、第二腔室和第三腔室；

所述第一腔室内设置样本注入装置、所述第二腔室和第三腔室的端口分别设置按压装置，所述第二空腔的内部预存有标准品反应试剂；

所述芯片主体的内部，在第三腔室的两侧分别对称开设若干组单向阀腔室、第一扩增腔室和第二扩增腔室、第一检测腔和第二检测腔、第一通道和第二通道；

所述第一通道依次连通位于第三腔室一侧的第一腔室、单向阀腔、第一扩增腔和第一检测腔；所述第二通道依次连通位于第三腔室另一侧的第二腔室、单向阀腔室、第二扩增腔室和第二检测腔；

所述第一通道与第二通道分别与第三腔室相连通，所述每个单向阀腔内均设置单向阀；

所述芯片主体的底部设置加热单元、电路控制单元和检测单元，加热单元、电路控制单元和检测单元之间依次电联。

本发明的进一步改进在于：

所述芯片主体的内部开设有与第一检测腔和第二检测腔分别对应的第一空气通孔和第二空气通孔；

所述按压装置为第一按压软薄膜和第二按压软薄膜，所述第一按压软薄膜设置在第二腔室的端口，所述第二按压软薄膜设置在第三腔室的端口。

所述单向阀腔开设有4个，两两对称设置在第三腔室的两侧，其中一侧的两个单向阀腔一个设置在第一腔室和第一扩增腔室之间，另一个设置在第一扩增腔室和第一检测腔之间。

所述芯片主体包括芯片上层、芯片中层、芯片下层；

所述芯片上层、芯片中层和芯片下层依次相连；

所述第一腔室包括在芯片上层、芯片中层和芯片下层上分别对应开设的样本注入通孔、槽型结构和待测样品腔室；

所述第二腔室包括在芯片上层、芯片中层和芯片下层上分别对应开设的第一按压通孔、中层标准品储存腔和下层标准品储存腔；

所述第三腔室包括在芯片上层、芯片中层和芯片下层上分别对应开设的第二按压通孔、油腔孔和储油液腔室；

所述第一按压通孔和第二按压通孔的端口分别设置按压装置；

所述第三腔室设置在芯片主体的中部，第一腔室和第二腔室对称设置在第三腔室的两侧。

一种居家核酸检测的卡盒，包括卡盒和芯片主体；

所述芯片主体设置在卡盒内部，卡盒顶部分别开设与第一腔室、第二腔室和第三腔室对应的第一卡盒通孔、第二卡盒通孔和第三卡盒通孔；

所述第二卡盒通孔和第三卡盒通孔的端口分别设置卡盒按压装置；所述卡盒的外侧端面上设置有检测结果显示单元，卡盒内部设置有数据处理单元，数据处理单元与检测单元电连，所述检测结果显示单元与数据处理单元电连。

本发明的进一步改进在于：

所述卡盒的内部设置固定支撑装置，所述固定装置上开设限位槽，所述芯片主体位于限位槽内部；

卡盒的上端面开设有卡盒空气通孔。

所述卡盒包括卡盒主体和上盖，卡盒主体与卡盒上盖刚性连接。

一种居家核酸检测的方法，包括以下步骤：

S1：将收集的唾液注入到第一腔室内，并在第二腔室内预存标准品检测反应液包，在第三腔室内注入矿物质油液；

S2：加热单元加热，唾液通过第一通道途经单向阀腔进入第一扩增腔加热，实现核酸的等温扩增反应；同时第二腔室内的标准品检测反应液包加热后破裂释放，按压第二腔室端口的按压装置，产生的气压推动破裂后的标准品检测反应液通过第二通道途径单向阀腔进入第二扩增腔，在第二扩增腔内加热，实现核酸的等温扩增反应；

S4：扩增反应结束后，按压第三腔室端口的按压装置，气压分别推动第一扩增腔内的扩增液进入第一检测腔进行CRISPR检测反应和第二扩增腔内的标准品扩增液进入第二检测腔进行CRISPR检测反应；

S5：反应结束后，通过底部的检测单元，判读检测结果。

本方法的进一步改进在于：

所述唾液在第一扩增腔和第一检测腔内反应的温度均为39℃，反应时间均为10分钟；

所述破裂后的标准品检测反应液在第二扩增腔和第二检测腔内的反应温度均为39℃，反应时间均为10分钟。

所述判读检测结果的具体方法为：

所述检测单元包括激发光源和光电二极管，光电二极管采集反应液产生的荧光信号：

若第一检测腔内有荧光信号，第二检测腔内也有荧光，则代表使用者为阳性携带者；

若第一检测腔内没有荧光信号，第二检测腔内有荧光，则代表使用者不是阳性携带者；

若第二检测腔内无荧光，不论第一检测腔内是否有荧光，检测结果均为无效。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的芯片结构设置有多个单独的腔室，不同的测量腔室相对独立，互不影响，在测量时，根据测量的需求可以将核酸检测试剂预存在腔室内，不依赖有仪器的支持，降低一定的成本，芯片的体积较小，方便携带，无需特殊的实验条件即可完成检测，普适性高，芯片结构简单，操作方便，普通人即可操作使用，节省了一定的医护资源，芯片结构上设置了加热单元，可以对腔室进行加热，结合等温扩增技术，检测单元可以对最终的检测结果进行判读，实现了检测的一体化和对结果的定性分析，本装置适用唾液或鼻咽拭子样本测试，获取样本无创且简单，可以在20分钟内完成靶标检测，大幅缩短了传统核酸检测的时间，检测限达500Copies/mL，是目前相同检测灵敏度下检测时间最短的的产品，检出限足以区分阴阳性。本发明在检测时，在芯片主体内部设置了单向阀，可以确保不同腔室的液体转移，避免了液体回流现象，采用芯片内嵌单向阀而不是在结构上确保液体单向流动这一思路，大幅缩减了成本；同时在检测时标准品检测腔，作为内参实验，通过内参的实验结果，可验证试剂在运输的过程中是否发生变质，确保试剂盒检测的准确性。

进一步的，本发明的芯片结构上还设置有通气孔，可以将多余的空气排出，保证芯片主体内部压强的稳定性。

进一步的，本发明的方法在检测时，在第三腔室内注入油液，第三腔室分别与第一通道和第二通道相连通，油液可以有效避免由于气溶胶污染而造成的假阳性检测结果，同时共用一个气压腔室也可节省操作流程。

本发明还提供了一种检测壳体，在检测时，可以将芯片主体设置在壳体的内部，携带更加方便，全封闭式的检测，为检测样本提供了一定的保护，避免与外界的接触导致样本污染、失效等情况发生，壳体的外部设置了检测结果显示单元，可快速直观的观测到检测结果。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明卡盒结构透视示意图一；

图2为本发明卡盒爆炸结构示意图；

图3为本发明卡盒结构透视示意图二；

图4为本发明所述芯片结构的示意图；

图5为本发明芯片的爆炸结构示意图；

图6为本发明芯片上层结构示意图；

图7为本发明芯片中层结构示意图；

图8为本发明芯片下层结构示意图；

图9为本发明芯片下层流道剖面图；

图10为本发明注入装置剖面图；

图11(a)-(e)为本发明使用流程图；

图12为本发明所述的卡盒的工作流程图。

其中，80-芯片主体；

100-芯片上层：

101-样本注入通孔；102-第一按压通孔；103-第二按压通孔；104-芯片排气孔；105-第一按压软薄膜；106-第二按压软薄膜；

200-芯片中层：

201-槽型结构；202-中层标准品储存腔；203-油腔孔；204-中层排气孔；205-中层单向阀腔室；

300-芯片下层；

301-待测样品腔室；302-下层标准品储存腔；303-储油液腔室；304第一检测腔；305-下层单向阀腔室；306-样本进样通道；307-扩增通道；308-第一扩增腔；309-样本预检测通道；310-油压通道；311-第二扩增腔室；312-第二检测腔；

450-样本注入装置：400-装置储液腔；410-中间件；420-可旋转零件；

500-卡盒：

510-卡盒主体；520-上盖；120-支撑固定装置；150-螺钉；160-螺纹孔；170-第二卡盒通孔；180-第一卡盒通孔；190-第三卡盒通孔；

20-第一按压装置；30-第二按压装置；

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1-12，本发明实施例公开了一种居家核酸检测的微流控芯片结构，所述的核酸检测装置包括唾液收集及样本预处理模块，卡盒以及卡盒内部的微流控芯片、温度控制单元、结果判读模块。

该居家核酸检测芯片结构的使用方法：使用唾液收集器采集唾液，经过数分钟的样本处理，将采集管按压到检测装置上，通过手动按压采样管，将待检测样本准确转移到芯片的等温扩增腔，同时内参路线也需同步进行，按压储存有缓冲液与靶标的软薄膜，使内参样本转移到装置等温扩增区域，两个流道的等温扩增反应同时进行，通过外部加热单元保证等温扩增反应需要的温度，使等温扩增反应准确、顺利进行。反应结束后，手动按压按压装置，使两侧等温扩增反应液转移到各自流道对应的检测腔内，进行CRISPR分子检测反应，外部温度控制单元保证CRISPR检测反应需要的温度，保证CRISPR分子检测反应准确、顺利进行。上述步骤完毕后，外部设备通过光学检测模块实现对样本核酸的检测，结果通过卡盒外部的LED灯显示出来，从而实现在同一个芯片上进行核酸的扩增，检测等多个步骤。

其中软薄膜按压区域内部装有矿物质油，可以防止不同通道之间样本的交叉感染。其中反应干粉，试剂都采用水溶性薄膜、热熔薄膜预封装在不同区域内，减少了添加试剂所需的时间。

其中，矿物质油与流道之间采用薄膜密封，目的是防止检测芯片在运输过程中，油液会发生不规则转移，影响实验结果。

生物试剂保存在载体上，并被由热熔物质构成的疏水密封层密封保护；需要反应时，通过温度控制模块加热芯片，热熔薄膜受热后薄膜破裂，储存腔内的生物试剂释放。干粉采用水溶胶囊，可以避免运输过程中干粉的损耗，以及挂壁现象。

反应试剂为固状或液状的RPA试剂、cas12介导的特异序列信号放大反应试剂或cas13介导的特异序列信号放大反应试剂。

其中芯片主体80为微流控芯片，微流控芯片分为上下三层结构，在不同层结构上各开设有多条液体流道和腔室。

芯片下层300设有十四个腔室，其中四个腔室为半圆柱形状，四个腔室为圆柱凹槽腔室，两个腔室为椭圆形状，四个腔室为三角形形状，所有腔室均与流道连通，流道出口与上层板孔相通，平衡气压。半圆柱形腔室与三角形腔室相连，为单向阀的放置预留位置。

芯片下层300上形成有多个圆柱形空腔和椭圆形空腔，各圆柱形空腔分别形成内部用于容置矿物质油的防污染气腔，用来储存标准品的靶标腔室，用来容置试剂冻干珠、水溶性、热熔性薄膜密封试剂的腔室以及控制液体单向流动的单向阀腔室。各椭圆形空腔用于形成内部用于封装粉末状试剂的试剂腔室。

芯片下层300的一个圆柱形空腔内预封装有作为内参的标准品靶标储存液，以此达到验证试剂成分无误的目的，作为阳性参照。芯片下层300的两个相对独立的椭圆形空腔内预装有用于核酸等温扩增的试剂冻干珠，是同一靶向基因同一位点的检测试剂，以此达到内参的目的。芯片下层300的两个相对独立的圆柱形空腔内预装有用于CRISPR检测试剂冻干珠，可以结合等温扩增后的扩增液中的特定核酸序列来识别切割非靶标序列，产生荧光信号用于检测。

芯片中层200上形成有多个孔状空腔，各空腔分别形成样本进入区，与充气薄膜、下层板矿物质油区形成空气储存区，控制液体单向流动的单向阀腔室，以及平衡气压腔室。

芯片中层200的半圆柱形凹槽腔室位置和芯片下层300的半圆柱形凹槽腔室位置相互对应；所述的芯片中层200的半圆柱形凹槽腔室槽口向下，所述的下层板的半圆柱形凹槽腔室槽口向上，两层板的腔室槽口径大小相同，一一对应可形成完全的圆柱形腔室。芯片中层200一通孔与芯片下层300圆柱形空腔相互对应，进样孔另一端连接外界的进样装置。

芯片上层100上设有四个腔室，五个通孔，四个均为半圆柱形腔室，通孔直径不全相同，半圆柱形状腔室均与流道短接，通孔均不与流道相连，各自相互独立。芯片上层100的通孔与卡壳表面小孔相通，用来平衡气压。芯片下层300内嵌腔室一端与进样流道一端连通，所述进样流道另一端连通芯片上层100的通孔。

芯片采用全封闭形式，即上下板采用胶粘的方式闭合密封。

芯片主体80放在卡盒500内，并通过上盖520封闭在卡盒500内，同时在芯片主体80底部设置有加热单元、电路板，检测单元，加热单元主要由PI膜、电阻丝和帕尔贴元件组成。

卡盒500的端面开设有四个空槽，分别用于样本的注入、按压薄膜的预留空间以及放置LED指示灯。通过LED灯来显示检测结果；具体连接为：卡盒500内部设置有数据处理单元，数据处理单元与检测单元电连，检测结果显示单元与数据处理单元电连，检测单元包括激发光源、光电二极管，光电二极管采集反应体系产生的荧光信号，光电二极管将光学信号传输至芯片数据处理单元，数据处理单元根据信号处理指令控制LED灯阵列显示阳性或阴性的检测结果，本发明实施例中，卡盒500端面开设的空槽个数可以根据实际检测需求进行增加或减少。

加热单元用于提供核酸等温扩增和CRISPR检测时所需的温度，以保证整个流程顺利进行，结果可靠。

本发明的公开的使用方法：

过程一：唾液收集模块收集唾液，样本裂解缓冲液处理样本，完成核酸样本的富集。

过程二：外部的进样系统先通过与上层板的孔进行结合，通过手动按压使富集的核酸进入下层板的进样通道，途径单向阀，到达椭圆形腔室进行等温扩增反应，芯片内多余空气经过流道、单向阀，最终通过上层板孔排出。加热单元对等温扩增腔室进行加热温度控制，将反应温度控制在39℃，反应10分钟，实现核酸的等温扩增反应。

过程三：通过温控加热芯片，使芯片内包裹内参标准品和缓冲液的薄膜熔化，释放试剂，通过手动按压薄膜使试剂转移到椭圆形腔室进行等温扩增反应，途径单向阀，芯片内多余空气经过流道、单向阀，最终通过上层板孔排出。加热单元对等温扩增腔室进行加热温度控制，将反应温度控制在39℃，反应10分钟，实现标准品路线核酸的等温扩增反应。

过程四：两侧等温扩增反应结束后，按压上层板中间方位的软薄膜，通过空气挤压矿物质油，矿物质油挤压空气，使反应液途径单向阀，到达下层板圆柱形腔室，进行CRISPR检测反应。芯片内多余空气经过流道单向阀，最终通过上层板孔排出。外界对圆柱形腔室进行加热温度控制，将反应温度控制在38℃，反应10分钟，实现CRISPR分子诊断反应。

过程五：反应结束后，通过结果判读模块对下层板圆柱形腔室内反应体系产生的荧光信号进行结果判读，数据处理器根据光学信号指令控制LED灯阵列显示阳性或阴性的检测结果。

在判读结果时，若标准品路线和正常核酸检测路线均有荧光，代表测试者为阳性患者，若标准品路线有荧光，正常核酸检测路线无荧光，代表测试者核酸检测阴性。若标准品路线无荧光，不论正常核酸检测路线有无荧光，检测结果都不可取。

本实施例公开的使用方法，内参加入的样本或形成含待检测核酸的溶液主要为待测核酸以游离在裂解溶液中的单链或者双链的形式，可以直接通过操作进行后续的反应。

参见图1，本发明公开了一种具体的实施例，提供了一种居家核酸检测的卡盒，包括卡盒500、样本注入装置450，卡盒500内部的有芯片主体80，支撑固定装置120、第一按压装置20，第二按压装置30。卡盒主体510和上盖520通过四个螺钉150来锁合装置。

在本实施例中，各个零部件的装配位置如图2所示，当使用者采集完样本后将样本注入装置450顺着上盖520的第一卡盒通孔180与芯片上层100预留的样本注入通孔101、芯片中层板200的槽形结构201相扣合，扣合后开始后续核酸检测流程。

参见图3，卡盒500为方形，由卡盒主体510和上盖520密封而成的一个封闭式腔室，卡盒主体510上开有四个螺纹孔160，上盖520开有若干通孔，其他各面均封闭。卡盒500内部含有支撑固定装置120、芯片主体80、第一按压装置20、第二按压装置30。卡盒主体510和上盖520采用可拆卸设计，用四个螺钉150来对卡盒500进行装配。

参见如图4和图5，本发明实施例还公开了一种居家核酸检测的芯片结构，芯片主体80由三层结构组成，包括芯片上层100、芯片中层200、芯片下层300。芯片上层100采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作，芯片中层200和芯片下层300采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制作，也可采用透明玻璃或聚碳酸酯(PC)等高分子聚合物材料制作。芯片不同层结构不同，或刻有流道、腔室、或形成通孔。三层芯片上下叠放，芯片不同层间密封采用胶粘的方法来保证高精度的腔室配合关系，密封完毕，芯片主体80放入支撑固定装置120上，与其他配合件共同完成核酸检测的功能。

在本实施例中，芯片主体80，包括四个反应室、一个储油室、四个单向阀腔室、两个储液室和四个单向阀，所述的反应室、储油室、单向阀腔室、储液室为卡盒内置的中空腔体。

参见图6，芯片上层100形成有预留的样本注入通孔101，第一按压通孔102，第二按压通孔103，其中第一按压软薄膜105设置在第一按压通孔102的端口、第二按压软薄膜106设置在第二按压通孔103的端口，两类软薄膜功能一致，但尺寸不同，芯片排气孔104(以2个为例)。

参见图7，芯片中层200形成有与样本注入装置450相配合的槽型结构201、储存有标准品的中层标准品储存腔202，油腔孔203，芯片中层排气孔204(以2个为例)，四个中层单向阀腔室205(以4个为例，但不限于4个)，其中通孔内部会预存储矿物质油，可以防止两条流道之间的交叉污染，储存有标准品的中层标准品储存腔202预先存有薄膜包被的靶标反应液包，用于标准品检测路线，节省试剂装入的时间。

参见图8，芯片下层300有对称双检测通道，分别为第一通道和第二通道，每个通道形成有五个腔室及若干不同结构的流道。芯片下层300形成有待测样品腔室301，下层标准品储存腔302，样本进样通道306，下层单向阀腔室305(以4个为例，但不限于4个)，储油液腔室303，油压通道310，样本预扩增通道307，第一扩增腔308，样本预检测通道309，第一检测腔304。其中第一扩增腔308和第二扩增腔311用于放置RPA反应的冻干珠，储油液腔室303预存了矿物质油，上述第一检测腔304和第二检测腔312用于放置CRISPR反应体系的冻干珠。

本实施例中，芯片下层300与芯片中层200胶粘紧密结合，芯片中层200的中层单向阀腔室205和芯片下层300的下层单向阀腔室305相配合，芯片中层200的中层单向阀腔室205槽口向下，芯片下层300的下层单向阀腔室305槽口向上，两层板的腔室槽口口径大小相同，一一对应可形成与单向阀相匹配的空腔，单向阀可以实现液体在适当的压力单方向流动，反向流动截止，预留空间可以保证单向阀固定，每个单向阀腔室都是形成有一个进口和一个出口。

其中，芯片上层100的第二按压软薄膜106与芯片中层200的油腔孔203、芯片下层300的储油液腔室303同轴心配合，形成一个内部储有少量油液的孔状腔室，芯片主体80使用前预先储有少量矿物质油，芯片下层300有两个油压通道310，对第二按压薄膜106施压，第二按压薄膜106变形，空气给油液施压，驱动油液沿着两侧流道转移，带动芯片内部流体定向转移。

上述的靶标反应液包采用热薄膜密封，靶标反应液包放置在下层标准品储存腔302内，当装置开始工作时，底部的热模块瞬间升温，此时靶标反应液包破裂，进而使得靶标反应液包内试剂流出。该反应液包的优点是使密封的试剂处于一个封闭的环境，避免了与外界接触导致试剂污染、失效的情况。同时，装置在运输过程中不会因为晃动而导致液体挂壁和转移。

本实施例中，第一扩增腔308和第二扩增腔311都预先储有RPA反应冻干珠，第一检测腔304和第二检测室312都预先储有CRISPR反应体系的冻干珠，冻干珠可以与到达该区域的缓冲液或者样本进行混合反应，提供反应所需的成分。

参见图8，本实施例中，第一扩增腔308、油压通道310、样本进样通道306、样本预检测通道309、第一检测腔304、扩增通道307均有两个，分别对称位于微流控芯片储油液腔室303的两侧，反应腔室采用不同功能的流道进行连接，上述各个腔室、流道两侧对称，结构、尺寸均相同，形成两条完全独立且相同的反应路线。

参见图9，流道采用近似长方体形状，腔室采用圆柱形、三棱柱形或两相配合。上述待测样品腔室301通过所在侧的样本进样通道306、下层单向阀腔室305、扩增通道307连通上述的第一扩增腔室308，随后通过扩增通道307、单向阀腔室305、样本预检测通道309连通上述的第一检测腔304。

下层标准品储存腔302中试剂在另一侧通过同样的步骤进去最终的第二检测腔311。

在本实施例中，待测样品腔室301和下层标准品储存腔302的出口分别通过单向阀结构与第一扩增腔室308相连通，第一扩增腔室308通过样本预扩增通道307、单向阀结构与第一检测腔304相连通，不同腔室采用单向阀隔开，可保证流体或空气在特定操作下完成定向转移。

在本实例中，芯片下层300上第一检测腔304和芯片中层200中层排气孔204、芯片上层100芯片排气孔104同轴心配合，当流体在不同区域内转移时，多余空气可通过流道、腔室、单向阀5、第一检测腔304、中层排气孔204、芯片排气孔104进行气体交换，实现压强平衡。

芯片下层300下层标准品储存腔302、第一扩增腔室308、第一检测腔304底部设有加热单元，底部的加热单元能够对反应液进行温度控制。

卡盒500还设有检测孔，检测孔可以对第一检测腔304内的溶液采用对射、散射、反射的一种或多种的检测，例如荧光检测、紫外线检测等光学检测。

本实施例中，当启动检测时，标准品检测的路线：芯片底部帕尔贴元件瞬间升温，中层标准品储存腔202内部的靶标反应液包破裂，通过按压芯片上层100上的第一按压软薄膜105，使下层标准品储存腔302内的靶标反应液通过样本进样通道306、下层单向阀腔室305、样本预扩增通道307，到达第二扩增腔室311，随后在该腔室进行等温扩增反应，等温扩增反应完毕后，通过按压芯片上层100上的第二按压软薄膜106，压缩芯片中层200的油腔孔203内的空气，带动芯片下层300上的储油液腔室303的油液转移，油液通过油压通道310，样本预扩增通道307带动等温扩增完毕后的反应液转移，反应液通过样本预扩增通道307、下层单向阀腔室305、样本预检测通道309到达第二检测腔312，在第二检测腔312内进行CRISPR反应和原位荧光检测。

参见图10，样本注入装置450由装置储液腔400、中间件410、可旋转零件420组成，三者相互配合形成可以完成样本注入的功能。当使用时，将样本注入装置450沿着上盖520上的左侧通孔180，按压到芯片主体80上，装置储液腔400与芯片上层100的预留样本注入样本注入通孔101、芯片中层200的槽型结构201、芯片下层300的待测样品腔室301同轴心配合，装置储液腔400与槽型结构201相配合，形成锁合结构，按压样本注入装置450与槽型结构201结合，保证局部区域封闭，装置储液腔400与待测样品腔室301连通，装置储液腔400内的核酸样本可以通过待测样品腔室301进入到芯片下层300流道内。

在本实施例中，样本注入装置插到芯片主体80上后，转动可旋转零件420指定角度，对中间件410内的空气施加压力，装置储液腔400内核酸样本开始沿着槽型结构201，待测样本腔室301、样本进样通道306、下层单向阀腔室305、扩增通道307流动，最终到达第一扩增腔室308指定位置。

本发明中提到的各个腔室的形状结构，排列和数量都可以根据实际的测量需求进行调整。

检测光源的数量与CRISPR检测腔的数量相同，光学传感器的数量与检测光源的数量相同。

本发明实施例还公开了一种检测方法，参见图11-12，

所述的芯片下层300和芯片中层200、芯片上层100胶合在一起放入卡盒500之前，芯片下层300的第一扩增腔308中均预装用于核酸等温扩增检测的反应冻干珠，芯片下层300的第一检测腔304和第二检测腔312中均预装用于CRISPR检测的反应冻干珠，下层板300的储油液腔室303预存储矿物质油用于防污染。芯片中层200的中层标准品储存腔202预存储靶标反应液包，是同一疾病的样本检测试剂，以此来保证试剂成分无误的目的。

所述的外形图如图11a)所示，实验开始时，如图11b)所示，外部样本注入装置450顺着上盖的第一卡盒通孔180手动按压到芯片主体80上，使装置储液腔400与待测样品腔室301连通，装置储液腔400内的核酸样本可以通过待测样品腔室301进入到芯片下层300流道内。转动可旋转零件420指定角度如图c)，对中间件410内的空气施加压力，装置储液腔400内核酸样本开始沿着槽型结构201，待测样品腔室301、样本进样通道306、下层单向阀腔室305、扩增通道307流动，最终到达第一扩增腔室308指定位置。

样本加样完成后，芯片检测到加样完成，开始对储存有标准品的腔室202局部区域进行加热，预存储靶标反应液包破裂，反应液释放，随后手动按压按压第一按压装置20，从而带动芯片上层100的第一按压软薄膜膜105变形，如图11d)所示，对芯片标准品通道内空气进行施压，反应液沿着下层标准品储存腔302、样本进样通道306、下层单向阀腔室305、扩增通道307到达第二扩增腔室312指定位置。

外界对第一扩增腔308和第二扩增腔311进行加热温度控制，将反应温度控制在38℃，反应10分钟，实现核酸的等温扩增反应。

扩增完毕后，按压按压装置30，如图11e)所示，带动芯片上层100的第二按压软薄膜106变形，对油腔孔203内空气施加压力，空气挤压矿物质油运动，矿物质油沿着储油液腔室303两侧的油压通道310、扩增通道307转移，从而分别带动两侧扩增后的反应液沿着两侧的扩增通道307、下层单向阀腔室305、样本预检测通道309流动，最终分别到达第一检测腔304和第二检测室312。

对芯片下层300的两个独立的第一检测腔304和第二检测腔312进行加热温度控制，将反应温度控制在38℃，反应10分钟。反应结束后，利用荧光检测装置进行反应物终点荧光检测。最终结果判读模块将判读结果转为LED灯亮灭。

本发明采用核酸预提取，等温扩增，CRISPR检测的技术路线，通过荧光检测来判读结果，极大地缩短了传统核酸检测的时间，并且对设备的成本要求大大降低，整个的核酸检测过程集成一体化在封闭的环境中完成，有效避免了外界的污染和核酸的交叉污染，同时设置了阳性对照，准确性好，灵敏度高，操作简单便携，十分满足居家检测的需求，使用者可以居家完成核酸检测，无需聚集至医院，避免了人员聚集导致的交叉污染，且降低了医务人员的工作压力，具有良好的经济和社会效益。

本发明由实施例具有以下特点：

1.本发明开发设计的一体化扩增检测芯片，预封装可常温保存核酸扩增及CRISPR检测干粉试剂，不依赖专有仪器的支持，大幅节约了成本，便携化实现了RNA病毒逆转录-扩增和CRISPR检测全过程。只需要三步手动操作即可完成核酸检测的全流程，无需特殊实验室条件，该装置对用户友好，无需经过培训,普通人即可操作和使用，可满足各种应用条件的需求。

2.本发明采用等温扩增和CRISPR检测结合的技术路线，配合光电二极管进行光学结果判读，可以实现对结果的定性分析，适用唾液或鼻咽拭子样本，获取样本无创且简单，可以在20分钟内完成靶标检测，大幅缩短了传统核酸检测的时间，检测限达500Copies/mL,是目前相同检测灵敏度下检测时间最短的产品，检出限足以区分阴阳性。

3.本发明设置了内参实验，可以保证检测结果的准确性，通过内参的实验结果，可验证试剂在运输的过程中是否发生变质，确保试剂盒检测的准确性。

4.本发明提供的单向阀可以确保不同腔室的液体转移，避免了液体回流现象，采用芯片内嵌单向阀而不是在结构上确保液体单向流动这一思路，大幅缩减了成本。

5.本发明两条反应路线共用一个气压腔室，气压腔室预封装矿物质油，可以有效避免由于气溶胶污染而造成的假阳性检测结果，同时共用一个气压腔室也可节省操作流程。

本发明实施例中所需的所有试剂都可以冻干并预先储存在反应腔中，这消除了冷链的需要，使实验室环境之外的快速检测成为可能。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种居家核酸检测的芯片结构，其特征在于，包括芯片主体(80)，所述芯片主体(80)上开设第一腔室、第二腔室和第三腔室；

所述第一腔室内设置样本注入装置(450)、所述第二腔室和第三腔室的端口分别设置按压装置，所述第二空腔的内部预存有标准品反应试剂；

所述芯片主体(80)的内部，在第三腔室的两侧分别对称开设若干组单向阀腔室、第一扩增腔室(308)和第二扩增腔室(311)、第一检测腔(304)和第二检测腔(312)、第一通道和第二通道；

所述第一通道依次连通位于第三腔室一侧的第一腔室、单向阀腔、第一扩增腔(308)和第一检测腔(304)；所述第二通道依次连通位于第三腔室另一侧的第二腔室、单向阀腔室、第二扩增腔室(311)和第二检测腔(312)；

所述第一通道与第二通道分别与第三腔室相连通，所述每个单向阀腔内均设置单向阀；

所述芯片主体的底部设置加热单元、电路控制单元和检测单元，加热单元、电路控制单元和检测单元之间依次电联。

2.根据权利要求1所述的一种居家核酸检测的芯片结构，其特征在于，所述芯片主体(80)的内部开设有与第一检测腔(304)和第二检测腔(312)分别对应的第一空气通孔和第二空气通孔；

所述按压装置为第一按压软薄膜(105)和第二按压软薄膜(106)，所述第一按压软薄膜(105)设置在第二腔室的端口，所述第二按压软薄膜(106)设置在第三腔室的端口。

3.根据权利要求2所述的一种居家核酸检测的芯片结构，其特征在于，所述单向阀腔开设有4个，两两对称设置在第三腔室的两侧，其中一侧的两个单向阀腔一个设置在第一腔室和第一扩增腔室(308)之间，另一个设置在第一扩增腔室(308)和第一检测腔(304)之间。

4.根据权利要求1所述的一种居家核酸检测的芯片结构，其特征在于，所述芯片主体(80)包括芯片上层(100)、芯片中层(200)、芯片下层(300)；

所述芯片上层(100)、芯片中层(200)和芯片下层(300)依次相连；

所述第一腔室包括在芯片上层(100)、芯片中层(200)和芯片下层(300)上分别对应开设的样本注入通孔(101)、槽型结构(201)和待测样品腔室(301)；

所述第二腔室包括在芯片上层(100)、芯片中层(200)和芯片下层(300)上分别对应开设的第一按压通孔(102)、中层标准品储存腔(202)和下层标准品储存腔(302)；

所述第三腔室包括在芯片上层(100)、芯片中层(200)和芯片下层(300)上分别对应开设的第二按压通孔(103)、油腔孔(203)和储油液腔室(303)；

所述第一按压通孔(102)和第二按压通孔(103)的端口分别设置按压装置；

所述第三腔室设置在芯片主体(80)的中部，第一腔室和第二腔室对称设置在第三腔室的两侧。

5.一种基于权利要求1所述的居家核酸检测的卡盒，其特征在于，包括卡盒(500)和芯片主体(80)；

所述芯片主体(80)设置在卡盒内部，卡盒(500)顶部分别开设与第一腔室、第二腔室和第三腔室对应的第一卡盒通孔(180)、第二卡盒通孔(170)和第三卡盒通孔(190)；

所述第二卡盒通孔(170)和第三卡盒通孔(190)的端口分别设置卡盒按压装置；所述卡盒(500)的外侧端面上设置有检测结果显示单元，卡盒(500)内部设置有数据处理单元，数据处理单元与检测单元电连，所述检测结果显示单元与数据处理单元电连。

6.根据权利要求5所述的一种居家核酸检测的卡盒，其特征在于，所述卡盒的内部设置固定支撑装置(120)，所述固定装置(120)上开设限位槽，所述芯片主体(80)位于限位槽内部；

卡盒(500)的上端面开设有卡盒空气通孔。

7.根据权利要求6所述的一种居家核酸检测的卡盒，其特征在于，所述卡盒(500)包括卡盒主体(510)和上盖(520)，卡盒主体(510)与卡盒上盖(520)刚性连接。

8.一种基于权利要求1所述的居家核酸检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将收集的唾液注入到第一腔室内，并在第二腔室内预存标准品检测反应液包，在第三腔室内注入矿物质油液；

S2：加热单元加热，唾液通过第一通道途经单向阀腔进入第一扩增腔(308)加热，实现核酸的等温扩增反应；同时第二腔室内的标准品检测反应液包加热后破裂释放，按压第二腔室端口的按压装置，产生的气压推动破裂后的标准品检测反应液通过第二通道途径单向阀腔进入第二扩增腔(311)，在第二扩增腔(311)内加热，实现核酸的等温扩增反应；

S4：扩增反应结束后，按压第三腔室端口的按压装置，气压分别推动第一扩增腔(308)内的扩增液进入第一检测腔(304)进行CRISPR检测反应和第二扩增腔(311)内的标准品扩增液进入第二检测腔(312)进行CRISPR检测反应；

S5：反应结束后，通过底部的检测单元，判读检测结果。

9.根据权利要求8所述的一种居家核酸检测的方法，其特征在于，所述唾液在第一扩增腔(308)和第一检测腔(304)内反应的温度均为39℃，反应时间均为10分钟；

所述破裂后的标准品检测反应液在第二扩增腔(311)和第二检测腔(312)内的反应温度均为39℃，反应时间均为10分钟。

10.根据权利要求9所述的一种居家核酸检测的方法，其特征在于，所述判读检测结果的具体方法为：

所述检测单元包括激发光源和光电二极管，光电二极管采集反应液产生的荧光信号：

若第一检测腔(304)内有荧光信号，第二检测腔(312)内也有荧光，则代表使用者为阳性携带者；

若第一检测腔(304)内没有荧光信号，第二检测腔(312)内有荧光，则代表使用者不是阳性携带者；

若第二检测腔(312)内无荧光，不论第一检测腔(304)内是否有荧光，检测结果均为无效。

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