CN114686350A - 核酸检测系统及核酸检测仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物医疗领域的一种核酸检测系统及核酸检测仪器，所述检测系统包括两个以上的全封闭微流控芯片、芯片装载平台、热循环系统、光学检测系统、用户操作系统。所述全封闭微流控芯片固定装载在所述芯片装载平台上，所述热循环系统连接所述用户操作系统，所述热循环系统用于对每一所述全封闭微流控芯片所处的温度进行升降温调节，所述光学检测系统用于对所述全封闭微流控芯片内进行核酸扩增的样本进行实时检测，并将检测结果实时发送到所述用户操作系统。本发明具有便携、快速、高通量、自动化程度高、无污染、准确等优势，可实现“样本进‑结果出”的核酸现场快速自动化检测。

Description

核酸检测系统及核酸检测仪器

技术领域

本申请涉及生物医疗技术领域，尤其涉及一种核酸检测系统及核酸检测仪器。

背景技术

核酸作为生物的遗传物质，记录了对应生物的遗传信息，同时也是该生物的身份的完全代表。核酸检测作为一种分子诊断技术，是直接对生物的遗传物质比如DNA、RNA进行检测的技术，包括核酸提取、扩增和检测，对微生物分析、医学诊断、及时就医等起着根本性的作用。但是，核酸检测过程十分复杂，步骤繁多，对检测环境、实验室条件及检测人员技术水平要求甚高。因此，核酸检测的发展趋势为即时快速检测、随时随地检测。

现有市面上的核酸检测仪器均能够在一定程度上实现样本的定量检测，但样本检测前的核酸扩增反应需要严苛的温度支持，目前的核酸检测仪器在温度控制方面的效果不佳，致使整个检测速度无法得到有效的提升。而且大多数核酸检测仪器结构较为复杂，而检测通道数通常不超过四个，整体检测效率较低，无法实现真正意义上的快速核酸即时检测。

发明内容

本申请提供了一种核酸检测系统及核酸检测仪器，使用该系统能够有效解决现有核酸检测仪器温度控制不佳、检测效率低的问题，并能够实现“样本进-结果出”的核酸现场快速自动化检测。

一方面，本申请提供一种核酸检测系统，包括全封闭微流控芯片、芯片装载平台、热循环系统、光学检测系统、用户操作系统；

所述芯片装载平台上设置芯片插槽，所述芯片插槽上固定装载一个所述全封闭微流控芯片，所述热循环系统连接所述用户操作系统，所述热循环系统用于对在所述芯片插槽中的所述全封闭微流控芯片所处的温度进行升降温调节，所述光学检测系统用于对装载在所述芯片插槽中的所述全封闭微流控芯片中的发生核酸扩增后的样本进行实时检测，并将检测结果实时发送到所述用户操作系统。

在上述方案中，所述全封闭微流控芯片包括样本区、裂解区、扩增区和热熔组件，所述样本区、裂解区、扩增区自上往下依次设置，加热所述热熔组件能够控制样本流体先从所述样本区进入所述裂解区、再由所述裂解区进入所述扩增区，并在所述扩增区底部设置扩增检测腔，为样本的核酸温控扩增反应提供空间，同时用于所述光学检测系统的光学检测。

在本申请的较佳实施例中，所述热循环系统包括温度控制器、加热/制冷模块以及温度传感器、金属传热座、散热器、散热风扇，所述传热座设在所述芯片插槽底部，所述传热座与装载在所述芯片插槽中的所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔紧密贴合，为所述全封闭微流控芯片的样本核酸扩增反应提供合适的温度，所述加热/制冷模块的一面和所述温度传感器均与所述传热座贴合接触，所述加热/制冷模块的另一面与所述散热器贴合接触，所述散热风扇用于辅助所述散热器对所述加热/制冷模块实现快速降温，所述加热/制冷模块、所述温度传感器和所述散热风扇均连接所述温度控制器，所述温度控制器连接所述用户操作系统。

在上述方案中，所述温度控制器还包括温度检测单元，所有所述温度传感器采集的温度模拟信号输入至所述温度检测单元，由所述温度检测单元转化成数字信号后传输给所述主控单元。

在本申请的较佳实施例中，进一步地，所述加热/制冷模块包括一个或多个半导体制冷片，所述温度控制器包括一个或多个半导体制冷片驱动单元和一主控单元，所述半导体制冷片的一面与所述传热座贴合接触，所述半导体制冷片的另一面与所述散热器贴合接触，所述半导体制冷片与所述半导体制冷片驱动单元一一对应连接，每一所述半导体制冷片驱动单元连接所述主控单元。

在本申请的较佳实施例中，更进一步地，所述半导体制冷片驱动单元采用H桥驱动控制电路进行设计，所述H桥驱动控制电路接收到所述主控单元发出的脉冲信号，所述H桥驱动控制电路控制H桥流过所述半导体制冷片的电流方向，以此来实现所述半导体制冷片加热和制冷。

在本申请的较佳实施例中，所述热循环系统还包括加热控制器、加热片，所述加热片与固定装载在所述芯片插槽上的所述全封闭微流控芯片的受热面紧密贴合，用于为所述全封闭微流控芯片提供样本核酸裂解所需的温度以及控制所述热熔组件的熔化和凝固以实现样本核酸反应所需的微流控操作，所述加热片连接所述加热控制器，所述加热控制器连接所述温度控制器。

在本申请的较佳实施例中，所述加热片上设有多个与每一所述全封闭微流控芯片的裂解区和热熔组件相对应的加热区域，所述加热控制器包括一微控制器和多个用于驱动每一所述加热区域的加热驱动单元，所述加热驱动单元与所述加热片一一对应连接，每一所述加热驱动单元连接所述微控制器，所述微控制器连接所述温度控制器。

在本申请的较佳实施例中，所述全封闭微流控芯片的数量为两个以上，所述芯片插槽和所述加热片的数量与所述全封闭微流控芯片的数量保持一致，所述加热/制冷模块和所述温度传感器的数量为两个或两个以上，所述传热座、散热器和散热风扇的数量为一个或多个。

在本申请的较佳实施例中， 所述光学检测系统包括LED光源、光电探测器、光通道切换模块、扫描模块、荧光检测器、驱动控制器，所述光电探测器连接所述荧光检测器，所述LED光源、光通道切换模块、扫描模块和荧光检测器连接所述驱动控制器，所述驱动控制器连接所述用户操作系统，所述LED光源发出的光信号依次通过所述光通道切换模块和扫描模块的发送光通道到达所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔内，所激发的荧光信号依次通过所述扫描模块和光通道切换模块的接收光通道到达所述光电探测器，完成样本荧光信号的检测。

在本申请的较佳实施例中， 所述用户操作系统包括触摸显示屏、处理器、扫码器和/或打印机，所述触摸显示屏通过LVDS信号线连接处理器，所述扫码器和/或所述打印机连接所述处理器，所述温度控制器、驱动控制器通过CAN总线以菊花链通信方式与所述处理器互联通讯。

另一方面，本申请还提供一种核酸检测仪器，所述核酸检测仪器包括以上任意一项所述的核酸检测系统。

本申请的一种核酸检测系统，相较于现有技术而言，具有如下有益效果：

（1）本申请采用全封闭的一体式结构的全封闭微流控芯片，将核酸提取、扩增和检测功能整合，实现了核酸提取与扩增检测一体化，可有效提升系统的空间利用率，同时全封闭的结构设计使芯片内部与外部环境完全隔离，不会受到外部污染，安全可靠性高。

（2）本申请的热循环系统采用H桥驱动电路驱动作为加热/制冷模块的高性能半导体制冷片，并采用与全封闭微流控芯片的扩增检测腔外部紧密贴合的半导体制冷片上贴合小体积的传热座、下贴合散热器并利用散热风扇辅助散热器的导热结构，能够有效实现热量的快速双向传导，能够在二十五分钟之内完成四十个热循环扩增，实现快速升降温控制；同时利用加热片与全封闭微流控芯片的热熔组件外部紧密贴合的结构设计，通过高效率传热控制将核酸提取、扩增和检测三个步骤的总耗时控制在三十分钟以内，提升了检测流程效率。

（3）本申请采用多通道模块化设计，将芯片装载平台上作为检测通道的所有芯片插槽按所述加热/制冷模块数量进行分组模块化，每组具有至少2个检测通道，不同组的检测通道既可以同时并行检测，也可以分时检测，在一定程度上实现了随到随检，极大提高了检测效率。

（4）本申请采用扫码器对全封闭微流控芯片及样本进行扫码，输入相关信息后将全封闭微流控芯片装载到芯片插槽中，在触摸显示屏启动检测程序，由处理器控制热循环系统和光学检测系统自动完成样本处理、核酸释放、扩增体系配置和快速实时荧光定量PCR等功能，自动化程度高，真正意义上实现“样本进-结果出”的核酸现场快速自动化检测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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的附图。

图1为本申请一种核酸检测系统的整体结构示意图；

图2为本申请一种核酸检测系统的多通道结构示意图；

图3为本申请一种核酸检测系统的热循环系统控制结构框图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请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申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

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，另外，在本申请中，仅是对技术方案的主要部件进行了相应的标注说明，其他附图上所体现的没有标注的零部件也属于本申请技术方案的一部分，且本申请中附图不清晰及附图中未标记的部分对本申请的技术方案没有影响，且都为本领域技术人员所公知，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“下方”、“左”、“右”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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

为使本申请的目的、实施方式和优点更加清楚，下面将结合本申请示例性实施例中的附图，对本申请示例性实施方式进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例性实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本申请描述的示例性实施例，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，都属于本申请所附权利要求保护的范围。此外，虽然本申请中公开内容按照示范性一个或几个实例来介绍，但应理解，可以就这些公开内容的各个方面也可以单独构成一个完整实施方式。

需要说明的是，本申请中对于术语的简要说明，仅是为了方便理解接下来描述的实施方式，而不是意图限定本申请的实施方式。除非另有说明，这些术语应当按照其普通和通常的含义理解。

本申请中说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似或同类的对象或实体，而不必然意味着限定特定的顺序或先后次序，除非另外注明（Unless otherwise indicated）。应该理解这样使用的用语在适当情况下可以互换，例如能够根据本申请实施例图示或描述中给出那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”、“设置”和“开设有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖但不排他的包含，例如，包含了一系列组件的产品或设备不必限于清楚地列出的那些组件，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它组件。

PCR（Polymerase Chain Reaction）即聚合酶链式反应，是指在DNA聚合酶催化下，以母链DNA为模板，以特定引物为延伸起点，通过变性、退火、延伸等步骤，体外复制出与母链模板DNA互补的子链DNA的过程。而实时荧光定量PCR（real-time quantitativePolymerase Chain Reaction, Real-time qPCR）是指在PCR反应中加入荧光基团，通过连续监测荧光信号出现的先后顺序以及信号强弱的变化，即时分析目的基因的初始量。

本申请提供的一种核酸检测系统是利用实时荧光定量PCR技术来实现体外定量检测生物样本中目标核酸的含量，检测结果用于临床辅助诊断。

包含上述核酸检测系统的核酸检测仪器可自动化执行完整的核酸检测程序，包括试剂制备、核酸提取、PCR扩增、实时检测和结果处理等。

实施例1

参见图1，本申请提供的一种核酸检测系统，包括全封闭微流控芯片、芯片装载平台、热循环系统、光学检测系统、用户操作系统和供电电源。

所述芯片装载平台上设有芯片插槽，所述芯片插槽上固定装载所述全封闭微流控芯片。所述热循环系统受控于所述用户操作系统，其用于对所述全封闭微流控芯片所处的温度进行升降温调节。所述光学检测系统用于对所述全封闭微流控芯片中的发生核酸扩增后的样本进行实时检测，并将检测结果实时发送到所述用户操作系统。所述供电电源为所述热循环系统、光学检测系统和用户操作系统提供电能。

需要特别说明的是，在本实施例中，所述全封闭微流控芯片竖直装载在芯片插槽中，所述全封闭微流控芯片为样本核酸裂解、聚合酶链反应（PCR）扩增和检测提供所需空间，其包括样本区、裂解区、扩增区和热熔组件，所述样本区、裂解区、扩增区自上往下依次设置。在样本区中设有样本腔，待测样本由样本腔加入全封闭微流控芯片中，在裂解区中设有裂解腔，在扩增区中设有逆转录腔，其中在裂解腔存放有核酸释放剂冻干球，逆转录腔存放有逆转录和扩增体系冻干球。所述热熔组件布设在裂解区和扩增区附近，所述热熔组件包括热熔物、容纳腔及阀门，热熔物预埋在容纳腔中，且容纳腔与阀门相连通，样本区和裂解区之间以及裂解区和扩增区之间通过控制阀门实现通断连接，利用温度控制热熔物的熔化和凝固控制阀门开与关，能够控制样本流体先从所述样本区进入所述裂解区、再由所述裂解区进入所述扩增区，从而实现反应所需的微流控操作。并在所述扩增区底部设置扩增检测腔，为样本的核酸温控扩增反应提供空间，同时用于所述光学检测系统的光学检测。

在本实施例中，所述热循环系统包括温度控制器、加热/制冷模块、温度传感器、传热座、散热器和散热风扇，。考虑到需要对所述全封闭微流控芯片实现快速升降温，所述传热座的制作材质优选采用铝合金，其导热性能佳。将所述传热座设在所述芯片插槽底部，所述传热座与所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔紧密贴合，从而向扩增检测腔内部的样本核酸扩增反应提供合适的温度。所述加热/制冷模块的一面和所述温度传感器均与所述传热座贴合接触，利用传热座将加热/制冷模块的温度快速传递至所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔外部，同时利用所述温度传感器实时检测所述传热座的温度，以实现精确控温。所述加热/制冷模块的另一面与所述散热器贴合接触，所述散热风扇布设在所述散热器的下方。所述加热/制冷模块、所述温度传感器和所述散热风扇均连接所述温度控制器，由温度控制器实现集中统一管控，所述温度控制器连接所述用户操作系统，所述温度控制器采用PID算法进行温度控制，温度控制器受控于用户操作系统，由用户操作系统发送控制指令给温度控制器。

在本实施例中，进一步地，每个所述加热/制冷模块包括一个或多个半导体制冷片，这样可对不同的半导体制冷片实现分时温度控制，从而节约能耗，并便于实现分时检测。所述温度传感器的数量与所述半导体制冷片的数量保持一致，所述温度传感器与所述半导体制冷片在所述传热座上的位置上下一一对应，从而利用温度传感器感知与之对应的半导体制冷片传递至传热座的温度，以实现实时精准控温。每一所述半导体制冷片的一面与所述传热座贴合接触，每一所述半导体制冷片的另一面与所述散热器贴合接触。所述温度控制器包括一个或多个半导体制冷片驱动单元和一主控单元，所述半导体制冷片与所述半导体制冷片驱动单元一一对应连接，由所述半导体制冷片驱动单元控制所述半导体制冷片的启动与停止。每一所述半导体制冷片驱动单元连接所述主控单元，由所述主控单元对所有半导体制冷片驱动单元实现集中管控。

在本实施例中，更进一步地，所述半导体制冷片是利用物理现象中的帕尔贴效应，靠电子-空穴在运动中直接传递能量来实现，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量。所述半导体制冷片驱动单元采用H桥驱动控制电路进行设计，所述H桥驱动控制电路接收到所述主控单元发出的脉冲信号，所述H桥驱动控制电路控制H桥流过所述半导体制冷片的电流方向，以此来实现所述半导体制冷片加热和制冷。一方面在升温加热阶段，所述H桥驱动控制电路控制流过所述半导体制冷片的电流方向为正向，使得与所述传热座贴合接触的所述半导体制冷片的一面加热以升温，并由所述传热座将热量快速传导至所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔外部，此时与所述散热器贴合接触的所述半导体制冷片的面制冷。另一方面在降温制冷阶段，所述H桥驱动控制电路控制流过所述半导体制冷片的电流方向为反向，使得与所述传热座贴合接触的所述半导体制冷片的面制冷以降温，并由所述传热座快速吸收所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔外部的热量，此时与所述散热器贴合接触的所述半导体制冷片的面加热，并由所述散热器将热量散发出去，同时利用所述散热风扇用于辅助所述散热器对所述半导体制冷片实现快速降温。

在本实施例中，更进一步地，所述温度控制器还包括温度检测单元，所有所述温度传感器采集的温度模拟信号输入至所述温度检测单元，由所述温度检测单元转化成数字信号后传输给所述主控单元。

在本实施例中，所述热循环系统还包括加热控制器和加热片，所述加热片的数量与所述全封闭微流控芯片的数量保持一致。所述加热片固定在所述芯片插槽上，并所述全封闭微流控芯片的受热面紧密贴合，用于为所述全封闭微流控芯片提供样本核酸裂解所需的温度以及控制所述热熔物的熔化和凝固以实现样本核酸反应所需的微流控操作。所述全封闭微流控芯片的工作原理是通过液体自重和预封气体压强的调节来控制液体的流动，当所述热熔组件的阀门默认关闭时，液体自重与预封气体压强保持平衡，而当阀门通过加热片打开时，液体自重大于当前预封气体压强，则液体会从当前的腔室进入与之相连的下一腔室。所述加热片连接所述加热控制器，所述加热控制器连接所述温度控制器，由温度控制器实现统一管控。

在本实施例中，进一步地，所述加热片上设有多个与每一所述全封闭微流控芯片的裂解区和热熔组件相对应的加热区域，所述加热控制器包括一微控制器和多个用于驱动每一所述加热区域的加热驱动单元，所述加热驱动单元与所述加热片一一对应连接，由加热驱动单元来选通每一加热片上具体的某一个或某几个加热区域对所述全封闭微流控芯片的裂解反应或微流控操作提供工作温度。所述加热片采用PI电热膜、硅胶加热膜、云母电热膜、MCH加热片、PTC发热组件、PET电热膜、PTC陶瓷发热元件等材质制作。每一所述加热驱动单元连接所述微控制器，所述微控制器连接所述温度控制器。

在本实施例中，所述光学检测系统包括LED光源、光电探测器、光通道切换模块、荧光检测器、驱动控制器，所述LED光源发出的光信号通过所述光通道切换模块的发送光通道到达所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔内，所激发的荧光信号通过所述光通道切换模块的接收光通道到达所述光电探测器，完成样本荧光信号的检测。所述光电探测器连接所述荧光检测器，所述光电探测器可采用带互阻放大器的APD检测器，所述光电探测器将接收的荧光信号先转换成电流信号再转换成电压信号，所述荧光检测器将所述光电探测器输出的电压信号转换成数字信号。所述LED光源、光通道切换模块和荧光检测器连接所述驱动控制器，所述驱动控制器接收所述荧光检测器发出的数字信号，所述驱动控制器发送驱动信号给所述光通道切换模块，以启动或停止所述光通道切换模块。所述LED光源内部设有LED驱动单元，所述驱动控制器发送信号至所述LED光源的LED驱动单元，以控制LED光源的启动与关闭。所述驱动控制器连接所述用户操作系统，由所述用户操作系统实现人机交互操作。

在本实施例中，进一步地，所述LED光源能够发出多种颜色及波长不同的光，所述光通道切换模块包括光通道切换电机、电机驱动器、滤光片轮。所述LED光源和光电探测器设于所述滤光片轮的同一侧，所述滤光片轮上安装有多个激发光滤光片和荧光滤光片。所述LED光源、激发光滤光片和Y型光纤探头的发送光通道探头同轴设置。所述光电探测器、荧光滤光片和Y型光纤探头的接收光通道探头同轴设置。所述光通道切换电机与所述滤光片轮传动连接，所述光通道切换电机能够带动滤光片轮转动以根据需求切换光通道，以向所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔照射不同波长的光。所述光通道切换电机通过所述电机驱动器连接所述驱动控制器，由驱动控制器实现光通道切换电机转动控制。所述Y型光纤探头的光通道扫描头在所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔处进行荧光检测，通过检测计算到的荧光值来判断核酸扩增的浓度。

在本实施例中，更进一步地，所述光通道切换模块还包括滤光片轮光耦，所述滤光片轮光耦连接所述驱动控制器。由所述滤光片轮光耦实现所述光通道切换电机带动所述滤光片轮复位。

在本实施例中，所述用户操作系统包括触摸显示屏、处理器，所述触摸显示屏通过LVDS信号线连接处理器，用于人机交互操作。所述温度控制器、驱动控制器通过CAN总线以菊花链通信方式与所述处理器互联通讯。

在本实施例中，所述用户操作系统还包括扫码器和/或打印机，所述扫码器和/或所述打印机连接所述处理器。所述扫码器用于对所述全封闭微流控芯片和样本进行扫码，以自动录入样本和试剂的项目信息参数。所述打印机采用热敏打印机，用于打印检测结果。

实施例2

参见图2和3，本申请提供的一种核酸检测系统，包括两个以上的全封闭微流控芯片、芯片装载平台、热循环系统、光学检测系统、用户操作系统和供电电源。

所述芯片装载平台上设置两个以上的芯片插槽，所述芯片插槽的数量与所述全封闭微流控芯片的数量相同，每一所述芯片插槽上固定装载一个所述全封闭微流控芯片。优选地，所述全封闭微流控芯片的数量可设置为二到一百以内的任意数，具体可由仪器设备的检测量及整机体积确定。所述热循环系统受控于所述用户操作系统，其用于对每一固定装载在所述芯片插槽中的所述全封闭微流控芯片所处的温度进行升降温调节。所述光学检测系统用于对每一固定装载在所述芯片插槽中的所述全封闭微流控芯片中的发生核酸扩增后的样本进行实时检测，并将检测结果实时发送到所述用户操作系统。所述供电电源为所述热循环系统、光学检测系统和用户操作系统提供电能。

需要特别说明的是，在本实施例中，所述全封闭微流控芯片竖直装载在芯片插槽中，所述全封闭微流控芯片为样本核酸裂解、聚合酶链反应（PCR）扩增和检测提供所需空间，其包括样本区、裂解区、扩增区和热熔组件，所述样本区、裂解区、扩增区自上往下依次设置。在样本区中设有样本腔，待测样本由样本腔加入全封闭微流控芯片中，在裂解区中设有裂解腔，在扩增区中设有逆转录腔，其中在裂解腔存放有核酸释放剂冻干球，逆转录腔存放有逆转录和扩增体系冻干球。所述热熔组件布设在裂解区和扩增区附近，所述热熔组件包括热熔物、容纳腔及阀门，热熔物预埋在容纳腔中，且容纳腔与阀门相连通，样本区和裂解区之间以及裂解区和扩增区之间通过控制阀门实现通断连接，利用温度控制热熔物的熔化和凝固控制阀门开与关，能够控制样本流体先从所述样本区进入所述裂解区、再由所述裂解区进入所述扩增区，从而实现反应所需的微流控操作。并在所述扩增区底部设置扩增检测腔，为样本的核酸温控扩增反应提供空间，同时用于所述光学检测系统的光学检测。

在本实施例中，如图3所示，所述热循环系统包括温度控制器、两个或两个以上的加热/制冷模块、温度传感器、传热座、散热器和散热风扇，所述传热座、散热器和散热风扇的数量与所述加热/制冷模块的数量保持一致。考虑到需要对所述全封闭微流控芯片实现快速升降温，所述传热座的制作材质优选采用铝合金，其导热性能佳。将所述传热座设在所述芯片插槽底部，所述传热座与每一固定装载在所述芯片插槽中的所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔紧密贴合，从而向扩增检测腔内部的样本核酸扩增反应提供合适的温度。所述加热/制冷模块的一面和所述温度传感器均与所述传热座贴合接触，利用传热座将加热/制冷模块的温度快速传递至所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔外部，同时利用所述温度传感器实时检测所述传热座的温度，以实现精确控温。所述加热/制冷模块的另一面与所述散热器贴合接触，所述散热风扇布设在所述散热器的下方。所述加热/制冷模块、所述温度传感器和所述散热风扇均连接所述温度控制器，由温度控制器实现集中统一管控，所述温度控制器连接所述用户操作系统，所述温度控制器采用PID算法进行温度控制，温度控制器受控于用户操作系统，由用户操作系统发送控制指令给温度控制器。

将所述芯片装载平台上作为检测通道的所有芯片插槽按所述加热/制冷模块数量（n为大于等于3的自然数）进行分组模块化，不同组的检测通道既可以同时并行检测，也可以分时检测，在一定程度上实现了随到随检，极大提高了检测效率。例如，设置两个所述加热/制冷模块，则所有芯片插槽也随之被分成了两组。

在本实施例中，进一步地，每个所述加热/制冷模块包括一个或多个半导体制冷片，这样可对不同的半导体制冷片实现分时温度控制，从而节约能耗，并便于实现分时检测。所述温度传感器的数量与所述半导体制冷片的数量保持一致，所述温度传感器与所述半导体制冷片在所述传热座上的位置上下一一对应，从而利用温度传感器感知与之对应的半导体制冷片传递至传热座的温度，以实现实时精准控温。每一所述半导体制冷片的一面与所述传热座贴合接触，每一所述半导体制冷片的另一面与所述散热器贴合接触。所述温度控制器包括一个或多个半导体制冷片驱动单元和一主控单元，所述半导体制冷片与所述半导体制冷片驱动单元一一对应连接，由所述半导体制冷片驱动单元控制所述半导体制冷片的启动与停止。每一所述半导体制冷片驱动单元连接所述主控单元，由所述主控单元对所有半导体制冷片驱动单元实现集中管控。每一所述半导体制冷片能够为一个或多个所述全封闭微流控芯片加热或制冷，每一所述半导体制冷片能够加热或制冷的所述全封闭微流控芯片的数量具体需根据用户需求进行设计。优选地，考虑加热或制冷时高温度升降速度及较低整机功率/功耗，将每一所述半导体制冷片对应加热或制冷一个或两个所述全封闭微流控芯片。

如图2和3所示，将每一所述加热/制冷模块设计成包含两个所述半导体制冷片，利用每一所述半导体制冷片为两个所述全封闭微流控芯片进行加热或制冷。

在本实施例中，更进一步地，所述半导体制冷片是利用物理现象中的帕尔贴效应，靠电子-空穴在运动中直接传递能量来实现，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量。所述半导体制冷片驱动单元采用H桥驱动控制电路进行设计，所述H桥驱动控制电路接收到所述主控单元发出的脉冲信号，所述H桥驱动控制电路控制H桥流过所述半导体制冷片的电流方向，以此来实现所述半导体制冷片加热和制冷。一方面在升温加热阶段，所述H桥驱动控制电路控制流过所述半导体制冷片的电流方向为正向，使得与所述传热座贴合接触的所述半导体制冷片的一面加热以升温，并由所述传热座将热量快速传导至所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔外部，此时与所述散热器贴合接触的所述半导体制冷片的面制冷。另一方面在降温制冷阶段，所述H桥驱动控制电路控制流过所述半导体制冷片的电流方向为反向，使得与所述传热座贴合接触的所述半导体制冷片的面制冷以降温，并由所述传热座快速吸收所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔外部的热量，此时与所述散热器贴合接触的所述半导体制冷片的面加热，并由所述散热器将热量散发出去，同时利用所述散热风扇用于辅助所述散热器对所述半导体制冷片实现快速降温。

在本实施例中，更进一步地，所述温度控制器还包括温度检测单元，所有所述温度传感器采集的温度模拟信号输入至所述温度检测单元，由所述温度检测单元转化成数字信号后传输给所述主控单元。

在本实施例中，所述热循环系统还包括加热控制器、两个以上的加热片，所述加热片的数量与所述全封闭微流控芯片的数量保持一致。每一所述加热片固定在所述芯片插槽上，并与固定装载在每一所述芯片插槽上的所述全封闭微流控芯片的受热面紧密贴合，用于为所述全封闭微流控芯片提供样本核酸裂解所需的温度以及控制所述热熔物的熔化和凝固以实现样本核酸反应所需的微流控操作。所述全封闭微流控芯片的工作原理是通过液体自重和预封气体压强的调节来控制液体的流动，当所述热熔组件的阀门默认关闭时，液体自重与预封气体压强保持平衡，而当阀门通过加热片打开时，液体自重大于当前预封气体压强，则液体会从当前的腔室进入与之相连的下一腔室。每一所述加热片连接所述加热控制器，所述加热控制器连接所述温度控制器，由温度控制器实现统一管控。

在本实施例中，进一步地，每一所述加热片上设有多个与每一所述全封闭微流控芯片的裂解区和热熔组件相对应的加热区域，所述加热控制器包括一微控制器和多个用于驱动每一所述加热区域的加热驱动单元，所述加热驱动单元与所述加热片一一对应连接，由加热驱动单元来选通每一加热片上具体的某一个或某几个加热区域对所述全封闭微流控芯片的裂解反应或微流控操作提供工作温度。所述加热片采用PI电热膜、硅胶加热膜、云母电热膜、MCH加热片、PTC发热组件、PET电热膜、PTC陶瓷发热元件等材质制作。每一所述加热驱动单元连接所述微控制器，所述微控制器连接所述温度控制器。

在本实施例中，如图2所示，所述光学检测系统包括LED光源、光电探测器、光通道切换模块、扫描模块、荧光检测器、驱动控制器，所述LED光源发出的光信号依次通过所述光通道切换模块和扫描模块的发送光通道到达所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔内，所激发的荧光信号依次通过所述扫描模块和光通道切换模块的接收光通道到达所述光电探测器，完成样本荧光信号的检测。所述光电探测器连接所述荧光检测器，所述光电探测器可采用带互阻放大器的APD检测器，所述光电探测器将接收的荧光信号先转换成电流信号再转换成电压信号，所述荧光检测器将所述光电探测器输出的电压信号转换成数字信号。所述LED光源、光通道切换模块、扫描模块和荧光检测器连接所述驱动控制器，所述驱动控制器接收所述荧光检测器发出的数字信号，所述驱动控制器发送驱动信号给所述光通道切换模块或所述扫描模块，以启动或停止所述光通道切换模块或所述扫描模块。所述LED光源内部设有LED驱动单元，所述驱动控制器发送信号至所述LED光源的LED驱动单元，以控制LED光源的启动与关闭。所述驱动控制器连接所述用户操作系统，由所述用户操作系统实现人机交互操作。

在本实施例中，进一步地，所述LED光源能够发出多种颜色及波长不同的光，所述光通道切换模块包括光通道切换电机、电机驱动器一、滤光片轮，所述扫描模块包括扫描电机、电机驱动器二、Y型光纤探头。所述LED光源和光电探测器设于所述滤光片轮的同一侧，所述滤光片轮上安装有多个激发光滤光片和荧光滤光片。所述LED光源、激发光滤光片和Y型光纤探头的发送光通道探头同轴设置。所述光电探测器、荧光滤光片和Y型光纤探头的接收光通道探头同轴设置。所述光通道切换电机与所述滤光片轮传动连接，所述光通道切换电机能够带动滤光片轮转动以根据需求切换光通道，以向所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔照射不同波长的光。所述光通道切换电机通过所述电机驱动器一连接所述驱动控制器，由驱动控制器实现光通道切换电机转动控制。所述扫描电机能够带动所述Y型光纤探头的光通道扫描头往复移动至每一所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔处进行荧光检测，通过检测计算到的荧光值来判断核酸扩增的浓度。所述扫描电机均通过所述电机驱动器二连接所述驱动控制器，由驱动控制器实现扫描电机转动控制。

在本实施例中，更进一步地，所述光通道切换模块还包括滤光片轮光耦，所述扫描模块还包括扫描电机光耦，所述滤光片轮光耦和所述扫描电机光耦均连接所述驱动控制器。由所述滤光片轮光耦实现所述光通道切换电机带动所述滤光片轮复位，由所述扫描电机光耦实现所述扫描电机带动Y型光纤探头的光通道扫描头复位。

在本实施例中，所述用户操作系统包括触摸显示屏、处理器，所述触摸显示屏通过LVDS信号线连接处理器，用于人机交互操作。所述温度控制器、驱动控制器通过CAN总线以菊花链通信方式与所述处理器互联通讯。

在本实施例中，所述用户操作系统还包括扫码器和/或打印机，所述扫码器和/或所述打印机连接所述处理器。所述扫码器用于对所述全封闭微流控芯片和样本进行扫码，以自动录入样本和试剂的项目信息参数。所述打印机采用热敏打印机，用于打印检测结果。

本申请还提供一种核酸检测仪器，所述核酸检测仪器包括以上任意一项所述的核酸检测系统。该仪器操作简单，能够同时进行核酸扩增和荧光检测，支持多个通道同时进行检测，自动化程度高，极大提高了检测效率。并集成了样本处理、核酸释放、扩增体系配置和快速实时荧光定量PCR等功能于一体，具有便携、快速、高通量、自动化程度高、无污染、准确等优点，可真正意义上实现“样本进-结果出”的核酸现场快速自动化检测。

本申请提供的实施例只是本申请总的构思下的最优示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (11)

1.一种核酸检测系统，其特征在于，包括：

全封闭微流控芯片，所述全封闭微流控芯片为样本核酸裂解、扩增和检测提供所需空间，所述全封闭微流控芯片上设有扩增检测腔和热熔组件；

芯片装载平台，所述芯片装载平台用于装载所述全封闭微流控芯片；

热循环系统，所述热循环系统包括加热/制冷模块和加热片，所述加热/制冷模块为所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔所处的温度进行升降温调节，所述加热片与所述全封闭微流控芯片的受热面紧密贴合，用于向所述全封闭微流控芯片提供样本核酸裂解所需的温度以及控制所述热熔组件的熔化和凝固以实现样本核酸反应所需的微流控操作；

光学检测系统，所述光学检测系统用于对所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔中进行核酸扩增的样本进行实时检测。

2.根据权利要求1所述的核酸检测系统，其特征在于， 所述热循环系统还包括温度传感器、加热控制器和温度控制器，所述温度传感器实时检测所述全封闭微流控芯片所处的温度，所述加热片连接所述加热控制器，所述加热/制冷模块、加热控制器和温度传感器连接所述温度控制器。

3.根据权利要求2所述的核酸检测系统，其特征在于， 所述热循环系统还包括传热座、散热器和散热风扇，所述芯片装载平台上设有芯片插槽，所述传热座设在所述芯片插槽底部，所述传热座与所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔紧密贴合，为所述全封闭微流控芯片的样本核酸扩增反应提供合适的温度，所述加热/制冷模块的一面和所述温度传感器均与所述传热座贴合接触，所述加热/制冷模块的另一面与所述散热器贴合接触，所述散热风扇用于辅助所述散热器对所述加热/制冷模块实现快速降温，所述散热风扇连接所述温度控制器。

4.根据权利要求3所述的核酸检测系统，其特征在于， 所述加热/制冷模块包括一个或多个半导体制冷片，所述温度控制器包括一个或多个半导体制冷片驱动单元和一主控单元，所述半导体制冷片的一面与所述传热座贴合接触，所述半导体制冷片的另一面与所述散热器贴合接触，所述半导体制冷片与所述半导体制冷片驱动单元一一对应连接，所述半导体制冷片驱动单元连接所述主控单元。

5.根据权利要求4所述的核酸检测系统，其特征在于， 所述半导体制冷片驱动单元采用H桥驱动控制电路进行设计，所述H桥驱动控制电路接收到所述主控单元发出的脉冲信号，所述H桥驱动控制电路控制H桥流过所述半导体制冷片的电流方向，以此来实现所述半导体制冷片加热和制冷。

6.根据权利要求2所述的核酸检测系统，其特征在于， 所述加热片上设有多个与所述全封闭微流控芯片的裂解区和热熔组件相对应的加热区域，所述加热控制器包括一微控制器和多个用于驱动每一所述加热区域的加热驱动单元，所述加热驱动单元与所述加热片一一对应连接，每一所述加热驱动单元连接所述微控制器，所述微控制器连接所述温度控制器。

7.根据权利要求1所述的核酸检测系统，其特征在于， 所述光学检测系统包括LED光源、光电探测器、光通道切换模块、荧光检测器、驱动控制器，所述光电探测器连接所述荧光检测器，所述LED光源、光通道切换模块、扫描模块和荧光检测器连接所述驱动控制器，所述LED光源发出的光信号通过所述光通道切换模块发送光通道到达所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔内，所激发的荧光信号通过所述光通道切换模块的接收光通道到达所述光电探测器，完成样本荧光信号的检测。

8.根据权利要求7所述的核酸检测系统，其特征在于， 所述全封闭微流控芯片的数量为两个以上，所述芯片插槽和所述加热片的数量与所述全封闭微流控芯片的数量保持一致，所述加热/制冷模块的数量为两个或两个以上。

9.根据权利要求8所述的核酸检测系统，其特征在于，所述光学检测系统还包括扫描模块、所述扫描模块连接所述驱动控制器，所述LED光源发出的光信号依次通过所述光通道切换模块和扫描模块的发送光通道到达所述全封闭微流控芯片的扩增检测腔内，所激发的荧光信号依次通过所述扫描模块和光通道切换模块的接收光通道到达所述光电探测器，完成样本荧光信号的检测。

10.根据权利要求1所述的核酸检测系统，其特征在于， 还包括用户操作系统，所述用户操作系统包括触摸显示屏、处理器、扫码器，所述触摸显示屏通过LVDS信号线连接处理器，所述扫码器连接所述处理器的串口，所述热循环系统、光学检测系统通过CAN总线以菊花链通信方式与所述处理器互联通讯。

11.一种核酸检测仪器，其特征在于，其包括如以上任一权利要求所述的核酸检测系统。

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