CN114703048A - 小型化核酸扩增检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小型化核酸扩增检测装置，包括：加热基座，加热基座为顶面中心具有通孔一或凹槽一的导热块，通孔一或凹槽一用于适配性容纳核酸试剂管，加热基座的多个侧面对应核酸试剂管下部的位置设置有多个孔洞，多个孔洞分别与通孔一或凹槽一连通；加热单元，加热单元紧贴导热块的通孔一贯穿的底面或凹槽一相对的底面设置，或者从导热块的通孔一贯穿的底面插入通孔一设置；至少一组光源单元用于发射激发光，至少一组光探测单元或光谱探测单元用于采集核酸样品激发的荧光，至少一组光源单元和至少一组光探测单元和/或光谱探测单元分别通过加热基座的孔洞传播或接收光信号。根据本发明的技术方案，可以实现结构紧凑的一体化核酸扩增检测装置。

Description

小型化核酸扩增检测装置

技术领域

本发明涉及生物检测领域，尤其涉及一种小型化核酸扩增检测装置。

背景技术

目前对核酸进行体外检测的方式主要有聚合酶链式反应（PCR）方法以及等温核酸扩增的方式。PCR方法通过循环变温实现核酸扩增，而等温核酸扩增技术是通过添加不同活性的酶和各自特异性引物来达到快速扩增核酸的目的。与PCR方法相比，等温扩增方式始终维持在同一个温度即可，无需升降温控制，对于温度模块的要求低，更容易实现检测设备的小型化与快速检测，也更有助于降低设备开发的成本。目前常见的等温核酸扩增技术主要有环介导等温扩增（loop-mediated isothermal amplification，LAMP）、重组酶聚合酶扩增（recombinase polymerase amplification, RPA）、滚环扩增（rolling circleamplification, RCA）、交叉引物扩增（cross priming amplification, CPA）、链置换扩增（strand displacement amplification, SDA）和解旋酶依赖性扩增（helicase-dependentamplification, HDA）等。等温扩增可以通过电泳、实时荧光法、浊度法以及显色法等方式实现结果的检测。

不论是PCR方法还是等温核酸扩增方式，如何实现结构紧凑、低成本的一体化核酸扩增检测装置，以实现快速便捷的现场即时核酸荧光检测都是亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施方式提供一种小型化核酸扩增检测装置，以至少解决相关技术中存在的问题之一。为实现该目的，本发明通过以下技术方案实现。

本发明实施方式一方面提供一种小型化核酸扩增检测装置，包括：加热基座，所述加热基座为顶面中心具有通孔一或凹槽一的导热块，所述通孔一或凹槽一用于适配性容纳核酸试剂管，所述加热基座的多个侧面对应所述核酸试剂管下部的位置设置有多个孔洞，所述多个孔洞分别与所述通孔一或凹槽一连通；加热单元，所述加热单元紧贴所述导热块的所述通孔一贯穿的底面或所述凹槽一相对的底面设置，或者从所述导热块的所述通孔一贯穿的底面插入所述通孔一设置，用于对所述核酸试剂管进行加热；至少一组光源单元用于发射激发光，至少一组光探测单元和/或至少一组光谱探测单元用于采集核酸样品激发的荧光，所述至少一组光源单元和所述至少一组光探测单元和/或至少一组光谱探测单元分别通过所述加热基座的所述孔洞传播或接收光信号。

进一步的，所述加热基座的其中一个侧面还设置有凹槽二，用于容纳过温保护传感单元，所述过温保护传感单元在所述导热块的温度高于预设第一温度时断开所述加热单元的电路，以及在所述导热块的温度低于预设第二温度时接通所述加热单元的电路。

进一步的，本发明实施方式的小型化核酸扩增检测装置还包括：降温单元，所述降温单元设置在所述加热单元的下方或者设置在所述加热基座的侧面，用于对所述核酸试剂管进行降温。

进一步的，本发明实施方式的小型化核酸扩增检测装置还包括：包围结构，所述包围结构环绕式紧密包覆所述加热基座的侧面以及所述核酸试剂管露出所述通孔一或凹槽一的部分，所述包围结构上设置有多个通孔二，所述多个通孔二分别与所述加热基座的所述多个孔洞一一对应，所述至少一组光源单元和所述至少一组光探测单元和/或至少一组光谱探测单元分别通过所述通孔二插入式紧固设置。

进一步的，包围结构上的通孔二的形状可以为：方柱状、圆柱状、圆锥状、圆柱和圆锥的组合体，且通孔二内可以设置一个或多个台阶式结构或卡位结构，用于匹配光源单元或光（光谱）探测单元的不同形状和结构，形成紧固嵌套。通孔二的内壁可以是光滑表面或高反光表面，以将光源单元发射的光汇聚到核酸试剂管底部，激发荧光。

进一步的，所述加热单元还包括温度传感器，用于实时检测所述核酸试剂管的温度。

进一步的，每组所述光源单元包括：光源、聚光部件和滤光片一，所述光源发射的激发光经所述聚光部件聚集后经过所述滤光片一照射到所述核酸试剂管上激发样品产生荧光。

进一步的，每组所述光探测单元包括：光探测器、聚光透镜和滤光片二，所述荧光依次经过所述滤光片二和所述聚光透镜照射到所述光探测器。

进一步的，每组所述光谱探测单元包括：单带通滤光片阵列和图像传感阵列，所述单带通滤光片阵列中的各个单带通滤光片可透过的光波长不同，所述荧光经过所述单带通滤光片阵列照射到所述图像传感阵列；或者每组所述光谱探测单元包括：镀有可透过不同波段的光的膜的图像传感阵列。

进一步的，为实现多色荧光检测，所述至少一组光源单元为一组，且所述光源为多波长光源时，所述滤光片一为多带通滤光片；所述至少一组光源单元为多组，且各组光源单元的所述光源的波长不同时，所述滤光片一为单带通滤光片；以及所述至少一组光探测单元为一组时，所述滤光片二为多带通滤光片；所述至少一组光探测单元为多组时，所述滤光片二为单带通滤光片。

本发明实施方式另一方面提供一种小型化核酸扩增检测装置，包括：加热基座，所述加热基座为中心具有通孔一的导热块，所述通孔一用于适配性容纳核酸试剂管，所述加热基座的多个侧面对应所述核酸试剂管下部的位置设置有多个孔洞，所述多个孔洞分别与所述通孔一连通；加热单元，所述加热单元设置在所述加热基座的其中一个侧面的所述孔洞中，用于对所述核酸试剂管进行加热；至少一组光源单元用于发射激发光，设置在正对所述加热基座的通孔一的上方或下方；至少一组光探测单元和/或至少一组光谱探测单元用于采集核酸样品激发的荧光，分别通过所述加热基座的所述孔洞传播或接收光信号；包围结构，所述包围结构环绕式紧密包覆所述加热基座的侧面以及所述核酸试剂管露出所述通孔一的部分，所述包围结构上设置有至少一个通孔二，所述至少一个通孔二分别与所述加热基座的除设置有所述加热单元的孔洞之外的其余孔洞一一对应，所述至少一组光探测单元和/或至少一组光谱探测单元分别通过所述通孔二插入式紧固设置。

本发明实施方式相对于现有技术而言，具有以下优点：

（1）通过在加热基座的不同部位设置通孔或凹槽以及孔洞的方式，将核酸扩增所需的加热、激发光照射、荧光采集等程序紧凑布局在小型化装置中一体化实现；

（2）通过设置降温单元，使得该小型化核酸扩增检测装置不仅可以适用于等温核酸检测，还可以用于PCR核酸检测；

（3）通过在加热基座的侧面以及核酸试剂管的露出部位设置包围结构，不仅起到固定核酸试剂管的作用，而且使得核酸试剂管被更多地包裹起到遮光作用，同时通过嵌套方式固定光源单元和光探测单元和光谱探测单元，巧妙的实现装置的小型化紧凑布局；

（4）通过设置多组不同波长的光源，或者在一组多波长光源中配合使用多带通滤光片，以及通过在光谱探测单元使用单带通滤光片阵列或者可透过不同波段的光的镀膜，实现多色荧光检测。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1的小型化核酸扩增检测装置的示意图（部件拆分状态）；

图2为本发明实施例1的小型化核酸扩增检测装置的示意图（部件就位状态）；

图3为本发明实施例1的光源单元和光探测单元的示意图；

图4为本发明实施例1的光谱探测单元的示意图；

图5为本发明实施例2的带有降温单元的小型化核酸扩增检测装置的示意图；

图6为本发明实施例3的带有包围结构的小型化核酸扩增检测装置的示意图；

图7为本发明实施例4的小型化核酸扩增检测装置的示意图。

附图标记说明：

加热基座-1，光源单元-2，光探测单元-3，光谱探测单元-4，通孔一-101，凹槽一-101a，核酸试剂管-5，孔洞-102，凹槽二-103，过温保护传感单元-6，光源-201，聚光部件-202，滤光片一-203，光探测器-301，聚光透镜-302，滤光片二-303，单带通滤光片阵列-401，图像传感阵列-402，降温单元-7，包围结构-8，通孔二-801。

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，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

实施例1

本发明实施方式提供一种小型化核酸扩增检测装置。图1为本发明实施例1的小型化核酸扩增检测装置的示意图（部件拆分状态），图2为本发明实施例1的小型化核酸扩增检测装置的示意图（部件就位状态）。如图1和图2所示，该小型化核酸扩增检测装置包括：加热基座1、加热单元（图中未示出）、光源单元2、光探测单元3或光谱探测单元4。

加热基座1为顶面中心具有通孔一101或凹槽一101a的导热块，通孔一101或凹槽一101a用于适配性容纳核酸试剂管5，即核酸试剂管5比较紧固地安装在通孔一101或凹槽一101a中。核酸试剂管5插入到通孔一101或凹槽一101a中后，核酸试剂管的上半部分仍露出。加热基座1的多个侧面对应核酸试剂管5插入后试剂管5下部的位置设置有多个孔洞102，每个孔洞102分别与通孔一101或凹槽一101a连通。

加热单元紧贴导热块的通孔一101贯穿的底面或凹槽一101a相对的底面而设置，用于对核酸试剂管进行加热。在本实施例中，加热单元可以是固定在电路板上的加热电阻，将加热电阻使用导热硅脂与加热基座1的底面固定连接。在其他可选的实施例中，加热单元还可以是电热棒，插入到通孔一101中实现加热功能；或者是电热膜覆盖在加热单元底面的外侧实现加热功能。通过加热单元，可以实现37-70 摄氏度之间的任意温度，从而兼容各种等温扩增试剂。在本实施例中，加热基座1的其中一个侧面还设置有凹槽二103，用于容纳过温保护传感单元6，过温保护传感单元6在导热块的温度高于预设第一温度时断开加热单元的电路，以及在导热块的温度低于预设第二温度时接通加热单元的电路，从而将温度控制在所需范围内。在本实施例中，加热单元还包括温度传感器，用于实时检测核酸试剂管的温度，实现实时温度控制。

光源单元2用于对待测核酸样品提供激发光进行照射，以激发荧光。光探测单元3和/或光谱探测单元4用于采集核酸样品激发的荧光。在本实施例中，光源单元2和光探测单元3或光谱探测单元4分别对准加热基座1的孔洞102设置，通过加热基座1的孔洞102传播或接收光信号。

图3为本发明实施例1的光源单元和光探测单元的示意图。如图3所示，光源单元2包括：光源201、聚光部件202和滤光片一203。光源201发射的激发光经聚光部件202聚集后经过滤光片一203照射到核酸试剂管5上激发样品产生荧光。当信号采集单元为光探测器时，光探测单元3包括：光探测器301、聚光透镜302和滤光片二303。样品产生的荧光依次经过滤光片二303和聚光透镜302照射到光探测器301。当信号采集单元为光谱探测装置时，光谱探测单元4可以为光谱探测器，在本实施例中，光谱探测单元4可以优选的包括单带通滤光片阵列401和图像传感阵列402，如图4所示。其中，单带通滤光片阵列401中的各个单带通滤光片可透过的光波长不同，各个滤光片胶合在一起，可以将样品产生的荧光按颜色进行空间区分，提高荧光的空间分辨率。荧光经过单带通滤光片阵列实现多色区分，然后照射到图像传感阵列402（例如，面阵CCD图像传感器或面阵CMOS图像传感器）。可选的，光谱探测单元还可以为镀有可透过不同波段的光的膜的图像传感阵列，即在CCD图像传感器或CMOS图像传感器前端镀上多层可透过不同波段的光的膜。

在本发明实施例中，若要实现多色荧光检测，光源单元2可以为一组也可以为多组，光探测单元3可以为一组也可以为多组。当光源单元2为一组，且光源201为多波长光源时，滤光片一203为多带通滤光片；当光源单元2为多组，且各组光源单元的光源201的波长不同时，滤光片一203为单带通滤光片，即每组光源单元2发出一种单色激发光。当光探测单元3为一组时，滤光片二303为多带通滤光片，可通过多色荧光；当光探测单元3为多组时，滤光片二303为单带通滤光片，即每组光探测单元3探测一种单色荧光。

在本发明实施例中，通过在加热基座的不同部位设置通孔或凹槽以及孔洞的方式，将核酸扩增所需的加热、激发光照射、荧光采集等程序紧凑布局在小型化装置中一体化实现。

实施例2

本发明实施方式提供一种小型化核酸扩增检测装置，该装置在实施例1所示的装置基础上增加了降温单元，如图5所示。该小型化核酸扩增检测装置还包括降温单元7，降温单元7可以为风扇。降温单元设置在加热单元的下方或者设置在加热基座1的侧面，用于对核酸试剂管5进行降温。通过设置降温单元，使得该小型化核酸扩增检测装置不仅可以适用于等温核酸检测，还可以用于循环变温的PCR核酸检测。

实施例3

本发明实施方式提供一种小型化核酸扩增检测装置，该装置在实施例2所示的装置基础上增加了包围结构8，如图6所示。该小型化核酸扩增检测装置还包括包围结构8，包围结构8环绕式紧密包覆加热基座1的侧面以及核酸试剂管5露出通孔一101或凹槽一101a的部分，形成嵌套结构。包围结构8上设置有多个通孔二801，多个通孔二801分别与加热基座1的多个孔洞102一一对应，光源单元2和光探测单元3或光谱探测单元4分别通过通孔二801插入式紧固设置。在本实施例中，包围结构8上的通孔二801的形状可以为：方柱状、圆柱状、圆锥状、圆柱和圆锥的组合体，且通孔二801内可以设置一个或多个台阶式结构或卡位结构，用于匹配光源单元2或光探测单元3或光谱探测单元4的不同形状和结构，形成紧固嵌套。通孔二801的内壁可以是光滑表面或高反光表面，以将光源单元2发射的光汇聚到核酸试剂管5的底部，激发荧光。通过在加热基座1的侧面以及核酸试剂管5的露出部位设置包围结构8，不仅起到固定核酸试剂管5的作用，而且使得核酸试剂管5被更多地包裹起到遮光作用，同时通过嵌套方式固定光源单元2、光探测单元3和光谱探测单元4，巧妙的实现装置的小型化紧凑布局。

实施例4

本发明实施方式进一步提供一种小型化核酸扩增检测装置，如图7所示。该小型化核酸扩增检测装置包括：加热基座1、加热单元（图中未示出）、光源单元2、光探测单元3或光谱探测单元4、包围结构8。其中，加热基座1为中心具有通孔一101的导热块，通孔一101用于适配性容纳核酸试剂管5。加热基座1的多个侧面对应核酸试剂管5下部的位置设置有多个孔洞102（图中未示出），多个孔洞102分别与通孔一101连通。加热单元设置在加热基座1的其中一个侧面的孔洞102中，用于对核酸试剂管5进行加热。至少一组光源单元2用于发射激发光，设置在正对加热基座1的通孔一101的上方或下方。至少一组光探测单元3和/或至少一组光谱探测单元4用于采集核酸样品激发的荧光，分别通过加热基座1的孔洞传播或接收光信号。包围结构8环绕式紧密包覆加热基座1的侧面以及核酸试剂管5露出通孔一101的部分，包围结构8上设置有至少一个通孔二801，至少一个通孔二801分别与加热基座1的除设置有加热单元的孔洞之外的其余孔洞一一对应。至少一组光探测单元3和/或至少一组光谱探测单元4分别通过通孔二801插入式紧固设置。在本实施例中，可选的，还包括降温单元7，降温单元7（如风扇）设置在加热基座1的侧面。

实施例5

本发明实施方式进一步提供一种上述小型化核酸扩增检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤1：启动检测装置，用户端登录APP，蓝牙连接检测装置，用户端扫描试剂盒上的二维码，用户端识别检测项目，并将检测的温度、时间以及荧光采集参数传输至检测装置；

步骤2：用户端APP点击预热，检测装置开始预热，加热单元上升到二维码识别出的温度；

步骤3：采集咽拭子等核酸样本，加入样本保存液中；

步骤4：将样本保存液加入核酸试剂管中；

步骤5：摇匀核酸试剂管，并将核酸试剂管放入检测装置的通孔一或凹槽中，关闭装置外盖；

步骤6：用户端点击“开始检测”，检测开始，这期间温度保持不变，检测装置根据二维码识别出的时间进行计时，同时，光源单元根据二维码识别出的采集参数，定时打开，同时光电探测器或光谱传感器采集对应的荧光，获得荧光强度并记录；

步骤7：反应结束，再次登录用户端，并蓝牙连接设备。检测结果会通过蓝牙由检测装置传输至用户端，并在用户端进行分析，并显示检测结果。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种小型化核酸扩增检测装置，其特征在于，包括：

加热基座（1），所述加热基座（1）为顶面中心具有通孔一（101）或凹槽一（101a）的导热块，所述通孔一（101）或凹槽一（101a）用于适配性容纳核酸试剂管（5），所述加热基座（1）的多个侧面对应所述核酸试剂管（5）下部的位置设置有多个孔洞（102），所述多个孔洞（102）分别与所述通孔一（101）或凹槽一（101a）连通；

加热单元，所述加热单元紧贴所述导热块的所述通孔一（101）贯穿的底面或所述凹槽一（101a）相对的底面设置，或者从所述导热块的所述通孔一（101）贯穿的底面插入所述通孔一（101）设置，用于对所述核酸试剂管（5）进行加热；

至少一组光源单元（2）用于发射激发光，至少一组光探测单元（3）和/或至少一组光谱探测单元（4）用于采集核酸样品激发的荧光，所述至少一组光源单元（2）和所述至少一组光探测单元（3）和/或至少一组光谱探测单元（4）分别通过所述加热基座（1）的所述孔洞（102）传播或接收光信号。

2.根据权利要求1所述的小型化核酸扩增检测装置，其特征在于，所述加热基座（1）的其中一个侧面还设置有凹槽二（103），用于容纳过温保护传感单元（6），所述过温保护传感单元（6）在所述导热块的温度高于预设第一温度时断开所述加热单元的电路，以及在所述导热块的温度低于预设第二温度时接通所述加热单元的电路。

3.根据权利要求1所述的小型化核酸扩增检测装置，其特征在于，还包括：降温单元（7），所述降温单元（7）设置在所述加热单元的下方或者设置在所述加热基座（1）的侧面，用于对所述核酸试剂管（5）进行降温。

4.根据权利要求1所述的小型化核酸扩增检测装置，其特征在于，还包括：包围结构（8），所述包围结构（8）环绕式紧密包覆所述加热基座（1）的侧面以及所述核酸试剂管（5）露出所述通孔一（101）或凹槽一（101a）的部分，所述包围结构（8）上设置有多个通孔二（801），所述多个通孔二（801）分别与所述加热基座（1）的所述多个孔洞（102）一一对应，所述至少一组光源单元（2）和所述至少一组光探测单元（3）和/或至少一组光谱探测单元（4）分别通过所述通孔二（801）插入式紧固设置。

5.根据权利要求1所述的小型化核酸扩增检测装置，其特征在于，所述加热单元还包括温度传感器，用于实时检测所述核酸试剂管（5）的温度。

6.根据权利要求1所述的小型化核酸扩增检测装置，其特征在于，每组所述光源单元（2）包括：光源（201）、聚光部件（202）和滤光片一（203），所述光源（201）发射的激发光经所述聚光部件（202）聚集后经过所述滤光片一（203）照射到所述核酸试剂管（5）上激发所述核酸样品产生荧光。

7.根据权利要求6所述的小型化核酸扩增检测装置，其特征在于，每组所述光探测单元（3）包括：光探测器（301）、聚光透镜（302）和滤光片二（303），所述荧光依次经过所述滤光片二（303）和所述聚光透镜（302）照射到所述光探测器（301）。

8.根据权利要求6所述的小型化核酸扩增检测装置，其特征在于，

每组所述光谱探测单元（4）包括：单带通滤光片阵列（401）和图像传感阵列（402），所述单带通滤光片阵列（401）中的各个单带通滤光片可透过的光波长不同，所述荧光经过所述单带通滤光片阵列（401）照射到所述图像传感阵列（402）；或者

每组所述光谱探测单元（4）包括：镀有可透过不同波段的光的膜的图像传感阵列（402）。

9.根据权利要求7所述的小型化核酸扩增检测装置，其特征在于，

所述至少一组光源单元（2）为一组，且所述光源（201）为多波长光源时，所述滤光片一（203）为多带通滤光片；所述至少一组光源单元（2）为多组，且各组光源单元（2）的所述光源（201）的波长不同时，所述滤光片一（203）为单带通滤光片；以及

所述至少一组光探测单元（4）为一组时，所述滤光片二（303）为多带通滤光片；所述至少一组光探测单元（4）为多组时，所述滤光片二（303）为单带通滤光片。

10.一种小型化核酸扩增检测装置，其特征在于，包括：

加热基座（1），所述加热基座（1）为中心具有通孔一（101）的导热块，所述通孔一（101）用于适配性容纳核酸试剂管（5），所述加热基座（1）的多个侧面对应所述核酸试剂管（5）下部的位置设置有多个孔洞（102），所述多个孔洞（102）分别与所述通孔一（101）连通；

加热单元，所述加热单元设置在所述加热基座（1）的其中一个侧面的所述孔洞（102）中，用于对所述核酸试剂管（5）进行加热；

至少一组光源单元（2）用于发射激发光，设置在正对所述加热基座（1）的通孔一（101）的上方或下方；

至少一组光探测单元（3）和/或至少一组光谱探测单元（4）用于采集核酸样品激发的荧光，分别通过所述加热基座（1）的所述孔洞（102）传播或接收光信号；

包围结构（8），所述包围结构（8）环绕式紧密包覆所述加热基座（1）的侧面以及所述核酸试剂管（5）露出所述通孔一（101）的部分，所述包围结构（8）上设置有至少一个通孔二（801），所述至少一个通孔二（801）分别与所述加热基座（1）的除设置有所述加热单元的孔洞（102）之外的其余孔洞（102）一一对应，所述至少一组光探测单元（3）和/或至少一组光谱探测单元（4）分别通过所述通孔二（801）插入式紧固设置。

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