CN116099286A - 气溶胶过滤器及核酸萃取卡匣 - Google Patents

Abstract

一种气溶胶过滤器及核酸萃取卡匣，核酸萃取卡匣包括储液模块、萃取模块、连通模块及气溶胶过滤器。连通模块连通储液模块及萃取模块，并与外部气压驱动装置连接，以驱动核酸萃取卡匣内的流体传输。气溶胶过滤器设置于连通模块及外部气压驱动装置之间，且包括上盖、底座、过滤膜及硅胶垫，过滤膜设置于底座的过滤膜承载槽中，硅胶垫设置于上盖及底座之间，使上盖及底座所定义的过滤器腔体达到气密。上盖及底座具有对应设置的多个过滤膜支撑结构，分别对应抵顶过滤膜的两相对面，以将过滤膜固定于底座的过滤膜承载槽中，并共同支撑过滤膜不于过滤的过程中因气压而变形。

Description

气溶胶过滤器及核酸萃取卡匣

技术领域

本案是关于一种气溶胶过滤器，尤指一种适用于核酸萃取卡匣的气溶胶过滤器。

背景技术

全球人口的增长和现代交通的发展不仅促进了国际贸易和经济发展，而且导致传染病的蔓延加剧。特别是在2019年底严重特殊传染性肺炎(COVID-19)爆发时，广泛传播的病毒不仅影响了全球经济，还给生活带来了很多不便。截至今日，COVID-19已在全球造成超过2亿例确诊病例，并导致超过400万例死亡。在缺乏有效的治疗方法之前，临床医学一直在寻求针对可疑病例的现场诊断(或称为即时检验(Point of Care Testing，简称POCT))的解决方案，以便早期发现并预防疾病。尽管分子诊断能以出色的灵敏度和准确性检测目标病原体，然而常规的分子诊断方法需要训练有素的技术人员，昂贵的实验室仪器和复杂的工作程序。因此，传统的分子诊断方法不能满足定点和实时疾病诊断的诉求。

近年来“晶片实验室”发展已逐渐成熟，其核心概念为把不同检测仪器设备功能微型化整并于同一检测平台上，实现所谓即时检验的目标。此平台的关键技术包括：透过流体控制与微流体技术，建构具备“核酸萃取与纯化”与“定量微量取样与分注”功能的耗材卡匣，将原本复杂的操作流程化繁为简，并透过光学、机构、电子控制、云端数据的整合，建构全功能的可携式检测仪，将原有多台大型设备的关键功能，微型浓缩至一台桌上型设备，以满足现场检测与报告分析的需求。此全自动核酸检测平台可应用于传染性疾病检测，不仅能改善现今核酸检测仅能在特定的医检中心或实验室执行检测的限制，还能减少复杂操作程序及人为判读可能造成的误差判定，提供第一线人员(例如护士、医生助理)快速且准确的传染性疾病临床诊断。

针对气压驱动的核酸萃取卡匣，其在设计上无论以泵浦驱动或是活塞驱动，在卡匣本体的设计上皆需要具备进气、排气端和流道结构。而其对应的分析设备本体，则需具备对应上述卡匣结构的流体控制模块，包含：泵浦、电磁阀、活塞及相关控制电子电路模块。然而，核酸萃取试剂在泵浦或活塞驱动的过程中，难以避免会有气雾产生，通过泵浦、活塞和流体设计排放至分析设备的腔体内。除此之外，核酸萃取试剂多半是以乙醇作为溶剂，在萃取流程的操作过程中，乙醇挥发出的挥发性有机气体，也容易伴随泵浦、活塞和流体设计排放至分析设备的腔体内。气雾和挥发性有机气体尚不至于会对于分析设备造成太大的损害。然而，核酸萃取试剂多半是高盐溶液，这些盐类物质若是通过气雾或是挥发性气体携带至分析设备内，易造成分析设备管道、泵浦或电控元件因盐类物质残留而堆积阻塞或是锈蚀损害。盐类成份主要由细胞裂解液(lysis buffer)和清洗液(wash buffer)所贡献，其内容物包含氢氧化钠(sodium hydroxide(NaOH))和盐酸胍(Guanidine-hydrochloride(GuHCl))，会个别于溶液中解离并贡献Na⁺、OH^-、C(NH₂)³⁺、Cl^-等离子，溶液中的乙醇或是水会因为萃取流程气流控制之故，上述盐类离子进而被乙醇或是水气的气溶胶(指固体或液体微粒稳定地悬浮于气体介质中形成的分散体系)或蒸气携带至上游的管道或是电控元件内，并形成盐类物质造成管道阻塞或是电控元件锈蚀和损坏。因此，如何避免前述盐类物质造成管道阻塞或是电控元件锈蚀和损坏的缺失，是亟待克服的课题。

发明内容

本案的目的在于提供一种适用于核酸萃取卡匣的气溶胶过滤器，用以过滤核酸萃取过程中因气流驱动所产生的携带盐类离子的气溶胶，避免上游设备的管道或是电控元件因盐类物质造成管道阻塞或是电控元件锈蚀和损坏。

为达上述目的，本案提供一种气溶胶过滤器，适用于一核酸萃取卡匣。核酸萃取卡匣包括一储液模块、一萃取模块、及一连通模块，连通模块连通储液模块及萃取模块，并与一外部气压驱动装置连接，以驱动核酸萃取卡匣内的流体传输。气溶胶过滤器设置于连通模块及外部气压驱动装置之间，且包括：一上盖及一底座，上盖及底座定义出一过滤器腔体；一过滤膜，设置于底座的一过滤膜承载槽中；以及一硅胶垫，设置于上盖及底座之间，架构于使上盖及底座所定义的过滤器腔体达到气密。上盖及底座具有对应设置的多个过滤膜支撑结构，分别对应抵顶过滤膜的两相对面，以将过滤膜固定于底座的过滤膜承载槽中，并共同支撑过滤膜不于过滤的过程中因气压而变形。

在一实施例中，过滤膜为聚四氟乙烯(PTFE)膜。

在一实施例中，过滤膜的孔径为0.02～0.5μm

在一实施例中，气溶胶过滤器还包括另一硅胶垫，设置于上盖的顶面，架构于连接外部气压驱动装置的气体管道。

在一实施例中，过滤膜承载槽包括一过滤膜贴附区，是由过滤膜承载槽的周缘往内延伸的一凸出部。

在一实施例中，底座的多个过滤膜支撑结构是由过滤膜承载槽的底面往上延伸的多个凸出部。

在一实施例中，上盖的多个过滤膜支撑结构是由上盖的底面往下延伸的多个凸出部。

在一实施例中，硅胶垫包括一开槽及一周壁，开槽大致对应过滤膜承载槽而设置，周壁设置于开槽的周缘，且突出于硅胶垫的上表面及下表面。周壁的顶面顶抵于上盖的底面，且周壁的底面顶抵于过滤膜。

在一实施例中，上盖包括一框体，是由上盖的底面往下延伸并抵顶于硅胶垫，且框体的内表面与硅胶垫的周壁的外表面贴合。

在一实施例中，底座包括多个超音波熔接肋，其是由底座的顶面往上延伸的多个凸出部。

在一实施例中，上盖、底座、及硅胶垫分别具有对应设置的多个气动开口，以共同定义出多个气体管道，且多个气体管道的至少一个通过过滤膜承载槽中的过滤膜。

为达上述目的，本案还提供一种核酸萃取卡匣，包括一储液模块、一萃取模块、一连通模块、及一气溶胶过滤器。连通模块连通储液模块及萃取模块，并与一外部气压驱动装置连接，以驱动核酸萃取卡匣内的流体传输。气溶胶过滤器设置于连通模块及外部气压驱动装置之间，且包括：一上盖及一底座，上盖及底座定义出一过滤器腔体；一过滤膜，设置于底座的一过滤膜承载槽中；以及一硅胶垫，设置于上盖及底座之间，架构于使上盖及底座所定义的过滤器腔体达到气密。上盖及底座具有对应设置的多个过滤膜支撑结构，分别对应抵顶过滤膜的两相对面，以将过滤膜固定于底座的过滤膜承载槽中，并共同支撑过滤膜不于过滤的过程中因气压而变形。

附图说明

图1显示本案核酸萃取卡匣的组装示意图；

图2显示本案核酸萃取卡匣的爆炸图；

图3显示本案气溶胶过滤器的爆炸图；

图4显示本案气溶胶过滤器的过滤膜与底座的结构对应图；

图5显示本案气溶胶过滤器的上盖的底面结构；

图6显示本案气溶胶过滤器的剖面图及过滤机制；

图7显示本案气溶胶过滤器的盐类物质过滤效果分析。

【符号说明】

C：核酸萃取卡匣

1：储液模块

2：萃取模块

3：连通模块

4：取样模块

41：取样管

5：气溶胶过滤器

51：上盖

511：第一气动开口

512：过滤膜支撑结构

513：框体

52：底座

521：过滤膜承载槽

522、522A：第二气动开口

523：过滤膜贴附区

524：过滤膜支撑结构

525：超音波熔接肋

53：过滤膜

531：粘胶

532：延伸部

54：硅胶垫

541：第三气动开口

542：开槽

543：周壁

544：开孔

55：硅胶垫

551：第四气动开口

具体实施方式

体现本案特征与优点的一些实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及附图在本质上为说明之用，而非用以限制本案。

本案主要提供一种气溶胶过滤器及其适用的核酸萃取卡匣。图1显示本案核酸萃取卡匣的组装示意图，图2显示本案核酸萃取卡匣的爆炸图。如图1及图2所示，核酸萃取卡匣C至少包括一储液模块1、一萃取模块2及一连通模块3。储液模块1具有多个槽体，架构于储存多种反应试剂或缓冲液。萃取模块2具有多个腔室(例如反应室、收集室、废液室等)及流道，架构于进行核酸萃取流程。连通模块3连通储液模块1及萃取模块2，并与一外部气压驱动装置(未图示)连接，架构于驱动核酸萃取卡匣C内的流体传输。举例来说，外部气压驱动装置为泵浦驱动装置或是活塞驱动装置，可提供气体压力源，并由电磁阀控制气体输入各槽体或腔室的开关，以驱动流体在槽体或腔室间的流动。

在一实施例中，核酸萃取卡匣C还包括一取样模块4，其与萃取模块2连通，架构于收集并分配萃取完成的核酸溶液至取样管41中，俾利进行后续的核酸扩增与检测。在一实施例中，取样管41可为离心管(Eppendorf tube)，但不以此为限。

根据本案的构想，核酸萃取卡匣C还包括一气溶胶过滤器5，其是设置于连通模块3及外部气压驱动装置之间。图3显示本案气溶胶过滤器的爆炸图，图4显示气溶胶过滤器的过滤膜与底座的结构对应图，图5显示气溶胶过滤器的上盖的底面结构，图6显示气溶胶过滤器的剖面图及过滤机制。如图3至图6所示，气溶胶过滤器5包括一上盖51、一底座52、一过滤膜53、及一硅胶垫54。上盖51及底座52彼此套合以定义出一过滤器腔体，其中上盖51与外部气压驱动装置连接，且具有多个第一气动开口511；底座52与连通模块3连接，且具有一过滤膜承载槽521，以及与多个第一气动开口511对应的多个第二气动开口522。过滤膜53设置于底座52的过滤膜承载槽521中。硅胶垫54设置于上盖51及底座52之间，具有与多个第一气动开口511对应的多个第三气动开口541，架构于使上盖51及底座52所定义的过滤器腔体达到气密。

根据本案的构想，过滤膜53透过孔隙度来过滤气流中的水分子，借此过滤盐类物质，保护设备不因盐类物质受到阻塞或损坏。过滤膜53可依据试剂的特性或欲过滤的分子大小选择不同材质，且较佳为疏水性过滤膜。在一实施例中，过滤膜53例如是聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，简称PTFE)膜，且孔径为0.02～0.5μm，较佳为0.1～0.3μm。举例来说，过滤膜53可为孔径0.22μm的PTFE膜。当然，过滤膜53的材质不限于聚四氟乙烯，亦可为尼龙(Nylon)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride，简称PVDF)、混合纤维素酯(mixed cellulose ester，简称MCE)、聚醚砜(polyethersulfone，简称PES)等。在一实施例中，过滤膜53的面积为100～300mm²，但不以此为限。

在一实施例中，如图3所示，气溶胶过滤器5包括另一硅胶垫55，设置于上盖51的顶面且具有与多个第一气动开口511对应的多个第四气动开口551，架构于连接外部气压驱动装置的气体管道，并使气体管道达到气密。具体来说，气溶胶过滤器5通过硅胶垫55来与外部气压驱动装置的连接管或针头接合，以提供气密的接合环境，有助于驱动气流的导出和导入。

如前所述，上盖51的多个第一气动开口511、底座52的多个第二气动开口522、硅胶垫54的多个第三气动开口541、以及硅胶垫55的多个第四气动开口551是相互对应设置，以共同定义出多个气体管道，并与外部气压驱动装置的气体管道连接，借此驱动核酸萃取卡匣C内的流体传输。

在一实施例中，如图4所示，底座52的过滤膜承载槽521具有与过滤膜53大致相同的形状及尺寸，且过滤膜承载槽521包括一过滤膜贴附区523及多个过滤膜支撑结构524。过滤膜贴附区523设置于过滤膜承载槽521的内缘，是由过滤膜承载槽521的周缘往内延伸的凸出部，且对应过滤膜53的周缘而设置。当过滤膜53的周缘底面涂布粘胶(例如压克力胶)531时，即可对应贴附在过滤膜贴附区523上。过滤膜支撑结构524设置于过滤膜承载槽521的内部，是由过滤膜承载槽521的底面往上延伸的多个凸出部，用以支撑过滤膜53不于过滤的过程中因气压而变形，进而堵住气流通道。过滤膜贴附区523的顶面与过滤膜支撑结构524的顶面大致位于同一水平面，以共同支撑过滤膜53于同一平面。换言之，过滤膜贴附区523也提供支撑结构，且通过与上盖51和硅胶垫54结合，达到固定过滤膜53的功能(如图6所示)。

在一实施例中，如图5所示，上盖51也包括过滤膜支撑结构512，其是于对应过滤膜承载槽521的区域，由上盖51的底面往下延伸的多个凸出部，且对应底座52的过滤膜支撑结构524而设置。当上盖51与底座52套合时，上盖51的过滤膜支撑结构512与底座52的过滤膜支撑结构524分别对应抵顶过滤膜53的两相对面(如图6所示)，以将过滤膜53固定于底座52的过滤膜承载槽521中，并共同支撑过滤膜53不于过滤的过程中因气压而变形，进而堵住气流通道。

在一实施例中，如图3所示，硅胶垫54包括一开槽542及一周壁543。开槽542大致对应过滤膜承载槽521而设置，周壁543则设置于开槽542的周缘，且突出于硅胶垫54的上表面及下表面，其中，周壁543的顶面顶抵于上盖51的底面，周壁543的底面则顶抵于过滤膜53的周缘及过滤膜贴附区523(如图6所示)。因此，当上盖51与底座52套合时，通过上盖51施以一下压力，即可透过硅胶垫54将过滤膜53固定于底座52的过滤膜贴附区523。

在一实施例中，气溶胶过滤器5中的过滤膜53数量不限于一个，亦可为多个。当过滤膜53的数量为多个时，底座52的过滤膜承载槽521与硅胶垫54的开槽542的数量亦对应过滤膜53的数量而设置。

在一实施例中，如图5所示，上盖51还包括一框体513，是由上盖51的底面往下延伸，其形状对应过滤膜承载槽521，尺寸则略大于过滤膜承载槽521。当上盖51与底座52套合时，框体513的底面会抵顶于硅胶垫54的上表面，借此将硅胶垫54下压并贴合于底座52上，同时，上盖51的框体513的内表面会与硅胶垫54的周壁543的外表面贴合(如图6所示)，以达到气密效果。透过气密的过滤腔室，可使导入的气流分散于过滤膜53表面。

在一实施例中，如图4所示，底座52还包括多个超音波熔接肋525，其是由底座52的顶面往上延伸的多个凸出部，且硅胶垫54包括与多个超音波熔接肋525对应的开孔544。当上盖51与底座52套合时，底座52的超音波熔接肋525穿过硅胶垫54上对应的开孔544而抵顶于上盖51的底面，并可通过超音波熔接制程将上盖51、硅胶垫54、过滤膜53、及底座52结合封装。

在一实施例中，如图4所示，底座52的过滤膜承载槽521中设有至少一第二气动开口522A，且过滤膜53具有一延伸部532，当过滤膜53容置于过滤膜承载槽521中时，过滤膜53的延伸部532即覆盖于第二气动开口522A上。换言之，流经第二气动开口522A的气体管道(由硅胶垫55、上盖51、硅胶垫54及底座52上的对应气动开口所共同定义)会通过过滤膜承载槽521中的过滤膜53，当该气体管道被开启，且外部气压驱动装置透过该气体管道提供负压时，气溶胶过滤器5的过滤机制即被启动。

如图6所示，当外部气压驱动装置透过该第二气动开口522A所定义的气体管道提供负压时(驱动气压方向如粗黑箭头所示)，即可产生负压气流(气流方向如细黑箭头所示)来驱动核酸萃取卡匣C内的流体传输，例如驱使反应槽内的试剂流入废液槽内。当负压气流流经气溶胶过滤器5的过滤膜53时，因过滤膜53的疏水性特性，气流内的水分子会被过滤膜53所阻挡，借此过滤溶于气溶胶内的盐类物质，达到降低盐类流至上游设备(如外部气压驱动装置)的风险。

图7显示本案气溶胶过滤器的盐类物质过滤效果分析，其是以氯呈色试剂(chloride colorimetric assay kit)进行分析检测所收集的样品盐类含量，其中所分析样品包括去离子水控制组样品(dH₂O)、未经过滤膜的样品(无膜)、有经过滤膜且收集自废液槽途径1的样品(有膜-1)、以及有经过滤膜且收集自废液槽途径2的样品(有膜-2)。从图7结果可看出，本案气溶胶过滤器可显著地降低盐类含量(达80倍以上)，甚至无盐类含量检出，故本案所提出的应用于气压驱动的核酸萃取卡匣的气溶胶过滤器确实能有效地降低核酸萃取过程中由气溶胶所携带的盐类物质。

综上所述，本案是提供一种气溶胶过滤器且应用于气压驱动的核酸萃取卡匣，通过整合于核酸萃取卡匣内部的过滤膜结构，用以过滤核酸萃取过程中因气流驱动所产生的携带盐类离子的气溶胶，避免上游设备的管道或是电控元件因盐类物质造成管道阻塞或是电控元件锈蚀和损坏。本案依据气溶胶的性质，所整合的为疏水性过滤膜，其孔径为0.02～0.5μm，可有效地过滤气流中的水分子，借此过滤盐类物质，该过滤膜可依据试剂的特性或欲过滤的分子大小选择不同材质。此外，由于气溶胶过滤器整合于核酸萃取卡匣内，检测结束即可抛弃，不需定期维护，还可省下额外的维护时间。

纵使本发明已由上述实施例详细叙述而可由熟悉本技艺人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附权利要求书所欲保护的范围。

Claims (14)

1.一种气溶胶过滤器，其特征在于，适用于一核酸萃取卡匣，该核酸萃取卡匣包括一储液模块、一萃取模块、及一连通模块，该连通模块连通该储液模块及该萃取模块，并与一外部气压驱动装置连接，以驱动该核酸萃取卡匣内的流体传输，其中，该气溶胶过滤器设置于该连通模块及该外部气压驱动装置之间，且该气溶胶过滤器包括：

一上盖及一底座，该上盖及该底座定义出一过滤器腔体；

一过滤膜，设置于该底座的一过滤膜承载槽中；以及

一硅胶垫，设置于该上盖及该底座之间，架构于使该上盖及该底座所定义的该过滤器腔体达到气密；

其中，该上盖及该底座具有对应设置的多个过滤膜支撑结构，分别对应抵顶该过滤膜的两相对面，以将该过滤膜固定于该底座的该过滤膜承载槽中，并共同支撑该过滤膜不于过滤的过程中因气压而变形。

2.如权利要求1所述的气溶胶过滤器，其特征在于，该过滤膜为聚四氟乙烯(PTFE)膜。

3.如权利要求1所述的气溶胶过滤器，其特征在于，该过滤膜的孔径为0.02～0.5μm。

4.如权利要求1所述的气溶胶过滤器，其特征在于，还包括另一硅胶垫，设置于该上盖的顶面，架构于连接该外部气压驱动装置的气体管道。

5.如权利要求1所述的气溶胶过滤器，其特征在于，该过滤膜承载槽包括一过滤膜贴附区，是由该过滤膜承载槽的周缘往内延伸的一凸出部。

6.如权利要求1所述的气溶胶过滤器，其特征在于，该底座的该多个过滤膜支撑结构是由该过滤膜承载槽的底面往上延伸的多个凸出部。

7.如权利要求1所述的气溶胶过滤器，其特征在于，该上盖的该多个过滤膜支撑结构是由该上盖的底面往下延伸的多个凸出部。

8.如权利要求1所述的气溶胶过滤器，其特征在于，该硅胶垫包括一开槽及一周壁，该开槽对应该过滤膜承载槽而设置，该周壁设置于该开槽的周缘，且突出于该硅胶垫的上表面及下表面。

9.如权利要求8所述的气溶胶过滤器，其特征在于，该周壁的顶面顶抵于该上盖的底面，且该周壁的底面顶抵于该过滤膜。

10.如权利要求8所述的气溶胶过滤器，其特征在于，该上盖包括一框体，是由该上盖的底面往下延伸并抵顶于该硅胶垫，且该框体的内表面与该硅胶垫的该周壁的外表面贴合。

11.如权利要求1所述的气溶胶过滤器，其特征在于，该底座包括多个超音波熔接肋，其是由该底座的顶面往上延伸的多个凸出部。

12.如权利要求1所述的气溶胶过滤器，其特征在于，该上盖、该底座、及该硅胶垫分别具有对应设置的多个气动开口，以共同定义出多个气体管道。

13.如权利要求12所述的气溶胶过滤器，其特征在于，该多个气体管道的至少一个通过该过滤膜承载槽中的该过滤膜。

14.一种核酸萃取卡匣，其特征在于，包括：

一储液模块、一萃取模块、及一连通模块，该连通模块连通该储液模块及该萃取模块，并与一外部气压驱动装置连接，以驱动该核酸萃取卡匣内的流体传输；以及

一气溶胶过滤器，设置于该连通模块及该外部气压驱动装置之间，且包括：

一上盖及一底座，该上盖及该底座定义出一过滤器腔体；

一过滤膜，设置于该底座的一过滤膜承载槽中；以及

一硅胶垫，设置于该上盖及该底座之间，架构于使该上盖及该底座所定义的该过滤器腔体达到气密；

其中，该上盖及该底座具有对应设置的多个过滤膜支撑结构，分别对应抵顶该过滤膜的两相对面，以将该过滤膜固定于该底座的该过滤膜承载槽中，并共同支撑该过滤膜不于过滤的过程中因气压而变形。

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