CN117568160A - 一种集成核酸提取与数字式检测装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成核酸提取与数字式检测装置及其使用方法，涉及生物检测技术领域。集成核酸提取与数字式检测装置，包括支撑架和检测卡盒，所述检测卡盒设置在支撑架的外侧，检测卡盒的一侧设置有电磁铁，电磁铁通过支撑板与支撑架连接，检测卡盒的另一侧设置有NbFeB磁铁，NbFeB磁铁通过调节组件设置在支撑架内部；检测卡盒包括核酸提取组件和数字检测组件，数字检测组件设置在核酸提取组件下方。本发明采用上述的一种集成核酸提取与数字式检测装置及其使用方法，能够实现样本的快速全封闭处理和精确的数字化检测，可广泛应用于传染性病原菌的检测和遗传病的诊断。
Description
技术领域
本发明涉及生物检测技术领域，尤其是涉及一种集成核酸提取与数字式检测装置及其使用方法。
背景技术
核酸检测是生物医学研究和临床诊断的重要手段，特别是在传染病的检测、遗传病的诊断和基因组学研究中有广泛应用。该过程主要包括核酸提取和核酸扩增两个步骤。传统的核酸提取方法主要包括离心柱法、磁珠法等，检测方法主要包括PCR、qPCR和dPCR等，这些方法通常需要复杂的样品处理步骤，包括样品的收集、储存、预处理和核酸的提取等。且核酸提取与检测经常作为两个独立的步骤处理，这些步骤通常需要专业的实验室设施和经过专门训练的操作人员进行处理，而且容易受到环境污染的影响，影响检测结果的准确性。此外，这些方法也需要较长的时间和较高的成本。另外，对于一些传染病等研究中需要对目标病原菌有准确定量检测来控制疫情的传播，同时希望额能够在安全的环境下进行采样，检测与分析。尽管目前技术在提高病原菌等靶标检测的效率和准确性方面具有潜力，但分步操作较为复杂、设备体积和安全等方面存在挑战。
因此，提供一种能够集成核酸提取和数字化检测的设备，使用预包装试剂的微阵列芯片，既能简化操作，提高检测效率，又能减小设备体积并降低成本，具有重要的实用价值和广阔的市场前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成核酸提取与数字式检测装置及其使用方法，能够实现样本的快速全封闭处理和精确的数字化检测，可广泛应用于传染性病原菌的检测和遗传病的诊断。
为实现上述目的，本发明提供了一种集成核酸提取与数字式检测装置，包括支撑架和检测卡盒，所述检测卡盒设置在支撑架的外侧，检测卡盒的一侧设置有电磁铁，电磁铁通过支撑板与支撑架连接，检测卡盒的另一侧设置有NbFeB磁铁，NbFeB磁铁通过调节组件设置在支撑架内部；检测卡盒包括核酸提取组件和数字检测组件，数字检测组件设置在核酸提取组件下方。
进一步的，所述核酸提取组件依此设置有样品裂解腔室、一次清洗腔室、二次清洗腔室、核酸洗脱腔室，核酸洗脱腔室的底部设置为圆锥形空腔，圆锥形空腔与数字检测组件连接，核酸洗脱腔室的上方设置有注射杆，注射杆的上方设置有用于驱动的第一电机，第一电机通过连接板与支撑架连接。
进一步的，所述样品裂解腔室的内部设置有用于混合的磁珠和矿物油密封的裂解液，一次清洗腔室内部设置有矿物油密封的清洗液一，二次清洗腔室内部设置有矿物油密封的清洗液二、核酸洗脱腔室内部设置有矿物油密封的洗脱液。
进一步的，所述数字检测组件包括数字式检测芯片，数字式检测芯片呈矩阵阵列分布。
进一步的，所述数字式检测芯片的下方设置有温控模块，检测卡盒的外壁上设置有加热片，加热片与温控模块连接。
进一步的，所述调节组件包括横向调节组件和竖向调节组件，横向调节组件包括横向导轨，竖向调节组件包括竖向导轨，竖向导轨设置在横向导轨上方。
进一步的，所述横向导轨上设置有横向丝杆，横向丝杆外部套设有横向滑块，横向导轨侧面设置有用于驱动横向滑块沿横向丝杆运动的第三电机。
进一步的，所述横向滑块上方设置有竖向导轨，竖向导轨上设置有竖向丝杆，竖向丝杆外部套设有竖向滑块，竖向滑块侧面设置有NbFeB磁铁，竖向导轨上方设置有用于驱动竖向滑块沿竖向丝杆运动的第二电机。
本发明还提供上述一种集成核酸提取与数字式检测装置的使用方法，包括以下步骤：
a、试剂预装载：将250µL裂解液、1mg磁珠和300µL异丙醇预装载于样品裂解腔室中；将含有900µL盐酸胍的清洗液预装载于一次清洗腔室中；将900µL 80%的乙醇溶液预装载于二次清洗腔室中；将25µL含有14mM MgOAc溶液预装载于核酸洗脱腔室中，其余部分使用矿物油封，保证矿物油液面距离顶部小于5mm；
b、将检测卡盒放置在支撑架上，开始运行；
c、将250µL血液样本与10µL蛋白酶K混合后加入样品裂解腔室中，外置NdFeB磁铁操控磁珠进行迅速移动混匀，外置加热片进行加热，升温至65℃，混匀7分钟，实现对样本的裂解，以及磁珠与核酸的结合；
d、通过横向导轨和竖向导轨调整外置NdFeB磁铁位置，NdFeB磁铁带动磁珠混匀，电磁铁带动磁珠移动至一次清洗腔室中，混匀清洗45秒；
e、通过横向导轨和竖向导轨调整外置NdFeB磁铁位置，NdFeB磁铁带动磁珠混匀，电磁铁带动磁珠移动至二次清洗腔室中，混匀清洗45秒；
f、通过横向导轨和竖向导轨调整外置NdFeB磁铁位置，NdFeB磁铁带动磁珠混匀，电磁铁带动磁珠移动至核酸洗脱腔室中，加热混匀洗脱3分钟；
g、第一电机向下推注射杆，待洗脱液进满腔室，矿物油分割腔室后维持注射杆位置保持压力；
h、进行数字式等温扩增反应和检测。
本发明所述的一种集成核酸提取与数字式检测装置的优点和积极效果是：
1、本发明提供的一种集成核酸提取与数字式检测的装置采取了集成化设计，将核酸提取与数字式检测两个部分集成在一个装置中，实现了样本处理的全封闭化，大大降低了样本处理过程中交叉污染的风险。
2、本发明提供的一种集成核酸提取与检测的装置大大减少了人工操作的环节，提高了检测效率，同时降低了操作过程的错误率。
3、本发明提供的一种集成核酸提取与数字式检测的装置成本较低，可还以减少因为错误或不准确的测试结果带来的额外成本。
4、本发明提供的一种集成核酸提取与数字式检测的装置非常高效，从样品提取到核酸检测的整个过程在一个封闭的系统内完成，显著提升了样本处理和检测的效率。
5、本发明提供的一种集成核酸提取与数字式检测的装置具有很强的便携性与实用性，设备设计上轻便，便于携带和使用，因此适合在实验室外的环境中使用。
6、本发明提供的一种集成核酸提取与数字式检测的装置实现了检测的标准化，通过编程控制外置NdFeB磁铁和电磁铁的配合，可以实现磁珠与各个腔室液体的定时定位接触，从而使得核酸检测结果更加精准。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例中调节组件结构图；
图2为本发明实施例中温控模块结构图；
图3为本发明实施例中检测卡盒外部结构示意图；
图4为本发明实施例中检测卡盒内部结构示意图；
图5为本发明实施例中核酸提取样品处理流程图；
图6为本发明实施例中混匀示意图。
附图标记
Ⅰ、核酸提取组件；Ⅱ、数字检测组件；1、样品裂解腔室；2、一次清洗腔室；3、二次清洗腔室；4、核酸洗脱腔室；5、数字检测芯片；6、注射杆；7、橡胶塞；8、支撑架；9、连接板；10、温控模块；11、电磁铁；12、支撑板；13、加热片；14、第一电机；15、第二电机；16、竖向丝杆；17、竖向导轨；18、竖向滑块；19、第三电机；20、横向导轨；21、横向丝杆；22、横向滑块；23、NbFeB磁铁。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例1
如图1和图2所示，一种集成核酸提取与数字式检测装置，包括支撑架8和检测卡盒。所述检测卡盒设置在支撑架8的外侧，检测卡盒的一侧设置有电磁铁11，电磁铁11通过支撑板12与支撑架8连接。检测卡盒的另一侧设置有NbFeB磁铁23，NbFeB磁铁23通过调节组件设置在支撑架8内部。检测卡盒包括核酸提取组件Ⅰ和数字检测组件Ⅱ，数字检测组件Ⅱ设置在核酸提取组件Ⅰ下方。
如图3和图4所示，所述核酸提取组件Ⅰ依此设置有样品裂解腔室1、一次清洗腔室2、二次清洗腔室3、核酸洗脱腔室4。样品裂解腔室1内部宽4.6mm，长15mm，高25mm；一次清洗腔室2内部宽4.6mm，长10 mm，高25mm；二次清洗腔室3长13mm，宽4.6mm，高20mm。核酸洗脱腔室4为直径为4.6mm的圆柱形空腔，核酸洗脱腔室4的底部设置为圆锥形空腔。圆锥形空腔与数字检测组件Ⅱ连接，与数字检测组件Ⅱ进样口连接口为圆柱形，外径3mm，内径1mm。核酸洗脱腔室4的上方设置有注射杆6，注射杆6的上方设置有用于驱动的第一电机14，第一电机14通过连接板9与支撑架8连接。
所述样品裂解腔室1的内部设置有用于混合的二氧化硅羟基磁珠和矿物油密封的裂解液，一次清洗腔室2内部设置有矿物油密封的清洗液一，二次清洗腔室3内部设置有矿物油密封的清洗液二、核酸洗脱腔室4内部设置有矿物油密封的洗脱液。
样品裂解腔室1、一次清洗腔室2、二次清洗腔室3、核酸洗脱腔室4的上方使用橡胶塞7密封，可以防止交叉污染。
所述数字检测组件Ⅱ包括数字式检测芯片，数字式检测芯片呈矩阵阵列分布。所述数字式检测芯片的下方设置有温控模块10，检测卡盒的外壁上设置有加热片13，加热片13与温控模块10连接。加热片13与检测卡盒直接接触，通过电阻发热调节裂解过程中的温度。加热片13采用柔性电阻加热片13，具有加热快、体积小、可靠性高等优点。温控模块10采用微处理器控制的PID算法，能够实现精确、稳定的温度控制。如图1所示，所述调节组件包括横向调节组件和竖向调节组件，横向调节组件包括横向导轨20，竖向调节组件包括竖向导轨17，竖向导轨17设置在横向导轨20上方。所述横向导轨20上设置有横向丝杆21，横向丝杆21外部套设有横向滑块22，横向导轨20侧面设置有用于驱动横向滑块22沿横向丝杆21运动的第三电机19。所述横向滑块22上方设置有竖向导轨17，竖向导轨17上设置有竖向丝杆16，竖向丝杆16外部套设有竖向滑块18，竖向滑块18侧面设置有NbFeB磁铁23，竖向导轨17上方设置有用于驱动竖向滑块18沿竖向丝杆16运动的第二电机15。
第二电机15驱动竖向滑块18上下滑移动，第三电机19驱动横向滑块22水平移动，从而可以调节NbFeB磁铁23的位置，电磁铁11和NbFeB磁铁23相配合，通过改变磁场的开关状态使磁珠在对应腔室内混匀。电磁铁11在电路的控制下，能够快速切换磁场状态，从而控制磁珠的位置，使磁珠转移到下一腔室。
如图5和图6所示，在样品裂解腔室1、一次清洗腔室2、二次清洗腔室3，磁珠需要与液体充分接触混合。混合的主要步骤由NbFeB磁铁23与电磁铁11配合控制。在不进行混合操作，即磁珠从一个腔室移动到另外一个腔室时，磁珠在NdFeB磁铁23所在的一侧，电磁铁11关闭。
第一次混合操作时，电磁铁11保持关闭，磁珠在NdFeB磁铁23的带动下进行上下混匀操作。第二次混合操作时，电磁铁11开启，NdFeB磁铁23离开磁珠所在腔室，因此磁珠在电磁铁11的作用下移动至电磁铁11一侧，实现从一侧到另一侧的移动，与腔室里的液体充分接触，实现左右混匀操作。随后当NdFeB磁铁23再次回到与磁珠同一个腔室，磁珠移动至NdFeB磁铁23所在的一侧。样品裂解腔室1、一次清洗腔室2、二次清洗腔室3三个腔室混合方式相同，为上下混合和左右混匀。核酸洗脱腔室4的混合方式为上下混合。
实施例2
一种集成核酸提取与数字式检测装置的使用方法，包括以下步骤：
a、试剂预装载：将250µL裂解液、1mg磁珠和300µL异丙醇预装载于样品裂解腔室1中；将含有900µL盐酸胍的清洗液预装载于一次清洗腔室2中；将900µL 80%的乙醇溶液预装载于二次清洗腔室3中；将25µL含有14mM MgOAc溶液预装载于核酸洗脱腔室4中，其余部分使用矿物油封，保证矿物油液面距离顶部小于5mm；
b、将检测卡盒放置在支撑架8上，开始运行；
c、将250µL血液样本与10µL蛋白酶K混合后加入样品裂解腔室1中，外置NdFeB磁铁23操控磁珠进行迅速移动混匀，外置加热片13进行加热，升温至65℃，混匀7分钟，实现对样本的裂解，以及磁珠与核酸的结合；
d、通过横向导轨20和竖向导轨17调整外置NdFeB磁铁位置，NdFeB磁铁带动磁珠混匀，NdFeB磁铁与电磁铁11相互配合带动磁珠移动至一次清洗腔室2中，混匀清洗45秒；
e、通过横向导轨20和竖向导轨17调整外置NdFeB磁铁位置，NdFeB磁铁带动磁珠混匀，NdFeB磁铁与电磁铁11相互配合带动磁珠移动至二次清洗腔室3中，混匀清洗45秒；
f、通过横向导轨20和竖向导轨17调整外置NdFeB磁铁位置，NdFeB磁铁带动磁珠混匀，NdFeB磁铁与电磁铁11相互配合带动磁珠移动至核酸洗脱腔室4中，加热混匀洗脱3分钟；
g、第一电机14向下推注射杆6，待洗脱液进满腔室，矿物油分割腔室后维持注射杆6位置保持压力；
h、进行数字式等温扩增反应和检测。
本申请可以实现样本的快速全封闭处理和精确的数字化检测，对于传染性病原菌的检测有较大的实用价值和商业前景。同时还可以进行大批量地实现自动化快速全封闭的样品处理与核酸靶标的检测。
因此，本发明采用上述的一种集成核酸提取与数字式检测装置，能够实现样本的快速全封闭处理和精确的数字化检测，可广泛应用于传染性病原菌的检测和遗传病的诊断。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种集成核酸提取与数字式检测装置，包括支撑架和检测卡盒，其特征在于：所述检测卡盒设置在支撑架的外侧，检测卡盒的一侧设置有电磁铁，电磁铁通过支撑板与支撑架连接，检测卡盒的另一侧设置有NbFeB磁铁，NbFeB磁铁通过调节组件设置在支撑架内部；检测卡盒包括核酸提取组件和数字检测组件，数字检测组件设置在核酸提取组件下方。
2.根据权利要求1所述的一种集成核酸提取与数字式检测装置，其特征在于：所述核酸提取组件依此设置有样品裂解腔室、一次清洗腔室、二次清洗腔室、核酸洗脱腔室，核酸洗脱腔室的底部设置为圆锥形空腔，圆锥形空腔与数字检测组件连接，核酸洗脱腔室的上方设置有注射杆，注射杆的上方设置有用于驱动的第一电机，第一电机通过连接板与支撑架连接。
3.根据权利要求2所述的一种集成核酸提取与数字式检测装置，其特征在于：所述样品裂解腔室的内部设置有用于混合的磁珠和矿物油密封的裂解液，一次清洗腔室内部设置有矿物油密封的清洗液一，二次清洗腔室内部设置有矿物油密封的清洗液二、核酸洗脱腔室内部设置有矿物油密封的洗脱液。
4.根据权利要求1所述的一种集成核酸提取与数字式检测装置，其特征在于：所述数字检测组件包括数字式检测芯片，数字式检测芯片呈矩阵阵列分布。
5.根据权利要求4所述的一种集成核酸提取与数字式检测装置，其特征在于：所述数字式检测芯片的下方设置有温控模块，检测卡盒的外壁上设置有加热片，加热片与温控模块连接。
6.根据权利要求1所述的一种集成核酸提取与数字式检测装置，其特征在于：所述调节组件包括横向调节组件和竖向调节组件，横向调节组件包括横向导轨，竖向调节组件包括竖向导轨，竖向导轨设置在横向导轨上方。
7.根据权利要求6所述的一种集成核酸提取与数字式检测装置，其特征在于：所述横向导轨上设置有横向丝杆，横向丝杆外部套设有横向滑块，横向导轨侧面设置有用于驱动横向滑块沿横向丝杆运动的第三电机。
8.根据权利要求7所述的一种集成核酸提取与数字式检测装置，其特征在于：所述横向滑块上方设置有竖向导轨，竖向导轨上设置有竖向丝杆，竖向丝杆外部套设有竖向滑块，竖向滑块侧面设置有NbFeB磁铁，竖向导轨上方设置有用于驱动竖向滑块沿竖向丝杆运动的第二电机。
9.根据权利要求8所述的一种集成核酸提取与数字式检测装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、试剂预装载：将250µL裂解液、1mg磁珠和300µL异丙醇预装载于样品裂解腔室中；将含有900µL盐酸胍的清洗液预装载于一次清洗腔室中；将900µL 80%的乙醇溶液预装载于二次清洗腔室中；将25µL含有14mM MgOAc溶液预装载于核酸洗脱腔室中，其余部分使用矿物油封，保证矿物油液面距离顶部小于5mm；
b、将检测卡盒放置在支撑架上，开始运行；
c、将250µL血液样本与10µL蛋白酶K混合后加入样品裂解腔室中，外置NdFeB磁铁操控磁珠进行迅速移动混匀，外置加热片进行加热，升温至65℃，混匀7分钟，实现对样本的裂解，以及磁珠与核酸的结合；
d、通过横向导轨和竖向导轨调整外置NdFeB磁铁位置，NdFeB磁铁带动磁珠混匀，电磁铁带动磁珠移动至一次清洗腔室中，混匀清洗45秒；
e、通过横向导轨和竖向导轨调整外置NdFeB磁铁位置，NdFeB磁铁带动磁珠混匀，电磁铁带动磁珠移动至二次清洗腔室中，混匀清洗45秒；
f、通过横向导轨和竖向导轨调整外置NdFeB磁铁位置，NdFeB磁铁带动磁珠混匀，电磁铁带动磁珠移动至核酸洗脱腔室中，加热混匀洗脱3分钟；
g、第一电机向下推注射杆，待洗脱液进满腔室，矿物油分割腔室后维持注射杆位置保持压力；
h、进行数字式等温扩增反应和检测。
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