CN210237635U - 一种便携式pcr检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种便携式PCR检测装置，包括用于供电的电源模块、壳体、操作和显示模块及设置在壳体内的检测处理模块，操作和显示模块、检测处理模块之间电连接。该检测装置通过电源模块供电，通过检测处理模块实现对PCR反应液的检测并将检测数据进行数据处理分析，然后将分析结果反馈到操作和显示模块，通过操作和显示模块实现该检测装置的测试操作和结果显示，结构小巧，简单。对PCR反应结果的检测，相比现有荧光成像的检测方法，无需进行拍照等步骤，操作流程大大简化，也缩短了实验操作时间，降低了实验成本。

Description

一种便携式PCR检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种聚合物酶链式反应领域，具体涉及一种便携式PCR检测装置。

背景技术

聚合酶链式反应，简称PCR，是一种分子生物学技术，用于放大特定的DNA片段，为最常用的分子生物学技术之一。

终点PCR只能在反应结束之后，通过凝胶电泳等方法对产物进行检测，不能反映整个PCR扩增的实时状态，因此对于PCR反应过程中遇到的问题很难判断问题到底出在哪。这个时候，发明了荧光定量PCR(qPCR)检测技术，通过染料或者探针释放荧光，实时监控每一个PCR循环的荧光变化，最后生成扩增曲线，如果是染料法，最后还可以生成熔解曲线，分析产物的特异性，他可以对整个PCR反应过程进行监测。然而qPCR实验检测灵敏度不够，没法做绝对定量等。数字PCR解决了qPCR这么多年悬而未决的问题，那就是不依赖于标准曲线的绝对定量并且可以将检测灵敏度提高至单个核酸分子。但是数字PCR成本太高，对实验操作要求比较高等，而且现有的对于数字PCR反应结果的检测还是通过荧光成像，再通过相关软件对检测结果进行分析的。如中国专利CN206385163U公开的一种液滴数字PCR芯片及相应检测系统，在PCR反应结束后，系统中的发光二极管经由15°透镜以及带通激发光滤光片，从芯片上方45°均匀斜射在芯片的单层液滴平铺区域。15°透镜和带通激发光滤光片分别用于聚焦和过滤。由此激发液滴内部的荧光之后，上方的可变焦镜头可进行收集，并经带通荧光滤光片过滤后进入CCD相机，通过CCD相机采集荧光图片从而获取PCR反应结果。如上所述，采用荧光成像的检测方法灵敏度不高，而且检测系统的结构也复杂。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有的检测方法的不足而提供一种改进的便携式PCR检测装置。

为解决以上技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种便携式PCR检测装置，所述检测装置包括用于供电的电源模块、壳体、设置在所述壳体上的操作和显示模块及设置在所述壳体内的检测处理模块，所述操作和显示模块、检测处理模块之间电连接。

根据本实用新型的一些实施方式，所述检测处理模块包括设置在所述壳体内的电路板及设置在所述电路板上的且用于安装被检测件的合页组件，所述被检测件上含生化传感器，所述检测处理模块还包括设置在所述电路板上的且用于采集所述生化传感器的信号并对信号进行处理分析，然后将分析结果反馈到所述操作和显示模块的数据处理单元。

进一步地，所述被检测件包括具有微孔阵列的PCR反应芯片、设置在所述PCR反应芯片上用于密封所述微孔阵列的微孔使各微孔之间相互隔离的密封件及设置在所述微孔底部的生化传感器。

根据本实用新型的实施例，所述微孔阵列中含有0.1万～1000万个微孔，每个微孔的容积为1fL～10pL。

根据本实用新型的一些实施方面，所述生化传感器的表面涂有氢离子敏感材料、磷酸根离子或焦磷酸根离子敏感材料。

优选地，所述氢离子敏感材料为SiO₂、Al₂O₃、HfO₂、TiO₂、Ta₂O₅、(3-氨丙基)三乙氧基硅烷、三乙氧基硅基十一醛中的一种或多种叠层；所述磷酸根离子或焦磷酸根离子敏感材料为磷酸离子有机膜ISM或分子探针。

根据本实用新型的另一些实施方面，所述生化传感器为离子敏感场效应晶体管，纳米线、石墨烯或二硫化钼晶体管传感器中的一种，或微型电化学传感器。

进一步地，所述合页组件包括设置在所述电路板上的且用于安装所述被检测件的合页底座及一端与所述合页底座的一端转动连接的合页盖，所述合页底座上设有与所述生化传感器引脚pad形成电气连接的探针，所述探针与所述数据处理单元连接以采集所述生化传感器的信号。

根据本实用新型的实施例，所述数据处理单元包括数据采集电路、ADC芯片和处理器，所述数据采集电路采集微孔底部生化传感器的信号，由ADC芯片进行模数转换后，输送给处理器进行数字信号处理并分析，然后将分析结果反馈到所述操作和显示模块。

根据本实用新型的一个实施方面，所述合页组件还包括设置在所述合页盖的另一端且用于与所述合页底座卡接或分离的挂钩。

根据本实用新型的实施例，所述合页底座包括设置在所述电路板上的底座本体及设置在所述底座本体上的用于安装所述被检测件的安装块，所述底座本体与所述合页盖转动连接、与所述挂钩卡接或分离。

根据本实用新型的实施例，所述合页盖包括一端与所述合页底座的一端转动连接的合页盖本体及设置在所述合页盖本体上的压块，所述挂钩设置在所述合页盖本体的另一端。

根据本实用新型的实施例，所述合页底座上开设有用于容纳所述被检测件的安装槽。

进一步地，所述壳体包括上端具有开口的壳体本体及与所述壳体本体转动连接且用于盖合所述开口的壳体上盖，所述操作和显示模块设置在所述壳体上盖上，所述检测装置还包括设置在所述壳体本体内且与所述壳体本体上端连接的支撑板，所述支撑板上设置有用于安装所述检测处理模块的安装位。

进一步地，所述检测装置还包括镊子，所述支撑板上设置有用于放置所述镊子的镊子放置位。

进一步地，所述电源模块包括设置在所述壳体内的电源板，分别设置在所述壳体上的电源线接口、电源开关及USB接口。

进一步地，所述操作和显示模块包括设置在所述壳体上的触摸显示屏幕及设置在所述触摸显示屏幕和壳体之间的屏幕控制板。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

本实用新型的检测装置通过电源模块给该检测装置供电，通过检测处理模块实现对PCR反应液的检测并将检测数据进行数据处理分析，然后将分析结果反馈到操作和显示模块，通过操作和显示模块实现该检测装置的测试操作和结果显示，结构小巧，简单。

采用本实用新型的检测装置对PCR反应结果的检测，相比现有的采用荧光成像的检测方法，无需进行拍照等步骤，操作流程大大简化，也缩短了实验操作时间，降低了实验成本。同时也克服了现有的检测方法的灵敏度不高的问题。

附图说明

图1为本实用新型的一个实施例的PCR检测装置的立体示意图；

图2为本实用新型的一个实施例的PCR检测装置的后视示意图；

图3为本实用新型的一个实施例的PCR检测装置的分解示意图；

图4为本实用新型的一个实施例的PCR检测装置的合页组件与被检测件的分解示意图；

图5为将本实用新型的一个实施例的PCR检测装置用于测试一个具体的被检测件时的数字二维热力示意图；

图6为将本实用新型的一个实施例的PCR检测装置用于测试一个具体的被检测件时的传感器信号histogram直方示意图；

图中：1、被检测件；2、合页组件；201、底座本体；202、合页盖本体；203、安装块；204、安装槽；205、压块；206、挂钩；3、电路板；4、镊子；5、壳体本体；501、壳体侧板；501a、壳体侧板本体部；501b、接口连接部；502、壳体底座；6、壳体上盖；7、支撑板；8、电源开关；9、电源板；10、触摸显示屏幕；11、屏幕控制板。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本实用新型做进一步描述：

参见图1～4所示，本实用新型的一个实施例的便携式PCR检测装置，包括用于供电的电源模块、壳体、设置在壳体上的操作和显示模块及设置在壳体内的检测处理模块，操作和显示模块、检测处理模块之间电连接。

壳体包括上端具有开口的壳体本体5及与壳体本体5转动连接且用于盖合该开口的壳体上盖6，该PCR检测装置还包括设置在壳体本体5内且与壳体本体5上端部连接的支撑板7，支撑板7上设置有用于安装检测处理模块的安装位。

该检测处理模块包括安装在安装位上的电路板3及设置在电路板3上的且用于安装含有PCR反应液的被检测件1的合页组件，被检测件1上含有对所述PCR反应液具有检测作用的生化传感器，检测处理模块还包括设置在电路板3上的且用于采集生化传感器的电信号并将电信号进行处理分析，然后将分析结果反馈到操作和显示模块的数据处理单元。

本例中，该被检测件1包括具有微孔阵列的PCR反应芯片及设置在PCR反应芯片上用于密封微孔阵列的微孔使各微孔之间相互隔离的密封件，各微孔的底部设置该生化传感器。该微孔阵列中含有0.1万～1000万个微孔，每个微孔的容积为1fL～10pL，在微孔内加入样本和反应液后，使用密封件进行压紧密封，使得不同微孔中的液体被相互隔离，且每个微孔内有一个的目标核酸分子，以实现单分子PCR扩增。

参见图4所示，合页组件2包括设置在电路板3上的且用于安装被检测件1的合页底座、一端与合页底座的一端转动连接的合页盖及设置在合页盖的另一端且用于与合页底座卡接或分离的挂钩206，该合页底座上设有与生化传感器的引脚pad形成电气连接的探针，探针与数据处理单元连接以采集生化传感器的电信号。具体地，合页底座包括设置在电路板3上的底座本体201及设置在底座本体201上的用于安装被检测件1的安装块203，探针设置在安装块203上，安装块203上开设用于容纳被检测件1的安装槽204；合页盖包括一端与底座本体201的一端转动连接的合页盖本体202及设置在合页盖本体202上的压块205，挂钩206设置在合页盖本体202的另一端。

该数据处理单元包括数据采集电路、ADC芯片和处理器，数据采集电路采集微孔底部生化传感器的电信号，由ADC芯片进行模数转换后，输送给处理器进行数字信号处理并分析，然后将分析结果反馈到操作和显示模块。具体地，处理器为FPGA、DSP、或ARM。

参见图3所示，电源模块包括设置在壳体内的电源板9，分别设置在壳体上的电源线接口、电源开关8及USB接口。电源线接口、电源开关8及USB接口设置在壳体本体5上。本例中，电源板9位于电路板3下方，壳体本体5由壳体侧板501和连接在壳体侧板501下端部的壳体底座502构成，壳体侧板501包括壳体侧板本体部501a及设置在壳体侧板本体部上的接口连接部501b，电源线接口、电源开关8及USB接口分别设置在接口连接部501b上。

该PCR检测装置的操作和显示模块包括设置在壳体上盖6上的触摸显示屏幕10及设置在触摸显示屏幕10和壳体上盖6之间的屏幕控制板11。

该PCR检测装置还包括镊子4，支撑板7上设置有用于放置镊子4的镊子放置位。镊子4用于夹取被检测件1。

本例中，被检测件1上的生化传感器可以采用如下生化传感器：

如生化传感器的表面涂有氢离子敏感材料，如SiO₂、Al₂O₃、HfO₂、TiO₂、Ta₂O₅、或(3-氨丙基)三乙氧基硅烷，或者磷酸根离子或焦磷酸根离子敏感材料，如磷酸离子有机膜ISM或C4-[3]rotaxane，cyanostar等分子探针。具体如生化传感器为标准CMOS半导体工艺生产的ISFET即离子敏感场效应晶体管。ISFET的金属浮栅上沉积有氢离子敏感材料，氢离子敏感材料可以检测出PCR反应液中的氢离子，或反应液中的pH值。

生化传感器也可以采用新兴的纳米线作为沟道的场效应晶体管nanowire FET或者石墨烯或二硫化钼等二维半导体材料为沟道的FET，相比ISFET，这些纳米晶体管传感器能提供更高的灵敏度，从而提供更小的反应腔体，更高的集成度和准确性。

生化传感器还可以采用传统的电极来检测氢离子或磷酸根离子，即微型电化学传感器。

该PCR检测装置是通过先对反应芯片未进行PCR反应时进行反应液的pH值测试，然后对PCR反应结束后的反应芯片进行反应液的pH值测试，根据二次pH值的变化情况进行数据分析，从而获取PCR反应结果。

为了更好的说明本实用新型的PCR检测装置的工作原理，下面对一个具体的被检测件进行PCR反应结果的检测。

该被检测件的PCR反应芯片是以CMOS ISFET作为生化传感器的微孔阵列反应芯片，具体指标如表1：

表1微孔阵列反应芯片的指标

传感器种类	ISFET
		微孔及传感器数量	～26万个
微孔尺寸(长，宽，深度)	2微米，2微米，1.5微米
		传感器表面感应材料种类	Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
传感器表面感应材料厚度	20nm
		检测PCR的信号类型	氢离子浓度，或pH变化

具体操作步骤如下：

1、上样

将浓度5pM的目标DNA溶液与含有DNA聚合酶、dNTPs和引物的PCR扩增液混合均匀。溶液混合量及比例如表2所示。将混合液滴加到带有生化传感器的微孔阵列PCR反应芯片上，使每个微孔内均含有混合溶液，然后用密封件密封，上样过程中，适当稀释待测溶液让待测DNA溶液中的DNA的片段数量小于或等于芯片微孔的数量(26万个)，使得微孔内尽可能只有一个DNA片段。

表2：PCR溶液配制

DNA Template	5pM
		PCR MIX	5ul
Primer	适量
		去离子H<sub>2</sub>O	至10ul

2.信号读取

将被检测件置于本例的检测装置中，通过检测装置的电路连接芯片管脚，将所有微孔内传感器的电信号经数据处理读出到显示屏幕上。

对芯片进行数据驱动过程中，每一个时间点，都产生26万个数据，作为一帧，分别对应26万个生化传感器。如图5所示(该图5为一个示例)，数据按512行×512列，形成一个二维热力图，每一个像素的颜色对应相应传感器的输出信号的大小，即其对应的微孔内的pH值。多个时间点可产生多帧二维热力图。

具体如下：

检测过程中将会获得数帧二维热力图数据，对获得的数据求得一帧平均值热力图并对其进行直方图Histogram分析，如图6所示，获得多个分布峰：没有发生PCR的微孔中pH没有发生变化，传感器输出为0，则相应微孔为阴性反应单元，即阴性传感器；其次，有单个DNA样本发生PCR反应的微孔中pH发生变化，则相应微孔为阳性反应单元，即阳性传感器；还有一些小峰，pH变化更大(传感器信号更大)，即是该微孔中有多个DNA样本发生PCR反应的，如果溶液稀释比例合适，该干扰的单元数量很少。

本例最终获得阳性传感器数量为13672。说明有13672个微孔发生了单个DNA样本的PCR反应。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种便携式PCR检测装置，其特征在于：所述检测装置包括用于供电的电源模块、壳体、设置在所述壳体上的操作和显示模块及设置在所述壳体内的检测处理模块，所述操作和显示模块、检测处理模块之间电连接。

2.根据权利要求1所述的便携式PCR检测装置，其特征在于：所述检测处理模块包括设置在所述壳体内的电路板及设置在所述电路板上的且用于安装被检测件的合页组件，所述被检测件上含生化传感器，所述检测处理模块还包括设置在所述电路板上的且用于采集所述生化传感器的信号并对信号进行处理分析，然后将分析结果反馈到所述操作和显示模块的数据处理单元。

3.根据权利要求2所述的便携式PCR检测装置，其特征在于：所述被检测件包括具有微孔阵列的PCR反应芯片、设置在所述PCR反应芯片上用于密封所述微孔阵列的微孔使各微孔之间相互隔离的密封件及设置在所述微孔底部的生化传感器。

4.根据权利要求3所述的便携式PCR检测装置，其特征在于：所述微孔阵列中含有0.1万~1000万个微孔，每个微孔的容积为1fL~10pL。

5.根据权利要求3所述的便携式PCR检测装置，其特征在于：所述生化传感器的表面涂有氢离子敏感材料、磷酸根离子或焦磷酸根离子敏感材料。

6.根据权利要求3所述的便携式PCR检测装置，其特征在于：所述生化传感器为离子敏感场效应晶体管，纳米线、石墨烯或二硫化钼晶体管传感器中的一种，或微型电化学传感器。

7.根据权利要求2所述的便携式PCR检测装置，其特征在于：所述合页组件包括设置在所述电路板上的且用于安装所述被检测件的合页底座及一端与所述合页底座的一端转动连接的合页盖，所述合页底座上设有与所述生化传感器引脚pad形成电气连接的探针，所述探针与所述数据处理单元连接以采集所述生化传感器的信号。

8.根据权利要求7所述的便携式PCR检测装置，其特征在于：所述数据处理单元包括数据采集电路、ADC芯片和处理器，所述数据采集电路采集微孔底部生化传感器的信号，由ADC芯片进行模数转换后，输送给处理器进行数字信号处理并分析，然后将分析结果反馈到所述操作和显示模块。

9.根据权利要求7所述的便携式PCR检测装置，其特征在于：所述合页底座上开设有有用于容纳所述被检测件的安装槽。

10.根据权利要求1~9中任一项权利要求所述的便携式PCR检测装置，其特征在于：所述壳体包括上端具有开口的壳体本体及与所述壳体本体转动连接且用于盖合所述开口的壳体上盖，所述操作和显示模块设置在所述壳体上盖上，所述检测装置还包括设置在所述壳体本体内且与所述壳体本体上端连接的支撑板，所述支撑板上设置有用于安装所述检测处理模块的安装位。

11.根据权利要求10所述的便携式PCR检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括镊子，所述支撑板上设置有用于放置所述镊子的镊子放置位。

12.根据权利要求1~9中任一项权利要求所述的便携式PCR检测装置，其特征在于：所述电源模块包括设置在所述壳体内的电源板，分别设置在所述壳体上的电源线接口、电源开关及USB接口。

13.根据权利要求1~9中任一项权利要求所述的便携式PCR检测装置，其特征在于：所述操作和显示模块包括设置在所述壳体上的触摸显示屏幕及设置在所述触摸显示屏幕和壳体之间的屏幕控制板。

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