CN216808842U - 一种用于基因扩增荧光检测的便携式可视化成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于基因扩增荧光检测的便携式可视化成像系统，包括阵列式反应芯片，荧光检测系统，控制监测终端；所述荧光检测系统包括成像设备，安装架，激发光源，可控温度台；所述安装架顶面设有视窗玻璃片，所述激发光源置于安装架一侧，所激发光源前方设有滤光片Ⅱ，所述滤光片Ⅱ前方设有准直透镜；所述安装架内部设有二向色镜，所述二向色镜与准直透镜的夹角为45°，所述可控温度台置于安装架底部，所述阵列式反应芯片置于可控温度台上方；所述可视化成像系统完整的集核酸扩增和荧光检测为一体，便携、并能进行现场操作，大大降低了基因扩增荧光检测的时间和检测成本，有效节省人力和物力。

Description

一种用于基因扩增荧光检测的便携式可视化成像系统

技术领域

本实用新型属于检测设备及方法，具体是涉及一种用于基因扩增荧光检测的便携式可视化成像系统。

背景技术

传统病菌的检测中，基因扩增产物的荧光检测技术融汇了基因特异性扩增、 DNA杂交的特异性和光谱灵敏特异的优点，直接探测基因扩增产物的荧光，不需要做分离、衍生等后处理或另外检测，完全闭管操作。利用探针或引物修饰等途径，可以引入四氯荧光素(TET)、羧基荧光素(FAM)、六氯-6-甲基荧光素(HEX)、羧基-4',5'-二氯-2',7'-二甲氧基荧光素(JOE)、羧基四甲基罗丹明 (TAMRA)等荧光基团。实时荧光定量聚合酶链式反应(Polymerase chain reaction,PCR)(Quantitative Real-time PCR)技术在PCR反应体系中加入荧光基团，利用荧光信号积累实时监测整个PCR进程，最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析的方法。荧光检测仪器透过PCR管壁能直接检测到荧光信号的波长和强度变化。荧光定量PCR法检测目标核酸可起到全封闭自动化检测，但是仪器昂贵，操作场地要求要求，检测成本高，限制了核酸检测的现场应用。

除了需要热循环的PCR技术，基因等温扩增技术也引入荧光探针，对基因的扩增过程或产物进行监测或检测。目前的基因扩增荧光检测方法多以实时检测荧光信号为主，具有激发光、发射光检测器和信号处理器，需要复杂的信号处理器和软件，不能便携和进行现场操作。如果对扩增产物进行终端检测，目前大多采用紫外手电筒或蓝光切胶仪等进行可视化成像检测，尚无完整的集基因扩增和荧光检测为一体的便携式可视化成像系统，不能完成病菌的现场快速检测。

发明内容

为了弥补上述现有技术的不足，本实用新型提出一种用于基因扩增荧光检测的便携式可视化成像系统，完整的集核酸扩增和荧光检测为一体，便携、并能进行现场操作，大大降低了基因扩增荧光检测的时间和检测成本，有效节省人力和物力。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的，一种用于基因扩增荧光检测的便携式可视化成像系统，包括阵列式反应芯片，荧光检测系统，控制监测终端；其技术要点是：所述荧光检测系统包括成像设备，安装架，激发光源，可控温度台；

所述安装架一侧下部设有样品放置窗，所述安装架顶面设有视窗玻璃片，所述视窗玻璃片的透光度大于90％，厚度为0.5-2mm；所述视窗玻璃片下方设有滤光片Ⅰ，所述滤光片Ⅰ波长为515-560nm；

所述激发光源置于安装架一侧，所述激发光源包括LED面阵列和LED阵列控制器，所述LED阵列波长范围为420-488nm；

所述激发光源的LED面阵列前方设有滤光片Ⅱ，所述滤光片Ⅱ前方设有准直透镜，所述准直透镜为平凸透镜，所述准直透镜的焦距和准直透镜至LED阵列的距离相等；

所述安装架内部设有二向色镜，所述二向色镜与准直透镜的夹角为45°；所述二向色镜的波长为495nm或565nm；

所述可控温度台置于安装架底部，所述阵列式反应芯片置于可控温度台上方；

所述阵列式反应芯片由三层组成，从下至上依次为导热底层、反应中层、透光上盖，所述反应中层设有多个反应孔，所述底层材质为玻璃或有机玻璃；反应中层材质为硅烷化处理后的聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷。

进一步的，所述可控温度台包括加热台、温度传感器、加热元件、PID控制器、直流电源和固态继电器；所述加热台置于加热元件上方，所述温度传感器插入加热台内，所述温度传感器与PID控制器连接，所述固态继电器连接PID控制器、加热元件、直流电源。

进一步的，成像系统由相机和镜头组成，位于视窗玻璃片上方，通过调节镜头焦距，使反应芯片位于镜头焦点上，通过相机拍摄反应芯片反应孔中的检测荧光物质的图像。

进一步的，控制监测终端为电脑或可移动式终端计算机。

本实用新型的有益效果：

(1)传统PCR-凝胶电泳检测需要对PCR产物进行额外的电泳检测，所需时间长，且存在加样错误或污染的风险。实时荧光PCR，需要复杂的数据采集组件，对发射光进行复杂计算，仪器成本高。采用本检测方法，可实现扩增与可视化成像同时进行，省略了扩增后再检测的时间，避免了吸取扩增产物可能带来的潜在污染。

(2)本发明采用的等温扩增技术，在38℃即可进行，且可同时观察扩增情况，一组样品30分钟左右，可观察到阳性样品足够强的荧光图像。

附图说明

图1为本可视化成像系统的结构示意图；

图2为本可视化成像系统的结构示意图的原理图；

图3为阵列式反应芯片的结构示意图；

图4为反应物添加图；

图5为LED阵列的结构示意图；

图6为可控温度台的结构示意图。

图1-图6中，各结构的具体名称为：阵列式反应芯片1，导热底层1-1，反应中层1-2，透光上盖1-3，荧光检测系统2，控制监测终端3，成像设备4，安装架5，激发光源6，LED面阵列6-1，LED阵列控制器6-2，样品放置窗7，视窗玻璃片8，滤光片Ⅰ9，滤光片Ⅱ10，准直透镜11，二向色镜12，可控温度台 13，加热台13-1，温度传感器13-2，加热元件13-3，PID控制器13-4，直流电源13-5，固态继电器13-6。

具体实施方式

以下结合附图和实施例可以具体说明本发明的技术方案，但并不构成对本发明的保护范围的限制。

实施例1一种用于基因扩增荧光检测的可视化成像系统

见图1-5，本实施例的具体结构为一种用于基因扩增荧光检测的可视化成像系统，包括阵列式反应芯片1，荧光检测系统2，控制监测终端3；

所述荧光检测系统2包括成像设备4，安装架5，激发光源6，可控温度台 13；

所述安装架5一侧下部设有样品放置窗7，所述安装架5顶面设有视窗玻璃片8，视窗玻璃片的透光度为90％以上，减少荧光信号的损失，厚度为0.5-2mm，具有一定的强度，用于保护内部的其它光学器件，所述视窗玻璃片8下方设有滤光片Ⅰ9，所述滤光片Ⅰ9参数范围为515-560nm，滤光片I是可置换的部件，根据检测的荧光物质发射波长进行更换，一般情况下为525/50(绿色荧光)、605/70(红色荧光)；

所述激发光源6置于安装架一侧，所述激发光源6包括LED面阵列6-1和 LED阵列控制器6-2，所述LED阵列波长范围为420-488nm，所述LED阵列的波长可根据检测荧光物质的激发波长进行更换，一般情况下为470/40(蓝光激发)、 545/25(绿光激发)；所述LED阵列的的尺寸与反应芯片尺寸相匹配，让LED 阵列的光能够完全照射到反应芯片；

所激发光源6的LED面阵列6-1前方设有滤光片Ⅱ10，所述滤光片Ⅱ10前方设有准直透镜11，所述准直透镜11为平凸透镜，所述准直透镜11的焦距和准直透镜到LED面阵列6-1的距离相等；

所述安装架5内部设有二向色镜12，所述二向色镜12与准直透镜11的夹角为45°；所述二向色镜12二向色镜的波长根据检测荧光物质进行选择，一般为495nm(绿色荧光)或565nm(红色荧光)。

所述可控温度台13置于安装架5底部，所述阵列式反应芯片1置于可控温度台 13上方，所述温度控制台尺寸和反应芯片尺寸相配，将反应芯片放置在可控温度台表面，能够保证整个芯片都得到均匀的加热；

所述可控温度台13由加热台13-1、温度传感器13-2、加热元件13-3、PID 控制器13-4、直流电源13-5和固态继电器13-6构成。其连接关系如图6；所述加热台13-1置于加热元件13-3上方，所述温度传感器13-2插入加热台13-1内，所述温度传感器13-2与PID控制器13-4连接，所述直流电源13-5连接加热元件13-3，所述固态继电器13-6连接PID控制器13-4、加热元件13-3、直流电源 13-5。

加热台13-1由导热性好的金属加工而成，如铝、铜。温度传感器插入到加热台 13-1里面(温度传感器可用热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC 温度传感器等不同类型的传感器)；加热元件13-3固定在加热台底部(加热元件可以薄膜加热器或PTC加热器，实现对加热台均匀加热)。PID控制器13-4、固态继电器13-6和直流电源均在市面上购买。

工作原理：PID控制器13-4与温度传感器13-2相连，通过温度传感器13-2 实时检测加热台13-3的温度；将加热台13-1的温度与设定的温度进行比较，通过PID算法输出控制信号，控制固态继电器13-6；PID控制器13-4通过控制固态继电器来控制直流电源13-5与加热元件13-3的联通或断开。当直流电源13-5 与加热元件13-3联通，加热元件13-3控制加热台13-1温度升高；当直流电源 13-5与加热元件13-3断开，加热元件13-3不对加热台13-1加热。通过这种方式将加热台13-1温度控制在设定的温度值。

所述反应芯片1由三层组成，从下至上依次为导热底层1-1、反应中层1-2、透光上盖1-3，所述反应中层1-2设有多个反应孔，所述导热底层1-1和反应中层1-2一体成型，构成反应孔，即样品池；所述底层1-1由具有优良导热能力的材料构成，例如玻璃等；反应中层1-2具有良好的生物相容性，防止样品中生物物质在样品池壁的非特异性吸附，例如有硅烷化处理后的聚苯乙烯(PP)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等；透光上盖1-3具有优良的透光性能，同时能够紧密地覆盖在样品池上，防止反应过程中样品池中样品的蒸发。

成像系统：由相机和镜头组成，位于全透明视窗玻璃片上方，通过调节镜头焦距，使反应芯片位于镜头焦点上，通过相机拍摄反应芯片反应孔中的检测荧光物质的图像：相机可以为CCD或CMOS相机。相机通过数据线与监测终端相连接，用于相机的控制和图像数据的传输。

控制监测终端3，所述控制监测终端可为电脑或可移动式终端计算机组成；所述电脑或可移动式终端计算机安装的控制软件，所述控制软件包括能够设定和实时显示温度控制台的温度；能够控制相机拍摄参数，如曝光时间、拍摄图像格式、图像存储位置、拍摄间隔等参数)；软件能够对拍摄的图像进行分析，通过荧光阈值检测识别反应孔中的荧光物质，量化荧光物质的平均荧光强度，生成平均荧光强度-时间的曲线；通过荧光强度对待测基因的含量进行计算。

本实用新型的使用过程：将待测样品基因、含荧光的扩增反应试剂加载阵列式反应芯片的样品池中，通过样品窗放进检测系统中；通过可控温度台控制反应芯片中的样品进行扩增(比如PCR或等温扩增方法)，样品基因的扩增数量与样品荧光成正比；通过可控温度台控制反应芯片中的样品进行基因扩增；通过荧光检测模块和成像系统实时或终点拍摄反应芯片中各样品荧光图像，通过控制监测终端进行图像分析，获得样品基因扩增结果；样品的荧光也可以通过肉眼进行观察，通过样品是否有荧光进行定性分析。

即：所述可视化成像系统的应用方法包括以下步骤：

(1)制备检测样品

DNA扩增，获得检测样品；

(2)加样

将检测样品加载到用于基因扩增荧光检测的可视化成像系统的阵列式反应芯片的反应孔中；

(3)获得检测结果

将阵列式反应芯片通过样品窗放进检测系统中可控温度台上，所述可控温度台预设温度38℃，在反应的同时，可获得反应芯片中样品的荧光图像，绿色代表阳性扩增。

实施例2油菜茎基溃疡病菌的等温扩增荧光检测

以

试剂盒为例，取试剂盒自带的再水化缓冲液29.5μL，引物和探针混合液(比例为3.5：3.5：1)4.8μL，DNA 2.0μL，去离子水11.2μL，混匀后加至含有冻干酶粉(

试剂盒自带)的0.2mL TwistAmpExo 反应管(

试剂盒自带)中，充分溶解，加入醋酸镁溶液(280mmol/L) 2.5μL，混合均匀后，加载到阵列式反应芯片的样品池中，通过样品窗放进检测系统中预设温度38度的可控温度台上，在扩增的同时，可观察反应芯片中样品的荧光图像，用手机拍摄荧光图像，并进行分析。

反应体系中，引物F、引物R、探针P均以工作液形式加至反应体系中，引物F、引物R和探针P在工作液中的浓度均为10μmol/L。

其中绿色代表阳性扩增。

采用本成像系统的结构，可实现扩增与可视化成像同时进行，省略了扩增后再检测的时间，避免了吸取扩增产物可能带来的潜在污染。如PCR-凝胶电泳检测需要对PCR产物进行额外的电泳检测，所需时间长，且存在加样错误或污染的风险。实时荧光PCR，需要复杂的数据采集组件，对发射光进行复杂计算，仪器成本高。本发明采用的等温扩增技术，在38度即可进行，且可同时观察扩增情况，一般30分钟左右，可观察到阳性样品足够强的荧光图像。

本实用新型的原理：

(1)荧光检测系统由激发光源、激发滤光片、准直透镜、二向色镜、样品放置窗、发射滤镜片、全透明视窗玻璃组成

(2)激发光源：由具有白色光源LED阵列构成，LED阵列的光强可通过控制器进行调整。LED阵列的尺寸大小可根据所检测的样品尺寸进行选择。

(3)LED阵列前的滤光片Ⅱ为激发滤光片：根据检测荧光的激发波长选择所需的激发光滤光片，激发光滤光片通过使LED阵列所发的关中特定波长的光通过。

(4)准直透镜：将激发光变成一个平行光(激发光)，同时使激发光光强均匀，由平凸透镜构成。

(5)二向色镜：将激发光进行折射垂直照射到样品上，同时将样品的被激发的荧光进行透射，用于检测或观察。

(6)视窗玻璃片下方的滤光片Ⅰ为发射滤光片，发射滤光片只通过荧光物质被激发后的发射波长，降低背景光信号干扰。

(7)全透明视窗玻璃片：在带通滤光片上面，保护系统中的光学元件被污染。

(8)可控温度台：将反应芯片固定置于温度台表面，控制芯片上样品的问题。可控温度台可以根据反应需要进行恒温控制和编程控制(温度随时间变化)。

(9)阵列式反应芯片：反应芯片由三层组成：底层和中层结合在一起，构成样品池；底层由具有优良导热能力的材料构成，例如玻璃等；中层具有良好的生物相容性，防止样品中生物物质在样品池壁的非特异性吸附，例如有硅烷化处理后的聚苯乙烯(PP)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等；上层具有优良的透光性能，同时能够紧密地覆盖在样品池上，防止反应过程中样品池中样品的蒸发。

(10)成像设备：用于对样品被激发荧光进行检测成像，进而获取样品的荧光图像，分析荧光强度。通过控制成像设备进行连续定时拍摄，可分析样品的荧光变化，由CCD或COMS成像设备构成。成像设备也可用人肉眼代替，直观地观察到样品的荧光状态。

(11)控制监测终端：可由电脑、可移动式终端计算机组成。通过安装特定的控制软件，用于控制系统LED激光光源光强度、温控台温度、样品荧光图像的采集和分析、结果数据的存储、管理和发送等。

Claims (4)

1.一种用于基因扩增荧光检测的便携式可视化成像系统，包括阵列式反应芯片，荧光检测系统，控制监测终端；其特征是：所述荧光检测系统包括成像设备，安装架，激发光源，可控温度台；

所述安装架一侧下部设有样品放置窗，所述安装架顶面设有视窗玻璃片，所述视窗玻璃片的透光度大于90%，厚度为0.5-2mm；所述视窗玻璃片下方设有滤光片Ⅰ，所述滤光片Ⅰ波长为515-560 nm；

所述激发光源置于安装架一侧，所述激发光源包括LED面阵列和LED阵列控制器，所述LED阵列波长范围为420-488 nm；

所述激发光源的LED面阵列前方设有滤光片Ⅱ，所述滤光片Ⅱ前方设有准直透镜，所述准直透镜为平凸透镜，所述准直透镜的焦距和准直透镜至LED阵列的距离相等；

所述安装架内部设有二向色镜，所述二向色镜与准直透镜的夹角为45°；所述二向色镜的波长为495nm或565nm；

所述可控温度台置于安装架底部，所述阵列式反应芯片置于可控温度台上方；

所述阵列式反应芯片由三层组成，从下至上依次为导热底层、反应中层、透光上盖，所述反应中层设有多个反应孔，所述导热底层材质为玻璃或有机玻璃；反应中层材质为聚二甲基硅氧烷。

2.根据权利要求1所述的一种用于基因扩增荧光检测的便携式可视化成像系统，其特征是：所述可控温度台包括加热台、温度传感器、加热元件、PID控制器、直流电源和固态继电器；所述加热台置于加热元件上方，所述温度传感器插入加热台内，所述温度传感器与PID控制器连接，所述固态继电器连接PID控制器、加热元件、直流电源。

3.根据权利要求1所述的一种用于基因扩增荧光检测的便携式可视化成像系统，其特征是：所述成像设备由相机和镜头组成，位于视窗玻璃片上方。

4.根据权利要求1所述的一种用于基因扩增荧光检测的便携式可视化成像系统，其特征是：所述控制监测终端为电脑或可移动式终端计算机。

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