CN220685131U - 一种便携式核酸检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种便携式核酸检测装置，包括机壳，所述机壳上设置有用于放置微流控芯片并由一侧插入机壳内的芯片支架，机壳内设置有用于采集微流控芯片上的图像信息并进行分析的荧光检测分析模块以及用于荧光分析模块提供多重光路以实现多重联检的多重光路模块，机壳内位于芯片支架的下侧设置有用于为核酸扩增提供温度控制的温度控制模块，以及设置有实现温度控制模块和多重光路模块快速切换循坏的机械传动模块。该装置能够全集成地实现核酸扩增和检测，完成一体化核酸分子诊断。

Description

一种便携式核酸检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种便携式核酸检测装置。

背景技术

核酸检测是一种检测DNA或RNA的技术，用于检测病原体、遗传疾病等。在疾病诊断中，核酸检测通常用于检测病原体的存在。核酸检测通常涉及收集样本，例如通过鼻咽拭子或喉咙拭子采集患者的呼吸道分泌物或唾液样本。然后，实验室将样本中的核酸提取出来，并使用一种称为聚合酶链式反应（PCR）的技术，通过放大特定的核酸序列来检测是否存在目标病原体。

PCR技术（聚合酶链式反应技术）是一种能够扩增DNA片段的技术，该技术通过多次循环反应来放大目标DNA序列，从而使其能够被检测出来。PCR技术主要涉及三个步骤：（1）热变性：将PCR反应体系加热至95℃，使DNA双链解开形成单链DNA。（2）退火：在PCR反应体系中加入两个针对目标DNA序列的引物（寡核苷酸），引物结合于目标序列两端。（3）延伸：在PCR反应体系中加入聚合酶，聚合酶会在引物的作用下，从引物结合的末端开始，以双链DNA为模板合成新的DNA链。这个过程涉及一系列的加热、退火和延伸步骤，每个循环后，新合成的DNA链就成为下一个循环的模板，从而使目标DNA序列倍增。经过多次循环反应，PCR技术可以从微量的DNA样本中扩增出足够的目标DNA序列，从而使其能够被检测出来。退火的温度是PCR扩增是否顺利的关键因素，通常在50-60℃之间。具体的温度主要由引物的Tm值决定。延伸温度绝大多数设定为72℃。如果退火的温度很高，可以将延伸温度和退火温度设置成同一温度，变成二步法PCR。PCR技术被广泛应用于DNA测序、基因突变检测、疾病诊断、DNA指纹鉴定等领域。PCR技术也被广泛应用于检测病毒RNA。

酸检测装置，核酸检测主要由样本扩增和实时荧光检测两个部分组成。目前，由于扩增和实时荧光检测功能为一体的全自动核酸检测装置，光路复杂，在传热方面多用高功耗加热片和散热片以此来实现PCR所需温度循坏和控制。由此造成了仪器的成本过高、体积更大、操作复杂。

因此，亟需找到光路简单、快速温度循坏、便携、高通量，智能的全自动核酸检测装置。以此来解决仪器的成本过高、体积大、操作复杂的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种便携式核酸检测装置，该装置能够全集成地实现核酸扩增和检测，完成一体化核酸分子诊断。

本实用新型的技术方案在于：一种便携式核酸检测装置，包括机壳，所述机壳上设置有用于放置微流控芯片并由一侧插入机壳内的芯片支架，机壳内设置有用于采集微流控芯片上的图像信息并进行分析的荧光检测分析模块以及用于荧光分析模块提供多重光路以实现多重联检的多重光路模块，机壳内位于芯片支架的下侧设置有用于为核酸扩增提供温度控制的温度控制模块，以及设置有实现温度控制模块和多重光路模块快速切换循坏的机械传动模块。

进一步地，所述荧光检测分析模块包括安装在机壳内腔上部的CMOS相机，所述CMOS相机与小型计算机相连接，CMOS相机上安装有朝下的相机镜头，所述机壳的上端设置有显示屏。

进一步地，所述多重光路模块包括设置在芯片支架下侧的激发光滤光片组架，所述激发光滤光片组架上沿圆周方向间隔安装有若干个平行型光路，位于芯片支架的上侧设置有发射光滤光片组架，所述发射光滤光片组架沿圆周方向间隔设置有与平行型光路相对应的发射光滤光片。

进一步地，所述平行型光路包括自下而上依次设置的散热风扇、散热片、LED灯、激发光滤光片。

进一步地，所述机械传动模块包括设置于激发光滤光片组架和发射光滤光片组架同步旋转的第一驱动机构，以及用于驱动温度控制模块上升和旋转的第二驱动机构。

进一步地，所述第一驱动机构包括安装在机壳内腔上部的座板，所述座板上安装有第一步进电机，所述第一步进电机的输出端经第一齿轮副与设置在激发光滤光片组架上的固定轴传动连接，所述发射光滤光片组架螺纹连接在激发光滤光片组架的固定轴上。

进一步地，所述第二驱动机构包括安装在机壳内腔下部的固定座，所述固定上安装有第二步进电机，所述第二步进电机的输出轴经第二齿轮副传动连接有花键轴，所述花键轴的上部连安装有筒状体，所述激发光滤光片组架设置在筒状体内，所述温度控制模块安装在筒状体的上端，所述筒状体的下端与固定座的上端之间设置有圆柱曲面凸轮机构。

进一步地，所述圆柱曲面凸轮机构包括设置于固定座上端的环形凹槽，所述环形凹槽内间隔设置有上凸台，所述筒状体的下端伸入环形凹槽内且筒状体的下端面沿圆周方向间隔设置有下凸台。

进一步地，所述温度控制模块包括设置于激发光滤光片组架与芯片支架之间的温控台，所述温控台上沿圆周方向间隔设置有陶瓷加热片、TEC制冷片、透明加热片，所述陶瓷加热片、TEC制冷片、透明加热片均位于平行型光路的上侧。

进一步地，所述温度控制模块包括温控台，所述温控台上沿圆周方向间隔设置有陶瓷加热片、TEC制冷片、透明加热片，所述陶瓷加热片和TEC制冷片的下方均自下而上安装有散热风扇、散热片。

进一步地，所述芯片支架上设置有微流控芯片安装槽，芯片支架的外侧端上设置有防滑槽。

与现有技术相比较，本实用新型具有以下优点：

1. 该装置简化了光路，同时增加了光通量。传统的荧光探测装置，激发光源和检测样本被激发出荧光的检测装置都在样本的上侧，导致激发光路和荧光光路容易产生干涉，影响检测结果；而且这种光路一般设计较为复杂，需要分光镜等光学元件，成本较高，检测的操作也较为复杂。有鉴于此，本实用新型采用竖直的平行光路设计，利用透明加热片作为加热装置，使得微流控芯片在下方受热反应的同时，下方的激发光源也能照射到反应区域。这种光路设计简单、巧妙，避免了光源和激发荧光之间的相互干涉，简化了检测的操作。

2. 该装置制造灵活，造价低，可根据实际情况随时改良。本装置壳体采用热挤出3d打印制造，耗材成本低，且打印方式采用网状结构将材料一层层堆积，使得装置壳体内部具有一定的空隙，既能节省材料和打印时间，又能减轻装置的重量，而且能起到保温隔热的效果。针对不同的滤光片和陶瓷加热片尺寸，能够对内部结构进行合理的设计和调整，灵活性高。

3. 该装置规避操作繁冗。本装置作为即时检测的微流控装置，无需专业的操作人员即可进行检测。装置组装方法简便，检测的操作流程便捷，能对边远医疗卫生条件落后地区提供帮助。

4. 该装置重量轻，体积小，耗电量低，便于携带。不同于实验室检测系统的大型仪器，只能 定点检测，难以携带。作为可携带的POC医疗诊断微流控装置，本实用新型重量较轻，且占用体积较小，底面积为270×270cm²，高为350cm，便于携带。由于本实用新型的耗电量较低，所以供电装置可采用24v移动电源供电。

附图说明

图1是本实用新型的装置整体封装结构图；

图2是本实用新型的装置内部结构图；

图3是本实用新型装置整体剖视图；

图4是本实用新型的机械传动模块示意图；

图5是本实用新型的单个平行光路模块示意图；

图6是本实用新型的激发光滤光片组架轴侧图；

图7是本实用新型的激发光滤光片组架俯视图；

图8是本实用新型的温控台的俯视图；

图9是本实用新型的温控台的正视图；

图10是本实用新型的芯片支架的结构图；

图11是本实用新型的圆柱曲面凸轮机构结构图；

图12是本实用新型的圆柱曲面凸轮机构的筒状体结构图；

图13是本实用新型的圆柱曲面凸轮机构的固定座结构图；

标号：1-端盖，2-上外壳，3-第一步进电机，4-第一主动齿轮，5-第一从动齿轮，6-发射光滤光片组架，7-温空台，8-第三个导电滑环，9-第二主动齿轮，10-第二从动齿轮，11-第二步进电机，12-导电滑环，13-圆柱滚子轴承，14-下外壳，15-圆柱凸轮机构，16-花键轴，17-散热风扇，18-散热片，19-LED灯，20-激发光滤光片，21-芯片支架，22-微流控芯片，23-发射光滤光片，24-相机镜头，25-CMOS相机，26-显示屏，27-座板，28-透明加热片，29-发射光滤光片组架安装阶梯，30-陶瓷加热片安装槽，31-TEC制冷片安装槽，32-透明加热片安装孔，33-微流控芯片安装槽，34-防滑槽，35-花键轴套，36-电机安装座，37-轴承安装座，38-环形凹槽，39-上凸台，40-激发光滤光片组架，41-风扇支架，42-固定轴，43-固定座，44-筒状体，45-下凸台，46-陶瓷加热片，47-TEC制冷片，48-散热风扇，49-散热片。

具体实施方式

为让本实用新型的上述特征和优点能更浅显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本实用新型并不限于此。

参考图1至图13

一种便携式核酸检测装置，用于对微流控芯片进行核酸检测。包括机壳，所述机壳由上外壳2和下外壳14组成，所述机壳上设置有用于放置微流控芯片22并由下外壳14一侧插入机壳内的芯片支架21，机壳内设置有用于采集微流控芯片上的图像信息并进行分析的荧光检测分析模块以及用于为荧光分析模块提供多重光路以实现多重联检的多重光路模块，机壳内位于芯片支架的下侧设置有用于为核酸扩增提供温度控制的温度控制模块，以及设置有实现温度控制模块和多重光路模块快速切换循坏的机械传动模块。

本实施例中，为了实现图像采集以及图像分析，所述荧光检测分析模块包括安装在机壳内腔上部的CMOS相机25，所述CMOS相机与小型计算机相连接，CMOS相机上安装有朝下的相机镜头24，所述机壳的上外壳的上端设置有显示屏26。所述相机镜头24负责对微流控芯片进行实时拍照记录，得到的照片由Jetsonano运算器进行图像分析并将得到的结果由显示屏呈现出。

本实施例中，所述多重光路模块为平行型结构，包括设置在芯片支架下侧的激发光滤光片组架40，所述激发光滤光片组架上沿圆周方向呈圆周阵列排布安装有十个平行型光路，所述平行型光路均包括自下而上依次设置的散热风扇、散热片、LED灯19、激发光滤光片20，位于芯片支架的上侧设置有发射光滤光片组架6，所述发射光滤光片组架沿圆周方向间隔设置有与平行型光路相对应的发射光滤光片22。

本实施例中，所述激发光滤光片20波长根据微流控芯片荧光物质所需的激发波长有关。所述发射光滤光片23波长根据微流控芯片荧光物质所发射出的荧光波长有关。

本实施例中，所述机械传动模块包括设置于激发光滤光片组架和发射光滤光片组架同步旋转的第一驱动机构，以及用于驱动温度控制模块上升和旋转的第二驱动机构。

本实施例中，所述第一驱动机构包括安装在机壳内腔上部的座板27，所述CMOS相机安装在座板上。所述座板上安装有第一步进电机3，所述第一步进电机的输出端经第一齿轮副与设置在激发光滤光片组架上的固定轴42传动连接，所述第一齿轮副由安装在第一步进电机输出轴上的第一主动齿轮4和与第一主动齿轮相啮合的第一从动齿轮5组成，所述第一主动齿轮经转轴与座板转动连接，所述座板上安装有封盖转轴轴承部的端盖1，第一主动齿轮的转轴与固定轴连成连成一体。所述发射光滤光片组架螺纹连接在激发光滤光片组架的固定轴上。从而实现多重光路模块旋转运动，完成激发光源的切换，以实现对不同靶标基于进行检测。

本实施例中，所述第二驱动机构包括安装在机壳内腔下部的固定座43，所述固定上安装有第二步进电机11，所述第二步进电机的输出轴经第二齿轮副传动连接有花键轴16，所述花键轴的上部连安装有筒状体44，所述激发光滤光片组架设置在筒状体内，所述温度控制模块安装在筒状体的上端，所述筒状体的下端与固定座的上端之间设置有圆柱曲面凸轮机构15。从而通过第二驱动机构同时实现温控台7的上升和平台旋转。

本实施例中，所述固定座上设置有第二步进电机的电机安装座36，以及花键轴的轴承安装座37，并通过圆柱滚子轴承13与花键轴相连接。

本实施例中，所述第二齿轮副包括安装在第二步进电机输出轴上的第二主动齿轮9和与第二主动齿轮9相啮合的第二从动齿轮10，所述第二从动齿轮10与花键轴的下部相配合，所述花键轴16的上部与设置于筒状体内部的花键轴套35相配合，从而带动温控台7实现旋转运动，温控台7的旋转带动其上的加热片、或制冷片进行温度切换，以实现PCR核酸扩增需要的温度循环条件。

本实施例中，为了实现温控台7的上升，所述圆柱曲面凸轮机构包括设置于固定座上端的环形凹槽38，所述环形凹槽内每隔120度设置有一个上凸台39，所述筒状体的下端伸入环形凹槽内，且筒状体的下端面沿圆周方向每隔120度设置有一个下凸台45。以此来实现温控台7的上升，温控台7的上升可以实现微流控芯片与加热片的结合。温控台7的旋转可以实现不同加热片之间的切换，以此实现PCR所需的温度循环。

本实施例中，所述机械传动模块中还包括三个导电滑环，其中两个导电滑环12安装在花键轴16的两个轴端，两两配合以此来实现电路缠绕的问题；其中一个安装到激发光滤光片组架40的下方，以实现对不同激光光源的电路输送。第三个导电滑环8安装在激发光滤光片组架的固定轴上。

本实施例中，所述座板与固定座经侧板连成一体。

本实施例中，所述温度控制模块包括设置于激发光滤光片组架与芯片支架之间的温控台7，所述温控台固定在激发光滤光片组架的上端，温控台上沿圆周方向间隔120度设置有陶瓷加热片安装槽30、TEC制冷片安装槽31、透明加热片安装孔32并对应安装有陶瓷加热46、TEC制冷片47、透明加热片28，所述陶瓷加热片、TEC制冷片、透明加热片均位于平行型光路的上侧。加热片的温度通过STM32单片机控制。TEC制冷片为0度，陶瓷加热片为90-95度，透明加热片为60-65度，以满足PCR扩增所需的温度条件。

本实施例中，所述TEC制冷片和陶瓷加热片需要散热来满足其长时间工作，故在陶瓷加热片和TEC制冷片下方均自下而上安装有散热风扇48和散热片49以此防止其温度过高。且散热风扇经风扇支架41安装在温控台下侧。

本实施例中，所述透明加热片28为透明材质，其具有良好的透光性，允许激发射光通过从而实现对微流控芯片中的荧光物质的激发。

本实施例中，所述芯片支架上设置有微流控芯片安装槽33，芯片支架的外侧端上设置有防滑槽34。通过芯片支架对实现微流控芯片的进样与取样。

本实施例中，芯片支架21可以放置的微流控芯片尺寸为30cm×30cm。

在本实用新型的一种实施方案中，提供一种程序运行步骤：

1）操作时将微流控芯片放入芯片支架21的微流控芯片安装槽33中。

2）运行相应程序。

3）在程序的控制下陶瓷加热片加热到90-95度，TEC制冷片0度，透明加热片60-65度。其中陶瓷加热片和TEC下方的散热风扇48工作使得其温度保持不变。

4）在第二步进电机11的带动下通过第二齿轮副传动带动圆柱曲面凸轮机构15带动其上的温控台7定时旋转，当温控台7旋转120度到陶瓷加热片下停留一段时间，陶瓷加热片给微流控芯片加热，使控微流控芯片中的和核酸样本发生变性反应。

5）一段时间过后温控台7转动120度，TEC制冷片给微流控芯片散热使微流控芯片达到60-65度。

6）一段时间过后温控台7转动120度，透明加热片28给微流控芯片加热，使其发生退火和延伸反应。

7）当微流控芯片在发生退火和延伸反应时，在第一步进电机3的带动下通过第一齿轮副传动激发光滤光片组架40和发射光滤光片组架6同步转动，且每隔一定时间转动36度。每次转动过程中其单个平行型光路中的LED灯19点亮，其发出的激发光透过激发光滤光片20激发微流控芯片中的荧光物质使其发射出一定波长的荧光。

8）在激发光滤光片组架40停止不动时，CMOS相机在程序的控制下对微流控芯片进行拍照，并对其图像进行保存。

9）当激发光滤光片组架40，旋转一周后，将获得10组由不同激发光波长激发的荧光图像。

10）至此步骤3）-步骤9）为一个循环，通常需要进行40-50个循坏。

11）将所得的图像进行分析得到不同组之间的荧光扩增曲线图，即可检测出不同的靶标基因。

12）取出微流控芯片，关闭程序。

如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。

本实用新型如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构（例如使用铸造工艺一体成形制造出来）所取代（明显无法采用一体成形工艺除外）。

另外，上述本实用新型公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本实用新型提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种便携式核酸检测装置，包括机壳，其特征在于，所述机壳上设置有用于放置微流控芯片并由一侧插入机壳内的芯片支架，机壳内设置有用于采集微流控芯片上的图像信息并进行分析的荧光检测分析模块以及用于荧光分析模块提供多重光路以实现多重联检的多重光路模块，机壳内位于芯片支架的下侧设置有用于为核酸扩增提供温度控制的温度控制模块，以及设置有实现温度控制模块和多重光路模块快速切换循坏的机械传动模块。

2.根据权利要求1所述的一种便携式核酸检测装置，其特征在于，所述荧光检测分析模块包括安装在机壳内腔上部的CMOS相机，所述CMOS相机与小型计算机相连接，CMOS相机上安装有朝下的相机镜头，所述机壳的上端设置有显示屏。

3.根据权利要求1或2所述的一种便携式核酸检测装置，其特征在于，所述多重光路模块包括设置在芯片支架下侧的激发光滤光片组架，所述激发光滤光片组架上沿圆周方向间隔安装有若干个平行型光路，位于芯片支架的上侧设置有发射光滤光片组架，所述发射光滤光片组架沿圆周方向间隔设置有与平行型光路相对应的发射光滤光片。

4.根据权利要求3所述的一种便携式核酸检测装置，其特征在于，所述平行型光路包括自下而上依次设置的散热风扇、散热片、LED灯、激发光滤光片。

5.根据权利要求3所述的一种便携式核酸检测装置，其特征在于，所述机械传动模块包括设置于激发光滤光片组架和发射光滤光片组架同步旋转的第一驱动机构，以及用于驱动温度控制模块上升和旋转的第二驱动机构。

6.根据权利要求5所述的一种便携式核酸检测装置，其特征在于，所述第一驱动机构包括安装在机壳内腔上部的座板，所述座板上安装有第一步进电机，所述第一步进电机的输出端经第一齿轮副与设置在激发光滤光片组架上的固定轴传动连接，所述发射光滤光片组架螺纹连接在激发光滤光片组架的固定轴上。

7.根据权利要求5或6所述的一种便携式核酸检测装置，其特征在于，所述第二驱动机构包括安装在机壳内腔下部的固定座，所述固定上安装有第二步进电机，所述第二步进电机的输出轴经第二齿轮副传动连接有花键轴，所述花键轴的上部连安装有筒状体，所述激发光滤光片组架设置在筒状体内，所述温度控制模块安装在筒状体的上端，所述筒状体的下端与固定座的上端之间设置有圆柱曲面凸轮机构。

8.根据权利要求7所述的一种便携式核酸检测装置，其特征在于，所述圆柱曲面凸轮机构包括设置于固定座上端的环形凹槽，所述环形凹槽内间隔设置有上凸台，所述筒状体的下端伸入环形凹槽内且筒状体的下端面沿圆周方向间隔设置有下凸台。

9.根据权利要求1、2、4、5、6或8所述的一种便携式核酸检测装置，其特征在于，所述温度控制模块包括温控台，所述温控台上沿圆周方向间隔设置有陶瓷加热片、TEC制冷片、透明加热片，所述陶瓷加热片和TEC制冷片的下方均自下而上安装有散热风扇、散热片。

10.根据权利要求1所述的一种便携式核酸检测装置，其特征在于，所述芯片支架上设置有微流控芯片安装槽，芯片支架的外侧端上设置有防滑槽。