基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置，下層等溫加熱單元設置在反應試劑底部并對反應試劑進行加熱，上層恒溫單元設置在反應試劑頂部并對反應試劑進行加熱，熱容調節單元設置在下層等溫加熱單元與上層恒溫單元之間，并保持與下層等溫加熱單元和上層恒溫單元緊密貼合；工作角度機械調節單元包含底部的光耦和步進電機，通過光耦找到定位原點，通過步進電機驅動下層等溫加熱單元、反應試劑、上層恒溫單元和熱容調節單元運動。手機位于反應試劑側面對其進行熒光檢測。本發明能夠有效簡化核酸分析裝置的復雜度，減少核酸分析時間，降低核酸分析裝置的成本，實現便捷、移動式、現場快速的分子診斷。
【專利說明】
基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置
技術領域
[0001]本發明涉及生物醫學檢測領域，尤其涉及一種快速、便捷的分子診斷裝置。
【背景技術】
[0002]分子診斷技術與其它技術，如免疫檢測技術相比，在靈敏度方面具有顯著優勢。如在HIV檢測方面，免疫檢測技術存在窗口期問題，而分子診斷技術則能夠在HIV感染的最早期實現準確診斷。因此，近年來，分子診斷一直是體外診斷技術的一個重要發展方向。分子診斷技術對于確保人們的衛生健康安全正發揮著日益重要的作用，如在非典(SARS)、禽流感、甲型HlNl流感等各類高突發性、高傳播性疾病的快速檢測及緊急預防控制中，分子診斷技術發揮了不可替代的作用。
[0003]分子診斷技術的一個典型代表是PCR基因擴增技術。借助特定的熱循環技術，PCR基因擴增可以對原始微量的核酸模板實施上百萬倍的擴增復制，由此實現定量或者定性檢測。傳統PCR擴增技術的兩個顯著局限性在于:復雜的熱循環裝置、較長的擴增反應時間。因此，到目前為止，PCR檢測往往在中心實驗室進行，這不利于PCR技術的應用拓展，如在簡單醫療機構、偏遠地區、及野外現場等醫療設施較為簡陋的環境下實現分子診斷。因此，研究新型的PCR擴增技術，如基于單點恒溫加熱、或者兩點恒溫加熱的、快速型、等溫擴增PCR技術，對于簡化加熱裝置、縮短檢測時間、降低裝置成本，實現對醫療環境依賴程度低的，現場快速型分子診斷具有重要的現實意義。另一方面，采用簡化的熒光檢測技術，如通過手機自帶的攝像頭來實現核酸分析反應中的熒光圖像信號檢測，由此省去了專用的熒光檢測模塊。同時，手機還可以作為智能儀器操作終端，運行復雜的數字圖像處理算法，同時提供友好的人機界面，這既有利于降低分子診斷成本，同時，也有利于實現移動式便捷醫療。
【發明內容】
[0004]本發明提供了一種基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置，能夠有效簡化核酸分析裝置的復雜度，減少核酸分析時間，降低核酸分析裝置的成本，實現便捷、移動式、現場快速的分子診斷。
[0005]根據本發明，提供了一種基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置，包括手機、激發光學模塊、接收光學模塊、下層等溫加熱單元、上層恒溫單元、工作角度機械調節單元，其中:
[0006]手機，與激發光學模塊相配合，由自帶閃光燈產生檢測光，對反應試管中反應試劑進行照射、激發，同時，通過自帶攝像頭與接收光學模塊相配合，對反應試管中反應試劑的熒光圖像進行實時采集，并根據采集得到的熒光圖像的灰度信息實現樣品中待測標志物的檢測(陽性/陰性)。
[0007]下層等溫加熱單元，用于提供等溫基因擴增反應需要的溫度環境。
[0008]上層恒溫單元，用于與下層等溫加熱單元相配合，提供等溫基因擴增反應中，反應試劑所需的上、下層間穩定的溫度梯度。
[0009]工作角度機械調節單元，用于針對不同的檢測項目或反應試劑，通過調節反應試管的傾斜工作角度來產生不同的反應效果，獲取最佳的基因擴增反應效率。
[0010]在一個實施例中，還包括熱容調節單元，其中:
[0011]熱容調節單元，位于下層等溫加熱單元和上層恒溫單元之間，并保持與下層等溫加熱單元和上層恒溫單元緊密貼合，用于將下層等溫加熱單元的熱量通過自定義傳導方式傳遞到上層恒溫單元，并使其達到預期的穩定溫度
[0012]在一個實施例中，熱容調節單元具有可拆卸的散熱單元，散熱單元由等間距散熱片組成，通過添加或減少散熱單元的數量可以改變熱容量、散熱面積及熱傳導效果，使得上層恒溫單元達到預期的工作溫度。
[0013]在一個實施例中，下層等溫加熱單元，由保溫電木包裹的圓筒形加熱電阻膜對反應試管進行加熱，反應試管插入圓筒形加熱電阻膜的中間，借助加熱電阻膜的彈性來確保加熱器與反應試管之間的緊密貼合，獲取優良的加熱效果，同時，通過保溫電木對加熱器進行封閉包裹，抑制了加熱器對外的熱量散失，提高了熱量的利用率。
[0014]在一個實施例中，還包括光源調節單元，其中:
[0015]光源調節單元，用于將手機的閃光燈發出的光聚焦到反應試管上。
[0016]在一個實施例中，在手機閃光燈與光源調節單元之間設置一個窄帶濾光片，用于對閃光燈產生的原始激發光進行過濾，得到特定波長范圍內的激發光。
[0017]在一個實施例中，在反應試管和手機攝像頭之間設置一個高通濾光片，用于對被手機接收檢測的熒光信號進行過濾。
[0018]在一個實施例中，工作角度機械調節單元，用于針對不同反應試劑的反應要求，通過調節反應試管的傾斜工作角度，改變反應試管內的熱循環效率，獲取最優的核酸等溫擴增效果，其工作角度調節分辨率為2°。
[0019]在一個實施例中，通過給加熱電阻膜提供一個穩定的工作電壓，通過它來對反應試管進行加熱，并最終使得反應試管的穩態反應達到等溫基因擴增所需的溫度。
[0020]在一個實施例中，本基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置，既可以由外接電源來供電，也可以由充電寶等各類移動式電源來供電，具有便攜性及工作環境適應性強等特點。
[0021]本發明提供了一種借助手機檢測方式，基于等溫擴增原理，操作簡單、成本低廉的便攜式核酸分析裝置。
【附圖說明】
[0022]為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例或描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0023]圖1為本發明基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置整體結構圖。
[0024]圖2為本發明中熱容調節單元結構圖。
[0025]圖3為本發明中下層等溫加熱單元結構圖。
[0026]圖4.1為本發明中工作角度機械調節單元的結構圖。
[0027]圖4.2為本發明中工作角度機械調節單元另一種結構圖。
[0028]圖5為本發明中基于手機的熒光采集光學檢測結構圖。
【具體實施方式】
[0029]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本發明及其應用或使用的任何限制。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0030]除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的部件和步驟的相對布置、數字表達式和數值不限制本發明的范圍。
[0031]同時，應當明白，為了便于描述，附圖中所示出的各個部分的尺寸并不是按照實際的比例關系繪制的。
[0032]對于相關領域普通技術人員已知的技術、方法和設備可能不作詳細討論，但在適當情況下，所述技術、方法和設備應當被視為授權說明書的一部分。
[0033]在這里示出和討論的所有示例中，任何具體值應被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實施例的其它示例可以具有不同的值。
[0034]應注意到:相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步討論。
[0035]圖1為本發明基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置的一個實施例示意圖。如圖1所示，該分析診斷裝置包括手機(I)、激發光學模塊(2)、接收光學模塊(4)、下層等溫加熱單元(5)、上層恒溫單元(6)、工作角度機械調節單元(7)。
[0036]下層等溫加熱單元(5)設置在反應試劑(3)底部并對反應試劑(3)進行加熱，上層恒溫單元(6)設置在反應試劑(3)頂部并對反應試劑(3)進行加熱，熱容調節單元(8)設置在下層等溫加熱單元(5)與上層恒溫單元(6)之間，并保持與下層等溫加熱單元(5)和上層恒溫單元(6)緊密貼合;工作角度機械調節單元(7)包含底部的光耦和步進電機，通過光耦找到定位原點，通過步進電機驅動下層等溫加熱單元(5)、反應試劑(3)、上層恒溫單元(6)和熱容調節單元(8)運動。手機(I)位于反應試劑(3)側面對其進行熒光檢測。
[0037]閃光燈(11)、窄帶濾光片(101)、光源調節單元(10)、攝像頭(12)、高通濾光片(102)為手機(I)自帶的單元構件，各構件設置在手機(I)的背部。
[0038]激發光學模塊(2)包含光源調節單元(10)和窄帶濾光片(101)，窄帶濾光片(101)安裝在光源調節單元(10)上，光源調節單元(10)安裝在閃光燈(I I)上；
[0039]接收光學模塊(4)包含高通濾光片(102)，高通濾光片(102)安裝在攝像頭(12)上；
[0040]手機(I)與激發光學模塊(2)相配合，由閃光燈(11)產生檢測光，對反應試管中反應試劑(3)進行照射、激發，同時，通過攝像頭(12)與接收光學模塊(4)相配合，對反應試管中反應試劑的熒光圖像進行實時采集，并根據采集得到的熒光圖像的灰度信息實現樣品中待測標志物的檢測(陽性/陰性)。
[0041]下層等溫加熱單元(5)，用于提供等溫基因擴增反應需要的溫度環境。
[0042]上層恒溫單元(6)用于與下層等溫加熱單元相配合，提供等溫基因擴增反應中，反應試劑所需的上、下層間穩定的溫度梯度。
[0043]工作角度機械調節單元(7)用于針對不同的檢測項目或反應試劑，通過調節反應試管的傾斜工作角度來產生不同的反應效果，獲取最佳的基因擴增反應效率。
[0044]基于本發明上述實施例提供的基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置，通過手機(I)自帶的閃光燈(11)產生檢測光，經過激發光學模塊(2)對反應試劑(3)中反應試劑進行照射、激發，同時，通過攝像頭(12)接收透過接收光學模塊(4)的熒光圖像信號，并通過灰度信息檢測待測標志物。下層等溫加熱單元(5)和上層恒溫單元(6)配合為反應試劑的上、下層間提供穩定的溫度梯度;工作角度機械調節單元(7)用于針對不同的檢測項目或反應試劑，通過調節反應試管的傾斜工作角度來產生不同的反應效果，獲取最佳的基因擴增反應效率。針對等溫擴增過程，本發明通過利用閃光燈(11)和攝像頭(12)代替了傳統熒光檢測所需的激光、LED、光電倍增管、光電二極管等昂貴的光學檢測器件，提供了一種借助手機檢測方式和等溫擴增原理，實現操作簡單、成本低廉的便攜式核算分析裝置。
[0045]本發明的熒光檢測裝置還包括熱容調節單元(8)，其中:
[0046]熱容調節單元(8)用于將下層等溫加熱單元(5)的熱量通過自定義傳導方式傳遞到上層恒溫單元(6)，并使其達到預期的穩定溫度;熱容調節單元(8)由具有可拆卸的散熱單元(9)組成，通過添加或減少散熱單元(9)的數量改變熱容量、散熱面積及熱傳導效果，使得上層恒溫單元達到預期的工作溫度;所述散熱單元(9)由等間距散熱片組成，通過插入熱容調節單元(8)的個數改變熱容調節單元(8)的熱容。
[0047]優選的，散熱單元具有可調的表面積，通過調節表面積改變熱容從而使得上層恒溫單元達到預期的工作溫度。
[0048]下層等溫加熱單元(5)，由保溫電木包裹的圓筒形加熱電阻膜(51)對反應試管進行加熱，反應試管插入圓筒形加熱電阻膜(51)的中間，借助加熱電阻膜(51)的彈性來確保加熱器與反應試管之間的緊密貼合，獲取優良的加熱效果，同時，通過保溫電木對加熱器進行封閉包裹，抑制了加熱器對外的熱量散失，提高了熱量的利用率。
[0049]優選的，加熱電阻膜(51)具有較好的彈性，能夠和試管緊密貼合從而獲取優良的加熱效果，通過電木等保溫材料對加熱器進行包裹可以有效抑制加熱器對外的能量散失，提高熱量的利用率，同時減小外界環境對加熱器的干擾。
[0050]光源調節單元(10)用于將閃光燈(11)發出的光聚焦到反應試劑(3)上。
[0051 ]優選的，閃光燈(II)發出的光源散射角較大，通過光源調節單元可有效對光源進行匯聚，并聚焦到反應試管上。
[0052]在閃光燈(11)與光源調節單元(10)之間設置一個窄帶濾光片(101)，用于對閃光燈(11)產生的原始激發光進行過濾，得到特定波長范圍內的激發光。
[0053]優選的，選用的熒光標記物激發中心波長為492nm，故窄帶濾光片(101)允許通過的光的波長范圍為425-500nm，該波長區間作為檢測光源，能量較高。
[0054]在反應試劑(3)和攝像頭(12)之間設置一個高通濾光片(102)，用于對被手機(I)接收檢測的熒光信號進行過濾。
[0055]優選的，選用的熒光標記物激發出熒光信號的中心波長為518nm故高通濾光片允許通過的光的波長范圍為大于510nm，用于避免激發光源的檢測光進入手機(I)。
[0056]工作角度機械調節單元(7)，用于針對不同反應試劑的反應要求，通過調節反應試管的傾斜工作角度，改變反應試管內的熱循環效率，獲取最優的核酸等溫擴增效果，其工作角度調節分辨率為2°。
[0057]優選的，可通過步進電機和光柵定位方法實現對角度的精準定位。
[0058]通過給加熱電阻膜(51)提供一個穩定的工作電壓，通過它來對反應試管進行加熱，并最終使得反應試管的穩態反應達到等溫基因擴增所需的溫度。
[0059 ]優選的，由DC-DC電源為加熱電阻膜(51)提供穩定的工作電壓，并通過調節DC-DC輸出電壓改變加熱電阻膜(51)的加熱功率。
[0060]本基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置，既可以由外接電源來供電，也可以由充電寶等各類移動式電源來供電，具有便攜性及工作環境適應性強等特點。
[0061]本發明的一種基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置，借助手機檢測和自然擴散式溫度梯度形成方式，基于等溫擴增原理，操作簡單、成本低廉的便攜式核酸分析裝置。
[0062]本發明的描述是為了示例和描述起見而給出的，而并不是無遺漏的或者將本發明限于所公開的形式。很多修改和變化對于本領域的普通技術人員而言是顯然的。選擇和描述實施例是為了更好說明本發明的原理和實際應用，并且使本領域的普通技術人員能夠理解本發明從而設計適于特定用途的帶有各種修改的各種實施例。
【主權項】
1.基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置，其特征在于:該分析診斷裝置包括手機(I)、激發光學模塊(2)、接收光學模塊(4)、下層等溫加熱單元(5)、上層恒溫單元(6)、工作角度機械調節單元(7); 下層等溫加熱單元(5)設置在反應試劑(3)底部并對反應試劑(3)進行加熱，上層恒溫單元(6)設置在反應試劑(3)頂部并對反應試劑(3)進行加熱，熱容調節單元(8)設置在下層等溫加熱單元(5)與上層恒溫單元(6)之間，并保持與下層等溫加熱單元(5)和上層恒溫單元(6)緊密貼合;工作角度機械調節單元(7)包含底部的光耦和步進電機，通過光耦找到定位原點，通過步進電機驅動下層等溫加熱單元(5)、反應試劑(3)、上層恒溫單元(6)和熱容調節單元(8)運動;手機(I)位于反應試劑(3)側面對其進行熒光檢測;該分析裝置還包括熱容調節單元(8)，熱容調節單元(8)用于將下層等溫加熱單元(5)的熱量通過自定義傳導方式傳遞到上層恒溫單元(6)，并使其達到預期的穩定溫度。2.根據權利要求1所述的基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置，其特征在于:閃光燈(11)、窄帶濾光片(101)、光源調節單元(10)、攝像頭(12)、高通濾光片(102)為手機(I)自帶的單元構件，各構件設置在手機(I)的背部； 激發光學模塊(2)包含光源調節單元(10)和窄帶濾光片(101)，窄帶濾光片(101)安裝在光源調節單元(1)上，光源調節單元(1)安裝在閃光燈(11)上； 接收光學模塊(4)包含高通濾光片(102)，高通濾光片(102)安裝在攝像頭(12)上； 手機(I)與激發光學模塊(2)相配合，由閃光燈(11)產生檢測光，對反應試管中反應試劑(3)進行照射、激發，同時，通過攝像頭(12)與接收光學模塊(4)相配合，對反應試管中反應試劑的熒光圖像進行實時采集，并根據采集得到的熒光圖像的灰度信息實現樣品中待測標志物的檢測。3.根據權利要求1所述的基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置，其特征在于:下層等溫加熱單元(5)用于提供等溫基因擴增反應需要的溫度環境;上層恒溫單元(6)用于與下層等溫加熱單元相配合，提供等溫基因擴增反應中，反應試劑所需的上、下層間穩定的溫度梯度。4.根據權利要求1所述的基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置，其特征在于:工作角度機械調節單元(7)用于針對不同的檢測項目或反應試劑，通過調節反應試管的傾斜工作角度來產生不同的反應效果，獲取最佳的基因擴增反應效率。5.根據權利要求1所述的基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置，其特征在于:通過手機(I)自帶的閃光燈(11)產生檢測光，經過激發光學模塊(2)對反應試劑(3)中反應試劑進行照射、激發，同時，通過攝像頭(12)接收透過接收光學模塊(4)的熒光圖像信號，并通過灰度信息檢測待測標志物；下層等溫加熱單元(5)和上層恒溫單元(6)配合為反應試劑的上、下層間提供穩定的溫度梯度;工作角度機械調節單元(7)用于針對不同的檢測項目或反應試劑，通過調節反應試管的傾斜工作角度來產生不同的反應效果，獲取最佳的基因擴增反應效率。6.根據權利要求1所述的基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置，其特征在于:熱容調節單元(8)由具有可拆卸的散熱單元(9)組成，通過添加或減少散熱單元(9)的數量改變熱容量、散熱面積及熱傳導效果，使得上層恒溫單元達到預期的工作溫度;所述散熱單元(9)由等間距散熱片組成，通過插入熱容調節單元(8)的個數改變熱容調節單元(8)的熱容。7.根據權利要求6所述的基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置，其特征在于:散熱單元(9)具有可調的表面積，通過調節表面積改變熱容從而使得上層恒溫單元達到預期的工作溫度。8.根據權利要求1所述的基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置，其特征在于:下層等溫加熱單元(5)，由保溫電木包裹的圓筒形加熱電阻膜(51)對反應試管進行加熱，反應試管插入圓筒形加熱電阻膜(51)的中間，借助加熱電阻膜(51)的彈性來確保加熱器與反應試管之間的緊密貼合，獲取優良的加熱效果，同時，通過保溫電木對加熱器進行封閉包裹，抑制了加熱器對外的熱量散失，提高了熱量的利用率； 加熱電阻膜(51)具有較好的彈性，能夠和試管緊密貼合從而獲取優良的加熱效果，通過電木等保溫材料對加熱器進行包裹可以有效抑制加熱器對外的能量散失，提高熱量的利用率，同時減小外界環境對加熱器的干擾。9.根據權利要求1所述的基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置，其特征在于:光源調節單元(10)用于將閃光燈(11)發出的光聚焦到反應試劑(3)上； 閃光燈(11)發出的光源散射角較大，通過光源調節單元可有效對光源進行匯聚，并聚焦到反應試管上； 在閃光燈(11)與光源調節單元(10)之間設置一個窄帶濾光片(101)，用于對閃光燈(11)產生的原始激發光進行過濾，得到特定波長范圍內的激發光。10.根據權利要求1或8所述的基于手機檢測的便攜式等溫核酸分析裝置，其特征在于:在反應試劑(3)和攝像頭(12)之間設置一個高通濾光片(102)，用于對被手機(I)接收檢測的熒光信號進行過濾； 工作角度機械調節單元(7)用于針對不同反應試劑的反應要求，通過調節反應試管的傾斜工作角度，改變反應試管內的熱循環效率，獲取最優的核酸等溫擴增效果，其工作角度調節分辨率為2°;通過步進電機和光柵定位方法實現對角度的精準定位； 通過給加熱電阻膜(51)提供一個穩定的工作電壓，通過它來對反應試管進行加熱，并最終使得反應試管的穩態反應達到等溫基因擴增所需的溫度； 由DC-DC電源為加熱電阻膜(51)提供穩定的工作電壓，并通過調節DC-DC輸出電壓改變加熱電阻膜(51)的加熱功率。
【文檔編號】C12M1/38GK105925476SQ201610258735
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月23日
【發明人】邱憲波, 高鵬飛, 郭蒙
【申請人】北京化工大學