基于手机检测的便携式等温核酸分析装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了基于手机检测的便携式等温核酸分析装置，下层等温加热单元设置在反应试剂底部并对反应试剂进行加热，上层恒温单元设置在反应试剂顶部并对反应试剂进行加热，热容调节单元设置在下层等温加热单元与上层恒温单元之间，并保持与下层等温加热单元和上层恒温单元紧密贴合；工作角度机械调节单元包含底部的光耦和步进电机，通过光耦找到定位原点，通过步进电机驱动下层等温加热单元、反应试剂、上层恒温单元和热容调节单元运动。手机位于反应试剂侧面对其进行荧光检测。本发明能够有效简化核酸分析装置的复杂度，减少核酸分析时间，降低核酸分析装置的成本，实现便捷、移动式、现场快速的分子诊断。
【专利说明】
基于手机检测的便携式等温核酸分析装置
技术领域
[0001]本发明涉及生物医学检测领域，尤其涉及一种快速、便捷的分子诊断装置。
【背景技术】
[0002]分子诊断技术与其它技术，如免疫检测技术相比，在灵敏度方面具有显著优势。如在HIV检测方面，免疫检测技术存在窗口期问题，而分子诊断技术则能够在HIV感染的最早期实现准确诊断。因此，近年来，分子诊断一直是体外诊断技术的一个重要发展方向。分子诊断技术对于确保人们的卫生健康安全正发挥着日益重要的作用，如在非典(SARS)、禽流感、甲型HlNl流感等各类高突发性、高传播性疾病的快速检测及紧急预防控制中，分子诊断技术发挥了不可替代的作用。
[0003]分子诊断技术的一个典型代表是PCR基因扩增技术。借助特定的热循环技术，PCR基因扩增可以对原始微量的核酸模板实施上百万倍的扩增复制，由此实现定量或者定性检测。传统PCR扩增技术的两个显著局限性在于:复杂的热循环装置、较长的扩增反应时间。因此，到目前为止，PCR检测往往在中心实验室进行，这不利于PCR技术的应用拓展，如在简单医疗机构、偏远地区、及野外现场等医疗设施较为简陋的环境下实现分子诊断。因此，研究新型的PCR扩增技术，如基于单点恒温加热、或者两点恒温加热的、快速型、等温扩增PCR技术，对于简化加热装置、缩短检测时间、降低装置成本，实现对医疗环境依赖程度低的，现场快速型分子诊断具有重要的现实意义。另一方面，采用简化的荧光检测技术，如通过手机自带的摄像头来实现核酸分析反应中的荧光图像信号检测，由此省去了专用的荧光检测模块。同时，手机还可以作为智能仪器操作终端，运行复杂的数字图像处理算法，同时提供友好的人机界面，这既有利于降低分子诊断成本，同时，也有利于实现移动式便捷医疗。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种基于手机检测的便携式等温核酸分析装置，能够有效简化核酸分析装置的复杂度，减少核酸分析时间，降低核酸分析装置的成本，实现便捷、移动式、现场快速的分子诊断。
[0005]根据本发明，提供了一种基于手机检测的便携式等温核酸分析装置，包括手机、激发光学模块、接收光学模块、下层等温加热单元、上层恒温单元、工作角度机械调节单元，其中:
[0006]手机，与激发光学模块相配合，由自带闪光灯产生检测光，对反应试管中反应试剂进行照射、激发，同时，通过自带摄像头与接收光学模块相配合，对反应试管中反应试剂的荧光图像进行实时采集，并根据采集得到的荧光图像的灰度信息实现样品中待测标志物的检测(阳性/阴性)。
[0007]下层等温加热单元，用于提供等温基因扩增反应需要的温度环境。
[0008]上层恒温单元，用于与下层等温加热单元相配合，提供等温基因扩增反应中，反应试剂所需的上、下层间稳定的温度梯度。
[0009]工作角度机械调节单元，用于针对不同的检测项目或反应试剂，通过调节反应试管的倾斜工作角度来产生不同的反应效果，获取最佳的基因扩增反应效率。
[0010]在一个实施例中，还包括热容调节单元，其中:
[0011]热容调节单元，位于下层等温加热单元和上层恒温单元之间，并保持与下层等温加热单元和上层恒温单元紧密贴合，用于将下层等温加热单元的热量通过自定义传导方式传递到上层恒温单元，并使其达到预期的稳定温度
[0012]在一个实施例中，热容调节单元具有可拆卸的散热单元，散热单元由等间距散热片组成，通过添加或减少散热单元的数量可以改变热容量、散热面积及热传导效果，使得上层恒温单元达到预期的工作温度。
[0013]在一个实施例中，下层等温加热单元，由保温电木包裹的圆筒形加热电阻膜对反应试管进行加热，反应试管插入圆筒形加热电阻膜的中间，借助加热电阻膜的弹性来确保加热器与反应试管之间的紧密贴合，获取优良的加热效果，同时，通过保温电木对加热器进行封闭包裹，抑制了加热器对外的热量散失，提高了热量的利用率。
[0014]在一个实施例中，还包括光源调节单元，其中:
[0015]光源调节单元，用于将手机的闪光灯发出的光聚焦到反应试管上。
[0016]在一个实施例中，在手机闪光灯与光源调节单元之间设置一个窄带滤光片，用于对闪光灯产生的原始激发光进行过滤，得到特定波长范围内的激发光。
[0017]在一个实施例中，在反应试管和手机摄像头之间设置一个高通滤光片，用于对被手机接收检测的荧光信号进行过滤。
[0018]在一个实施例中，工作角度机械调节单元，用于针对不同反应试剂的反应要求，通过调节反应试管的倾斜工作角度，改变反应试管内的热循环效率，获取最优的核酸等温扩增效果，其工作角度调节分辨率为2°。
[0019]在一个实施例中，通过给加热电阻膜提供一个稳定的工作电压，通过它来对反应试管进行加热，并最终使得反应试管的稳态反应达到等温基因扩增所需的温度。
[0020]在一个实施例中，本基于手机检测的便携式等温核酸分析装置，既可以由外接电源来供电，也可以由充电宝等各类移动式电源来供电，具有便携性及工作环境适应性强等特点。
[0021]本发明提供了一种借助手机检测方式，基于等温扩增原理，操作简单、成本低廉的便携式核酸分析装置。
【附图说明】
[0022]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1为本发明基于手机检测的便携式等温核酸分析装置整体结构图。
[0024]图2为本发明中热容调节单元结构图。
[0025]图3为本发明中下层等温加热单元结构图。
[0026]图4.1为本发明中工作角度机械调节单元的结构图。
[0027]图4.2为本发明中工作角度机械调节单元另一种结构图。
[0028]图5为本发明中基于手机的荧光采集光学检测结构图。
【具体实施方式】
[0029]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030]除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
[0031]同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
[0032]对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
[0033]在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
[0034]应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0035]图1为本发明基于手机检测的便携式等温核酸分析装置的一个实施例示意图。如图1所示，该分析诊断装置包括手机(I)、激发光学模块(2)、接收光学模块(4)、下层等温加热单元(5)、上层恒温单元(6)、工作角度机械调节单元(7)。
[0036]下层等温加热单元(5)设置在反应试剂(3)底部并对反应试剂(3)进行加热，上层恒温单元(6)设置在反应试剂(3)顶部并对反应试剂(3)进行加热，热容调节单元(8)设置在下层等温加热单元(5)与上层恒温单元(6)之间，并保持与下层等温加热单元(5)和上层恒温单元(6)紧密贴合;工作角度机械调节单元(7)包含底部的光耦和步进电机，通过光耦找到定位原点，通过步进电机驱动下层等温加热单元(5)、反应试剂(3)、上层恒温单元(6)和热容调节单元(8)运动。手机(I)位于反应试剂(3)侧面对其进行荧光检测。
[0037]闪光灯(11)、窄带滤光片(101)、光源调节单元(10)、摄像头(12)、高通滤光片(102)为手机(I)自带的单元构件，各构件设置在手机(I)的背部。
[0038]激发光学模块(2)包含光源调节单元(10)和窄带滤光片(101)，窄带滤光片(101)安装在光源调节单元(10)上，光源调节单元(10)安装在闪光灯(I I)上；
[0039]接收光学模块(4)包含高通滤光片(102)，高通滤光片(102)安装在摄像头(12)上；
[0040]手机(I)与激发光学模块(2)相配合，由闪光灯(11)产生检测光，对反应试管中反应试剂(3)进行照射、激发，同时，通过摄像头(12)与接收光学模块(4)相配合，对反应试管中反应试剂的荧光图像进行实时采集，并根据采集得到的荧光图像的灰度信息实现样品中待测标志物的检测(阳性/阴性)。
[0041]下层等温加热单元(5)，用于提供等温基因扩增反应需要的温度环境。
[0042]上层恒温单元(6)用于与下层等温加热单元相配合，提供等温基因扩增反应中，反应试剂所需的上、下层间稳定的温度梯度。
[0043]工作角度机械调节单元(7)用于针对不同的检测项目或反应试剂，通过调节反应试管的倾斜工作角度来产生不同的反应效果，获取最佳的基因扩增反应效率。
[0044]基于本发明上述实施例提供的基于手机检测的便携式等温核酸分析装置，通过手机(I)自带的闪光灯(11)产生检测光，经过激发光学模块(2)对反应试剂(3)中反应试剂进行照射、激发，同时，通过摄像头(12)接收透过接收光学模块(4)的荧光图像信号，并通过灰度信息检测待测标志物。下层等温加热单元(5)和上层恒温单元(6)配合为反应试剂的上、下层间提供稳定的温度梯度;工作角度机械调节单元(7)用于针对不同的检测项目或反应试剂，通过调节反应试管的倾斜工作角度来产生不同的反应效果，获取最佳的基因扩增反应效率。针对等温扩增过程，本发明通过利用闪光灯(11)和摄像头(12)代替了传统荧光检测所需的激光、LED、光电倍增管、光电二极管等昂贵的光学检测器件，提供了一种借助手机检测方式和等温扩增原理，实现操作简单、成本低廉的便携式核算分析装置。
[0045]本发明的荧光检测装置还包括热容调节单元(8)，其中:
[0046]热容调节单元(8)用于将下层等温加热单元(5)的热量通过自定义传导方式传递到上层恒温单元(6)，并使其达到预期的稳定温度;热容调节单元(8)由具有可拆卸的散热单元(9)组成，通过添加或减少散热单元(9)的数量改变热容量、散热面积及热传导效果，使得上层恒温单元达到预期的工作温度;所述散热单元(9)由等间距散热片组成，通过插入热容调节单元(8)的个数改变热容调节单元(8)的热容。
[0047]优选的，散热单元具有可调的表面积，通过调节表面积改变热容从而使得上层恒温单元达到预期的工作温度。
[0048]下层等温加热单元(5)，由保温电木包裹的圆筒形加热电阻膜(51)对反应试管进行加热，反应试管插入圆筒形加热电阻膜(51)的中间，借助加热电阻膜(51)的弹性来确保加热器与反应试管之间的紧密贴合，获取优良的加热效果，同时，通过保温电木对加热器进行封闭包裹，抑制了加热器对外的热量散失，提高了热量的利用率。
[0049]优选的，加热电阻膜(51)具有较好的弹性，能够和试管紧密贴合从而获取优良的加热效果，通过电木等保温材料对加热器进行包裹可以有效抑制加热器对外的能量散失，提高热量的利用率，同时减小外界环境对加热器的干扰。
[0050]光源调节单元(10)用于将闪光灯(11)发出的光聚焦到反应试剂(3)上。
[0051 ]优选的，闪光灯(II)发出的光源散射角较大，通过光源调节单元可有效对光源进行汇聚，并聚焦到反应试管上。
[0052]在闪光灯(11)与光源调节单元(10)之间设置一个窄带滤光片(101)，用于对闪光灯(11)产生的原始激发光进行过滤，得到特定波长范围内的激发光。
[0053]优选的，选用的荧光标记物激发中心波长为492nm，故窄带滤光片(101)允许通过的光的波长范围为425-500nm，该波长区间作为检测光源，能量较高。
[0054]在反应试剂(3)和摄像头(12)之间设置一个高通滤光片(102)，用于对被手机(I)接收检测的荧光信号进行过滤。
[0055]优选的，选用的荧光标记物激发出荧光信号的中心波长为518nm故高通滤光片允许通过的光的波长范围为大于510nm，用于避免激发光源的检测光进入手机(I)。
[0056]工作角度机械调节单元(7)，用于针对不同反应试剂的反应要求，通过调节反应试管的倾斜工作角度，改变反应试管内的热循环效率，获取最优的核酸等温扩增效果，其工作角度调节分辨率为2°。
[0057]优选的，可通过步进电机和光栅定位方法实现对角度的精准定位。
[0058]通过给加热电阻膜(51)提供一个稳定的工作电压，通过它来对反应试管进行加热，并最终使得反应试管的稳态反应达到等温基因扩增所需的温度。
[0059 ]优选的，由DC-DC电源为加热电阻膜(51)提供稳定的工作电压，并通过调节DC-DC输出电压改变加热电阻膜(51)的加热功率。
[0060]本基于手机检测的便携式等温核酸分析装置，既可以由外接电源来供电，也可以由充电宝等各类移动式电源来供电，具有便携性及工作环境适应性强等特点。
[0061]本发明的一种基于手机检测的便携式等温核酸分析装置，借助手机检测和自然扩散式温度梯度形成方式，基于等温扩增原理，操作简单、成本低廉的便携式核酸分析装置。
[0062]本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
【主权项】
1.基于手机检测的便携式等温核酸分析装置，其特征在于:该分析诊断装置包括手机(I)、激发光学模块(2)、接收光学模块(4)、下层等温加热单元(5)、上层恒温单元(6)、工作角度机械调节单元(7); 下层等温加热单元(5)设置在反应试剂(3)底部并对反应试剂(3)进行加热，上层恒温单元(6)设置在反应试剂(3)顶部并对反应试剂(3)进行加热，热容调节单元(8)设置在下层等温加热单元(5)与上层恒温单元(6)之间，并保持与下层等温加热单元(5)和上层恒温单元(6)紧密贴合;工作角度机械调节单元(7)包含底部的光耦和步进电机，通过光耦找到定位原点，通过步进电机驱动下层等温加热单元(5)、反应试剂(3)、上层恒温单元(6)和热容调节单元(8)运动;手机(I)位于反应试剂(3)侧面对其进行荧光检测;该分析装置还包括热容调节单元(8)，热容调节单元(8)用于将下层等温加热单元(5)的热量通过自定义传导方式传递到上层恒温单元(6)，并使其达到预期的稳定温度。2.根据权利要求1所述的基于手机检测的便携式等温核酸分析装置，其特征在于:闪光灯(11)、窄带滤光片(101)、光源调节单元(10)、摄像头(12)、高通滤光片(102)为手机(I)自带的单元构件，各构件设置在手机(I)的背部； 激发光学模块(2)包含光源调节单元(10)和窄带滤光片(101)，窄带滤光片(101)安装在光源调节单元(1)上，光源调节单元(1)安装在闪光灯(11)上； 接收光学模块(4)包含高通滤光片(102)，高通滤光片(102)安装在摄像头(12)上； 手机(I)与激发光学模块(2)相配合，由闪光灯(11)产生检测光，对反应试管中反应试剂(3)进行照射、激发，同时，通过摄像头(12)与接收光学模块(4)相配合，对反应试管中反应试剂的荧光图像进行实时采集，并根据采集得到的荧光图像的灰度信息实现样品中待测标志物的检测。3.根据权利要求1所述的基于手机检测的便携式等温核酸分析装置，其特征在于:下层等温加热单元(5)用于提供等温基因扩增反应需要的温度环境;上层恒温单元(6)用于与下层等温加热单元相配合，提供等温基因扩增反应中，反应试剂所需的上、下层间稳定的温度梯度。4.根据权利要求1所述的基于手机检测的便携式等温核酸分析装置，其特征在于:工作角度机械调节单元(7)用于针对不同的检测项目或反应试剂，通过调节反应试管的倾斜工作角度来产生不同的反应效果，获取最佳的基因扩增反应效率。5.根据权利要求1所述的基于手机检测的便携式等温核酸分析装置，其特征在于:通过手机(I)自带的闪光灯(11)产生检测光，经过激发光学模块(2)对反应试剂(3)中反应试剂进行照射、激发，同时，通过摄像头(12)接收透过接收光学模块(4)的荧光图像信号，并通过灰度信息检测待测标志物；下层等温加热单元(5)和上层恒温单元(6)配合为反应试剂的上、下层间提供稳定的温度梯度;工作角度机械调节单元(7)用于针对不同的检测项目或反应试剂，通过调节反应试管的倾斜工作角度来产生不同的反应效果，获取最佳的基因扩增反应效率。6.根据权利要求1所述的基于手机检测的便携式等温核酸分析装置，其特征在于:热容调节单元(8)由具有可拆卸的散热单元(9)组成，通过添加或减少散热单元(9)的数量改变热容量、散热面积及热传导效果，使得上层恒温单元达到预期的工作温度;所述散热单元(9)由等间距散热片组成，通过插入热容调节单元(8)的个数改变热容调节单元(8)的热容。7.根据权利要求6所述的基于手机检测的便携式等温核酸分析装置，其特征在于:散热单元(9)具有可调的表面积，通过调节表面积改变热容从而使得上层恒温单元达到预期的工作温度。8.根据权利要求1所述的基于手机检测的便携式等温核酸分析装置，其特征在于:下层等温加热单元(5)，由保温电木包裹的圆筒形加热电阻膜(51)对反应试管进行加热，反应试管插入圆筒形加热电阻膜(51)的中间，借助加热电阻膜(51)的弹性来确保加热器与反应试管之间的紧密贴合，获取优良的加热效果，同时，通过保温电木对加热器进行封闭包裹，抑制了加热器对外的热量散失，提高了热量的利用率； 加热电阻膜(51)具有较好的弹性，能够和试管紧密贴合从而获取优良的加热效果，通过电木等保温材料对加热器进行包裹可以有效抑制加热器对外的能量散失，提高热量的利用率，同时减小外界环境对加热器的干扰。9.根据权利要求1所述的基于手机检测的便携式等温核酸分析装置，其特征在于:光源调节单元(10)用于将闪光灯(11)发出的光聚焦到反应试剂(3)上； 闪光灯(11)发出的光源散射角较大，通过光源调节单元可有效对光源进行汇聚，并聚焦到反应试管上； 在闪光灯(11)与光源调节单元(10)之间设置一个窄带滤光片(101)，用于对闪光灯(11)产生的原始激发光进行过滤，得到特定波长范围内的激发光。10.根据权利要求1或8所述的基于手机检测的便携式等温核酸分析装置，其特征在于:在反应试剂(3)和摄像头(12)之间设置一个高通滤光片(102)，用于对被手机(I)接收检测的荧光信号进行过滤； 工作角度机械调节单元(7)用于针对不同反应试剂的反应要求，通过调节反应试管的倾斜工作角度，改变反应试管内的热循环效率，获取最优的核酸等温扩增效果，其工作角度调节分辨率为2°;通过步进电机和光栅定位方法实现对角度的精准定位； 通过给加热电阻膜(51)提供一个稳定的工作电压，通过它来对反应试管进行加热，并最终使得反应试管的稳态反应达到等温基因扩增所需的温度； 由DC-DC电源为加热电阻膜(51)提供稳定的工作电压，并通过调节DC-DC输出电压改变加热电阻膜(51)的加热功率。
【文档编号】C12M1/38GK105925476SQ201610258735
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月23日
【发明人】邱宪波, 高鹏飞, 郭蒙
【申请人】北京化工大学