一种快速、便携式荧光定量PCR检测装置及方法

技术领域

本发明属于PCR检测技术领域，具体涉及一种快速、便携式荧光定量PCR检测装置及检测方法。

背景技术

聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）作为分子生物学领域中核酸体外扩增和定量检测的一项核心技术，已经被广泛应用于体外诊断、精准医疗、传染病防治等诸多领域。因此，PCR技术极大的推动了生命科学和临床医学的进步和发展。

随着PCR检测技术的革新，第二代PCR检测技术---荧光定量PCR技术得到了广泛的发展，其代表性的检测装置主要有ThermoFisher Scientific公司的QuantStudio分析系统、Bio-Rad公司的CFX96分析系统、Roche公司的LightCycler 480分析系统以及西安天隆公司研发的Gentier 96医用PCR分析系统。

现有的荧光定量PCR分析系统检测灵敏度高、功能性强、界面友好。但由于其温度控制模块通常采取集成半导体加热元件或空气热循环的金属加热-制冷模式，因此经历数十个循环往复的变性-退火-延伸PCR扩增过程，往往需要消耗较长的反应时间，导致检测效率不足。

此外，较大的温度控制模块也不利于检测装置微型化和便携化。并且，现有的荧光定量PCR检测装置的光学检测系统往往需要多种镜头相互配合，光路设计复杂、光路距离较长，导致较高的光学损耗并降低了信噪比，并且荧光检测系统庞大。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种快速、便携式荧光定量PCR检测装置及检测方法。

具体方案如下：

一种快速、便携式荧光定量PCR检测装置，包括PCR反应管，所述PCR反应管上设置分叉光纤，所述分叉光纤包括光纤束端和光纤分支端，所述光纤束端包括中心激光路径和围绕中心激光路径间隔排列的光源激发路径和荧光检测路径，所述光纤分支端上设置有第一光源激发装置、第二光源激发装置和荧光检测装置，所述第一光源激发装置固定在中心激光路径所在的光纤分支端处，所述第二光源激发装置固定在光源激发路径所在的光纤分支端处，所述荧光检测装置固定在荧光检测路径所在的光纤分支端处。

所述光纤束端上设置有光-热加热柱，所述光-热加热柱固定在光纤束端的中心激光路径处。

所述光-热加热柱为纳米金棒，所述纳米金棒内含有固化溶剂。

所述第一光源激发装置为激光器，所述激光器通过中心激光路径所在的光纤与光-热加热柱光连接。

所述第二光源激发装置包括光源和激发光滤光片，所述光源通过激发光滤光片与光源激发路径所在的光纤光连接。

所述荧光检测装置包括发射滤光片和光学传感器，所述光学传感器通过发射滤光片与荧光检测路径所在的光纤光连接。

所述PCR反应管包括密封薄膜和不透光外管，所述密封薄膜设置在不透光外管上，所述密封薄膜为透明弹性密封薄膜。

所述PCR装置内还包括风扇，所述风扇固定在PCR反应管一侧。

一种荧光定量PCR检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1）：将样本反应溶液加入到PCR反应管内，并用透明弹性密封薄膜密封PCR反应管；

S2）：将固定有光-热加热柱的分叉光纤的光纤束端向下挤压透明弹性密封薄膜直至光-热加热柱插入到PCR反应管内；

S3）：通过中心激光路径采用不同能量的激光交替照射光-热加热柱，使核酸重复经历变性、退火、延伸过程；

S4）：至PCR反应完成后，光源通过光源激发路径照射样本溶液，光学传感器通过荧光检测路径收集样本溶液产生的荧光信号。

本发明公开了一种快速、便携式荧光定量PCR检测装置及检测方法，有益效果为：

（1）通过将光纤传光束和纳米金固有的光-热加热方式相结合，提高了PCR检测时的升降温速率，使检测效率大幅提升；

（2）通过集成光源激发装置和荧光检测装置，使装置体积小型化、便携化；

（3）基于光纤的光学检测有效降低了光损耗，提高了检测的信噪比。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为分叉光纤1光纤束端结构示意图。

图3为微量PCR反应管3的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，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，而不是全部的实施，基于本发明的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图2所示，一种快速、便携式荧光定量PCR检测装置，包括PCR反应管3，所述PCR反应管3上设置分叉光纤1，所述分叉光纤1包括光纤束端和光纤分支端，所述光纤束端包括中心激光路径11和围绕中心激光路径11间隔排列的光源激发路径12和荧光检测路径13，所述光纤分支端上设置有第一光源激发装置、第二光源激发装置和荧光检测装置，所述第一光源激发装置固定在中心激光路径11所在的光纤分支端处，所述第二光源激发装置固定在光源激发路径12所在的光纤分支端处，所述荧光检测装置固定在荧光检测路径13所在的光纤分支端处，所述PCR反应管3可以套接于分叉光纤1的光纤束端。

所述光源激发路径12与所述荧光检测路径13为等比例设置。

在本实施例中，所述的光源激发路径12所在的分支端由多根光纤组成，所述荧光检测路径13所在的分支端也由多根光纤组成，优选地，分叉光纤1光纤束端外围采用的光源激发路径12和荧光检测路径13的数量均为四个，但在满足相同数量的条件下路径数量可进行调整。

所述光纤束端上设置有光-热加热柱2，所述光-热加热柱2固定在光纤束端的中心激光路径11处，在本实施例中所述光-热加热柱2优选为光-热加热微柱。

所述光-热加热柱2为纳米金棒，所述纳米金棒内含有固化溶剂。具体地，所述的光-热加热柱2为纳米金与可固化溶剂按一定比例混合固化后形成。被激光照射后光-热加热柱2产生的热量随纳米金棒浓度的升高而升高，且所述光-热加热柱2的温度也随激光能量的升高而升高，在本实施例中为保证PCR检测过程能够正常进行，所述光-热加热柱2的温度变化范围为40-120℃。

所述第一光源激发装置为激光器5，所述激光器5通过中心激光路径11所在的光纤与光-热加热柱2光连接。

所述第二光源激发装置包括光源7和激发光滤光片6，所述光源7通过激发光滤光片6与光源激发路径12所在的光纤光连接。

所述荧光检测装置包括发射滤光片8和光学传感器9，所述光学传感器9通过发射滤光片8与荧光检测路径13所在的光纤光连接。

如图3所示，所述PCR反应管3包括密封薄膜32和不透光外管31，所述密封薄膜32设置在不透光外管31上，所述密封薄膜32为透明弹性密封薄膜。在本实施例中，所述不透光外管31优选为不透光薄壁管，所述不透光薄壁管便于PCR反应管与外界温度传递和内部的光学检测，所述透明弹性密封薄膜32用于密封PCR反应管，密封薄膜32可随着光纤束端压力发生变形，达到光路透过和防止扩增产物污染的目的。

所述PCR装置内还包括风扇4，所述风扇4固定在PCR反应管3一侧，所述风扇4用于对PCR反应管进行辅助降温，加快了PCR反应管的冷却过程，提高了检测效率。

一种快速便携式荧光定量PCR检测方法，包括如下步骤：

S1）：将样本反应溶液加入到PCR反应管3内，并用透明弹性密封薄膜32密封PCR反应管3；

S2）：将固定有光-热加热柱2的分叉光纤1的光纤束端向下挤压透明弹性密封薄膜32直至光-热加热柱2插入到PCR反应管3内；

S3）：通过中心激光路径11采用不同能量的激光交替照射光-热加热柱2，使核酸进行变性、退火、延伸的循环过程；

S4）：至PCR反应完成后，光源通过光源激发路径12照射样本溶液，光学传感器9通过荧光检测路径13收集样本溶液产生的荧光。

所述快速、便携式荧光定量PCR检测装置实施过程为：

将含有激发试剂样本的反应溶液加入到不透光薄壁管31，使用透明弹性密封薄膜32密封PCR反应管。

将固定有光-热加热柱2的分叉光纤1的光纤束端向下挤压透明弹性密封薄膜32，将光-热加热柱2插入到PCR反应管3的反应溶液中。

控制激光器5产生高能量激光，所述高能量激光从中心激光路径11所在光纤的分支端，经光纤束的中心激光路径11照射到光-热加热柱2使所述光-热加热柱2产生95℃高温，从而使核酸变性；控制激光器5产生低能量激光照射到光-热加热柱2使所述光-热加热柱2产生60℃低温，从而完成核酸的退火、延伸过程。在高能量激光和低能量激光的交替照射下，并且使用风扇4进行辅助散热，可以使得PCR反应管进行快速的高低温切换，从而实现高效、快速的PCR热循环过程。

PCR反应完成后，光源7经激发滤光片6进入光源激发路径12所在光纤的分支端，经过光纤束端外围的多个光路出口照射在含有激发试剂的样本上；PCR反应管中的荧光经分叉光纤1的光纤束端外围的多个荧光检测路径13回传到荧光检测路径所在光纤的分支端，经发射滤光片8被光学传感器9收集，所述荧光定量PCR检测，是在PCR扩增反应体系中加入荧光基团，通过对扩增反应中每一个循环产物荧光信号的实时检测，最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析，光学传感器9收集后将荧光信号转换为电信号，为后续荧光检测提供基础。

所述快速、便携式荧光定量PCR检测装置将固定有光-热加热柱2的光纤束插入微量PCR反应管的反应液中，控制激光强度对微量样本进行PCR扩增，通过光源激发路径12和荧光检测路径13对荧光检测信号进行检测，采用将光纤传光束和纳米金固有的光-热加热方式相结合的方式，提高了PCR检测时的升降温速率，使检测效率大幅提升；通过集成光源激发装置和荧光检测装置，使装置体积小型化、便携化；基于光纤的光学检测有效降低了光损耗，提高了检测的信噪比，还可实现微量样本的快速、便携检测，在分子诊断、精准医疗、体外检测和及时诊断领域都有良好的应用前景。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。