一种全集成病原体核酸分析仪

技术领域

本发明涉及检测领域，具体涉及一种全集成病原体核酸分析仪。

背景技术

近年来体外诊断行业特别是分子诊断行业已经成为国内医疗卫生行业内发展较快的领域之一。体外诊断，简称为IVD(In Vitro Diagnostics)，是一种在人体外检验唾液、血液、尿液等人体样本进而判断疾病或机体功能的诊断方法。核酸分析是体外诊断领域最具活力的细分领域之一，是实现病原体早期、快速、特异检测的最直接、最可靠、最灵敏的方法。

核酸分析通过对病原体的遗传物质(DNA或RNA)进行分析，可以在短时间内确定待检样本中病原体的种类、样本量等信息。一般包括：样本前处理、核酸提取、扩增、检测四个步骤。传统的检测方法需要有专业人员在具有专业条件的实验室中完成，需要完成大量繁琐操作，而且还需要借助于温度循环仪、毛细管电泳仪等专用仪器设备，还可能会由于配套资源、专业人员有限，或操作失误造成的假阳性、假阴性等问题，因而传统的实验室核酸分析难以实现早期、快速、灵敏对大批量样本进行检测、给出准确结果。

新型冠状病毒是一种具有包膜的正向单链RNA病毒，与2003年爆发的SARS病 毒(SARS-CoV)基因组序列相似度为79.5％，但是新型冠状病毒与SARS相比具有更 高传染性、更长潜伏期等特点，这对于疫情防控而言，则进一步增加了诊断和防疫的 难度。

尽管已有多家公司研制出新冠病毒核酸检测试剂盒，但是其在一线临床使用仍然具有一定困难，主要受限于核酸扩增实验的严格条件，且其整个流程耗时较长，由于操作不规范也会导致诸如核酸污染等情况发生。另外，目前已有的商业化检测试剂盒灵敏度最高仅能实现对100copies/mL核酸样本的检测，常规的新冠病毒检测试剂盒也仅能实现对500-1000copies/mL的样本检测，难以实现对更低copy样本的检测，这对于低浓度样本量的检测，尤其是对空气气溶胶中、物品表面上的待检样本进行检测而言，灵敏度远远不够，这进一步增加了疫情防控的难度。为了降低核酸检测的高门槛，改善传统检测方式的弊端，迫切需要一种全集成、自动化、高灵敏度病原体分析仪器，用于医院诊断、出入境关口等场景下对传染性病原体进行筛查。

发明内容

为了解决现有技术中的以下问题：传统的检测方法操作复杂、质量控制较为困难，在临床检测中对检测环境、技术人员和仪器都存在较高的要求，建设成本和运营成本较高，在一定程度上阻碍了体外诊断、核酸分析在欠发达地区的普及和应用；针对新冠疫情而言，商业化检测试剂以及已有的配套仪器自动化程度不够，灵敏度低、难以实现对更低copy病原体样本量的检测。

本发明提供一种全集成病原体核酸分析仪，包括：

机架，

反应组件，所述反应组件包括检测芯片和芯片驱动装置，所述芯片驱动转装置与机架相连接，用于驱动芯片沿着水平方向前后往复运动；

荧光检测组件，所述荧光检测组件位于反应组件的下方并与机架相连接，所述荧光检测组件对检测芯片中进行的反应进行实时荧光检测；

压杆组件，所述压杆组件包括顶针与顶针驱动装置，所述顶针驱动装置与机架相连接，并驱动顶针沿着竖直方向上下往复运动；

控制装置，所述控制装置与机架相连接，所述芯片驱动装置、荧光检测组件和顶针驱动装置均与控制装置电连接。

进一步，所述荧光检测组件包括：

荧光驱动装置，所述荧光驱动装置包括第一水平滑轨、第一电机和第一滑块，所述滑块在电机的驱动下沿着水平方向左右往复运动；所述滑块上设有荧光信号激发装置和荧光信号接收装置；

光纤组，每个所述光纤组包括两根光纤，所述两根光纤的下端分别与荧光信号激发装置和荧光信号接收装置相匹配；所述光纤的上端与检测芯片的荧光检测孔相匹配；

所述第一电机、荧光信号激发装置和荧光信号接收装置均与控制装置电连接。

进一步，所述芯片驱动装置包括两个第二水平滑轨、第二电机、托板和芯片盒，所述第二水平滑轨与机架相连接，所述托板的两侧分别与两个第二水平滑轨滑动连接；所述托板在第二电机的驱动下沿着第二水平滑轨水平往复运动，所述托板上设有用于容纳芯片盒的孔，所述芯片盒卡接在孔内，所述芯片盒内设有多个用于容纳芯片的芯片槽，所述芯片槽的底面设有荧光检测孔，所述荧光检测孔与光纤的上端相匹配；

所述第二电机与控制装置电连接。

进一步，包括加热装置，所述加热装置设置在芯片盒的下方，所述加热装置与控制装置电连接。

进一步，所述加热装置包括加热膜和加热膜盖板，所述加热膜连接在芯片盒的底面上，所述加热膜盖板连接在加热膜下方，所述加热膜与控制装置电连接。

进一步，所述压杆组件包括第三电机、丝杠、竖直滑轨、滑动压板和顶针，所述竖直滑轨与机架相连接，所述滑动压板与竖直滑轨滑动连接，所述滑动压板用过丝杠与第三电机相连接，所述滑动压板在电机的驱动下沿竖直滑轨上下往复运动；所述第三电机与控制装置电连接，所述顶针连接与滑动压板相连接。

进一步，所述顶针的个数与芯片槽的个数相一致，并且一一对应；光纤组的个数芯片槽的个数相一致，并且一一对应。

进一步，控制装置包括控制器和输入/输出装置，所述输入/输出装置与控制器电连接，所述输入/输出装置用于接收输入的控制参数传递至控制器；所述输入/输出装置用于接收和显示控制器输出的数据。

所述第一电机、第二电机和第三电机均与控制器相连接，所述第一电机、第二电机和第三电机在控制器的控制下按照输入/输出装置中输入的控制参数或者预设的控制参数往复运动；所述荧光信号激发装置和荧光信号接收装置均与控制器电连接，所述荧光信号激发装置和荧光信号接收装置在控制器的控制下按照输入/输出装置中输入的控制参数或者预设的控制参数开启或者关闭；所述加热装置与控制器电连接，所述加热装置在控制器的控制下按照输入/输出装置中输入的控制参数或者预设的控制参数加热或者关闭。

进一步所述输入/输出装置可以为显示面板或触摸式显示屏。

进一步，所述检测芯片包括流体管道层、弹性胶带层和试剂存储层，所述试剂存储层用于分别存储采集液、清洗液、反应试剂和废液的腔室，所述流体管道层内设有带有捕获滤纸的原位提取扩增腔室，所述弹性胶带层夹设在流体管道层和试剂存储层之间，所述试剂存储层中的所储采集液、清洗液和反应试剂在外力作用下穿过弹性胶带层流至流体管道层，并通过流体管道层的流道依次流至原位提取扩增腔室进行核酸捕获、清洗与扩增反应。

进一步，所述试剂存储层包括依次设置的采集液腔室、清洗液腔室、反应试剂存储套管、混匀腔室和废液池；所述采集液、清洗液、反应试剂分别密封存储在采集液腔室、清洗液腔室、反应试剂存储套管中。

进一步，所述反应试剂存储套管包括由下至上依次连接的下端旋冒、储液腔室、胶塞球、推杆和上端旋冒，所述试剂存储层上设有与储液腔室下端相匹配的接口。

进一步，所述流体管道层上与混匀腔室对应位置设有原位提取扩增腔室，原位提取扩增腔室中设有捕获滤纸固定位，用于捕获核酸的捕获滤纸连接在捕获滤纸固定位处；所述混匀腔室对应位置设有原位提取扩增腔室之间的弹性胶带层设有去粘性层。

进一步，所述流体管道层上与采集液腔室对应的位置设有采集液池，所述采集液池与采集液腔室之间的弹性胶带层设有去粘性层，所述去粘性层身上设有弹性阀，所述弹性阀为由上向下连通的单向阀；所述流体管道层上与清洗液腔室对应的位置设有清洗液池，所述清洗液池与清洗液腔室之间的弹性胶带层设有去粘性层，所述去粘性层身上设有弹性阀，所述弹性阀为由上向下连通的单向阀；所述流体管道层上反应试剂存储套管相对应的位置，设有反应液池，所述反应液池与反应试剂存储套管之间的弹性胶带层设有去粘性层，所述去粘性层身上设有弹性阀，所述弹性阀为由上向下连通的单向阀。

进一步，所述反应池靠近原位提取扩增腔室的一侧设有复溶腔室，所述复溶腔室一侧与反应池相连通，另一端可以通过挤压对应设置的去粘性层与原位提取扩增腔室相连通；所述流体管道层上设有第一流道，所述第一流道的一端分别与清洗液池和采集液池相连接，另一端可以通过挤压对应设置的去粘性层与原位提取扩增腔室相连通；所述原位提取扩增腔室靠近废液池的一侧设有与废液池联通的第二流道，所述第二流道和废液池之间设有去粘性层，所述去粘性层上设有弹性阀，所述弹性阀为由下向上连通的单向阀。

进一步，所述废液池上设有废液池排气孔，所述试剂存储层的外壁连接有气膜，所述气模与试剂存储层的外壁形成一密闭的容纳空间，所述容纳空间与废液池排气孔相连通。

进一步，所述试剂存储层设有把手。

使用本发明提供的一种全集成病原体核酸分析仪，则可真正实现全集成、自动化、高灵敏度病原体分析，用于医院诊断、出入境关口等场景下对传染性病原体进行筛查，尤其是公共空间生物气溶胶中、物体表面低病原样本量的场景下。

该全集成病原体核酸分析仪可将样本处理、核酸提取、核酸等温扩增和扩增产物荧光检测集成于同一装置，因而摆脱了繁琐操作以及对专业实验室的依赖，实现真正的全集成、自动化、高灵敏度“样本入，结果出”式的一体化核酸分析检测。

附图说明

图1为本发明的全集成病原体核酸分析仪的结构示意图。

图2为本发明的全集成病原体核酸分析仪的局部结构示意图。

图3为本发明的全集成病原体核酸分析仪的局部结构示意图。

图4为本发明的全集成病原体核酸分析仪的局部结构示意图。

图5为本发明的全集成病原体核酸分析仪的局部结构示意图。

图6为本发明的全集成病原体核酸分析仪的局部结构示意图。

图7为本发明的实施例中的检测结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。以下提供的实施例可作为本技术领域普通技术人员进行进一步改进的指南，并不以任何方式构成对本发明的限制。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

如图1-5所示，本发明提供本发明提供一种全集成病原体核酸分析仪，包括：

机架1，

反应组件，所述反应组件包括检测芯片和芯片驱动装置，所述芯片驱动转装置与机架相连接，用于驱动芯片沿着水平方向前后往复运动；

荧光检测组件，所述荧光检测组件位于反应组件的下方并与机架相连接，所述荧光检测组件对检测芯片中完成的反应进行荧光检测；

压杆组件，所述压杆组件包括顶针与顶针驱动装置，所述顶针驱动装置与机架相连接，并驱动顶针沿着竖直方向上下往复运动；

控制装置，所述控制装置与机架相连接，所述芯片驱动装置、荧光检测组件和顶针驱动装置均与控制装置电连接。

所述荧光检测组件包括：荧光驱动装置，所述荧光驱动装置包括第一水平滑轨31、第一电机32和第一滑块33，所述第一滑块33在第一电机32的驱动下沿着水平方向左右往复运动；所述第一滑块33上设有荧光信号激发装置34和荧光信号接收装置35；光纤组36，每个所述光纤组包括两根光纤，所述两根光纤的下端分别与荧光信号激发装置和荧光信号接收装置相匹配；所述光纤的上端与检测芯片的荧光检测孔相匹配；所述第一电机、荧光信号激发装置和荧光信号接收装置均与控制装置电连接，所述荧光信号接收装置通过光电倍增管37与控制装置相连接。

所述芯片驱动装置包括两个第二水平滑轨21、第二电机22、托板23和芯片盒24，所述第二水平滑轨与机架相连接，所述托板的两侧分别与两个第二水平滑轨滑动连接；所述托板在第二电机的驱动下沿着第二水平滑轨水平往复运动，所述托板上设有用于容纳芯片盒的孔，所述芯片盒卡接在孔内，所述芯片盒内设有多个用于容纳芯片的芯片槽25，所述芯片槽的底面设有荧光检测孔26，所述荧光检测孔与光纤的上端相匹配；所述第二电机与控制装置电连接。两个第二水平滑轨的设置能够保证芯片你运动过程中的稳定性。芯片槽内设有弹片装置27，便于芯片与芯片槽的稳定连接。

还包括加热装置，所述加热装置设置在芯片盒的下方，所述加热装置与控制装置电连接。所述加热装置包括加热膜和加热膜盖板4，所述加热膜连接在芯片盒的底面上，所述加热膜盖板连接在加热膜下方，所述加热膜与控制装置电连接。芯片盒由易于传热的材质制成，便于加热膜产生的热量传递至检测芯片处，同时，托板采用保温材质制成，使得被托板包裹的芯片盒内形成一个保温腔体。

所述压杆组件包括第三电机51、丝杠52、竖直滑轨53、滑动压板54和顶针55，所述竖直滑轨与机架相连接，所述滑动压板与竖直滑轨滑动连接，所述滑动压板用过丝杠与第三电机相连接，所述滑动压板在电机的驱动下沿竖直滑轨上下往复运动；所述第三电机与控制装置电连接，所述顶针连接与滑动压板相连接。

所述顶针的个数与芯片槽的个数相一致，并且一一对应；光纤组的个数芯片槽的个数相一致，并且一一对应。

控制装置包括控制器71和输入/输出装置72，所述输入/输出装置与控制器电连接，所述输入/输出装置用于接收输入的控制参数传递至控制器；所述输入/输出装置用于接收和显示控制器输出的数据。

所述第一电机、第二电机和第三电机均与控制器相连接，所述第一电机、第二电机和第三电机在控制器的控制下按照输入/输出装置中输入的控制参数或者预设的控制参数往复运动；所述荧光信号激发装置和荧光信号接收装置均与控制器电连接，所述荧光信号激发装置和荧光信号接收装置在控制器的控制下按照输入/输出装置中输入的控制参数或者预设的控制参数开启或者关闭；所述加热装置与控制器电连接，所述加热装置在控制器的控制下按照输入/输出装置中输入的控制参数或者预设的控制参数加热或者关闭。

进一步所述输入/输出装置可以为显示面板或触摸式显示屏。

所述检测芯片6包括流体管道层61、弹性胶带层62和试剂存储层63，所述试剂存储层63包括依次设置的采集液腔室632、清洗液腔室633、反应试剂存储套管634、混匀腔室637和废液池636；所述反应试剂存储套管634可以为设置在试剂存储层3 上的通孔也可以为与试剂存储层的底部可拆卸的连接独立装置；

所述流体管道层61上与混匀腔室637对应位置设有原位提取扩增腔室中设有捕获滤纸固定位18，用于捕获核酸的核酸捕获滤纸19连接在捕获滤纸固定位18处；所述混匀腔室637对应位置设有原位提取扩增腔室之间的弹性胶带层62设有去粘性层；所述流体管道层61上与采集液腔室632对应的位置设有采集液池，所述采集液池与采集液腔室632之间的弹性胶带层62设有去粘性层，所述去粘性层上设有由上向下连通的单向阀；所述流体管道层61上与清洗液腔室633对应的位置设有清洗液池，所述清洗液池与清洗液腔室633之间的弹性胶带层62设有去粘性层，所述去粘性层上设有由上向下连通的单向阀；所述流体管道层上反应试剂存储套管634相对应的位置，设有反应液池，所述反应液池与反应试剂存储套管634之间的弹性胶带层62设有去粘性层，所述去粘性层上设有由上向下连通的单向阀；所述反应池靠近原位提取扩增腔室的一侧设有镁离子复溶腔室，所述镁离子复溶腔室一侧与反应池相连通，另一端可以通过挤压对应设置的去粘性层与原位提取扩增腔室相连通。第一流道，所述第一流道的一端分别与清洗液池和采集液池相连接，另一端可以通过挤压对应设置的去粘性层与原位提取扩增腔室相连通。所述原位提取扩增腔室靠近废液池的一侧设有与废液池联通的第二流道，所述第二流道和废液池636之间设有去粘性层，所述去粘性层上设有由下向上连通的单向阀。

进一步，所述由上向下连通的单向阀为带有通孔的去粘性层，所述通孔流体管道层上额的流道或者各个反应池相连通，所述通孔与试剂存储层室的腔室的出液口交错设置，当液体流向去粘性层时，去粘性层向下发生形变，是得其通过通孔形成通路；而当液体由下向上流动时，由于通孔与出液口交错设置，去粘性层向上挤压使得通孔封闭，此时单向阀关闭。

所述由下向上连通的单向阀为带有通孔的去粘性层，所述通孔与废液池相连通，所述第二流道的出液口与通孔相对于去粘性层交错设置，当第二流道的液体流向废液池时，去粘性层向上发生形变是得第二流道与通孔相连通，液体流向废液池；而当液体由上向下流动时，由于通孔与第二流道的出液口交错设置，去粘性层向下挤压使得通孔封闭，此时单向阀关闭。

所述试剂存储层还包括密封阀室635，当反应试剂注入原位提取扩增腔室开始进行反应时，密封阀室635的内部腔室最低端会塞上一个直径略大于密封阀内部圆孔直径的胶塞，胶塞靠挤压作用挤压原位提取扩增腔室两端的双面胶带，以此封住反应腔室两端进行密封。

所述反应试剂存储套管634包括由下至上一次连接的下端旋冒、储液腔室、和上端旋冒，所述上端旋冒上连接有推杆，所述储液腔室内设有胶塞球，所述胶塞球位于推杆与储液腔室底壁之间所述试剂存储层上设有与储液腔室下端相匹配的接口，使用时，可以去除下端旋冒后将储液腔室的下端直接与接口相连接。所述储液腔室的下端直接与接口之间密封连接。

所述废液池636上设有废液池排气孔，所述试剂存储层的外壁连接有气膜，所述气模与试剂存储层的外壁形成一密闭的容纳空间，所述容纳空间与废液池排气孔相连通。所述试剂存储层设有把手631。

本发明的全集成病原体核酸分析仪自动化控制过程为：第二电机带动托板出仓，将8个检测芯片加载到芯片盒的芯片槽内，第二电机带动托板进仓，完成8位芯片的装载；进行检测扩增时，第二电机带动托板依次运动至第一位置采集液腔室位、第二位置清洗液腔室位、第三位置反应试剂腔室位、第四和第五位置密封阀腔室位，在不同对应位置时，第三电机带动顶针上下往复运动，实现依次注射采集液腔室试剂、清洗液腔室试剂、反应试剂腔室试剂，和反应密封阀密封反应腔室，即可进行核酸扩增反应，反应时顶针循环依次推动混匀腔室进行反应试剂混匀；8位并排光纤在荧光检测点处对8位检测芯片进行最高四色荧光扫描检测，需要使用不同激发波长的光源和不同波长滤波的滤镜配合对应的荧光进行扫描检测；并将扫描检测数据传递至控制器，控制器可以通过有线或者无线网络将检测数据传递至远程终端的电脑上。

使用时，启动第二电机带动托板出仓，将8个检测芯片加载到芯片盒内的芯片槽中，第二电机带动托板进仓，即可完成8位芯片的装载；

试剂注射及进行扩增反应：第二电机带动托板依次运动至第一位置采集液腔室位、第二位置清洗液腔室位、第三位置反应试剂腔室位、第四和第五位置密封阀腔室位，在不同对应位置时，第三电机带动顶针上下往复运动，实现依次注射采集液腔室试剂、清洗液腔室试剂、反应试剂腔室试剂，和推动反应密封阀密封反应腔室，即可进行核酸扩增反应，随后，第一电机带动荧光信号激发装置和荧光信号接收装置进行实时荧光检测。反应时，每隔固定时间，需对反应腔室进行混匀。混匀时第一电机会停止带动荧光信号激发装置和荧光信号接收装置进行荧光扫描检测，第二电机带动托板依次运动至第六和第七位置混匀腔室位，第三电机带动顶针循环依次推动第六、第七混匀腔室进行混匀，往复两至三次，增强反应效果；

加热方式：由主控电路板通过温度传感器借助加热膜对检测芯片进行加热(反应开始后，一直持续加热，直至反应结束)；

荧光扫描检测：8位并排检测部件感光耦合元件CCD或光电倍增管PMT配合光纤在荧光检测点处对8位检测芯片进行四色荧光扫描检测，检测数据通过荧光信号接收装置和光电倍增管传递至控制器。

以20copies/mL的假病毒样品为例，按照上述方法进行检测，检测结果如附图7 所示，图7中，左侧为20copies/mL的假病毒样品，右侧为空白对照。从图7中的结果可以看出，本发明的仪器可将待测样本的“样本前处理、核酸提取、扩增、检测”于一体，操作简便，仅需操作开关按钮和控制按钮便可完成对8个通量检测样本的全集成检测；仪器配合三个电机全自动化设计，结合数据分析控制软件，仅需一步装载芯片便可实现自动获取信号、处理数据、判读结果，真正完成“样本入，结果出”式的一体化核酸分析检测；检测芯片配合壳聚糖修饰的特异性滤纸进行核酸捕获富集，随后进行原位扩增，检测灵敏度可达20copies/mL，为现有商业化试剂检测灵敏度的 6-10倍。如此高的检测灵敏度，尤其适用于空气气溶胶中、物品表面上的低copy待检样本，这对新冠疫情而言，可大大助力疫情防控；加热模块所控温度范围为37℃-65℃，可配合不同恒温扩增反应对多种病原微生物进行检测；图6所示检测芯片仅为展示出的一种检测芯片，仪器还可配合不同设计结构的检测芯片以满足多场景不同检测需求。

以上对本发明进行了详述。对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明的宗旨和范围，以及无需进行不必要的实验情况下，可在等同参数、浓度和条件下，在较宽范围内实施本发明。虽然本发明给出了特殊的实施例，应该理解为，可以对本发明作进一步的改进。总之，按本发明的原理，本申请欲包括任何变更、用途或对本发明的改进，包括脱离了本申请中已公开范围，而用本领域已知的常规技术进行的改变。按以下附带的权利要求的范围，可以进行一些基本特征的应用。