自动核酸提取检测仪及其检测方法

技术领域

本发明涉及生物检测领域，尤其涉及一种核酸提取检测方法。

背景技术

核酸检测是鉴别生物种类的方法，是病毒、细菌等微生物检测鉴别的重要手段，已经在生物医药的研究领域得到了广泛使用。核酸检测步骤通常包括从样品中提取核酸、纯化核酸、浓缩后再进行核酸检测等。

目前上述步骤主要依靠核酸提取仪和检测设备来共同完成，由于上述仪器操作步骤复杂，专业性强，只能依靠特定的工作人员来处理，耗时费力、灵活性低。同时，目前使用的核酸提取仪和检测设备大部分是开放式，容易造成核酸的交叉污染，影响检测结果的准确性。当对致病性细菌或病毒进行核酸检测时，容易影响工作人员的身体健康，存在安全隐患。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种自动核酸提取检测仪，能够实现样本从提取到检测过程均在封闭环境下快速全自动操作，易于操作，只需将导入了待检样本的芯片放置其中就能通过一步式操作完成核酸检测。

为达到上述目的，本发明所采取的技术手段为：

一种自动核酸提取检测仪，包括芯片及硬件系统，

所述芯片包括支撑体和分别设置在支撑体上的多个外壁具有弹性的容置腔，所述容置腔包括：

样品池，用于盛装样品，分别连通设置输入通道和转送管；

裂解池，内置含有磁珠的裂解溶液，为样品做核酸提取提供容纳空间，通过转送管与样品池相连通，所述裂解池还分别连通第一支管、第二支管、第三支管、第四支管和第五支管的一端；

洗涤溶液池，内置洗涤液，连通第二支管的另一端；

洗脱溶液池，内置洗脱液，连通第一支管的另一端；

LAMP缓冲液池，内置缓冲液，连通第四支管的另一端；

扩增检测池，内置含有荧光探针的冻干球，提供核酸检测的容纳空间，连通第五支管的另一端；

废液池，连通第三支管的另一端，

所述硬件系统包括用于插接芯片的侧挤压装置、用于调节各个容置腔的温度的温控模块、控制磁珠运动方向的磁力控制元件、进行核酸检测的荧光检测模块和调控自动核酸提取检测仪运行的微控制器，

所述侧挤压装置包括用于夹设芯片两个相对设置的侧壁，所述侧壁上相向对称设置多个分别挤压对应容置腔的可伸缩挤压柱，与裂解池对应的侧壁上还设置由磁力控制元件调节的可伸缩磁力柱。

其中，所述温控模块包括加热元件板和冷却装置，所述加热元件板上设置温度传感器和多个加热元件，加热元件对应设置在所述裂解池及所述扩增检测池外侧，所述冷却装置、温度传感器和加热元件分别与微控制器相连。

其中，所述磁力控制元件通过线圈控制可伸缩磁力柱的动作。

其中，所述荧光检测模块包括分别设置在扩增检测池相对两侧的荧光光源和荧光检测器。

其中，所述荧光光源通过相互连接的电源和数模转换器与微控制器连接；所述荧光检测器通过检测模块和模数转换器与微控制器相连。

其中，所述容置腔的外壁开设使其与外部连通的微孔，所述微孔上填充用于密封容置腔的堵塞件。以此，在使用芯片时可以先根据需要向容置腔中充填需要的溶液，或者通过微孔进行芯片的清洗后重新充填，使该芯片重复使用。

其中自动核酸提取检测仪还包括分别与为控制相连的网络接口或/和边缘连接器。设置一个总控制器与多个边缘连接器相连，同时检测多个样品并反应到与总控制器相连的屏幕上，提高了检测效率。通过网络接口与工作人员使用的电子设备连接，使其能实时了解检测情况。

本发明的另一目的是提供一种核酸的检测方法，使用上述的自动核酸提取检测仪来完成，所述检测方法包括以下步骤：

S1：插装芯片：样品通过输入通道加入芯片的样品池中，将芯片插入自动核酸提取检测仪的侧挤压装置中；

S2：裂解：微控制器调节相应的可伸缩挤压柱挤压样品池，样品通过转送管进入裂解池，温控模块加热裂解溶液到70-80℃进行裂解反应，

之后微控制器调整磁力控制元件，可伸缩磁力柱产生间歇磁场促使磁珠运动，磁珠吸附结合裂解后的核酸，

S3：洗涤：在磁力环境下可伸缩挤压柱挤压裂解池，使裂解反应后的反应溶液通过第三支管进入废液池，

与洗涤溶液池对应的可伸缩挤压柱挤压洗涤液至裂解池对结合核酸的磁珠进行清洗后，在磁力环境下将裂解池中的清洗液转入废液池；

S4：洗脱：可伸缩挤压柱侧挤压洗脱溶液池，洗脱液进入裂解池，分离结合在磁珠上的核酸；

S5：混合：挤压LAMP缓冲液池，使缓冲液进入裂解池后再次挤压裂解池，使其中的洗脱液、缓冲液和分离出来的核酸均进入扩增检测池；

S6：扩增：加热元件将扩增检测池中温度控制在60℃，使核酸在扩增检测池中进行核酸扩增；

S7：检测：微控制器控制荧光检测模块运行，完成扩增检测池中的核酸的检测。

其中，步骤S3中，洗涤液为70％的乙醇。以此，当洗涤完成后残留的70％乙醇在后续进行扩增时，在60℃温度环境下能够挥发，不会残留，保证核酸检测结果准确。

步骤S3中，可伸缩磁力柱间歇提供磁力，促进磁珠在裂解池中变向运动。由此，不仅提高磁珠与核酸的结合效率，还提高了核酸与其他杂质分离的效率。

本发明的有益效果为：

本发明适用于包括血液、鼻拭子、咽拭子等多种类型样本的核酸检测。实现了封闭式全自动的核酸检测，结构简单，易于操作，可以快速准确的实现核酸检测，同时可以避免检测时的核酸交叉污染和降低生物安全风险，另外芯片和检测单元相对分离，可以快速更换检测样品，方便实际检测应用。

附图说明

图1是本发明的芯片结构示意图；

图2是本发明的芯片放置于侧挤压装置中的状态示意图，图中箭头方向为受挤压方向；

图3是本发明的自动核酸提取检测仪的原理图；

图4是本发明的自动核酸提取检测仪的操作流程图。

附图标记说明：

100：芯片；1：输入通道；2：转送管；3：第一支管；4：第二支管；5：第三支管；6：第四支管；7：第五支管；8：样品池；9：洗脱溶液池；10：洗涤溶液池；11：LAMP缓冲液池；12：裂解池；13：废液池；14：支撑体；15：扩增检测池；16：堵塞件；101：冷却装置；102：加热元件板；103：线圈；104：磁力控制元件；105：电源开关；106：荧光光源；107：荧光检测器；108：温度传感器；109：可控电流源；110：检测单元；111：模数转换器；112：数字寄存器；113：数模转换器；114：网络接口；115：微控制器；116：存储器；117：可伸缩挤压柱；118：电力供应元件；119：可伸缩磁力柱；120：侧挤压装置。

具体实施方式

为了更加清楚阐述本发明的技术内容，下面结合附图和具体实施例予以详细说明。

本发明提供一种自动核酸提取检测仪，可以实现核酸的快速提取与荧光检验。自动核酸提取检测仪主要包括芯片100及硬件系统。其中芯片100主要用于盛装样品和检测时各种需要的溶液，硬件系统用于核酸检测。

所述芯片100的结构如图1所示，包括支撑体14和多个容置腔，容置腔均设置在支撑体14上，容置腔使用弹性材料制成，使其外壁具有弹性。例如可选择聚氯乙烯、聚苯乙烯或聚丙烯。当然，本实施例中，也可以芯片100均使用上述弹性材料制成。

所述容置腔至少包括7个，分别为：样品池8、洗脱溶液池9、洗涤溶液池10、LAMP缓冲液池11、裂解池12、废液池13、支撑体14和扩增检测池15。其中样品池8、洗脱溶液池9、洗涤溶液池10和裂解池12用于核酸提取；LAMP缓冲液池11和扩增检测池15用于核酸检测。

样品池8用于盛装待检测的样品，该样品可以是血液样品、鼻拭子、咽拭子等多种类型。样品池8上分别连通设置输入通道1和转送管2。输入通道1的另一端连通外界，用于添加待检测的样品。

转送管2的另一端连通裂解池12，通过转送管2与样品池8相连通，裂解池12内充填裂解溶液，用于裂解病毒、细胞等使其中的核酸释放，为样品做核酸提取提供容纳空间。本领域技术人员根据所检测的样本的性质的不同做出相应调整，选取不同的裂解溶液。在裂解液中还含有磁性的磁珠，通过磁珠吸附结合裂解产生的核酸并可通过改变外界磁场的方向控制磁珠的运动方向，从而提高磁珠与核酸的结合以及核酸与其他杂质分离的效率。裂解池12还分别连通第一支管3、第二支管4、第三支管5、第四支管6和第五支管7的一端。

第二支管4的另一端连通洗涤溶液池10，洗涤溶液池10内充填有洗涤液，用于洗涤磁珠及磁珠上的核酸及裂解过程中产生的杂质等。洗涤液一般选择70％乙醇，在洗涤完成后残留的70％乙醇在接下来的高温环境下能够挥发，不会对后续反应产生影响。第三支管5的另一端连通废液池13，废液池13主要是收集来自于裂解池的上清液及洗涤后的溶液。

第一支管3的另一端连通洗脱溶液池9，洗脱溶液池9内充填洗脱液，使用洗脱液能够使磁珠上吸附的核酸从磁珠脱离，一般用TE缓冲液作为洗脱液。第四支管6的另一端连通LAMP缓冲液池11，LAMP缓冲液池11内充填环介导等温扩增的缓冲液。第五支管7的另一端连通扩增检测池15，扩增检测池15提供核酸检测的容纳空间，其内部设置有a和b两个冻干球：a球含有扩增酶、引物以及dNTP；b球含有荧光探针。

其中，上述的7个容置腔的外壁均开设微孔，通过微孔能使其与外部连通，在使用芯片时可以先根据需要向容置腔中充填需要的溶液，或者通过微孔进行芯片的清洗后重新充填，使该芯片能够重复使用。在微孔上填充用于密封容置腔的堵塞件16，防止容置腔中的溶液溢流。堵塞件16选用耐高温的材料，如耐高温的陶瓷纤维纸。

进行检测时，需要将装有待测样品的芯片100插装至自动核酸提取检测仪的硬件系统中，如图2所示。所述自动核酸提取检测仪的硬件系统的各部件及工作原理如图3所示。

所述硬件系统主要包括用于插接芯片的侧挤压装置120、用于调节各个容置腔的温度的温控模块、控制磁珠运动方向的磁力控制元件104、进行核酸检测的荧光检测模块和调控自动核酸提取检测仪运行的微控制器115。本实施例中，微控制器115可以选用市售产品，如STM32F103ZET6微控制器和微控制器S9S12ZVL16F0WLF，只要满足相应的功能即可，本发明中不做限定。

其中，侧挤压装置120的结构参看图2，成类似U型结构，包括两个相对平行设置的侧壁，通过两个侧壁夹设芯片100至其中，在侧壁上相向对称设置多个可伸缩挤压柱117，本实施例中共包括14个，两个一对分别挤压对应的容置腔，芯片100的容置腔中溶液的移动依赖于可伸缩挤压柱117来实现不同反应也在不同容置腔的移动。与裂解池12对应的侧壁上还设置由磁力控制元件104调节的可伸缩磁力柱119。磁力控制元件104与微控制器115连接，通过线圈103控制可伸缩磁力柱119间歇地产生磁力，以实现对磁珠移动方向的控制。

温控模块用于调整核酸提取和检测时所需要的温度。温控模块包括加热元件板102和冷却装置101。所述加热元件板102上设置温度传感器108和多个加热元件，加热元件对应设置在所述裂解池12及所述扩增检测池15外侧，所述冷却装置101、温度传感器108和加热元件分别与微控制器115相连，所述冷却装置101可以为风扇，用于冷却加热元件板102。温度传感器108感测到加热元件板102的温度发送至微控制器115，微控制器115控制加热元件和冷却装置101来调控环境温度，以满足裂解反应和扩增反应条件。

其中，所述荧光检测模块包括分别设置在扩增检测池相对两侧的荧光光源106和荧光检测器107，还包括电源和检测模块110，其中电源选用可控电流源109，为荧光光源106提供能量供应。荧光光源106连接可控电流源109，可控电流源109连接数模转换器113，数模转换器113与微控制器连接。所述荧光检测器107连接检测模块110，检测模块110与模数转换器111相连，最终模数转换器111与微控制器115相连。另一方面，微控制器115还通过数字寄存器112连接检测模块110。荧光光源106是用于激发扩增检测池15的反应混合物中的荧光标签，而荧光检测器107用于检测反应混合物中发射的荧光，并将荧光信号传递给检测模块110。检测模块110由放大器、和电子过滤器等组成，用来检测自荧光检测器信号的增减，还可减少噪音，本领域技术人员可以选用常规的市售产品。

本发明的检测过程中，通过数模转换器113控制可控电流源109，可控电流源109通过控制荧光光源106的电流而调节LED灯的亮度，由荧光检测器107检测到扩增检测池15中的光反馈信息，随后荧光检测器107将检测信息传递给检测模块110，检测模块110检测荧光信号的增减等并将检测结果通过模数转换器111传递给微控制器115，微控制器115可以通过数字寄存器112控制检测模块110。微控制器115将接收到的信息进行处理并将检测结果传递给显示屏，由显示屏显示最终的检测结果。

除此以外，本发明的自动核酸提取检测仪还包括电力供应元件118和电源开关105。其中电力供应元件118连接外部电源，可以为交流电也可以是直流电，为本发明提供使用所需的电力能源，电力供应元件118与可控电流源109相连，为荧光光源106提供能源。电源开关105还通过电源开关105与冷却装置101相连。

更进一步的实施方案，本发明中的自动核酸提取检测仪还包括分别与微控制相连的网络接口114或/和边缘连接器。通过网络接口114连接外界网络，与工作人员使用的电子设备连接，使其能实时了解检测情况。另外，本发明还可以另外设置存储器116与微控制器115进行连接，能够搞笑完整的保存数据。

当设置有边缘连接器时，设置一个总控制器与多个边缘连接器相连，能够同时检测多个样品并将检测结果通过边缘连接器117传递给与总控制器相连的屏幕上，提高了检测效率。

本发明还提供了一种核酸的检测方法，使用上述的自动核酸提取检测仪来完成，所述检测方法的流程如图4所示，具体来说包括以下步骤：

S1：插装芯片：将采集到的适量的待检测的样品通过输入通道加入芯片的样品池中，旋紧芯片的盖子，将与样品信息相对应的条形码粘贴到芯片上；通过条形码扫描设备在自动核酸检测仪内输入与之对应的信息，之后将芯片插入自动核酸提取检测仪的侧挤压装置中。

S2：裂解：微控制器调节相应的可伸缩挤压柱挤压样品池，样品通过转送管进入裂解池，温控模块加热裂解溶液到70-80℃进行裂解反应，

反应15分钟后，微控制器调整磁力控制元件，可伸缩磁力柱产生间歇磁场促使磁珠运动，磁珠吸附结合裂解后的核酸。

S3：洗涤：在磁力环境下可伸缩挤压柱挤压裂解池，因裂解出来的核酸和磁珠结合并在磁场的作用下被固定，而裂解反应后的反应溶液如上清液在挤压的作用下进入废液池。

裂解初步完成以后，与洗涤溶液池对应的可伸缩挤压柱挤压洗涤溶液池，洗涤液进入裂解池，洗涤液为70％的乙醇。以此，当洗涤完成后残留的70％乙醇在后续进行扩增时，在60℃温度环境下能够挥发，不会残留，保证核酸检测结果准确。对结合核酸的磁珠进行清洗后，洗去除核酸和磁珠以外的杂质。随后控磁元件控制可伸缩磁力柱产生磁力，在磁场存在的情况下，侧挤压裂解池，使裂解池中的上清液和清洗液进入废液池。在此过程中，可伸缩磁力柱间歇提供磁力，促进磁珠在裂解池中变向运动。由此，不仅提高磁珠与核酸的结合效率，有效固定磁珠和核酸，还提高了核酸与其他杂质分离和核酸洗脱的效率。

S4：洗脱：可伸缩挤压柱侧挤压洗脱溶液池，洗脱液进入裂解池，分离结合在磁珠上的核酸。

S5：混合：挤压LAMP缓冲液池，使缓冲液进入裂解池后再次挤压裂解池，使其中的洗脱液、缓冲液和分离出来的核酸均进入扩增检测池；

S6：扩增：加热元件将扩增检测池中温度控制在60℃，使核酸在扩增检测池中进行核酸扩增。

S7：检测：扩增反应结束后，微控制器控制荧光检测模块运行，完成扩增检测池中的核酸的检测。由荧光光源激发荧光物质，荧光检测器检测荧光信号，微控制器汇总检测结果，最终将结果显示在显示屏上。

本发明的自动核酸提取检测仪和检测方法，实现了样本从提取到检测在全封闭环境下的快速全自动操作，避免了核酸检测过程中的交叉污染，具有结构简单、成本低、易于操作等优点，同时芯片和硬件系统相对分离，可以快速更换检测样品，方便实际检测应用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。