污水病毒富集提取检测一体机

技术领域

本发明属检测设备技术领域，尤其涉及污水病毒富集提取检测一体机。

背景技术

目前的一体机是核酸提取与荧光PCR集成，在使用前都需要前置流程——污水的富集浓缩，这些一体机的共同缺点是没有集成富集浓缩模块，不能实现真正意义上的全流程自动化，仍需实验人员将富集浓缩后的污水样本手动加样，增加感染风险；同时由于前处理的富集浓缩的方法不同，整体流程无法进行标准化控制。此外，目前的一体机都无法处理大体积的污水，如果污水样本中的病毒含量偏低的话，在实际操作中就会因为取样量太少，只取1-5mL做富集提取，而导致病毒浓度达不到最低检测下限，只对本身病毒含量高的污水样本有效，富集浓缩的作用不明显；同时还缺少前置的富集洗脱步骤，从而导致每次实验的富集洗脱都在机器外部进行，污水样本中的病毒经过不同的方案(PEG沉淀法、铝盐沉降法、超滤法等)进行富集浓缩，在机器外部高浓度的污水样本有可能造成泄漏污染，安全隐患非常大。人工进行富集浓缩的步骤，每次采用不同的方法导致整体流程无法标准化，因为不同的方法对病毒的拦截率和浓缩程度都是不稳定的，且人工操作也会带来很大的误差，就算是人工操作只采用同一种方法也会带来偏差。因此，需要设计污水病毒富集提取检测一体机以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供污水病毒富集提取检测一体机，以解决上述问题，达到将富集浓缩模块和提取模块集成为一体，减少实验所需时间，降低使用成本，不再需要人工进行富集浓缩与浓缩样本转移，降低实验人员的感染风险，同时提高效率的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：污水病毒富集提取检测一体机，包括框架，所述框架顶端固定连接有移动机构，所述移动机构上固定连接有夹取移液部，所述框架内部底壁固定连接有富集处理机构，所述富集处理机构一侧设置有密封部，所述密封部远离所述富集处理机构的一侧设置有磁性分离部，所述磁性分离部远离所述密封部的一侧设置有检测部，所述移动机构、富集处理机构、密封部、检测部电性连接有控制供能部。

优选的，所述富集处理机构包括与所述框架底壁固定连接的冷藏室、存放架、浴锅支架、离心机、混匀仪，所述冷藏室顶端滑动连接有第二盖板，所述冷藏室内固定设置有半导体制冷块，所述存放架顶端开设有若干移液头孔、离心管孔，所述移液头孔内放置有移液头，所述离心管孔内放置有离心管，所述浴锅支架顶端固定设置有加热浴锅，所述离心机、混匀仪、加热浴锅、半导体制冷块与所述控制供能部电性连接。

优选的，所述磁性分离部包括支撑架，所述支撑架底端与所述框架底壁固定连接，所述支撑架顶端转动连接有磁性板，所述磁性板靠近所述存放架的一侧固定连接有两个相对设置的夹紧爪，所述离心管与所述夹紧爪相适配。

优选的，所述夹取移液部包括连接板，所述连接板与所述移动机构固定连接，所述连接板远离所述移动机构的一侧滑动连接有固定板，所述固定板上固定连接有移液枪、电子夹爪，所述移液头与所述移液枪底端可拆卸连接，所述移液枪、电子夹爪与所述控制供能部电性连接。

优选的，所述移动机构包括两个第一移动部，两个所述第一移动部均与所述框架顶端固定连接且相对设置，两个所述第一移动部之间共同固定连接有第二移动部，所述连接板与所述第二移动部固定连接，所述第一移动部与所述第二移动部位于同一平面内且运动方向相互垂直，所述第一移动部、第二移动部与所述控制供能部电性连接。

优选的，所述第一移动部包括第一滑轨，所述第一滑轨与所述框架顶端固定连接，所述第一滑轨一端固定连接有第一电机，所述第一滑轨另一端通过第一固定块与所述框架顶端固定连接，所述第一滑轨上滑动连接有第一滑块，所述第一电机与所述第一滑块传动连接，所述第二移动部两端分别与两个所述第一滑块固定连接，所述第一电机与所述控制供能部电性连接。

优选的，所述第二移动部包括第二滑轨，所述第二滑轨一端与所述第一滑块固定连接，所述第二滑轨另一端通过第二固定块与另一个所述第一滑块固定连接，所述第二滑轨上滑动连接有第二滑块，所述第二滑轨远离所述第二固定块的一端固定连接有第二电机，所述第二电机与所述第二滑块传动连接，所述连接板与所述第二滑块固定连接，所述第二电机与所述控制供能部电性连接。

优选的，所述密封部包括热封口机，所述热封口机与所述框架底壁固定连接，所述热封口机与所述控制供能部电性连接。

优选的，所述检测部包括检测仪，所述检测仪与所述框架底壁固定连接，所述检测仪顶端滑动连接有第一盖板，所述检测仪与所述控制供能部电性连接。

优选的，所述控制供能部包括蓄电池、单片机，所述离心机、混匀仪、加热浴锅、半导体制冷块、移液枪、电子夹爪、第一电机、第二电机、热封口机、检测仪与所述蓄电池、单片机电性连接，所述蓄电池与所述单片机电性连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

1、可实现对多种病毒的采样检测和测序。

2、在富集和检测上使用全自动化方案，保证了实验结果不会出现人为导致的误差，且降低了操作者的工作量。

3、使用寿命较长，且由于是模块拼接而成，对于模块零部件的替换和维修也十分方便。

4、占地体积小，便于携带，可适应野外等恶劣环境。

5、采用磁珠法进行富集和提取，成本更低。

6、病毒富集提取一体化完成，高效率。

7、减少富集实验及提取实验等两步法带来的实验误差和批间系数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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：

图1为本发明整体结构示意图；

图2为富集处理机构结构示意图；

图3为磁性分离部机构示意图；

图4为夹取移液部结构示意图。

其中，1、框架；2、冷藏室；3、存放架；4、浴锅支架；5、离心机；6、混匀仪；7、移液头孔；8、离心管孔；9、移液头；10、离心管；11、加热浴锅；12、支撑架；13、磁性板；14、夹紧爪；15、通孔；16、连接板；17、固定板；18、移液枪；19、移液按钮；20、电子夹爪；21、热封口机；22、检测仪；23、第一盖板；24、第二盖板；25、半导体制冷块；26、第一电机；27、第一滑轨；28、第一固定块；29、第一滑块；30、第二电机；31、第二滑轨；32、第二固定块；33、第二滑块。

具体实施方式

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。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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-图4，本发明公开污水病毒富集提取检测一体机，包括框架1，框架1顶端固定连接有移动机构，移动机构上固定连接有夹取移液部，框架1内部底壁固定连接有富集处理机构，富集处理机构一侧设置有密封部，密封部远离富集处理机构的一侧设置有磁性分离部，磁性分离部远离密封部的一侧设置有检测部，移动机构、富集处理机构、密封部、检测部电性连接有控制供能部。

本发明一体机总工作时间为1.5小时，其中富集处理机构工作时间为45分钟，检测部工作时间为45分钟。

进一步优化方案，富集处理机构包括与框架1底壁固定连接的冷藏室2、存放架3、浴锅支架4、离心机5、混匀仪6，冷藏室2顶端滑动连接有第二盖板24，冷藏室2内固定设置有半导体制冷块25，存放架3顶端开设有若干移液头孔7、离心管孔8，移液头孔7内放置有移液头9，离心管孔8内放置有离心管10，浴锅支架4顶端固定设置有加热浴锅11，离心机5、混匀仪6、加热浴锅11、半导体制冷块25与控制供能部电性连接。

冷藏室2内设置有溶液库，溶液库由一系列耐高温、腐蚀、化学性质不活泼的容器组成，容器内盛放的试剂需视实验具体实用的试剂盒确定，在本发明中溶液库内的试剂为苏州海狸生物医学工程有限公司生产的污水样本核算提取试剂盒实验所需的试剂，下表为试剂具体种类及体积。

冷藏室2使用半导体制冷块25进行制冷，并通过铜片导热，风扇散热，从而实现冷藏室2内部温度保持在-4℃以下，保证冷藏的试剂耗材的活性。当需要进行移液操作时，冷藏室2上方的第二盖板24会自动打开，当完成移液操作和夹取操作后，第二盖板24会自动关闭。同样的，当完成检测后，冷藏室2的第二盖板24会打开，用于放置检测完成后的试剂耗材。

混匀仪6通过高频振动使离心管10内液体分子互相碰撞，从而达到混匀效果。离心机5通过高速旋转施加离心力，通过密度分层，从而使溶剂内密度较大的分子沉淀。

进一步优化方案，磁性分离部包括支撑架12，支撑架12底端与框架1底壁固定连接，支撑架12顶端转动连接有磁性板13，磁性板13靠近存放架3的一侧固定连接有两个相对设置的夹紧爪14，离心管10与夹紧爪14相适配。

进一步的，磁性板13上开设有通孔15，离心管10在夹紧爪14上固定以后其管口位置与通孔15相持平。

进一步优化方案，夹取移液部包括连接板16，连接板16与移动机构固定连接，连接板16远离移动机构的一侧滑动连接有固定板17，固定板17上固定连接有移液枪18、电子夹爪20，移液头9与移液枪18底端可拆卸连接，移液枪18、电子夹爪20与控制供能部电性连接。

进一步的，移液枪18的顶端设置有移液按钮19，按下移液按钮19即可吸取液体，移液按钮19内置电子开关，通过电子开关可以控制吸取的液体体积。

移液头9的拾取操作步骤为通过移液枪18底部的圆管与移液头9干涉，从而依靠压力拾取移液头，释放操作步骤为通过移液枪18下方的圆盘(直径大于移液头9直径)向下挤压，从而弹出移液头9。

移液头9拾取完成后，按下移液按钮19可以进行液体吸取，吸取的液体量可以提前通过控制供能部进行设定，液体吸取完成后再次按下移液按钮19即可排出液体。移液头9的底端为尖端结构，液体吸取完成后，利用尖端刺穿离心管10管口的密封膜，将液体排入离心管10内。

电子夹爪20的夹取力大小可以通过反馈电流进行判断，电流的大小即代表夹取力的大小，以此实现精准夹取，保证试剂耗材的完整性。

富集处理机构的工作过程包括裂解、洗涤、洗脱，裂解是对动植物的细胞进行裂解，并使与DNA、RNA结合的蛋白质变性，将DNA、RNA游离释放，加热浴锅11与控制供能部电性连接，用于在实验过程中提供不超过100℃的加热环境，加热浴锅11内安装温度传感器，温度传感器也与控制供能部电性连接，用于实时监测加热浴锅11的温度，混匀仪6用于混合离心管10中的样品，磁性板13的具体型号与品牌需由具体实验与试剂盒确定。洗涤是用于除去蛋白质、盐类等杂质，以提高富集效率。洗脱是将目标DNA、RNA从磁珠上洗脱下来，方便后续的检测工作进行。

其中，裂解的具体工作流程为：

一、使用电子夹爪20抓取离心管10，再通过移液枪18向离心管10内加入10ML裂解液①并运送至加热浴锅11进行65℃水浴10min；

二、使用电子夹爪20抓取另一个离心管10，再通过移液枪18向离心管10内加入500μL蛋白酶K⑧和适量溶液A⑨；

三、向“一”中的离心管10内加入5ML污水样本以及“二”中的混合溶液；

四、将“三”中的离心管10送往热封口机21进行封膜，然后运送至混匀仪6振荡1min；

五、将“四”中的离心管10运送至加热浴锅11进行65℃水浴加热10min；

六、将“五”中的离心管10夹取出加热浴锅11，静置5min后，运送至混匀仪6振荡30s；

七、向“六”中的离心管10内加入10ML结合液②，10ML异丙醇，100μL磁珠悬液③；

八、将离心管10运送至热封口机21进行膜封，然后运送至混匀仪6混匀10min；

九、将离心管10运送至磁性板13停留5min；

十、将移液枪18移至离心管10上方，去除离心管10内的上清液。

洗涤的具体工作流程为：

一、向裂解工作流程“十”中的离心管10内加入1ML洗涤液A④；

二、移液枪18反复吸取排出离心管10内的磁珠悬液5min，吹打管壁磁珠；

三、使用电子夹爪20抓取1.5ML离心管10，吸取“二”中1.5ML磁珠悬液转移至1.5ML离心管10中；

四、将1.5ML离心管10送往热封口机21进行封膜并送去混匀仪6振荡1min；

五、将1.5ML离心管10置于磁性分离器上5min；

六、将1.5ML离心管10抓取离开磁性板13，通过移液枪18去除1.5ML离心管10内的上清液；

七、抓取离心管10，通过移液枪18在离心管10内加入1mL洗涤液B⑤，再加入适量异丙醇；

八、通过移液枪18将“七”中的混合液加入至1.5ML离心管10内；

九、将“八”中的离心管10送往热封口机21进行封膜并送入混匀仪6振荡1min；

十、将离心管10置于磁性板13上5min；

十一、将离心管10抓取离开磁性板13，用移液枪18去除离心管10内的上清液；

十二、抓取离心管10，通过移液枪18在离心管10内加入1mL洗涤液C⑥，再加入适量无水乙醇；

十三、将“十二”中离心管10内的混合液加入至“十”中的离心管10内；

十四、将离心管10送往热封口机21进行封膜并送去混匀仪6振荡1min；

十五、将离心管10置于磁性板13上5min；

重复“十二”-“十五”的操作；

十六、保持离心管10开盖置于磁性板13上，室温放置10min。

洗脱的具体工作流程为：

一、在洗涤工作流程“十六”的离心管10中通过移液枪18加入150μL洗脱液⑦；

二、将离心管10送往热封口机21进行封膜，再送去混匀仪6振荡1min；

三、将离心管10送往加热浴锅11进行65℃水浴加热3min；

四、将离心管10送去混匀仪6振荡1min；

五、将离心管10置于磁性板13上5min；

六、将离心管10送往热封口机21进行封膜，使用移液枪18将离心管10内的上清液转移到检测部内进行检测。

进一步优化方案，移动机构包括两个第一移动部，两个第一移动部均与框架1顶端固定连接且相对设置，两个第一移动部之间共同固定连接有第二移动部，连接板16与第二移动部固定连接，第一移动部与第二移动部位于同一平面内且运动方向相互垂直，第一移动部、第二移动部与控制供能部电性连接。

进一步优化方案，第一移动部包括第一滑轨27，第一滑轨27与框架1顶端固定连接，第一滑轨27一端固定连接有第一电机26，第一滑轨27另一端通过第一固定块28与框架1顶端固定连接，第一滑轨27上滑动连接有第一滑块29，第一电机26与第一滑块29传动连接，第二移动部两端分别与两个第一滑块29固定连接，第一电机26与控制供能部电性连接。

进一步优化方案，第二移动部包括第二滑轨31，第二滑轨31一端与第一滑块29固定连接，第二滑轨31另一端通过第二固定块32与另一个第一滑块29固定连接，第二滑轨31上滑动连接有第二滑块33，第二滑轨31远离第二固定块32的一端固定连接有第二电机30，第二电机30与第二滑块33传动连接，连接板16与第二滑块33固定连接，第二电机30与控制供能部电性连接。

进一步优化方案，密封部包括热封口机21，热封口机21与框架1底壁固定连接，热封口机21与控制供能部电性连接。

移液操作完成后，离心管10被夹取至热封口机21进行二次膜封处理，保证密封性，二次膜封完成后进行下一步处理，膜封过程为出膜、热压覆膜(将加热后的膜与离心管10管口压合)、多余膜回收。

进一步优化方案，检测部包括检测仪22，检测仪22与框架1底壁固定连接，检测仪22顶端滑动连接有第一盖板23，检测仪22与控制供能部电性连接。

检测仪22为PCR检测机，对目标DNA或RNA进行扩增，并对PCR产物实时监控。

进一步优化方案，控制供能部包括蓄电池、单片机，离心机5、混匀仪6、加热浴锅11、半导体制冷块25、移液枪18、电子夹爪20、第一电机26、第二电机30、热封口机21、检测仪22与蓄电池、单片机电性连接，蓄电池与单片机电性连接。

蓄电池可以选择可充电锂电池，也可以是其它种类的电源；单片机用于控制污水采样周期、污水采样时长、水流量流量记录等，可以对机器内部各工作单位的启动时间、持续时间进行手动设定。

检测的具体工作流程为：

一、移液枪18和电子夹爪20固定于第二滑轨31之上，可以整体进行三维运动，以达到各个位置。

二、移液枪18配套多个一次性移液头9，使用完后可以更换，避免交错污染。

三、离心管10位于冷藏室2中，管口通过膜封进行密封处理。当检测开始时，使用移液头9吸一定量待测液，通过移液头9刺穿离心管10的薄膜，从而将待测液加入离心管10中，完成后自动更换移液头9，以便下次使用。随后使用电子夹爪20将离心管10取出，放置热封口机21处。

四、使用热封口机21对离心管10进行二次密封处理，随后使用电子夹爪20将密封好的离心管10放置于混匀仪6处，进行振荡混匀3min。随后使用电子夹爪20将混匀后的离心管10放置离心机5处，使用1900g力离心5min。

五、离心完成后，使用电子夹爪20将离心管10放置于PCR检测仪中，进行扩增，从而得到检测结果。

六、检测完成后，使用电子夹爪20将检测完成后的离心管10放回冷藏室2保存。

框架1的外侧可以罩设密封壳而形成密封的环境，密封壳的外部连通进样机构和过滤机构，进样机构包括进样入口和进样管道，进样入口与进样管道连通，进样管道连通有缓冲容器，在进样管道上安装有进样电磁阀，控制样本是否流进缓冲容器中；缓冲容器连通有出样管道，缓冲容器用于储存输入的液体样本；出样管道上安装有蠕动泵，用于运送指定体积的液体样本进行过滤。

过滤机构在于按照实际检测的病毒需要，将杂质过滤，保证样品中无中大块的杂质，其包括进样管道，与进样机构的出样管道相连；蠕动泵，与进样管道相连，用于将进样机构的样品抽入过滤机构中，并进行加压，加快过滤的进行；不锈钢管道，过滤机构的外壳部分，其作用是填充过滤介质；不锈钢管道中可以填充各种过滤介质，包括但不限于活性炭等等。需要注意的是介质内容可以根据实际按照实际检测的病毒和实验条件进行调整；出样管道，与密封壳内部连通。

密封壳内部还设置有气体过滤机构和消毒机构；

气体过滤机构用于减少有害病菌外溢，保护工作人员安全及避免环境污染，其包括进气口，与气泵相连；气压传感器，检测气体过滤单元工作时机器内是否形成负压环境，若未形成负压环境则发出警报并停止采样；过滤介质(如活性炭)与气泵、出气口相连，用于拦截有害物质或病菌；出气口，与过滤介质相连，将过滤完成的气体排出机器外。

消毒机构用于将样本中的病菌灭活，保证在机器内部遗留的、病毒失去活性，保护机器周围工作人员安全及避免环境污染，其包括：紫外线消毒灯，样本处理完成后进行一定时间的紫外线照射，具体照射时间须由实验采集的病毒以及样本确定，无样本处理情况下全程开启。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。