手持式poct流式基因分析系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于體外分子診斷技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種手持式POCT流式基因分析系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]POCT(point of care testing) 一般稱(chēng)為即時(shí)檢驗(yàn)，是體外診斷(IVD)的一個(gè)細(xì)分行業(yè)，其憑借便捷、快速的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)在患者身邊快速取得診斷結(jié)果，成為近年來(lái)快速發(fā)展的一個(gè)新興領(lǐng)域。目前正在發(fā)展的POCT依據(jù)其技術(shù)特性主要?jiǎng)澐譃槿?以快速診斷試紙(如血糖試紙條、早孕試紙條等)為基礎(chǔ)的第一代P0CT，以卡盒式核酸擴(kuò)增為基礎(chǔ)的第二代P0CT，以智能手機(jī)的應(yīng)用為基礎(chǔ)的第三代P0CT。相比于前兩代P0CT，第三代POCT由于其具備高靈敏、高特異的多參數(shù)定量檢測(cè)能力和更加集成便攜、操作簡(jiǎn)便、用戶(hù)友好等諸多潛在優(yōu)勢(shì)，已成為體外即時(shí)檢測(cè)領(lǐng)域的最前沿技術(shù)。
[0003]在第三代POCT基因分析類(lèi)儀器中，普遍采用基于微流控技術(shù)的核酸擴(kuò)增方法作為核心技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)具備上述特征的快速分子診斷。然而，目前發(fā)展中的這類(lèi)POCT基因分析系統(tǒng)包括基于時(shí)域聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)類(lèi)的系統(tǒng)和基于等溫?cái)U(kuò)增類(lèi)的系統(tǒng)，由于其各自技術(shù)的固有特點(diǎn)，兩類(lèi)技術(shù)均存在著一些制約瓶頸。時(shí)域PCR類(lèi):其實(shí)質(zhì)相當(dāng)于傳統(tǒng)熱循環(huán)儀的微型化，其熱循環(huán)需要精確重復(fù)的升或降溫而且熱元件(或結(jié)構(gòu))存在自身熱慣性，這些因素通常會(huì)導(dǎo)致大量時(shí)間和能量消耗、溫度控制的復(fù)雜、成本的上升、熱設(shè)計(jì)上的笨重。等溫?cái)U(kuò)增類(lèi):一方面，其擴(kuò)增過(guò)程無(wú)需熱循環(huán)，其檢測(cè)的靈敏度、準(zhǔn)確性和可定量性極其依賴(lài)于擴(kuò)增過(guò)程在時(shí)間上的持續(xù)，通常只能針對(duì)具體樣品的反應(yīng)體系建立與之對(duì)應(yīng)的時(shí)間持續(xù)標(biāo)度，缺乏普適性，因而存在實(shí)際操作上的困難；另一方面，擴(kuò)增產(chǎn)物的可靠檢測(cè)比較困難，目前其擴(kuò)增產(chǎn)物主要依賴(lài)終點(diǎn)檢測(cè)(如電泳等)，雖然可以通過(guò)監(jiān)測(cè)擴(kuò)增過(guò)程中的熒光或溶液濁度等信號(hào)的累積來(lái)進(jìn)行定量檢測(cè)，但卻犧牲了其檢測(cè)的特異性，因?yàn)槿魏畏翘禺愋曰蚋缴偷漠a(chǎn)物也能累積上述檢測(cè)信號(hào)，因此這類(lèi)定量檢測(cè)存在假陽(yáng)性風(fēng)險(xiǎn)。作為一種微流控核酸擴(kuò)增新技術(shù)，空域PCR利用“空間交換時(shí)間”讓樣品反應(yīng)液反復(fù)通過(guò)兩或三個(gè)恒溫區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)PCR所需的熱循環(huán)，消除了精確反復(fù)升降溫的需求，避免了熱系統(tǒng)自身的熱滯，在熱循環(huán)速度、系統(tǒng)能耗、溫度控制和整體尺寸等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但目前基于該技術(shù)的基因分析裝置尚未達(dá)到面向POCT應(yīng)用階段，主要表現(xiàn)為:(I)集成度不足，仍然依賴(lài)笨重的離線設(shè)備和資源，如:泵源、溫度控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、臺(tái)式檢測(cè)器和電源等；(2)功能單一，大多僅具有核酸擴(kuò)增功能，缺乏關(guān)鍵性的在線分析能力包括實(shí)時(shí)定量檢測(cè)和產(chǎn)物鑒別。顯然，目前已發(fā)展的第三代POCT基因分析類(lèi)儀器仍存在一些不便和缺陷，亟待加以進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)。
[0004]為此，需要實(shí)用新型一種手持式POCT流式基因分析系統(tǒng)，克服現(xiàn)有POCT基因分析儀器在分析速度、多元與定量檢測(cè)、能源消耗、便攜性和操作簡(jiǎn)便等方面的缺陷與不足，使其秉承POCT理念，具有體積小巧便攜，操作簡(jiǎn)便直觀，可現(xiàn)場(chǎng)化使用、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且具備高速高靈敏高特異性擴(kuò)增、實(shí)時(shí)定量檢測(cè)、多元核酸鑒別和同時(shí)多批次樣品分析等能力，使之適用于更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的是:提供一種基于第三代POCT理念的體積小巧、便攜、操作簡(jiǎn)便的手持式POCT流式基因分析系統(tǒng)。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:
[0007]手持式POCT流式基因分析系統(tǒng)，包括:1.用于樣品擴(kuò)增且在上表面形成熒光檢測(cè)區(qū)的熱梯度微反應(yīng)器，2.用于激發(fā)樣品產(chǎn)生熒光并記錄熒光圖像的智能手機(jī)寬場(chǎng)熒光成像器，3.用于將樣品定量抽取至熱梯度微反應(yīng)器的微流體驅(qū)動(dòng)器，4.電源組件，5.與熱梯度微反應(yīng)器、智能手機(jī)寬場(chǎng)熒光成像器、微流體驅(qū)動(dòng)器、電源組件分別相接的電子控制系統(tǒng)，6.含絕熱底板的避光外殼；熱梯度微反應(yīng)器、微流體驅(qū)動(dòng)器、電源組件、電子控制系統(tǒng)均安裝在絕熱底板上，智能手機(jī)寬場(chǎng)熒光成像器位于熱梯度微反應(yīng)器的正上方。
[0008]進(jìn)一步，為了優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)，使得各部件排列緊湊，熱梯度微反應(yīng)器、電子控制系統(tǒng)、電源組件從左往右依次設(shè)置，微流體驅(qū)動(dòng)器位于熱梯度微反應(yīng)器的前方。
[0009]進(jìn)一步，對(duì)熱梯度反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì):
[0010]熱梯度微反應(yīng)器，包括發(fā)熱基底、微通道、加熱元件、溫度傳感器和供發(fā)熱基底散熱的散熱裝置；發(fā)熱基底包括實(shí)心柱體段和空心柱體段；空心柱體段的橫截面為開(kāi)口朝向?qū)嵭闹w段的U形，實(shí)心柱體段與U形開(kāi)口的一端相接且與U形開(kāi)口的另一端斷開(kāi)；微通道呈螺線管式纏繞在發(fā)熱基底外，螺線管的軸線與發(fā)熱基底的長(zhǎng)度方向一致；加熱元件和溫度傳感器安裝在實(shí)心柱體段內(nèi)。此處所說(shuō)的螺線管類(lèi)似螺紋形狀，區(qū)別在于其纏繞的母體形狀并非螺紋的圓柱形或圓錐形，而為發(fā)熱基底的柱體形。發(fā)熱基底為導(dǎo)熱系數(shù)適中的金屬材質(zhì)或其它具有線性熱導(dǎo)率的復(fù)合導(dǎo)熱材質(zhì)。采用這種結(jié)構(gòu)后，通過(guò)單個(gè)加熱元件配合溫度傳感器、散熱裝置有效控制發(fā)熱基底的溫度，從而在發(fā)熱基底表面形成解鏈溫度區(qū)間、退火/延伸溫度區(qū)間和延伸-解鏈線性熱梯度區(qū)間，且區(qū)間的大小、位置均可靈活調(diào)整能快速對(duì)微通道內(nèi)的反應(yīng)液樣品進(jìn)行擴(kuò)增，為后續(xù)熒光成像分析做準(zhǔn)備提供高密度的通道單元和大面積的成像視野。
[0011]實(shí)心柱體段與空心柱體段相連接的部位位于發(fā)熱基底的上端，實(shí)心柱體段與空心柱體段相斷開(kāi)的部位位于發(fā)熱基底的下端，實(shí)心柱體段位于發(fā)熱基底的左端，空心柱體段位于發(fā)熱基底的右端；實(shí)心柱體段的左端表面為半圓柱面，空心柱體段的右端表面也為半圓柱面，兩半圓柱面的半徑相同。采用這種結(jié)構(gòu)后，即發(fā)熱基底采用特殊的形狀，一方面便于微通道纏繞，另一方面能有效控制各區(qū)間的大小和位置。
[0012]發(fā)熱基底的外表面設(shè)有呈螺線管式分布的U形溝槽，微通道嵌入U(xiǎn)形溝槽中。采用這種結(jié)構(gòu)后，U形溝槽將微通道環(huán)繞，加速熱量的傳遞，熱量傳遞均勻；同時(shí)微通道依預(yù)先加工好的U形溝槽布置，纏繞方便。
[0013]空心柱體段的下端具有一個(gè)凸出塊；發(fā)熱基底通過(guò)凸出塊安裝在散熱裝置上。采用這種結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。
[0014]散熱裝置包括散熱片和朝向散熱片吹風(fēng)的微型渦輪風(fēng)扇；凸出塊安裝在散熱片的上端。采用這種結(jié)構(gòu)后，散熱片配合微型渦輪風(fēng)扇散熱，操作簡(jiǎn)單，散熱可靠；調(diào)節(jié)風(fēng)扇的功率即可調(diào)整散熱量的大小。
[0015]凸出塊為立方體形；凸出塊與發(fā)熱基底為一體制作成型，發(fā)熱基底的U型溝槽沿螺線管方向貫穿凸出塊，凸出塊的下端平面緊貼散熱片的上端。采用這種結(jié)構(gòu)后，凸出塊與發(fā)熱基底一體制作成型，兩者之間留有U形溝槽，安裝微通道時(shí)只需穿過(guò)U形溝槽即可。
[0016]實(shí)心柱體段的長(zhǎng)度大于空心柱體段的長(zhǎng)度；實(shí)心柱體段的前端與空心柱體段的前端對(duì)齊，實(shí)心柱體段的后端凸出于空心柱體段的后端。采用這種結(jié)構(gòu)后，實(shí)心柱體段凸出于空心柱體段的一段形成圓柱區(qū)，其余的發(fā)熱基底形成扁平區(qū)，即可將PCR預(yù)變性區(qū)控制在圓柱區(qū)處。
[0017]實(shí)心柱體段內(nèi)開(kāi)設(shè)沿著實(shí)心柱體段的長(zhǎng)度方向延伸的圓形通孔，實(shí)心柱體段內(nèi)還開(kāi)設(shè)沿著實(shí)心柱體段的長(zhǎng)度方向延伸的插孔；加熱元件為電加熱棒，安裝在圓形通孔內(nèi)；溫度傳感器安裝在插孔內(nèi)。優(yōu)選的，電加熱棒位于實(shí)心柱體段的半圓柱面的中心軸線上。采用這種結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，加熱元件可對(duì)發(fā)熱基底進(jìn)行均勻加熱，溫度易于控制。
[0018]微通道為透明毛細(xì)管。采用這種結(jié)構(gòu)后，便于微通道內(nèi)的反應(yīng)液進(jìn)行熒光的激發(fā)與成像。
[0019]微通道呈螺線管式纏繞至實(shí)心柱體段的后端，微通道位于后端的一端為進(jìn)樣口。采用這種結(jié)構(gòu)后，可將PCR預(yù)變性區(qū)控制在圓柱區(qū)處。
[0020]進(jìn)一步，對(duì)智能手機(jī)寬場(chǎng)熒光成像器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì):
[0021]智能手機(jī)寬場(chǎng)熒光成像器，包括:1.帶有攝像頭的智能手機(jī)，2.出射光可激發(fā)熒光的熒光激發(fā)光源，3.使得熒光激發(fā)光源的出射光垂直轉(zhuǎn)向并且使得被激發(fā)的熒光沿?zé)晒獾脑瓊鞑シ较虼┻^(guò)的二向色性濾光片，4.光闌，5.發(fā)射濾片；攝像頭、發(fā)射濾片、二向色性濾光片、光闌從上往下依次設(shè)置；發(fā)射濾片、光闌相互平行，且均與二向色性濾光片成45度角；熒光激發(fā)光源的出射光與二向色性濾光片成45度角。采用這種結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，可應(yīng)用于手持式便攜設(shè)備。
[0022]熒光激發(fā)光源包括沿著光的傳播方向依次設(shè)置的LED燈、聚光透鏡、激發(fā)濾片。采用這種結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可發(fā)出能夠激發(fā)熒光的特定波長(zhǎng)的光線。
[0023]LED燈為L(zhǎng)ED面光源。采用這種結(jié)構(gòu)后，在特定激發(fā)面上形成光強(qiáng)足夠強(qiáng)、照射面積足夠大、光強(qiáng)分布足夠均勻的激發(fā)光斑，避免分立多個(gè)LED組合激發(fā)光源(如環(huán)形LED陣列光源)而帶來(lái)的因LED位置、發(fā)光效率以及工作狀態(tài)等差異造成激發(fā)光斑光強(qiáng)分布的不均勻與不可控。
[0024]熒光激發(fā)光源包括LED燈散熱底座；該LED燈散熱底座與LED燈的背面相接，LED燈的正面發(fā)光。采用這種結(jié)構(gòu)后，可對(duì)LED燈及時(shí)散熱，保證LED燈發(fā)光效率與使用壽命。
[0025]智能手機(jī)寬場(chǎng)熒光成像器，還包括一個(gè)安裝暗盒；發(fā)射濾片、二向色性濾光片、激發(fā)濾片、聚光透鏡均設(shè)置在安裝暗盒內(nèi)，攝像頭位于安裝暗盒的上方，光闌位于安裝暗盒的下方。采用這種結(jié)構(gòu)后，安裝暗盒能保證熒光激發(fā)光源的出射光和被激發(fā)的熒光順利通過(guò)，隔離除熒光激發(fā)光源的出射光和被激發(fā)的熒光外的干擾光線，提高熒光成像的信噪比，保證檢測(cè)結(jié)果的靈敏性和準(zhǔn)確度。
[0026]安裝暗盒采用遮光材料或安裝暗盒的內(nèi)壁設(shè)有遮光涂層。采用這種結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便。
[002