手持式poct流式基因分析系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于体外分子诊断技术领域，特别涉及一种手持式POCT流式基因分析系统。
【背景技术】
[0002]POCT(point of care testing) 一般称为即时检验，是体外诊断(IVD)的一个细分行业，其凭借便捷、快速的优势，可实现在患者身边快速取得诊断结果，成为近年来快速发展的一个新兴领域。目前正在发展的POCT依据其技术特性主要划分为三代:以快速诊断试纸(如血糖试纸条、早孕试纸条等)为基础的第一代P0CT，以卡盒式核酸扩增为基础的第二代P0CT，以智能手机的应用为基础的第三代P0CT。相比于前两代P0CT，第三代POCT由于其具备高灵敏、高特异的多参数定量检测能力和更加集成便携、操作简便、用户友好等诸多潜在优势，已成为体外即时检测领域的最前沿技术。
[0003]在第三代POCT基因分析类仪器中，普遍采用基于微流控技术的核酸扩增方法作为核心技术来实现具备上述特征的快速分子诊断。然而，目前发展中的这类POCT基因分析系统包括基于时域聚合酶链式反应(PCR)类的系统和基于等温扩增类的系统，由于其各自技术的固有特点，两类技术均存在着一些制约瓶颈。时域PCR类:其实质相当于传统热循环仪的微型化，其热循环需要精确重复的升或降温而且热元件(或结构)存在自身热惯性，这些因素通常会导致大量时间和能量消耗、温度控制的复杂、成本的上升、热设计上的笨重。等温扩增类:一方面，其扩增过程无需热循环，其检测的灵敏度、准确性和可定量性极其依赖于扩增过程在时间上的持续，通常只能针对具体样品的反应体系建立与之对应的时间持续标度，缺乏普适性，因而存在实际操作上的困难；另一方面，扩增产物的可靠检测比较困难，目前其扩增产物主要依赖终点检测(如电泳等)，虽然可以通过监测扩增过程中的荧光或溶液浊度等信号的累积来进行定量检测，但却牺牲了其检测的特异性，因为任何非特异性或附生型的产物也能累积上述检测信号，因此这类定量检测存在假阳性风险。作为一种微流控核酸扩增新技术，空域PCR利用“空间交换时间”让样品反应液反复通过两或三个恒温区来实现PCR所需的热循环，消除了精确反复升降温的需求，避免了热系统自身的热滞，在热循环速度、系统能耗、温度控制和整体尺寸等方面具有显著优势，但目前基于该技术的基因分析装置尚未达到面向POCT应用阶段，主要表现为:(I)集成度不足，仍然依赖笨重的离线设备和资源，如:泵源、温度控制系统、计算机、台式检测器和电源等；(2)功能单一，大多仅具有核酸扩增功能，缺乏关键性的在线分析能力包括实时定量检测和产物鉴别。显然，目前已发展的第三代POCT基因分析类仪器仍存在一些不便和缺陷，亟待加以进一步发展和改进。
[0004]为此，需要发明一种手持式POCT流式基因分析系统，克服现有POCT基因分析仪器在分析速度、多元与定量检测、能源消耗、便携性和操作简便等方面的缺陷与不足，使其秉承POCT理念，具有体积小巧便携，操作简便直观，可现场化使用、成本低等优点，并且具备高速高灵敏高特异性扩增、实时定量检测、多元核酸鉴别和同时多批次样品分析等能力，使之适用于更广泛的应用场合。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是:提供一种基于第三代POCT理念的体积小巧、便携、操作简便的手持式POCT流式基因分析系统。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]手持式POCT流式基因分析系统，包括:1.用于样品扩增且在上表面形成荧光检测区的热梯度微反应器，2.用于激发样品产生荧光并记录荧光图像的智能手机宽场荧光成像器，3.用于将样品定量抽取至热梯度微反应器的微流体驱动器，4.电源组件，5.与热梯度微反应器、智能手机宽场荧光成像器、微流体驱动器、电源组件分别相接的电子控制系统，6.含绝热底板的避光外壳；热梯度微反应器、微流体驱动器、电源组件、电子控制系统均安装在绝热底板上，智能手机宽场荧光成像器位于热梯度微反应器的正上方。
[0008]进一步，为了优化整体结构，使得各部件排列紧凑，热梯度微反应器、电子控制系统、电源组件从左往右依次设置，微流体驱动器位于热梯度微反应器的前方。
[0009]进一步，对热梯度反应器的结构进行优化设计:
[0010]热梯度微反应器，包括发热基底、微通道、加热元件、温度传感器和供发热基底散热的散热装置；发热基底包括实心柱体段和空心柱体段；空心柱体段的横截面为开口朝向实心柱体段的U形，实心柱体段与U形开口的一端相接且与U形开口的另一端断开；微通道呈螺线管式缠绕在发热基底外，螺线管的轴线与发热基底的长度方向一致；加热元件和温度传感器安装在实心柱体段内。此处所说的螺线管类似螺纹形状，区别在于其缠绕的母体形状并非螺纹的圆柱形或圆锥形，而为发热基底的柱体形。发热基底为导热系数适中的金属材质或其它具有线性热导率的复合导热材质。采用这种结构后，通过单个加热元件配合温度传感器、散热装置有效控制发热基底的温度，从而在发热基底表面形成解链温度区间、退火/延伸温度区间和延伸-解链线性热梯度区间，且区间的大小、位置均可灵活调整能快速对微通道内的反应液样品进行扩增，为后续荧光成像分析做准备提供高密度的通道单元和大面积的成像视野。
[0011]实心柱体段与空心柱体段相连接的部位位于发热基底的上端，实心柱体段与空心柱体段相断开的部位位于发热基底的下端，实心柱体段位于发热基底的左端，空心柱体段位于发热基底的右端；实心柱体段的左端表面为半圆柱面，空心柱体段的右端表面也为半圆柱面，两半圆柱面的半径相同。采用这种结构后，即发热基底采用特殊的形状，一方面便于微通道缠绕，另一方面能有效控制各区间的大小和位置。
[0012]发热基底的外表面设有呈螺线管式分布的U形沟槽，微通道嵌入U形沟槽中。采用这种结构后，U形沟槽将微通道环绕，加速热量的传递，热量传递均匀；同时微通道依预先加工好的U形沟槽布置，缠绕方便。
[0013]空心柱体段的下端具有一个凸出块；发热基底通过凸出块安装在散热装置上。采用这种结构后，结构简单，安装方便。
[0014]散热装置包括散热片和朝向散热片吹风的微型涡轮风扇；凸出块安装在散热片的上端。采用这种结构后，散热片配合微型涡轮风扇散热，操作简单，散热可靠；调节风扇的功率即可调整散热量的大小。
[0015]凸出块为立方体形；凸出块与发热基底为一体制作成型，发热基底的U型沟槽沿螺线管方向贯穿凸出块，凸出块的下端平面紧贴散热片的上端。采用这种结构后，凸出块与发热基底一体制作成型，两者之间留有U形沟槽，安装微通道时只需穿过U形沟槽即可。
[0016]实心柱体段的长度大于空心柱体段的长度；实心柱体段的前端与空心柱体段的前端对齐，实心柱体段的后端凸出于空心柱体段的后端。采用这种结构后，实心柱体段凸出于空心柱体段的一段形成圆柱区，其余的发热基底形成扁平区，即可将PCR预变性区控制在圆柱区处。
[0017]实心柱体段内开设沿着实心柱体段的长度方向延伸的圆形通孔，实心柱体段内还开设沿着实心柱体段的长度方向延伸的插孔；加热元件为电加热棒，安装在圆形通孔内；温度传感器安装在插孔内。优选的，电加热棒位于实心柱体段的半圆柱面的中心轴线上。采用这种结构后，结构简单、安装方便，加热元件可对发热基底进行均匀加热，温度易于控制。
[0018]微通道为透明毛细管。采用这种结构后，便于微通道内的反应液进行荧光的激发与成像。
[0019]微通道呈螺线管式缠绕至实心柱体段的后端，微通道位于后端的一端为进样口。采用这种结构后，可将PCR预变性区控制在圆柱区处。
[0020]进一步，对智能手机宽场荧光成像器的结构进行优化设计:
[0021]智能手机宽场荧光成像器，包括:1.带有摄像头的智能手机，2.出射光可激发荧光的荧光激发光源，3.使得荧光激发光源的出射光垂直转向并且使得被激发的荧光沿荧光的原传播方向穿过的二向色性滤光片，4.光阑，5.发射滤片；摄像头、发射滤片、二向色性滤光片、光阑从上往下依次设置；发射滤片、光阑相互平行，且均与二向色性滤光片成45度角；荧光激发光源的出射光与二向色性滤光片成45度角。采用这种结构后，结构紧凑，体积小巧，可应用于手持式便携设备。
[0022]荧光激发光源包括沿着光的传播方向依次设置的LED灯、聚光透镜、激发滤片。采用这种结构后，结构简单，操作方便，可发出能够激发荧光的特定波长的光线。
[0023]LED灯为LED面光源。采用这种结构后，在特定激发面上形成光强足够强、照射面积足够大、光强分布足够均匀的激发光斑，避免分立多个LED组合激发光源(如环形LED阵列光源)而带来的因LED位置、发光效率以及工作状态等差异造成激发光斑光强分布的不均匀与不可控。
[0024]荧光激发光源包括LED灯散热底座；该LED灯散热底座与LED灯的背面相接，LED灯的正面发光。采用这种结构后，可对LED灯及时散热，保证LED灯发光效率与使用寿命。
[0025]智能手机宽场荧光成像器，还包括一个安装暗盒；发射滤片、二向色性滤光片、激发滤片、聚光透镜均设置在安装暗盒内，摄像头位于安装暗盒的上方，光阑位于安装暗盒的下方。采用这种结构后，安装暗盒能保证荧光激发光源的出射光和被激发的荧光顺利通过，隔离除荧光激发光源的出射光和被激发的荧光外的干扰光线，提高荧光成像的信噪比，保证检测结果的灵敏性和准确度。
[0026]安装暗盒采用遮光材料或安装暗盒的内壁设有遮光涂层。采用这种结构后，结构简单，制作方便。
[0027]摄像头位