一种基于LAMP反应的便携式核酸检测装置

一种基于lamp反应的便携式核酸检测装置
技术领域
1.本实用新型涉及环介导等温扩增（lamp）技术领域，具体涉及一种基于lamp反应的便携式核酸检测装置。


背景技术：

2.核酸检测的物质是病毒的核酸，通过查找呼吸道标本、血液或粪便中是否存在入侵病毒的核酸，来确定是否被病毒感染。目前，核酸检测在疾病诊断、疫情防控、健康监测以及病毒检测等领域具有重要的应用，pcr仪器价格昂贵，且荧光定量pcr方法对人员的操作和检测仪器要求较高，无法满足基层卫生机构快速检测大量临床样本的要求。
3.而环介导等温扩增技术（loop-mediated isothermal amplification，lamp）可以很好的克服这些问题，仅需提供恒定温度即可完成扩增反应，目前常用金属浴和恒温水浴锅作为lamp反应的加热仪器。同时根据lamp反应的特性，反应结束后可以通过琼脂糖凝胶电泳、浊度等方法判断样本中是否含有病毒的核酸。但这两种结果判读方法均需要借助额外的仪器，琼脂糖凝胶电泳需要借助电泳仪，且容易产生气溶胶污染，影响后续检测的准确度；浊度检测法需要借助浊度仪进行结果判断。由于lamp检测从样本处理到结果判读需要使用多种仪器，且上述仪器体积较大且不方便携带，无法在现场检测、基层医疗机构、床边检验(point of care testing ,poct)等场景下使用。
4.因此，需要提供一种便携式的核酸检测装置，能够集合样本处理、反应扩增、结果判读于一体，不需要增加额外的设备，以解决以上现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，提出了本实用新型以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于lamp反应的便携式核酸检测装置，该装置包括加热模块、控制模块、检测模块和显示模块，加热模块包括第一加热单元和第二加热单元，第一加热单元用于对待测样本进行预处理，得到预处理样本，第二加热单元用于对预处理样本进行lamp反应，得到反应产物，检测模块包括紫外线灯，紫外线灯适于对反应产物进行荧光检测，得到荧光检测结果，控制模块用于对加热模块的加热温度和加热时间、紫外线灯进行控制，还用于对荧光检测结果进行判定得到判定结果。显示器用于实时显示加热模块的加热温度和加热时间，还用于显示荧光判定结果；
6.该装置集合样本处理、反应扩增、结果判读为一体，能够减小设备的体积，提高设备的便携性，且能够快速实时现场检测。
7.可选地，第一加热单元上设置有预处理操作口，用于放置待测样本的反应管；第二加热单元上设置有样本处理操作口，用于放置预处理样本的反应管；检测模块上设置有荧光检测操作口，用于放置反应产物的反应管。不同的操作程序设置相应的操作口，相互独立设置，可以防止反应管在检测过程中污染。
8.可选地，第一加热单元包括第一金属导热基板、第一加热元件和第一温度传感器，
第一加热元件设置在第一金属导热基板周围以形成第一加热腔，第一温度传感器适于测量第一加热腔的温度并实时反馈给控制模块。通过金属浴的方法对待测样本进行恒温控制，可以提高反应的效率。
9.可选地，第二加热单元包括第二金属导热基板、第二加热元件和第二温度传感器，第二加热元件设置在第二金属导热基板周围以形成第二加热腔，第二温度传感器适于测量第二加热腔的温度并实时反馈给控制模块。
10.可选地，该装置包括电源模块，用于为加热模块、控制模块和紫外线灯供电。
11.可选地，控制模块还可以包括电源管理单元，电源管理单元用于对电源模块的电压进行转换，为加热模块、检测模块和显示模块提供各自所需的电压
12.可选地，控制模块为微控制器芯片，包括温度控制单元、显示器控制单元、紫外线灯控制单元、定时器单元，
13.温度控制单元适于根据第一温度传感器的反馈控制第一加热腔保持第一加热温度，适于根据第二温度传感器的反馈控制第二加热腔保持第二加热温度；显示器控制单元用于控制显示器显示的内容；紫外线灯控制单元适于控制紫外线灯的开启或关闭；定时器单元适于按照预设的加热时间对第一加热元件的加热时间和第二加热元件的加热时间进行控制。
14.可选地，装置上还设置有荧光检测观察视窗、操作步骤指示灯、操作按键、电源开关和电源接口。操作步骤指示灯用于根据操作按键所执行的步骤相应地开启或关闭；电源开关用于控制装置上电；所述电源接口用于为所述电源模块提供外接电源。该装置可以实现可视化操作，且操作步骤可控制，增加了设备操作的灵活性。
15.根据本实用新型的方案，通过将样本检测过程中所需要的灭活、lamp反应、检测和结果判读等功能模块集成在便携式的核酸检测装置中，可以提高核酸检测的效率，能够快速现场实时检测，且该装置操作步骤和操作进程可视化，便于根据实际需要对操作步骤进行控制。
16.上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。
附图说明
17.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
18.图1示出了根据本实用新型的一个实施例的基于lamp反应的核酸检测装置100的结构框图；
19.图2示出了根据本实用新型的一个实施例的基于lamp反应的核酸检测装置100的俯视图；
20.图3示出了根据本实用新型的一个实施例的基于lamp反应的核酸检测装置100的后视图；
21.图4示出了根据本实用新型的一个实施例的基于lamp反应的核酸检测装置100的
内部结构图；
22.图5示出了根据本实用新型的一个实施例的控制模块120的电路示意图；
23.图6示出了根据本实用新型的一个实施例的基于lamp反应的核酸检测装置100的检测结果示意图。
24.具体实施方式。
25.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
26.现有的核酸检测设备一般体积较大，检测周期长，或者往往需要额外的设备才能完成核酸检测，无法满足疫情下对病毒检测设备便携性和检测快速性的要求。为了解决上述技术问题，本方案提供了一种基于lamp反应的便携式核酸检测装置。
27.图1示出了根据本发明一个实施例的基于lamp反应的便携式核酸检测装置100的结构示意图。如图1所示，该装置100可以包括加热模块110、控制模块120和检测模块130，其中加热模块110可以包括第一加热单元111和第二加热单元112，第一加热单元111可以对待测样本进行预处理，得到预处理样本。在本发明的一个实施例中，预处理指的是对待测样本的灭活处理，通过灭活处理可以使样本中可能存在的病毒失去感染性，可以采用物理加热方法进行灭活处理，因为绝大多数病毒无法承受较高的温度，可通过加热手段灭活病毒，对于不同的类型的病毒，加热温度和加热时间存在差异。第二加热单元112可以对预处理样本进行lamp环介导等温扩增反应，得到反应产物。由于lamp环介导等温扩增方法具有灵敏度高（比传统的pcr方法高2～5个数量级）、反应时间短、临床使用不需要特殊的仪器、操作简单（不论是dna还是rna，检测步骤都是需将反应液、酶和模板混合于反应管中，置于水浴锅或恒温箱中60
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65℃恒温扩增15-60分钟左右即可实现10^9～10^10倍的核酸扩增，肉眼观察结果）等优点，本方案基于lamp反应结果对待测样本进行核酸检测。其原理主要是基于靶基因3'和5'端的6个区域设计3对特异性引物，包括1对外引物、1对环状引物和1对内引物，3种特异引物依靠链置换bstdna聚合酶，使得链置换dna合成不停地自我循环，从而实现快速扩增。反应后可根据扩增副产物焦磷酸镁沉淀形成的浊度或者荧光染料判断扩增情况。
28.检测模块130包括紫外线灯131，用于对反应产物进行荧光检测，得到荧光检测结果。控制模块120可以是微控制器芯片，其包括温度控制单元520、显示器控制单元530、紫外线灯控制单元540、定时器单元550，微控制器芯片中可以预先存储各个单元的控制程序，可用于对加热模块110的加热温度和加热时间、紫外线灯131进行控制，还用于对荧光检测结果进行判定得到判定结果等。
29.该装置100还包括显示器140，显示器可以实时显示加热模块110的加热温度和加热时间，还用于显示荧光判定结果，例如显示判定结果为阳性或阴性，还可以显示该装置正在执行的步骤以及进程，方便操作者更加清楚操作流程，还可以显示一些提示信息，提示操作者需要执行的步骤等。
30.图2示出了根据本发明一个实施例的基于lamp反应的便携式核酸检测装置100的俯视结构图。如图2所示，第一加热单元111上可以设置预处理操作口，例如可以放置在第一加热单元111的中间位置，以便充分进行加热。该预处理操作口可用于放置待测样本的反应
管，反应管保持密封状态。同样地，第二加热单元112上设置有样本处理操作口，用于放置预处理样本的反应管。该装置100上还设置有荧光检测操作口，用于放置经lamp反应后的反应产物的反应管；荧光检测观察视窗，便于用户观察荧光反应结果。可以将发光波长为480nm波长（紫外线波长）的led阵列置于荧光检测观察视窗下，荧光检测观察视窗设置在荧光检测操作口的周围，将反应产物的反应管放在荧光检测操作口，即可直接观察到反应产物的荧光差异结果，即该反应产物的荧光显示结果与阴性对照样本的荧光显示结果的差异性。若反应产物的荧光强度与阴性对照组相近，即被检样品为阴性；若反应产物的荧光强度强于阴性对照组，即被检样品为阳性。如图2所示，该装置上设置有操作按键和操作指示灯，操作按键可以是触摸按键，可通过触摸操作按键依次进行样本灭活处理、lamp反应以及反应结果判定的步骤，或可以通过长按触摸操作按键跳过当前的反应步骤。操作步骤指示灯用于根据操作按键所执行的步骤相应地开启或关闭。例如，当执行样本灭活处理步骤时，对应的样本灭活处理指示灯亮起其他指示灯熄灭；当执行lamp反应步骤时，对应的lamp反应指示灯亮起，其他指示灯熄灭。
31.图3示出了根据本发明一个实施例的基于lamp反应的便携式核酸检测装置100的后视图。如图3所示，该装置100内部设置有电源模块，用于为加热模块、控制模块和紫外线灯等各种用电元件供电。电源模块可以是内置可充电电池，便于移动和携带。该装置100的后部设置有电源充电接口，用于为电源模块提供外接电源。该接口可以是usb充电接口或者type-c充电接口，本方案对此不做限定。该装置100的后部还设置有电源开关，可以是触摸屏开关或按键开关，该电源开关为总开关，用于控制装置上电。
32.图4示出了根据本发明一个实施例的基于lamp反应的便携式核酸检测装置100的内部结构示意图。如图4所示，第一加热单元111包括第一金属导热基板410、第一加热元件420和第一温度传感器430，第一加热元件420设置在第一金属导热基板410周围以形成第一加热腔，第一温度传感器430适于测量第一加热腔的温度并实时反馈给控制模块120。同样地，第二加热单元112可以包括第二金属导热基板440、第二加热元件450和第二温度传感器460，第二加热元件450设置在第二金属导热基板440周围以形成第二加热腔，第二温度传感器460适于测量第二加热腔的温度并实时反馈给控制模块120。也就是，第一加热单元和第二加热单元采用金属浴方法对反应管进行恒温加热，可根据反应管大小配备不同孔经的加热块,对反应管进行加热恒温。为了使加热块的温度均匀，可以采用高密度铝合金材料，保证优良的导热性。第一加热单元111和第二加热单元112内部的结构可以相同也可以不同，可以根据所要加热的温度和加热时间，对各自的内部结构进行适应性调整。
33.图5示出了根据本发明一个实施例的控制模块120的电路示意图。如图5所示，控制模块120可以是微控制器芯片，其包括温度控制单元、显示器控制单元、紫外线灯控制单元、定时器单元等控制组件。其中，微控制器芯片可以采用stc89c52rc或at89c52rc，其中stc89c52rc为增强型8051单片机，具有以下标准功能： 8k字节flash，512字节ram， 32 位i/o 口线，看门狗定时器，内置4kb eeprom，max810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构(兼容传统51的5向量2级中断结构)，全双工串行口。还可以选择其他型号的单片机，本方案对此不做限定。
34.温度控制单元可以根据第一温度传感器430的反馈控制第一加热腔保持第一加热温度，适于根据第二温度传感器460的反馈控制第二加热腔保持第二加热温度。例如，温度
控制单元可以根据第一温度传感器430和第二温度传感器460反馈的温度值，对第一加热元件420和第二加热元件450加热，使其各自加热到预设的温度。在本发明的一个实施例中，第一温度传感器430和第二温度传感器460可以使用ds18b20数字温度传感器，其输出的是数字信号可实时显示加热腔的温度，具有体积小、抗干扰能力强、精度高的特点。微控制器芯片可以根据数字温度传感器实时显示的温度，通过控制加热元件使第一加热腔保持在95摄氏度，使第二加热腔保持在65摄氏度。此外还需要对加热时间进行控制，定时器单元可以按照预设的加热时间对第一加热元件的加热时间和第二加热元件的加热时间进行控制。如图5所示，定时器单元有一个频率稳定的振荡源x1,通过集成电路分频计数,当将时间累加到预置数值时，或指示到预置的时刻处，定时器单元可以发送信号给微控制器芯片。紫外线灯控制单元适于控制紫外线灯131的开启或关闭。显示器控制单元用于控制lcd1液晶显示器显示的内容，微控制器芯片可以用来对透明电极上电位信号的相位、峰值、频率等进行调整与控制，建立起驱动电场，最终实现液晶的信息显示。此外，控制模块120还包括电源管理单元，电源管理单元用于为加热模块和检测模块提供所需的电压。如图5所示，d4、d5、d6为操作步骤指示灯，用于指示正在执行的操作步骤。此外，微控制器芯片还可以包括无线传输单元，能够将荧光检测结果或判定结果实时发送到远程终端，或者实时发送到外部打印设备进行打印等，需要说明的是，该设备具有可扩展接口，可以根据实际检测需要增加额外的功能模块。
35.该装置可以对病毒、细菌等微生物样本进行核酸检测。接下来以检测新型冠状病毒的实验为例，详细说明利用本方案所提供的装置进行核酸检测步骤。首先是对样本进行预处理：
36.将处理液加入样本后，将待检测样本放置在第一加热单元的预处理操作口，进行灭活处理，95℃加热3分钟，得到灭活裂解后的样本。
37.然后对灭活后的样本进行lamp反应：
38.将预处理后样本加入lamp反应液中混匀，将预处理样本放置在第二加热单元的样本处理操作口，进行lamp反应，反应温度为65℃，反应时间35分钟。
39.最后对反应后的样本进行荧光检测及结果判定：
40.将反应产物的反应管放入荧光检测操作口，若反应产物的荧光强度与阴性对照组相近，即被检样品为阴性；若反应产物的荧光强度强于阴性对照组，即被检样品为阳性。需要注意的是，在检测过程中待测样本的反应管始终是密封状态，防止气溶胶污染。
41.图6示出了根据本发明的一个实施例的荧光检测结果示意图。如图6所示，在荧光检测观察视窗下可以看到钙黄绿素（荧光指示剂）在紫外光下的检测结果，右侧阴性样本荧光较浅，左侧阳性样本为强烈的绿色荧光。
42.通过上述方案，通过将样本检测过程中所需要的灭活、lamp反应、检测和结果判读等功能模块集成在便携式的核酸检测装置中，可以提高核酸检测的效率，能够快速现场实时检测，且该装置操作步骤和操作进程可视化，便于根据实际需要对操作步骤进行控制，提高了设备操作的灵活性。
43.在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本实用新型的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
44.类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个实用新型方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，实用新型方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。
45.本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。
46.本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
47.此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本实用新型的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
48.此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该实用新型的目的的元素所执行的功能。
49.如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
50.尽管根据有限数量的实施例描述了本实用新型，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本实用新型的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本实用新型的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本实用新型的范围，对本实用新型所做的公开是说明性的而非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求书限定。