移动式病原微生物质谱检测实验室的制作方法

1.本发明涉及一种移动式病原微生物快速检测实验室。特别是涉及一种针对突发急性传染病防控作业的质谱检测的车载实验室。


背景技术：

2.近年来，由于自然生态环境变化、生态系统失衡及环境质量下降等因素，使全球新发突发急性传染病的发生机会呈现上升的趋势。我国传染病发病态势严峻，结核病、血吸虫病患者总数居高不下，部分血吸虫病地区输入性病例呈上升趋势，sars、禽流感、猪链球菌、甲型h1n1流感等新发传染病不断出现、流行，登革热、疟疾等境外输入的传染病，出现局部流行。
3.为了预防新型冠状病毒肺炎的发生和流行，迅速采取措施，有效控制疫情的发展蔓延，新型冠状病毒肺炎的快速检测尤为重要。
4.长期以来，对冠状病毒的鉴定都采用传统的微生物学检测方法，即形态学、生理生化特征及血清学鉴定。此方法虽然准确度高，但所需时间太长，最快也要十几个小时才能完成，难以适应快速检测的要求。以多重pcr为基础的核酸检测方法，对冠状病毒的早期诊断和传染源的发现具有重要意义。并且多重pcr检测针对多个基因，假阴性率比单重pcr降低，然而，pcr检测方法也存在检测过程繁琐、成本较高、检测高通量有限。
5.基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(matrix-assisted laser desorption/ionizationtime-of-flight mass spectrometry，简称maldi-tofms)技术，是20世纪80年代末问世并迅速发展起来的一种质谱分析技术。其质量分析器是一个离子漂移管(ion dirft tube)，由离子源产生的离子首先被收集，在收集器中所有离子速度变为0，使用一个脉冲电场加速后进入无场漂移管，并以恒定速度飞向离子接收器，离子质量越大，到达接收器所用时间越长；离子质量越小，到达接收器所用时间越短。根据这一原理，可以把不同质量的离子按质荷比大小进行分离，准确检测多肽、蛋白质、核酸、多糖等生物大分子的分子质量和纯度，具有准确性高、灵活性强、通量大、检测周期短、性价比高的优点。
6.近年来，已经出现质谱技术来检测核酸和蛋白质领域，其中质谱技术应用于核酸检测领域的理论基础在于，组成遗传物质dna的基本单元——四种核苷酸之间存在质量差异，如 ddamp、ddcmp、ddgmp、ddtmp的分子量依次为271.2da、247.2da、287.2da、327.1da (其中ddtmp是经过修饰的)，它们之间的最小分子量差异在16da，完全可以通过质谱进行分辨。使用质谱能够对碱基突变或多态位点(snp)、插入/缺失(indel)、甲基化位点、基因定量、拷贝数变化(copy number variation，cnv)等多种dna变化类型进行检测。
7.已有一些公开文献使用质谱技术对致病菌和病毒进行分类和鉴定，例如，中国专利申请 cn102337223a，“产黄青霉抗真菌蛋白pc-arctin及其制备方法”，公开了一种检测产黄青霉抗真菌蛋白pc-arctin的maldi-tof鉴定方法，其中从平板上挑取产黄青霉a096孢子接种于 sgy液体培养基培养，预处理得到粗蛋白溶液在色谱柱上分离纯化，并在羧甲基阳离子交换色谱柱上分离纯化，收集各洗脱组分，各组分离心超滤浓缩至所需体积，以宛氏
拟青霉为敏感受试指示菌，追踪抗真菌活性组分，确定的活性成分判断获得蛋白的纯度；割取sds-page 电泳图上的单一条带，进行maldi-tof鉴定。
8.中国专利申请201110154723、“malditofms辅助鉴定单增李斯特氏菌的方法”和 201110154469、“malditofms辅助鉴定霍乱弧菌的方法”公开了一种利用malditofms技术辅助鉴定细菌的方法，包括：预处理细菌培养物，采集所有菌株样品的malditofms图谱，根据软件制备细菌标准图谱，使用相同的方法检测并采集待测细菌的图谱，以及比较二者图谱，根据匹配分数进行判定。
9.本发明人提交的在先中国专利申请201210272533.6“建立幽门螺杆菌核酸指纹图谱的方法及其产品”，公开了一种基于质谱技术快速鉴定幽门螺杆菌的方法，包括pcr扩增、sap 酶消化、转录和核酸酶切、纯化、质谱仪检测等步骤。该方法利用飞行时间质谱技术，对分子量和丰度各异的核酸片段进行检测，并形成谱图。
10.本发明人提交的另一在先中国专利申请201810005235.8、“质谱鉴定霍乱弧菌分型的方法及产品”，公开了一种基于质谱技术快速鉴定霍乱弧菌的方法，包括pcr扩增、sap酶消化、转录和核酸酶切、纯化、质谱仪检测等步骤。该方法利用飞行时间质谱技术，对分子量和丰度各异的核酸片段进行检测，并形成谱图，能够对环境卫生、食品生产、进出口检验检疫过程中的霍乱弧菌进行鉴定，有效维护公共卫生安全。
11.本发明人提交的在先中国专利申请202010080128.9、“质谱法检测新型冠状病毒肺炎的方法及其产品”，公开了一种基于质谱技术快速鉴定新冠病毒及其他呼吸道病毒的方法及其产品，该发明能将多重pcr和maldi-tof ms相结合用于临床病原微生物鉴定，不仅快速、简便，还易观察、直观、准确性高。
12.然而，以上发明均只能在固定实验室中进行检测，而对于异地疫情，只能依靠当地采集样品后长途送往实验室中进行检测，转送时间过长，不利于疾病的鉴定和防控。因此，注重传染病现场检测装备的发展，尤其是传染病机动检测平台发展迅速。例如，美国奥兰德公司研制了一种模块化二级生物安全移动实验室，能够开展sars、霍乱、疟疾等严重传染病的样本采集、监测、确认和诊断以及快速检测。美国pierce公司研制了一种能完全自我保障的移动式生物检测实验室，主要由二级生物安全实验室和三级生物安全实验室组成，具有部署快速、适应性广等特点，能够实施连续的采样和分析。德国慕尼黑微生物学研究所研制了一种小型野外移动实验室，主要应用实时定量pcr等设备进行急诊传染病例的检测。此外，加拿大、法国、日本等其他国家均研发和配备了类似的移动实验室装备。
13.然而，以上移动实验室均是涉及传统pcr或免疫学检测领域，现有技术中并未报道涉及能够快速检测传染病微生物病原体的质谱检测的移动实验室。
14.作为最接近的现有技术，wo2011/079202、发明名称“用于便携式质谱分析的设备和方法”公开了用于便携式质谱分析的方法和设备。该设备包括至少一个电离分析物源、至少一个频率扫描子系统、至少一个检测器以及任选地包括至少一个真空泵，并且所述设备为便携式的。其中，所述设备包括多个电离分析物源和/或设定为获得大分析物的质谱以及小分子分析物的质谱。然而，该发明仅仅是一种便携式小型质谱仪器，只能对预先纯化和pcr 扩增后的样品进行处理，无法具有移动实验室的功能，即具有样品采集、提取纯化、pcr扩增、核酸质谱、分析结果等综合性功能。
15.因此，目前需要一种能够快速检测传染病微生物病原体的质谱检测的移动实验
室。


技术实现要素：

16.本发明提供一种能够快速检测传染病微生物病原体的质谱检测的车载式移动实验室，其该实验室空间按照车尾至车头方向或实验操作顺序，依次设置三个试验区：第一区为试剂存储和准备区，第二区为标本制备区，第三区为检验区，其中：
17.(1)三个试验区为各自隔离的独立空间，各区均为独立的负压排风设计和消毒设计，使得车内气压低于外界大气压，空压只能由车外流向车内，而且消毒设计还能将车内的空气进行无害化处理后排出，以防止试验区的微生物病原体传播到车外；
18.(2)三个区域设置独立送风过滤系统，送风管道和负压排风管道均设置独立电控密闭阀，实现各区域内部的压力梯度调节与控制；
19.(3)三个试验区均为独立的空调设计，以避免空气混合流动，导致病原体传播；
20.(4)三个试验区彼此之间不设置人员通行通道，只设置物品交换的传递窗，以防止病原体或污染物的传播扩散；
21.在一个实施方案中，实验室的气压大小依次为第一区>第二区>第三区，以防止第三区中暴露的病原体样品在空气中逆流传播至第一区。在一个具体实施方案中，第一区气压为0 至-20pa，第二区气压为-20pa，第三区气压为-30pa。
22.在一个实施方案中，第一区和第二区均设有操作工作台、试剂存储室或冷藏仪、仪器设备间以及生物安全柜，其中生物安全柜的作用防止实验操作处理过程中某些含有危险性或未知性生物微粒发生气溶胶散逸；其中，第一区通过传递窗直接与第二区的工作台相连，第二区通过传递窗直接与第三区的工作台相连。在一个具体实施方案中，第一区与第二区的传递窗，以及第二区与第三的传递窗不在同一中轴线方向，这种错开的排列方式，可防止相邻区域的工作台在试验过程中，因打开传递窗后出现空气或气溶胶的快速流动而导致工作台的污染。在优选的实施方案中，传递窗为两侧可自动升降屏蔽玻璃门或金属门的独立无菌室或空间，下面设有自动传送带。当试剂或样品放在第一区或第二区传递窗外的轨道上，按下传送按钮，屏蔽门升起，轨道将试剂或样品传送到独立无菌室，然后操作者在第二区或第三区的另一端按下传送按钮，轨道将试剂或样品传送到第二区或第三区的工作台。
23.在一个具体实施方案中，操作工作台和仪器设备间均为双层或多层设置，以便摆放使用仪器。在另一具体实施方案中，所述冷藏仪是低温冰箱。
24.在一个实施方案中，第一区还设有涡旋振荡器、便携式离心机。
25.在一个实施方案中，第二区还设有恒温金属浴、多用途旋转摇床、高速离心机、紫外分光光度仪、立式压力蒸汽灭菌锅、恒温培养箱、涡旋振荡器、co2培养箱。
26.在一个实施方案中，第三区设有操作工作台、仪器设备间、恒温培养箱、立式压力蒸汽灭菌锅以及maldi-tof ms质谱仪，其中操作工作台为双层或多层设置，内设有荧光定量pcr 仪、c02培养箱、基因扩增仪、电热鼓风干燥箱、涡旋振荡器。在一个具体实施方案中，第二区通过传递窗直接与第三区的工作台相连。在另一具体实施方案中，所述maldi-tof ms 质谱仪是发明人研制的clin-tof-ii质谱仪。在其他具体实施方案中，所述maldi-tof ms质谱仪或clin-tof-ii质谱仪与分析电脑相连。
27.在上述任一实施方案中，在进入第一区之前，还设有准备区缓冲间，按照进入通道顺序依次设有更衣柜、消毒池。在一个具体实施方案中，第二区和第三区分别设有与准备区缓冲间的人员通道。
28.在上述任一实施方案中，各试验区均设有消防装置和紫外灯消毒装置。
29.在上述任一实施方案中，各试验区均设有与控制电脑相连的空气检测探头和报警灯，该检测探头可检测车内空气中高浓度的异常物质并触发报警灯。在一个具体实施方案中，所述检测探头可检测化学试剂。在另一具体实施方案中，所述检测探头可检测病原体微生物。
30.在上述任一实施方案中，各试验区均设有与控制电脑相连的摄像头，以便随时监控各试验区发生的异常情况。
31.在上述任一实施方案中，所述车载式移动实验室为独立的车厢设计，可根据承载车辆大小构建适宜大小的实验室，其中实验室长度为7.0-10.0米、宽度为3.5-5.0米、高度为2.0-4.0 米。
32.技术效果
33.1、本发明的快速检测传染病微生物病原体的质谱检测的车载式移动实验室或移动车，涵盖传染病生物样本采集、处理、检测及勤务保障等多个环节，以车载、便携、手持等多种形式实施突发急性传染病防控装备保障，可为疫区切断病原体传播途径，防止疫情进一步蔓延提供有力的装备支持。
34.2、本发明各个试验区设置独立的负压排风设计和消毒设计，并且实验室的气压大小依次为第一区>第二区>第三区，即可防止车内病原体向外传播，同时以防止第三区中暴露的病原体样品在空气中逆流传播至第一区。
35.3、为了完成物品传送且防止污染，本发明在各个试验区之间设有物品传递窗而不设置人员通道，该传递窗可以防止不同试剂区的操作者的直接接触，同时在无菌室中进行无菌或消毒处理，以防止污染物被带入下一试验区。
36.4、本发明创造性将各试验区的传递窗不设置在同一中轴线方向，这种错开的排列方式，可防止相邻区域的工作台在试验过程中，因打开传递窗后出现空气或气溶胶的快速流动而导致工作台的污染。
37.5、本发明的应用还将会消除社会民众对该传染病的恐惧心理，有效降低由于接触传染病病人造成感染的机率，具有十分明显的社会效益。
38.6、本发明首次提出移动式质谱检测车载实验室，填补了国内科研空白。
附图说明
39.图1是移动式质谱实验室的平面设计图。
40.图2是移动式质谱实验室的产品实物图。
41.图3是实验人员的现场操作图。
具体实施方式
42.下面结合实施例和附图对本发明的突发急性传染病防控队装备系统做出详细说明。
43.如图1所示，该移动实验室长9.35米，宽4.13米，整体呈t字型或两个长度不一的叠加矩形，其中第一区、第二区和第三区具有相同中轴线的矩形空间，在该矩形空间的一侧平行设有长度较短的矩形空间，以作为准备区缓冲间和第一区部分空间。
44.准备区缓冲间入口通常设在靠近车头端，长3.88米，宽1.8米，与折叠式登车梯相连。实验者进入准备区后，更换操作服以及消毒后，即进入试剂准备区(第一区)。
45.试剂准备区(第一区)通常设在车尾端，其有部分空间作为与准备区缓冲间的连接空间。该连接空间长约1670mm，宽约1492mm，可设有操作工作台。该连接空间的上方空间为设备间、冷藏冰箱、生物安全柜，常压为0pa、室温环境。
46.第一区的连接空间和上方空间可以是等长空间。当为不等长空间时，连接空间或上方空间在车尾方向呈现为突出端。
47.在第一区中的设备间可放置常用的仪器，如瞬时离心机，振荡器，微量加样器 (0.1-1000ul)1套、带滤芯吸头，1.5ml离心管，pe手套，乳胶手套，垃圾桶，专用工作服和工作鞋，专用办公用品(签字笔)等。
48.操作者可以工作台进行进行试剂贮存及制备、试剂的分装和反应试剂混液，以及离心管、吸头等消耗品的贮存和准备。
49.对于易于发生气溶胶散逸的危险性或未知性生物微粒试剂进行处理时，操纵者则在生物安全柜中将陆续操作，以防止有害试剂的扩散。
50.在相对于生物安全柜的另一侧，设有传递窗，传递窗为两侧可自动升降屏蔽玻璃门或金属门的独立无菌室或空间，下面设有自动传送带。当试剂或样品放在第一区传递窗外的轨道上，按下传送按钮，屏蔽门升起，轨道将试剂或样品传送到独立无菌室，然后操作者在第二区的另一端按下传送按钮，轨道将试剂或样品传送到第二区的工作台。这样可以防止不同试剂区的操作者的直接接触，同时在无菌室中进行无菌或消毒处理，以防止污染物被带入第二区。
51.在准备区缓冲间的水平上方设有第二区(标本制备区)。第二区长约2930mm，宽约 2300mm，其在传递窗位置设有工作台，可摆放高速离心机、瞬时离心机、板式离心机、振荡器，以及常用试验工具(如微量加样器(0.1-1000ul)1套，nanaodrop,金属浴，带滤芯吸头，1.5ml离心管，pe手套，乳胶手套、可移动紫外灯等)。
52.第二区同样设有生物安全柜和冷藏设备，以及与第三区进行传送物品的传递窗。其中相对于第一区与第二区的传递窗的水平方向，第二区与第三的传递窗不在同一中轴线方向，这种错开的排列方式，可防止相邻区域的工作台在试验过程中，因打开传递窗后出现空气或气溶胶的快速流动而导致工作台的污染。
53.在第二区的工作台一侧，设有与缓冲间相通的出入门，以便于操作着从缓冲间而不是第一区进入第二区。
54.第三区与第二区进行传送物品的传递窗的一侧，设有操作工作台，可摆放核酸扩增仪或荧光定量pcr仪以及常用试验工具(如微量加样器(0.1-1000ul)1套，nanaodrop,金属浴，带滤芯吸头，1.5ml离心管，pe手套，乳胶手套、可移动紫外灯等)。
55.在第三区靠近车头方向设有clin-tof-ii激光质谱仪、恒温培养仪器。在第三区的一端还设有设备间，用于储藏试验仪器。
56.在第三区的工作台的相对一侧，设有与缓冲间相通的出入门，以便于操作着从缓
冲间而不是第二区进入第三区。
57.在第一、二、三区均设有空气检测探头和报警灯，该检测探头可检测车内空气中高浓度的异常物质并触发报警灯。所述检测探头可检测化学试剂，或者可检测病原体微生物。
58.如图2所示为车载式质谱检测的车载实验室。操作者已经将车载实验室停放在指定位置，并进行检测准备。
59.如图3所示为车载摄像头所拍摄的完成准备的操作者进入试验区进行检测。其中，
60.在第一区中，所有的试剂和相关试剂准备消耗品应直接运送到试剂准备区，不能直接通过出入门经过扩增区。
61.在第二区中，在准备待测核酸样品时，当加入待测核酸后要马上盖上盖子。对具有潜在传染性的危险材料要在生物安全柜中操作，并有明确的样本灭活程序(高压灭菌法)。
62.在第三区中，本区是最主要的扩增产物污染来源，因此必须注意避免通过本区扩增产物带出。该区产生的废液和废物必须放在现配置的1％84消毒液进行无害处理。