一体式便携核酸检测装置、检测系统和检测方法与流程

1.本发明属于核酸检测技术领域，尤其涉及一种集取样、分析、信号输出为一体且便携、快速的、避免交叉感染风险的一体式便携核酸检测装置及检测系统、检测方法。


背景技术：

2.目前新冠病毒的检测，其一般通过采集咽拭子或鼻拭子，即需要通过受过专业训练的医护人员采集待检测者的咽拭子或鼻拭子，通常通过定点采集的方式，待检测者一般要集中进行排队，采集咽拭子或鼻拭子后由实验室进行检测处理。现有技术中，核酸检测受限于复杂的样品采集、依赖场地、仪器和专业人员的检测过程，并存在交叉感染的风险。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供了一体式便携核酸检测装置、检测系统和检测方法，其不需要进行咽拭子或鼻拭子采样，检测装置集取样、分析、信号输出为一体，具有便携、快速、即时诊断等优点，且可以有效避免交叉感染的风险，安全可靠性佳。
4.本发明的技术方案是：一体式便携核酸检测装置，包括取样容器、连接于所述取样容器的吹气通道和设置于所述取样容器内的气体吸附及检测部件；
5.所述核酸检测装置还包括设置于所述气体吸附及检测部件或可进入所述取样容器内并附着于所述气体吸附及检测部件的病毒裂解剂；
6.所述核酸检测装置还包括设置于所述取样容器内或可进入所述取样容器内且用于进行病毒检测反应以使所述气体吸附及检测部件上可产生可测信号的缓冲溶液。
7.可选地，所述病毒裂解剂包被于所述气体吸附及检测部件内；
8.或者，所述病毒裂解剂位于所述气体吸附及检测部件表层或整层；
9.或者，所述取样容器连接有或内置有病毒裂解剂注入部件，所述病毒裂解剂预置于所述病毒裂解剂注入部件内且可通过所述病毒裂解剂注入部件输送至所述气体吸附及检测部件。
10.可选地，所述取样容器连接有或内置有缓冲溶液注入部件，所述缓冲溶液设置于所述缓冲溶液注入部件内且可通过所述缓冲溶液注入部件输送至所述气体吸附及检测部件。
11.可选地，所述缓冲溶液注入部件包括输送管和挤压开关部件，所述输送管的一端相接于或靠近于所述气体吸附及检测部件，所述挤压开关部件连接于所述输送管的另一端，所述缓冲溶液预置于所述输送管或/和所述挤压开关部件内；
12.所述挤压开关部件为具有弹性的塑胶囊或为活塞式注射筒；
13.所述输送管和所述挤压开关部件均设置于所述取样容器内，或，所述挤压开关部件位于所述取样容器外且所述输送管穿入所述取样容器。
14.可选地，所述气体吸附及检测部件为纸基吸附垫，所述气体吸附及检测部件具有可与病毒rna进行反应产生光学信号变化而形成荧光标识的试剂；且/或，
15.所述取样容器为塑胶袋体，且所述塑胶袋体至少在对应于所述气体吸附及检测部件处为透明区域。
16.可选地，所述气体吸附及检测部件具有集中吸附区和至少两个用于与不同病毒变异株进行检测反应的检测通道区，各所述检测通道区连接于所述集中吸附区；
17.所述检测通道区包括自集中吸附区向外依次设置的核酸信号放大区、反应区和废液区。
18.可选地，所述吹气通道为吹气管，所述吹气管呈直管状或扇形管状；且/或，所述吹气管设置有单向阀或/和密封盖。
19.可选地，所述取样容器为具有单容腔的塑胶袋体，且所述气体吸附及检测部件的一面贴附于所述塑胶袋体的其中一内侧壁；
20.或者，所述取样容器为具有至少两个容腔的塑胶袋体，且所述气体吸附及检测部件设置于其中一个所述容腔，所述缓冲溶液设置于另一个容腔且可随吹气气流附着于所述气体吸附及检测部件。
21.本发明还提供了核酸检测系统，包括上述的一体式便携核酸检测装置，还包括用于扫描所述气体吸附及检测部件上可测信号的扫描仪器。
22.本发明还提供了核酸检测方法，采用上述的一体式便携核酸检测装置或采用上述的核酸检测系统；
23.包括以下步骤：
24.待检测者通过吹气通道向取样容器内吹入设定量以上的气体；
25.取样容器内的气体吸附及检测部件吸附病毒；
26.缓冲溶液被输送至所述气体吸附及检测部件而启动检测反应，病毒裂解剂将气体吸附及检测部件上所吸附的病毒进行裂解后释放出核酸，核酸信号经放大，进行crispr/cas反应并可输出可测光学信号，通过检测是否出现光学信号而判断病毒是否存在。
27.本发明所提供的一体式便携核酸检测装置、检测系统和检测方法，一体式便携核酸检测装置集取样、分析、信号输出为一体，可以用作便携、快速的、理论上零交叉感染风险的核酸检测袋。检测方法将恒温扩增信号放大、crispr/cas生物传感、微流控纸基芯片(气体吸附及检测部件)、便携式荧光测试仪整合在一起，形成一个样品进
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信号出的高度集成的检测体系。为了将交叉感染风险降低，在一个密闭的塑料袋内就完成取样和检测，用便携式荧光检测仪扫描塑料袋内的气体吸附及检测部件，直接读出被检者是否有病毒感染，而且可以告知感染的是何种毒株，实现病毒多变异株的同时检测。能够实现不依赖于场地、人员、大型仪器的限制进行便捷、理论上零交叉感染风险的核酸检测，更重要的是，受试者不需要进行咽拭子或鼻拭子采样，仅仅通过呼出的气体便能够对新冠变异株进行实时高灵敏的监测，适合医院或社区防控呼吸道疾病，也适合个人感染情况的自检，应用前景佳。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是本发明实施例提供的一体式便携核酸检测装置的平面示意图；
30.图2是本发明实施例提供的一体式便携核酸检测装置中纸基吸附垫其中一种布置方案的平面示意图；
31.图3是本发明实施例提供的检测装置所采用的rpa检测原理示意图；
32.图4是本发明实施例提供的检测装置所采用的crispr/cas12a检测系统原理示意图；
33.图5是本发明实施例提供的核酸检测方法的过程示意图。
具体实施方式
34.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
35.需要说明的是，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接设置、连接，也可以通过居中元部件、居中结构间接设置、连接。
36.另外，本发明实施例中若有“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“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的用语，其为基于附图所示的方位或位置关系或常规放置状态或使用状态，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构、特征、装置或元件必须具有特定的方位或位置关系、也不是必须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。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
37.在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本发明中各个具体技术特征/实施例的各种可能的组合方式不再另行说明。
38.如图1和图2所示，本发明实施例提供的一体式便携核酸检测装置，可包括取样容器100、吹气通道200、气体吸附及检测部件300、病毒裂解剂(图中未示出)和缓冲溶液(缓冲剂，图中未示出)。
39.吹气通道200连接于所述取样容器100，且吹气通道200用于供待检测者向所述取样容器100内吹气，待检测者可通过吹气通道200向取样容器100入呼出呼吸道气体，取样容器100可以收容足够检测一定量的待检测者呼出气体。
40.气体吸附及检测部件300设置于所述取样容器100内且可用于吸附病毒。
41.病毒裂解剂可以预设置于所述气体吸附及检测部件300，或者，病毒裂解剂可在检测时通过挤压待等方式进入所述取样容器100内并附着于所述气体吸附及检测部件300。
42.缓冲溶液可通过挤压等方式进入所述取样容器100内并流至气体吸附及检测部件300，用于进行病毒检测反应，以使所述气体吸附及检测部件300上可产生可测信号，通过识别可测信号的情况即可以判断病毒是否存在。缓冲溶液也可以预设置于所述取样容器100内，通过挤压、气流带动等方式流至气体吸附及检测部件300设定区域处。本实施例中，可测信号为荧光标识，可以通过荧光扫描仪快速识别检测结果，当然，可测信号也可以体现为颜色变换。具体应用时，可在一个密闭的塑料袋(取样容器100)内完成取样和检测，并用便携
式荧光检测仪扫描塑料塑料袋内的气体吸附及检测部件300，直接读出供待检测者是否存在病毒感染的情况。
43.具体应用中，取样容器100可以为塑料袋(吹气袋)、弹性塑胶气囊或易压缩的瓶体、管体等。本实施例优选为塑胶袋，其相对更便携且成本低。
44.具体地，作为第一种可能的实施方式，所述病毒裂解剂包被于所述气体吸附及检测部件300内，即病毒裂解剂预置于气体吸附及检测部件300内；
45.或者，作为第二种可能的实施方式，所述病毒裂解剂位于所述气体吸附及检测部件300表层或整层；
46.或者，作为第三种可能的实施方式，所述取样容器100连接有或内置有病毒裂解剂注入部件，所述病毒裂解剂预置于所述病毒裂解剂注入部件内且可通过所述病毒裂解剂注入部件输送至所述气体吸附及检测部件300，病毒裂解剂注入部件可为挤压气囊或注射筒等。
47.具体地，所述取样容器100连接有或内置有缓冲溶液注入部件400，所述缓冲溶液设置于所述缓冲溶液注入部件400内且可通过所述缓冲溶液注入部件400输送至所述气体吸附及检测部件300，以启动检测反应。
48.具体地，所述缓冲溶液注入部件400包括输送管420和挤压开关部件410，所述输送管420的一端相接于或靠近于所述气体吸附及检测部件300，所述挤压开关部件410连接于所述输送管420的另一端，所述缓冲溶液预置于所述输送管420或/和所述挤压开关部件410内。输送管420可为软胶管等，所述挤压开关部件410可以为具有弹性的塑胶囊或为活塞式注射筒等，通过挤压开关部件410可以驱动缓冲溶液至气体吸附及检测部件300。
49.作为第一种缓冲溶液注入部件400可能的实施方式，所述输送管420和所述挤压开关部件410均设置于所述取样容器100内。
50.或者，作为第二种缓冲溶液注入部件400可能的实施方式，所述挤压开关部件410位于所述取样容器100外且所述输送管420穿入所述取样容器100。
51.或者，作为第三种缓冲溶液注入部件400可能的实施方式，缓冲溶液注入部件400也可以采用铝箔等封装层封闭缓冲溶液，通过挤压使铝箔等封装层破裂使缓冲溶液流至气体吸附及检测部件300。病毒裂解剂注入部件也可以采用与缓冲溶液注入部件400相同或相近的方案。
52.具体地，所述气体吸附及检测部件300可为纸基吸附垫，具体应用中，可以采用双面胶热熔胶等固定方式将蜡打印机打印出的纸基芯片平铺固定在取样容器100(塑胶吹气袋)内。
53.具体地，所述气体吸附及检测部件300具有可与病毒rna进行反应产生光学信号变化而形成荧光标识的试剂，有预定核酸病毒存在时，气体吸附及检测部件300可以形成荧光标识，易于识别和检测，识别和检测的效率高。
54.本实施例中，所述取样容器100为塑胶袋体，且所述塑胶袋体至少在对应于所述气体吸附及检测部件300处为透明区域。具体应用中，塑胶袋体可为全透明塑胶袋体，取样容器100(塑胶袋体)的表面可以设置有二维码101或条形码，待检测者可以通过智能手机扫描二维码或条形码，通过跳转的程序预先录入个人信息(可包括但不限于姓名、身份证号、住址、手机号等)，以便于后期追溯及检测结果推送。
55.具体地，所述气体吸附及检测部件300具有集中吸附区310和至少两个用于与不同病毒变异株进行检测反应的检测通道区320，各所述检测通道区320连接于所述集中吸附区310。
56.具体地，所述检测通道区320包括自集中吸附区310向外依次设置的核酸信号放大区321、反应区322和废液区323。
57.具体应用中，可以在气体吸附及检测部件300设置有至少两个用于与不同病毒变异株进行检测反应的检测通道区320，用以判断待检测者感染的是何种毒株。本实施例中，设置有5个检测通道区320，5个检测通道区320分别是对应五种病毒核酸检测的通道。每一个通道(检测通道区320)分别包括核酸信号放大区321、crispr/cas反应区(反应区322)及废液区323，即反应区322为crispr/cas反应区。5个检测通道区320分别对应检测alpha、beta、gamma、lambda和delta毒株。当然，具体应用中，检测通道区320的数量也可以为一个或多个(例如8个、10个、12个等)，可以根据需要灵活选用。
58.本实施例中，还具有一个缓冲溶液通道区，缓冲溶液通道区与各检测通道区320的一端均连接于集中吸附区310，且缓冲溶液通道区与各检测通道区320沿集中吸附区310的外围周向散射状布置。当然，各检测通道区320的排布也可以呈其它形式，例如各检测通道区320平行间隔排布于集中吸附区310一侧，或呈鱼骨状排布于集中吸附区310两侧等，具体可以根据实际情况设定。
59.具体应用中，可以选择在气体吸附及检测部件300设置有微流控结构，以得到微流控纸基芯片，用以引导流体从集中吸附区310向核酸信号放大区321、反应区322流至废液区323。微流控结构可以为流道槽或采用吸附效果好的材料而成。
60.具体地，所述吹气通道200可为吹气管，所述吹气管可以呈直管状或扇形管状，吹气管可以指向或延伸至气体吸附及检测部件300，以利于保证被检者呼出的气溶胶很好地被底部的纸基吸附垫吸附住，吹气管也可以在直型和扇形之间优化出一最佳的吹气管形状。具体应用中，吹气通道200也可以为设置于取样容器100的单向阀(供呼出气单向进入取样容器100)或可封闭的开口等。
61.具体地，所述吹气管可以设置有单向阀或/和密封盖210，密封盖210可为螺旋盖式，卫生安全，可以防止塑胶袋体内的气体泄漏。
62.具体应用中，所述取样容器100可为具有单容腔的塑胶袋体，且所述气体吸附及检测部件300的一面贴附于所述塑胶袋体的其中一内侧壁；塑胶袋体未使用时可以呈扁平状，以便于运输、存储等。塑胶袋体吹气后可以膨胀，以容纳足量的呼出气。
63.或者，作为可替袋的方式之一，所述取样容器100为具有至少两个容腔的塑胶袋体，且所述气体吸附及检测部件300设置于其中一个所述容腔，所述缓冲溶液设置于另一个容腔且可随吹气气流附着于所述气体吸附及检测部件300，无需手动挤压缓冲溶液。
64.上述的一体式便携核酸检测装置，利用基于rpa与crispr/cas12a的生物技术产生信号放大的原理，构建高灵敏的核酸检测技术平台。等温扩增法由于不需要用到热循环仪因此比传统的pcr核酸检测法有着更为广阔的poct(point
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of
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care testing，即时检验)应用前景。重组聚合酶扩增(recombinase polymerase amplification,rpa)为等温扩增法的其中一种。由于rpa的灵敏度与pcr相当，并且可以在单一温度下运行，因此被越来越多地应用于核酸检测(rpa的检测原理如图3所示)。在rpa中，首先重组酶在装载因子的帮助下结合
上引物503，然后这个由引物503与重组酶组成的复合物501便可以沿着需检测的双链dna寻找结合位点，一旦找到与引物503相同的dna序列，复合物便会侵入双链dna,形成一个d环结构从而开始扩增(扩增酶504)。单链结合蛋白502使dna保持在单链状态。当完成链交换反应后，重组酶便从双链dna上撤下去装载下一个引物503。结合上的引物503便可以开始扩增，最后形成与pcr的扩增一样的指数级信号放大dna产物。
65.具体应用中，信号放大技术可以是rpa、rca等等温扩增技术。
66.上述提到的rpa与crispr/cas信号放大技术联用，以在恒温条件下达到超高灵敏高特异性的目的。crispr/cas系统首先作为宿主的免疫系统而被发现，科研人员通过改造利用已经将此系统应用于生物检测、生物编辑等领域。该系统利用一段rna引导crispr/cas与目标基因结合后，crispr/cas酶被激活发挥核酸切割酶的作用。crispr/cas12a这一种酶在识别目标序列后，对双链dna有特异性的切割活性(cis
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cleavage)，不仅如此，也对周围的单链dna具有非特异性的切割活性(trans
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cleavage)(图4所示)，这个特点使得crispr/cas12a系统可适应于poct。crispr/cas12a具有特异性地识别双链dna的特点，使得其与rpa联用在恒温下检测病毒rna是理想的生物技术信号放大的方法。本实施例中，将rpa扩增法与crispr/cas检测系统联用，设计一段标记有淬灭基团与荧光基团的单链dna，crispr/cas12a由于结合rpa产物而被激活后，此双标记的dna被非特异切割，产生荧光信号。
67.为了避免核酸病毒采样过程可能存在的交叉感染，上述吹气袋含有供使用者嘴部吹气的吹气管，该吹气管底部可链接有或设置有滤纸吸附层(气体吸附及检测部件300/纸基芯片)。这样能保证吹出的气体被塑胶袋里面的纸基芯片吸附层吸附，这样呼出气体的病毒被固定在滤纸吸附层上。为了便于在线实时分析，该滤纸包被有病毒裂解液(病毒裂解剂)。同时在该塑胶袋装有一储液管作为缓冲溶液注入部件400，用于保存缓冲溶液，该储液管的开与关由塑胶袋表面的开关(中空弹性按压件)控制。吹气完毕，可以开启储液管释放出缓冲溶液，从而开启反应：吸附的病毒裂解释放出核酸，在微流控流体的作用下，核酸会进入纸基芯片的rpa反应区实现核酸信号放大，放大后的dna双链会进一步进入纸基芯片的crispr/cas反应区(反应区322)，启动crispr/cas反应，输出荧光信号(病毒存在的情况下)，从而达到检测的目的。本实施例中，为了实现病毒五种变异株的实时检测，塑料袋里面的纸基芯片设计有6个通道，其一个通道是和储液管(储液管)相通的；另外5个通道分别是对应五种病毒核酸检测的通道。每一个通道分别包括依次设置的核酸信号放大区321、crispr/cas反应区(反应区322)及废液区323。
68.上述的一体式便携核酸检测装置，将关键的分子生物学信号放大技术所用到的检测试剂直接固定在纸基芯片(气体吸附及检测部件300)上，然后将此纸基芯片整合在塑料袋(吹气袋)中，待测样品中的病毒rna与纸基芯片中的试剂进行反应产生光学信号变化，显示荧光检测结果并通过扫描仪读取出来。实现被检者直接现场检测，从而提高检测效率，减少感染风险、简化检测流程并减轻被试者的痛苦的目标，具有快速舒适灵敏等优点。
69.本发明实施例还提供了一种核酸检测系统，包括上述的一体式便携核酸检测装置，还包括用于扫描所述气体吸附及检测部件300上可测信号的扫描仪器，扫描仪器可为荧光扫描仪(便携式荧光测试仪)，通过扫描仪器可以快速识别上述一体式便携核酸检测装置的检测结果。
70.本发明还提供了一种核酸检测方法，采用上述的一体式便携核酸检测装置或采用
上述的一种核酸检测系统；
71.如图5所示，包括以下步骤：
72.待检测者通过吹气通道200向取样容器100内吹入设定量以上的气体，并拧紧密封盖；
73.取样容器100内的气体吸附及检测部件300吸附病毒；
74.缓冲溶液被输送至所述气体吸附及检测部件300而启动检测反应，病毒裂解剂将气体吸附及检测部件300上所吸附的病毒进行裂解后释放出核酸，核酸信号经放大，在反应区322进行crispr/cas反应并可输出可测光学信号(如荧光信号或颜色信号)，通过检测反应区322是否出现光学信号而判断病毒是否存在，而且根据光学信号出现的区域，知道是病毒的何种变异株。该crispr/cas检测可以是crispr/cas12a,也可以是crispr/cas13a等不同的crispr/cas生物传感技术。
75.本发明实施例所提供的一体式便携核酸检测装置、检测系统和检测方法，一体式便携核酸检测装置集取样、分析、信号输出为一体，可以用作便携、快速的、理论上零交叉感染风险的核酸检测袋。检测方法将恒温扩增信号放大、crispr/cas生物传感、微流控纸基芯片(气体吸附及检测部件300)、便携式荧光测试仪整合在一起，形成一个样品进
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信号出的高度集成的检测体系。为了将交叉感染风险降低，该方法保证在一个密闭的塑料袋内就完成取样和检测，用便携式荧光检测仪扫描塑料袋内的气体吸附及检测部件300，直接读出被检者是否有病毒感染，而且可以告知感染的是何种毒株。能够实现不依赖于场地、人员、大型仪器的限制进行便捷、理论上零交叉感染风险的核酸检测，更重要的是，受试者不需要进行咽拭子或鼻拭子采样，仅仅通过呼出的气体便能够对新冠变异株进行实时高灵敏的监测，应用前景佳。
76.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。