具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1为现有技术中基因检测的流程示意图，如图1所示，目前传统基因定点检测使用荧光PCR技术。该技术从样本提取到检测结果，首先需要进行如图1（a）中的步骤，一般样本处理、核酸释放、核酸结合、核酸洗涤和核酸洗脱，例如离心柱法提取核酸包括：样本→裂解→洗涤→洗脱→纯化的核酸备用；离心柱法提取核酸包括样本→裂解→洗涤→洗脱→纯化的核酸备用。然后需要进行图1（b）中的流程，即包括：1、准备：碎冰或冰盒，整个过程在冰浴上进行；2、配制PCR反应体系，这里以50ul体系举例，包括：qPCR buffer 38ul、上游引物：0.4ul、下游引物0.4ul、探针0.2ul、酶混合液2ul、以及需要将ddH2O补足至45ul；3、分装置八联管中，加入5ul模板；4、加样后用手指轻弹混匀，瞬离使反应液成分集于管底；5、设置PCR反应程序，以RNA模板举例，包括50℃下10min、95℃下cDNA预变性3min、95℃下变性15s、60℃退火，延伸及荧光采集30s，并且对变性退火等进行40次循环；6、分析实验结果，包括：1.扩增曲线图横坐标为扩增循环次数（cycle)；纵坐标为：荧光强度，每个循环进行一次荧光信号的收集。2.根据PCR扩增中，扩增产物的荧光信号达到预设的阈值时所经过的循环次数，得到Ct值，Ct值极具重现性。

包括复杂的试剂配制操作和过程操作。上述传统荧光PCR技术存在以下缺点：

1、操作分步，非全自动，需要专业人士操作，如核酸的提取和纯化，PCR荧光定量的准备工作，因而只能在实验室内进行，无法用于临床检测和现场检测。

2、检测周期长，因为需要专业人士和机构进行检测，因而大部分的检测只能在有资质的实验室和检测机构进行，样本需要从医院采集，然后送到专业检测机构，再等待汇集一批样本后，再进行批量PCR扩增处理，然后再将检测结果送到医院。所以从样本采集到检测结果报告，整个过程需要一天甚至一周时间，用于临床诊断，因为不能随到随检，病人不能一次得到结果，需要二次预约专家，增加了医生的工作量，病人的看病周期和费用。对于某些需要立刻得到检测结果的急诊等会带来巨大影响。

3、设备体积巨大，价格昂贵，因而一般只有三甲医院和专业的检测机构配备。从荧光PCR的基因检测技术方案可以看出，完成从样本核酸提取纯化到PCR扩增，检测，需要几台不同的仪器，如核酸提取仪，PCR扩增仪，荧光检测设备，每种设备因为步骤复杂，原理和设计复杂，因而设备都体积巨大且价格昂贵。如全自动核酸提取仪价格从几千到几万；pcr扩增仪价格从几万到几十万，荧光检测仪价格几万。

随着精准医疗的快速发展，POCT成为一种趋势，对基因检测设备的小型化，微型化也是一种趋势，虽然业界也一致致力于将这种传统的荧光PCR检测技术进行小型化设计，但因为PCR技术的原理，需要进行高低温的多次循环，在微小的芯片上进行反复的加温和降温本身工程实现就存在众多需要突破的瓶颈，还需要大量的实验。其次，基于荧光的判读方案，需要激光源和复杂光学系统的支持，并不适合小型化和低成本的临床应用。再加上还需要复杂的核酸提取等步骤，因而至今无法实现基于荧光PCR技术的小型化，快速全自动检测设备，能够用于临床应用，做到基因现场快速筛查，实现基因筛查的随时随地无缝测试。

目前中国医院患者流量大，临床医生需要快速得到检测结果给出病人治病方案，减小病人的就医难度。而且一些突发性威胁到病人生命安全的疾病，也需要通过快速筛查结果立即有效的给与病人精准治疗，以及一些紧急外科手术也需要及时得到患者的某些疾病的检测结果。而上述提到的传统基因检测方式并不能满足需求。

为了解决上述问题，本申请提供一种基因快速筛查方法和装置，以解决现有技术中，基因检测过程复杂，而且需要在专业机构通过专业人员才能进行，导致检测周期长，增加医生和病人检测成本，延误治疗的问题，提高临床基因检测效率，具体实现方案通过以下实施例进行详细说明。

实施例

图2为本申请实施例提供的一种基因快速筛查方法的流程示意图，如图2所示，该方法至少包括以下步骤：

S101、接收待测样本并对所述待测样本进行高温裂解，得到包括DNA或RNA链的细胞液。

其中，所述待测样本包括病人全血样本或唾液样本或鼻咽拭子样本或伤口拭子样本，下面将以全血样本进行说明，但可以理解的是，这只是为了充分说明其原理，并不对具体的保护范围做限定，在实际应用中，在本申请提供的基因快速筛查方法中，同样可以采样上述样本完成基因检测。

具体的，可以通过微流控芯片对病人进行血液以及上述样本进行采样，微流控芯片中包括多个腔室，通过第一腔室存放病人待测样本，医护人员采样完成后，将带有待测样本的微流控芯片插入预设便携式检测主体上，通过预设便携式检测主体控制微流控芯片的温度，对微流控芯片进行加热，在加热到预设温度如95度，使待测样本进行高温裂解，在预设时间后如5分钟后，停止加热，得到裂解后的带有DNA或RNA链的细胞液。

在实际应用中，微流控芯片还可以直接固定在预设便携式检测主体上，医护人员才采血时，可以将病人采集的待测液体放置芯片试纸即微流控芯片的样本采集口，完成样本采样。

S102、将所述细胞液通过LAMP原理进行等温扩增，得到扩增后的化学液。

具体的，在得到上述细胞液后，医护人员通过便携式检测主体控制细胞液流入第二腔室，如通过便携式检测主体打开第一腔室与第二腔室之间的微阀，使细胞液进入第二腔室内，然后通过便携式检测主体控制第二腔室的温度，为LAMP等温扩增提供反应环境，如通过便携式检测主体对第二腔室进行加热，加热到65度，并维持30分钟。第二腔室中或与第二腔室连接的其他单独腔室内设置有环介导等温扩增技术（loop-mediated isothermalamplification，LAMP）反应物，如引物和各种酶，在上述细胞液流入第二腔室后，以及在第二腔室达到反应温度后，引物和各种酶与细胞液在第二腔室中进行反应，得到LAMP等温扩增后的化学液。

需要说明的是，在上述提到的LAMP反应物中，有些引物和各种酶是不能混合的，本申请提供的基因快速筛查方法中，可以将不能混合的反应物，如引物或酶设置在第二腔室中的各个子腔中，或者与第二腔室连接的其他单独腔室内，在需要进行LAMP反应时，通过便携式检测主体控制多个微阀如引物微阀、酶和其他化学液体微阀，将其流入第二腔室内，与细胞液进行混合，进行LAMP反应，从而保证反应的正常运行。

S103、将所述化学液与预设生物传感芯片进行融合。

其中，所述生物传感芯片上预设有只与特定DNA或RNA链绑定的生物探针，所述生物传感器在所述生物探针与特定DNA或RNA链绑定后，改变自身阻抗值。

具体的，在得到等温扩增后的化学液后，通过便携式检测主体控制预设微阀，将化学液流入第三腔室中，在第三腔室中，将化学液与生物传感芯片进行充分融合。需要说明的是，生物传感芯片可以采用IDE生物传感器芯片，IDE生物传感芯片上设置生物探针，该生物探针只能与特定的DNA或RNA链进行绑定，即探针只能与探针匹配的DNA或RNA链才能绑定，并且在探针与DNA或RNA链绑定后，会影响IDE生物传感芯片的阻抗特性，IDE生物传感芯片的阻抗会发生剧烈变化。当上述化学液流入第三腔室后，第三腔室中的IDE生物传感芯片自动与化学液进行融合，在融合后，如果化学液中包含与该芯片上的探针匹配的DNA或RNA链时，探针会与该DNA或RNA链自动进行绑定，此时IDE生物传感芯片的阻抗发生剧烈变化；如果化学液中不包含与该芯片上的探针匹配的DNA或RNA链，探针不会与DNA或RNA链绑定，此时IDE生物传感芯片的阻抗不发生剧烈变化。

也就是说，如果输入待测样品的为阳性病人，包含有要测试的DNA或RNA链，那么扩增后的化学液体里面的DNA或RNA链会和IDE生物传感芯片上面的探针充分绑定，IDE生物传感芯片的阻抗特性会发生强烈变化，那么在向IED生物传感芯片输入端输入电信号后，IDE生物传感芯片输出端信号的幅值和相位都会发生强烈变化，如果输入待测样品为阴性病人，则扩增后化学液反应后，得到化学特性里面不包含要测试的DNA或RNA链，则IDE生物传感芯片的阻抗特性变化不大，那么IDE生物传感芯片的输出端信号的幅值和相位发生的变化没有强烈变化。

S104、向所述生物传感芯片输入端输入电信号，并收集所述生物传感芯片输出端的信号数据。

具体的，在化学液与IDE生物传感芯片融合过程中或融合前后，向IDE生物传感芯片输入端输入电信号，如通过便携式检测主体以扫频模式输入一系列幅值为20mv的模拟电压信号到IDE生物传感芯片的输入端,扫频起止频点根据实际调试情况可由系统软件参数配置，最大范围从100HZ~100KHZ；步长根据实际产品和实验需求软件配置，最小步长1HZ,最大步长1KHZ。然后收集得到IDE生物传感芯片输出端的信号数据。

在实际应用中，可以在化学液与IDE生物传感芯片融合前,向IDE生物传感芯片输入端输入电信号，直至化学液与IDE生物传感芯片融合预设时间后，通过收集融合前后的IDE生物传感芯片的输出信号数据，判断化学液中是否含有与探针匹配的DNA或RNA链。

S105、基于所述信号数据判断所述待测样本中是否含有与所述生物探针匹配的DNA或RNA链。

具体的，因为探针与特定DNA或RNA链绑定后，IDE生物传感器芯片的阻抗会发生剧烈变化，所以收集IDE生物传感器芯片输出端的信号数据，通过观察IDE生物传感器芯片阻抗值是否发生变化就可以判断化学液中是否存在与该IDE生物传感芯片上探针相匹配的DNA或RNA链，从而实现采集病人样本，判断病人是否存在某些疾病的DNA或RNA链，实现基因检测筛查。

在实际应用中，在上述反应过后，对于判断待测样本中是否含有与探针匹配的DNA或RNA链时，可以通过机器学习算法模型以及特征提取算法等进行更加准确的判别。

具体的，通过其系列扫频点形成的阻抗特性曲线图，会发现，阳性病人的阻抗特性曲线图特征值相似且集中，阴性病人的阻抗特征曲线图特征值相似且集中。用机器学习的算法模型进行数据处理，使用基于主元分析和支持向量机相结合的特征提取算法，来综合处理四个象限（实部，虚部，幅值和相位）的结果来确定分类的结果。而且还可以通过超平面二分类算法进行判决，以达到提高灵敏度和特异性。

本申请实施例提供的基因快速筛查方法，通过LAMP技术，结合微流控芯片技术，使用经过DNA探针修饰的IDE（叉指电极）生物传感器件，将核酸扩增结果的化学信号转换成电信号表征，通过手持的便携检测主体，对测量的电信号进行信号处理和人工智能分析，实现对定点基因的精准检测。

进一步的，本申请实施例提供的基因快速筛查方法还包括，基于预设算法模型对因化学液中杂质产生的信号噪声进行消除。

具体的，因为该方法不需要DNA或RNA的提取和纯化，在上述过程中，细胞裂解后的化学液体，在和引物及其他化学试剂融合扩增后，会产生一些化学杂质，这些化学杂质因为和IDE生物传感芯片没有耦合特性，因而其表现出的电信号特征就是一些信号噪声，通过现有技术中的算法模型对这些信号噪声进行处理，可以减小其对有用信号的影响，进一步提高判决的精度，从而提高灵敏度和特异性。

基于同一个发明构思，本申请还提供一种基因筛选装置，图3为本申请实施例提供的一种基因快速筛查装置的结构示意图，图4为本申请实施例提供的一种基因快速筛查装置的外观示意图，如图3、图4所述：本申请实施例提供的基因快速筛查装置包括：便携式检测主体1，微流控芯片2、生物传感芯片3和，微流控芯片2可拆卸式插在便携式检测主体1上，生物传感芯片3设置在微流控芯片2上；

微流控芯片1包括第一腔室、第二腔室和第三腔室，第一腔室用于盛放待测样本；第二腔室用于进行LAMP等温扩增；第三腔室用于存放所述生物传感芯片2；第一腔室与所述第二腔室之间设置有微阀，第二腔室与第三腔室之间设置有微阀；另外，用于单独存放LAM等温扩增反应物的腔室与第二腔室之间还设置有第三微阀和第四微阀；

便携式检测主体1包括主控模块4和均与所述主控模块连接的接口模块5、温控模块6、动力控制模块7、频率发生模块8、数据存储模块9和信号处理/AI算法模块10；

主控模块4通过接口模块5与微流控芯片2连接，通过温控模块6控制微流控芯片2的各个腔室的温度；通过动力控制模块7控制微流控芯片2内部液体流动；通过频率发生模块8如AD5933电路模块，产生电信号并输入至生物传感芯片3中；通过数据存储模块9存储记录生物传感芯片3输出端的信号数据；通过信号处理/AI算法模块10对生物传感芯片3输出端信号数据进行数据分析。

进一步的，动力控制模块7包括电机驱动子模块、微泵子模块和流控子模块，而且电机驱动子模块、微泵子模块和流控子模块均与主控模块4连接，在主控模块4的控制下，控制微流控芯片2的工作状态，如控制其中引物和酶的流入，微阀的开关等。

在一些具体的实施过程中，本申请提供的基因快速筛查装置，还与主控模块4连接的芯片试纸选通/控制模块11和人机交互模块12，并且接口模块5包括用于分别连接多个微流控芯片的多个USB接口，以及用于与外部设备连接的通讯接口，如用于连接外部手机、电脑等。通过芯片试纸选通/控制模块11，控制便携式检测主体3与多个微流控芯片的状态，使基因快速筛查装置成为一款多通道信号检测仪器，能够同时进行多个芯片试纸即多个微流控芯片，多种芯片试纸的实时检测，芯片试纸可以是同一种基因的不同病人样本检测试纸，也可以是不同基因的同一病人或不同病人样本的检测试纸。医护人员可以通过人机交互模块12，实时配置不同通道检测基因的类型，配置参数，数据读取等，人机交互模块12可以包括交互显示界面，如触摸屏，可以实时显示检测进度，获取检测结果，从而实现多通道多点位的基因定点检测，提高检测筛选效率。

另外，还可以在微流控芯片2中设置多个腔室，用于将反应过程中不能混合存储的试剂可以在不同腔体中存储，以及设置单独的废液收集腔体等，保证其内部反应的准确高效进行。

在实际应用中，生物传感芯片可以采用IED生物传感芯片，可以将经过DNA探针修饰的IDE生物传感芯片集成在微流控芯片中的单独腔体，使装置更加稳定可靠，在进行不同基因检测筛查时，再更换IED生物传感芯片。

需要说明的是，本申请提供的基因快速筛查装置中，需要对微流控芯片中的腔室进行加热，加热的具体方式可以是将加热装置和测温装置可集成在微流控芯片2中，配合便携式检测主体1中的温控模块6和主控模块4控制各个腔室的温度，也可将加热装置和测温装置集成到便携式检测主体1上的特定位置，在微流控芯片2插入便携式检测主体1后，在主控模块4和温控模块6的控制下，对微流控芯片2中的各个腔室进行加热。

图5为本申请另一实施例提供的一种基因快速筛查装置的结构示意图，如图5所示，本申请实施例提供的基因快速筛查装置中，主控模块1可以采用CPU实现，而且除上述装置实施例中提到的电路结构外，还包括与CPU连接的电源管理模块13，用于为装置进行供电管理，以及用于与外部设备通讯、数据传输的通讯模块14，包括WIFI子模块和蓝牙子模块等。

本申请提供的基因快速筛选装置为系统级技术，通过试剂，芯片试纸即微流控芯片和检测仪器即便携式检测主体，和设置在便携式检测主体内部，以及其他外部设备上的应用软件四部分的共同配合，完成基因快速筛查的功能。针对不同的基因检测方向，微流控芯片和便携式筛查装置都是可复用的，只需要重新开发试剂，生物传感器上的探针，以及在筛查过程中，为装置进行针对性的参数配置。

在选择好试纸芯片和探针，以及配置好相关参数后，装置自动实现流控、温控、自动数据采集以及自动微阀控制，无需专业人士操作；检测过程中，使用全血样本或其他待测样本，无需DNA或RNA提取和纯化，操作简单的同时，做到针对性检测，从采样到出结果，只需要半小时到一小时，大大提高了检测效率；而且，通过微流控芯片和IDE生物传感芯片集成化设计，将装置做到小型化，配合多通道设计，可以进行实验室外的现场多点位基因检测。

为了更清楚的说明本申请实施例提供的基因快速检测筛查装置，下面对其具体使用过程进行原理性说明，图6是本申请实施例提供的基因快速筛查装置的使用流程图，如图6所示：医护人员将病人采集的待测样本放置微流控芯片试纸的样本采集口，然后基因快速筛查装置就可以在医护人员的控制下自动进行基因筛查：

其中，TC1为仪器传递给微流控芯片腔室1即第一腔室的加温信号；TC2为微流控芯片传给仪器的腔体1温度检测信号；TC3为仪器传输给微流控芯片腔室3即第三腔室的加温信号，TC4为微流控芯片传给腔体2即第二腔室温度检测信号；gc1为从微流控芯片第一腔室到第二腔室之间的单向阀控制信号；gc2为从微流控芯片存储引物区到第二腔室单向阀控制信号；gc3为从微流控芯片存储酶等其他化学液态区到第二腔室单向阀控制信号；Gc4为从微流控芯片第一腔室到生物传感芯片单向阀控制信号；Stin为仪器给IDE传感芯片的输入激励电信号；stout为IDE传感芯片输出给仪器的电信号。

待测样本滴入或加入，这里以血液样本为例，在滴入血液后，启动检测仪器即便携式检测主体开始工作，仪器首先发送加温信号TC1给微流控芯片第一腔室，进行加温，第一腔室里有加入的血液样本和稀释液，需要在95度温度下进行细胞的裂解，释放出核酸。第一腔室的温度检测信号TC2实时送到便携式检测主体中，根据仪器里面对应的TC2信号和温度关系表格判断是否温度已经加热到95度，如果相差大，加大加温信号TC1的步长指示快速加温，如果接近95度就降低加温步长细调，通过两个信号TC1和TC2的配合，让第一腔室的温度维持在95度左右5分钟时间，温度误差控制在正负1度之内，让细胞进行充分的裂解，释放后面等温扩增需要的DNA或RNA链。在微流控芯片第一腔室完成细胞裂解后（以维持95度温度下5分钟时间作为判断），检测主体发出第一微阀的打开信号gcl，让裂解后的细胞液根据要求的流量进入到微流控芯片第二腔体即腔体2进行LAMP等温扩增，然后仪器发出信号先后打开第三微阀和第四微阀，把存储在微流控存储区的引物和其他扩增需要的化学物质根据需要的流量精准进入第二腔体中，接着，仪器发出加温信号TC3给微流控芯片第二腔体，进行加温，同时第二腔体温控电路反馈一个温度检测信号TC4给检测主体，这两个信号配合，让第二腔体的温度在达到65度后，维持在该温度的时间在30分钟左右，温控误差范围正负一度，进行充分的LAMP等温扩增反应，让需要的DNA或RNA链充分扩增。在扩增时间30分钟（该值根据实际的实验可以通过软件对寄存器重新配置参数改变）后，检测主体再发起一个信号打开第二微阀,让充分扩增之后的化学液体流入到生物传感芯片上，该化学液体和生物传感芯片进行充分的结合。在反应后，通过上述装置和方法实施例提到的方法，自动进行IDE生物传感器输入端信号数据的收集，以及基于该信号数据自动进行数据分析，得到检测筛选结果。

本申请实施例提供的基因快速筛查装置，具有以下优点：全自动一体化完成样本的核酸提取、扩增和检测，无需专业人士；快速，从样本采集到检测结果显示30-60分钟完成；应用范围广，实验室内实验室外均可使用，现场检测；设备体积小，价格便宜，利于临床应用，除了三甲医院，适合临时检测点、临时医院、基层医院、社区医院以及体检和健康监测机构等。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。