CN101457204A - 自动化遗传物质处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种自动化遗传物质处理系统及方法，用以提取样本中的目标遗传物质，并且扩增目标遗传物质中的目标核酸序列。此外，本发明的自动化遗传物质处理系统及方法还可藉由光学检测模组侦测目标核酸序列的存在，以实时定性和/或定量目标核酸序列。

Description

自动化遗传物质处理系统及方法

技术领域

本发明关于一种自动化遗传物质处理系统以及方法，并且特别地，本发明关于一种能自动提取以及扩增遗传物质的系统以及方法。

背景技术

目前，生物的基因组测序以及译码工作正于全世界的许多研究机构热烈进行。随着对遗传物质，如核酸(例如，脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)或核糖核酸(ribonucleic acid，RNA))以及氨基酸等的序列、功能、结构等特性的了解日渐增加，基于这些遗传物质的检测方法也逐渐普及。一般来说，这些检测方法通常用于检测样本，例如血液、组织液、细胞培养液中的特定核酸或氨基酸序列。

在现有技术中，核酸检测包含数个步骤，以侦测样本中的特定核酸序列的存在，或是定量样本中的特定核酸序列。特别地，核酸检测方法除了可侦测特定核酸序列的存在以外，还可藉此推测特定生物，例如细菌、霉菌、病毒等微生物的存在以及其数量。

在进行核酸检测之前，必须先自样本中提取核酸，再以特定序列的探针(probe)与提取出的核酸进行聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)，以扩增与该探针互补的核酸序列的数量，方便后续定性以及定量分析的进行。

然而，由于自提取至分析需要一连串繁复的操作程序，增加了人为误差的可能性。同时，完成分析的时间也因此而被拉长，导致分析结果的准确性受到影响。

发明内容

因此，本发明的一个方面在于提供一种能自动提取以及扩增遗传物质之系统以及方法，用以解决现有技术的缺失。

根据本发明的一个较佳具体实施例的一种自动化遗传物质处理系统包含平台、吸量模组、提取模组、温控模组、光学检测模组以及处理模组。

进一步，所述平台包含能分别容纳样本的第一容器组，而所述吸量模组包含至少一吸量管，用以吸取/移动至少一第一反应试剂至所述第一容器组中。此外，所述提取模组用以配合至少所述第一反应试剂以提取所述样本中的目标遗传物质。所述温控模组则提供多个温度循环，并且配合至少一第二反应试剂以扩增所述目标遗传物质中的目标核酸序列。另外，所述光学检测模组用以侦测所述目标核酸序列的存在，并且产生侦测信号。所述处理模组则接收该侦测信号，并且根据该侦测信号定性和/或定量所述目标核酸序列。特别地，在一个具体实施例中，所述光学检测模组可于所述目标核酸序列扩增的过程中即时侦测所述目标核酸序列是否存在，以及其存在的数量或质量。

根据本发明的另一个较佳具体实施例的一种自动化遗传物质处理方法，包含下列自动化步骤：(a)将样本与至少一第一反应试剂混合以提取该样本中的目标遗传物质；(b)将所述目标遗传物质与至少一第二反应试剂混合；(c)提供多个温度循环以扩增该目标遗传物质中的目标核酸序列；(d)侦测该目标核酸序列的存在，并且产生侦测信号；以及(e)接收该侦测信号，并且根据该侦测信号定性和/或定量所述目标核酸序列。特别地，在一个具体实施例中，步骤(c)至步骤(e)可依序进行或同时进行。

关于本发明的优点与精神可以藉由以下的发明详述及附图得到进一步的了解。

附图说明

图1系根据本发明的一个具体实施例的自动化遗传物质处理系统的立体视图。

图2是图1中的自动化遗传物质处理系统的侧视图。

图3是图1中的自动化遗传物质处理系统的正视图。

图4A至图4F是绘示根据本发明的一个具体实施例的自动化遗传物质处理方法的操作示意图。

【主要组件符号说明】

3：自动化遗传物质处理系统

31：平台               312：第一容器组

314：第二容器组           316：第三容器组

40：微量离心管            30：外罩壳体

32：吸量模组              324：吸量管

318、320：位移模组        33：提取模组

34：温控模组              35：光学检测模组

36：吸量管尖载具          362：吸量管尖

37：反应试剂载具          372：试剂容器

38：聚合酶链式反应模组    380：反应腔门

382：反应腔室             39：废弃物置放区

具体实施方式

本发明提供一种自动化遗传物质处理系统及方法。以下将详述本发明的实施例以及实际应用例，藉以充分说明本发明的特征、精神及优点。

根据本发明的一个实施例，本发明的自动化遗传物质处理系统可包含平台(platform)、吸量模组(pipetting module)、提取模组(extracting module)、温控模组(temperature-control module)、光学检测模组(optical detectionmodule)以及处理模组(processing module)。

平台可包含第一容器组(set of receptacle)，用以分别容纳样本。在实际应用中，样本可以是任何适当的液态、固态或活体样本，液态样本如血液、唾液、组织液、细胞培养液、微生物培养液，或其它适合的液态样本；固态样本如组织切片、器官切片，或其它适合的固态样本；活体样本如线虫(Caenorhabditis elegans)、鱼卵、胚胎，或其它适合的活体样本。

吸量模组可包含至少一吸量管(pipet)，用以吸取/移动至少一第一反应试剂至第一容器组中。在实际应用中，吸量模组可执行为机器人吸量器(roboticpipettor)的形式。并且，在实务中，吸量模组包含多支具有不同刻度范围的吸量管。

提取模组可配合至少一第一反应试剂以提取该样本中的目标遗传物质。在实际应用中，第一反应试剂可包含如PK溶液(PK solution)、细胞溶解液(cell lysis buffer)、洗涤液(wash buffer)、洗脱液(elution buffer)以及磁珠溶液(magnetic particle solution)等试剂，或其它适当的试剂。特别地，在实务中，前述的磁珠溶液包含多个微小磁珠(magnetic particle)，这些微小磁珠的表面可涂布核酸吸附材料(例如：硅)，用以吸附核酸。此外，该磁珠溶液的酸碱值以及离子浓度可被适当地调整，以控制微小磁珠与核酸之间的吸附强度。

温控模组可提供各种不同的温度至前述的平台和/或提取模组，协助进行前述的提取反应。此外，温控模组也可提供多个温度循环，并且配合至少一第二反应试剂以扩增目标遗传物质的目标核酸序列。

光学检测模组可对前述的目标核酸序列进行光学检测，侦测目标核酸序列存在与否，以及目标核酸序列存在的数量或质量。特别地，光学检测模组可在温控模组进行温度循环扩增目标核酸序列的同时进行光学检测，也可在温控模组进行温度循环扩增目标核酸序列之后再进行光学检测。

处理模组，如微处理器控制单元(MCU)或中央处理器(CPU)，连接至光学检测模组，用以接收光学检测模组于光学检测后所产生的侦测信号，并且根据侦测信号定性(qualify)和/或定量(quantify)目标核酸序列。

请一并参见图1至图3。图1是根据本发明一个具体实施例的自动化遗传物质处理系统的立体视图；图2是图1中的自动化遗传物质处理系统的侧视图；图3是图1中的自动化遗传物质处理系统的正视图。在本具体实施例中，本发明的自动化遗传物质处理系统3可包含外罩壳体(housing)30、平台31、吸量模组32、提取模组33、温控模组34、光学检测模组35、吸量管尖载具(pipet tip container)36、反应试剂载具(reagent container)37、聚合酶链式反应模组(PCR reaction module)38以及废弃物置放区(waste-discarding region)39。

在本具体实施方式中，平台31上进一步设置第一容器组312、第二容器组314以及第三容器组316。在实际应用中，第一容器组312可由具有高导热系数且不具磁性的材料(例如，但不限于，铝材料或银材料)制成。第一容器组312可容纳多个微量离心管(eppendorf tube)40，其分别容纳样本。在实际应用中，第二容器组314可由具有低导热系数且不具磁性的材料(例如，但不限于，压克力材料)所制成。第二容器组314同样可容纳多个微量离心管40，其分别容纳自样本中分离出来的目标遗传物质。在实际应用中，第三容器组316可由具有高导热系数且不具磁性的材料(例如，但不限于，铝材料或银材料)制成。第三容器组316同样可容纳多个微量离心管40，其分别容纳目标遗传物质以及第二反应试剂的混合物。

吸量管尖载具36可容纳分别具有特定刻度(例如，10μl、20μl、50μl、100μl、200μl、500μl、1000μl等，或视需求而为其它刻度)的多个吸量管尖362。而反应试剂载具37则可包含多个试剂容器372，分别容纳第一反应试剂和/或第二反应试剂。

此外，吸量模组32包含多支具有不同刻度范围的吸量管324。并且吸量模组32可连接至位移模组320，以水平或垂直移动以及定位吸量模组32。因此，吸量模组32可选择性地以吸量管324嵌合吸量管尖载具36上的适当吸量管尖362，并且吸取/移动样本以及试剂容器372中之反应试剂。

特别地，前述第一容器组312、第二容器组314以及第三容器组316皆可设计为可抽取式容器组。此外，部分第一反应试剂可预先加入第一容器组312的微量离心管40中，而部分或全部第二反应试剂则可预先加入第三容器组316的微量离心管40中，藉此可省去吸量模组32的移动次数，减少操作时间。

在本具体实施方式中，温控模组34设置于平台31与所述容器组312、314、316之间，以提供适当的温度至所述容器组312、314、316。此外，平台31可连接至位移模组318，用以水平移动以及定位平台31。

如图1以及图2所示，在本具体实施例中，提取模组33可转动地固定于平台31邻近处，致使提取模组33可选择性地靠近第一容器组312。特别地，当第一反应试剂包含磁珠溶液时，提取模组33(例如，包含强力永久磁铁)可于样本与第一反应试剂于第一容器组312中混合后，在第一容器组312邻近处产生磁场，将吸附有核酸的微小磁珠固定于第一容器组312中，再由吸量模组32将样本中的其它物质抽离，以达到自样本中分离核酸的目的。

聚合酶链式反应模组38包含反应腔门380以及反应腔室382。反应腔室382可容纳第三容器组316(包含容纳有第二反应试剂与目标遗传物质的混合物的微量离心管40)。而反应腔门380则可紧密贴合反应腔室382的开口，以将第二反应试剂与目标遗传物质的混合物密封于反应腔室382中。并且聚合酶链式反应模组38可接受温控模组34提供的温度循环，以扩增目标核酸序列。

当前述聚合酶链式反应模组38进行扩增目标核酸序列的反应时，光学检测模组35可对第三容器组316上的微量离心管40进行光学检测，以即时侦测目标核酸序列的存在。如前所述，光学检测模组35也可在扩增反应之后再进行光学检测。特别地，在实际应用中，光学检测模组35还具有特殊几何结构以及加热机构，其结构可辅助将第二反应试剂与目标遗传物质的混合物密封于反应腔室382中，而其加热机构则可避免水气在第三容器组316上的微量离心管40的管壁内凝结，也避免其中的水气蒸发。此外，废弃物置放区39则可供吸量模组32弃置废弃耗材或废弃液体或固体。

参见图4A至图4F，这些图是根据本发明的一个具体实施例的自动化遗传物质处理方法的操作示意图。在本具体实施例中，样本已先被加入至第一容器组312上的微量离心管40中。

首先，如图4A所示，位移模组320控制吸量模组32水平移动至吸量管尖载具36上方，再垂直移动具有适当刻度的吸量管324嵌合配合该吸量管324的吸量管尖362。接着，如图4B所示，位移模组320控制吸量模组32水平移动至反应试剂载具37上方，再垂直移动前述与吸量管尖362嵌合的吸量管324，致使吸量模组32可吸取适当容量的PK溶液。

随后，如图4C所示，位移模组320控制吸量模组32水平移动至第一容器组312的微量离心管40上方，再垂直移动前述吸量管324，致使与其嵌合的吸量管尖362靠近微量离心管40。此时，吸量模组32将前述PK溶液加入微量离心管40中，使其与样本混合。接着，如图4D所示，位移模组320控制吸量模组32水平移动至废弃物置放区39上方，吸量模组32将使用过的吸量管尖362丢弃至废弃物置放区39中。

如前所述的流程，吸量模组32再将适当量的细胞溶解液加入第一容器组312的微量离心管40中，使其与前述PK溶液以及样本混合，并且可视需求由温控模组34进行恒温加热，以促进样本中的细胞溶解。接着，吸量模组32再将适当量的磁珠溶液加入第一容器组312的微量离心管40中使其与前述成分混合，使样本中的目标遗传物质吸附于磁珠的表面。随后，如图4E所示，提取模组33转动并且贴近第一容器组312，并且提取模组33施加磁场于第一容器组312，致使吸附有目标遗传物质的磁珠贴附于微量离心管40的管壁。随后，提取模组33维持图4E所示的动作，而由吸量模组32将磁珠之外的残余物吸取并弃置于废弃物置放区39。

接着，提取模组33转动离开第一容器组312，维持如图4D所示的状态，而吸量模组32吸取洗涤液至前述的微量离心管40中，充分混合以清洗磁珠。随后，提取模组33再度转动并且贴近第一容器组312，同时施加磁场于第一容器组312，致使吸附有目标遗传物质的磁珠贴附于微量离心管40的管壁。而吸量模组32将磁珠之外的洗涤液吸取并弃置于废弃物置放区39。前述的洗涤动作可视需求而进行数次。

随后，提取模组33转动离开第一容器组312，维持如图4D所示的状态，而吸量模组32吸取洗脱液至前述微量离心管40中，充分混合以将磁珠所吸附的目标遗传物质洗脱。接着，提取模组33再度转动并且贴近第一容器组312，同时施加磁场于第一容器组312，致使洗脱后之磁珠贴附于微量离心管40的管壁。而吸量模组32吸取被洗脱的目标遗传物质，并且将其暂时存放于第二容器组314上的微量离心管40中。

接着，吸量模组32自第二容器组314上的微量离心管40中吸取适量的目标遗传物质至第三容器组316上的微量离心管40(其中已包含第二反应试剂)中。最后，如图4F所示，位移模组318移动平台，致使第三容器组316进入反应腔室382中，并且使反应腔门380紧密贴合反应腔室382的开口。此时，温控模组34提供预设的温度循环(例如，95℃-54℃-72℃的温度循环若干次)，以扩增目标核酸序列。如前所述，光学检测模组35可于扩增反应的同时或反应后检测目标核酸序列，其检测结果可作为定性和/或定量目标核酸序列的依据。

在实际应用中，本发明的自动化遗传物质处理系统可提供真空环境、无菌环境、负压环境等，或是视需求提供其它适当的环境进行前述实验，以尽量避免环境因素造成的实验误差。此外，需注意的是，本发明的自动化遗传物质处理系统可视需求包含其它相关模组或构件，并且其包含的模组或构件的设置可视需求而进行调整，并不受限于以上的实施例。

综上所述，本发明的自动化遗传物质处理系统及方法可利用完全自动化的流程进行遗传物质的提取以及核酸序列的扩增。藉由本发明的系统及方法可简化这些实验的程序，并且降低人为操作所产生的疏失以及误差。此外，由于本发明的自动化遗传物质处理系统可同时处理多组样本，因此可有效缩短实验进行时间。

藉由以上较佳具体实施例详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所披露的较佳具体实施例来对本发明的范围加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具等同性的安排于本发明权利要求的范围内。因此，本发明权利要求的范围应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具等同性的安排。

Claims (24)

1.一种自动化遗传物质处理系统，包含：

平台(platform)，包含能分别容纳样本的第一容器组(set of receptacle)；

吸量模组(pipetting module)，包含至少一吸量管(pipet)，用以移动至少一第一反应试剂至所述第一容器组中；

提取模组(extracting module)，用以配合至少所述第一反应试剂以提取所述样本中的目标遗传物质；

温控模组(temperature-control module)，用以提供多个温度循环，并且配合至少一第二反应试剂以扩增所述目标遗传物质中的目标核酸序列；

光学检测模组(optical detection module)，用以侦测所述目标核酸序列的存在，并且产生侦测信号；以及

处理模组(processing module)，接收所述侦测信号，并且根据该侦测信号定性和/或定量所述目标核酸序列。

2.权利要求1所述的自动化遗传物质处理系统，进一步包含：

外罩壳体(housing)，用以容纳所述平台、所述吸量模组、所述提取模组、所述温控模组以及所述光学检测模组。

3.权利要求1所述的自动化遗传物质处理系统，进一步包含：

吸量管尖载具(pipet tip container)，用以容纳分别具有刻度的多个吸量管尖，其中该吸量模组选择性地以其中一吸量管尖吸取/移动所述样本、所述第一反应试剂以及所述第二反应试剂。

4.权利要求1所述的自动化遗传物质处理系统，进一步包含：

反应试剂载具(reagent container)，包含多个容器，用以容纳所述第一反应试剂和/或所述第二反应试剂。

5.权利要求1所述的自动化遗传物质处理系统，进一步包含：

第一位移模组(moving module)，连接至所述吸量模组，用以水平或垂直移动以及定位该吸量模组。

6.权利要求1所述的自动化遗传物质处理系统，进一步包含：

第二位移模组，连接至所述平台，用以水平移动以及定位该平台。

7.权利要求1所述的自动化遗传物质处理系统，进一步包含：

聚合酶链式反应模组(PCR reaction module)，设置于所述温控模组以及所述光学检测模组的邻近处，用以密封所述第二反应试剂以及所述目标遗传物质，并且接受所述等温度循环，以扩增所述目标核酸序列，并且所述光学检测模组能即时侦测所述目标核酸序列的存在。

8.权利要求1所述的自动化遗传物质处理系统，进一步包含：

废弃物置放区(waste-discarding region)，用以容纳废弃耗材或废弃液体。

9.权利要求1所述的自动化遗传物质处理系统，其中所述平台进一步包含：

第二容器组，用以容纳所述目标遗传物质；以及

第三容器组，用以容纳所述目标遗传物质以及所述第二反应试剂。

10.权利要求9所述的自动化遗传物质处理系统，其中所述第二容器组是以低导热系数且不具磁性的材料制成。

11.权利要求9所述的自动化遗传物质处理系统，其中所述第三容器组是以高导热系数且不具磁性的材料制成。

12.权利要求9所述的自动化遗传物质处理系统，其中所述第二反应试剂是预先加入所述第三容器组中。

13.权利要求1所述的自动化遗传物质处理系统，其中所述第一容器组是以高导热系数且不具磁性的材料制成。

14.权利要求1所述的自动化遗传物质处理系统，其中所述提取模组能产生磁场(magnetic field)。

15.权利要求1所述的自动化遗传物质处理系统，其中所述提取模组可转动地固定于所述平台邻近处，并且所述提取模组能选择性地靠近所述第一容器组。

16.权利要求1所述的自动化遗传物质处理系统，其中所述第一反应试剂选自由PK溶液(PK solution)、细胞溶解液(cell lysis buffer)、洗涤液(washbuffer)、洗脱液(elution buffer)以及磁珠溶液(magnetic particle solution)所组成的群组。

17.一种自动化遗传物质处理方法，包含下列自动化步骤：

(a)将样本与至少一第一反应试剂混合以提取该样本中的目标遗传物质；

(b)将所述目标遗传物质与至少一第二反应试剂混合；

(c)提供多个温度循环以扩增所述目标遗传物质中的目标核酸序列；

(d)侦测所述目标核酸序列的存在，并且产生侦测信号；以及

(e)接收该侦测信号，并且根据该侦测信号定性和/或定量所述目标核酸序列。

18.权利要求17所述的自动化遗传物质处理方法，其中步骤(a)进一步包含下列自动化的步骤：

(a1)于所述样本与所述第一反应试剂混合成混合液后，选择性地施加磁场(magnetic field)于该混合液，以将所述样本中的其它物质分离。

19.权利要求17所述的自动化遗传物质处理方法，其中步骤(a)中的所述样本与所述第一反应试剂，以及步骤(b)中的所述目标遗传物质与所述第二反应试剂是藉由吸量模组(pipetting module)进行混合。

20.权利要求17所述的自动化遗传物质处理方法，其中步骤(c)是在聚合酶链式反应模组(PCR reaction module)中进行。

21.权利要求17所述的自动化遗传物质处理方法，其中步骤(d)是藉由光学检测模组(optical module)进行。

22.权利要求17所述的自动化遗传物质处理方法，其中步骤(e)是藉由处理模组(processing module)进行。

23.权利要求17所述的自动化遗传物质处理方法，其中步骤(c)至步骤(e)是同时进行或依序进行。

24.权利要求17所述的自动化遗传物质处理方法，其中所述第一反应试剂选自由PK溶液(PK solution)、细胞溶解液(cell lysis buffer)、洗涤液(washbuffer)、洗脱液(elution buffer)以及磁珠溶液(magnetic particle solution)所组成的群组。

Images