CN102533525A - 全自动杂交仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动杂交仪，包括杂交平台、机架、背板，所述机架与背板固定于所述杂交平台，所述杂交平台上设有试剂供应装置、试剂预热装置，所述试剂预热装置与试剂供应装置相匹配；所述机架上设有杂交反应盒、用于将所述试剂供应装置中试剂加入反应盒的加样装置、用于带动加样装置沿X轴方向往复运动的X轴同步带机构、用于带动加样装置沿Z轴方向往复运动的Z轴同步带机构、用于带动杂交反应盒沿Y轴方向往复运动的Y轴同步带机构。本发明能够实现基因芯片操作技术中的洗涤、杂交，酶孵育、显色等步骤的全自动操作，人工参与少，可极大地降低产品成本，有效推动基因芯片的“平民化”和广泛的应用。

Description

全自动杂交仪

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种全自动杂交仪。

背景技术

基因芯片技术发明于上世纪90年代中后期，直至今天，仍然是先进的分子生物学技术，该技术可实现高通量、快速、灵敏的基因及其表达的检测，由于其技术环节多、不易于控制，在应用推广上有一定的难度，真正在临床检验等基因检测领域中逐渐推广是2004年以后才正式开始的，近两年才有了较快的发展。目前，基因芯片技术应用领域主要有基因表达谱分析、新基因发现、基因突变及多态性分析、基因组文库作图、疾病诊断和预测、药物筛选、基因测序等；另外，基因芯片在农业、食品监督、环境保护、司法鉴定等方面都将作出重大贡献。鉴于基因芯片的巨大潜力和诱人的前景，基因芯片已成为各国学术界和工业界研究和开发的热点。基因芯片作为一个全新的高科技产品，其技术已达到分子水平并在世界各地逐渐广泛应用。它是一种不可替代的高灵敏度、高通量和高特异性的检测手段，具有很长的产品生命周期。

基因芯片由玻璃片或尼龙膜和固定在其上的探针阵列构成，二者基本原理相似，玻璃芯片的制备工艺复杂，检测过程繁琐，尤其是信号检测需要激光扫描仪，直接导致了其使用成本高昂，在市场特别是临床检测中不能得到有效的推广，因此其研发方向主要是针对科学研究机构；膜芯片的开发则具有制备相对简单、操作简便、成本低廉等明显优势，十分有利于市场的推广，更能快速、有效地实现研究成果的产业化。根据DNA芯片的分析目标，从相关基因数据库中选取特异性基因序列作为探针，根据所选用的核酸序列进行探针序列及其布局设计，要求是使所设计的探针组合对待测基因的杂交特异性强、探针阵列合理。在基因芯片基础上，结合PCR技术对待测样品大量快速扩增，扩增后含有相应标记物的待测样品DNA产物与基因芯片上的探针进行特异性杂交，对杂交信号进行分析，即可方便的检测样品中靶基因。

基因芯片的使用主要包括DNA提取、PCR、杂交、洗膜、显色5个步骤，DNA提取操作简单，PCR和杂交步骤均可通过自动化仪器来实现，而洗膜和显色步骤的操作繁杂，需要消耗大量的人力和时间，而且由于操作步骤多，容易造成人为因素的误差或错误，影响基因芯片的使用效果和结果，这就迫切需要自动化设备替代手工操作。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是现有技术中基因芯片使用过程中的洗膜和显色步骤的操作繁杂，需要消耗大量的人力和时间，而且由于操作步骤多，容易产生人为因素的误差或错误，影响基因芯片的结果和使用效果，提出了一种全自动杂交仪。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种全自动杂交仪，包括杂交平台、机架、背板，所述机架与背板固定于所述杂交平台，所述杂交平台上设有试剂供应装置、试剂预热装置，所述试剂预热装置与试剂供应装置相匹配；所述机架上设有杂交反应盒、用于将所述试剂供应装置中试剂加入反应盒的加样装置、用于带动加样装置沿X轴方向往复运动的X轴同步带机构、用于带动加样装置沿Z轴方向往复运动的Z轴同步带机构、用于带动杂交反应盒沿Y轴方向往复运动的Y轴同步带机构；所述杂交反应盒内设有杂交膜条，所述试剂供应装置通过管道与所述加样装置连接；所述背板设有用于与上位机通信并控制X轴同步带机构、Z轴同步带机构及Y轴同步带机构运动的主线路板，用于驱动试剂预热装置的功放线路板。

其中，所述杂交反应盒的外侧设有用于控制杂交盒内试剂反应温度的杂交反应温控装置，所述杂交反应温控装置与所述功放线路板相连接。

其中，所述杂交反应温控装置包括位于所述杂交反应盒上面的加热槽盖板，容纳所述杂交反应盒的加热槽，加热槽底板及位于加热槽与加热槽底板之间的半导体制冷片；所述加热槽与所述半导体制冷片热接触，所述半导体制冷片与所述功放线路板电连接。

其中，所述加热槽底板外侧还设有用于加速降低杂交反应盒内液体温度的轴流风扇；所述杂交盒的侧面还设有固定于杂交平台上的散热风扇。

其中，所述杂交反应盒通过驱动轴连接有用于摇晃杂交反应盒的步进电机。

其中，所述试剂预热装置还连接有温度传感器，所述温度传感器与所述主线路板相连接。

其中，所述背板上还设有加液蠕动泵、抽液蠕动泵及用于控制试剂供应装置的电磁阀。

其中，所述加样装置上设有针头，所述针头与所述管道相连通。

其中，所述X轴与Z轴设有分别设有用于感应加样装置运动位置的传感器，所述Y轴上设有用于感应杂交反应盒运动位置的传感器。

本发明的有益效果是：区别于现有技术中基因芯片使用过程中洗膜和显色步骤的操作繁杂，需要消耗大量的人力和时间，而且由于操作步骤多，容易造成人为因素的误差或错误，影响基因芯片的使用效果和结果，本发明提供了一种全自动杂交仪中X轴同步带机构、Z轴同步带机构能够使机械手加样装置沿X轴和Z轴方向的定位运动更精确和通过Y轴同步带机构能够使杂交反应盒沿Y轴方向的定位运动更精确，通过利用主线路板控制X、Y、Z轴同步带机构的运动能够使加样装置与杂交反应盒的定位精度更精确；通过功放线路板驱动试剂预热装置，能够满足试剂进行杂交反应所需的预热温度。通过主线路板和功放线路板对各装置的控制和驱动作用能够全自动地实现基因芯片操作技术中的洗涤、杂交，酶孵育、显色等步骤，人工参与少，可极大地降低产品成本，有效推动基因芯片的“平民化”和更广泛的应用，能够创造巨大的经济效益。

附图说明

图1是本发明全自动杂交仪的结构图；

图2是本发明全自动杂交仪的杂交结果图。

图中：

1-杂交平台，2-背板，3-机架，4-散热风扇；

10-试剂供应装置，101-废液试剂瓶，102-POD试剂瓶，103-清水试剂瓶，104-显色液试剂瓶，105-B液试剂瓶，106-铝盒A液试剂瓶，107-A液试剂瓶，108-C液试剂瓶，1051-B液加热外胆，1061-A液加热板；

301-加热槽盖板，302-加热槽，303-加热槽底板，304-半导体制冷片，305-轴流风扇，306-散热片；

311-Z轴同步带机构，312-X轴同步带机构，313-Y轴同步带机构，3111-加液针头，3112-吸液针头。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1，本发明提供了一种全自动杂交仪，包括杂交平台1、机架3、背板2，所述机架3与背板2固定于所述杂交平台1，所述杂交平台1上设有试剂供应装置10，包括A液试剂瓶107、B液试剂瓶105、C液试剂瓶108、铝盒A液试剂瓶106、清水试剂瓶103、POD试剂瓶102、废液试剂瓶101、显色液试剂瓶104，试剂预热装置，包括用于预热B液试剂瓶105中试剂的B液加热外胆1051、用于预热A液试剂瓶107中试剂的A液加热板1061，所述试剂预热装置与试剂供应装置10相匹配，所述相匹配是指试剂预热装置中的A液加热板1061与A液试剂瓶107的位置关系相适应，便于A液的预热，试剂预热装置中的B液加热外胆1051与B液试剂瓶105的位置关系相适应，便于B液的预热；所述机架3上设有杂交反应盒、用于将试剂加入反应盒的加样装置、用于带动加样装置沿X轴方向往复运动的X轴同步带机构312、用于带动加样装置沿Z轴方向往复运动的Z轴同步带机构311、用于带动杂交反应盒沿Y轴方向往复运动的Y轴同步带机构313，所述杂交反应盒内设有杂交膜条，所述X轴同步带机构312连接有X轴步进电机、所述Z轴同步带机构311连接有Z轴步进电机、所述Y轴同步带机构313连接有Y轴步进电机，所述X轴步进电机、Y轴步进电机和Z轴步进电机受控于主线路板；所述背板2设有用于与所述上位机通信并控制X轴同步带机构312、Z轴同步带机构311及Y轴同步带机构313运动的主线路板，用于驱动试剂预热装置的功放线路板；所述试剂供应装置10通过管道与所述加样装置连接。其中X轴方向为加样装置在机架3横梁上沿横梁左右移动的方向，所述Y轴方向是指杂交反应盒移向或远离背板运动的方向，所述Z轴方向为垂直于杂交平台1的方向。

在一具体实施例中，所述杂交反应盒的外侧设有用于控制杂交盒内试剂反应温度的杂交反应温控装置，所述杂交反应温控装置与所述功放线路板相连接，所述杂交反应温控装置包括位于所述杂交反应盒上面的加热槽盖板301，所述加热盖板上设有均匀排列的准液孔，容纳所述杂交反应盒的加热槽302，加热槽底板303，位于加热槽302与加热槽底板303之间的半导体制冷片304，所述半导体制冷片304用于提供杂交反应的所需温度；所述加热槽302与所述半导体制冷片304热接触，所述半导体制冷片304与所述功放线路板电连接。所述加热槽底板303外侧还设有用于加速降低控制杂交反应盒内液体温度的轴流风扇305，便于控制杂交反应的温度，当半导体制冷片304过高时，散热使温度维持在杂交反应允许的温度范围，所述加热槽底板303外侧还设有散热片306；所述杂交盒的侧面还设有固定于杂交平台1上的散热风扇4，主要用于杂交反应结束后杂交反应盒的散热，能够起到快速散热的作用。所述杂交反应盒通过驱动轴连接有用于摇晃杂交反应盒的步进电机，能够提高杂交反应的成功率。所述试剂预热装置还连接有温度传感器，所述温度传感器与所述主线路板相连接，在于预热杂交前的试剂，并能够控制预热的温度，防止过高的温度损坏试剂中所要进行杂交反应的基因片段。所述背板2上还设有蠕动泵及用于控制试剂供应装置10的电磁阀，所述蠕动泵包括加液蠕动泵和抽液蠕动泵，便于整个装置高效地进行加液或排液处理，所述电磁阀包括A液电磁阀、B液电磁阀、C液电磁阀、废液电磁阀、清水电磁阀、显色液电磁阀、POD电磁阀及铝盒A液电磁阀。所述加样装置上设有加液针头3111和吸液针头3112，所述加液针头3111和吸液针头3112分别与对应的管道连通。所述X轴与Z轴设有分别设有用于感应加样装置运动位置的传感器，所述Y轴上设有用于感应杂交反应盒运动位置的传感器，便于加样装置和杂交反应盒的精确定位。

工作时，Z轴同步带机构带动加样装置上的加液针头和吸液针头在Z轴方向上做往复运动，X轴同步带机构带动加样装置的加液针头和吸液针头在X轴方向上做往复运动，Y轴同步带机构带动杂交反应盒在Y轴方向上做往复运动，当杂交反应盒与加样装置的位置相适应，即加样装置上的针头对准杂交反应盒上加热槽盖板的准液孔时，加样装置进行相应的加液或吸液处理。

上位机能够控制加入的试剂液量、反应盒的数量及各步骤中参数时间等，并通过RS232串口，发送命令启动下位机工作，下位机包括主线路板和功放线路板，主线路板负责预热试剂温度和杂交反应温度的采集，控制X轴同步带机构312、Y轴同步带机构313和Z轴同步带机构311的运动，控制用于摇晃杂交反应盒的步进电机的运转；功放线路板用来根据上位机的命令控制试剂预热装置和杂交反应温控装置提供反应所需的温度。杂交反应温度控制的过程为：温度传感器将实时采集温度经下位机传递给上位机，并在上位机中完成温度数据处理，PID算法及运算后产生相应的温度信号并传送至下位机中的温度模块驱动板上的场效应管后，驱动半导体制冷片304工作，以此提供杂交反应所需的温度。

工作过程如下：

S1、A液加热板、B液加热外胆及杂交区中半导体制冷片同时开始工作，当A液测温传感器、B液测温传感器的温度达到51℃时，A液加热板断电停止加热。当杂交平台温度达到51℃时，才开始进行下一步动作。

S2、铝盒A液电磁阀通电，管道经加液蠕动泵导通二分钟(先提前注入所需的液体便于有个提前量)，然后加样装置和杂交反应盒分别运动到第一点位置(确保针头准确对准液孔)，再依次按照上位机上所设定反应盒数量，单元液量(mL)对杂交台上各个试剂盒开始注入铝盒A液，最后铝盒A液电磁阀及加液蠕动泵都断电后，才开始进行下一步动作。

S3、杂交平台上的摇晃步进电机通电后，驱动杂交反应盒，使其开始按25次/每分钟摇晃，杂交阶段开始，30分钟后，才开始进行下一步动作。

S4、杂交反应盒回到最低点，B液电磁阀通电，B液经加液蠕动泵导通二分钟(先提前注入所需的液体便于有个提前量)，然后加样装置和杂交反应盒分别运动到第一点位置(确保针头准确对准液孔)，再依次按照上位机上设定反应盒数量，单元液量(mL)对杂交台上各个试剂盒开始先抽废液，后注入B液，最后B液加热外胆断电停止加热，B液电磁阀及加液蠕动泵都断电后，才开始进行下一步动作。

S5、杂交平台开始按25次/每分钟摇晃的同时，抽液蠕动泵也开始动作，把A液注入POD液中，洗膜阶段经过5分钟后，才开始进行下一步动作。

S6、杂交区开始降温，降温风扇转动(轴流风扇用来使液体快速降温)，POD液电磁阀通电，POD液经加液蠕动泵导通二分钟，然后加样装置和杂交反应盒分别运动到第一点位置，再依次按照上位机上所设定反应盒数量，单元液量(mL)对杂交台上各个试剂盒开始先抽废液，后注入POD液，最后D液电磁阀及加液蠕动泵都断电后，才开始进行下一步动作。

S7、杂交平台开始按25次/每分钟摇晃的动作，POD孵育阶段经过30分钟后，才开始进行下一步动作。

S8、杂交平台回到最低点，A液电磁阀通电，A液经加液蠕动泵导通二分钟，然后加样装置和杂交反应盒分别运动到第一点位置，再依次按照上位机上所设定反应盒数量，单元液量(mL)对杂交台上各个试剂盒开始先抽废液，后注入A液，最后A液电磁阀及加液蠕动泵1都断电后，才开始进行下一步动作。

S9、杂交平台开始按25次/每分钟摇晃的动作，A液洗膜阶段经过5分钟后，才开始进行下一步动作。

S10、杂交平台回到最低点，A液电磁阀通电，A液经加液蠕动泵导通二分钟，然后加样装置和杂交反应盒分别运动到第一点位置，再依次按照上位机上所设定反应盒数量，单元液量(mL)对杂交台上各个试剂盒开始先抽废液，后注入A液，最后A液电磁阀及加液蠕动泵都断电后，才开始进行下一步动作。

S11、杂交平台开始按25次/每分钟摇晃的动作，A液重复洗膜阶段经过5分钟后，才开始进行下一步动作。

S12、杂交平台回到最低点，C液电磁阀通电，C液经加液蠕动泵导通二分钟，然后加样装置和杂交反应盒分别运动到第一点位置，再依次按照上位机上所设定反应盒数量，单元液量(mL)对杂交台上各个试剂盒开始先抽废液，后注入C液，最后C液电磁阀及加液蠕动泵都断电后，才开始进行下一步动作。

S13、杂交平台开始按25次/每分钟摇晃次数，C液洗膜阶段经过2分钟后，才开始进行下一步动作。

S14、停机等待，报警声响，提醒实验员，等实验员配好显色液后按继续按钮，继续以下步骤。

S15、显示液电磁阀通电，液路经加液蠕动泵导通二分钟，然后加样装置和杂交反应盒分别运动到第一点位置，再依次按照上位机上所设定反应盒数量，单元液量(mL)对杂交台上各个试剂盒开始先抽废液，后注入显示液，最后显示液电磁阀及加液蠕动泵都断电后，才开始进行下一步动作。

S16、停机等待，显色阶段经过15分钟后，才开始进行下一步动作。

S17、清水液电磁阀通电，清水液经加液蠕动泵导通二分钟，然后加样装置和杂交反应盒分别运动到第一点位置，再依次按照上位机上所设定反应盒数量，单元液量(mL)对杂交台上各个试剂盒开始先抽废液，后注入清水液，最后清水液F电磁阀及加液蠕动泵都断电后，才开始进行下一步动作。

S18、杂交平台开始按25次/每分钟摇晃的动作，清水阶段开始一直沿时2分钟后，才开始进行下一步动作.

S19、停机等待，报警声响，提醒实验员完成实验，按下杂交结束按钮后，风扇停止，等待实验员取走杂交盒。

S20、洗管：机器自动用清水清洗管道；洗瓶：实验员手动清洗POD瓶、显色液瓶。

图2为本发明基因片段的杂交结果图，其中实点为杂交反应成功的区域。

本发明区别于现有技术中基因芯片使用过程中洗膜和显色步骤的操作繁杂，需要消耗大量的人力和时间，而且由于操作步骤多，容易造成人为因素的误差或错误，影响基因芯片的使用效果和结果，本发明提供了一种全自动杂交仪，通过X轴同步带机构、Z轴同步带机构能够使加样装置沿X轴和Z轴方向的定位运动更精确和通过Y轴同步带机构能够使杂交反应盒沿Y轴方向的定位运动更精确，并通过利用主线路板控制X、Y、Z轴同步带机构的运动能够使加样装置与杂交反应盒的定位精度更精确；通过功放线路板驱动试剂预热装置，能够满足试剂进行杂交反应的预热温度。通过主线路板和功放线路板对各装置的控制和驱动作用能够全自动地实现基因芯片操作技术中的洗涤、杂交，酶孵育、显色等步骤，人工参与少，可极大地降低产品成本，有效推动基因芯片的“平民化”和更广泛的应用，能够创造巨大的经济效益。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种全自动杂交仪，包括杂交平台、机架、背板，所述机架与背板固定于所述杂交平台，其特征在于，所述杂交平台上设有试剂供应装置、试剂预热装置，所述试剂预热装置与试剂供应装置相匹配；

所述机架上设有杂交反应盒、用于将所述试剂供应装置中试剂加入反应盒的加样装置、用于带动加样装置沿X轴方向往复运动的X轴同步带机构、用于带动加样装置沿Z轴方向往复运动的Z轴同步带机构、用于带动杂交反应盒沿Y轴方向往复运动的Y轴同步带机构；

所述杂交反应盒内设有杂交膜条，所述试剂供应装置通过管道与所述加样装置连接；

所述背板设有用于与上位机通信并控制X轴同步带机构、Z轴同步带机构及Y轴同步带机构运动的主线路板，用于驱动试剂预热装置的功放线路板。

2.根据权利要求1所述的全自动杂交仪，其特征在于，所述杂交反应盒的外侧设有用于控制杂交盒内试剂反应温度的杂交反应温控装置，所述杂交反应温控装置与所述功放线路板相连接。

3.根据权利要求2所述的全自动杂交仪，其特征在于，所述杂交反应温控装置包括位于所述杂交反应盒上面的加热槽盖板，容纳所述杂交反应盒的加热槽，加热槽底板及位于加热槽与加热槽底板之间的半导体制冷片；所述加热槽与所述半导体制冷片热接触，所述半导体制冷片与所述功放线路板电连接。

4.根据权利要求3所述的全自动杂交仪，其特征在于，所述加热槽底板外侧还设有用于加速降低杂交反应盒内液体温度的轴流风扇；所述杂交盒的侧面还设有固定于杂交平台上的散热风扇。

5.根据权利要求2-4任一项所述的全自动杂交仪，其特征在于，所述杂交反应盒通过驱动轴连接有用于摇晃杂交反应盒的步进电机。

6.根据权利要求5所述的全自动杂交仪，其特征在于，所述试剂预热装置还连接有温度传感器，所述温度传感器与所述主线路板相连接。

7.根据权利要求6所述的全自动杂交仪，其特征在于，所述背板上还设有加液蠕动泵、抽液蠕动泵及用于控制试剂供应装置的电磁阀。

8.根据权利要求7所述的全自动杂交仪，其特征在于，所述加样装置上设有针头，所述针头与所述管道相连通。

9.根据权利要求8所述的全自动杂交仪，其特征在于，所述X轴与Z轴设有分别设有用于感应加样装置运动位置的传感器，所述Y轴上设有用于感应杂交反应盒运动位置的传感器。

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