CN103103106A - 自动分析核酸的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自动分析核酸的仪器，该仪器包括：样本预处理装置，该样本预处理装置包括多个腔，根据样本预处理过程的顺序在所述腔内容纳有与样本混合的试剂，从而从样本中提取核酸；以及核酸扩增和检测装置，该核酸扩增和检测装置与所述样本预处理装置相连以接收从样本中提取的核酸。

Description

自动分析核酸的装置
技术领域
本发明涉及一种自动分析核酸的仪器，特别涉及这样一种自动分析核酸的仪器：它能简化样本预处理过程和脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的扩增和检测过程。
背景技术
一般而言，测量DNA、RNA、蛋白质或代谢产物以获知基因型或测量人体的遗传方差、生物化学变化等的分子诊断是一学科部门，该学科部门在用于分析和检测各种组学(Omics)(即，将有机体(或生物体)视为网络，对整个新型网络的行为构成之间等方面进行研究的科学)的装置和信息技术的发展之后逐步发展。
鉴于增长因子超过了需求，有许多因素都在推动分子诊断的发展，例如为了使高的临床失败率降至最低而采用的定制治疗方案的需求在增加，患者对已研发新药的低适应性，和副作用以及通过降低高的生物医药成本来使医疗成本合理化等。
然而，在将分子诊断用作一种作出准确判断的工具或手段方面，需考虑将可靠度、准确度、迅捷度和方便性作为最关键的问题，更进一步来说，还需要在多个领域内进行大量的技术开发，例如用来整合生物信息和临床医疗信息以获得有用的知识并对其加以利用的装置等。
从商业方面来说，解决投资中的低利润、对主要医疗研发企业的高依赖性、包括赔偿在内的事务、各种直接用于患者的模型的开发等已经成为当前的主要任务。
同时，分子诊断检验经历从试样(如血样等)中提取核酸等的样本预处理过程。样本预处理过程的聚合酶链式反应(PCR)是一种广为人知的DNA复制方法。可以利用该技术实现有选择且快速地大量复制任何DNA，故PCR广泛用于各种基因领域中，如诊断和治疗遗传性疾病、法医学等。通过该方法，用DNA聚合酶使待复制的DNA在各个复制步骤(每个复制步骤有特定的反应温度)中进行反复地复制。
这种复制过程利用了热控反应过程的周期循环，初始启动分子的量随着温度循环过程的重复而增加。总而言之，通过PCR进行的DNA复制过程是通过阶段性的重复操作而进行的。
换而言之，PCR从双链DNA开始，每个循环周期的第一反应被称为变性，它通过热处理使双链分离，该反应一般在95℃进行。接下来是将引物(与特定基因序列相互补的短单链基因序列，且该基因的合成目的是在PCR诊断、DNA碱基序列检测法等中使用)配对至两个分离后的DNA链的冷却过程。该过程被称为退火，在40-65℃下进行。最后一步是聚合过程，其中，混合物中的DNA聚合酶从引物开始启动DNA合成。该过程被称为延伸，在70℃-75℃下进行。此时，每个步骤中的确切温度可以随诊断检验项目而不同。
进行前述样本预处理过程包括将样本与试剂进行混合的过程和处理残渣的过程，十分费时。另外，目前用于样本处理过程的装置结构复杂，这会增加制造单位成本和消耗品，且在对大量样本进行共同处理时还可能污染样本。
背景部分披露的上述信息仅为了增强对本发明背景的理解，因此，其包含不形成该国中对本领域技术人员来说是已知的现有技术的信息。
发明内容
为了提供一种自动分析核酸的仪器而努力做出了本发明，该仪器包括能够简化样本预处理过程的样本预处理装置和能简化对核酸进行扩增和检测过程的核酸扩增和检测装置。
本发明的一种示例性实施方式提供了一种自动分析核酸的仪器，该仪器包括：样本预处理装置，其包括多个腔，根据样本预处理过程的顺序在所述腔内容纳有与样本混合的试剂，用于从样本中提取核酸；以及核酸扩增和检测装置，该核酸扩增和检测装置与所述样本预处理装置相连以接收从样本中提取的核酸。
该样本预处理装置还可以包括连接到所述腔的下部的混合单元，该混合单元接收从所述腔的打开的下部排出的试剂，并将试剂与样本进行混合。
所述混合单元可以包括安装在其底部的隔板。
所述腔可以包括喷嘴，空气通过该喷嘴供入；根据通过喷嘴供应的空气引起的腔的内压的变化，所述腔的下部可被打开和关闭。
所述腔的下部可以由弹性膜制成，当通过喷嘴供入的空气使腔的内压升高时，所述弹性膜伸长从而打开所述腔的下部。
所述弹性膜可以由弹性塑料制成。
所述混合单元可以包括进口管，样本通过该进口管供入。所述腔可安装成沿着所述进口管的外表面邻接。
所述仪器还可以包括收集单元，该收集单元与混合单元的下部连接，并收集其中混合了样本和试剂的流出物。
所述仪器还包括磁条，该磁条连接到所述收集单元的一侧，收集从样本中提取的DNA。
所述仪器还可以包括残渣排放止回阀，该残渣排放止回阀连接到所述收集单元的下部，从而允许残渣通过其排出；和流出物排放止回阀，该流出物排放止回阀允许最终从样本预处理过程收集的流出物通过其排出，其中，可以使所述流出物排放止回阀与所述核酸扩增和检测装置相连。
各个腔可以包括供入空气的喷嘴，并将各个腔设置成通过连接到所述混合单元的旋转装置而旋转，从而与向喷嘴提供空气的气泵相连。
所述核酸扩增和检测装置还可以包括接收单元、第一加热单元、第二加热单元、第三加热单元和与其相连的旋转单元。
所述筐可以根据所述旋转单元的旋转通过第一加热单元、第二加热单元和第三加热单元回到所述接收单元。
所述第一加热单元、第二加热单元和第三加热单元可以分别与温度调节装置相连。可以将所述第一加热单元的温度保持在约90℃-95℃的范围内，将第二加热单元的温度保持在约40℃-65℃的范围内，将第三加热单元的温度保持为约68℃-75℃的范围内。
所述仪器还可以包括光学装置，该光学装置对由所述核酸扩增和检测装置扩增的核酸进行分析。
根据本发明的实施方式，所述自动分析核酸的仪器能通过样本预处理装置和核酸扩增和检测装置简单化预处理样本的过程以及扩增和检测核酸的过程。
附图说明
图1是根据本发明一种实施方式的自动分析核酸的仪器的示意框图。
图2是根据本发明一种实施方式的样本预处理装置的透视图。
图3是沿图2中III-III线的截面图。
图4是显示在图3的试验预处理装置的腔被加压的状态下的截面图。
图5是根据本发明一种实施方式的腔的透视图。
图6是在图5中的腔的内部被加压状态下的透视图。
图7是根据本发明一种实施方式的核酸扩增和检测装置的示意性透视图。
图8是图7的核扩增和检测装置的分解透视图。
图9是根据本发明一种实施方式的光学装置的示意性透视图。
具体实施方式
附图所示为本发明的示例性实施方式，下面将结合附图对本发明进行更全面的描述。本领域技术人员应该理解的是，可以在不背离本发明的精神或范围前提下，通过各种途径对所描述的实施方式进行修改。附图和描述在本质上是进行阐述而非限制的。本说明书中相同的附图标记代表相同的元件。
图1是根据本发明一种实施方式的自动分析核酸的仪器的示意框图。
参见图1，根据本实施方式的自动分析核酸的仪器10可以包括样本预处理装置100，核酸扩增和检测装置200和连接到核酸扩增和检测装置200的光学装置300。
根据本实施方式的自动分析核酸的仪器10还可以包括连接到试验预处理装置100的残渣收集装置400，以收集从样本预处理装置100中排出的残渣。
本实施方式中，样本预处理装置100可以连续进行多个样本预处理过程，从而能在没有时间延迟、也不会在预处理过程之间产生任何副操作的情况下将核酸从样本中提取出来。
在此，核酸可以包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。
但为了简洁的目的，将在下文描述用样本预处理装置100对DNA进行的提取、扩增和检测，而略去RNA的具体描述。
可以将样本预处理装置100提取的DNA在不被暴露的情况下引入到核酸扩增和检测装置200内，该核酸扩增和检测装置200通过流出物排放止回阀190与样本预处理装置100相连。
此外，可以将排除样本预处理过程中产生的DNA后的残渣排放至残渣收集装置400中，该残渣收集装置400通过排放止回阀150连接到样本预处理装置100。
在将DNA引入到核酸扩增和检测装置200时，对DNA连续进行多个DNA复制过程以复制DNA，没有时间延迟、也不会在复制过程之间产生任何副操作。
此外，可以在各自的扩增和检测过程结束后，用光学装置300对在核酸扩增和检测装置200中复制的DNA进行实时分析。
因此，根据本实施方式，由于多个样本预处理过程和DNA复制过程是在样本预处理装置100和核扩增和检测装置200中连续进行的，所以能简化样本预处理和DNA复制所需的过程，缩短了整个加工时间，避免样本受到污染，同时也减少了不必要的操作。
而且，根据本实施方式，由于样本预处理和DNA复制所需的多个过程分别被集中包括在各个单个装置中，简化了自动分析核酸的仪器的结构。
此外，根据本实施方式，能稳定地对样本预处理过程中可以产生的残渣进行收集，进而能避免造成环境污染。
图2是根据本发明一种实施方式的样本预处理装置的透视图。图3是沿图2中III-III线的截面图。图4是显示在图3的试验预处理装置的腔被加压的状态下的截面图。图5是根据本发明一种实施方式的腔的透视图。图6是显示在图5中的腔的内部被加压的状态下的透视图。
下面将结合图2至图4对根据本实施方式的样本预处理装置100进行描述。根据本实施方式的样本预处理装置100可以包括通过其引入样本的进口管110，多个腔120，包括隔板的混合单元130，收集单元140和磁条170。
根据本实施方式，进口管110可以连接到形成于混合单元130的上部的样本入口孔(未示出)，且该进口管110为具有中空部分的管状，样品通过中空部分引入。
可以在进口管110的入口处安装盖111，从而盖111打开和关闭开口，从而防止样本之外的外来物质进入进口管110。
此外，混合单元130可以包括样本入口孔(未示出)，通过进口管110已经进入的样本通过该样本入口孔通过；通过其引入试剂的试剂入口孔(未示出)和供处理后的样本排出的排放孔(未示出)。混合单元130可以包括其中形成有中空部分的半球状壳。
腔120可为其中具有中空部分的基本六面体形，可以将腔120的下部安装成与混合单元130的上部相对，可将腔120的一个凹表面紧紧地连接到进口管110的外表面。
在此，根据本实施方式，将4个腔120安装成沿进口管110的外表面是邻接的，从而形成圆柱状。
但腔120的数量不局限于4个；也就是说，可以根据样本类型等使用1个或3个或更少，或者5个或更多个腔。
可以这样安装多个腔120中的一个：该腔120的下部与形成在混合单元130上的试剂入口孔(未示出)相对。
这样能使腔120内容纳的试剂在腔120的下部打开时进入混合单元130。
例如，各自的腔120内可容纳细胞裂解液、溶剂(洗涤液)、洗脱缓冲液、蛋白酶K、内对照、引物/探针，以及酶混合物中的一种或多种试剂。
结合图3至图6对根据本发明本实施方式的腔120下部的开口进行详细描述。可以将喷嘴121安装到腔120的上部上，空气通过该喷嘴121供入。
在腔120的下部开口上可以安装弹性膜122。可以将根据本实施方式的弹性膜122构造成具有预定厚度的弹性膜，或可将该弹性膜122制成含有弹性塑料。
在此，将弹性膜122的一侧固定到腔120的下部，使得该弹性膜122不会发生移动，而弹性膜122的另一侧牢固地附着到腔120的下部，但不固定。这样可使弹性膜122的另一侧伸长来打开腔120的一部分下部。
举例来说，如图6中所示，使连接到腔120的喷嘴121的气泵180中供应的空气通过喷嘴121进入腔120内从而升高腔120的内压时，将安装在腔120的下部上的弹性膜122的另一侧伸长以使腔120的一部分下部打开，从而允许腔120内容纳的试剂进入混合单元130内。
在此，当预处理样本所需的试剂量被引入混合单元130中时，停止通过喷嘴121向腔120中供入空气，降低腔120的内压，从而，弹性膜122的另一侧伸长至紧紧地定位到腔120的下部，从而使腔120的下部关闭。
因此，根据本实施方式，可以根据弹性膜122在空气供应期间(空气被供入腔120的期间)内打开的时间来调整被引入到混合单元130中的试剂量。
这样就能混合通过进口管110进入混合单元130的样本和在腔120的下部打开时进入混合单元130的试剂。
在此，可以将旋转装置160连接到混合单元130。同样，由于通过安装在混合单元130的底部上的隔板131使试剂和样本的流出物的流动在混合单元130内无规律，所以样本与试剂能在短时间内混合。
此外，旋转装置160可以使连接到混合单元130的进口管110和连接到进口管110的外表面的腔120仅在一定角度内旋转。
例如，如图2和图3中所示，旋转装置160可使腔120顺时针或逆时针地旋转约90度，从而使腔120的喷嘴121移动至该喷嘴121能够与气泵180相连的位置。
这样，通过旋转装置160已经移动的腔120的下部通过从气泵180供入的空气而升高的腔120的内压而打开，从而预处理样本所需的试剂能被排放到混合单元130中。
因此，根据本实施方式，根据样本预处理过程的顺序，旋转装置160能使容纳有预处理样本所需的试剂的腔120进行旋转，从而使试剂通过气泵180自动排放至混合单元130内。
在此，可以用伺服电机作为旋转装置160的电源。
此外，可以将根据本实施方式的收集单元140连接到形成混合单元130的排放孔处的部分，以收集混合在混合单元130内的样本与试剂的流出物。
在此，流出物可含有从经过试剂预处理的样本中提取出的DNA。
可以在收集单元140的外表面上安装磁条170，从而在收集单元140的内侧对从预处理的样本中提取的DNA进行收集。
此外，可以在收集单元140的下方安装用来排放残渣的残渣排放止回阀150，和用来排放最终从样本预处理过程中收集的流出物的流出物排放止回阀190。在此，可以将流出物排放止回阀190连接到核酸扩增和检测装置200。
在此，如图3和图4所示，在残渣通过止回阀被排放到外面时，根据本实施方式的磁条170牢固地附着到收集单元140的外表面以收集核酸，当残渣排放结束时，可以使磁条170与收集单元140的外表面分离。
图7是根据本发明一种实施方式的核扩增和检测装置的示意性透视图。图8是图7的核酸扩增和检测装置的分解透视图。
结合图7和图8，根据本发明的核酸扩增和检测装置200可以包括筐201、容纳该筐201的接收单元202、第一加热单元203、第二加热单元204和第三加热单元205，从样本预处理装置110中提取的DNA被引入到所述筐201。
根据本实施方式的筐201可以具有六面体形状，其具有中空部分和在其一侧形成的开口，其由高导热性材料制成。
此外，在接收单元202的上部形成有允许筐201插入其中的开口，狭窄的且与接收单元202的上部接触的两侧可以是开放的。
由此，如图8所示，可以将接收单元202构造成包括彼此相对的外壁和内壁，和连接外壁和内壁的下表面。
此外，第一加热单元203至第三加热单元205为具有其中形成的中空部分的六面体形状，其具有这样的结构：与上述两个开放的狭窄侧面相应地安装的侧边是打开的。第一加热单元203至第三加热单元可以由具有优异导热性的材料制成。
因此，可以将根据本实施方式的第一加热单元203至第三加热单元205构造成包括彼此相对的外壁和内壁，和连接所述外壁和内壁的上、下表面。
根据本实施方式，接收单元202可以与第一加热单元203相连，该第一加热单元203可以连接到第二加热单元204，该第二加热单元204可以与第三加热单元205相连，第三加热单元可以连接到接收单元202。
在此，接收单元202和第一加热单元203至第三加热单元205可连接形成具有形成在其中的中空部分的圆柱形，残渣收集装置400可以安装在圆柱形中空部分的下端以收集从样本预处理装置100中排出的残渣。
此外，在接收单元202与第一加热单元203至第三加热单元205连接到其的各自的侧面形成有开口，可以使接收单元202与第一加热单元203至第三加热单元205的各自的空心部分相连从而形成允许筐201在其中移动的通道。
此外，根据本实施方式，核酸扩增和检测装置200还可以包括旋转单元206，该旋转单元206连接到在连接接收单元202、第一加热单元203、第二加热单元204和第三加热单元205时形成的圆柱体的外表面。在此，旋转单元206可以使用伺服电机作为电源，该伺服电机用于旋转样本预处理装置100的旋转装置160。
因此，在筐201固定的情况下，以一定角度(如本实施方式中的约90度)使旋转单元206旋转时，可以将筐201移动至第一加热单元203。
此外，所述筐201可通过旋转单元206移动到第二加热单元204和第三加热单元205，然后回到接收单元202，这样核酸扩增和检测装置200可进行一次旋转。
根据本实施方式的核酸扩增和检测装置200还可以包括温度调节装置207。在此，可以将温度调节装置207分别与第一加热单元203、第二加热单元204和第三加热单元205相连。
这样可使第一加热单元203保持在90℃-95℃的温度范围，使第二加热单元204保持在40℃-65℃的温度范围，使第三加热单元205保持在68℃-75℃的温度范围。
此外，虽然在本实施方式中未进行详细描述，但在使用需要进行逆转录过程的核糖核酸时，接收单元或加热单元可被控制和保持在逆转录过程所需的温度(如50℃)下。
在此，根据本实施方式的温度调节装置207可以包括加热单元(未示出)(如加热装置)和冷却单元(未示出)(如冷却风扇)，可以将该温度调节装置207安装在核酸扩增和检测装置200的侧部或下端部。
下面，以含DNA的流出物为例对由核酸扩增和检测装置200进行的聚合酶链式反应(PCR)进行详细的描述。
容纳有从样本预处理装置100中提取出的DNA的筐201通过旋转单元206移动至第一加热单元203，在约90℃-95℃的温度范围对DNA进行加热。
这样，DNA在第一加热单元203中发生变性从而将双链DNA分离出来以获得每一条链。
同样，在筐201通过旋转单元206的操作从第一加热单元203移动至第二加热单元204时，使两条分离的单链DNA在约40℃-65℃的温度范围冷却以进行退火。
在此，在第二加热单元204中进行退火时，可以将引物(与特定基因序列相对应的短单链基因序列，且该基因被合成的目的是在PCR诊断、DNA碱基序列检测法等中使用)配对到在分离的DNA中期望进行扩增的碱基序列。
接着，当第二加热单元中的退火操作结束时，可以使筐201通过旋转单元206被旋转至第三加热单元205。
在此时，可以使第三加热单元205保持在约68℃-75℃的温度范围，对DNA进行聚合处理(延伸)。
这样，当筐201从接收单元202开始经过第一加热单元203、第二加热单元204和第三加热单元205回到接收单元202时，DNA在第一加热单元203、第二加热单元204和第三加热单元205的每一个中发生了变性、退火和延伸。
此时，为了完成变性、退火和延伸过程，核酸扩增和检测装置200必须被旋转一次。
例如，在假设为了完成本实施方式中的PCR分别进行30次的变性、退火和延伸过程时，必须将核酸扩增和检测装置200旋转30次。
图9是根据本发明一种实施方式的光学装置的示意性透视图。可以将光学装置300定位在核酸扩增和检测装置200的第三加热单元205的下端或侧面。
参见图9，根据本实施方式的光学装置300可以包括同轴光缆301(其包括激发光缆301a和发射光缆301b)，或任何分离的光缆301、激发过滤器302和发射过滤器303。作为典型的激发光源，可以使用LED、卤钨灯和激光灯，可以用光电倍增管(PMT)、CCD、光电二极管等对发射进行检测。
在每个周期中的延伸过程完成后，光学装置300可对核酸进行实时检测，并将数据传输到判读装置内，从而能将这些数据用于分析和诊断。
虽然结合了实际的示例性实施方式对本发明进行了描述，但应该理解本发明不限于所披露的实施方式，相反，它旨在覆盖随附权利要求书的范围和精神内的各种修改和等同构造。
附图标记说明：
100：样本预处理装置        110：进口管
120：腔                    121：喷嘴
130：混合单元
131：隔板
140：收集单元
150：残渣排放止回阀
160：旋转装置
170：磁条
190：流出物排放止回阀
200：核酸扩增和检测装置
201：筐
202：接收单元
203：第一加热单元
204：第二加热单元
205：第三加热单元
206：旋转单元
207：温度调节装置
300：光学装置
400：残渣收集装置

Claims (18)

1.一种自动分析核酸的仪器，包括：
样本预处理装置，该样本预处理装置包括多个腔，根据样本预处理过程顺序在所述腔内容纳有与样本混合的试剂，用于从样本中提取核酸；以及
核酸扩增和检测装置，该核酸扩增和检测装置与所述样本预处理装置相连以接收从样本中提取的核酸。
2.根据权利要求1所述的仪器，还包括：
连接到所述腔的下部的混合单元，该混合单元接收从所述腔的打开的下部排出的试剂，并将该试剂与样本进行混合。
3.根据权利要求2所述的仪器，其中，所述混合单元包括安装在其底部的隔板。
4.根据权利要求2所述的仪器，其中，所述腔包括喷嘴，空气通过该喷嘴被供应；根据通过喷嘴供应的空气引起的腔的内压的变化，所述腔的下部被打开和关闭。
5.根据权利要求4所述的仪器，其中，在形成于所述腔的下部的开口上安装弹性膜，当通过喷嘴供应的空气引起腔的内压升高时，所述弹性膜伸长从而打开所述腔的下部。
6.根据权利要求5所述的仪器，其中，所述弹性膜由弹性塑料制成。
7.根据权利要求2所述的仪器，其中，所述混合单元包括进口管，样本通过该进口管被引入。
8.根据权利要求7所述的仪器，其中，所述腔被安装成沿着所述进口管的外表面邻接。
9.根据权利要求8所述的仪器，还包括：
收集单元，该收集单元与混合单元的下部连接，并收集其中混合了样本和试剂的流出物。
10.根据权利要求9所述的仪器，还包括：
磁条，该磁条连接到所述收集单元的一侧，并收集从样本中提取的DNA。
11.根据权利要求9所述的仪器，还包括：
残渣排放止回阀，该残渣排放止回阀连接到所述收集单元的下部，从而允许残渣通过其被排出；和
流出物排放止回阀，该流出物排放止回阀允许最终从样本预处理过程中收集的流出物通过其被排出，
其中，所述流出物排放止回阀与所述核酸扩增和检测装置相连。
12.根据权利要求10所述的仪器，还包括：
连接到所述混合单元的旋转装置。
13.根据权利要求9所述的仪器，其中，各个腔包括喷嘴，空气通过该喷嘴被供应，各个腔被设置成通过连接到所述混合单元的旋转装置旋转，从而与向喷嘴供应空气的气泵相连。
14.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述核酸扩增和检测装置包括：
筐，核酸被引入该筐，
容纳所述筐的接收单元，连接到所述接收单元的第一加热单元、与所述第一加热单元相连的第二加热单元、和分别与所述第二加热单元与所述接收单元相连的第三加热单元。
15.根据权利要求14所述的仪器，其中，所述核酸扩增和检测装置还包括：
旋转单元，该旋转单元连接到所述接收单元、第一加热单元、第二加热单元和第三加热单元。
16.根据权利要求15所述的仪器，其中，所述筐根据所述旋转单元的旋转通过第一加热单元、第二加热单元和第三加热单元回到所述接收单元。
17.根据权利要求15所述的仪器，其中，所述第一加热单元、第二加热单元和第三加热单元分别与温度调节装置相连，
所述第一加热单元的温度被保持在约90℃-95℃的范围内，
所述第二加热单元的温度被保持在约40℃-65℃的范围内，和
所述第三加热单元的温度被保持在约68℃-75℃的范围内。
18.根据权利要求14所述的仪器，还包括：
光学装置，该光学装置与所述核酸扩增和检测装置相连，并在接收时对由所述核酸扩增和检测装置扩增的核酸进行分析。
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