CN105259355A - 自动化生物样品前处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动化生物样品前处理装置。本发明包括磁场控制模块、试管混匀模块和电子控制模块，电子控制模块作为本装置的核心控制部分，分别与磁场控制模块和试管混匀模块连接；磁场控制模块包括磁铁升降驱动电机、丝杆、直线导轨、升降滑块、升降滑块定位触发板、磁铁布置台固定板、磁铁布置台、第二第三光电开关固定板和两个光电开关；试管混匀模块包括第一第二试管布置台旋转固定轴、试管布置台旋转定位销、第一光电开关、试管布置台和试管布置台旋转电机。本发明针对生物样品的前处理过程实现了自动化，包含混匀、分离等动作，减少了实验操作的样液转移需要，降低了交叉污染的可能性，自动化程度高，机械结构简单，实用性高。

Description

自动化生物样品前处理装置

技术领域

本发明涉及一种样品处理装置，尤其是涉及了一种自动化生物样品前处理装置。

背景技术

在对生物样品进行检测时，前处理是一个必不可少的步骤。通过前处理，将待测目标物从复杂背景中分离出来并富集，然后开始后续的具体检测步骤。由于生物样品背景的复杂性和不确定性，因此如果前处理的效果不够理想，极易给后续的检测步骤带来困难。

整个前处理过程一般包括加样、混匀、分离、富集、清洗等步骤，其中分离是至关的一步。在当前各种生化分离方法中，基于纳米磁珠的分离方法因为其突出的优势已成为生化检测领域中的常规方法。快速、重复性高、操作简单、易于表面修饰、生物兼容等等优势，都让磁性分离方法在检验检疫、环境监测、免疫分析等等方面的应用越来越多。

传统的仪器设计往往将前处理各个步骤分立考虑，既显得操作繁琐又有交叉污染的可能，也会有比较高的购置成本。另外，在传统的纯手工处理过程中，因为存在比较长的等待时间，极易造成实验员无谓的时间浪费。因此有必要研发一台自动化的集成仪器，在保证效果的同时缩短整个生物样品前处理过程的耗时并简化实验员的手工操作。

发明内容

本发明的目的，在于针对现有技术的不足，提供一种自动化生物样品前处理装置，使用机械电子控制技术实现自动化的对待检生化样品进行快速前处理。本发明通过各个模块之间的配合，可以实现混匀操作中各个参数的手动设置控制以及分离和混匀操作之间的无间隔连续进行。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案主要包含：

本发明包括磁场控制模块、试管混匀模块和电子控制模块，电子控制模块分别与磁场控制模块和试管混匀模块连接；所述的磁场控制模块包括磁铁升降驱动电机、第一联轴器、丝杆、直线导轨、升降滑块、升降滑块定位触发板、磁铁布置台固定板、磁铁布置台、第二光电开关固定板、第二光电开关、第三光电开关、第三光电开关固定板；磁铁升降驱动电机固定安装在装置底座底面，磁铁升降驱动电机的输出轴向上穿过底座的通孔通过第一联轴器与丝杆底端同轴连接，丝杆侧方竖直安装有与丝杆平行的直线导轨，丝杆上套有升降滑块，升降滑块嵌入直线导轨中沿直线导轨上下移动，升降滑块侧面固定有磁铁布置台固定板，在磁铁布置台固定板上固定安装有水平的磁铁布置台，试管混匀模块安装在所述磁场控制模块的磁铁布置台的正上方，多块磁铁通过磁力吸附在磁铁布置台上表面，多块磁铁通过磁铁升降驱动电机驱动上升到试管混匀模块中试管壁的侧方进行前处理，升降滑块侧面设有用于移动位置检测的定位触发机构；磁铁升降驱动电机和定位触发机构与电子控制模块连接。

所述的多块磁铁间隔均布在磁铁布置台上表面，相邻两块磁铁之间设有用于分隔的磁铁分隔块。

所述的定位触发机构包括升降滑块定位触发板以及与升降滑块定位触发板配合的第二光电开关和第三光电开关，在升降滑块一侧相外伸出安装有水平的升降滑块定位触发板，第二光电开关和第三光电开关分别位于升降滑块定位触发板的正上方和正下方，第二光电开关和第三光电开关分别通过第二光电开关固定板、第三光电开关固定板固定安装在装置机架上。

所述的试管混匀模块包括第一试管布置台旋转固定轴、试管布置台旋转定位销、第一光电开关、第一轴承座、试管布置台、第二试管布置台旋转固定轴、第二轴承座、第二联轴器和试管布置台旋转电机；试管布置台旋转电机固定于装置侧面机架，试管布置台旋转电机的输出轴通过第二联轴器与第二试管布置台旋转固定轴同轴连接，试管布置台的两端分别与第二试管布置台旋转固定轴和第一试管布置台旋转固定轴固定连接；第二试管布置台旋转固定轴通过第二滚珠轴承套在第二轴承座的通孔内支撑，第一试管布置台旋转固定轴通过第一滚珠轴承套在第一轴承座的通孔内支撑；试管布置台上均布设有若干工位孔，每排工位孔放置试管，一轴承座外端面固定有第一光电开关，第一试管布置台旋转固定轴的侧壁固定有试管布置台旋转定位销，试管布置台旋转定位销位于第一光电开关的缺口中配合。

所述的试管布置台上均布设有多排工位孔，多排工位孔包括间隔均布的多个工位孔。

所述的电子控制模块包括主控制器、电机驱动单元、参数显示与控制单元、报警提示单元、通讯单元；主控制器分别与电机驱动单元、参数显示与控制单元、报警提示单元、通讯单元连接，并且电机驱动单元分别与磁场控制模块和试管混匀模块中的电机相连；所述的主控制器分别与所述磁场控制模块中的第二光电开关和第三光电开关和所述试管混匀模块中的第一光电开关连接。

本发明的磁场控制模块可在电子控制模块的控制下自动地实现试管周围磁场的加入与撤除，并实现目标物在试管壁的聚集。

本发明的试管混匀模块可在电子控制模块的控制下人为设置速度、幅度、时间和旋转圈数等参数对盛有样液的试管进行360度旋转、摆动或震荡的混匀动作。

本发明具有的有益效果是：

1、将原本分立的需要多台仪器完成的生物样品前处理操作集成到一台装置中完成，既避免了频繁的样品移动，降低了污染的可能性，也减少了实验仪器的购置花费。

2、试管混匀过程中可以完成旋转、摆动和震荡功能，同时强度、角度、时间、速度等参数都可以在使用前人工设置，可以满足较广范围使用。

3、磁性分离时磁铁块置于每两排试管之间，可以实现磁珠在试管壁而不是底部的聚集，降低了移液枪移液时可能造成的磁珠损失概率。

附图说明

图1是本发明的总体框架结构图。

图2是本发明中磁场控制模块和试管混匀模块的示意图。

图3是本发明执行磁性分离动作时磁场控制模块和试管混匀模块相对位置的示意图。

图4是本发明中电子控制模块的连接示意图。

图5是本发明装置的工作流程示意图。

图中：磁铁升降驱动电机1，第一联轴器2，丝杆3，直线导轨4，升降滑块5，升降滑块定位触发板6，磁铁布置台固定板7，磁铁布置台8，第一试管布置台旋转固定轴9，试管布置台旋转定位销10，第一光电开关11，第一轴承座12，试管布置台13，试管14，第二试管布置台旋转固定轴15，第二轴承座16，第二联轴器17，试管布置台旋转电机18，磁铁19，磁铁分隔块20，第二光电开关固定板21，第二光电开关22，第三光电开关23，第三光电开关固定板24，第二滚珠轴承25，第一滚珠轴承26。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，本发明的包括磁场控制模块、试管混匀模块和电子控制模块，电子控制模块作为本装置的核心控制部分，分别与磁场控制模块和试管混匀模块连接；上述三个模块相互配合，实现自动化地对待检生物样品进行分离、混匀等前处理。

如图2和图3所示，磁场控制模块包括磁铁升降驱动电机1、第一联轴器2、丝杆3、直线导轨4、升降滑块5、升降滑块定位触发板6、磁铁布置台固定板7、磁铁布置台8、第二光电开关固定板21、第二光电开关22、第三光电开关23、第三光电开关固定板24；磁铁升降驱动电机1固定安装在装置底座底面，磁铁升降驱动电机1的输出轴向上穿过底座的通孔通过第一联轴器2与丝杆3底端同轴连接，丝杆3侧方竖直安装有与丝杆3平行的直线导轨4，丝杆3上套有升降滑块5，升降滑块5嵌入直线导轨4中沿直线导轨4上下移动，升降滑块5侧面固定有磁铁布置台固定板7，在磁铁布置台固定板7上固定安装有水平的磁铁布置台8，试管混匀模块安装在所述磁场控制模块的磁铁布置台8的正上方，多块磁铁19通过磁力吸附在磁铁布置台8上表面，多块磁铁19通过磁铁升降驱动电机1驱动上升到试管混匀模块中试管壁的侧方进行前处理，升降滑块5侧面设有用于移动位置检测的定位触发机构；磁铁升降驱动电机1和定位触发机构与电子控制模块连接。

多块磁铁19间隔均布在磁铁布置台8上表面，相邻两块磁铁19之间设有用于分隔的磁铁分隔块20。

定位触发机构包括升降滑块定位触发板6以及与升降滑块定位触发板6配合的第二光电开关22和第三光电开关23，在升降滑块5一侧相外伸出安装有水平的升降滑块定位触发板6，第二光电开关22和第三光电开关23分别位于升降滑块定位触发板6的正上方和正下方，第二光电开关22和第三光电开关23分别通过第二光电开关固定板21、第三光电开关固定板24固定安装在装置机架上。

试管混匀模块包括第一试管布置台旋转固定轴9、试管布置台旋转定位销10、第一光电开关11、第一轴承座12、试管布置台13、试管14、第二试管布置台旋转固定轴15、第二轴承座16、第二联轴器17和试管布置台旋转电机18；试管布置台旋转电机18固定于装置侧面机架，试管布置台旋转电机18的输出轴通过第二联轴器17与第二试管布置台旋转固定轴15同轴连接，试管布置台13的两端分别与第二试管布置台旋转固定轴15和第一试管布置台旋转固定轴9固定连接；第二试管布置台旋转固定轴15通过第二滚珠轴承25套在第二轴承座16的通孔内支撑，第一试管布置台旋转固定轴9通过第一滚珠轴承26套在第一轴承座12的通孔内支撑；试管布置台13上均布设有多排工位孔，多排工位孔包括间隔均布的多个工位孔，如图4所示，磁场控制模块的磁铁19上升后置于多排工位孔之间。工位孔放置试管14，试管14顶端密封，一轴承座12外端面固定有第一光电开关11，第一试管布置台旋转固定轴9的侧壁固定有试管布置台旋转定位销10，试管布置台旋转定位销10位于第一光电开关11的缺口中配合。

当磁铁升降驱动电机1在电子控制模块的驱动下动作时，通过第一联轴器2带动丝杆3转动，进而带动固定在一起的升降滑块5、升降滑块定位触发板6、磁铁布置台固定板7、磁铁布置台8和磁铁19在竖直方向上上下移动。升降滑块定位触发板6在升降过程中，竖直方向的位置始终保持在第二光电开关22和第三光电开关23之间。当升降滑块定位触发板6向下运动触发第三光电开关23响应时，电子控制模块接收到反馈信号然后控制磁铁升降驱动电机1停止转动，即升降滑块5停止向下运动，此时为磁铁19的初始状态位置；当升降滑块定位触发板6向上运动触发第二光电开关22时，同样电子控制模块接收到反馈信号控制磁铁升降驱动电机1停止转动，升降滑块5停止向上运动，此时磁铁19到达试管14中间的分离工作位，开始执行分离动作。具体的磁铁升降驱动电机1可采用雷赛科技公司的42两相步进电机，但不限于此。

如图4所示，电子控制模块包括主控制器、电机驱动单元、参数显示与控制单元、报警提示单元、通讯单元；主控制器分别与电机驱动单元、参数显示与控制单元、报警提示单元、通讯单元连接，用于控制和接收各个单元的工作状态。主控制器分别与磁场控制模块中的第二光电开关22和第三光电开关23和所述试管混匀模块中的第一光电开关11连接。

电机驱动单元主要包括电机驱动器等，与磁场控制模块中的磁铁升降驱动电机1和试管混匀模块中的试管布置台旋转电机18相连，接收主控制器输入的PWM脉冲并据此驱动两台电机执行相应动作；参数显示与控制单元主要包括触摸屏等，在装置工作前提供给实验员输入当前实验的参数(磁性分离时间、混匀时间、混匀模式等)，在实验开始后实时显示装置的工作状态；报警提示单元主要包括LED灯、蜂鸣器和语音模块等，用于在混匀或者分离工作结束需要人工移液时提示实验员；通讯单元主要包括GSM模块等，与报警提示单元功能相同，主要在特定情况下使用，比如实验室静音或者实验员相距较远时等。具体的主控制器可采用宏晶科技公司的STC12系列单片机，电机驱动器可以采用雷赛科技公司的数字步进电机驱动器DM422C，GSM模块可采用SIM900模块，但均不限于此。

如图5所示，本发明的具体实施工作过程如下：

1)待测液配置：根据实验要求配置不同浓度的待测液，放置待用；

2)实验参数设置：通过装置上的触摸屏，设置混匀方式(旋转、摆动或震荡)、混匀时间、混匀速度、分离时间等参数；

3)加入磁珠，混匀：在配置好的待测液中加入经过修饰的磁珠，然后将试管置于试管布置台13上的空闲工位中。操作触摸屏，试管混匀模块根据设置好的参数开始混匀动作；

4)分离富集：混匀结束后，磁场控制模块中的磁铁19在电子控制模块的驱动下到达如图3所示的分离工作位，根据设置好的参数静置相应的时间，执行磁性分离动作，结束后通过报警提示单元或通讯单元通知实验员，同时磁场控制模块中的磁铁19回到初始位置；

5)清洗：实验员移去经过分离处理后待测液中的上清液，然后加入缓冲液，根据设置好的参数混匀，结束后磁铁19运动到分离工作位执行磁性分离动作，分离结束后磁铁19回到初始位置，然后通过报警提示单元或通讯单元通知实验员。重复步骤5总共三次。最后加入缓冲液悬浮；

6)加入标记溶液，混匀：向上述反应后的待测液中加入一定量已完成抗体连接的标记溶液，然后操作触摸屏，试管混匀模块根据设置好的参数开始混匀动作；

7)分离富集：混匀结束后，磁场控制模块中的磁铁19在电子控制模块的驱动下到达如图3所示的分离工作位，根据设置好的参数静置相应的时间，执行磁性分离动作，结束后通过报警提示单元或通讯单元通知实验员，同时磁场控制模块中的磁铁19回到初始位置；

8)清洗：实验员移去经过分离处理后待测液中的上清液，然后加入一定量的缓冲液，根据设置好的参数混匀一段时间，结束后磁铁19运动到分离工作位，执行磁性分离动作一段时间，结束后磁铁19回到初始位置，然后通过报警提示单元或通讯单元通知实验员。重复步骤8总共三次。最后加入一定量的缓冲液悬浮；

9)结束：取出最后得到的溶液，准备用于下一步的检测，结束本装置的工作。

整个前处理过程除去待测液配置以及取样、弃样步骤，均实现了自动化。

另外，相比于现有的装置，通过本发明装置在前处理过程中实现了将生物样品前处理过程集成于一台装置中，减少了试管移动的次数，既降低了交叉感染的可能性也方便了实验员。同时，通过电子控制模块的控制，可很方便的设置混匀时各个方式的动作组合以及各个步骤的时间，避免了原本实验员需要在每步实验结束后都需要重新设置的麻烦。

上述具体实施方式是用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改版，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种自动化生物样品前处理装置，其特征在于：包括磁场控制模块、试管混匀模块和电子控制模块，电子控制模块分别与磁场控制模块和试管混匀模块连接；所述的磁场控制模块包括磁铁升降驱动电机(1)、第一联轴器(2)、丝杆(3)、直线导轨(4)、升降滑块(5)、升降滑块定位触发板(6)、磁铁布置台固定板(7)、磁铁布置台(8)、第二光电开关固定板(21)、第二光电开关(22)、第三光电开关(23)、第三光电开关固定板(24)；磁铁升降驱动电机(1)固定安装在装置底座底面，磁铁升降驱动电机(1)的输出轴向上穿过底座的通孔通过第一联轴器(2)与丝杆(3)底端同轴连接，丝杆(3)侧方竖直安装有与丝杆(3)平行的直线导轨(4)，丝杆(3)上套有升降滑块(5)，升降滑块(5)嵌入直线导轨(4)中沿直线导轨(4)上下移动，升降滑块(5)侧面固定有磁铁布置台固定板(7)，在磁铁布置台固定板(7)上固定安装有水平的磁铁布置台(8)，试管混匀模块安装在所述磁场控制模块的磁铁布置台(8)的正上方，多块磁铁(19)通过磁力吸附在磁铁布置台(8)上表面，多块磁铁(19)通过磁铁升降驱动电机(1)驱动上升到试管混匀模块中试管壁的侧方进行前处理，升降滑块(5)侧面设有用于移动位置检测的定位触发机构；磁铁升降驱动电机(1)和定位触发机构与电子控制模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种自动化生物样品前处理装置，其特征在于：所述的多块磁铁(19)间隔均布在磁铁布置台(8)上表面，相邻两块磁铁(19)之间设有用于分隔的磁铁分隔块(20)。

3.根据权利要求1所述的一种自动化生物样品前处理装置，其特征在于：所述的定位触发机构包括升降滑块定位触发板(6)以及与升降滑块定位触发板(6)配合的第二光电开关(22)和第三光电开关(23)，在升降滑块(5)一侧相外伸出安装有水平的升降滑块定位触发板(6)，第二光电开关(22)和第三光电开关(23)分别位于升降滑块定位触发板(6)的正上方和正下方，第二光电开关(22)和第三光电开关(23)分别通过第二光电开关固定板(21)、第三光电开关固定板(24)固定安装在装置机架上。

4.根据权利要求1所述的一种自动化生物样品前处理装置，其特征在于：所述的试管混匀模块包括第一试管布置台旋转固定轴(9)、试管布置台旋转定位销(10)、第一光电开关(11)、第一轴承座(12)、试管布置台(13)、第二试管布置台旋转固定轴(15)、第二轴承座(16)、第二联轴器(17)和试管布置台旋转电机(18)；试管布置台旋转电机(18)固定于装置侧面机架，试管布置台旋转电机(18)的输出轴通过第二联轴器(17)与第二试管布置台旋转固定轴(15)同轴连接，试管布置台(13)的两端分别与第二试管布置台旋转固定轴(15)和第一试管布置台旋转固定轴(9)固定连接；第二试管布置台旋转固定轴(15)通过第二滚珠轴承(25)套在第二轴承座(16)的通孔内支撑，第一试管布置台旋转固定轴(9)通过第一滚珠轴承(26)套在第一轴承座(12)的通孔内支撑；试管布置台(13)上均布设有若干工位孔，每排工位孔放置试管(14)，一轴承座(12)外端面固定有第一光电开关(11)，第一试管布置台旋转固定轴(9)的侧壁固定有试管布置台旋转定位销(10)，试管布置台旋转定位销(10)位于第一光电开关(11)的缺口中配合。

5.根据权利要求4所述的一种自动化生物样品前处理装置，其特征在于：所述的试管布置台(13)上均布设有多排工位孔，多排工位孔包括间隔均布的多个工位孔。

6.根据权利要求1所述的一种自动化生物样品前处理装置，其特征在于：所述的电子控制模块包括主控制器、电机驱动单元、参数显示与控制单元、报警提示单元、通讯单元；主控制器分别与电机驱动单元、参数显示与控制单元、报警提示单元、通讯单元连接，并且电机驱动单元分别与磁场控制模块和试管混匀模块中的电机相连；所述的主控制器分别与所述磁场控制模块中的第二光电开关(22)和第三光电开关(23)和所述试管混匀模块中的第一光电开关(11)连接。