CN109269873A - 用于高通量生物样本处理的磁分离加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高通量生物样本处理的磁分离加热装置，包括磁分离工位，加热工位，通信控制工位和普通工位，通过底板连接。磁分离工位包括：底座，固定在底座中间凹槽处的直线电机，通过丝杠与电机相连的磁棒固定板，磁棒固定板上固定有永磁棒阵列；加热工位包括：具有以阵列形式排列的立柱状不规则突起的异形托盘，以及托盘下方的加热结构；通信控制工位的空腔内设置有控制电路板，侧壁设有通信接口和电源开关；普通工位用于放置生物样本。本发明可集成在全自动移液工作站上，实现了高通量生物样品的磁性纳米颗粒分离及加热处理过程的全自动化，同时提高了大通量生物样品处理过程中的磁分离效率、加热效率和加热均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及一种带有加热功能的磁分离装置，尤其涉及一种用于高通量生物样本处理的磁分离加热装置。
背景技术
近年来，超顺磁性纳米颗粒的制备与应用已经成为研究的热点。超顺磁性纳米颗粒具有比表面积大、表面易于修饰、超顺磁性等优良特性，因此被广泛应用于生物医学领域，特别是生物样本的分离更是该领域的重要应用之一。基于磁性纳米颗粒的生物样本分离，具有速度快、效率高、操作简单、对分离产物的生物活性影响小、易于实现自动化等优点。相比于传统的样本分离方法如盐析法、酚-氯仿提取法、碱提取法、梯度离心法等，基于磁性纳米颗粒的分离方法不需要离心等繁琐的步骤，对设备的要求低。
分子诊断需要用到各种各样的生物样本，例如全血、淋巴、唾液、尿液、汗液、粪便、毛发、各种组织以及呼出的气体等。原始的生物样本无法直接进行诊断检测，获取样本后首先要对生物样本进行样本前期处理工作，高通量的分子诊断需要一次性对大量的生物样本进行快速高效的处理操作。开发高效的生物样本处理装置可以大大地提高工作效率，减少人工操作步骤，减轻研究人员的工作量，从而更好地推进学科的发展。
全自动移液工作站是目前常用的高通量生物样本移液操作平台，该平台简单高效，实验结果精准可靠，既使科研人员脱离了繁琐的实验操作，又减少了实验过程中的人为误差。但是目前此类全自动移液工作站只能够完成移液、稀释、分液及合并液体等简单的液体处理工作，尚不能对生物样本进行磁性纳米颗粒的分离、加热等特殊的操作和处理。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种磁分离加热装置，该装置可集成在全自动移液工作站上，实现全自动化、高通量生物样品的磁性纳米颗粒分离及热处理，提高大通量生物样品处理过程中的磁分离效率、加热效率和加热均匀性。
技术方案：本发明所采用的技术方案是一种用于高通量生物样本处理的磁分离加热装置：
该装置包括磁分离工位、加热工位、通信控制工位和用于放置样本的普通工位，通过装置底座固定连接在一起。
其中，磁分离工位包括底座、直线电机、丝杠、磁棒固定板和永磁棒。直线电机固定在底座中间的凹槽处，丝杠的一端固定在直线电机上，另一端与磁棒固定板的中心相连接，磁棒固定板上固定有若干以阵列形式排列的永磁棒，形成永磁棒阵列。磁分离工位的前后各设置有一根直线导轨，并固定在底座上，直线导轨与磁棒固定板通过滑块相连。直线导轨用来限制磁棒固定板在丝杠的带动下延导轨上下移动，上限位开关和下限位开关用来限制磁棒固定板移动的极限位置。上限位开关和下限位开关分别固定于装置的侧板和磁分离底座上。
永磁棒阵列与放置在磁分离工位上方的标准微孔板的尺寸相适配。永磁棒阵列按6×4排列，由强力磁铁制成，永磁棒的顶端为强磁极。当电机带动磁棒固定板上升到设定位置时，永磁棒位于微孔板样品槽之间的空隙处，靠近样品槽的外壁。
加热工位从上至下依次是异形托盘、导热板、加热板、隔热板和散热板；异形托盘、导热板与下方的加热板一起紧密贴合，通过紧固件固定，外隔热板环绕在以上高温部件的四周。贴合面之间涂有导热硅脂，提高加热效率。加热板为铝基电阻加热板，铝基板的表面焊有贴片电阻和热敏电阻。
异形托盘具有以阵列形式排列的立柱状不规则突起，为铝合金材质，最外一圈立柱较中间的立柱高，中间的立柱按11×7排列；异形托盘的尺寸及不规则突起的间距与放置在其上方的标准微孔板相匹配。
通信控制工位的空腔内设置有控制电路板，侧壁设有通信接口和电源开关；通信控制工位上方设有盖板并安装有可拆卸的微孔板支架，微孔板支架可以根据实际需求拆取，安装至普通工位上，用于放置生物样本。
有益效果：本发明有以下优点：1、本发明的磁分离采用强力磁铁制成的永磁棒阵列，大幅度的提高了样品所处位置的磁场强度，从而提高了磁分离效率；2、本发明采用异性托盘，增加了样品的受热面，提升了加热速度且使样品加热更均匀；3、本发明按照标准的SBS工位尺寸设计，可集成到现有的全自动移液工作站，无需任何结构上的更改，配合自动移液工作站的机械抓手和8通道移液器，即可实现高通量生物样本的全自动磁分离及加热处理；4、本发明采用模块化的设计，内置独立的控制电路和驱动程序，通信接口完备，既可以集成于全自动移液工作站使用，也可以单独使用，且磁分离、加热等功能模块相互独立，互不干扰。
附图说明
图1是本发明装置的整体结构图；
图2是本发明装置外加标准微孔板以后的示意图；
图3是本发明装置的磁分离工位内部结构图；
图4是本发明所述的永磁棒阵列的排布示意图；
图5是本发明装置加热工位的异形加热构件剖视图；
图6是本发明装置的正面剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的一种用于高通量生物样本处理的磁分离加热装置：
如图1为本发明装置的整体结构图。该装置包括磁分离工位1，加热工位2，通信控制工位3和用于放置样本的普通工位4，通过装置底座5固定连接在一起。该装置的尺寸符合SBS标准，能适配于全自动移液工作站中。四个工位可并排固定，也可以根据需求按2×2的形式排列固定。
如图2是本发明装置外加标准微孔板以后的示意图。标准微孔板6通过各个工位上方的卡位或者框架来固定。
如图3为磁分离工位内部结构图。磁分离工位1包括底座108、直线电机101、丝杠105、磁棒固定板106和永磁棒104。直线电机101固定在底座108中间的凹槽处，丝杠105的一端固定在直线电机101上，另一端与磁棒固定板106的中心相连接，磁棒固定板106上固定有若干以阵列形式排列的永磁棒104，形成永磁棒阵列。磁分离工位1的前后各设置有一根直线导轨102，并固定在底座108上，直线导轨102与磁棒固定板106通过滑块相连。直线导轨102用来限制磁棒固定板106在丝杠105的带动下延导轨上下移动，上限位开关103和下限位开关107用来限制磁棒固定板106移动的极限位置。上限位开关103和下限位开关107分别固定于装置的侧板109和磁分离底座108上。
所述的永磁棒104由强力磁铁制成，永磁棒的顶端为强磁极。通过电机101带动磁棒固定板106延直线轨道102上升，永磁棒和样品的距离减小，样品所处位置的磁场强度逐渐增加，当电机带动磁棒固定板106上升到设定位置时，永磁棒104位于微孔板样品槽之间的空隙处，靠近样品槽的外壁，此时样品处的磁场强度达到最大，磁性纳米颗粒在强磁场作用下更多、更快的聚集在一起，从而提高磁分离效率。
永磁棒阵列的尺寸与标准96孔微孔板的尺寸相匹配，按6×4排列，也可以根据实际所用耗材的样品槽的数量设计。如图4为永磁棒阵列的排布示意图。示意图为俯视图，方形框代表微孔板上样品槽的位置，黑色原点代表永磁棒的位置。所用耗材为标准96孔微孔板，样品槽以12×8排列。对应96孔微孔板，磁棒按6×4阵列排布，就能保证每个样品槽的旁边有一根磁棒，达到最好的磁分离效果。如果一个样品槽的周围近距离存在多根磁棒，反而不利于磁珠在一处贴壁聚集。
如图5为本发明所述的加热工位的异形加热构件剖视图。从上至下依次是异形托盘201、导热板202、加热板203、隔热板204和散热板205；异形托盘201、导热板202与下方的加热板203一起紧密贴合，通过紧固件固定，外隔热板206环绕在以上高温部件的四周。贴合面之间涂有导热硅脂，提高加热效率。加热板203为铝基电阻加热板，铝基板的表面焊有132个并联连接的贴片电阻和PT100热敏电阻，通过改变贴片电阻的阻值可以精确地改变铝基电阻加热板的加热功率。通过热敏电阻实时监测温度值，作为温度控制的反馈信号，精确控制铝基电阻加热板的表面温度。
异形托盘201为铝合金材质，具有以阵列形式排列的立柱状不规则突起，最外一圈立柱较中间的立柱高，中间的立柱按11×7排列。异形托盘201的尺寸及不规则突起的间距与放置在其上方的96孔标准微孔板相匹配。最外一圈立柱具有两个圆弧状内倒角，中间突起为带弧度的菱形结构，相邻四个突起的弧度正好包围住微孔板上的样品槽，提高热量的传递效率和均匀性，从而使板内的液体快速升温。
如图6为本装置的剖视图。通信控制工位3的空腔内设置有控制电路板303，侧壁设有DB9通信接口304和电源开关305；通信控制工位3上方设有盖板308并安装有可拆卸的微孔板支架306，微孔板支架306可以根据实际需求拆取，安装至普通工位4上，用于放置生物样本。
实施例：基于磁性纳米颗粒的全血核酸样本提取实验
本发明装置集成于全自动移液工作站中，利用通信接口实现装置与工作站的通信，在相应的工位放置好实验所需的相应的试剂和耗材后，装置的控制电路控制电机和加热器的启动和关闭，配合全自动移液工作站的机械抓手和八通道移液器，完成对96个全血样本的全自动核酸提取操作。
1、将装有待提取的全血样本的微孔板放置在加热工位上，其余普通工位和通信控制工位上方分别放置装有核酸提取试剂的微孔板和用于存放废液的空白微孔板。此时，装置处于初始化状态。
2、裂解。八通道移液器吸取裂解液和蛋白酶K加入待提取全血样本中。加热工位开始工作，设定加热温度为60℃，保持10分钟。铝基电阻加热板通电迅速升温，电阻加热板上集成的PT100温度传感器实时监测温度，反馈给控制单元，实现精确温控。异性托盘的立柱状突起包围微孔板上每个样品槽的外壁，使槽内的温度迅速、均匀的升高，温度达到设定值后保持不变。
3、结合。八通道移液器吸取磁性纳米颗粒与结合液的混合液加入待提取全血样本中，然后关闭加热工位的加热功能，等待结合过程完成。
4、磁分离。机械抓手抓取加热工位上装有样品的微孔板，将其转移至磁分离工位。直线电机启动，永磁棒阵列随磁棒固定板一起沿着直线导轨向上运动，一直到达设定高度，此时永磁棒紧邻微孔板每个样品槽的外壁，磁性纳米颗粒在磁场的作用下在槽的内壁迅速聚集；然后，电机缓慢反向转动，永磁棒带动磁性纳米颗粒缓慢下降至槽底附近，八通道移液器移除每个孔中的上清液，转移至废液板。然后再次启动直线电机，永磁棒阵列沿直线导轨向下运动至下限位开关处，此时磁棒阵列远离微孔板，磁场作用微弱，磁性纳米颗粒被释放。
5、清洗Ⅰ。八通道移液器吸取清洗液加入样本中，并进行多次吹打混匀，使清洗液与磁性纳米颗粒充分混合均匀，洗去磁性纳米颗粒表面沾染的杂质。然后，重复上一步磁分离操作。
6、清洗Ⅱ。重复上一步清洗Ⅰ操作。
7、蒸干。机械抓手将样品微孔板转移至加热工位，设定加热温度为65℃，将微孔板内残留的清洗液蒸发。保持加热功能开启。
8、洗脱。八通道移液器将洗脱液加入蒸干的磁性纳米颗粒中，同时保持加热功能开启，将温度控制在65℃。多次吹打混匀，使洗脱液与磁性纳米颗粒充分混合均匀，将吸附在磁性纳米颗粒上的核酸样本洗脱下来。
9、样本转移。机械抓手将样品微孔板转移至磁分离工位，启动直线电机将磁棒底板带动至设定高度，在磁棒阵列磁场的作用下，磁性纳米颗粒被捕获在微孔板内壁。此时，核酸样本存在于上清液中，提取后可用于后续检测操作。
Claims (8)
1.一种用于高通量生物样本处理的磁分离加热装置，其特征在于：该装置包括磁分离工位(1)、加热工位(2)、通信控制工位(3)和用于放置样本的普通工位(4)，通过装置底座(5)固定连接在一起；
其中，磁分离工位(1)包括底座(108)、直线电机(101)、丝杠(105)、磁棒固定板(106)和永磁棒(104)，直线电机(101)固定在底座(108)中间的凹槽处，丝杠(105)的一端固定在直线电机(101)上，另一端与磁棒固定板(106)的中心相连接，磁棒固定板(106)上固定有若干以阵列形式排列的永磁棒(104)，形成永磁棒阵列；所述的永磁棒阵列与放置在磁分离工位(1)上方的标准微孔板(6)的尺寸相适配，当电机带动磁棒固定板(106)上升到设定位置时，永磁棒(104)位于微孔板样品槽之间的空隙处，靠近样品槽的外壁；
加热工位(2)从上至下依次是异形托盘(201)、导热板(202)、加热板(203)、隔热板(204)和散热板(205)；异形托盘(201)、导热板(202)与下方的加热板(203)一起紧密贴合，通过紧固件固定；异形托盘(201)具有以阵列形式排列的立柱状不规则突起，异形托盘(201)的尺寸及不规则突起的间距与放置在其上方的标准微孔板相匹配；
通信控制工位(3)的空腔内设置有控制电路板(303)，侧壁设有通信接口(304)和电源开关(305)；普通工位(4)用于放置生物样本。
2.根据权利要求1所述的用于高通量生物样本处理的磁分离加热装置，其特征在于：所述的永磁棒阵列按6×4排列，永磁棒(104)由强力磁铁制成，永磁棒的顶端为强磁极。
3.根据权利要求1所述的用于高通量生物样本处理的磁分离加热装置，其特征在于：所述的异形托盘(201)为铝合金材质，最外一圈立柱较中间的立柱高，中间的立柱按11×7排列。
4.根据权利要求1所述的用于高通量生物样本处理的磁分离加热装置，其特征在于：所述的磁分离工位(1)还包括用来限制磁棒固定板(106)上下移动的直线导轨(102)，以及用来限制磁棒固定板(106)移动的极限位置的上限位开关(103)和下限位开关(107)；装置的前后各设置有一根直线导轨(102)，并固定在底座(108)上，直线导轨(102)与磁棒固定板(106)通过滑块相连；上限位开关(103)和下限位开关(107)分别固定于装置的侧板(109)和磁分离底座(108)上。
5.根据权利要求1所述的用于高通量生物样本处理的磁分离加热装置，其特征在于：所述的加热工位(2)还包括环绕在高温部件四周的外隔热板(206)。
6.根据权利要求1所述的用于高通量生物样本处理的磁分离加热装置，其特征在于：所述的异形托盘(201)、导热板(202)和加热板(203)之间的贴合面上涂有导热硅脂。
7.根据权利要求1所述的用于高通量生物样本处理的磁分离加热装置，其特征在于：所述的加热板(203)为铝基电阻加热板，铝基板的表面焊有贴片电阻和热敏电阻。
8.根据权利要求1所述的用于高通量生物样本处理的磁分离加热装置，其特征在于：所述通信控制工位(3)上方设有盖板(308)并安装有可拆卸的微孔板支架(306)，安装至普通工位(4)上。
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