CN110241008A - 一种用于生物大分子提取和检测的装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种用于生物大分子提取和检测的装置。本申请的装置包括反应盒组件和检测系统；反应盒组件包括若干个能够围成圆盘状的扇形反应单元，各反应单元上都设置有第一功能区、第二功能区和第三功能区，第一功能区包括用于进样的腔体，第二功能区包括用于样本提取和纯化的腔体，第三功能区包括用于进行反应检测的腔体；第一功能区与第二功能区内部连通，第二功能区与第三功能区内部连通；检测系统用于控制反应盒组件进行提取和检测。本申请的装置，待测样本自第一功能区进入后，提取和检测反应都在一个相对独立封闭的反应单元中进行，简化整个检测过程，同时更好的避免样本间的交叉污染，多个反应单元组合能提高检测通量。

Description

一种用于生物大分子提取和检测的装置
技术领域
本申请涉及生物大分子检测装置领域，特别是涉及一种用于生物大分子提取和检测的装置。
背景技术
核酸是由许多核苷酸聚合而成的生物大分子，为生命的最基本物质之一，广泛存在于所有植物、动物、微生物体内。基于核酸检测的分子诊断技术是现代生物医学的常用检测方法，应用分子生物学方法检测患者体内外源性、自身遗传物质的结果和表达水平的变化而做出诊断，具有特异性好、灵敏度高、无“窗口期”和诊断快速等特点。目前基于核酸检测的分子诊断是临床检验应用中增长最快的技术领域。但核酸检测所需的设备体积大、操作过程复杂、人员要求高、存在污染和感染风险以及需在明确分区的实验室内完成等因素，大大限制了其临床推广应用。
核酸检测过程包括样本处理、核酸提纯、检测和结果分析等步骤。市面上针对单独步骤的自动化设备已有比较成熟的产品，但对于实验室空间、检测时间、操作人员技能仍有较高要求和诸多限制，同时也无法避免样本间或气溶胶污染以及样本对检验人员的感染风险等。
目前已有少数集成核酸提纯和检验一体化的装置和设备，如GeneXpert Ststem、Biofire Filmarry等，能在一个封闭的检测装置内实现核酸检测；但仍存在装置固定化设计构造复杂、价格昂贵、常用于定性检测、检测样本数少等不足；同时存在样本采集后需手工转移样本到检测装置的缺点，使高危样本对操作人员造成感染的风险；样本转移后的耗材，如吸头等，为外部处理，存在环境污染的可能，增加医疗垃圾处理风险。总的来说，现有的GeneXpert Ststem、Biofire Filmarry等装置和设备存在以下缺陷和不足：
1)固定化设计结构复杂：提取及检测过程中所涉及的检测项目、反应及操作对核酸提取纯化装置生产制造有不同的要求，不同检测样本类型可能需要差异化较大的前处理方式。固定化设计在检测样本类型方面具有较大局限性，同时复杂的结构增加对样本的要求程度。
2)价格昂贵：复杂的装置结构、材料的要求以及零碎部件组装等均增加装置整体成本和组装费用，从而导致产品整体价格昂贵。
3)常用于定性检测：现有的装置多采用微管道和芯片设计，驱动方式多为气动或外部推动等，存在液体无法完全转移、液体转移体积少等缺点，使反应检测区中整体样本量误差较大，导致精密度差、灵敏度不足等问题，对于高灵敏度、高准确度、高精密度要求的定量检测不易实现。
4)检测样本数少：该类型检测装置一般采用多腔室、微管道的方式设计，存在装置体积较大、外部驱动装置较多等问题，因此仪器无法实现多样本量同时检测。如需进行多样本检测，只能采用多仪器并联或串联的方式实现。
5)本采集后需手工转移样本的风险：目前该类型装置均配套样本管或样本腔，需使用人工的方式转移准确体积的样本到装置相应的腔体内。在对高传染性病原体，如埃博拉病毒、流感病毒等，进行操作时，对检验操作人员存在感染风险，并要求在相应的安全设备内进行，如生物安全柜等。因此，现有装置在使用上具有一定的局限性和安全隐患，同时精准的加样体积要求检验人员具有较高的技能水平。
6)样本转移后的耗材风险：样本转移至检测装置后，废弃的耗材具有一定的传染性和感染风险。
另外，Roche COBAS系列设备、天隆科技PANA9600E、达安DA3200等采用机械臂及磁珠提纯的组合方式实现半封闭式检测的半自动化，虽然一定程度上实现了多样本同时检验、定量检测，但由于半封闭式检测，仍存在样本间交叉污染、手工转移样本、耗材成本高、检验时间长等缺点。因此，Roche COBAS系列设备、天隆科技PANA9600E、达安DA3200等装置和设备存在以下缺陷和不足：
1)样本间交叉污染：机械臂通过特定吸头吸取样本再进行转移和提取的方式，使样本在提纯检测过程中处于半开放状态，机械臂转移过程中容易导致气溶胶、液滴滴落等情况发生，从而导致样本间污染。常规在单次检测完成后采用紫外灭活的方式处理气溶胶，但紫外线不能完全清除污染物，因此除了存在当次检测交叉污染的风险以外，还存在污染物积累的风险。
2)手工转移样本：无法解决手工转移样本问题，例如血液、尿液、唾液等样本需要采集后，人工转移到配套样本管中，再通过仪器进行加样等操作，虽然能解决样本量问题，但仍存在感染污染风险、设备要求、人员技术水平要求等问题。
3)耗材成本高：检测需配套各种耗材，如移液吸头、提纯耗材、检测反应耗材、清洗液等，耗材种类和数量较多，导致成本较高。
4)检验时间长：受限于机械臂的操作速度和数量，无法多样本同时检测，因此在检测过程中采用逐个检测的方式进行，因此在多样本同时检测时，检测时间与检测样本数成正比关系。
激素和蛋白质是由核酸表达或间接表达产生的另一类生物大分子物质，是组成人体一切细胞、组织的重要成分。激素和蛋白质的提纯和检验一体化的装置同样存在核酸检测类似的问题，例如样本交叉污染、手工转移样本、耗材成本高、检验时间长等。
因此，随着生物大分子检测的研究和发展，亟需研发一种新的使用更加方便，且能够解决样本间交叉污染、检验操作人员感染风险、检测样本通量小、耗材环保安全等一系列问题的一体化的装置或设备。
发明内容
本申请的目的是提供一种新的用于生物大分子提取和检测的装置。
本申请采用了以下技术方案：
本申请公开了一种用于生物大分子提取和检测的装置，其中，生物大分子为激素、蛋白质或核酸，本申请的装置包括反应盒组件和检测系统；反应盒组件包括若干个扇形的反应单元，所有反应单元组装成一个圆盘状的反应盒，每个反应单元用于独立的对待测样本进行生物大分子提取和检测；每个反应单元上都设置有第一功能区、第二功能区和第三功能区，第一功能区包括用于进样的腔体，第二功能区包括用于提取和纯化的腔体，第三功能区包括用于进行反应检测的腔体；第一功能区的部分腔体与第二功能区的部分腔体内部连通，或者第一功能区的部分腔体分别与第二功能区和第三功能区的部分腔体内部连通；第二功能区的部分腔体与第三功能区用于进行反应检测的腔体内部连通；检测系统用于控制反应盒组件进行生物大分子的提取和检测。
需要说明的是，本申请的关键在于反应盒组件的结构改进，至于检测系统可以参考现有的核酸自动提取和检测装置或者蛋白质自动提取和检测装置。可以理解，检测系统无非就是通过自动加样、机械臂操作和反应、检测条件提供实现生物大分子的自动化提取和检测；为了保障提取和检测的有效进行，本申请改进的方案中对检测系统进行了特别限定，详见后续技术方案。
本申请的装置，待测样本通过第一功能区用于进样的腔体进入反应单元，然后通过内部连通管道进入第二功能区进行提取和纯化，获得生物大分子后，再通过内部连通管道直接进入第三功能区用于进行反应检测的腔体，进行生物大分子检测。可以理解，本申请的装置中根据具体的生物大分子类型，可以在各功能区根据需求设计腔体的类型和数量，并预先封装不同类型的试剂，从而实现相应的功能；例如，第二功能区用于提取和纯化的腔体可以包括用于样本裂解破碎的腔体和用于生物大分子收集的腔体，样本裂解破碎的腔体中预先封装样本破碎裂解处理的试剂，用于生物大分子收集的腔体中，根据收集的生物大分子类型，预先封装相应的收集或洗脱试剂；在第三功能区中根据所需要的检测反应预先封装相应的检测试剂。本申请的装置，一个反应单元即可实现对一个或一组待测样本的检测，并且，整个提取和检测过程都是在一个反应单元内部完成，不仅能够避免样本交叉污染，而且，整个过程从提取到检测，都无需人工进行提取样本的转移等操作，直接通过反应单元的内部连接管道实现样本的转移，使得检测更加安全环保；真正实现了“样本进，结果出”的全自动提取和检测。此外，本申请的装置一个反应盒组件中可以包含多个反应单元，因此，可以实现对多个样本的同时检测，提高了样本检测通量。
可以理解，本申请的第一功能区中用于进样的腔体可以是一个或多个腔体，具体的数量根据需要检测分析的待测样本而定；并且，除了用于进样的腔体以外还可以根据需求包含其它功能性腔体，例如对于一些不能预先混合的试剂，第一功能区还可以包括用于存放特殊试剂的腔体，这类腔体的数量根据需要额外单独存放的特殊试剂的数量而定，这类腔体与相应的第二功能区和/或第三功能区的腔体连通，用于在需要的时候将所存放的特殊试剂输送到指定的腔体内。同样的，本申请的第二功能区中，用于提取和纯化的腔体可以根据不同的使用需求设置功能性腔体，例如用于裂解破碎的腔体和用于生物大分子收集的腔体等，各功能性腔体的具体数量根据试验设计或需求而定。同样的，第三功能区主要是用于进行反应检测的腔体，其腔体数量也可以根据试验设计或需求而定，在此不作具体限定。
还需要说明的是，本申请的各功能区中的各腔体可以根据需要设计成圆形、方形或其它任意形状。本申请的装置是根据生物大分子的一体化提取和检测而研发的，其关键就在于反应盒组件可以实现加样后，在反应单元内部进行自动提取、纯化和检测反应；可以理解，本申请的装置不仅可以用于生物大分子的一体化提取和检测，其它生物样品的检测同样可以采用本申请的装置进行，只需要对各功能区的功能性腔体进行适应性的调整，同时采用相应的检测系统即可。因此，本申请的装置不仅限用于生物大分子提取和检测。
优选的，第二功能区设置于扇形反应单元的中心位置处，并且，第二功能区的所有腔体都均匀的设置于以中心位置为圆心的圆周上。
需要说明的是，本申请中，扇形反应单元的中心位置是指整个反应单元的重心或者几何中心，扇形反应单元的圆心是指扇形的两个侧边的交点，即圆盘状的反应盒的圆心。可以理解，本申请的第二功能区主要是进行生物大分子的提纯，该区域根据需求可以设计样本裂解破碎和生物大分子收集的腔体，将第二功能区的腔体设计在一个圆周上，是为了方便进行提取操作。
优选的，整个第二功能区设置于一个以扇形反应单元的中心位置为圆心的圆形凹槽内，并且，圆形凹槽采用提取旋盖磁套封闭，从而将第二功能区密封在圆形凹槽内。
需要说明的是，将整个第二功能区设置于凹槽内是为了便于对其进行密封，使第二功能区与其它功能区隔开，避免污染。
优选的，提取旋盖磁套对应各腔体的位置处分别设置有将各腔体封闭的密封压套，并且，提取旋盖磁套设有一个伸入腔体的电磁柱。
需要说明的是，密封压套是为了更好的进行密封和隔离，电磁柱的设计是本申请的一种实现方式中，利用磁珠吸附生物大分子进行提取和纯化，电磁柱可以吸附磁珠，起到类似于磁力架将磁珠吸附固定的作用，本申请利用电磁柱吸附磁珠并将磁珠吸附的生物大分子提取出来，依序经过第二功能区的各功能性腔体，实现生物大分子的提取、纯化和收集。
优选的，第二功能区中，用于提取和纯化的腔体包括用于裂解破碎的腔体和用于生物大分子收集的腔体。
优选的，第二功能区还包括用于漂洗的腔体。
可以理解，对于核酸提取而言，在样本裂解破碎后，需要对核酸进行洗涤以去除相应的杂质，因此需要用于漂洗的腔体；对于蛋白质和激素而言，如果不需要漂洗则不需要用于漂洗的腔体。因此，用于漂洗的腔体及其数量可以根据使用设计或者使用需求而定。
优选的，本申请的一种实现方式中，第二功能区中，用于裂解破碎的腔体为至少一个裂解破碎腔，用于生物大分子收集的腔体为至少一个收集腔，用于漂洗的腔体包括第一漂洗腔和第二漂洗腔；第二功能区的各腔体相互独立设置，并且，第一功能区用于进样的腔体与裂解破碎腔内部连通，第三功能区用于进行反应检测的腔体与收集腔内部连通。
需要说明的是，以本申请的实施例中的核酸提取和检测为例，第二功能区由裂解破碎腔、第一漂洗腔、第二漂洗腔和收集腔组成，四个腔体基本可以实现核酸提取、纯化和洗脱的试验需求。
优选的，提取旋盖磁套对应裂解破碎腔、第一漂洗腔、第二漂洗腔和收集腔的位置处分别设置有将各腔体封闭的密封压套；并且，以裂解破碎腔为起始位置，提取旋盖磁套在相应位置设有一个伸入腔体的电磁柱。
需要说明的是，本申请的一种实现方式中，具体是将核酸或蛋白质与磁珠结合，然后通过电磁柱将与磁珠结合的核酸或蛋白质吸附实现提取和分离；提取旋盖磁套的作用就是，一方面将整个第二功能区密封，另一方面就是通过提起提取旋盖磁套，通过旋转使电磁柱对应不同的腔体分别实现漂洗和洗脱功能。例如，在裂解破碎完成后，核酸或蛋白质被吸附在插入其中的电磁柱上后，通过机械臂提起提取旋盖磁套，旋转使电磁柱位于第一漂洗腔的上方，放下提取旋盖磁套，将电磁柱插入第一漂洗腔内，进行第一次漂洗；第一次漂洗完成后，采用相同的方法，依序进行第二次漂洗和洗脱收集。可以理解，在将提取旋盖磁套提起和转动的整个过程中，提取旋盖磁套都是将第二功能区密封的，因此，将整个第二功能区设计在凹槽中，其目的就是为了更好的将第二功能区隔离开，当然，不排除还可以采用其它方式实现第二功能区的隔离。
优选的，反应单元的背面，在第二功能区对应的位置处为镂空结构，使得第二功能区的各腔体呈突出的独立管状结构，并且，在各腔体突出的外壁上可选连接振荡器。其中，可选连接振荡器是指可以根据需求选择连接振荡器，例如超声波振荡器。
需要说明的是，各腔体呈突出的独立管状结构，其目的就是为了便于在外侧壁连接振荡器，从而便于样本破碎或反应液混匀。
优选的，第一功能区与第二功能区的连通管道，第二功能区与第三功能区的连通管道，第一功能区用于进样的腔体，第二功能区用于样本裂解破碎的腔体，以及第三功能区用于进行反应检测的腔体，均设置于所述反应单元的中轴对称纵切面上。
需要说明的是，本申请中，中轴对称纵切面是指扇形反应单元沿中轴线的纵切面，沿该纵切面切割，相当于将扇形反应单元分割成更小的扇形结构，并且左右两边对称。本申请的一种实现方式中，用于进样的腔体为一个进样腔，用于样本裂解破碎的腔体为一个裂解破碎腔，用于进行反应检测的腔体为一个检测反应腔，第二功能区与第三功能区的连通管道就是进样腔与裂解破碎腔内部连通的第一管道，第二功能区与第三功能区的连通管道即裂解破碎腔与检测反应腔内部连通的第二管道；将以上腔体和内部通道设置于反应单元的中轴对称纵切面上，将第一管道纵向上一剖为二，第二管道同样如此，这样设计便于制备用于内部连通的第一管道和第二管道。
优选的，第一功能区的腔体设置于扇形反应单元的圆弧上。
需要说明的是，第一功能区的腔体设置于扇形反应单元的圆弧上，使得整个反应盒中，所有反应单元的第一功能区的腔体均匀的排布与反应盒的圆周上，这样设计可以通过转动反应盒圆盘使第一功能区的腔体移动到相应的机械臂操作工位，方便机械臂进行操作。
优选的，第一功能区中，用于进样的腔体为至少一个进样腔，进样腔与第二功能区内部连通，为第二功能区提供待测样本。
优选的，进样腔具有配套的进样腔封闭器，两者呈插入式密封配合，并通过螺纹连接；并且，通过进样腔封闭器插入进样腔，利用推压原理为进样腔提供压力，使其中的待测样本进入第二功能区中进行提取和纯化。
需要说明的是，本申请的装置，在不使用时，进样腔封闭器将进样腔封闭，避免其被污染；在使用时才打开进样腔封闭器，加样后，继续采用进样腔封闭器封闭，保障其不被污染，也避免样本交叉污染；并通过挤压进样腔封闭器将待测样本压入第二功能区中。
优选的，第一功能区还包括用于存放耗材的腔体。
优选的，用于存放耗材的腔体为至少一个耗材存放腔，该耗材存放腔为吸头容纳腔，其中配套有与之匹配的吸头。可以理解，根据不同的耗材，还可以有其它类型的腔体，在此不作具体限定。
需要说明的是，耗材存放腔的设计是考虑到自动加样本的需求，如果采用人工加入待测样本，则不需要该耗材存放腔。但是，为了减小检验操作人员感染风险，本申请在反应单元上设计了耗材存放腔，通过自动加样的方式添加待测样本，并且将使用后的吸头统一放在耗材存放腔内，避免了耗材对环境的污染。
优选的，吸头与吸头容纳腔呈插入式紧密配合，两者通过螺纹连接固定；吸头插入吸头容纳腔后，通过螺纹拧紧将吸头固定在吸头容纳腔内。
可以理解，螺纹连接的设计是为了将吸头更稳固的放在耗材存放腔的吸头容纳腔内，本申请的一种实现方式中，配套特制含螺纹外壁的吸头，未使用前预装拧紧，保持吸头的洁净，吸头使用后重新拧紧，可以通过螺纹拧紧达到封闭保存受污染耗材的目的。
优选的，第一功能区还包括用于放置样本管的腔体。
优选的，用于放置样本管的腔体为至少一个样本管存放腔，用于放置装有待测样本的样本管。
优选的，样本管采用高透性的材质制成，管身含凸出卡位，样本管的上部含螺纹，样本管具有配套的管盖，管盖与样本管螺纹连接，通过机械臂操作进行拧紧或打开。
可以理解，样本管存放腔的目的也是为了方便在反应单元范围内实现自动加样添加待测样本。
需要说明的是，耗材存放腔和样本管存放腔是本申请的优选设计方案，现有的一体化装置和设备中，通常都是在一个指定的公共区设计耗材存放区和样本管存放区；而本申请在每个反应单元中都设计耗材存放腔和样本管存放腔，使得各个反应单元的反应相对独立，不仅能够对更多待测样本进行检测，而且也更好的避免了样本间的交叉污染。
优选的，在扇形的反应单元的弧形侧面设置有一个凹槽和一个镂空视窗；镂空视窗设置于样本管存放腔位置处，以便于观察或检测样本管；凹槽与镂空视窗并排设置，用于粘贴相应的信息或编号。
需要说明的是，镂空视窗的设计可以方便观察或检测样本管内部的情况，例如观察样本管里面是否有足够的样本等。凹槽的设计是为了便于粘贴反应单元或者样本编号等信息，以便于直观的观察该反应单元具体对应的是怎样的样本，或者可以用于粘贴二维码或条码，可以方便自动扫码读取相关信息。
优选的，第三功能区的腔体设置于扇形反应单元的夹角处；并且，圆盘状的反应盒中，所有反应单元的用于进行反应检测的腔体均匀分布在扇形反应单元圆心的圆周上。
需要说明的是，将第三功能区的腔体设置于扇形反应单元的夹角处，其目的是，使得反应盒中，所有反应单元的用于进行反应检测的腔体能够相对集中在靠近圆心的位置，这样可以方便对用于进行反应检测的腔体进行反应条件控制或者检测信号收集。
优选的，第三功能区中，用于进行反应检测的腔体为至少一个检测反应腔，检测反应腔与第二功能区内部连通，用于接收第二功能区提取和纯化的生物大分子。
优选的，检测反应腔为管式结构或柱状腔体，检测反应腔的下部为透明光滑的反应区，用于放置检测反应试剂，检测反应腔的上部由配套的反应腔密封器密封。
优选的，反应腔密封器与检测反应腔呈插入式密封配合，并通过螺纹连接；反应腔密封器插入检测反应腔将其密封的同时，也将检测反应腔与第二功能区连通的开口封闭。
需要说明的是，由于检测反应腔是密封状态，在抽离反应腔密封器的时候会形成负压，从而将第二功能区获得的生物大分子，例如收集腔内的生物大分子吸到检测反应腔内，与相应的检测反应试剂混合，然后再盖上反应腔密封器，以便后续进行反应。
还需要说明的是，反应腔密封器与检测反应腔通过螺纹连接，是为了更好的实现密封，并且，在进行反应之前，设计反应腔密封器将与第二功能区连通的开口封闭，其目的是为了避免在生物大分子洗脱之前，洗脱溶液就进入反应区内，造成假阴性。原则上，不打开反应腔密封器洗脱液就不会自动进入反应区，将开口封闭也是为了避免意外发生。另外，本申请的反应单元，是利用反应腔密封器开启时带动的负压将具有生物大分子的溶液吸入反应区中；可以理解，在开口封闭设计下，管式结构腔体内可以预先设计为一定的负压状态或真空状态，这样就能够提供更大的压力差，使收集腔内的洗脱液更完整和快速的被吸到检测反应腔中。
优选的，本申请的装置中，检测系统包括反应盒组件支架、机械臂和反应检测模块；反应盒组件支架包括竖立的支撑体和反应盒组件驱动装置，支撑体用于将反应盒组件整体在竖直或水平方向支撑起来，反应盒组件驱动装置用于驱动反应盒组件上下或水平移动；反应检测模块设置于反应盒组件正下方，反应检测模块上设置有与第三功能区中用于进行反应检测的腔体相匹配的空腔，用于为反应检测腔体提供相应的反应和检测条件；机械臂紧邻设置于反应盒组件旁边，用于进行加样和执行夹紧、上下移动和旋转操作。
本申请的装置中，支撑体的作用就是将反应盒组件支撑起来，以便于其上下或水平移动；除了采用支撑体的结构以外，不排除还可以采用其它能够有效支撑反应盒组件的结构。
优选的，本申请的装置中，检测系统还包括信息读取模块，用于检测和读取样本及反应单元的信息。
可以理解，在本申请的反应盒组件中，各反应单元可以进行相应的编号和信息记录，这些编号和信息记录可以根据需求之间设计在单元单元的空白位置处，信息读取模块可以自动识别和读取反应单元的编号和信息记录，以便于试验管理。
优选的，本申请的装置中，反应盒组件还包括圆盘形的反应单元托盘和托盘架；托盘架为边框结构，围设于反应单元托盘的圆周上，托盘架与反应盒组件支架活动连接，将反应盒组件安装在反应盒组件支架上；反应单元托盘可转动的设置于托盘架内，并由相应的驱动装置驱动其转动；反应单元托盘表面设置有若干个与反应单元相匹配的腔体，用于安装反应单元，并且，反应单元托盘的中心具有通孔结构，反应单元的第三功能区用于进行反应检测的腔体伸出该通孔插入反应检测模块的空腔中进行反应和检测。
需要说明的是，反应单元托盘和托盘架的设计是为了便于移动反应盒组件。其中，反应单元托盘为一个圆盘形状，在本申请的一种实现方式中，机械臂的基本位置是相对固定的，通过旋转反应单元托盘使反应单元逐个移动到机械臂的工位上进行加样等操作，因此设计了圆盘形状的反应单元托盘；可以理解，如果采用其它方式，例如不固定机械臂工位，则可以不用反应单元托盘或者不需要其转动。托盘架的设计是为了与反应盒组件支架连接，并方便反应盒组件上下移动。
可以理解，本申请的装置中，反应检测模块对核酸检测而言，可以参考现有的常规PCR装置或者实时荧光PCR装置，对蛋白质检测而言可参考现有的蛋白质检测分析系统。对于实时荧光PCR，本申请的热反应模块不仅可以提供热循环反应条件，还可以参考现有的实时荧光PCR装置设计荧光收集组件，并采用现有的连接方式与用户终端连接，实现实时荧光PCR，并在用户终端上查看实时荧光PCR结果。本申请的装置真正实现了“样本进，结果出”的全自动检测。本申请的装置，整个待测样本的提取和检测过程都是在一个反应单元中进行，解决了样本交叉污染的问题；并且，反应盒组件由若干个反应单元组成，可以根据需要检测的待测样本数量采用多个反应单元，实现多个样本的同时检测，使用简单方便，且通量高。
本申请的有益效果在于：
本申请的装置，待测样本自第一功能区进入反应单元后，生物大分子的提取和检测反应都在一个相对独立封闭的反应单元中进行，简化整个检测过程，并且，在优选的方案中，对用于提取的第二功能区和用于检测的第三功能区都分别进行了封闭处理，能够更好的避免样本间的交叉污染。本申请的装置能够对多个样本同时进行检测，提高了生物大分子提取和检测一体化装置和设备的检测通量。
附图说明
图1是本申请实施例中核酸提取和检测装置的内部结构示意图；
图2是本申请实施例中核酸提取和检测装置的热反应模块的局部结构示意图；
图3是本申请实施例中核酸提取和检测装置的反应盒组件的局部结构示意图；
图4是本申请实施例中核酸提取和检测装置的反应盒组件的局部放大结构示意图；
图5是本申请实施例中核酸提取和检测装置的反应盒组件的内部结构示意图；
图6是本申请实施例中反应单元托盘的结构示意图；
图7是本申请实施例中托盘架的结构示意图；
图8是本申请实施例中反应单元托盘和托盘架组装的结构示意图；
图9是本申请实施例中反应单元的结构示意图；
图10是本申请实施例中反应单元的立体结构示意图；
图11是本申请实施例中反应单元的分解结构示意图；
图12是本申请实施例中反应单元的另一视角的分解结构示意图；
图13是本申请实施例中反应单元的内部剖视的立体结构示意图；
图14是本申请实施例中反应单元的内部剖视图；
图15是本申请实施例中反应单元的背面结构示意图；
图16是本申请实施例中提取旋盖磁套的立体结构示意图；
图17是本申请实施例中提取旋盖磁套另一视角的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。
实施例
本例提供了一种用于核酸提取和检测的装置，如图1至图5所示，包括反应盒组件1和检测系统，其中，检测系统包括反应盒组件支架2、机械臂3和热反应模块4。
本例的反应盒组件，如图6至图9所示，包括若干个扇形的反应单元11、圆盘形的反应单元托盘12和托盘架13。本例的所有反应单元组装成一个圆盘状的反应盒，每个反应单元11用于独立的对待测样本进行核酸提取和检测。本例的反应盒组件中，每个反应单元11上都设置有第一功能区、第二功能区和第三功能区，第一功能区包括用于进样的腔体，第二功能区包括用于提取和纯化的腔体，具体包括用于样本裂解破碎的腔体和用于生物大分子收集的腔体，第三功能区包括用于进行反应检测的腔体；第一功能区的部分腔体与第二功能区的部分腔体内部连通，或者第一功能区的部分腔体分别与第二功能区和第三功能区的部分腔体内部连通；第二功能区用于生物大分子收集的腔体与第三功能区用于进行反应检测的腔体内部连通。具体的，如图9至图15所示，用于进样的腔体为一个进样腔111，第二功能区为核酸提取区112，用于进行反应检测的腔体为一个检测反应腔113。
其中，核酸提取区112由独立的围成一圈排列的裂解破碎腔1121、第一漂洗腔1122、第二漂洗腔1123和收集腔1124组成；裂解破碎腔1121用于存放细胞裂解试剂和磁珠，即用于样本裂解破碎的腔体；第一漂洗腔1122用于存放第一次漂洗的试剂，第二漂洗腔1123用于存放第二次漂洗的试剂，这两个腔体为用于漂洗的腔体；收集腔1124用于存放核酸洗脱试剂，即用于生物大分子收集的腔体。整个核酸提取区112采用提取旋盖磁套1120密封，提取旋盖磁套1120，如图16和图17所示，对应裂解破碎腔1121、第一漂洗腔1122、第二漂洗腔1123和收集腔1124的位置处分别设置有将各腔体封闭的密封压套；并且，以裂解破碎腔1121为起始位置，提取旋盖磁套1120在相应位置设有一个伸入腔体的电磁柱1125。
本例的核酸提取区112整体设置于一个圆形凹槽内；裂解破碎腔1121、第一核酸提纯漂洗腔1122、第二核酸提纯漂洗腔1123和核酸洗脱腔1124沿圆形凹槽的圆周均匀设置于圆形凹槽内；提取旋盖磁套1120将整个圆形凹槽密封，并且，在圆形凹槽的圆心出设置一个凸起的圆柱1126，提取旋盖磁套1120以圆柱1126为中轴旋转，如图11和图12所示。
本例的第一功能区中，用于进样的腔体为一个进样腔111，用于放置定量的待测样本，并且进样腔111与核酸提取区112的裂解破碎腔1121通过设置于反应单元11内部的第一管道1111连通，如图13和图14所示。
如图11和图12所示，本例的进样腔111具有配套的进样腔封闭器1112，进样腔111的上部具有内螺纹；进样腔封闭器1112的一端为插入部，插入部设置有与进样腔111的内螺纹匹配的外螺纹；通过机械臂操作将进样腔封闭器1112的插入部伸入进样腔111中进行拧紧或打开，从而实现进样腔111的封闭和打开；并且，通过插入部的插入，利用推压原理为进样腔111提供压力，使其中的待测样本进入裂解破碎腔1121。其中，本例设计进样腔的位置高于裂解破碎腔，连通管道是将进样腔的底部与裂解破碎腔的中间位置连通，并且，进样腔的底部位置高于裂解破碎腔的连接部位，使得整个连通管道，即第一管道，呈向下倾斜的结构设计，更方便样本的进入。
本例的第三功能区中，用于进行反应检测的腔体为一个检测反应腔113，其为管式结构或柱状腔体，本例具体将其设计为PCR管结构，检测反应腔113的下部为透明光滑的反应区，用于放置核酸检测反应试剂；检测反应腔113的上部由配套的反应腔密封器1131密封；检测反应腔113的中部通过设置于反应单元11内部的第二管道1133与核酸提取区112的收集腔1124的底部连通，如图13和图14所示。本例的检测反应腔113中，腔体的上部具有内螺纹，反应腔密封器1131的插入端具有与之匹配的外螺纹；反应腔密封器1131插入管式结构腔体将其密封的同时，也将位于管式结构腔体中部的与收集腔1124连通的开口封闭。
本例的改进方案中，第一功能区还包括用于存放耗材的腔体和用于放置样本管的腔体，用于存放耗材的腔体为一个耗材存放腔114，用于放置样本管的腔体为一个样本管存放腔115。本例的耗材存放腔114为一个吸头容纳腔，其中配套有与之匹配的吸头。吸头容纳腔的上部具有内螺纹，吸头设置有与之匹配的外螺纹；吸头插入吸头容纳腔后，通过螺纹拧紧将吸头固定在吸头容纳腔内。
本例的样本管存放腔115用于放置装有待测样本的样本管。本例的样本管采用高透性的材质制成，管身含凸出卡位，样本管的上部含内螺纹，样本管具有配套的管盖，管盖与样本管螺纹连接，通过机械臂操作进行拧紧或打开。并且，在改进的方案中，在扇形的反应单元11的弧形侧面设置有一个凹槽116和一个镂空视窗117；如图12所示，镂空视窗117设置于样本管存放腔115位置处，以便于观察或检测样本管；凹槽116与镂空视窗117并排设置，用于粘贴相应的信息或编号。
本例的托盘架13，如图7所示，其为边框结构，围设于反应单元托盘12的圆周上，如图8所示；托盘架13与反应盒组件支架2活动连接，将反应盒组件1安装在反应盒组件支架2上。反应单元托盘12，如图8所示，可转动的设置于托盘架13内，并由相应的驱动装置驱动其转动。本例的反应单元托盘12表面设置有若干个与反应单元11相匹配的腔体，如图6所示，用于安装反应单元11，并且，反应单元托盘12的中心具有通孔结构122，反应单元11的检测反应区113伸出该通孔插入反应检测模块4的空腔中进行热反应。本例的一种实现方式中，具体采用旋转电机121驱动，采用皮带123传动反应单元托盘12，如图3至图5所示；并且，在反应单元托盘12的圆周上设计齿轮结构，以便于皮带传动。
本例的反应检测模块4，如图1和图2所示，其设置于反应盒组件1正下方，如图2所示，反应检测模块4上设置有与检测反应腔113的管式结构腔体对应的空腔41，用于为检测反应腔113提供热反应。
本例的反应盒组件支架2包括竖立的支撑体和反应盒组件驱动装置，支撑体用于将所述反应盒组件1整体在竖直方向支撑起来，反应盒组件驱动装置用于驱动反应盒组件1上下移动。本例具体的，如图1所示，支撑体由三个竖立的支撑柱组成，三个支撑柱均匀分散于反应盒组件1的周围。
本例的机械臂3，如图1所示，其紧邻设置于反应盒组件1的旁边，用于实现定量的样本加样以及提取旋盖磁套1120的提起和旋转操作，并为电磁柱1125提供电能。本例的一种实现方式中，具体是通过机械臂与提取旋盖磁套接触实现电磁柱的电连接，使其能够吸附磁珠。
本例的一种改进方案中，在反应单元11的背面，裂解破碎腔1121、第一漂洗腔1122、第二漂洗腔1123和收集腔1124，各腔体都具有突出的底部，即在反应单元11的背面，在第二功能区对应的位置处镂空，使得第二功能区的各腔体呈突出的独立管状结构，如图15所示，在突出的底部的外壁上安装有超声振荡器。并且，进样腔111、第一管道1111、收集腔1124、第二管道1133和检测反应腔113设置于反应单元11的中轴对称纵切面上，如图13和图14所示。
本例的关键在于反应盒组件的设计，特别是将反应单元设计为扇形结构，并将反应单元分为第一功能区、第二功能区和第三功能区，其中，第一功能区主要包括用于进样、耗材存放和样本管存放等的腔体，第二功能区主要包括用于进行核酸或蛋白质提取、纯化的腔体，第三功能区主要是用于进行检测反应的腔体，本例将三个功能区相互隔离设计，并且，采用内部管道连通，不仅实现了提取和检测的自动化，而且最大限度的避免了各种类型的污染。
需要说明的是，以上结构的核酸提取和检测装置，只是实现整个操作的内部结构，至于具体的外壳结构，只是将其有效的围闭成一个便于操作且美观的一体机结构，外壳结构可以根据需求设计，在此不作具体限定。另外，为了实现实时荧光PCR检测，本例的热反应模块还包括一个荧光收集装置，以及与之信号连接的用户终端，可以直接在用户终端存储并查看实时荧光PCR反应结果。荧光收集组件以及实时荧光PCR的用户终端可以参考现有的实时荧光PCR仪，在此不作具体限定。
本例的装置，其使用方法如下：
a)本例的反应盒组件中，其反应单元采用扇形设计，可以通过多个反应单元组合成圆盘状，实现多样本同时检测，根据圆盘的规格和划分数量不同，可以实现样本数量可调，具有一定的灵活性。
b)每个反应单元含一个进样腔，进样腔通过内部管道与核酸提取区中的裂解破碎腔连通，进样腔含螺纹内壁，通过进样腔封闭器进行密封，在反应盒未使用前预装拧紧，以保持内部环境洁净。
c)每个反应单元都有一耗材存放腔，其含螺纹内壁，配套特制含螺纹外壁的1mL吸头，未使用前预装拧紧，保持吸头的洁净，吸头使用后重新拧会，通过螺纹拧紧达到封闭保存受污染耗材的目的。
d)每个反应单元都有一样本管存放腔，用于存放采集后的样本管，样本管为配套耗材，根据检测预封装检测项目而配套，如检测项目样本类型为血液、血清则配套相应真空采血管，如血浆样本则配套相应含抗凝剂采血管，如粪便、尿液、痰液等则配套含稀释液样本管，如组织或其他细胞培养物等则配套含相应缓冲消化液的样本管。样本管或采血管均采用高透性的材质制成，管身含凸出卡位，含螺纹内壁，管盖有螺纹外壁，可通过机械臂操作进行拧紧或打开。
e)裂解破碎腔可根据不同检测项目预分装裂解试剂、磁珠、消化酶等试剂，在检测运行过程中，进样腔的液体样本通过进样腔封闭器的挤压作用，进入裂解破碎腔，使预分装裂解液与样本充分混合，反应盒主体下部设一超声装置，可通过超声装置裂解破碎细胞、微生物等，同时达到混匀等效果。
f)整个核酸提取区采用提取旋盖磁套密封，该提取旋盖磁套通过胶圈实现核酸提取区的密封，并且，提取旋盖磁套对应裂解破碎腔、第一漂洗腔、第二漂洗腔和收集腔的位置处分别设置有将各腔体封闭的密封压套，在预封存试剂加入后，通过压紧可以达到封存试剂的密封保存，使用前打开旋盖磁套。
g)待测样本与裂解液混合后，通过提取旋盖磁套的电磁柱对磁珠进行吸附，并将核酸一起吸附在电磁柱上，通过机械臂上提和旋转提取旋盖磁套，将磁珠转移到第一漂洗腔内进行第一次漂洗，漂洗后重新吸附，然后再转移到第二漂洗腔内进行第二次漂洗；磁珠漂洗过程采用超声震荡混匀。
h)第二次漂洗完成后，再重新吸附，最后转移到收集腔内，进行核酸洗脱，同样的，通过超声震荡使核酸充分洗脱；洗脱完成后，吸附磁珠，核酸溶于洗脱液中。
经过上述步骤a)至h)即可完成核酸提取和纯化。通过进样腔、耗材存放腔、样本管存放腔和配套耗材，例如样本管或采血管、配套吸头、进样腔封闭器等，即可实现样本全自动加样转移，实现核酸封闭式提取。并且，解决了含样本残留的耗材保存处理的问题。
i)检测反应腔为PCR管的管式结构腔体，管式结构腔体的下部为透明光滑的反应区，用于放置核酸检测反应试剂；管式结构腔体的上部由一个插入式的圆柱状密封结构封闭，即反应腔密封器，采用胶圈实现密封；管式结构腔体的中部通过设置于反应单元内部的管道与核酸提取区的收集腔的底部连通。
j)检测反应腔内含预分装试剂，可以是液体或冻干粉，本例具体为冻干粉，未使用情况下由反应腔密封器进行封闭，通过螺纹进行拧紧密封，同时封闭通道开口，使预分装在收集腔的洗脱液不能提前进入检测反应腔。
k)当核酸提纯步骤完成后，即核酸洗脱到洗脱液中后，通过机械臂拧开反应腔密封器，同时打开连通的管道口，由于检测反应腔是密封的，因此腔体内形成负压，使收集腔内的核酸溶液进入检测反应腔，机械臂重新拧紧圆柱状密封结构，即完成加样步骤。
l)完成常规加样后通过超声震荡混匀反应液，混匀后反应盒组件支架驱动反应盒组件整体向下移动，使反应单元的PCR管结构的检测反应腔插入反应检测模块的空腔中，利用反应检测模块提供PCR或实时荧光PCR反应条件，进行反应。对于实时荧光PCR，反应检测模块还包括荧光收集组件，以及与之信号连接的用户终端，例如一台电脑，可以直接在用户终端上获得实时荧光PCR检测结果。
经过步骤i)至l)即完成核酸自动加样和检测反应的技术方案。本例的装置，通过检测反应腔负压作用，可以实现核酸在封闭情况下全自动加样，并实现核酸封闭式检测，解决了人工转移反应管存在的缺陷和不足，减少了耗材使用的同时，提高了反应体系加液的准确性。
本例的装置采用机械式和管道移液等设计，不受样本类型和样本体积的限制，在整体检测反应上不存在液体残留，无需采用多通道气泵或推动等器件，使用时，只需要配套设置一个固定的机械臂，具有Z轴位移能力即可，通过旋转圆盘形的反应单元托盘，可操作多个样本同时进行检测。
需要说明的是，本例具体提供了一种用于核酸提取和检测的装置，可以理解，蛋白质或激素提取和检测的装置，其结构与本例类似，同样包括反应盒组件和检测系统，同样的，反应盒组件包括若干个扇形的反应单元，反应单元设置有第一功能区、第二功能区和第三功能区。所不同的是，第一功能区、第二功能区和第三功能区设置的具体的功能性腔体和数量有所不同，特别是第二功能区，对于核酸提取来说，需要设置两个漂洗腔，即第一漂洗腔和第二漂洗腔，但是，对于蛋白质提取来说，则不需要漂洗腔，只要裂解破碎腔和收集腔即可。第一功能区和第三功能区的设计参考本例的核酸提取和检测的装置。另外，检测系统方面，本例参考的是PCR仪，对于蛋白质或激素而言可以参考相应的现有检测系统。其余结构都与本例的核酸提取和检测装置类同。
以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种用于生物大分子提取和检测的装置，所述生物大分子为蛋白质、激素或核酸，其特征在于：包括反应盒组件(1)和检测系统；
所述反应盒组件(1)包括若干个扇形的反应单元(11)，所有反应单元组装成一个圆盘状的反应盒，每个反应单元(11)用于独立的对待测样本进行生物大分子提取和检测；
每个反应单元(11)上都设置有第一功能区、第二功能区和第三功能区，所述第一功能区包括用于进样的腔体，第二功能区包括用于提取和纯化的腔体，第三功能区包括用于进行反应检测的腔体；
第一功能区的部分腔体与第二功能区的部分腔体内部连通，或者第一功能区的部分腔体分别与第二功能区和第三功能区的部分腔体内部连通；
第二功能区的部分腔体与第三功能区用于进行反应检测的腔体内部连通；
所述检测系统用于控制所述反应盒组件(1)进行生物大分子的提取和检测。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第二功能区设置于扇形反应单元的中心位置处，并且，第二功能区的所有腔体都均匀的设置于以所述中心位置为圆心的圆周上；
优选的，整个第二功能区设置于一个以所述中心位置为圆心的圆形凹槽内，并且，圆形凹槽采用提取旋盖磁套(1120)封闭，从而将所述第二功能区密封在圆形凹槽内；
优选的，提取旋盖磁套(1120)对应各腔体的位置处分别设置有将各腔体封闭的密封压套，并且，提取旋盖磁套(1120)设有一个伸入腔体的电磁柱(1125)；
优选的，所述第二功能区中，用于提取和纯化的腔体包括用于裂解破碎的腔体和用于生物大分子收集的腔体；
优选的，所述第二功能区还包括用于漂洗的腔体；
优选的，用于裂解破碎的腔体为至少一个裂解破碎腔(1121)，用于生物大分子收集的腔体为至少一个收集腔(1124)，用于漂洗的腔体包括第一漂洗腔(1122)和第二漂洗腔(1123)；第二功能区的各腔体相互独立设置，并且，第一功能区用于进样的腔体与所述裂解破碎腔(1121)内部连通，第三功能区用于进行反应检测的腔体与所述收集腔(1124)内部连通；
优选的，提取旋盖磁套(1120)对应裂解破碎腔(1121)、第一漂洗腔(1122)、第二漂洗腔(1123)和收集腔(1124)的位置处分别设置有将各腔体封闭的密封压套；并且，以裂解破碎腔(1121)为起始位置，提取旋盖磁套(1120)在相应位置设有一个伸入腔体的电磁柱(1125)。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述反应单元(11)的背面，在第二功能区对应的位置处为镂空结构，使得第二功能区的各腔体呈突出的独立管状结构，并且，在各腔体突出的外壁上可选连接振荡器；
优选的，第一功能区与第二功能区的连通管道，第二功能区与第三功能区的连通管道，第一功能区用于进样的腔体，第二功能区用于样本裂解破碎的腔体，以及第三功能区用于进行反应检测的腔体，均设置于所述反应单元(11)的中轴对称纵切面上。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一功能区的腔体设置于扇形反应单元的圆弧上；
优选的，所述第一功能区中，用于进样的腔体为至少一个进样腔(111)，进样腔(111)与第二功能区内部连通，为第二功能区提供待测样本；
优选的，进样腔(111)具有配套的进样腔封闭器(1112)，两者呈插入式密封配合，并通过螺纹连接；并且，通过进样腔封闭器(1112)插入进样腔(111)，利用推压原理为进样腔(111)提供压力，使其中的待测样本进入第二功能区进行提取和纯化。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述第一功能区还包括用于存放耗材的腔体；
优选的，用于存放耗材的腔体为至少一个耗材存放腔(114)，所述耗材存放腔(114)为吸头容纳腔，其中配套有与之匹配的吸头，吸头与吸头容纳腔呈插入式紧密配合，两者通过螺纹连接固定。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述第一功能区还包括用于放置样本管的腔体；
优选的，用于放置样本管的腔体为至少一个样本管存放腔(115)，用于放置装有待测样本的样本管；
优选的，所述样本管采用高透性的材质制成，管身含凸出卡位，样本管的上部含螺纹，样本管具有配套的管盖，管盖与样本管螺纹连接。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：在扇形的反应单元(11)的弧形侧面设置有一个凹槽(116)和一个镂空视窗(117)；镂空视窗(117)设置于样本管存放腔(115)位置处，以便于观察或检测样本管；凹槽(116)与镂空视窗(117)并排设置，用于粘贴相应的信息或编号。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第三功能区的腔体设置于扇形反应单元的夹角处；并且，圆盘状的反应盒中，所有反应单元的用于进行反应检测的腔体均匀分布在扇形反应单元的圆心的圆周上；
优选的，所述第三功能区中，用于进行反应检测的腔体为至少一个检测反应腔(113)，检测反应腔(113)与第二功能区内部连通，用于接收第二功能区提取和纯化的生物大分子；
优选的，所述检测反应腔(113)为管式结构或柱状腔体，检测反应腔(113)的下部为透明光滑的反应区，用于放置检测反应试剂，检测反应腔(113)的上部由配套的反应腔密封器(1131)密封；
优选的，所述反应腔密封器(1131)与检测反应腔(113)呈插入式密封配合，并通过螺纹连接；反应腔密封器(1131)插入检测反应腔(113)将其密封的同时，也将检测反应腔(113)与第二功能区连通的开口封闭。
9.根据权利要求1-8所述的装置，其特征在于：所述检测系统包括反应盒组件支架(2)、机械臂(3)和反应检测模块(4)；
所述反应盒组件支架(2)包括竖立的支撑体和反应盒组件驱动装置，所述支撑体用于将所述反应盒组件(1)整体在竖直或水平方向支撑起来，所述反应盒组件驱动装置用于驱动所述反应盒组件(1)上下或水平移动；
所述反应检测模块(4)设置于所述反应盒组件(1)正下方，反应检测模块(4)上设置有与所述第三功能区中用于进行反应检测的腔体相匹配的空腔，用于为反应检测腔体提供相应的反应和检测条件；
所述机械臂(3)紧邻设置于所述反应盒组件(1)旁边，用于进行加样和执行夹紧、上下移动和旋转操作；
优选的，所述检测系统还包括信息读取模块，用于检测和读取样本及反应单元的信息。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述反应盒组件(1)还包括圆盘形的反应单元托盘(12)和托盘架(13)；
所述托盘架(13)为边框结构，围设于反应单元托盘(12)的圆周上，托盘架(13)与所述反应盒组件支架(2)活动连接，将反应盒组件(1)安装在反应盒组件支架(2)上；
所述反应单元托盘(12)可转动的设置于托盘架(13)内，并由相应的驱动装置驱动其转动；
反应单元托盘(12)表面设置有若干个与反应单元(11)相匹配的腔体，用于安装反应单元(11)，并且，反应单元托盘(12)的中心具有通孔结构，反应单元(11)的第三功能区用于进行反应检测的腔体伸出该通孔插入所述反应检测模块(4)的空腔中进行反应。
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