CN111373026B - 用于基因测序的流路装置、其工作方法及其测序仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于基因测序的流路装置及其工作方法、以及含有该流路装置的测序仪。该用于基因测序的流路装置包括试剂供应系统，该试剂供应系统包括：进样管道，用于供应试剂，该试剂包括第一试剂和第二试剂；测序管道，该测序管道与该进样管道相连通；旁路管道，该旁路管道与该进样管道相连通，且与该测序管道并联连接；以及换路部件，用于连接该进样管道、该测序管道和该旁路管道。当该测序管道充满该第一试剂时，将气体、该第二试剂依序输入该进样管道，该第二试剂的输入使该进样管道内的气体全部排入该旁路管道，再将该第二试剂经由该进样管道、该换路部件，进入该测序管道，以将该第一试剂替代为该第二试剂。

Description

用于基因测序的流路装置、其工作方法及其测序仪

技术领域

本发明涉及基因测序领域，尤其涉及一种用于基因测序的流路装置、其工作方法及其测序仪。

背景技术

在基因测序过程中，需要将试剂按时序输入测序芯片(指基因测序芯片)，以使其进行相应的生化反应。目前，基因测序仪在设计试剂进入测序芯片时，通常采用单一管道串联测序芯片的方案。参见图1，在进行反应时，新试剂从进样管道L₁进入测序芯片C₁，再从测序出口管道L₃排出，从而替代进样管道L₁和测序芯片C₁中的原有试剂。

在试剂进入芯片做生化反应的过程中，通常需要使用大于进样管道和芯片体积的试剂才能替代掉进样管道和芯片中的原有试剂，并且在原有试剂的残留小于某个阈值时，才能使生化反应的效果达到最佳。这里约定整个流体管道中的原有试剂用编号1表示，即试剂1；即将进入的试剂用编号2表示，即试剂2；并且假设管道或芯片中使用试剂2替代试剂1的替代体积比为a:1(a>1)，可以使试剂替代的效果满足生化反应的要求。根据以上设计，当在进样管道L₁与测序芯片C₁中用试剂2替代试剂1，并使其可以达到生化反应的要求，需要使用的试剂2的体积为a(V_L1+V_C1)。

大部分易于冲洗的试剂通常至少需要2-5倍于管道和芯片体积的替代试剂才能满足生化反应效果的要求；而少量难于冲洗的试剂，则需要使用更多体积的替代试剂冲洗才能满足要求；甚至有些进样管道和芯片在设计中存在流体上的死体积区域，在这些区域内流速很低，这种区域的存在更增加了冲洗的难度。这些对试剂替代指标的硬性要求，限制了基因测序仪的测序成本的降低，也限制了生化反应效果的提升。

总而言之，现有的基因测序技术在流体设计上虽然简单，但是在实际使用中存在以下不便与弊端：

(1)受基因测序仪的内部空间布局要求，进样管道往往需要很长，因此在做试剂替代时，需要使用较多的新试剂才能替换进样管道及测序芯片内的原试剂，从而造成试剂浪费，进而增加测序成本；并且进样管道越长，浪费的试剂就越多。

(2)进样管道中存在的气泡或固体污染物需经过测序芯片才能被排出到废液桶，如果这些污染物停留在测序芯片中，将会影响测序反应及拍照质量，从而降低测序效果的准确度。

(3)所有试剂必须按照事先规定好的次序依次泵入测序芯片，并且在测序芯片内进行生化反应，然而，每一试剂只能够通过单一的进样管道，且在此过程中，下一试剂只能等待而不能做任何操作，从而限制了生化反应效率的提升。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种减少试剂使用量、提高测序效果准确度及提升生化反应效率的用于基因测序的流路装置及使用其的工作方法。

本发明提供一种用于基因测序的流路装置，其包括试剂供应系统，所述试剂供应系统包括：

进样管道，用于供应试剂，所述试剂包括第一试剂和第二试剂；

测序管道，所述测序管道与所述进样管道相连通；

旁路管道，所述旁路管道与所述进样管道相连通，且与所述测序管道并联连接；以及

换路部件，用于连接所述进样管道、所述测序管道和所述旁路管道；

当所述测序管道充满所述第一试剂时，将气体、所述第二试剂依序输入所述进样管道，所述第二试剂的输入使所述进样管道内的气体全部排入所述旁路管道，再将所述第二试剂经由所述进样管道、所述换路部件，进入所述测序管道，以将所述第一试剂替代为所述第二试剂。

根据本发明的具体实施例，所述测序管道包括测序入口管道、具有测序通道的测序芯片和测序出口管道，

所述测序入口管道与所述进样管道相连通，所述测序通道与所述测序入口管道以及所述测序出口管道相连通。

根据本发明的具体实施例，所述试剂供应系统还包括注射泵和旋转阀，所述旋转阀具有与所述注射泵连通的进液口和若干与所述测序管道及所述旁路管道相连通的排液口。

根据本发明的具体实施例，所述换路部件和所述旋转阀为n通转换器(n>2)或多个n通转换器的组合，所述n通转换器选自夹管阀、电磁阀、旋转阀中的一种或其组合。

根据本发明的具体实施例，所述流路装置还包括废液桶和与废液桶连通的废液管道，所述废液通道通过所述旋转阀连通所述测序管道和所述旁路管道。

根据本发明的具体实施例，所述流路装置包括第一公共入口管道、第一n通部件(n>2)及一个或多个测序管道，所述第一公共入口管道与所述进样管道相连通，所述第一n通部件用以将所述第一公共入口管道与所述一个或多个测序管道相连通。

根据本发明的具体实施例，所述流路装置包括第二公共入口管道、第二n通部件(n>2)及一个或多个旁路管道，所述第二公共入口管道与所述进样管道相连通，所述第二n通部件用以将所述第二公共入口管道与所述一个或多个旁路管道连通，所述第一公共入口管道与所述第二公共入口管道并联连接。

根据本发明的具体实施例，所述气体不溶于所述试剂且不发生生化反应，所述气体选自空气、惰性气体中的一种或其组合。

本发明还提供一种包括如上所述的用于基因测序的流路装置的测序仪。

本发明还提供一种用于基因测序的流路装置的工作方法，其包括如下步骤：

将进样管道，测序管道充满第一试剂；

转换换路部件，使所述进样管道和旁路管道相连通，向所述进样管道输入气体，以使所述进样管道形成气体段，并使部分所述第一试剂进入所述旁路管道；

保持连通所述进样管道与所述旁路管道，向所述进样管道输入第二试剂，以使所述气体全部通过所述换路部件并排出到所述旁路管道；以及

转换所述换路部件，使所述进样管道和所述测序管道相连通，向所述进样管道输入所述第二试剂，以将所述第一试剂替代为所述第二试剂。

根据本发明的具体实施例，所述气体不溶于所述试剂且不发生生化反应，所述气体选自空气、惰性气体中的一种或其组合。

本发明还提供一种用于基因测序的流路装置的工作方法，其包括如下步骤：

将进样管道充满气体，并将测序管道充满第一试剂；

转换换路部件，使所述进样管道和旁路管道相连通，向所述进样管道输入第二试剂，以使所述进样管道内的气体全部通过换路部件并排出到所述旁路管道；以及

转换所述换路部件，使所述进样管道和所述测序管道相连通，向所述进样管道输入所述第二试剂，以将所述第一试剂替代为所述第二试剂；

保持连通所述进样管道与所述测序管道，向所述进样管道输入气体，以使所述进样管道中的第二试剂通过所述换路部件进入所述测序管道。

根据本发明的具体实施例，所述气体不溶于所述试剂且不发生生化反应，所述气体选自空气、惰性气体中的一种或其组合。

相较现有技术，本发明用于基因测序的流路装置，通过增设旁路管道，并利用旁路管道与气体的配合使用，从而优化了基因测序仪中进样管道、测序管道中的试剂替代方式，使试剂的使用量显著降低。进一步的，由于旁路管道与测序管道并联连接，因此进样管道中存在的气泡或固体污染物能够通过旁路管道排出，从而提高测序反应的效果及拍照质量，进而提升测序效果的准确度。此外，在测序管道进行生化反应的同时，使用旁路管道进行其他试剂的操作，通过并行化的操作节省测序时间，从而大幅度提升了基因测序仪的工作效率。

附图说明

图1是现有技术的用于基因测序的流路装置示意图。

图2是本发明用于基因测序的流路装置的一较佳实施方式的示意图。

图3是本发明第一实施方式的用于基因测序的流路装置的工作方法流程图。

图4是本发明第二实施方式的用于基因测序的流路装置的工作方法流程图。

图5是本发明用于基因测序的流路装置的实施例1的示意图。

图6是本发明用于基因测序的流路装置的实施例2示意图。

图7是本发明用于基因测序的流路装置的实施例3示意图。

图8是本发明用于基因测序的流路装置的实施例4示意图。

主要元件符号说明

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如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

本发明用于基因测序的流路装置100的一较佳实施方式参见图2所示，可以看到，相比图1所示的现有技术，进样管道L₁不再直接连接测序芯片，而是首先连接到第一换路部件T₁的第一接口T₁₁，第一换路部件T₁还包括第二接口T₁₂和第三接口T₁₃，其中，第二接口T₁₂连接测序入口管道L₂。测序入口管道L₂，测序芯片C₁和测序出口管道L₃顺次连接。另一方面，第一换路部件T₁的第三接口T₁₃连接旁路管道L₄。

这种设计将现有技术中的进样管道串联芯片的设计改进为芯片管道与旁路管道并联的设计。在进行工作时，其有两种操作选择：

1、试剂通过进样管道L₁，第一换路部件T₁，进入测序入口管道L₂与测序芯片C₁，并从测序出口管道L₃排出。在这个操作中，旁路管道L₄中不会有试剂通过；

2、试剂通过进样管道L₁，第一换路部件T₁，进入旁路管道L₄排出。在这个操作中，测序入口管道L₂与测序芯片C₁中不会有试剂通过。

基于以上两种操作选择，本发明提出了两种时序设计方案。这两种时序设计方案均利用旁路管道的特点，通过引入气体占用试剂的体积，成功降低了芯片中做试剂替代所需的试剂体积。需要注意的是，所选用的气体应不易溶解于所用试剂，并且在溶解后不与试剂中任何成分发生生化反应。

为方便描述时序设计方案，如前所述，约定流体管道中的原有试剂用编号1表示，即试剂1；用于替代的试剂用编号2表示，即试剂2；并且假设流体管道或芯片中使用试剂2替代试剂1的替代体积比为a(a>1)。这里的替代体积比a被定义为，某段原本充满试剂1的管道和芯片，现在需要使用试剂2将试剂1替换掉，并进行生化反应，当通入的试剂2的体积为该段管道和芯片的总体积的a倍时，才能使试剂2的浓度足够大，试剂1的残留足够小，此时试剂2可以正常进行生化反应。在仪器设计时，具体的替代体积比a需要通过使用管道和芯片实物进行测量得到，并且不同的材质和形状的管道和芯片以及前后不同的试剂都会使替代体积比发生变化。可以理解的，试剂1和试剂2可以是相同试剂，也可以是不同试剂。

参见图3，第一种时序设计方案详述如下：

在方案执行前，要保证管道状态为进样管道L₁、测序入口管道L₂、测序芯片C₁均充满试剂1。可以理解的，当进样管道L₁、测序入口管道L₂、测序芯片C₁充满试剂1前，管道状态可以为空载状态。

S301：连通进样管道L₁与旁路管道L₄，向进样管道L₁输入少量气体，体积为V_air。这一步使进样管道L₁入口处形成一小段气体，并且使少量试剂1进入旁路管道L₄中。

S302：保持连通进样管道L₁与旁路管道L₄，向进样管道L₁输入试剂2，体积为V_L1。这一步要保证气体完全通过第一换路部件T₁并排出到旁路管道L₄中，此时进样管道L₁中充满试剂2。

S303：切换连通进样管道L1与测序入口管道L2，向进样管道L₁输入试剂2，体积为a(V_L2+V_C1)。这一步将测序入口管道L₂与测序芯片C₁中的试剂1替代为试剂2，但需要注意的是，根据替代体积比，使用的试剂2的体积是测序入口管道L₂和测序芯片C₁的总体积的a倍。

可以理解的，所述试剂1和所述试剂2并不旨在限缩上述步骤中所涉及的试剂的特定类型，上述步骤可以循环往复。当单次执行步骤S301-303时，所述试剂1和所述试剂2可以是相同的试剂，也可以是不同的试剂。当循环执行步骤S301-303时，每一次循环中所指代的试剂1和试剂2可以是不同的试剂。例如，当测序芯片C₁中充满试剂2时，可再次执行步骤S301-303，在这种情况下，流体管道中原有的试剂2成为步骤S301-303中的“试剂1”，用于替代原有试剂而输入的新试剂，如试剂3，成为步骤S301-303中的“试剂2”，从而使测序入口管道L₂与测序芯片C₁中的试剂再次被替代。

至此，测序入口管道L₂与测序芯片C₁内的试剂1完全被替代为试剂2，达到生化反应的要求，可以进行生化反应，并等待下一次试剂替代。因此，使用第一种时序方案，试剂2的累计用量最少为V_L1+a(V_L2+V_C1)。对比现有技术方案所需的试剂2的体积为a(V_L1+V_L2+V_C1)，第一种时序方案可以节省的试剂体积为(a–1)V_L1。

该方案的详细步骤及各步骤的试剂和气体状态如下表所示：

表1第一种时序设计方案的流程

参见图4，第二种时序设计方案详述如下：

在方案执行前，要保证管道状态为进样管道L₁充满气体；测序入口管道L₂，测序芯片C₁充满试剂1。可以理解的，当进样管道L₁充满气体，测序入口管道L₂、测序芯片C₁充满试剂1前，管道状态可以为空载状态。

S401：连通进样管道L₁与旁路管道L₄，向进样管道L₁输入试剂2，体积为V_L1。这一步要保证进样管道L₁中的气体完全通过第一换路部件T₁进入旁路管道L₄中，此时进样管道L₁中充满试剂2。

S402：切换连通进样管道L₁与测序入口管道L₂，向进样管道L₁输入试剂2，体积为a(V_L2+V_C1)-V_L1。这一步要根据替代体积比，提前算好测序入口管道L₂与测序芯片C₁中的总替代体积并减去进样管道L₁的体积，为下一步使用气体清空进样管道L₁做准备。

S403：保持连通进样管道L₁与测序入口管道L₂，向进样管道L₁输入气体，体积为V_L1。这一步要保证将进样管道L₁中的试剂2推过第一换路部件T₁进入测序入口管道L₂中，但同时也要保证不能将气体推入测序入口管道L₂中。

可以理解的，所述试剂1和所述试剂2并不旨在限缩上述步骤中所涉及的试剂的特定类型，上述步骤可以循环往复。当单次执行步骤S401-403时，所述试剂1和所述试剂2可以是相同的试剂，也可以是不同的试剂。当循环执行步骤S401-403时，每一次循环中所指代的试剂1和试剂2可以是不同的试剂。例如，当测序芯片C₁中充满试剂2时，可再次执行步骤S401-403，在这种情况下，流体管道中原有的试剂2成为步骤S401-403中的“试剂1”，用于替代原有试剂而输入的新试剂，如试剂3，成为步骤S401-403中的“试剂2”，从而使测序入口管道L₂与测序芯片C₁中的试剂再次被替代。

至此，测序入口管道L₂与测序芯片C₁内的试剂1完全被替代为试剂2，达到生化反应的要求，可以进行生化反应，并等待下一次试剂替代。因此，使用第二种时序方案，试剂2的累计用量最少为a(V_L2+V_C1)。对比现有技术方案所需的试剂2的体积为a(V_L1+V_L2+V_C1)，第二种时序方案可以节省的试剂体积为aV_L1。

该方案的详细步骤如下表所示：

表2第二种时序设计方案的流程

可以看到，从整体上说，以上两种方案对比现有技术的时序方案，都可以减少试剂替代所需的试剂体积，从而达到节省试剂的目的，并且设计所需进样管道L₁的长度越长，即V_L1越大，试剂节省的效果就越明显；设计所需进样管道与芯片越难冲洗，即a越大，试剂节省的效果就越明显。

从横向比较来说，以上两种方案各有优势。第一种时序方案中可以引入体积较小的气体，仅作为试剂1和试剂2在管道内的隔离气体使用，这样可以减少在进样管道L₁中进行替代所需的试剂体积。而由于体积小的气体在运动时受压力变化的影响导致的体积变化也较小，相对来说，其精准性易于控制和保证；相比第一种时序方案，第二种时序方案在工作时引入较多的气体，其在管道中占据的体积与进样管道L₁相同。这样做的好处是可以将进样管道L₁中做试剂替代所需的试剂体积完全节省掉，但缺点是在执行该方案时，由于气体的压缩性较大，在输运气体时会产生较大的体积变化，因此在实际操作时可能会降低运输试剂体积的精准性，在应用时需要仔细调试优化。

此外，当测序芯片C₁在进行生化反应时，仍然可以通过连通进样管道L₁与旁路管道L₄进行某些操作，而不影响测序芯片C₁中的生化反应，例如，可以做试剂管道填充，试剂管道清洗，试剂管道清空等，这样的并行工作方式可以节省大量测序时间。

还需要说明的是，本技术方案设计使用的第一换路部件T₁，可以是仅具有三通功能的连接模块，也可以是具有开关控制功能的电磁阀或电磁阀的组合。前者成本较低，但是一种不严格的解决方案，即当连通进样管道L₁与旁路管道L₄进行试剂运输时，会导致测序入口管道L₂和测序芯片C₁中的部分试剂被吸入旁路管道L₄中；而当连通进样管道L₁与测序入口管道L₂进行试剂运输时，会导致旁路管道L₄中的部分试剂被吸入测序入口管道L₂与测序芯片C₁中；而后者可以使用1个两位三通阀或2个两位两通阀，通过切换两个口的开合来达到对液体流道进行选择的目的，其成本较高，但由于此时两条管路不会互相影响，更为严格和易于控制。

本发明通过将旁路的概念引入流路设计中，合理利用旁路管道配合气体的使用，优化了基因测序仪中管道和芯片中的试剂替代方式，使试剂的使用量显著降低，并大幅提升了基因测序仪的工作效率。

相比现有技术，本发明具有以下的优点：

1、可以通过旁路管道配合气体的使用，减少在整个流路管道中的试剂使用量。通过有目的的在管道中引入气体，既可以用气体占据原有的替代试剂的空间，减少替代试剂的使用量，还可以分离前后两种试剂，有效减少由于前后试剂接触造成的相互扩散污染。

2、可以适用于正压驱动和负压驱动的流路装置中的芯片，并且在应用时不会受到芯片的尺寸和流道数的限制。

3、可以通过旁路管道控制进入芯片的内容物，例如，由旁路管道引走测序过程中可能产生的气泡积累或固体污染物与结晶物的积累。

4、可以在芯片中进行生化反应的同时，使用旁路管道进行其他试剂管道的操作，通过并行化的操作节省测序时间。例如，在测序芯片中进行生化反应时，使用旁路管道进行试剂管道的填充，清洗，排空等操作，并保证两者可以互不干扰。

参见图5-8，本发明的具体实施例如下所示。

实施例1

参见图5，在本实施例的硬件设计方案中，第一换路部件T₁使用了一个T型接头，其中，第一接口T₁₁连接进样管道L₁；第二接口T₁₂依次连接测序入口管道L₂，测序芯片C₁，以及测序出口管道L₃；第三接口T₁₃连接旁路管道L₄。

本实施例使用的动力单元为注射泵P₁，该注射泵P₁上使用一个旋转阀P_1a切换流体管道。此旋转阀P_1a有4个接口，下方的1个常开接口P₁₀连接注射器P_1b，上方的3个接口P₁₁、P₁₂、P₁₃分别连接测序出口管道L₃，旁路管道L₄，废液管道L₅，废液管道L₅将废液排入废液桶W₁。

旋转阀P_1a的3个接口P₁₁、P₁₂、P₁₃根据旋转阀的转动位置，分别与下方的注射器接口(即连接注射器P_1b的常开接口)P₁₀实现连通。在此实施例中，流体管道的选择由注射泵P₁的旋转阀头完成，但是由于第一换路部件T₁的三个接口都互相连通，因此测序入口管道L₂与旁路管道L₄在第一换路部件T₁处不能完全隔离开，在任一流体管道泵液时都会对另一边的管道产生影响。本实施例引入的气体为空气。

此外，在本实施例中进样管道L₁的入口应连接试剂分配单元(未示出)，但是试剂分配单元的选择不影响本发明设计方案的正常工作，无论选择何种类型的分配单元，所用试剂都需从进样管道L₁进入此系统。

以下是对本实施例的时序设计方案的说明：

为了方便描述时序设计方案，这里约定流体管道中的原有试剂用编号1表示，即试剂1；用于替代的试剂用编号2表示，即试剂2；并且假设流体管道或芯片中使用试剂2替代试剂1的替代体积比为a:1(a>1)，可以使试剂替代的效果满足生化反应的要求。本实施例的两种时序设计方案的具体内容分别描述如下：

第一种时序设计方案详述如下：

在方案执行前，要保证管道状态为进样管道L₁，测序入口管道L₂，测序芯片C₁均充满试剂1。

第一步：将注射泵的旋转阀头转到接口P₁₂，向进样管道L₁泵入少量空气，体积为V_air。这一步使进样管道L₁入口处形成一小段空气，并且使少量试剂1进入旁路管道L₄中。

第二步：将注射泵的旋转阀头继续停在接口P₁₂，向进样管道L₁泵入试剂2，体积为V_L1。这一步要保证空气完全通过第一换路部件T₁的第三接口T₁₃并排出到旁路管道L₄中，此时进样管道L₁中充满试剂2。

第三步：将注射泵的旋转阀头转到接口P₁₁，向进样管道L₁泵入试剂2，体积为a(V_L2+V_C1)。这一步将测序入口管道L₂与测序芯片C₁中的试剂1替代为试剂2。

至此，测序入口管道L₂与测序芯片C₁内的试剂1完全被替代为试剂2，达到生化反应的要求，可以进行生化反应，并等待下一次试剂替代。

第二种时序设计方案详述如下：

在方案执行前，要保证管道状态为进样管道L₁充满空气；测序入口管道L₂，测序芯片C₁充满试剂1。

第一步：将注射泵的阀头转到接口P₁₂，向进样管道L₁泵入试剂2，体积为V_L1。这一步要保证进样管道L₁中的空气完全通过第一换路部件T₁的接口3并排到旁路管道L₄中，此时进样管道L₁中充满试剂2。

第二步：将注射泵的旋转阀头转到接口P₁₁，向进样管道L₁泵入试剂2，体积为a(V_L2+V_C1)-V_L1。这一步要为下一步使用空气清空进样管道L₁做准备。

第三步：将注射泵的旋转阀头继续停在接口P₁₁，向进样管道L₁泵入空气，体积为V_L1。这一步要保证将进样管道L₁中的试剂2推过第一换路部件T₁的第二接口T₁₂并进入测序入口管道L₂中，但同时也要保证不能将空气推入测序入口管道L₂中。

至此，测序入口管道L₂与测序芯片C₁内的试剂1完全被替代为试剂2，达到生化反应的要求，可以进行生化反应，并等待下一次试剂替代。

实施例2

参见图6，本实施例的硬件设计方案中，第一换路部件T₁使用了一个T型接头，其中，第一接口T₁₁连接进样管道L₁；第二接口T₁₂依次连接测序入口管道L₂，测序芯片C₁，以及测序出口管道L₃；第三接口T₁₃连接旁路管道L₄。

本实施例使用的动力单元为注射泵P₂，该注射泵P₂上使用一个旋转阀P_2a切换流体管道。此旋转阀P_2a有3个接口，下方的1个常开接口P₂₀连接注射器P_2b，上方的2个接口P₂₁、P₂₂分别连接一个第二换路部件T₂，废液管道L₅。第二换路部件T₂为一两位三通直动式电磁阀。接口P₂₁和P₂₂根据旋转阀的转动位置，分别与下方的注射器常开接口P₂₀实现连通。

在此实施例中，流体管道的选择由第二换路部件T₂完成，所述第二换路部件为两位三通电磁阀。其中，该电磁阀的第一接口T₂₁为公共接口，第二接口T₂₂为常闭接口，第三接口T₂₃为常开接口。第一接口T₂₁连接注射泵入口管道L₆；第二接口T₂₂连接测序出口管道L₃；第三接口T₂₃连接旁路管道L₄。当电磁阀不通电时，接口T₂₁与T₂₃连通；当电磁阀通电时，接口T₂₁与T₂₂连通。但由于第一换路部件T₁是三个接口都互相连通，因此测序入口管道L₂与旁路管道L₄在第一换路部件T₁处不能完全隔离开，在任一流体管道泵液时都会对另一边的管道产生影响。本实施例引入的气体为空气。

此外，在本实施例中进样管道L₁的入口应连接试剂分配单元(未图示)，但试剂分配单元的选择不影响本实施例设计方案的正常工作，无论选择何种类型的分配单元，所用试剂都需从进样管道L₁进入此系统。

以下是对本实施例的时序设计方案的说明：

为了方便描述时序设计方案，这里约定流体管道中的原有试剂用编号1表示，即试剂1；用于替代的试剂用编号2表示，即试剂2；并且假设流体管道或芯片中使用试剂2替代试剂1的替代体积比为a:1(a>1)，可以使试剂替代的效果满足生化反应的要求。由于本实施例提出了两种时序设计方案，因此该两种方案的具体内容分别描述如下：

第一种时序设计方案详述如下：

在方案执行前，要保证管道状态为进样管道L₁，测序入口管道L₂，测序芯片C₁均充满试剂1。

第一步：第二换路部件T₂不通电，则进样管道L₁与旁路管道L₄及注射泵入口管道L₆连通，向进样管道L₁泵入少量空气，体积为V_air。这一步使进样管道L₁入口处形成一小段空气，并且使少量试剂1进入旁路管道L₄中。

第二步：第二换路部件T₂不通电，则进样管道L₁与旁路管道L₄及注射泵入口管道L₆连通，向进样管道L₁泵入试剂2，体积为V_L1。这一步要保证空气完全通过第一换路部件T₁的第三接口T₁₃并排出到旁路管道L₄中，此时进样管道L₁中充满试剂2。

第三步：第二换路部件T₂通电，则进样管道L₁与测序入口管道L₂，测序芯片C₁，测序出口管道L₃，注射泵入口管道L₆连通，向进样管道L₁泵入试剂2，体积为a(V_L2+V_C1)。这一步将测序入口管道L₂与测序芯片C₁中的试剂1替代为试剂2。

至此，测序入口管道L₂与测序芯片C₁内的试剂1完全被替代为试剂2，达到生化反应的要求，可以进行生化反应，并等待下一次试剂替代。

第二种时序设计方案详述如下：

在方案执行前，要保证管道状态为进样管道L₁充满空气；测序入口管道L₂，测序芯片C₁充满试剂1。

第一步：第二换路部件T₂不通电，则进样管道L₁与旁路管道L₄及注射泵入口管道L₆连通，向进样管道L₁泵入试剂2，体积为V_L1。这一步要保证进样管道L₁中的空气完全通过第一换路部件T₁的第三接口T₁₃并排到旁路管道L₄中，此时进样管道L₁中充满试剂2。

第二步：第二换路部件T₂通电，则进样管道L₁与测序入口管道L₂，测序芯片C₁，测序出口管道L₃，注射泵入口管道L₆连通，向进样管道L₁泵入试剂2，体积为a(V_L2+V_C1)-V_L1。这一步要为下一步使用空气清空进样管道L₁做准备。

第三步：第二换路部件T₂通电，则进样管道L₁与测序入口管道L₂，测序芯片C₁，测序出口管道L₃，注射泵入口管道L₆连通，向进样管道L₁泵入空气，体积为V_L1。这一步要保证将进样管道L₁中的试剂2推过第一换路部件T₁的第二接口T₁₂并进入测序入口管道L₂中，但同时也要保证不能将空气推入测序入口管道L₂中。

至此，测序入口管道L₂与测序芯片C₁内的试剂1完全被替代为试剂2，达到生化反应的要求，可以进行生化反应，并等待下一次试剂替代。

实施例3

参见图7，在本实施例的硬件设计方案中，第一换路部件T₁使用了一个两位三通直动式电磁阀，其中，该电磁阀的第一接口T₁₁为公共接口，第二接口T₁₂为常闭接口，第三接口T₁₃为常开接口。第一换路部件T₁的入口，即第一接口T₁₁连接进样管道L₁；第一换路部件T₁的常闭接口，即第二接口T₁₂依次连接测序入口管道L₂，测序芯片C₁，以及测序出口管道L₃；第一换路部件T₁的常开接口，即第三接口T₁₃连接旁路管道L₄。当电磁阀不通电时，接口T₁₁与T₁₃连通；当电磁阀通电时，接口T₁₁与T₁₂连通。

本实施例使用的动力单元为注射泵P₁，该注射泵P₁上使用一个旋转阀P_1a切换流体管道。此旋转阀P_1a有4个接口，下方的1个常开接口P₁₀连接注射器P_1b，上方的3个接口P₁₁、P₁₂、P₁₃分别连接测序出口管道L₃，旁路管道L₄，废液管道L₅。以上3个接口根据旋转阀的转动位置，分别与下方的注射器常开接口P₁₀实现连通。在此实施例中，流体管道的选择由该电磁阀和注射泵的旋转阀头共同完成，并能够将测序入口管道L₂与旁路管道L₄完全隔离开。本实施例引入的气体为空气。

此外，在本实施例中进样管道L₁的入口应连接试剂分配单元(未图示)，但试剂分配单元的选择不影响本发明设计方案的正常工作，无论选择何种类型的分配单元，所用试剂都需从进样管道L₁进入此系统。

以下是对本实施例的时序设计方案的说明：

为了方便描述时序设计方案，这里约定流体管道中的原有试剂用编号1表示，即试剂1；用于替代的试剂用编号2表示，即试剂2；并且假设流体管道或芯片中使用试剂2替代试剂1的替代体积比为a:1(a>1)，可以使试剂替代的效果满足生化反应的要求。由于本实施例提出了两种时序设计方案，因此该两种方案的具体内容分别描述如下：

第一种时序设计方案详述如下：

在方案执行前，要保证管道状态为进样管道L₁，测序入口管道L₂，测序芯片C₁均充满试剂1。

第一步：第一换路部件T₁不通电，则进样管道L₁与旁路管道L₄连通，将注射泵P₁的旋转阀头转到接口P₁₂，向进样管道L₁泵入少量空气，体积为V_air。这一步使进样管道L₁入口处形成一小段空气，并且使少量试剂1进入旁路管道L₄中。

第二步：第一换路部件T₁不通电，则进样管道L₁与旁路管道L₄连通，将注射泵的旋转阀头继续停在接口P₁₂，向进样管道L₁泵入试剂2，体积为V_L1。这一步要保证空气完全通过第一换路部件T₁的第三接口T₁₃并排出到旁路管道L₄中，此时进样管道L₁中充满试剂2。

第三步：第一换路部件T₁通电，则进样管道L₁与测序入口管道L₂连通，将注射泵P₁的旋转阀头转到接口P₁₁，向进样管道L₁泵入试剂2，体积为a(V_L2+V_C1)。这一步将测序入口管道L₂与测序芯片C₁中的试剂1替代为试剂2。

至此，测序入口管道L₂与测序芯片C₁内的试剂1完全被替代为试剂2，达到生化反应的要求，可以进行生化反应，并等待下一次试剂替代。

第二种时序设计方案详述如下：

在方案执行前，要保证管道状态为进样管道L₁充满空气；测序入口管道L₂，测序芯片C₁充满试剂1。

第一步：第一换路部件T₁不通电，则进样管道L₁与旁路管道L₄连通，将注射泵P₁的旋转阀头转到接口P₁₂，向进样管道L₁泵入试剂2，体积为V_L1。这一步要保证进样管道L₁中的空气完全通过第一换路部件T₁的第三接口T₁₃并排到旁路管道L₄中，此时进样管道L₁中充满试剂2。

第二步：第一换路部件T₁通电，则进样管道L₁与测序入口管道L₂连通，将注射泵P₁的旋转阀头转到接口P₁₁，向进样管道L₁泵入试剂2，体积为a(V_L2+V_C1)-V_L1。这一步为下一步使用空气清空进样管道L₁做准备。

第三步：第一换路部件T₁通电，则进样管道L₁与测序入口管道L₂继续连通，将注射泵P₁的旋转阀头继续停在接口P₁₁，向进样管道L₁泵入空气，体积为V_L1。这一步要保证将进样管道L₁中的试剂2推过第一换路部件T₁的第二接口T₁₂并进入测序入口管道L₂中，但同时也要保证不能将空气推入测序入口管道L₂中。

至此，测序入口管道L₂与测序芯片C₁内的试剂1完全被替代为试剂2，达到生化反应的要求，可以进行生化反应，并等待下一次试剂替代。

实施例4

参见图8，在本实施例的硬件设计方案中，第一换路部件T₁使用了一个两位三通直动式电磁阀，其中，该电磁阀的第一接口T₁₁为公共接口，第二接口T₁₂为常闭接口，第三接口T₁₃为常开接口。第一换路部件T₁的入口，即第一接口T₁₁连接进样管道L₁；第一换路部件T₁的常闭接口，即第二接口T₁₂依次连接第一公共入口管道L₇，第一五通部件H₁，4条测序入口管道L₂，测序芯片C₂，以及4条并行的测序出口管道L₃；第一换路部件T₁的常开接口，即第三接口T₁₃连接第二公共入口管道L₈，第二五通部件H₂，以及4条并行的旁路管道L₄。当第一换路部件T₁不通电时，接口T₁₁与T₁₃连通；当第一换路部件T₁通电时，接口T₁₁与T₁₂连通。

本实施例使用的测序芯片C₂为具有4条独立通道的芯片，因此使用的动力单元为4联排注射泵P₃，4联排注射泵P₃中的每一个注射器P_3b控制测序芯片C₂的一个通道的试剂量，并且该注射泵P₃上每个通道都使用一个旋转阀P_3a切换流体管道。每个旋转阀P_3a的配置相同，各有4个接口，下方的1个常开接口P₃₀连接注射器P_3b，上方的3个接口P₃₁、P₃₂、P₃₃分别连接4条测序出口管道L₃，4条旁路管道L₄，4条废液管道L₅，4条废液管道将废液排入废液桶W₁。以上3个接口P₃₁、P₃₂、P₃₃根据旋转阀的转动位置，分别与下方的注射器常开接口P₃₀实现连通。在此实施例中，流体管道的选择由该第一换路部件T₁和注射泵P₃的旋转阀头共同完成，并能够将测序入口管道L₂与旁路管道L₄完全隔离开。本实施例引入的气体为空气。

此外，在本实施例中进样管道L₁的入口应连接试剂分配单元(未示出)，但试剂分配单元的选择不影响本实施例设计方案的正常工作，无论选择何种类型的分配单元，所用试剂都需从进样管道L₁进入此系统。

以下是对本实施例的时序设计方案的说明：

为了方便描述时序设计方案，这里约定流体管道中的原有试剂用编号1表示，即试剂1；用于替代的试剂用编号2表示，即试剂2；并且假设流体管道或芯片中使用试剂2替代试剂1的替代体积比为a:1(a>1)，可以使试剂替代的效果满足生化反应的要求。由于本实施例提出了两种时序设计方案，因此该两种方案的具体内容分别描述如下：

第一种时序设计方案详述如下：

在方案执行前，要保证管道状态为进样管道L₁，第一公共入口管道L₇，第一五通部件H₁，4条测序入口管道L₂，测序芯片C₂均充满试剂1。

第一步：第一换路部件T₁不通电，则进样管道L₁与第二公共入口管道L₈连通，将4联排注射泵P₃的旋转阀头均转到接口P₃₂，向进样管道L₁泵入少量空气，体积为V_air。这一步使进样管道L₁入口处形成一小段空气，并且使少量试剂1进入第二公共入口管道L₈中。

第二步：第一换路部件T₁不通电，则进样管道L₁与第二公共入口管道L₈连通，将4联排注射泵P₃的旋转阀头均继续停在接口P₃₂，向进样管道L₁泵入试剂2，体积为V_L1。这一步要保证空气完全通过第一换路部件T₁的第三接口T₁₃并排出到第二公共入口管道L₈中，此时进样管道L₁中充满试剂2。

第三步：第一换路部件T₁通电，则进样管道L₁与第一公共入口管道L₇连通，将4联排注射泵P₃的旋转阀头均转到接口P₃₁，向进样管道L₁泵入试剂2，体积为a(V_L7+V_H1+4V_L2+V_C2)。这一步将第一公共入口管道L₇、测序入口管道L₂与测序芯片C₂中的试剂1替代为试剂2。

至此，测序入口管道L₂与测序芯片C₂内的试剂1完全被替代为试剂2，达到生化反应的要求，可以进行生化反应，并等待下一次试剂替代。

第二种时序设计方案详述如下：

在方案执行前，要保证管道状态为进样管道L₁充满空气；第一公共入口管道L₇，第一五通部件H₁，4条测序入口管道L₂，测序芯片C₂充满试剂1。

第一步：第一换路部件T₁不通电，则进样管道L₁与第二公共入口管道L₈连通，将4联排注射泵P₃的旋转阀头均转到接口P₃₂，向进样管道L₁泵入试剂2，体积为V_L1。这一步要保证进样管道L₁中的空气完全通过第一换路部件T₁的接口P₁₃并排到第二公共入口管道L₈中，此时进样管道L₁中充满试剂2。

第二步：第一换路部件T₁通电，则进样管道L₁与第一公共入口管道L₇连通，将4联排注射泵P₃的旋转阀头均转到接口P₃₁，向进样管道L₁泵入试剂2，体积为a(V_L7+V_H1+4V_L2+V_C2)-V_L1。这一步为下一步使用空气清空进样管道L₁做准备。

第三步：第一换路部件T₁通电，则进样管道L₁与第一公共入口管道L₇继续连通，将4联排注射泵P₃的旋转阀头均继续停在接口P₃₁，向进样管道L₁泵入空气，体积为V_L1。这一步要保证将进样管道L₁中的试剂推过第一换路部件T₁的第二接口T₁₂并进入第一公共入口管道L₇中，但同时也要保证不能将空气推入第一公共入口管道L₇中。

至此，第一公共入口管道L₇、测序入口管道L₂与测序芯片C₂内的试剂1完全被替代为试剂2，达到生化反应的要求，可以进行生化反应，并等待下一次试剂替代。

总体而言，本发明利用三通部件并联一条平行于芯片流道的旁路管道，从而充分利用旁路管道并联的结构优势，配合使用空气分离并占用管道空间，达到分隔前后两种试剂，避免交叉污染，以及占用管道体积，节省试剂替代所需体积的目的。进一步的，在芯片进行生化反应时，还可以并行使用旁路管道避开芯片管道，对试剂管道做填充，清洗，排空等操作，以节省测序时间。在工作时，试剂分配单元负责建立当前所用试剂与公共管道的连接，然后通过动力单元驱动整个连通管道内的试剂运动，将试剂输送到芯片中参加生化反应。在本发明的具体硬件设计时，试剂分配单元与动力单元的选择是多种多样的。例如，根据需要的不同，试剂分配单元可以是夹管阀，电磁阀，旋转阀等，甚至是多种阀安装在特殊底板上组成的集成式模块；动力单元可以是隔膜泵，蠕动泵，柱塞泵，注射泵等，甚至是多种泵安装在特殊底板上组成的集成式模块。

本发明的用于基因测序的流路装置，通过增设旁路管道，并利用旁路管道与气体的配合使用，从而优化了基因测序仪中进样管道、测序入口管道和测序芯片中的试剂替代方式，使替代试剂的使用量显著降低。进一步的，由于旁路管道与测序芯片并联连接，因此进样管道中存在的气泡或固体污染物能够通过旁路管道排出，从而提高测序反应的效果及拍照质量，进而提升测序效果的准确度。此外，在测序芯片进行生化反应的同时，使用旁路管道进行其他试剂的操作，通过并行化的操作节省测序时间，从而大幅度提升了基因测序仪的工作效率。需要理解的是，尽管旁路是一种在液压系统的设计中被广泛使用的方案，其作用是通过特定作用的阀门，将部分液体导入旁路管道，以调控测序入口管道内的压力、流量和流速等物理条件，而在基因测序仪中，流体管路中对压力的要求远小于工业设备使用的液压系统，因此在绝大多数情况下，并不需要考虑增加旁路做严格的调控，当在某些使用高压气体驱动液体的产品中，才能见到泄压阀等起到旁路压力调节作用的部件。本文提出的旁路设计方案，主要使用旁路管道调节测序入口管道内的物质运输而非管道内压力控制。使用本方案可以有效提升公共管道和芯片中试剂替代效率，降低所需试剂体积。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，以上实施方式仅是用于解释权利要求书。然本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替代，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种用于基因测序的流路装置，其包括试剂供应系统，所述试剂供应系统包括：

进样管道，用于供应试剂，所述试剂包括第一试剂和第二试剂；

测序管道，所述测序管道与所述进样管道相连通；

旁路管道，所述旁路管道与所述进样管道相连通，且与所述测序管道并联连接；以及

换路部件，用于连接所述进样管道、所述测序管道和所述旁路管道；

当所述测序管道充满所述第一试剂时，将气体、所述第二试剂依序输入所述进样管道，所述气体在所述进样管道中形成气体段，所述气体段的体积小于或等于所述进样管道的体积，所述第二试剂的输入使所述进样管道内的气体全部排入所述旁路管道，再将所述第二试剂经由所述进样管道、所述换路部件，进入所述测序管道，以将所述第一试剂替代为所述第二试剂。

2.如权利要求1所述的用于基因测序的流路装置，其特征在于：所述测序管道包括测序入口管道、具有测序通道的测序芯片和测序出口管道，

所述测序入口管道与所述进样管道相连通，所述测序通道与所述测序入口管道以及所述测序出口管道相连通。

3.如权利要求1所述的用于基因测序的流路装置，其特征在于：所述试剂供应系统还包括注射泵和旋转阀，所述旋转阀具有与所述注射泵连通的进液口和若干与所述测序管道及所述旁路管道相连通的排液口。

4.如权利要求3所述的用于基因测序的流路装置，其特征在于：所述换路部件和所述旋转阀为n通转换器或多个n通转换器的组合，所述n通转换器选自夹管阀、电磁阀、旋转阀中的一种或其组合。

5.如权利要求3所述的用于基因测序的流路装置，其特征在于：所述流路装置还包括废液桶和与废液桶连通的废液管道，所述废液管道通过所述旋转阀连通所述测序管道和所述旁路管道。

6.如权利要求1所述的用于基因测序的流路装置，其特征在于：所述流路装置包括第一公共入口管道、第一n通部件及一个或多个测序管道，所述第一公共入口管道与所述进样管道相连通，所述第一n通部件用以将所述第一公共入口管道与所述一个或多个测序管道相连通。

7.如权利要求6所述的用于基因测序的流路装置，其特征在于：所述流路装置包括第二公共入口管道、第二n通部件及一个或多个旁路管道，所述第二公共入口管道与所述进样管道相连通，所述第二n通部件用以将所述第二公共入口管道与所述一个或多个旁路管道连通，所述第一公共入口管道与所述第二公共入口管道并联连接。

8.如权利要求1所述的用于基因测序的流路装置，其特征在于：所述气体不溶于所述试剂且不发生生化反应，所述气体选自空气、惰性气体中的一种或其组合。

9.一种包括如权利要求1所述的用于基因测序的流路装置的测序仪。

10.一种用于基因测序的流路装置的工作方法，所述流路装置为如权利要求1至8中任意一项所述的流路装置，所述工作方法包括如下步骤：

将进样管道，测序管道充满第一试剂；

转换换路部件，使所述进样管道和旁路管道相连通，向所述进样管道输入气体，以使所述进样管道形成气体段，并使部分所述第一试剂进入所述旁路管道；

保持连通所述进样管道与所述旁路管道，向所述进样管道输入第二试剂，以使所述气体全部通过所述换路部件并排出到所述旁路管道；以及

转换所述换路部件，使所述进样管道和所述测序管道相连通，向所述进样管道输入所述第二试剂，以将所述第一试剂替代为所述第二试剂。

11.如权利要求10所述的用于基因测序的流路装置的工作方法，其特征在于：所述气体不溶于所述试剂且不发生生化反应，所述气体选自空气、惰性气体中的一种或其组合。

12.一种用于基因测序的流路装置的工作方法，所述流路装置为如权利要求1至8中任意一项所述的流路装置，所述工作方法包括如下步骤：

将进样管道充满气体，并将测序管道充满第一试剂；

转换换路部件，使所述进样管道和旁路管道相连通，向所述进样管道输入第二试剂，以使所述进样管道内的气体全部通过换路部件并排出到所述旁路管道；以及

转换所述换路部件，使所述进样管道和所述测序管道相连通，向所述进样管道输入所述第二试剂，以将所述第一试剂替代为所述第二试剂；

保持连通所述进样管道与所述测序管道，向所述进样管道输入气体，以使所述进样管道中的第二试剂通过所述换路部件进入所述测序管道。

13.如权利要求12所述的用于基因测序的流路装置的工作方法，其特征在于：所述气体不溶于所述试剂且不发生生化反应，所述气体选自空气、惰性气体中的一种或其组合。

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