CN114736767A - 核酸提取系统 - Google Patents

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CN114736767A CN202210369226.3A CN202210369226A CN114736767A CN 114736767 A CN114736767 A CN 114736767A CN 202210369226 A CN202210369226 A CN 202210369226A CN 114736767 A CN114736767 A CN 114736767A
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李桃
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高嘉阳
孙宇博
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Jilin University
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Abstract

本申请公开了一种核酸提取系统。核酸提取系统包括：多个提取装置，位于工作区，每个提取装置作为子节点具有独立执行提取任务的结构，提取任务包括多个提取步骤；以及控制装置，接收各个提取装置提供数据包，数据包至少表征该提取装置是否处于空闲状态，以便于控制装置将处于空闲状态的多个提取装置之一选定为目标提取装置；传送装置，用于在控制装置的控制下将承载有待测样本的样本容器从进样区转移至目标提取装置，以便于目标提取装置对待测样本执行至少一个提取步骤。本公开实施例的方案能够实现自动化地对样本进行核酸提取，提高核酸提取效率、缩短待检测样本的等待时间，并允许工作进程中对新加入的样本进行处理。

Description

核酸提取系统
技术领域
本发明涉及生物技术领域，更具体地，涉及一种核酸提取系统。
背景技术
核酸分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)，核酸提取是基因克隆、基因诊断和基因改造中第一步道工序，也是最为重要的工序。高效快速的提取核酸是后续分析工作的基础。与手工提取核酸方法相比，自动化核酸提取仪具有效率高，产物纯度高和重复性好等优点，并且可以极大的节约人工成本，节约公共卫生资源。
现有的核酸提取设备在开始工作后无法修改提取过程，无法在当前样本的核酸提取过程未完成的情况下添加新的样本，即新一轮的样本仅能等待上一轮样本完成核酸提取之后才能被加入至核酸提取设备，不同样本批次需要被串行地提取，核酸提取效率低，待处理样本的等待时间长。尤其是在大规模的核酸筛查工作，难以做到样本的“随到随检”。
因此，期望能提出一种高度自动化的核酸提取系统，能够提高核酸提取效率、缩短待检测样本的等待时间。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种核酸提取系统，能够提高核酸提取效率、缩短待检测样本的等待时间，并允许工作进程中对新加入的样本进行处理。
根据本公开实施例，核酸提取系统可以包括：多个提取装置，位于工作区，每个提取装置作为子节点具有独立执行提取任务的结构，所述提取任务包括多个提取步骤；以及控制装置，作为父节点与所述多个提取装置通信耦合，以便于接收各个所述提取装置提供数据包，所述数据包至少表征该提取装置是否处于空闲状态，以便于所述控制装置将处于空闲状态的所述多个提取装置之一选定为目标提取装置；传送装置，用于在所述控制装置的控制下将承载有待测样本的样本容器从进样区转移至所述目标提取装置，以便于所述目标提取装置对待测样本执行至少一个所述提取步骤。
在一些实施例中，所述传送装置包括：主传送结构，用于在所述进样区和所述出样区之间传送样本容器；以及多个子传送结构，分别与所述多个提取装置对应，所述目标提取装置经相应的所述子传送结构接收来自所述主传送结构的样本容器，并在执行完成所述至少一个提取步骤后将样本容器经相应的所述子传送结构提供至所述主传送结构，以便于该样本容器经所述主传送结构被传送至用于执行下一提取步骤的目标提取装置或所述出样区。
在一些实施例中，核酸提取系统还包括间隔地配置在所述主传送结构上的多个换向模组，分别用于在所述控制装置的控制下改变样本容器的移动方向，使得该样本容器经相应的所述换向模组在所述主传送结构与相应的所述目标提取装置之间转移。
在一些实施例中，所述主传送结构包括一个或多个沿第一水平方向在所述进样区与所述出样区之间依次延伸的传送带，所述多个子传送结构分别沿第二水平方向延伸，所述第一水平方向与所述第二水平方向之间的夹角具有非零的设定角度，所述主传送结构与各所述子传送结构的交汇处分别设置有相应的所述换向模组。
在一些实施例中，每个所述换向模组包括：转盘，在第一电机的带动下以重力方向为轴转动，以便于转动该换向模组上承载的样本容器；以及分布在所述转盘表面的至少一个转轮，分别在第二电机的带动下以水平方向为轴转动，以便于传送该换向模组上承载的样本容器；支架，与所述主传送结构对接设置，且所述转盘可旋转地固定在所述支架上，所述控制装置控制所述第一电机和所述第二电机的转动方向，从而控制所述转盘和所述至少一个转轮沿轴顺时针或逆时针转动。
在一些实施例中，核酸提取系统还包括位于等待区的分支结构，用于依序传送和/或容置处于等待队列中的待测样本，在所述多个提取装置均处于非空闲状态的情况下，所述控制装置控制所述多个换向模组将待分配的样本容器传送至所述分支结构，并在所述多个提取装置之一被释放为空闲状态后控制所述分支结构将所述等待区中的样本容器传送至所述主传送结构。
在一些实施例中，，所述分支结构为入口与出口分别与所述主传送结构对接的转盘结构，以便于先入先出地传送处于等待队列中的样本容器。
在一些实施例中，所述分支结构的入口与出口分别与配置在所述主传送结构上的不同换向模组的位置对应，所述转盘结构包括在所述入口和所述出口之间依次延伸的一个或多个传送带，且相邻传送带之间配置有相应的所述换向模组。
在一些实施例中，核酸提取系统还包括进样模组，设置于所述传送装置位于所述进样区的一端，以便于检测位于所述进样区的一个或多个样本容器中是否有待测样本，若是，则将容置有待测样本的样本容器提供给所述主传送结构，若否，则等待直至检测到有待测样本加入至所述进样区后再将容置有待测样本的样本容器提供给所述主传送结构。
在一些实施例中，所述进样模组包括：传感器，用于检测所述进样区内的样本容器是否容置有待检测样本；通信模块，与所述传感器耦合连接，用于将所述传感器的检测结果上报至所述控制装置，以便于所述控制装置为该样本容器中的待测样本分配相应的目标提取装置。
在一些实施例中，所述控制装置包括：存储器，存储未完成提取任务的样本队列；以及处理器，与所述存储器通信耦合，用于按照先入先出原则为所述样本队列中的样本分配相应的提取装置。
在一些实施例中，所述控制装置适于：选择工作模式，所述工作模式包括第一工作模式和第二工作模式，在第一工作模式下，所述控制装置控制所述传送装置将待检测样本传送至空闲状态的所述提取装置之一，以使该提取装置对其接收到的样本串行地执行所述多个提取步骤，在第二工作模式下，所述控制装置控制所述传送装置将待检测样本依次传送至不同的提取装置，以便于所述不同的提取装置依序分别地对该样本执行不同的提取步骤。
在一些实施例中，所述控制装置还适于：在第二工作模式下，建立并管理与所述多个提取步骤分别对应的多个子样本队列，每个子样本队列用于对待执行与该子样本队列相对应的提取步骤的样本进行记录和排序；以及基于每个子样本队列，分别执行分配算法，所述分配算法用于为该子样本队列中的样本选择相应的所述目标提取装置，以便于所述目标提取装置对该样本执行该样本队列相对应的提取步骤。
在一些实施例中，基于每个所述子样本队列，所述处理器执行所述分配算法以适于：根据该子样本队列中的样本数量所在的数量区间，选择相应数量的所述目标提取装置来接收该样本队列中的样本。
在一些实施例中，若空闲状态的提取装置的数量少于所述数量区间所需的目标提取装置的数量，则所述处理器执行时间优化算法，所述时间优化算法用于估计各提取装置所需的等待时间，并根据所述等待时间选择即将释放为空闲状态的提取装置作为所述目标提取装置。
在一些实施例中，所述控制装置还适于：将所述多个提取装置分为多组，每组提取装置分别被配置为执行所述多个提取步骤之一；以及针对当前待处理样本的每个提取步骤，在与该提取步骤相对应的一组提取装置中选择空闲状态的提取装置作为所述目标提取装置。
综上，本公开实施例的核酸提取方案可以依据各提取装置是否处于空闲状态来为样本分配相应的目标提取装置，并且控制装置可以控制传送装置将样本依序自动化地分配至相应的目标装置，因此，相比于在工作进程中不允许新样本加入的传统方案，本公开实施例的核酸提取方案随时允许新样本的加入，并可以自动化且实时地将当前处于空闲状态的提取装置用于对新样本进行核酸提取，从而在批量核酸检测的场景下有利于实现“随到随检”，有利于自动化地实现提取装置的并行工作，降低了等待时间，提高了核酸提取的效率和资源利用率。
相比于传统技术所采用的依靠人工实现样本的添加和分配、磁珠的添加和回收，本公开采用的方案可以基于高度集成化和智能化的核酸提取系统自动地实现样本的添加、录入和分配、磁珠的添加与回收等功能，全程无需人为干预，提高了核酸提取的效率、降低了人工成本，基于自动化控制有利于实现数据的自动化管理，同时能够极大地减少由于人工操作带来的失误。
在一些优选的实施例中，可以设置等待区，从而在当前全部子节点处于非空闲状态的情况下先入先出地管理待检测的样本，有利于自动化且有序地管理大批量的样本及相关数据。
在一些优选的实施例中，在第二工作模式下，基于预设的控制机制，作为子节点的各个提取装置协同且并行地工作，每个样本可以在一个或多个提取装置中分别完成裂解、清洗和纯化步骤，而不限于在同一提取装置中完成所有用于实现核酸提取的步骤。基于这种流水线式的第二工作模式，可以通过并行执行各步骤来提高核酸提取效率。
在一些优选的实施例中，在为待分配样本选择目标提取装置时，可以对各子节点、各工作模式下所需的等待时间进行遍历的估计和试错，并基于时间优化算法来选择估计等待时间最短的子节点作为待分配样本的目标提取装置，从而进一步提升核酸提取系统的智能化和自动化性能，进一步提升核酸提取效率。
在一些优选的实施例中，还可以基于待分配的样本数量分配相应数量、空闲状态的目标提取装置，从而合理分配系统资源，有利于进一步提升核酸提取系统的智能化和自动化性能，有利于提升核酸提取效率。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出本公开实施例的核酸提取系统的结构示意图；
图2示出本公开实施例的核酸提取系统的一个示例的结构示意图；
图3a和3b分别示出本公开实施例中换向模组的一种示例的结构示意图及相应的俯视图；
图4示出本公开实施例的核酸提取系统的又一示例性的结构示意图；
图5示出本公开实施例的提取装置的结构示意图；
图6示出本公开实施例的磁棒与阻磁套的结构示意图；
图7示出本公开实施例的提取装置实现核酸提取的原理示意图；
图8示出本公开实施例的样本容器的一种示例的结构示意图；
图9示出本公开实施例的控制方法流程示意图；
图10示出本公开实施例的控制方法的一种示例的流程示意图；
图11示出本公开实施例的子节点分配算法的流程示意图；
图12示出本公开实施例的子节点分配算法的一种示例的流程示意图；
图13示出本公开实施例的时间优化算法的一种示例性的流程示意图；
图14示出本公开实施例的控制方法基于样本队列和子节点队列实现堆栈操作的一种示例的流程示意图；
图15示出本公开实施例基于样本队列和子节点队列实现堆栈操作的一种示例的流程示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图1示出本公开实施例的核酸提取系统的结构示意图。
本公开实施例的核酸提取系统用于对样本“随到随检”地执行提取任务。
本公开实施例的核酸提取系统1000可以包括：控制装置100、多个提取装置200以及传送装置300。其中，多个提取装置200位于工作区，每个提取装置200作为子节点具有独立执行提取任务的结构；控制装置100作为父节点，与多个提取装置200通信耦合，以便于接收各个提取装置200提供的子节点信息，子节点信息至少表征该提取装置200是否处于空闲状态，控制装置100将处于空闲状态的多个提取装置200之一选定为目标提取装置；传送装置300用于在控制装置100的控制下将承载有待测的样本的样本容器210(例如图8所示)从进样区转移至目标提取装置，以便于目标提取装置对样本执行一个或多个提取步骤或执行整个提取任务。
本公开所指的提取任务是指针对样本进行核酸提取的任务，提取任务可以包括裂解步骤、一个或多个清洗/洗涤步骤以及纯化步骤等多个提取步骤。
需要说明的是，本公开实施例所描述的“样本”，可以指容置在同一样本容器中的一个或多个待检测的样本。
控制装置100可以基于样本队列管理样本，且可以依据各提取装置是否处于空闲状态来为样本分配相应的目标提取装置，因此，相比于在工作进程中不允许新样本加入的传统方案，本公开实施例的核酸提取系统1000随时允许新样本加入至样本队列中，并可以实时地将当前处于空闲状态的提取装置用于对新样本进行核酸提取，从而在批量核酸检测的场景下有利于实现“随到随检”，有利于自动化地实现提取装置的并行工作，降低了等待时间，提高了核酸提取的效率和资源利用率。
在一些实施例中，各个提取装置200均具有独立执行提取任务的结构，各个提取装置200的结构可以完全相同，从而可以根据需求在核酸提取系统1000中加入或减少提取装置的数量，方便系统规模的扩展和缩减。并且，每个提取装置200可以独立地对样本串行执行全程的提取任务，也可以与其它提取装置协同工作并仅用于对样本执行提取任务中的一个或多个提取步骤，有利于灵活分配资源。
具体地，如图1所示，控制装置100与各个提取装置200通信耦合，从而与各提取装置200进行信息交互。作为示例，控制装置100与各个提取装置200之间可以基于组网协议通信耦合，例如，控制装置100作为父节点，每个提取装置200作为子节点，父节点和各子节点通过特定通信协议组网协同工作，通信协议例如为TCP/IP协议(Transmission ControlProtocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议)，子节点会按照规定时间发送数据包给父节点，以便于汇报该子节点所在的提取装置的工作状态(例如包括子节点的工作属性、工作进程、温度等传感器数据、预计工作时间/等待时间等)。
然而本公开实施例不限于此，控制装置100和各个提取装置200之间也可以通过其他耦合方式(例如有线连接、局域网等方式)交互通信，使得各提取装置200与控制装置100组网成为用于核酸提取的工作站。
在本实施例中，控制装置100作为父节点和上位机，主要用于控制、计算统筹和监控各个提取装置200的工作状态。例如，控制装置100可以检查核酸提取系统1000中所有可管理的子节点(提取装置)，实时监控所有与控制装置100通信耦合的子节点的当前工作状态，计算预期工作时间，设置子节点的工作属性及为子节点分配工作任务，并且在一些实施例中，控制装置100还可以利用时间优化算法建立样本队列、子节点队列和/或空闲子节点队列。
在本实施例中，子节点的工作属性例如用于指示裂解工作状态、清洗工作状态、纯化工作状态之一，每个子节点可以作为独立的核酸提取设备，也可以作为分支设备被配置为三种工作属性之一(即仅完成三种裂解、清洗和纯化步骤中的一种)，其他步骤交由其他子节点完成。各个子节点的工作属性与工作方式可以由控制装置根据样本队列中的样本数量、工作模式以及实际需求独立设定。
作为示例，如图1所示，控制装置100可以包括处理器110和存储器120。存储器120用于存储样本队列，处理器110与存储器120通信耦合，用于按照先入先出原则为样本队列中的样本分配相应的提取装置。存储器120还可以存储一系列控制指令，处理器110基于这些控制指令执行控制工具包，以便于实现时间控制、裂解控制、清洗/洗涤控制、纯化控制以及错误检测等功能中的至少一个。处理器110例如为通用/专用处理器，存储器120例如包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)和/或快闪存储器(Flash Memory)等各种类型的存储器，控制装置100例如为通用/专用计算机。
图2示出本公开实施例的核酸提取系统的一个示例的结构示意图。
如图2所示，传送装置300可以包括：主传送结构310，用于在进样区10和出样区20之间传送样本容器210；以及多个子传送结构320，分别与多个提取装置100对应，目标提取装置经相应的子传送结构320接收来自主传送结构310的样本容器210，并在执行完成至少一个提取步骤后将样本容器210经相应的子传送结构320提供至主传送结构310，以便于该样本容器210经主传送结构310被传送至用于执行下一提取步骤的目标提取装置或出样区或后文所述的等待区。
核酸提取系统1000还可以包括多个换向模组330，分别用于在控制装置的控制下改变样本容器的移动方向。多个换向模组330可以间隔地配置在主传送结构310上，使得样本容器可以经由相应的换向模组在主传送结构310与相应的目标提取装置之间转移。
作为示例，如图2所示，主传送结构310可以包括一个或多个沿第一水平方向在进样区10与出样区20之间依次延伸的传送带311，多个子传送结构320可以分别包括一个或多个沿第二水平方向延伸的传送带321，第一水平方向(例如图2所示的x方向)与第二水平方向(例如如图2所示的y方向)之间的夹角具有非零的设定角度(例如为90度或其它锐角/钝角)，主传送结构310与各子传送结构320的交汇处可以分别设置有相应的换向模组330。
作为示例，主传送结构310可以沿进样区与出样区之间的直线方向延伸。作为又一示例，主传送结构310可以包括进样传送带和出样传送带，进样传送带与各个子传送结构320通过相应的换向模组对接，使得待检测的样本可以经进样传送带被传送至相应的目标提取装置，出样传送带与各个子传送结构320通过相应的换向模组330对接，以便于完成提取任务的样本可以经出样传送给带从相应的目标提取装置传送至出样区，进样传送带和出样传送带可以在多个提取装置两侧平行设置并与各个子传送结构320成设定角度(例如为90度或近似于90度的锐角或钝角)。
在一些实施例中，核酸提取系统1000还可以包括进样模组340。进样模组340设置于传送装置300位于进样区10的一端，以便用于检测位于进样区10的一个或多个样本容器210中是否有待测样本。若是，则将进样区中容置有待测样本的样本容器提供给主传送结构310；若否，则等待直至检测到有待测样本加入至进样区后，再将容置有待测样本的样本容器提供给主传送结构310。
作为示例，进样模组340可以每隔预设时间进行一次检测，并在每次检测后向控制装置100上报检测结果，使得控制装置100可以根据预设机制为新加入的待测样本分配相应的目标提取装置。
作为示例，进样模组340可以检测新加入到进样区10的样本的位置，并直接或经由控制装置100为新加入的样本进行编号，以便于控制装置100管理该样本的传送和分配。
作为示例，进样模组340可以包括传感器(例如为光电传感器和/或重量传感器，等等)和通信模块。其中，传感器用于检测进样区内的样本容器是否容置有待检测样本，通信模块用于与传感器耦合连接，用于将传感器的检测结果上报至控制装置100，以便于控制装置100为该样本容器中的待测样本分配相应的目标提取装置。
由于传感器可以识别出是否有新样本录入进样区，因此，控制装置100接收到传感器发送的信息后，可以根据工作模式的不同，选择合理的分配方案来对新样本分配相应的目标提取装置。例如，控制装置100可以在获知有新样本录入后将该新样本加入到样本队列，分别估算在不同工作模式下所需的等待时间和/或提取任务执行时间，并根据估算结果选择效率最优(例如等待时间最短)的工作模式(例如后文所述的第一工作模式和第二工作模式之一)对该新样本进行分配，以选定相应的目标提取装置对该样本执行一个或多个提取步骤。
图3a和3b分别示出本公开实施例中换向模组的一种示例的结构示意图及相应的俯视图。
如图3a和3b所示，每个换向模组330例如包括转盘331、至少一个转轮332和支架333，还包括未示出的用于驱动转盘331的第一电机和用于驱动各转轮332的第二电机等。
转盘331例如在第一电机的带动下以重力方向为轴转动，从而转动该换向模组上承载的样本容器。作为示例，可以采用角度编码器闭环控制第一电机，从而控制转盘的转动。
各转轮332例如分别分布在转盘321表面的相应的开口槽301内，并分别在第二电机的带动下以水平方向为轴转动，从而将该换向模组上承载的样本容器传送至与该换向模组对接的装置(例如主传送结构和/或子传送结构)上。作为示例，第二电机可以带动传动轴承，欢动轴承再带动转轮转动，使得各个转轮可以同步转动。
支架333，与主传送结构310对接设置，转盘331可旋转地固定在支架上。在一些示例中，支架333可以与主传送结构310固定连接或一体成型。在一些示例中，支架333的结构可以独立于相邻的主传送结构310和/或子传送结构320。
控制装置100可以控制第一电机和第二电机的转动方向，从而控制转盘331和各转轮332沿轴顺时针或逆时针转动。作为示例，控制装置100可以控制转盘在360度范围内旋转，和/或控制各转轮332正向或反向转动。
各个转轮332在转盘331上的位置可以是任意的。在一些示例中，各转轮322的轴向平行，且各转轮332的距离转盘331表面的高度可以一致。例如，如图3a和3b所示，各个转轮332可以按照菱形排列在转盘表面的开口槽301内，开口槽301例如为矩形，各转轮332例如为直径小于小于开口槽301的各边长的球状滚轮。
需要说明的是，虽然图2、图3a和3b示出了一种核酸提取系统和换向模组330的结构示意图，但本公开不限于此，还可以包括很多变形、替换和修改。例如，各转轮332可以是轴向及径向长度不超出开口槽301的尺寸的圆柱状或梭形滚轮；各转轮332可以在转盘331表面呈任意形式的排布(例如矩形矩阵、圆形、三角形、X形、不规则形，等等)；开口槽301可以被替换为下凹槽；虽然图3a和3b示出了8个转轮，但本公开实施例中的每个换向模组330也可以包括8个以下或8个以上的转轮332，等等。
图4示出本公开实施例的核酸提取系统的又一示例性的结构示意图。
与图2所示的实施例相比，图4示出的核酸提取系统1000还包括设置在等待区30的分支结构350，用于依序传送和/或容置处于等待队列中的待测样本。
具体地，若控制装置100检测到多个提取装置200均处于非空闲状态，则控制装置100可以控制各换向模组320将待分配的样本容器传送至分支结构350，并在多个提取装置200之一被释放为空闲状态后控制分支结构350将等待区30中的样本容器传送至主传送结构310。
作为示例，分支结构350为入口与出口分别与主传送结构对接的转盘结构，以便于先入先出地传送处于等待队列中的样本容器。
作为示例，分支结构350的入口与出口分别与配置在主传送结构310上的不同换向模组330的位置对应。例如，转盘结构包括在入口和出口之间依次延伸的一个或多个传送带，且相邻传送带之间配置有相应的换向模组330。又例如，转盘结构可以包括与分支结构的入口和出口对接的旋转台。
图5示出本公开实施例的提取装置的结构示意图。图6示出本公开实施例的磁棒与阻磁套的结构示意图。图7示出本公开实施例的提取装置实现核酸提取的原理示意图。图8示出本公开实施例的样本容器的一种示例的结构示意图。
本公开实施例的提取装置200利用磁珠在样本中提取核酸(DNA和/或RNA)。运用纳米技术对超顺磁性纳米颗粒的表面进行改良和表面修饰后，可以制备成超顺磁性氧化硅纳米磁珠。该磁珠能在微观界面上与核酸分子特异性地识别和高效结合。磁珠在外加磁力的作用下，可快速分离纯化核酸DNA/RNA，安全并易于实现自动化。本公开实施例采用的纳米磁珠核酸提取方法是指以超顺磁性氧化硅纳米磁性微球(以下简称磁珠)作为载体，通过磁珠在高盐、低PH溶液中吸附核酸，而在低盐溶液中将核酸从磁珠表面脱离的原理进行核酸提取的方法。
如图5和6所示，提取装置200在结构上例如包括：磁棒220、阻磁套230以及移动结构240。提取装置200中的磁棒220与阻磁套成对装配，且提取装置200可以包括一对或多对磁棒220与阻磁套230，多对磁棒220与阻磁套230的配置有利于对多个样本进行批量操作。
用于承载样本的样本容器210包括多个用于容纳样本的容置位；磁棒220用于吸引磁珠；阻磁套230用于将磁棒220与磁珠隔开；移动结构240至少用于移动磁棒220和阻磁套230。
当磁棒220置于阻磁套230内时，磁珠和/或磁珠的吸附物在磁棒220的引力作用下聚集在阻磁套230的底部表面，使得磁珠和/或磁珠的吸附物跟随阻磁套230和磁棒220在不同的容置位或不同的提取装置200之间移动。当磁棒220被移出阻磁套230时，聚集在阻磁套230的底部表面的磁珠和/或磁珠的吸附物被释放至相应的容置位中。利用磁棒220、磁珠和阻磁套230，可以对样本中的核酸进行吸附和释放，从而实现核酸分子的移动。
移动结构240可以包括用于在多个方向上移动阻磁套和磁棒的多个移动部件，例如包括用于在重力方向(如图所示的z轴方向)上升降阻磁套的第一移动部件、在重力方向上升降磁棒的第二移动部件和/或在垂直于重力方向的水平面(如图所示的x轴与y轴所在平面)上移动阻磁套和磁棒的第三移动部件。在一些可选的实施例中，移动结构240还可以用于移动传送至该提取装置200的样本容器210，以便于将相应的磁棒和/阻磁套与样本容器中需要被操作的容置位在位置和/或高度上对应。
作为示例，如图5所示，移动结构240例如包括：样本转移模组241，用于在重力方向上分别移动阻磁套230和磁棒220；支架移动模组242，用于在垂直于重力方向的水平方向上移动样本转移模组241；和/或设置在该提取装置200对应的子传送结构上的容器移动模组(未示出)，用于在水平方向和/或重力方向上移动至少一个样本容器210。
阻磁套230和磁棒220分别与移动结构240(例如样本转移模组)可拆卸地连接，从而可以被移动至不同的提取装置且各提取装置中的阻磁套和/或磁棒可被更换。
作为示例，移动结构230可以驱动阻磁套230在相应的容置位内搅动，从而对相应的容置位中的内容物进行充分搅拌以使其均匀/反应充分。
样本容器210例如水平设置(如图所示的x轴与y轴所在平面，例如为垂直于重力方向的平面)，可以包括多个相互隔离的容置位，各容置位例如按照多行乘多列的阵列方式分布。作为示例，样本容器例如为96孔板，各孔位作为容置位，其常见的规格例如包括12x8个容置位。在一些示例中，根据移动方式的不同，样本容器中的各容置位也可以按照同心圆式、错位行列式等形式的阵列排列分布，本公开对样本容器中各容置位的实现方式和分布方式不作限制。
作为示例，如图8所示，样本容器210可以被划分为多个工作区，包括：第一容置区，包括至少一个容置位，第一容置区内的容置位内包含用于实现裂解步骤的裂解液；第二容置区，包括至少一个容置位，所述第二容置区内的容置位内包含用于实现清洗/洗涤步骤的清洗溶液；以及第三容置区，包括至少一个容置位，第三容置区内的容置位内包含纯化缓冲液。基于此，每个提取装置可以利用磁棒220和组磁套230对吸附有核酸分子的磁珠在不同工作区和/或不同提取装置之间转移。
进一步地，样本容器210例如可以是96孔板(包括12列，每列8个孔位)。样本区例如位于96孔板的边缘区，从而方便新样本的加入，样本区例如占用第1-3列孔位；用于执行裂解步骤的第一容置区例如占用第4-6列孔位，其中的每个孔位可预先注入裂解液(例如包括20微升蛋白酶K、10微升RNA酶和400微升CTAB裂解液)；用于执行清洗/洗涤步骤的第二容置区例如占用第7-9列孔位，其中的每个孔位例如可预先注入清洗溶液(例如包括400微升去蛋白液)；用于执行纯化步骤的第三容置区例如占用第10-12列孔位，其中的每个孔位例如可以预先注入纯化缓冲液(例如为TE溶液)。在本示例中，每个提取装置单次可处理的样本数量例如为8个或16个或24个，即为样本区中单列孔位所提供的容置位数量的整数倍。
在一些可选的示例中，如图8所示，样本容器210还可以包括样本区，用于存放当前提取装置待处理的样本。
如图5和6所示，阻磁套230可以在移动结构240的带动下被置入相应容置位中和/或从相应容置位中被取出，且移动结构240可以驱动阻磁套230在相应容置位中上下移动(如图所示的z轴方向，例如为重力方向)，以搅拌相应容置位中的内容物。在一些示例中，移动结构也可以驱动阻磁套230在相应容置位中水平移动、转动和/或绕轴移动，从而实现更充分地搅拌相应容置位中的内容物。
如图6所示，磁棒220的直径小于阻磁套的内径，从而磁棒220可以设置在阻磁套230内，且可以在移动结构240的带动下在阻磁套230内上下移动(例如图5所示的z轴方向)。磁棒220的底端具有磁极221，因此当磁棒220的底端位于阻磁套230的底部时，相应容置位内的磁珠可以在磁力作用在聚集在阻磁套230的底部。在一些优选的实施例中，磁棒220的部分侧壁还设有阻磁涂层222，阻磁涂层位于磁极上方，用于屏蔽磁力线，以在邻近位置处减小磁珠吸附。在一些示例中，阻磁涂层可以覆盖在位于磁极之上的磁棒220的全部侧壁上。在另一些示例中，如图4所示，阻磁涂层可以均匀地覆盖在位于磁极之上的磁棒220的下半部侧壁上，由于磁棒220的上半部分对相应容置位内的磁珠的吸附与释放影响较小，从而本示例可以合理地减少阻磁涂层的覆盖面积、降低成本。
在一些实施例中，阻磁套230的底部可以为平面型，有助于提高磁珠在阻磁套230底部的聚集程度，从而提升磁珠收集效率。
每个提取装置200作为子节点，还可以包括以下的部件中的一个或多个：
运动控制器，与移动结构240相连接，用于控制移动结构240的操作。例如，运动控制器可以采用梯形升降速控制算法来控制移动结构，梯形升降速控制算法可以依照梯形曲线或类梯形的S型曲线控制移动速度的变化，以便于降低移动带来的抖动和震动、提升运动和速度控制精度。
温度控制器(例如图5所示的温度控制器250)，用于分别检测并调节一个或多个容置位的温度，以适配相应的提取步骤所需的温度环境。温度控制器例如包括多个温度传感器，可以分别设置在样本容器的不同容置区(包括一个或多个容置位)，并且温度控制器还可以包括多个温度调节模块，从而可以基于各个温度传感器所检测到的温度来调节各个容置区的环境温度，使得容置区内的溶液和/或样本被升温或降温，从而让不同容置区的环境温度满足各个提取步骤的反应温度要求。在一些示例中，一个或多个样本容器可以放置在温度控制器的容纳空间之内或放置于温度控制器的表面上。在一些可选的示例中，该提取装置相应的子传送结构320可以同时移动温度控制器250和位于温度控制器250之内或之上的一个或多个样本容器210。在一些示例中，温度控制器的至少一部分例如采用金属结构(例如为铝合金)。
液晶显示器，用于显示该提取装置的各种信息，例如包括工作状态(子节点的工作属性、工作进程、温度等传感器数据、预计工作时间/等待时间等)和/或报错信息等。
组网控制器，用于支持该提取装置与控制装置之间的通信，使得该提取装置可以将相关信息打包上传至控制装置，且控制装置可以对该提取装置发送控制信息。在一些示例中，组网控制器用于实现基本的网络通信协议，用于将设备节点链接进入局域网。在一些示例中，组网控制器例如可以通过本地WiFi链接组网，在一些其它的示例中，组网控制器也可以基于有线连接的方式实现通信。
电源，子节点提供电力支持，其至少用于为移动结构供电，以使得移动结构可以带动阻磁套和磁棒进行移动。电源还可以为其他部件供电，例如提取装置所包含的组网控制器，液晶显示屏、温度控制器以及运动控制器等。
根据实际需要提取装置，还可以包括本领域技术人员所公知的其它机械部件，例如导轨、弹簧、阻挡板、连接轴、包围上述各个组件的外壳等等，还可以包括本领域技术人员所公知的其它电子部件，例如液位传感器等各种传感器、存储器等等。
下面结合图5至8对每个提取装置200的工作原理进行说明。
提取装置200例如用于执行裂解步骤：
首先，样本(例如为悬浊液状态)被加入到样本容器210的第一容置位。第一容置位可以位于图8所示的样本区或用于执行裂解的第一容置区。
样本例如包括有细胞液体样本和无细胞液体样本等，其中有细胞液体样本包括细胞、全血、动物组织匀浆液，无细胞液体样本包括血清、血浆、组织提取液、拭子洗液、尿液、病毒培养液。
以第一容置位处于第一容置区为例，第一容置位内可装有裂解液，用于使样本中细胞、细胞核破裂，核酸(DNA/RNA)与核蛋白分离，核蛋白变形沉淀，从而裂解分离出样本中的核酸。
多个磁珠被提取装置自动化地加入至裂解液，第一容置位中的第一中间物质(裂解后的中间物质，例如包括核酸以及蛋白质颗粒等杂质)可以被磁珠吸附。磁珠为纳米磁珠，例如可以为运用纳米技术对超顺磁性纳米颗粒的表面进行改良和表面修饰后制备成的具有超顺磁性的氧化硅纳米磁珠，直径例如约为100～800nm，可以具有核壳结构(即具有超顺磁性核心及氧化硅外壳)。磁珠能在微观界面上特异性地识别核酸分子并与其高效结合。由于具有超顺磁性，在Chaotropic盐(盐酸胍、异硫氰酸胍等)和外加磁场的作用下，磁珠可用于从血液、动物组织、食品、病原微生物等样本中分离出核酸(DNA和/或RNA)。
随后，提取装置200执行搅拌操作，以使阻磁套230在移动结构240的带动下在第一容置位内搅动(例如在第一容置位内沿z轴上下移动，时长例如为10-15分钟)，目的是实现均匀搅拌，使得第一容置位内的第一中间物质可以被充分地吸附在各磁珠上。
在搅动前或搅动后，提取装置200执行吸附操作，以使磁棒220向下移动到阻磁套230的底部，使得第一容置位内的吸附有第一中间物质的磁珠可以聚集在阻磁套230的底部。
随后，提取装置200例如执行后续的清洗步骤。清洗步骤用于去除第一中间物质所含的核酸之外的杂质，可以包括多个子步骤(例如用于去除蛋白质等杂质的第一清洗子步骤、用于去除盐离子等杂质的第二清洗子步骤等等)。
作为示例，参见图5至8，在清洗步骤中，提取装置200例如执行以下操作：
首先，提取装置200执行移动操作，用于让阻磁套230与磁棒220在移动结构240的带动下同时提升并从第一容置位移动至第二容置位，从而吸附有第一中间物质的磁珠在磁力作用下跟随阻磁套230和磁棒220从第一容置位移动至第二容置位。阻磁套230和磁棒220的底部落入第二容置位的底部，使得磁珠连同其吸附的第一中间物质被加入至第二容置位。
第二容置位内装有用于去除杂质的第一清洗溶液(例如为离液盐等去蛋白试剂)。
随后，提取装置200执行释放操作，用于让磁棒220在移动结构240的带动下向上移动(远离第二容置位)，从而磁棒220与阻磁套230产生相对位移，产生磁场变化。基于此，磁珠连同其吸附的第一中间物质脱离阻磁套并落入第二容置位内。
并且，提取装置200执行搅拌操作，用于让阻磁套230在移动结构240的带动下对第二容置位内的内容物进行充分搅拌，以去除第一中间物质所含有的至少部分杂质，从而获得第二中间物质。该第二中间物质同样吸附在各磁珠上。作为示例，阻磁套230在移动结构240的带动下沿重力方向上下移动。
在搅动前或搅动后，提取装置200可以执行吸附操作，用于让磁棒220在移动结构240的带动下向下移动到阻磁套230的底部，使得磁场发生变化，从而第二容置位内吸附有第二中间物质的磁珠可以聚集在阻磁套230的底部。
之后，提取装置200再次执行移动操作，用于让阻磁套230与磁棒220在移动结构240的带动下同时提升并移动到第三容置位，以使吸附有第二中间物质的磁珠在磁力作用下跟随阻磁套230和磁棒220被移动至第三容置位，以便于进行下一清洁子步骤。
第三容置位内装有用于去除杂质的第二清洗溶液(例如为浓度为70％的乙醇溶液，用于去除盐离子以及小分子杂质等)。
随后，提取装置200再次执行释放操作，从而磁棒220在移动结构240的带动下向上移动(远离第三容置位)，以与阻磁套230产生相对位移。因此，基于磁场变化，磁珠连同其吸附的第二中间物质脱离阻磁套230并落入第三容置位内。
并且，提取装置200再次执行搅拌操作，使得阻磁套230在移动结构240的带动下对第三容置位内的内容物进行充分搅拌，以去除第二中间物质所含的盐离子等杂质，从而获得第三中间物质。该第三中间物质吸附在各磁珠上。作为示例，阻磁套230在移动结构240的带动下沿重力方向上下移动。
在搅动前或搅动后，提取装置200可以执行吸附操作，用于让磁棒在移动结构240的带动下向下移动到阻磁套230的底部，使得磁场发生变化，从而第三容置位内吸附有第三中间物质(作为清洗/洗涤后的中间物质)的磁珠可以聚集在阻磁套的底部。
然而本公开实施例不限于此，清洗/洗涤步骤可以仅包括一个子步骤(例如使用混合的清洗溶液进行清洗/洗涤)，也可以包括两个以上的子步骤，以便于分步采用多种清洗溶液进行清洗/洗涤。
随后，提取装置200例如执行后续的纯化步骤。纯化步骤用于获得较为纯净的核酸提取物，并将核酸提取物与磁珠分离。
作为示例，参见图5至8，在纯化步骤中，提取装置200例如执行以下操作：
首先，提取装置200执行移动操作，用于让阻磁套230与磁棒220在移动结构的带动下同时提升并从第三容置位移动至第四容置位，从而吸附有第一中间物质的磁珠在磁力作用下跟随阻磁套230和磁棒220从第三容置位移动至第四容置位。阻磁套230和磁棒220的底部落入第四容置位的底部，使得磁珠连同其吸附的第三中间物质被加入至第四容置位。
第四容置位内装有纯化缓冲液。纯化缓冲液可以为400uL的TE溶液，例如包括Tris(三羟甲基氨基甲烷)和EDTA，有助于抑制核酸酶活性，使得纯化获得的核酸提取物可以被良好地储存。
随后，提取装置200执行释放操作，用于让磁棒220在移动结构的带动下向上移动(远离第四容置位)，从而磁棒220与阻磁套230产生相对位移，产生磁场变化。基于此，磁珠连同其吸附的第三中间物质脱离阻磁套230并落入第四容置位内。
并且，提取装置200执行搅拌操作，用于让阻磁套230在移动结构240的带动下对第四容置位内的内容物进行充分搅拌，以去除第三中间物质所含的至少部分杂质，从而获得脱离了磁珠的核酸提取物。作为示例，阻磁套230在移动结构240的带动下沿重力方向上下移动。
在搅动前或搅动后，提取装置200可以自动化地执行回收操作，用于让磁棒220在移动结构240的带动下向下移动到阻磁套230的底部，使得磁场发生变化，从而第四容置位内的磁珠可以聚集在阻磁套230的底部。
之后，提取装置200再次执行移动操作，用于让阻磁套230与磁棒220在移动结构240的带动下同时提升并移动到第五容置位，以使磁珠在磁力作用下跟随阻磁套230和磁棒220被移动至用于回收磁珠的第五容置位。
基于本公开实施例提供的核酸提取系统，上述各步骤可以在各提取装置内的处理器的控制下自动化地基于控制装置分配的属性被执行，也可以直接在控制装置的控制下自动化地执行。
上述各步骤中，裂解步骤占用的时间较长(例如约为10-20分钟)，清洗步骤(例如约为5-10分钟)和纯化步骤(例如约为5-10分钟)占用的时间较短。
传统方案采用线性工作的方式，即所有样本在同一提取装置中依次完成裂解、清洗以及纯化步骤。假设裂解步骤所需时间为20分钟，清洗步骤所需时间为5分钟，纯化步骤所需时间为5分钟，4台提取装置同时运行且每台提取装置每次可处理8个样本，则基于传统方式的线性工作方式，处理32个样本所需的时间为30分钟，而处理33个样本所需时间为60分钟，即样本提取结果的等待时间分别为30分钟和60分钟，其中有一个样本需要等待30分钟才能开始被处理。可以看出，传统方案的核酸提取效率不高且资源分配不灵活，只能等待前一批次的样本完成提取之后才允许新样本的加入。
本发明基于样本队列对样本的提取任务进行管理和分配，让空闲状态的提取装置可以被用于对新样本执行提取任务中的至少一个步骤，从而可以基于串行、并行或流水线型的工作模式协调多个核酸提取装置。假设裂解步骤所需时间为20分钟，清洗步骤所需时间为5分钟，纯化步骤所需时间为5分钟，4台提取装置同时运行且每台提取装置每次可处理8个样本，基于本公开实施例提出的流水线式的工作方式，在用于负责裂解步骤的提取装置完成第一批样本的裂解步骤后，可以立即开始对第二批次的样本执行裂解步骤，且与此同时，其它负责清洗和纯化步骤的提取装置可以并行地对已经完成裂解的第一批次的样本继续执行清洗步骤和纯化步骤，从而处理前32个样本所需的时间为30分钟，处理33个样本所需的时间为50分钟，即样本提取结果的等待时间分别为30分钟和50分钟，其中第33个样本仅需等待20分钟就可以开始被处理，相比于单纯使用并行方式的传统方案，本公开实施例基于流水线式的工作模式可以将提取效率提高约11％。基于采用单个提取装置串行执行各步骤的传统方案，假定每次可处理16个样本，那么完成全部33个样本的提取需要执行3批次的提取任务，共需要90分钟，样本等待时间分别为30分钟、60分钟和90分钟，相比于这种串行单提取装置的工作模式，本公开实施例基于流水线式的工作模式将提取效率提高了50％。
因此，本公开实施例提高了核酸提取效率、资源利用率，且允许对新加入的样本进行实时分配。
图9示出本公开实施例的核酸提取控制方法流程示意图。该核酸提取控制方法例如是基于上述任一实施例提供的硬件和/或其它本领域技术人员公知的硬件结构来实现的。
在步骤S100中，读取可管理设备列表。可管理设备列表存储于控制装置所包含的存储器中，也可以存储于与控制装置通信耦合的存储器中。可管理设备列表用于指示核酸提取系统中可供管理的各子节点(即，各提取装置)，可以包括n个子节点的标识码(例如为各提取装置的序列号)，n为大于1的自然数。各提取装置的标识码可以由控制装置设置并分配，也可以由各子节点上传至控制中心(作为父节点的控制装置)。
在步骤S200中，对各子节点的工作模式进行配置。若配置为第一工作模式，则继续执行步骤S300，以使各子节点相互独立地对其接收到的样本串行执行核酸提取任务所需的各个步骤；若配置为第二工作模式，则继续执行步骤S400，以使各个子节点能够协同且并行地执行核酸提取任务所需的各个步骤。
在第一工作模式下，核酸提取系统中的作为子节点的各提取装置相互独立地工作，即，每个提取装置被配置为：接收被分配至该提取装置的一个或多个样本，并对这一个或多个样本串行执行上述裂解、清洗和纯化步骤。也就是说，在第一工作模式下，每个样本各自在同一提取装置中完成裂解、清洗和纯化步骤，可管理设备列表所指示的n个提取装置被简单地组合为一体式工作站，该工作站通过并行执行核酸提取任务来达到提升核酸提取速度的要求。
作为示例，如图7所示，步骤S300可以包括子步骤S310至S350。
在步骤S310中，读取样本队列。样本队列用于指示待提取的样本序列号及数量。样本队列例如被配置为具有先入先出的属性，即：在先加入至样本队列中的样本将会于在后加入至样本队列中的样本之前被分配至相应的提取装置，以优先执行提取任务。然而本公开实施例不限于此，也可以通过设置优先级的方式管理样本队列的顺序。
在步骤S320中，将样本队列中的样本分配至空闲状态的目标子节点。
在步骤S330中，驱动目标子节点对相应的样本执行提取任务，并将目标子节点的工作属性配置为非空闲状态。在某一目标子节点完成提取任务后，该目标子节点的工作属性恢复至空闲状态。
在步骤S340中，判断提取任务是否结束。如果已结束，则返回步骤S310，继续读取样本队列，以便于处理新加入的样本；如果未结束，则执行步骤S350。
作为示例，步骤S340可以在步骤S320执行一段时间(例如为预设的提取任务估计时间)之后开始执行，并且可以通过询问各个目标子节点的方式来获得各个目标子节点反馈的工作属性，并根据各个目标子节点反馈的工作属性判断各个目标子节点是否已经恢复为空闲状态。
在步骤S350中，对目标子节点的状态进行轮询，直至目标子节点结束提取任务后再返回步骤S310。例如，可以通过每间隔一段时间就询问目标子节点的状态，并根据目标子节点反馈回来的状态来判断该目标子节点是否已结束提取任务。例如，控制装置可以向作为目标子节点的各个提取装置发出状态询问请求，作为目标子节点的各提取装置向控制装置反馈状态应答(包含该提取装置的状态信息)，以响应于该状态询问请求，从而控制装置可以获知各提取装置的状态信息，并判断作为目标子节点的各提取装置是否已处于空闲状态。
在一些示例中，各个子节点也可以主动地向控制装置提供数据包，数据包至少用于表征相应子节点是否处于空闲状态。
在第一工作模式下，各目标子节点分别独立地对分配至该子节点的样本进行核酸提取。基于此，可以随时针对新加入样本队列中的样本匹配相应的目标子节点，因此，依据样本加入时间的不同，各子节点启动核酸提取任务的时间点可以存在时间差，使得因此整个核酸提取系统允许对样本“随检随测”，而在有空闲状态的子节点的情况下无需等待所有子节点完成提取任务，提高了核酸提取效率和资源利用率，降低了多批次核酸提取任务所需的等待时间。
在一些实施例中，在第一工作模式下，本公开实施例的核酸提取控制方法还可以根据样本队列中的样本数量所在的数量区间来选择相匹配的目标子节点的数量。基于此，作为示例，图9示出本公开实施例的控制方法的一种示例的流程示意图。如图9所示，上述步骤S320可以进一步包括子步骤S321至S325。
在步骤S321中，根据样本队列中的样本数量m所在的数量区间，确定所需的子节点数量k。m和k均为大于0的自然数。
例如，如果检测到样本队列中的样本数量X0大于0且小于第一阈值(即，样本数量X0位于第一数量区间)，则确定所需的子节点数量k＝1，仅需要一个空闲状态的子节点即可接收当前样本队列中的样本；如果检测到样本队列中的样本数量X0大于/或等于第一阈值且小于第二阈值(即，样本数量X0位于第二数量区间)，则确定所需的子节点数量k＝2；以此类推。并且，如果检测到样本队列中的样本数量X0为零，则说明样本队列为空，可以等待一段时间后再对样本队列中的样本数量进行检测。
在本实施例中，可以根据各提取装置中用于承装样本的样本容器中所包含的容置位的数量来确定第一阈值、第二阈值等各个数量区间的边界值，例如将各个数量区间的边界值分别设置为样本容器在每行/每列提供的容置位数量的整数倍，且各数量区间的边界值为小于/等于样本容器提供的用于执行裂解步骤的容置位的总数。
以图8所示的96孔板作为样本容器为例，96孔板的每一列提供8个容置位，且96孔板中的3列容置位用于执行裂解步骤，则第一阈值例如设置为8、第二阈值例如设置为16，还可以设置第三阈值为24。
在步骤S322中，根据所需的子节点数量k，判断是否有足够多的空闲状态的子节点可供分配。若是，则依次执行步骤S323；若否，则执行步骤S324，以等待其它子节点被释放为空闲状态。
在步骤S323中，将样本队列指示的样本分配至空闲状态的k个目标子节点。
在需要将样本队列中的样本分配至多个子节点的情况下，可以将样本平均分配至各个子节点，也可以根据实际需要将样本不平均地分配至各个子节点，本实施例对此不作限制。
在一些示例中，在等待步骤S324中，可以通过时间优化算法估计出等待时间较短的至少一个子节点Aw，并将当前样本分配至子节点Aw的等待队列，从而有利于实现并行等待。在子节点Aw完成当前提取任务后，等待队列中的样本将会依次被加入至子节点Aw所在的提取装置，以便于继续执行步骤S323。
然而本公开实施例不限于此，等待步骤S324也可以简单地执行等待步骤，即：等待直至某一个或多个子节点释放为空闲状态，再将该子节点作为目标子节点，并继续执行步骤S323。
在一些可选的实施例中，如图10所示，为了避免检测样本数量后立即有新样本加入样本队列而导致子节点分配不合理，步骤S320还可以包括子步骤S325，用于在将样本分配至相应的目标子节点之后等待预设时间(例如为10分钟)，再重新检测样本数量。如果该样本队列中的样本数量有变化(例如在预设时间内有新加入至样本队列的样本)，则需要根据更新后的样本数量和上述方法重新分配样本和子节点，即返回步骤S321；如果该样本队列中的样本数量没有变化，则继续执行步骤S330，以驱动各个目标子节点开始执行提取任务。
而在第二工作模式下，基于预设的控制机制，作为子节点的各个提取装置协同且并行地工作，每个样本可以在一个或多个提取装置中分别完成裂解、清洗和纯化步骤，而不限于在同一提取装置中完成所有用于实现核酸提取的步骤。基于这种流水线式的第二工作模式，可以通过并行执行各步骤来提高核酸提取效率。
在一些示例中，在第二工作模式下，可以预先将n个作为子节点的提取装置分为至少两组，这至少两组提取装置针对各样本协同执行裂解、清洗和纯化步骤。例如，n个提取装置中的第一组提取装置用于执行裂解步骤，第二组提取装置用于执行清洗步骤，第三组提取装置用于执行纯化步骤，每组提取装置分别包括一个或多个提取装置。在一些示例中，由于裂解步骤占用的时间比清洗步骤和纯化步骤所占用的时间更长，因此第一组提取装置所包含的提取装置数量可以大于第二组提取装置和/或第三组提取装置所包含的提取装置的数量，例如第一组提取装置所包含的提取装置的数量大于/等于第二组和第三组提取装置所包含的提取装置的数量之和，第一组提取装置中的各个提取装置可以并行地对不同样本执行裂解步骤，以提高裂解效率、平衡提取任务中的各步骤所占的时间、优化等待时间，从而提升核酸提取效率。
在另一些示例中，在第二工作模式下，可以根据各个节点是否处于空闲状态以及各队列中的样本数量来分配样本队列中的样本。下面基于此对步骤S400所包括的子步骤S410至S450进行说明，返回参考图7。
在步骤S410中，读取各个子样本队列。样本队列用于指示待提取的样本序列号及数量。各样本队列例如被配置为具有先入先出的属性，即：在先加入至样本队列中的样本将会于在后加入至样本队列中的样本之前被分配至相应的提取装置，以优先执行提取任务。然而本公开实施例不限于此，也可以通过设置优先级的方式管理样本队列的顺序。
与第一工作模式下的步骤S310不同的是，在第二工作模式下，样本队列可以包括多个子样本队列，分别用于对待执行各步骤的样本进行排序。例如，多个子样本队列包括：裂解样本队列，用于对待执行裂解步骤的样本进行排序；清洗样本队列，用于对待执行清洗步骤的样本进行排序；纯化样本队列，用于对待执行纯化步骤的样本进行排序。
在步骤S420中，针对各样本队列，分别执行子节点分配算法，以确定用于接收各子样本队列中相应样本的目标子节点，并根据该样本所需执行的步骤配置目标子节点的工作属性。
在步骤S430中，驱动目标子节点对相应的样本执行相应的步骤(例如：裂解步骤/清洗步骤/纯化步骤)，并将目标子节点的工作属性配置为与该步骤相应的工作状态(例如为裂解工作状态/清洗工作状态/纯化工作状态)。在某一目标子节点完成相应的步骤后，该目标子节点的工作属性恢复至空闲状态。
例如，针对裂解样本队列中的样本，相应的目标子节点的工作属性被配置为裂解工作状态，且在该目标子节点完成裂解步骤后，其工作属性恢复至空闲状态，该目标子节点加入空闲子节点队列以备启用。
在步骤S440中，判断目标子节点执行的相应步骤是否结束。如果已结束，则返回步骤S410，继续读取各样本队列，以便于处理新加入的样本；如果未结束，则执行步骤S450。
作为示例，步骤S440可以在步骤S420执行一段时间(例如为预设的步骤执行估计时间)之后开始执行，并且可以通过询问各个目标子节点的方式来获得各个目标子节点反馈的工作属性，并根据各个目标子节点反馈的工作属性判断各个目标子节点是否已经恢复为空闲状态。
在步骤S450中，对目标子节点的状态进行轮询，直至目标子节点结束相应的步骤后再返回步骤S410。例如，可以通过每间隔一段时间就询问目标子节点的状态，并根据目标子节点反馈回来的状态来判断该目标子节点是否已结束相应的步骤。例如，控制装置可以向作为目标子节点的各个提取装置发出状态询问请求，作为目标子节点的各提取装置向控制装置反馈状态应答(包含该提取装置的状态信息)，以响应于该状态询问请求，从而控制装置可以获知各提取装置的状态信息，并判断作为目标子节点的各提取装置是否已处于空闲状态。
在第二工作模式下，针对提取任务中的不同步骤，可以灵活选择子节点来并行执行，利用子节点分配算法实现类似于流水线作业的模式，使得因此整个核酸提取系统允许对样本“随检随测”，有利于核酸提取任务、核酸提取步骤的并发执行，提高了核酸提取效率、资源利用率，降低了核酸提取任务所需的等待时间。
在一些实施例中，子节点分配算法可以根据每个样本队列中的样本数量所在的数量区间来确定目标子节点。具体地，子节点分配算法可以判断每个样本队列中的样本数量所在的数量区间，并根据该数量区间确定用于接收相应样本的子节点。基于此，作为示例，上述步骤S420可以进一步包括子步骤S421至S425，下面对参考图11对此进行说明。
以第一样本队列为例，图11示出本公开实施例的子节点分配算法的流程示意图。
在步骤S421中，根据第一样本队列中的样本数量m所在的数量区间，确定所需的子节点数量k。m和k均为大于0的自然数。
例如，如果检测到第一样本队列中的样本数量X1大于0且小于第一阈值(即，样本数量X1位于第一数量区间)，则确定所需的子节点数量k＝1，仅需要一个空闲状态的子节点即可接收当前样本队列中的样本；如果检测到样本队列中的样本数量X1大于/或等于第一阈值且小于第二阈值(即，样本数量X1位于第二数量区间)，则确定所需的子节点数量k＝2；以此类推。并且，如果检测到第一样本队列中的样本数量X1为零，则说明样本队列为空，可以等待一段时间后再对第一样本队列中的样本数量进行检测。
在步骤S422中，根据所需的子节点数量k，判断是否有足够多的空闲状态的子节点可供分配。若是，则依次执行步骤S423；若否，则执行步骤S424，以等待其它子节点被释放为空闲状态。
在步骤S423中，将第一样本队列指示的样本分配至空闲状态的k个目标子节点。
在需要将样本队列中的样本分配至多个子节点的情况下，可以将样本平均分配至各个子节点，也可以根据实际需要将样本不平均地分配至各个子节点，本实施例对此不作限制。
在一些示例中，在等待步骤S424中，可以通过时间优化算法估计出等待时间较短的至少一个子节点Aw，并将当前样本分配至子节点Aw的等待队列，从而有利于实现并行等待。在子节点Aw完成当前提取任务后，等待队列中的样本将会依次被加入至子节点Aw所在的提取装置，以便于继续执行步骤S423。
然而本公开实施例不限于此，等待步骤S424也可以简单地执行等待步骤，即：等待直至某一个或多个子节点释放为空闲状态，再将该子节点作为目标子节点，并继续执行步骤S423。
在一些可选的实施例中，如图11所示，为了避免检测样本数量后立即有新样本加入样本队列而导致子节点分配不合理，步骤S420还可以包括子步骤S425，用于在将样本分配至相应的目标子节点之后等待预设时间(例如为10分钟)，再重新检测样本数量。如果该样本队列中的样本数量有变化(例如在预设时间内有新加入至第一样本队列的样本)，则需要根据更新后的样本数量和上述方法重新分配样本和子节点，即返回步骤S421；如果第一样本队列中的样本数量没有变化，则继续执行步骤S430，以驱动各个目标子节点开始执行相应的第一步骤。
在步骤S500中，如图9所示，可以通过手动的方式停止核酸提取系统接收样本和/或停止核酸提取系统执行提取任务/提取步骤。
图12示出本公开实施例的子节点分配算法的一种示例的流程示意图。
在如图10所示的示例中，如果检测到第一样本队列(例如为裂解样本队列/清洗样本队列/纯化样本队列)中的样本数量X1大于0且小于第一阈值(即，样本数量X1位于第一数量区间)，则将当前第一样本队列中的样本分配至空闲状态的子节点Ak1，并将该子节点Ak1的工作属性配置为相应的第一工作状态(例如为裂解状态)；如果检测到第一样本队列中的样本数量X1大于/或等于第一阈值且小于第二阈值(即，样本数量X1位于第二数量区间)，则将当前第一样本队列中的样本分配至空闲状态的子节点Ak1和子节点Ak2，并将子节点Ak1和子节点Ak2的工作属性配置为相应的第一工作状态；以此类推。并且，如果检测到第一样本队列中的样本数量X1为零，则说明第一样本队列为空，可以等待一段时间后再对第一样本队列中的样本数量进行检测。
在本实施例中，可以根据各提取装置中用于承装样本的样本容器中所包含的容置位的数量来确定第一阈值、第二阈值等各个数量区间的边界值，例如将各个数量区间的边界值分别设置为样本容器在每行/每列提供的容置位数量的整数倍。
以96孔板作为样本容器为例，96孔板的每一列提供8个容置位，则第一阈值例如设置为8、第二阈值例如设置为16，还可以设置第三阈值为24、第四阈值为32。
本实施例的工作模式主要包括第一工作模式和第二工作模式，然而本发明不限于此。例如，步骤S200可配置的工作模式还可以包括混合工作模式，在该工作模式下，可管理的n个提取装置中的一部分提取装置可以被配置为上述第一工作模式，而另一部分的提取装置可以被配置为上述第二工作模式，从而根据实际需要调整各提取装置的模式配置。
图13示出本公开实施例的时间优化算法的一种示例性的流程示意图。
基于上述实施例，若处于空闲状态的子节点的数量少于样本数量所在数量区间所需的目标子节点的数量，则可以执行时间优化算法。时间优化算法用于估计各子节点所需的等待时间，并根据等待时间选择即将释放为空闲状态的子节点作为目标子节点。
在一些示例中，时间优化算法可以根据预存的各提取步骤所需的执行时间来估算各子节点被释放为空闲状态的等待时间。其中，预存的各提取步骤所需的执行时间可以是测试阶段对各提取步骤的执行时间进行检测获得的，也可以是人工设置的。
在一些示例中，时间优化算法可以建立用于建立为各个子节点建立样本等待队列，以便于各子节点依次对相应的样本等待队列中的样本进行处理。
在一些示例中，如图13所示，时间优化算法例如用于执行步骤S610至步骤S650。
在步骤S610中，确定当前待分配样本需要执行的提取步骤。
在步骤S620中，基于该提取步骤，遍历地对全局子节点所需的等待时间进行估算。例如，步骤S620可以遍历地对各种情形下针对待分配样本所需的等待时间进行估算，例如，可以在每种工作模式(第一工作模式和第二工作模式)下、分别采用各个子节点执行提取步骤/全程提取任务所需的等待时间进行估算。
需要说明的是，本公开所指的样本的等待时间，可以是指该样本从当前时间节点(例如完成录入的时间节点、完成裂解步骤的时间节点，等等)至完成全部提取步骤所需的时间。
在一些实施例中，还可以从各个子节点获得该子节点执行完成该提取步骤的预期时间，以用于估算相关的等待时间。
在步骤S630中，基于等待时间最短的约束条件，确认待分配样本对应的目标子节点。
在一些实施例中，步骤S620和S630还可以通过对各子节点接收待分配样本后的等待时间进行估算与试错的方式，来选择所需等待时间最短的子节点作为目标子节点。
图14示出本公开实施例的控制方法基于样本队列和子节点队列实现堆栈操作的一种示例的流程示意图。
如图14所示，首先检查样本队列，并读取样本队列；随后，读取用于指示空闲状态的子节点的空闲子节点队列，并选择其中处于空闲状态的子节点1作为目标子节点，该目标子节点的工作属性被配置为裂解工作状态；将当前样本分配至子节点1，以便于子节点1对当前样本执行裂解步骤；待子节点1完成当前样本的裂解步骤后，将工作属性配置为空闲状态，并重新加入至空闲子节点队列；再次读取空闲子节点队列，并选择其中处于空闲状态的子节点2作为目标子节点，该目标子节点的工作属性被配置为清洗工作状态；将当前样本分配至子节点2，以便于子节点2对当前样本执行清洗/洗涤步骤；待子节点2完成当前样本的清洗/洗涤步骤后，将工作属性配置为空闲状态，并重新加入至空闲子节点队列；再次读取空闲子节点队列，并选择其中处于空闲状态的子节点3作为目标子节点，该目标子节点的工作属性被配置为纯化工作状态；将当前样本分配至子节点3，以便于子节点3对当前样本执行纯化步骤；待子节点3完成当前样本的纯化步骤后，将工作属性配置为空闲状态，并重新加入至空闲子节点队列，当前样本的提取任务结束。
图15示出本公开实施例基于样本队列和子节点队列实现堆栈操作的一种示例的流程示意图。
如图15所示，首先检查样本队列；若样本队列中存在未被处理的新样本，则读取空闲子节点队列，并选择其中处于空闲状态的目标子节点执行裂解步骤；裂解步骤完成后，再次读取空闲子节点队列，并选择其中处于空闲状态的目标子节点执行清洗/洗涤步骤；清洗/洗涤步骤完成后，再次读取空闲子节点队列，并选择其中处于空闲状态的目标子节点执行纯化步骤；随后，再重新检查样本队列，以便于针对样本队列中的各个样本依次执行上述过程。
综上，本公开实施例的核酸提取方案可以依据各提取装置是否处于空闲状态来为样本分配相应的目标提取装置，并且控制装置可以控制传送装置将样本依序自动化地分配至相应的目标装置，因此，相比于在工作进程中不允许新样本加入的传统方案，本公开实施例的核酸提取方案随时允许新样本的加入，并可以自动化且实时地将当前处于空闲状态的提取装置用于对新样本进行核酸提取，从而在批量核酸检测的场景下有利于实现“随到随检”，有利于自动化地实现提取装置的并行工作，降低了等待时间，提高了核酸提取的效率和资源利用率。
相比于传统技术所采用的依靠人工实现样本的添加和分配、磁珠的添加和回收，本公开采用的方案可以基于高度集成化和智能化的核酸提取系统自动地实现样本的添加、录入和分配、磁珠的添加与回收等功能，全程无需人为干预，提高了核酸提取的效率、降低了人工成本，基于自动化控制有利于实现数据的自动化管理，同时能够极大地减少由于人工操作带来的失误。
在一些优选的实施例中，可以设置等待区，从而在当前全部子节点处于非空闲状态的情况下先入先出地管理待检测的样本，有利于自动化且有序地管理大批量的样本及相关数据。
在一些优选的实施例中，在第二工作模式下，基于预设的控制机制，作为子节点的各个提取装置协同且并行地工作，每个样本可以在一个或多个提取装置中分别完成裂解、清洗和纯化步骤，而不限于在同一提取装置中完成所有用于实现核酸提取的步骤。基于这种流水线式的第二工作模式，可以通过并行执行各步骤来提高核酸提取效率。
在一些优选的实施例中，在为待分配样本选择目标提取装置时，可以对各子节点、各工作模式下所需的等待时间进行遍历的估计和试错，并基于时间优化算法来选择估计等待时间最短的子节点作为待分配样本的目标提取装置，从而进一步提升核酸提取系统的智能化和自动化性能，进一步提升核酸提取效率。
在一些优选的实施例中，还可以基于待分配的样本数量分配相应数量、空闲状态的目标提取装置，从而合理分配系统资源，有利于进一步提升核酸提取系统的智能化和自动化性能，有利于提升核酸提取效率。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (17)

1.一种核酸提取系统，其中，包括：
多个提取装置，位于工作区，每个提取装置作为子节点具有独立执行提取任务的结构，所述提取任务包括多个提取步骤；以及
控制装置，作为父节点与所述多个提取装置通信耦合，以便于接收各个所述提取装置提供数据包，所述数据包至少表征该提取装置是否处于空闲状态，以便于所述控制装置将处于空闲状态的所述多个提取装置之一选定为目标提取装置；
传送装置，用于在所述控制装置的控制下将承载有待测样本的样本容器从进样区转移至所述目标提取装置，以便于所述目标提取装置对待测样本执行至少一个所述提取步骤。
2.根据权利要求1所述的核酸提取系统，其中，所述传送装置包括：
主传送结构，用于在所述进样区和所述出样区之间传送样本容器；以及
多个子传送结构，分别与所述多个提取装置对应，所述目标提取装置经相应的所述子传送结构接收来自所述主传送结构的样本容器，并在执行完成所述至少一个提取步骤后将样本容器经相应的所述子传送结构提供至所述主传送结构，以便于该样本容器经所述主传送结构被传送至用于执行下一提取步骤的目标提取装置或所述出样区。
3.根据权利要求2所述的核酸提取系统，其中，还包括间隔地配置在所述主传送结构上的多个换向模组，分别用于在所述控制装置的控制下改变样本容器的移动方向，使得该样本容器经相应的所述换向模组在所述主传送结构与相应的所述目标提取装置之间转移。
4.根据权利要求3所述的核酸提取系统，其中，所述主传送结构包括一个或多个沿第一水平方向在所述进样区与所述出样区之间依次延伸的传送带，所述多个子传送结构分别沿第二水平方向延伸，所述第一水平方向与所述第二水平方向之间的夹角具有非零的设定角度，所述主传送结构与各所述子传送结构的交汇处分别设置有相应的所述换向模组。
5.根据权利要求3所述的核酸提取系统，其中，每个所述换向模组包括：
转盘，在第一电机的带动下以重力方向为轴转动，以便于转动该换向模组上承载的样本容器；以及
分布在所述转盘表面的至少一个转轮，分别在第二电机的带动下以水平方向为轴转动，以便于传送该换向模组上承载的样本容器，
支架，与所述主传送结构对接设置，且所述转盘可旋转地固定在所述支架上，
所述控制装置控制所述第一电机和所述第二电机的转动方向，从而控制所述转盘和所述至少一个转轮沿轴顺时针或逆时针转动。
6.根据权利要求3所述的核酸提取系统，其中，还包括位于等待区的分支结构，用于依序传送和/或容置处于等待队列中的待测样本，
在所述多个提取装置均处于非空闲状态的情况下，所述控制装置控制所述多个换向模组将待分配的样本容器传送至所述分支结构，并在所述多个提取装置之一被释放为空闲状态后控制所述分支结构将所述等待区中的样本容器传送至所述主传送结构。
7.根据权利要求6所述的核酸提取系统，其中，所述分支结构为入口与出口分别与所述主传送结构对接的转盘结构，以便于先入先出地传送处于等待队列中的样本容器。
8.根据权利要求7所述的核酸提取系统，其中，所述分支结构的入口与出口分别与配置在所述主传送结构上的不同换向模组的位置对应，
所述转盘结构包括在所述入口和所述出口之间依次延伸的一个或多个传送带，且相邻传送带之间配置有相应的所述换向模组。
9.根据权利要求2所述的核酸提取系统，其中，还包括进样模组，设置于所述传送装置位于所述进样区的一端，以便于检测位于所述进样区的一个或多个样本容器中是否有待测样本，
若是，则将容置有待测样本的样本容器提供给所述主传送结构，
若否，则等待直至检测到有待测样本加入至所述进样区后再将容置有待测样本的样本容器提供给所述主传送结构。
10.根据权利要求9所述的核酸提取系统，其中，所述进样模组包括：
传感器，用于检测所述进样区内的样本容器是否容置有待检测样本；
通信模块，与所述传感器耦合连接，用于将所述传感器的检测结果上报至所述控制装置，以便于所述控制装置为该样本容器中的待测样本分配相应的目标提取装置。
11.根据权利要求1所述的核酸提取系统，其中，所述控制装置包括：
存储器，存储未完成提取任务的样本队列；以及
处理器，与所述存储器通信耦合，用于按照先入先出原则为所述样本队列中的样本分配相应的提取装置。
12.根据权利要求1所述的核酸提取系统，其中，所述控制装置适于：
选择工作模式，所述工作模式包括第一工作模式和第二工作模式，
在第一工作模式下，所述控制装置控制所述传送装置将待检测样本传送至空闲状态的所述提取装置之一，以使该提取装置对其接收到的样本串行地执行所述多个提取步骤，
在第二工作模式下，所述控制装置控制所述传送装置将待检测样本依次传送至不同的提取装置，以便于所述不同的提取装置依序分别地对该样本执行不同的提取步骤。
13.根据权利要求12所述的核酸提取系统，其中，所述控制装置还适于：
在第二工作模式下，建立并管理与所述多个提取步骤分别对应的多个子样本队列，每个子样本队列用于对待执行与该子样本队列相对应的提取步骤的样本进行记录和排序；以及
基于每个子样本队列，分别执行分配算法，所述分配算法用于为该子样本队列中的样本选择相应的所述目标提取装置，以便于所述目标提取装置对该样本执行该样本队列相对应的提取步骤。
14.根据权利要求13所述的核酸提取系统，其中，基于每个所述子样本队列，所述处理器执行所述分配算法以适于：
根据该子样本队列中的样本数量所在的数量区间，选择相应数量的所述目标提取装置来接收该样本队列中的样本。
15.根据权利要求14所述的核酸提取系统，其中，若空闲状态的提取装置的数量少于所述数量区间所需的目标提取装置的数量，则所述处理器执行时间优化算法，所述时间优化算法用于估计各提取装置所需的等待时间，并根据所述等待时间选择即将释放为空闲状态的提取装置作为所述目标提取装置。
16.根据权利要求1所述的核酸提取系统，其中，所述控制装置还适于：
将所述多个提取装置分为多组，每组提取装置分别被配置为执行所述多个提取步骤之一；以及
针对当前待处理样本的每个提取步骤，在与该提取步骤相对应的一组提取装置中选择空闲状态的提取装置作为所述目标提取装置。
17.根据权利要求16所述的核酸提取系统，其中，所述多个提取步骤至少包括第一提取步骤和第二提取步骤，执行所述第一提取步骤执行所需的时间多于执行所述第二提取步骤所需的时间，所述多个提取装置包括与所述第一提取步骤对应的第一组提取装置和与所述第二提取步骤对应的第二组提取装置，所述第一组提取装置中包含的提取装置的数量大于所述第二组提取装置中包含的提取装置的数量。
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