CN117801943B - 水样核酸提取装置及水样核酸提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水样核酸提取的技术领域，具体涉及一种水样核酸提取装置及水样核酸提取方法；水样核酸提取装置包括进样组件、富集裂解组件、温控振荡组件、纯化保存组件以及流体输送组件，通过配置富集裂解组件以及温控振荡组件，可使得富集和裂解过程在同一个反应腔内完成，及通过配置多路旋转选向阀和注射泵实现将试剂输送组件的相应试剂分别输送至富集裂解组件和纯化保存组件，以在同一个装置集成的组件即能实现全封闭及全自动的水样核酸提取，如此无需依赖大型实验仪器，及中间过程无需人工参与，降低了人员要求及交叉污染风险，且由于液体输送全封闭，还能够在野外、船舶甚至水下进行水样的核酸提取，提高实际场景应用的适用性。

Description

水样核酸提取装置及水样核酸提取方法

技术领域

本发明涉及水样核酸提取技术领域，具体为一种水样核酸提取装置及水样核酸提取方法。

背景技术

水体（海洋、河流、湖泊等）微生物DNA研究对于揭示全球生物地球化学、生态系统物质循环及相互作用，了解微生物进化、预测环境污染、预防外来物种入侵等方面发挥着重要作用。近年来，随着分子生物学与测序技术的快速发展，受到越来越多的关注。

实际应用场景中，传统微生物核酸提取依赖于离心机等大型实验仪器，需要专业技术人员在实验室中手动完成，操作复杂、效率低，而近年来市场上出现的全自动核酸提取仪多适用于咽拭子、血液样本、浓缩菌悬液等少量样本，对微生物浓度较低的大体积水环境样本不适用，个别针对水样核酸提取的装置，仍采用机械臂结合滑轨的开放式液体输送方式，只适合在实验室中使用。此外，细胞裂解是核酸提取中的关键环节，直接决定核酸提取结果能否正确描述微生物群落的组成。细胞裂解方法的选择取决于细胞类型、浓度、后端纯化步骤的难易程度、生物分析的目标以及对最终产物的质量和效率要求，单一方法都有其自身局限性。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种水样核酸提取装置及水样核酸提取方法。

本发明第一方面提供的一种水样核酸提取装置，包括进样组件、富集裂解组件、温控振荡组件、纯化保存组件以及用于连接各组件的流体输送系统，其中：

所述进样组件与所述富集裂解组件相连接，所述进样组件用于将采集的水样输入至所述富集裂解组件中，所述富集裂解组件具有进行富集和裂解反应的富集裂解腔，且所述富集裂解组件安装在所述温控振荡组件上，所述温控振荡组件能够进行温度及振荡幅度调节，以为所述富集裂解组件提供温度及振荡幅度条件，从而在富集裂解腔内对输入的水样进行富集和裂解；

所述流体输送系统包括具有多个试剂腔的试剂输送组件，与所述多个试剂腔连接的多路旋转选向阀和具有多个端口的注射泵，所述试剂输送组件分别连接所述纯化保存组件和所述富集裂解组件，用于通过所述多路旋转选向阀和所述注射泵将所述试剂输送组件的相应试剂分别输送至所述富集裂解组件和所述纯化保存组件。

优选的，所述富集裂解腔具有与所述富集裂解腔连接的入口及出口，所述富集裂解腔内具有滤膜及预置有微珠，且所述富集裂解腔的入口能够与外设的第一过滤器连接，所述进样组件的水样进入所述第一过滤器再经所述滤膜后进入到所述富集裂解腔内。

优选的，所述温控振荡组件包括温控模组、用于感测所述温控模组温度的温度传感器、振荡组件及联轴器，所述温控模组包裹设于所述富集裂解腔外，所述温控模组通过所述联轴器设于所述振荡组件上，通过所述温度传感器的实时感测，以根据预设条件调整所述温控模组的温度。

优选的，所述温控模组包括帕尔贴、温度传导铜块和用于固定所述温度传导铜块的铜块固定座，所述铜块固定座设于所述联轴器上，所述温度传导铜块内嵌有安装空间，所述富集裂解腔内嵌于所述安装空间内，且所述温度传导铜块内设有所述温度传感器；

所述振荡组件包括振荡电机及电机底座，所述振荡电机设于所述电机底座上；

所述温控振荡组件还包括散热模块和间隔设于所述电机底座上的支撑柱，所述散热模块包括散热风扇和散热器，所述散热风扇设于所述支撑柱的上方，所述散热风扇和所述散热器沿高度方向依次设置，所述帕尔贴紧密铺设于所述散热器和所述温度传导铜块之间。

优选的，所述纯化保存组件包括纯化组件，所述纯化组件具有纯化腔，所述纯化腔包括离心柱，所述离心柱具有入口端、出口端及连接所述入口端和所述出口端的连接端，其中：

所述离心柱的入口端设置有密封进液接头，所述离心柱的出口端设置有密封出液接头，所述连接端包括连接管，所述连接管采用PEEK材料或者不锈钢材料制成。

优选的，所述流体输送系统还包括蠕动泵，所述蠕动泵用于所述进样组件将水样进行输入的动力源，所述蠕动泵具有水样进入的入口及将水样输出的出口。

优选的，所述富集裂解组件还包括与所述富集裂解腔的出口连接的第一废液腔，所述流体输送系统还包括第一二通电磁阀、第二二通电磁阀、第一三通、第二三通、第一三通电磁阀、第二三通电磁阀、第三三通电磁阀、第四三通电磁阀以及螺旋管道，所述纯化保存组件还包括提取液废液腔、纯化产物保存腔以及真空泵，其中：

所述蠕动泵的出口与所述第一二通电磁阀的一端口相连，所述第一二通电磁阀的另一端口与所述第一三通的第一端口相连，所述第一三通的第二端口与所述第一三通电磁阀的公共端相连，所述第一三通的第三端口与所述试剂输送组件相连，所述第一三通电磁阀的常开端口与所述富集裂解腔的入口相连，所述富集裂解腔的出口与所述第二三通电磁阀的公共端相连，所述第二三通电磁阀的常开端口与所述第一废液腔相连；

所述纯化腔的进液口与所述第三三通电磁阀的公共端口相连，所述纯化腔的出口端与所述第四三通电磁阀的公共端相连，所述第三三通电磁阀的常开端口与空气相连，所述纯化产物保存腔与所述提取液废液腔的入口端分别与所述第四三通电磁阀的常闭端口和所述第四三通电磁阀的常开端口相连，所述纯化产物保存腔与所述提取液废液腔的一个端口通过所述第二三通、外设的第二过滤器与所述真空泵的入口端相连，所述真空泵的出口端与空气相连，所述提取液废液腔的另一个端口通过所述第二二通电磁阀与空气相连；

所述试剂输送组件还设有纯水腔、第二废液腔及裂解产物腔，所述注射泵具有第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、第五端口和第六端口，所述注射泵的第一端口连接所述第二废液腔，所述注射泵的第二端口连接所述螺旋管道，所述螺旋管道还连接所述裂解产物腔，所述注射泵的第三端口连接所述试剂输送组件，所述注射泵的第四端口连接所述第三三通电磁阀的常闭端口，所述注射泵的第五端口连接空气，所述注射泵的第六端口连接所述纯水腔。

优选的，所述试剂腔选用试剂管实现，且所述试剂管的盖子上设置有螺纹进样接头和通气孔，所述通气孔上设置有防水透气膜。

本发明第二方面提供一种水样核酸提取方法，所述水样核酸提取方法应用于如本发明第一方面所述的水样核酸提取装置，所述方法包括：

S40：水样过滤富集：

开启所述蠕动泵将待测的水样通过所述第一二通电磁阀、所述第一三通、所述第一三通电磁阀、所述第一过滤器输送至所述富集裂解腔的入口，再从所述富集裂解腔的出口经所述第二三通电磁阀排至所述第一废液腔；

S50：富集产物清洗过滤：

通过所述注射泵的第三端口，经所述多路旋转选向阀抽取对应所述试剂腔中的PBS缓冲液，再经所述注射泵的第三端口、所述多路旋转选向阀及所述第一三通电磁阀进入所述富集裂解腔的入口，开启所述振荡电机进行振荡，预设时间后关闭，重复清洗3-7次；

并开启所述第二三通电磁阀、所述第一三通电磁阀，通过所述注射泵的第三端口，经所述多路旋转选向阀从所述富集裂解腔的出口端抽取液体，经所述第一废液腔排出，重复抽取3-7次，将所述富集裂解腔进行排空，关闭所述第一三通电磁阀；

S60：富集产物振荡重悬：

在所述富集裂解腔的出口处于封闭条件下，通过设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取对应所述试剂腔中的重悬试剂，经所述注射泵的第三端口、所述多路旋转选向阀将所述重悬试剂及所述第一三通电磁阀进入所述富集裂解腔的入口，后关闭所述第一三通电磁阀，在所述富集裂解腔处于封闭条件下，开启所述振荡电机，以低转速振荡预设时间后关闭所述振荡电机；

开启所述第一三通电磁阀和所述第二三通电磁阀，设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，从所述富集裂解腔的出口部分或全部抽取所述富集裂解腔内的液体，使所述重悬试剂与后续加入的裂解液以预设比例混合，关闭所述第二三通电磁阀；

S70：裂解：

设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取对应所述试剂腔中的裂解液，设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，将所述裂解液排出至所述富集裂解腔的入口，关闭所述第一三通电磁阀，使所述富集裂解腔保持封闭，开启所述散热风扇，并对所述帕尔贴开启加热，通过所述温度传感器检测所述温度传导铜块的温度，以控制所述帕尔贴开启停止，以使所述温度传导铜块的温度保持在设定温度；

开启所述振荡电机，以最大转速对所述富集裂解腔进行预设时间的振荡；

S80：低温去杂：

设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取对应所述试剂腔中的去杂试剂，设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，将所述去杂试剂排出至所述富集裂解腔的入口，进入富集裂解腔，开启所述振荡电机，以低转速振荡预设时间；

开启所述散热风扇，设定温控器温度，使所述帕尔贴制冷，将所述富集裂解腔内温度降低至预设温度，以在低温环境中孵育预设时间；

S90：提取核酸：

开启所述第二三通电磁阀和所述第一三通电磁阀，设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取所述富集裂解腔内的裂解产物，通过所述注射泵的第二端口，将所述裂解产物排出至所述裂解产物腔中，所述裂解产物腔中预置有结合试剂；

S100：离心柱纯化清洗：

将所述第三三通电磁阀、所述第二二通电磁阀打开，通过所述注射泵的第二端口，抽取对应所述试剂腔中的结合试剂与所述裂解产物的混合液，通过所述注射泵排出至所述离心柱的入口端，在压力作用下，液体通过所述离心柱的出口端、所述第四三通电磁阀流入所述提取液废液腔，反复3-7次，以将所述裂解产物腔的混合液全部排空；

关闭所述第三三通电磁阀、所述第二二通电磁阀，开启所述真空泵，持续抽取预设时间，使所述离心柱充分干燥后关闭所述真空泵；

开启所述第三三通电磁阀、所述第二二通电磁阀，设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取对应所述试剂腔中的第一清洗试剂，通过所述注射泵排出至所述离心柱，关闭所述第三三通电磁阀、所述第二二通电磁阀，开启所述真空泵，持续抽取预设时间，使所述离心柱充分干燥后关闭所述真空泵；

开启所述第三三通电磁阀、所述第二二通电磁阀，设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取对应所述试剂腔中的第二清洗试剂，通过所述注射泵排出至所述离心柱，设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取空气，通过所述注射泵排出至所述离心柱，将所述注射泵与所述离心柱连接管路中的液体全部排空，关闭所述第三三通电磁阀、所述第二二通电磁阀，开启所述真空泵，持续抽取预设时间，待所述离心柱充分干燥后，关闭所述真空泵；

S110：清洗注射泵：

设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取所述纯水腔的纯水，并通过所述第二废液腔的端口排出，清洗所述注射泵及所述多路旋转选向阀与所述注射泵连接的管路，重复冲洗3-7次；

设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取空气，将所述注射泵及所述多路旋转选向阀与注射泵连接的管路中的液体排空；

S120：洗脱：

开启所述第三三通电磁阀、所述第四三通电磁阀，设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取对应所述试剂腔中的洗脱试剂，并通过所述注射泵排入所述离心柱中，关闭所述第三三通电磁阀，开启所述真空泵，抽取预设时间后，关闭所述真空泵。

优选的，在所述水样富集裂解过程之前，所述方法还包括：

S10：在所述富集裂解腔中预先装填微珠；

S20：对所述注射泵进行冲洗：

从所述注射泵的纯水端口抽取纯水对所述注射泵进行冲洗后，通过所述注射泵连接的第二废液腔的端口排出，重复进行3-7遍冲洗操作；

S30：对所述富集裂解腔内的滤膜进行冲洗：

利用所述注射泵的纯水端口抽取纯水，通过设定所述多路旋转选向阀通道，将纯水进入所述富集裂解腔的入口进行冲洗预设时间后，开启所述振荡电机，继续冲洗预设时间后，关闭所述振荡电机。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

本发明提供的一种水样核酸提取装置，包括进样组件、富集裂解组件、温控振荡组件、纯化保存组件以及用于连接各组件的流体输送系统，具体通过配置能够进行富集和裂解反应的富集裂解组件以及温控振荡组件，可以使得富集和裂解过程在同一个反应腔内完成，以及配置有具有多个试剂腔的试剂输送组件，与多个试剂腔连接的多路旋转选向阀和具有多个端口的注射泵的流体系统，如此可使得通过多路旋转选向阀和注射泵将试剂输送组件的相应试剂分别输送至富集裂解组件和纯化保存组件，以在同一个装置集成的组件即能实现全封闭及全自动的水样核酸提取，如此则无需依赖大型实验仪器，及中间过程无需人工参与，降低了人员要求及交叉污染的风险，由于液体输送可配置全封闭，还能够在野外、船舶甚至水下进行水样的核酸提取。无需样本运输，对于极地、远洋等采样时间较长的情况下，能够及时的获得结果，而且还能够适用于绝大多数微生物的核酸提取，特别是在细胞裂解阶段，可以使用化学裂解、酶裂解、高温裂解、机械破碎裂解等多种方式，温控振荡组件能够保证难裂解微生物的有效裂解，为后续核酸提取及相关的准确分析奠定基础。

本申请实施例的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例而了解。本申请实施例的目的和其他优点在说明书以及附图所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是根据本发明实施例提供的水样核酸提取装置整体的三维结构图；

图2是根据本发明实施例提供的水样核酸提取的流路连接图；

图3是根据本发明实施例提供的水样核酸提取装置整体的温控振荡组件的三维结构示意图；

图4是根据本发明实施例提供的水样核酸提取装置进行核酸提取及PCR扩增的琼脂糖电泳检测图。

其中的附图标记包括：

10-进样组件；11-蠕动泵；20-富集裂解组件；21-富集裂解腔；

30-温控振荡组件；

31-温控模组；311-帕尔贴；312-温度传导铜块；313-铜块固定座；

32-温度传感器；

33-振荡组件；331-振荡电机；332-电机底座；

34-联轴器；

35-散热模块；351-散热风扇；352-散热器；

36-支撑柱；37-弹簧；38-支撑板；

40-纯化保存组件；41-纯化组件；42-提取液废液腔；43-纯化产物保存腔；44-真空泵；

50-流体输送系统；51-试剂输送组件；511-试剂腔；52-注射泵；53-多路旋转选向阀；

EC-电控组件；I1-第一端口；I2-第二端口；I3-第三端口；I4-第四端口；I5-第五端口；I6-第六端口。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

实施例1

本发明第一方面提供的一种水样核酸提取装置，具体地，如图1-图3所示，该水样核酸提取装置包括进样组件10、富集裂解组件20、温控振荡组件30、纯化保存组件40、流体输送系统50及电控组件EC，其中：

进样组件10与富集裂解组件20相连接，进样组件10用于将采集的水样输入至富集裂解组件20中，富集裂解组件20具有能够进行富集和裂解反应的富集裂解腔21，且富集裂解组件20安装在温控振荡组件30上，温控振荡组件30能够进行温度及振荡幅度调节，以为富集裂解组件20提供温度及振荡幅度条件，从而可以使得富集裂解组件20在富集裂解腔21内对输入的水样进行富集和裂解。

流体输送系统50包括具有多个试剂腔511的试剂输送组件51，与多个试剂腔511连接的多路旋转选向阀53和具有多个端口的注射泵52，试剂输送组件51分别连接纯化保存组件40和富集裂解组件20，用于通过多路旋转选向阀53和注射泵52将试剂输送组件51的相应试剂分别输送至富集裂解组件20和纯化保存组件40，以完成相应富集裂解及清洗工序。

具体地，上述的各组件均可以采用封闭的结构，以使得水样核酸提取装置一体集成封闭的环境，从而便于在一个装置中即实现全封闭及相应配置成全自动的功能，如在一个应用场景中，通过注射泵52和多路旋转选向阀53及配合如三通电磁阀，则可将相应的试剂输送至如富集裂解组件20，从而在一个装置中完成完整的工序，提高实际应用的集成性。

上述实施例中的水样核酸提取装置，创造性地提出了，在一个装置内集成包括有进样组件10、富集裂解组件20、温控振荡组件30、纯化保存组件40以及用于连接各组件的流体输送系统50，具体通过配置能够进行富集和裂解反应的富集裂解组件20以及温控振荡组件30，可以使得富集和裂解过程在同一个反应腔内完成，以及配置有具有多个试剂腔511的试剂输送组件51，与多个试剂腔511连接的多路旋转选向阀53和具有多个端口的注射泵52的流体输送系统50，如此可使得通过多路旋转选向阀53和注射泵52将试剂输送组件51的相应试剂分别输送至富集裂解组件20和纯化保存组件40，以在同一个装置集成的组件即能实现全封闭及全自动的水样核酸提取，如此则无需依赖大型实验仪器，及中间过程无需人工参与，降低了人员要求及交叉污染的风险，由于液体输送全封闭，还能够在野外、船舶甚至水下进行水样的核酸提取。无需样本运输，对于极地、远洋等采样时间较长的情况下，能够及时的获得结果，而且还能够适用于绝大多数微生物的核酸提取，特别是在细胞裂解阶段，可以使用化学裂解、酶裂解、高温裂解、机械破碎裂解等多种方式，温控振荡组件30能够保证难裂解微生物的有效裂解，为后续核酸提取及相关的准确分析奠定基础。

在一个实施例中，如图2和图3所示，富集裂解组件20具有与富集裂解腔21连接的入口及出口，富集裂解腔21内具有滤膜结构并且预留有微珠，为保证微珠不流入管路，富集裂解腔21室进样端前设置有第一过滤器，富集裂解组件20的入口能够与外设的第一过滤器连接，进样组件10的水样进入第一过滤器再经滤膜后进入到富集裂解腔21内；其中，微珠材料包括但不限于不锈钢、陶瓷、玻璃、氧化锆等。

具体地，富集裂解腔21可以根据实际情况使用滤膜和密封结构制作加工，即可在密封结构中放置滤膜形成腔室，也可以直接采用商用过滤器形成，如Sterivex-GP（美国Millipore公司）的过滤器，具体可以根据实际场景进行选择，此处不做限定。

上述实施例中，通过设置第一过滤器，可以使得对水样进行前置过滤及使得微珠不流入管路。

基于上述实施例中公开了富集裂解组件20的结构，在一个实施例中，如图1-图3所示，温控振荡组件30包括温控模组31、用于感测温控模组31温度的温度传感器32、振荡组件33及联轴器34，温控模组31包裹设于富集裂解腔21外，温控模组31能够进行升温及降温调节，温控模组31通过联轴器34设于振荡组件33上，通过温度传感器32的实时感测，以根据预设条件调整温控模组31的温度，具体可以配置有帕尔贴311及电控组件EC实现，以使得电控组件EC根据实测的温度而对帕尔贴311进行控制，从而对温控模组31进行温度调控。

上述实施例中，进一步公开了富集裂解组件20的结构，富集裂解腔21内预置有微珠，上述实施例中的温控振荡组件30，可以使得温控振荡组件30作用下，细胞裂解方法可在化学、酶裂解的基础上，增加高温裂解和机械破碎裂解，克服单一裂解方法的局限，极大地提高裂解效率，解决现有技术在特定条件下对细胞裂解不够充分的问题。

在一个实施例中，如图1-图3所示，温控模组31包括帕尔贴311、温度传导铜块312和用于固定温度传导铜块312的铜块固定座313，铜块固定座313设于联轴器34上，温度传导铜块312内嵌有安装空间，富集裂解腔21内嵌于安装空间内且与温度传导铜块312安装空间的内腔紧密贴合，以为裂解、去杂等反应提供合适的温度、振动及涡旋振荡条件，且温度传导铜块312内设有温度传感器32；

振荡组件33包括振荡电机331及电机底座332，振荡电机331设于电机底座332上；

温控振荡组件30还包括散热模块35和间隔设于电机底座332上的支撑柱36，散热模块35包括散热风扇351、散热器352，散热风扇351设于支撑柱36的上方，散热风扇351和散热器352沿高度方向依次设置，帕尔贴311紧密铺设于散热器352和温度传导铜块312之间；

此外，为了将振荡幅度限制在一定范围内，提高温控振荡组件30的稳定性，如图1-图3所示，还可以包括弹簧37和支撑板38，具体地，弹簧37设于散热风扇351上，支撑板38和弹簧37弹性连接。

上述实施例中，进一步公开了温控模组31及温控振荡组件30的结构，可以使与散热器352相连的帕尔贴311一端热量快速向周围空气扩散，提高帕尔贴311加热制冷速度。

在一个实施例中，如图1和图2所示，纯化保存组件40包括纯化组件41，纯化组件41具有纯化腔，纯化腔包括离心柱，离心柱具有入口端、出口端及连接入口端和出口端的连接端，其中：

离心柱的入口端设置有密封进液接头，离心柱的出口端设置有密封出液接头，连接端包括连接管，为保证液体进入时在离心柱的中心，连接管可以采用PEEK材料或者不锈钢材料制成。具体地，可以采用刚度较大的管路，可以保证液体进入离心柱的中心，减小残留，提高纯化和洗脱的效率。

上述实施例中，进一步公开的纯化组件41，采用离心柱及结合上述实施例提到的注射泵52和真空泵44结合的纯化方式，如此无需使用到大型离心机，则在一定程度上可以减小体积、提高上柱效率，同时能够保证清洗试剂的完全干燥，有助于提高纯度与洗脱效率，降低对后续反应的影响。此外，还能够实现全自动、全封闭及小型化，因此可以在野外、船舶等场景下使用。

在一个实施例中，如图1-图3所示，流体输送系统50还包括蠕动泵11，蠕动泵11用于进样组件10将水样进行输入的动力源，蠕动泵11具有水样进入的入口及将水样输出的出口。

富集裂解组件20还可以包括与富集裂解腔21的出口连接的第一废液腔，上述实施例提到的流体输送系统50，具体包括第一二通电磁阀、第二二通电磁阀、第一三通、第二三通、第一三通电磁阀、第二三通电磁阀、第三三通电磁阀、第四三通电磁阀及螺旋管道，纯化保存组件40还包括提取液废液腔42、纯化产物保存腔43以及真空泵44，其中：

进样组件10采用蠕动泵11作为样品输送的动力源，蠕动泵11具有水样进入的入口及将水样输出的出口，蠕动泵11的出口与第一二通电磁阀的一端口相连，第一二通电磁阀的另一端口与第一三通的第一端口I1相连，第一三通的第二端口I2与第一三通电磁阀的公共端相连，第一三通的第三端口I3与试剂输送组件51相连，第一三通电磁阀的常开端口与富集裂解腔21的入口相连，富集裂解腔21的出口与第二三通电磁阀的公共端相连，第二三通电磁阀的常开端口与第一废液腔相连；

纯化腔的进液口与第三三通电磁阀的公共端口相连，纯化腔的出口端与第四三通电磁阀的公共端相连，第三三通电磁阀的常开端口与空气相连，纯化产物保存腔43与提取液废液腔42的入口端分别与第四三通电磁阀的常闭端口和第四三通电磁阀的常开端口相连，即纯化产物保存腔43的入口端与第四三通电磁阀的常闭端口相连，提取液废液腔42的入口端与第四三通电磁阀的常开端口相连；纯化产物保存腔43与提取液废液腔42的一个端口通过第二三通、外设的第二过滤器与真空泵44的入口端相连，即纯化产物保存腔43的一个端口通过第二三通、外设的第二过滤器与真空泵44的入口端相连，提取液废液腔42的一个端口通过第二三通、外设的第二过滤器与真空泵44的入口端相连，真空泵44的出口端与空气相连，提取液废液腔42的另一个端口通过第二二通电磁阀与空气相连；

此外，试剂输送组件51还设有纯水腔、第二废液腔及裂解产物腔，注射泵52具有第一端口I1、第二端口I2、第三端口I3、第四端口I4、第五端口I5和第六端口I6，注射泵52的第一端口I1连接第二废液腔，注射泵52的第二端口I2通过一短螺旋状管路与裂解产物腔相连多路旋转选向阀53，多路旋转选向阀53和螺旋状管路可促进裂解产物与结合试剂的混合。注射泵52的第三端口I3连接多路旋转选向阀53的公共端，注射泵52的第四端口I4连接第三三通电磁阀的常闭端口，注射泵52的第五端口I5连接空气，注射泵52的第六端口I6连接纯水腔。具体地，试剂腔511可以选用试剂管实现，可以在试剂管的盖子上设置有螺纹进样接头和通气孔，通气孔上设置有防水透气膜，可以保证液体不会漏出。

上述实施例中，进一步公开了流体输送系统50的具体设置，通过流体输送系统50完成对核酸提取装置各组件间流体的输送，为后续实际应用提供了坚实的基础。具体使用方法将在下面的实施例进行说明。

实施例2

本发明第二方面提供一种水样核酸提取方法，其中，该水样核酸提取方法应用于上述实施例1中任一实施例所述的水样核酸提取装置，方法包括水样富集裂解及核酸提取过程，结合图1-图3，具体方法包括：

S40：水样过滤富集：

开启蠕动泵11将待测的水样通过第一二通电磁阀、第一三通、第一三通电磁阀、第一过滤器输送至富集裂解腔21的入口，再从富集裂解腔21的出口经第二三通电磁阀排至第一废液腔，其中，在第一三通电磁阀公共端口的前端还可以设置有流量传感器，启动水样过滤富集时对水样的流量进行计量，达到设定值时则关闭蠕动泵11及第一二通电磁阀；

S50：富集产物清洗过滤：

通过注射泵52的第三端口I3，经多路旋转选向阀53抽取对应试剂腔511中的PBS缓冲液，再经注射泵52的第三端口I3、多路旋转选向阀53及第一三通电磁阀进入富集裂解腔21的入口，开启振荡电机331进行振荡，预设时间（例如30秒）后关闭，重复清洗3-7次，比如可以重复清洗3次、5次或者7次等，此处不作具体限定，可以理解，通过多次冲洗可去除原始水样中溶解的不利于后续反应的物质，同时PBS溶液将调节PH，更有利于后续试剂的反应；

并开启第二三通电磁阀、第一三通电磁阀，通过注射泵52的第三端口I3，经多路旋转选向阀53从富集裂解腔21的出口端抽取液体，经第一废液腔排出，重复3-7次，实际应用场景中，比如可以重复抽取3次、5次或者7次等，此处不作具体限定，可以理解，通过多次抽取有利于将富集裂解腔21排空，关闭第一三通电磁阀；

S60：富集产物振荡重悬：

在富集裂解腔21的出口处于封闭条件下，通过设定注射泵52和多路旋转选向阀53，抽取对应试剂腔511中的重悬试剂，保证重悬试剂与滤膜充分接触，经注射泵52的第三端口I3、多路旋转选向阀53将重悬试剂及第一三通电磁阀进入富集裂解腔21的入口，后关闭第一三通电磁阀，在富集裂解腔21处于封闭条件下，开启振荡电机331，以低转速振荡10分钟后关闭振荡电机331，重悬试剂有助于微生物从滤膜上脱落，提高后续裂解效率；

开启第一三通电磁阀、第二三通电磁阀，设定注射泵52和多路旋转选向阀53，从富集裂解腔21出口至少部分或者全部抽取富集裂解腔21内的液体（可不完全抽出），使重悬试剂与后续加入的裂解液以预设比例（具体比例可以以实际需要确定，此处不作具体限定）进行混合，关闭第二三通电磁阀；

S70：裂解：

设定注射泵52和多路旋转选向阀53，抽取对应试剂腔511中的裂解液，设定注射泵52和多路旋转选向阀53，将裂解液排出至富集裂解腔21的入口，关闭第一三通电磁阀，使富集裂解腔21保持封闭，开启散热风扇351并对帕尔贴311开启加热，通过温度传感器32检测温度传导铜块312的温度，以控制帕尔贴311开启停止，以使温度传导铜块312的温度保持在设定温度；

开启振荡电机331，以最大转速对富集裂解腔21进行振荡5分钟；

S80：低温去杂：

设定注射泵52和多路旋转选向阀53，抽取对应试剂腔511中的去杂试剂，设定注射泵52和多路旋转选向阀53，将去杂试剂排出至富集裂解腔21的入口，进入富集裂解腔21，开启振荡电机331，低转速振荡1分钟；

开启散热风扇351，设定温控器温度，使帕尔贴311制冷，从而使富集裂解腔21内温度降低至4℃，以在低温环境中孵育5分钟；

S90：提取核酸：

开启第二三通电磁阀和第一三通电磁阀，设定注射泵52和多路旋转选向阀53，抽取富集裂解腔21内的裂解产物，通过注射泵52的第二端口I2（裂解产物通道），将裂解产物排出至裂解产物腔中，裂解产物腔中预置有结合试剂，注射泵52（裂解产物端口）与裂解产物腔使用螺旋连接管相连，通过注射泵52的反复抽取使裂解产物与结合试剂充分混合，或者，配置注射泵52通道抽取气体，再排出至裂解产物腔中，以促进液体间的混合。

S100：离心柱纯化清洗

将第三三通电磁阀、第二二通电磁阀打开，通过注射泵52的裂解产物端口，抽取对应试剂腔511中的结合试剂与裂解产物的混合液，通过注射泵52上柱端口排出至离心柱的入口端，在压力作用下，液体通过离心柱的出口端及第四三通电磁阀流入提取液废液腔42，反复多次，例如反复3-7次，具体可以配置更多次，如重复3次，重复5次或者7次等，以将裂解产物腔的混合液全部排空；

关闭第三三通电磁阀、第二二通电磁阀，开启真空泵44，持续抽取3分钟，使离心柱充分干燥后关闭真空泵44；

开启第三三通电磁阀、第二二通电磁阀，设定注射泵52和多路旋转选向阀53，抽取对应试剂腔511中的第一清洗试剂，通过注射泵52的上柱端口排出至离心柱，关闭第三三通电磁阀、第二二通电磁阀，开启真空泵44，持续抽取3分钟，使离心柱充分干燥后关闭真空泵44；

开启第三三通电磁阀、第二二通电磁阀，设定注射泵52和多路旋转选向阀53，抽取对应试剂腔511中的第二清洗试剂，通过注射泵52的上柱端口排出至离心柱，设定注射泵52和多路旋转选向阀53，抽取空气，通过注射泵52的上柱端口排出至离心柱，将注射泵52上柱端口与离心柱连接管路中的液体全部排空，关闭第三三通电磁阀、第二二通电磁阀，开启真空泵44，持续抽取5分钟，待离心柱充分干燥后，关闭真空泵44；

S110：清洗注射泵52

设定注射泵52和多路旋转选向阀53，抽取纯水腔的纯水，并通过第二废液腔的端口排出，清洗注射泵52及多路旋转选向阀53与注射泵52连接的管路，重复冲洗3-7次，例如重复清洗3次、5次或者7次等；

设定注射泵52和多路旋转选向阀53，抽取空气，将注射泵52及多路旋转选向阀53与注射泵52连接的管路中的液体排空；

S120：洗脱

开启第三三通电磁阀、第四三通电磁阀，设定注射泵52和多路旋转选向阀53，抽取对应试剂腔511中的洗脱试剂，并通过注射泵52上柱端口排入离心柱中，关闭第三三通电磁阀，开启真空泵44，抽取2分钟后，关闭真空泵44，具体地，上述的洗脱过程可以重复多次，多次洗脱可提高产物总量。

上述实施例中，基于上述实施例1的水样核酸提取装置，进一步公开了使用方法，以使得实际应用场景中，通过预设的步骤实现全程的自动化核酸提取，如此无需依赖大型实验仪器，且中间过程不需要人工参与，降低了人员要求及交叉污染的风险，此外还具有体积小，液体输送全封闭，能够在野外、船舶甚至水下进行水样的核酸提取，还无需将样本运输，对于极地、远洋等采样时间较长的情况下，能够及时的获得结果。

在一个实施例中，在水样富集裂解过程之前，结合图1-图3，方法还包括：

S10：在富集裂解腔21中装填微珠，具体地，可以通过自制或购买的商用富集过滤装置及微珠在使用前紫外灭菌30分钟，在生物安全柜等无菌条件下，使用滤纸或注射器等，将微珠装入富集过滤装置中，在连接管路前，用堵头封好；

S20：对注射泵52进行冲洗：

从注射泵52的纯水端口抽取纯水对注射泵52进行冲洗后，通过注射泵52连接的第二废液腔的端口排出，重复进行3-7遍的冲洗操作，例如3遍、5遍或者7遍的清洗等；

S30：对富集裂解腔21内的滤膜进行冲洗：

利用注射泵52的纯水端口抽取纯水，通过设定多路旋转选向阀53通道，将纯水进入富集裂解腔21的入口进行冲洗预设时间后，开启振荡电机331，继续冲洗一定时间后，关闭振荡电机331。

具体而言，上述实施例中披露的水样核酸提取装置及水样核酸提取方法，无需依赖大型实验仪器，中间过程不需要人工参与，降低了人员要求及交叉污染的风险。体积小，液体输送全封闭，能够在野外、船舶甚至水下进行水样的核酸提取。无需样本运输，对于极地、远洋等采样时间较长的情况下，能够及时的获得结果。能够适用于绝大多数微生物的核酸提取，特别是在细胞裂解阶段，可以使用化学裂解、酶裂解、高温裂解、机械破碎裂解等多种方式，温控振荡组件30能够保证难裂解微生物的有效裂解，为后续准确分析奠定基础；实际应用场景中，通过上述实施例的水样核酸提取装置及水样核酸提取方法，对的大肠杆菌进行核酸提取及PCR扩增的琼脂糖电泳检测，其结果如图4所示。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种水样核酸提取装置，其特征在于，包括进样组件、富集裂解组件、温控振荡组件、纯化保存组件以及用于连接各组件的流体输送系统，其中：

所述进样组件与所述富集裂解组件相连接，所述进样组件用于将采集的水样输入至所述富集裂解组件中，所述富集裂解组件具有进行富集和裂解反应的富集裂解腔，且所述富集裂解组件安装在所述温控振荡组件上，所述温控振荡组件能够进行温度及振荡幅度调节，以为所述富集裂解组件提供温度及振荡幅度条件，从而在富集裂解腔内对输入的水样进行富集和裂解；

所述流体输送系统包括具有多个试剂腔的试剂输送组件，与所述多个试剂腔连接的多路旋转选向阀和具有多个端口的注射泵，所述试剂输送组件分别连接所述纯化保存组件和所述富集裂解组件，用于通过所述多路旋转选向阀和所述注射泵将所述试剂输送组件的相应试剂分别输送至所述富集裂解组件和所述纯化保存组件；

所述富集裂解组件还包括与所述富集裂解腔的出口连接的第一废液腔，所述流体输送系统还包括第一二通电磁阀、第二二通电磁阀、第一三通、第二三通、第一三通电磁阀、第二三通电磁阀、第三三通电磁阀、第四三通电磁阀以及螺旋管道，所述纯化保存组件还包括提取液废液腔、纯化产物保存腔以及真空泵，其中：

所述流体输送系统还包括蠕动泵，所述蠕动泵用于所述进样组件将水样进行输入的动力源，所述蠕动泵具有水样进入的入口及将水样输出的出口，所述蠕动泵的出口与所述第一二通电磁阀的一端口相连，所述第一二通电磁阀的另一端口与所述第一三通的第一端口相连，所述第一三通的第二端口与所述第一三通电磁阀的公共端相连，所述第一三通的第三端口与所述试剂输送组件相连，所述第一三通电磁阀的常开端口与所述富集裂解腔的入口相连，所述富集裂解腔的出口与所述第二三通电磁阀的公共端相连，所述第二三通电磁阀的常开端口与所述第一废液腔相连；

所述纯化腔的进液口与所述第三三通电磁阀的公共端口相连，所述纯化腔的出口端与所述第四三通电磁阀的公共端相连，所述第三三通电磁阀的常开端口与空气相连，所述纯化产物保存腔与所述提取液废液腔的入口端分别与所述第四三通电磁阀的常闭端口和所述第四三通电磁阀的常开端口相连，所述纯化产物保存腔与所述提取液废液腔的一个端口通过所述第二三通、外设的第二过滤器与所述真空泵的入口端相连，所述真空泵的出口端与空气相连，所述提取液废液腔的另一个端口通过所述第二二通电磁阀与空气相连；

所述试剂输送组件还设有纯水腔、第二废液腔及裂解产物腔，所述注射泵具有第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、第五端口和第六端口，所述注射泵的第一端口连接所述第二废液腔，所述注射泵的第二端口连接所述螺旋管道，所述螺旋管道还连接所述裂解产物腔，所述注射泵的第三端口连接所述试剂输送组件，所述注射泵的第四端口连接所述第三三通电磁阀的常闭端口，所述注射泵的第五端口连接空气，所述注射泵的第六端口连接所述纯水腔。

2.根据权利要求1所述的水样核酸提取装置，其特征在于，所述富集裂解腔具有入口和出口，所述富集裂解腔内具有滤膜及预置有微珠，且所述富集裂解腔的入口能够与外设的第一过滤器连接，所述进样组件的水样进入所述第一过滤器再经所述滤膜后进入到所述富集裂解腔内。

3.根据权利要求2所述的水样核酸提取装置，其特征在于，所述温控振荡组件包括温控模组、用于感测所述温控模组温度的温度传感器、振荡组件及联轴器，所述温控模组包裹设于所述富集裂解腔外，所述温控模组通过所述联轴器设于所述振荡组件上，通过所述温度传感器的实时感测，以根据预设条件调整所述温控模组的温度。

4.根据权利要求3所述的水样核酸提取装置，其特征在于，所述温控模组包括帕尔贴、温度传导铜块和用于固定所述温度传导铜块的铜块固定座，所述铜块固定座设于所述联轴器上，所述温度传导铜块内嵌有安装空间，所述富集裂解腔内嵌于所述安装空间内，且所述温度传导铜块内设有所述温度传感器；

所述振荡组件包括振荡电机及电机底座，所述振荡电机设于所述电机底座上；

所述温控振荡组件还包括散热模块和间隔设于所述电机底座上的支撑柱，所述散热模块包括散热风扇和散热器，所述散热风扇设于所述支撑柱的上方，所述散热风扇和所述散热器沿高度方向依次设置，所述帕尔贴紧密铺设于所述散热器和所述温度传导铜块之间。

5.根据权利要求4所述的水样核酸提取装置，其特征在于，所述纯化保存组件包括纯化组件，所述纯化组件具有纯化腔，所述纯化腔包括离心柱，所述离心柱具有入口端、出口端及连接所述入口端和所述出口端的连接端，其中：

所述离心柱的入口端设置有密封进液接头，所述离心柱的出口端设置有密封出液接头，所述连接端包括连接管，所述连接管采用PEEK材料或者不锈钢材料制成。

6.根据权利要求1所述的水样核酸提取装置，其特征在于，所述试剂腔选用试剂管实现，且所述试剂管的盖子上设置有螺纹进样接头和通气孔，所述通气孔上设置有防水透气膜。

7.一种水样核酸提取方法，其特征在于，所述水样核酸提取方法应用于如权利要求5所述的水样核酸提取装置，所述方法包括：

S40：水样过滤富集：

开启所述蠕动泵将待测的水样通过所述第一二通电磁阀、所述第一三通、所述第一三通电磁阀、所述第一过滤器输送至所述富集裂解腔的入口，再从所述富集裂解腔的出口经所述第二三通电磁阀排至所述第一废液腔；

S50：富集产物清洗过滤：

通过所述注射泵的第三端口，经所述多路旋转选向阀抽取对应所述试剂腔中的PBS缓冲液，再经所述注射泵的第三端口、所述多路旋转选向阀及所述第一三通电磁阀进入所述富集裂解腔的入口，开启所述振荡电机进行振荡，预设时间后关闭，重复清洗3-7次；

并开启所述第二三通电磁阀、所述第一三通电磁阀，通过所述注射泵的第三端口，经所述多路旋转选向阀从所述富集裂解腔的出口抽取液体，经所述第一废液腔排出，重复抽取3-7次，将所述富集裂解腔进行排空，关闭所述第一三通电磁阀；

S60：富集产物振荡重悬：

在所述富集裂解腔的出口处于封闭条件下，通过设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取对应所述试剂腔中的重悬试剂，经所述注射泵的第三端口、所述多路旋转选向阀将所述重悬试剂及所述第一三通电磁阀进入所述富集裂解腔的入口，后关闭所述第一三通电磁阀，在所述富集裂解腔处于封闭条件下，开启所述振荡电机，以低转速振荡预设时间后关闭所述振荡电机；

开启所述第一三通电磁阀和所述第二三通电磁阀，设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，从所述富集裂解腔的出口部分或全部抽取所述富集裂解腔内的液体，使所述重悬试剂与后续加入的裂解液以预设比例混合，关闭所述第二三通电磁阀；

S70：裂解：

设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取对应所述试剂腔中的裂解液，设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，将所述裂解液排出至所述富集裂解腔的入口，关闭所述第一三通电磁阀，使所述富集裂解腔保持封闭，开启所述散热风扇，并对所述帕尔贴开启加热，通过所述温度传感器检测所述温度传导铜块的温度，以控制所述帕尔贴开启停止，以使所述温度传导铜块的温度保持在设定温度；

开启所述振荡电机，以最大转速对所述富集裂解腔进行预设时间的振荡；

S80：低温去杂：

设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取对应所述试剂腔中的去杂试剂，设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，将所述去杂试剂排出至所述富集裂解腔的入口，进入所述富集裂解腔，开启所述振荡电机，以低转速振荡预设时间；

开启所述散热风扇，设定温控器温度，使所述帕尔贴制冷，将所述富集裂解腔内温度降低至预设温度，以在低温环境中孵育预设时间；

S90：提取核酸：

开启所述第二三通电磁阀和所述第一三通电磁阀，设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取所述富集裂解腔内的裂解产物，通过所述注射泵的第二端口，将所述裂解产物排出至所述裂解产物腔中，所述裂解产物腔中预置有结合试剂；

S100：离心柱纯化清洗：

将所述第三三通电磁阀、所述第二二通电磁阀打开，通过所述注射泵的第二端口，抽取对应所述试剂腔中的结合试剂与所述裂解产物的混合液，通过所述注射泵排出至所述离心柱的入口端，在压力作用下，液体通过所述离心柱的出口端、所述第四三通电磁阀流入所述提取液废液腔，反复3-7次，以将所述裂解产物腔的混合液全部排空；

关闭所述第三三通电磁阀、所述第二二通电磁阀，开启所述真空泵，持续抽取预设时间，使所述离心柱充分干燥后关闭所述真空泵；

开启所述第三三通电磁阀、所述第二二通电磁阀，设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取对应所述试剂腔中的第一清洗试剂，通过所述注射泵排出至所述离心柱，关闭所述第三三通电磁阀、所述第二二通电磁阀，开启所述真空泵，持续抽取预设时间，使所述离心柱充分干燥后关闭所述真空泵；

开启所述第三三通电磁阀、所述第二二通电磁阀，设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取对应所述试剂腔中的第二清洗试剂，通过所述注射泵排出至所述离心柱，设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取空气，通过所述注射泵排出至所述离心柱，将所述注射泵与所述离心柱连接管路中的液体全部排空，关闭所述第三三通电磁阀、所述第二二通电磁阀，开启所述真空泵，持续抽取预设时间，待所述离心柱充分干燥后，关闭所述真空泵；

S110：清洗注射泵：

设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取所述纯水腔的纯水，并通过所述第二废液腔的端口排出，清洗所述注射泵及所述多路旋转选向阀与所述注射泵连接的管路，重复冲洗3-7次；

设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取空气，将所述注射泵及所述多路旋转选向阀与所述注射泵连接的管路中的液体排空；

S120：洗脱：

开启所述第三三通电磁阀、所述第四三通电磁阀，设定所述注射泵和所述多路旋转选向阀，抽取对应所述试剂腔中的洗脱试剂，并通过所述注射泵排入所述离心柱中，关闭所述第三三通电磁阀，开启所述真空泵，抽取预设时间后，关闭所述真空泵。

8.根据权利要求7所述的水样核酸提取方法，其特征在于，所述水样在富集裂解过程之前，所述方法还包括：

S10：在所述富集裂解腔中预先装填微珠；

S20：对所述注射泵进行冲洗：

从所述注射泵的纯水端口抽取纯水对所述注射泵进行冲洗后，通过所述注射泵连接的第二废液腔的端口排出，重复进行3-7遍冲洗操作；

S30：对所述富集裂解腔内的滤膜进行冲洗：

利用所述注射泵的纯水端口抽取纯水，通过设定所述多路旋转选向阀通道，将纯水进入所述富集裂解腔的入口进行冲洗预设时间后，开启所述振荡电机，继续冲洗预设时间后，关闭所述振荡电机。