CN204346798U - 一种蛋白质核酸分离装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及生物设备制造工程领域，一种蛋白质核酸分离装置，包括：大分子样品存储区、缓冲液存储区、自由流电泳芯片、蛋白收集区、核酸收集区、电源；所述自由流电泳芯片内部设置有电泳通道，在所述电泳通道两侧设置电极，所述电源的正负极分别连接在两侧电极上；所述电泳通道的流入端设置样品入口和缓冲液入口，所述电泳通道的流出端靠近两侧电极的位置分别设置蛋白出口和核酸出口；所述样品入口连接所述大分子样品存储区，所述缓冲液入口连接所述缓冲液存储区；所述蛋白出口连接所述蛋白收集区，所述核酸出口连接所述核酸收集区。本实用新型的蛋白质核酸分离装置结构小巧简单，操作易行，可实现蛋白质和核酸的高效快速分离。

Description

一种蛋白质核酸分离装置

技术领域

本实用新型涉及生物设备制造工程领域，具体地说，涉及一种蛋白质核酸分离装置。

背景技术

在当前的生命科学研究领域，蛋白质和核酸这两种生物大分子是重要的研究对象。蛋白质担负着各种生理功能，从整体上维持生物体新陈代谢活动的进行，是生物性状的直接表达者，而核酸是揭示生命遗传与变异的主要物质。在生物样品的分析研究中，往往样品中含有大量的蛋白质和核酸，这就需要对其中的蛋白质或核酸进行分离纯化，生物大分子的分离提纯方法有很多，比如传统的透析、超滤、凝胶过滤、有机沉淀、萃取等操作方式。而这些分离操作，在分离一种生物大分子时，往往会影响甚至破坏另外一种生物大分子的活性。而且这些方式通常需要较为复杂的人工操作或借助于多种仪器设备，这些操作在时间和分离效率上也存在很多不足。

因此，目前在生物大分子分离纯化领域还缺乏一种针对细胞全蛋白与核酸的小型化、自动化分离装置。

实用新型内容

为了克服上述技术问题，本实用新型提供了一种蛋白质核酸分离装置，结构小巧简单，操作易行，可实现蛋白质和核酸的高效快速分离。

为了实现上述目的，一种蛋白质核酸分离装置，包括：

大分子样品存储区、缓冲液存储区、自由流电泳芯片、蛋白收集区、核酸收集区、电源；

所述自由流电泳芯片内部设置有电泳通道，在所述电泳通道两侧设置电极，所述电源的正负极分别连接在两侧电极上；所述电泳通道的流入端设置样品入口和缓冲液入口，所述电泳通道的流出端靠近两侧电极的位置分别设置蛋白出口和核酸出口；

所述样品入口连接所述大分子样品存储区，所述缓冲液入口连接所述缓冲液存储区；所述蛋白出口连接所述蛋白收集区，所述核酸出口连接所述核酸收集区。

进一步的，所述电泳通道的流出端还设置有废液出口，所述废液出口连接废液收集区。

所述样品入口与所述大分子样品存储区之间、所述缓冲液入口与所述缓冲液存储区之间、所述蛋白出口与所述蛋白收集区之间、所述核酸出口与所述核酸收集区之间分别连接有液体输送部件。

进一步的，所述装置还包括机箱，所述机箱包括箱体底板、竖立隔板和中层隔板，中层隔板水平固定在所述机箱的内壁上，竖立隔板竖直固定在所述机箱的内壁并接触所述箱体底板；

所述液体输送部件和所述电源固定在所述箱体底板上；所述大分子样品存储区、缓冲液存储区、自由流电泳芯片、蛋白收集区、核酸收集区和废液收集区固定在所述中层隔板上。

本实用新型提供了一种蛋白质核酸分离装置，该装置包括：大分子样品存储区、缓冲液存储区、自由流电泳芯片、蛋白收集区、核酸收集区、电源；在自由流电泳芯片内部设置有电泳通道，电泳通道的流入端设置样品入口和缓冲液入口，流出端设置蛋白出口和核酸出口，在电泳通道两侧设置电极，电源的正负极分别连接在两侧电极上；样品入口连接大分子样品存储区，缓冲液入口连接缓冲液存储区；蛋白出口连接蛋白收集区，核酸出口连接核酸收集区。通过上述分离装置，实现自动化的蛋白质和核酸的高效快速分离，且装置整体结构小巧简单，无需人工操作介入。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种蛋白质核酸分离装置的结构示意图；

图2为本实用新型提供的自由流电泳芯片的结构示意图；

图3为本实用新型中蛋白质核酸分离装置的机箱结构示意图；

图4为本实用新型所述蛋白质核酸分离装置的扩展装置的结构示意图；

图5为本实用新型中胞样品处理池、微滤池、膜分离池的结构示意图。

具体实施方式

下面参考附图来说明本实用新型的实施例。在本实用新型的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本实用新型无关的、本领域普通技术人员已知的部件或处理的表示和描述。

本实用新型实施例提供了一种蛋白质核酸分离装置，该装置包括：大分子样品存储区、缓冲液存储区、自由流电泳芯片、蛋白收集区、核酸收集区、电源。

其中，自由流电泳芯片内部设置有电泳通道，在所述电泳通道两侧设置电极，述电源的正负极分别连接在两侧电极上；电泳通道的流入端设置样品入口和缓冲液入口，电泳通道的流出端靠近两侧电极的位置分别设置蛋白出口和核酸出口。

本实用新型实施例中的自由流电泳芯片可以利用Off-Gel等电聚焦技术，专门针对蛋白等生物大分子进行提纯。该芯片在结构上采用全封闭的二维通道设计并在底部设计有分流储液池。在使用前设定好包括电极，通道参数，分离电压，流量与流速等参数。

样品入口连接所述大分子样品存储区，所述缓冲液入口连接所述缓冲液存储区；所述蛋白出口连接所述蛋白收集区，所述核酸出口连接所述核酸收集区。

此外，电泳通道的流出端还设置有废液出口，将废液出口连接到废液收集区。

在样品入口与大分子样品存储区之间、缓冲液入口与缓冲液存储区之间、蛋白出口与蛋白收集区之间、核酸出口与核酸收集区之间都分别连接有液体输送部件。该液体输送部件具体可以是泵部件，比如容积泵、叶轮泵等。通过液体输送部件的推动，使大分子样品和缓冲液在装置中沿特定方向运动。

下面结合附图对本实用新型实施例所提供的蛋白质核酸分离装置做详细描述。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种蛋白质核酸分离装置，该装置包括：缓冲液存储区一2、大分子样品存储区3、缓冲液存储区二4、开关一5、开关二6、开关三7、液体输送部件一8、液体输送部件二9、液体输送部件三10、自由流电泳芯片11、液体输送部件四12、液体输送部件五13、液体输送部件六14、蛋白收集区15、废液收集区16、核酸收集区17、电源18。

其中，图1中示出了两个缓冲液存储区，分别为缓冲液存储区一2和缓冲液存储区二4，实际应用中并不以两个缓冲液存储区为限，可以是一个缓冲液存储区或三个以上的缓冲液存储区。图1中的缓冲液存储区一2和缓冲液存储区二4分别通过开关5和液体输送部件8、开关7和液体输送部件10连接到自由流电泳芯片11的缓冲液入口，用于向自由流电泳芯片11中输送缓冲液。自由流电泳芯片11中设置有若干条电泳通道(参考图2)。大分子样品存储区3通过开关6和液体输送部件9连接自由流电泳芯片11的样品入口，大分子样品经样品入口进入电泳通道。将电源18的正负极连接在自由流电泳芯片的两侧电极上，电源18能够提供100-500V的电压。进入自由流电泳芯片11的大分子样品在缓冲液体系中带上不同的正负电荷，在高压电场作用下，蛋白质分子和核酸分子在电泳通道中开始沿相反方向分离。蛋白质带正电荷，核酸带负电荷，蛋白质向负电极方向运动，最终从蛋白出口流出，并经液体输送部件12流入蛋白收集区15。核酸分子向正电极方向运动，最终从核酸出口流出，经液体输送部件14流入核酸收集区17。自由流电泳芯片11中的废液经液体输送部件13流入废液收集区16。

图1中的开关一5、开关二6、开关三7具体可以是阀。

自由流电泳芯片11的结构图如图2所示。在自由流电泳芯片11内部设置有电泳通道1107。电泳通道1107的两侧为电极1106。电泳通道的流入端设置样品入口1101，流入端还设置有缓冲液入口1102、1103、1104和1105。图2中示出了四个缓冲液入口，其中1102和1103连接至缓冲液存储区一2，1104和1105连接至缓冲液存储区二4。

实际应用中，缓冲液入口的数量并不限定为四个。比如，可以在流入端设置两个缓冲液入口，每个缓冲液入口连接一个缓冲液存储区。也可以设置四个以上的缓冲液入口。

在自由流电泳芯片11的流出端设置蛋白出口1108、废液出口1109和核酸出口1110。蛋白出口1108和核酸出口1110设置在靠近电极的位置。废液出口1109设置在蛋白出口1108与核酸出口1110之间，大分子样品在电场作用下，在自由流电泳芯片11的电泳通道中充分的分离，蛋白质分子从蛋白出口1108流出，核酸分子从核酸出口1110流出。中性液体从废液出口1109流出。

进一步的，如图3所示，该装置还有一机箱，机箱包括箱体底板101、竖立隔板102和中层隔板103，中层隔板103水平固定在所述机箱的内壁上，竖立隔板102竖直固定在机箱的内壁并接触箱体底板101。

液体输送部件一8、液体输送部件二9、液体输送部件三10和电源18固定在箱体底板101上。大分子样品存储区3、缓冲液存储区一2、缓冲液存储区二4、自由流电泳芯片11、蛋白收集区15、核酸收集区17和废液收集区16固定在中层隔板103上。开关一5、开关二6和开关三7固定在竖立隔板102的孔槽中。

本实用新型实施例还提供了一种蛋白质核酸分离方法，该方法用于前述的蛋白质核酸分离装置中，该方法包括以下步骤：

S1、将缓冲液存储区的缓冲液注入自由流电泳芯片。

在执行S1前，还可以先用预配置的缓冲液清洗自由流电泳芯片11中的电泳通道1107，清洗时间10-15分钟，清洗产生的废液流入废液收集区16。清洗结束后，打开开关一5和开关三7，并开启液体输送部件一8、液体输送部件三10、液体输送部件五13，缓冲液存储区一2和缓冲液存储区二4中的缓冲液流入自由流电泳芯片11，持续时间8到12分钟，具体可以为10分钟。

S2、将电源调整至预定电压。

该预定电压的的范围在100-600V，具体可以是500V。

S3、将大分子样品存储区3的大分子样品注入自由流电泳芯片11，使大分子样品中的蛋白质和核酸在电压作用下分离并分别进入蛋白收集区15和核酸收集区17。

大分子样品注入自由流电泳芯片11的流速为0.048-0.1毫升/分钟，具体可选择0.08毫升/分钟。由于自由流电泳芯片11内已经被注入了一定PH值的缓冲液，大分子样品注入到自由流电泳芯片11后由于等电位的差异带上不同的正负电荷，蛋白质带正电荷，核酸带负电荷，在电场作用下蛋白质和核酸开始分离，分别经蛋白出口1108和核酸出口1110流出。通过调整大分子样品和缓冲液的注入速度以及电压大小来对蛋白质和核酸的分离进行调节。

在S3完成蛋白质和核酸的分离收集后，关闭电源18和液体输送部件，取出分离得到的样品后，再分别用缓冲液和超纯水对整个装置进行清洗，清洗时间为30分钟。

本实用新型实施例方案提供的蛋白质核酸分离装置，设置有大分子样品存储区、缓冲液存储区、自由流电泳芯片、蛋白收集区、核酸收集区和电源。在自由流电泳芯片内部设置有电泳通道，电泳通道的流入端设置样品入口和缓冲液入口，流出端设置蛋白出口和核酸出口，在电泳通道两侧设置电极，电源的正负极分别连接在两侧电极上；样品入口连接大分子样品存储区，缓冲液入口连接缓冲液存储区；蛋白出口连接蛋白收集区，核酸出口连接核酸收集区。通过上述分离装置，实现自动化的蛋白质和核酸的高效快速分离，整个装置整体结构小巧简单，分离过程中无需人工操作介入，便于大规模自动化的进行大分子物质分离。

如图4所示，该装置还进一步包括待处理细胞样品存储区19、缓冲液存储区20、裂解液存储区21、细胞样品处理池25、微滤池27、膜分离池29、小分子样品存储区34。

其中，待处理细胞样品存储区19、缓冲液存储区20、裂解液存储区21分别通过液体输送部件22、液体输送部件23、液体输送部件24连接细胞样品处理池25的入口。细胞样品处理池25的出口通过开关26连接微滤池27的入口。微滤池27的出口通过液体输送部件28连接膜分离池29的入口。所述膜分离池29的出口还连接小分子样品存储区34的入口。通过该装置，待处理细胞液在细胞样品处理池25中裂解，并经过微滤池27和膜分离池29的过滤，过滤后的产物进入小分子样品存储区34。液体输送部件22、液体输送部件23、液体输送部件24和液体输送部件28在该装置中用于使液体向指定方向运动。

该装置还包括缓冲液存储区31。缓冲液存储区31通过液体输送部件32和开关33连接膜分离池29的出口，膜分离池29的入口还通过开关30到连接大分子样品存储区3的入口。在液体输送部件32的动力作用下，被膜分离池29所拦截的大分子物质被输送至大分子样品存储区3。所述细胞样品处理池27的出口通过开关39和液体输送部件13连接废液收集区16。此外，在装置中的小分子样品存储区34另一侧还设置有开关35和液体输送部件36。在图4中画出了缓冲液存储区一2，由于图中空间所限，缓冲液存储区二3和缓冲液存储区三4未在图4中示出。

细胞样品处理池25、微滤池27和膜分离池29中设有不同孔径和材质的膜材料，用于进行过滤。比如，细胞样品处理池25的膜材料的孔径为1-10微米，微滤池27的膜材料的孔径为0.1-0.45微米，膜分离池29的膜材料能够实现的MWCO(Molecular Weight Cut Off,截留分子量)不小于5KD。可选的，在本实用新型实施例中，细胞样品处理池25的膜材料的孔径为5微米，微滤池27的膜材料的孔径为0.22微米，膜分离池29的膜材料能够实现的MWCO为5KD。另外需要指出的是，上述所有膜材料可根据不同样品及分离目的进行更换。

细胞样品处理池25、微滤池27和膜分离池29的结构均可参见图5，以细胞样品处理池25为例，其中在池本体802内部开有腔体805，腔体805分别与池本体802表面开设的入口801和出口804连通，腔体805中设置膜材料803，膜材料803将腔体805分隔为两部分。其中一部分连通入口801，另一部分连通出口804。

如图4所示的该装置中，还包括流动相存储区41、色谱柱46、温控部件47、RNA收集区53、DNA收集区49。色谱柱46的出口经过开关48连接DNA收集区49并且经过开关52连接RNA收集区53。核酸存储区17通过液体输送部件42和开关43连接色谱柱46的入口，流动相存储区41通过液体输送部件44和开关45连接色谱柱46的入口。废液收集区16通过液体输送部件13连接色谱柱46的出口。温控部件47包裹在色谱柱46上。

RNA收集区53另一端还连接开关54和液体输送部件55，DNA收集区49的另一端和连接开关50和液体输送部件51。开关43还连接开关56和液体输送部件57。

本实用新型实施例中所述的各种开关用于开启和阻断液体流通，实际应用中所述开关可以为阀部件比如电磁阀。本实用新型实施例中所述的液体输送部件用于推动液体流动，实际应用中所述液体输送部件可以是泵，比如容积泵叶轮泵等。

下面参考图4来描述整体装置的工作流程。

第一阶段，获得小分子样品和大分子样品：

打开液体输送部件22将待处理细胞样品存储区19的细胞悬液通过细胞样品处理池25进行过滤，使细胞样品截留在所述细胞样品处理池25的膜材料表面。

具体的，将1毫升细胞悬液通过滤膜孔径为5微米的细胞样品处理池25进行过滤，使得细胞截留在滤膜表面而培养液及杂质进入废液收集区16，从而实现了细胞与培养液的分离。

打开液体输送部件23使缓冲液存储区20的缓冲液对细胞样品处理池25的膜材料表面的细胞样品进行清洗。通过该缓冲液对细胞样品进行清洗，洗去细胞表面残留的培养基成分。该缓冲液为预冷的PBS(phosphate buffer saline，磷酸盐缓冲液)。

打开液体输送部件24使裂解液存储区21的裂解液对所述细胞样品处理池25的膜材料表面的细胞样品进行裂解。细胞被裂解液浸润在膜表面，并与裂解体系充分接触。裂解液存储区21的裂解液体系配比为1毫升RIPA(RadioImmunoprecipitation Assay，放射免疫沉淀法)裂解液加10微升PMSF(苯甲基磺酰氟)，即1ml RIPA+10μl PMSF。取1毫升该裂解液体系经液体输送部件24进入细胞样品处理池25中。细胞被裂解液浸润在膜表面，并与裂解体系充分接触。

改变液体输送部件24的电极，使液体输送部件24按照预定的频率进行正反向切换，使得细胞样品处理池25的膜材料表面的细胞样品反复振荡过滤。

通过对液体输送部件24电极进行改变，使液体输送部件24的流向按照预定频率进行正反向切换，使得细胞样品反复振荡过滤，充分裂解，提高细胞的裂解效率。

打开液体输送部件28、开关26，将反复振荡过滤后的裂解体系经过微滤池27进行过滤，并经过膜分离池29对大分子物质进行截留，将透过膜分离池29的小分子物质送入小分子样品存储区34。

打开液体输送部件28和开关26后，裂解体系进入微滤池27过滤。可选的，微滤池27的膜材料的膜孔径为0.22微米。通过过滤滤去未裂解的细胞碎片等杂质，保证提取物纯度并防止管路堵塞。之后，在膜分离池29中，生物大分子蛋白被截留在膜上。可选的，该膜材料的MWCO不小于5KD。

本实用新型实施例中，对细胞样品处理池25的膜材料表面的细胞样品的裂解时间为20-40分钟(优选为30分钟)。液体输送部件24的电极每隔3-5分钟(优选为3分钟)转换方向，每次转换方向后运行10-15秒(优选为10秒)，流速为1-3毫升/分钟(优选为1毫升/分钟)。

打开液体输送部件32、开关33、开关30，使缓冲液存储区31的缓冲液将膜分离池29截留的大分子物质送入大分子样品存储区3。

第二阶段，获得蛋白样品和核酸样品：

打开开关5和液体输送部件8，将缓冲液存储区一2的缓冲液注入自由流电泳芯片。将电源调整至预定电压。该预定电压的的范围在100-600V，具体可以是500V。

将大分子样品存储区3收集的大分子样品注入自由流电泳芯片11，使大分子样品中的蛋白质和核酸在电压作用下分离并分别进入蛋白收集区15和核酸收集区17。其中，大分子样品注入自由流电泳芯片11的流速为0.048-0.1毫升/分钟，具体可选择0.08毫升/分钟。由于自由流电泳芯片11内已经被注入了一定PH值的缓冲液，大分子样品注入到自由流电泳芯片11后由于等电位的差异带上不同的正负电荷，蛋白质带正电荷，核酸带负电荷，在电场作用下蛋白质和核酸开始分离，分别经蛋白出口2708和核酸出口2710(参考图5)流出。通过调整大分子样品和缓冲液的注入速度以及电压大小来对蛋白质和核酸的分离进行调节。

第三阶段，分离DNA和RNA：

在将核酸物质收集到核酸收集区17之后，关闭开关一48和开关二52，并将流动相存储区41中的流动相注入色谱柱46。关闭开关一48和开关二52后，打开开关43，开关45，并开启液体输送部件44和液体输送部件42，将流动相存储区41中的流动相注入色谱柱46。在用流动相平衡色谱柱46的过程中，废液流入废液存储区16。此后，控制温控部件47将色谱柱46的温度降至第一预设温度。

流动相为30％-90％的乙腈水溶液或甲醇水溶液，本领域技术人员可在此范围内任意选择。

将核酸存储区17的核酸样品注入所述色谱柱46。具体的，温度达到第一预设温度(第一预设温度的范围是8-12摄氏度，优选10摄氏度)后，关闭连接废液收集区16的液体输送部件13，关闭开关45，开启液体输送部件42使核酸样品以0.1毫升/分钟的流速进入色谱柱46。可以开启开关56和液体输送部件57来对流速进行配合调整。色谱柱内填充有硼酸色谱材料固定相，这些材料属于温敏材料，在10摄氏度左右将核酸样品中的RNA样品捕获，从而使DNA样品流出色谱柱46。

开启开关一48，将DNA样品收集至DNA收集区49。

关闭开关一48，控制温控部件47将色谱柱46的温度升至第二预设温度(第二预设温度的范围是45-55摄氏度，优选为50摄氏度)。

在此温度下，色谱柱46失去对RNA样品的捕获能力，RNA样品流出色谱柱46。开启开关二52，将RNA样品收集至RNA收集区53。

通过上述步骤流程，小分子物质被收集到小分子样品存储区34，蛋白分子被收集到蛋白收集区15，DNA和RNA分别收集到DNA收集区49和RNA收集区53。本实用新型实施例提供的装置实现了对生物样品的一体化处理和分离，得到了四种分离物质。该装置结构清晰，原理简单，集细胞预处理、大分子小分子分离、核酸蛋白质分离、DNA与RNA分离于一身，具有较高的处理效率，对大分子物质裂解回收效率高，无需过多的人工介入，即适用于在普通重力环境下运行，也可用于空间微重力环境。且自动化运行程度高，便于大规模一体化工业应用。

虽然已经详细说明了本实用新型及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本实用新型的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本实用新型的公开内容将容易理解，根据本实用新型可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (4)

1.一种蛋白质核酸分离装置，其特征在于，包括：

大分子样品存储区、缓冲液存储区、自由流电泳芯片、蛋白收集区、核酸收集区、电源；

所述自由流电泳芯片内部设置有电泳通道，在所述电泳通道两侧设置电极，所述电源的正负极分别连接在两侧电极上；所述电泳通道的流入端设置样品入口和缓冲液入口，所述电泳通道的流出端靠近两侧电极的位置分别设置蛋白出口和核酸出口；

所述样品入口连接所述大分子样品存储区，所述缓冲液入口连接所述缓冲液存储区；所述蛋白出口连接所述蛋白收集区，所述核酸出口连接所述核酸收集区。

2.根据权利要求1所述的蛋白质核酸分离装置，其特征在于，所述电泳通道的流出端还设置有废液出口，所述废液出口连接废液收集区。

3.根据权利要求2所述的蛋白质核酸分离装置，其特征在于，所述样品入口与所述大分子样品存储区之间、所述缓冲液入口与所述缓冲液存储区之间、所述蛋白出口与所述蛋白收集区之间、所述核酸出口与所述核酸收集区之间分别连接有液体输送部件。

4.根据权利要求3所述的蛋白质核酸分离装置，其特征在于，所述装置还包括机箱，所述机箱包括箱体底板、竖立隔板和中层隔板，中层隔板水平固定在所述机箱的内壁上，竖立隔板竖直固定在所述机箱的内壁并接触所述箱体底板；

所述液体输送部件和所述电源固定在所述箱体底板上；所述大分子样品存储区、缓冲液存储区、自由流电泳芯片、蛋白收集区、核酸收集区和废液收集区固定在所述中层隔板上。