实用新型内容
本实用新型的主要目的是提供一种核酸提取设备用的移液系统,以提高核酸提取操作的自动化程度与效率;
本实用新型的再一目的是提供一种以上述移液系统所构建的核酸提取设备。
为了实现上述主要目的,本实用新型提供的移液系统用于核酸提取设备,具体包括固定支架,用于可拆卸地安装吸头的吸管接头,及通过该管路与吸管接头连通的移液泵;移液系统包括升降驱动机构及卸料机构;升降驱动机构包括用于安装吸管接头与卸料机构的升降台,以能驱使吸管接头与卸料机构相对固定支架升降运动;卸料机构包括推料板及第一直线位移输出装置,推料板具有套装在吸管接头外的套装孔;第一直线位移输出装置用于驱使推料板沿吸头在吸管接头上的套装方向往复移动,而能将套装在吸管接头上的吸头推落。
在上述方案中,通过设置升降驱动机构而能驱使吸管接头升降移动而能对置于其下方侧的吸头进行自动套装上料,并在套装吸头之后可对位于吸头下方的试剂管进行试剂抽吸与注入试剂,并基于卸料机构而能对吸头进行自动卸料处理,从而提高了该核酸提取过程中的操作自动化程度与效率。
具体的方案为吸管接头的管连接端部为小径端口朝外布置的锥管结构。该技术方案便于吸头上料与卸料操作。
具体的方案为移液泵包括气筒;气筒包括活塞筒体,可移动地置于活塞筒体内的活塞,及第二直线位移输出装置;第二直线位移输出装置用于驱使活塞相对活塞筒体往复移动;活塞筒体具有与管路连接的气嘴。该技术方案基于气筒结构,不仅能够构建出能抽吸与泵出的双向泵,且结构简单便于维护。
更具体的方案为气筒的活塞杆的外端部与固定支架固定连接,活塞筒体与第二直线位移输出装置的动子固定连接;活塞筒体位于活塞杆的上方侧。该技术方案能够有效地提高整体结构的紧凑性,及便于管路的布局。
更具体的方案为套装方向沿竖向布置;第三直线位移输出装置与第二直线位移输出装置均由沿竖向布置的丝杆螺母机构与旋转驱动电机构成;第三直线位移输出装置为在升降驱动机构中,用于驱使升降台沿竖向往复移动的驱动装置;第一直线位移输出装置由安装在升降台上的电磁铁构成。该技术方案能有效地提高整体结构的紧凑性与布局的合理性。
优选的方案为套装方向沿竖向布置;移液系统包括管安装支座及横向位移驱动机构;管安装支座用于以悬挂方式安置吸头及试剂管,横向位移驱动机构用于驱使吸管接头和/或管安装支座在水平方向上产生位移,以使吸管接头择一地位于目标管的正上方;目标管为吸头与试剂管所组成的管组中的一者。该技术方案能进一步提高核酸提取操作的自动化程度与效率。
进一步的方案为管安装支座可绕第一竖向轴线转动地安装在固定支架上,吸头及试剂管环绕第一竖向轴向呈圆周布置地安置在管安装支座上;横向位移驱动机构为旋转驱动机构,用于驱使管安装支座绕第一竖向轴线转动,以使目标管旋转至位于吸管接头的正下方侧。该技术方案基于旋转而构成换位操作,能有效地提高整体结构的紧凑型。
为了实现上述另一目的,本发明提供的核酸提取设备基于磁珠法,具体包括移液系统及磁吸装置;移液系统用于在核酸提取过程中向目标容器内注入试剂或从目标容器内抽吸试剂;磁吸装置用于在移液系统从目标容器内抽吸试剂时,对容纳于目标容器内的磁珠进行磁吸而可释放地聚集目标位置处;移液系统为为上述任一技术方案所描述的移液系统。
为了实现上述另一目的,本发明提供的核酸提取设备基于磁珠法,具体包括移液系统、混匀振荡装置及磁吸装置;其中,移液系统为上述任一技术方案所描述的移液系统;试剂管包括混匀管,移液系统用于在核酸提取过程中向混匀管内注入试剂或从混匀管内抽吸试剂;磁吸装置用于在移液系统从目标容器内抽吸试剂时,对容纳于目标容器内的磁珠进行磁吸,而使磁珠可释放且聚集地磁吸在目标位置处;混匀振荡装置用于对混匀管施加振动。
具体的方案为磁吸装置包括磁吸模块及移位模块,移位模块用于驱使磁吸模块靠近或远离正位于吸管接头正下方的混匀管的外壁面。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本实用新型作进一步说明。
实施例
本实用新型核酸提取设备基于磁珠法从样品中提取核酸,具体结构如图1至图5及图16所示,该核酸提取设备1包括支架2、外壳、控制单元及布设在该支架2上的试剂管架3、移液装置4、混匀振荡装置5与磁吸装置6。支架2、试剂管架3、移液装置4、混匀振荡装置5与磁吸装置6的大部分表面积都罩盖在前述外壳内,并在该外壳上设有用于保护操作区域的启闭门;控制单元包括处理器及与该处理器电连接的存储器和触控屏,该触控屏安装在外壳上,用于接收操作指令及显示相关参数,例如核酸提取进程等。其中,移液装置4与试剂管架3一起构成本实施例中的移液系统,支架2 构成本实施例中移液系统的固定支架。
如图1至图4所示,支架2包括横向安装底板20及沿竖向布置的竖向安装板21,两者在连接处采用螺栓等紧固件进行固连或采用焊接方式进行固连;在本实施例中,支架2采用多块钢板构件经焊接而成,且竖向安装板21在平行于水平面上的横截面为Z字形结构。包含处理器与存储器的控制电路板10安装在竖向安装板21的后板面上。
如图1至图6所示,移液装置4包括通过导轨滑块机构46而可沿竖向往复升降地安装在竖向安装板21的前板面上的升降台40,固设在升降台40上且用于可拆卸地安装吸头01的吸管接头41,用于驱使升降台40相对支架2升降移动的直线位移输出装置42,用于对可拆卸地套装在吸管接头41上的吸头01进行推出卸料的卸料机构43,用于为吸管接头41提供抽吸力与泵出力的移液泵44,及用于连通吸管接头41与移液泵44的气管45。其中,吸头也称为TIP头,其与吸管接头41之间为过盈配合且可拆卸地套装连接。其中,直线位移输出装置42构成本实施例中的第一直线位移输出装置,具体采用电磁铁进行构建,在电磁铁通电时驱使推料板朝下移动而对吸头01进行卸料处理;在未通电的情况下,在复位弹簧的作用下而拉动推料板朝上移动,以远离吸头01。在本实施例中,吸管接头 41为轴向沿竖向布置的锥管结构,且该椎管结构的小径端口朝下布置,以使吸头01在吸管接头41上的套装方向沿竖向布置,且朝下为卸料方向;当然,在实际应用过程中,可根据实际设置将套装方向设置成非沿竖向布置。
升降台40、导轨滑块机构41与直线位移输出装置42一起构成本实施例中的升降驱动机构,用于驱使吸管接头41相对支架2升降移动。其中,直线位移输出装置42可以采用气缸、油缸、直线电机等直线位移输出装置进行构建,或采用旋转驱动电机与齿条或四杆螺母机构配合而构成,在本实施例中,为采用由旋转驱动电机420 驱动的丝杆421与丝杆螺母422构建,丝杆螺母422与升降台40固连;导轨滑块机构41可采用线性直线导轨进行构建,也可采用导杆与设置在升降台40上的导孔配合而构建。其中,直线位移输出装置 42构成本实施例中的第三直线位移输出装置。
移液泵44可采用能吸气与泵气的双向作用泵进行构建,利用采用双向转动的蠕动泵与柔性泵管进行构建;在本实施例中,为采用气筒与直线输出装置442进行构建,气筒包括内置有可移动活塞的活塞筒体441与用于驱使该活塞在活塞筒体441内移动的活塞杆440;直线输出装置442安装在竖向安装板21的前板面上,具体采用旋转驱动电机与丝杆螺母机构进行构建,活塞杆440的下端固定在横向安装板20上,活塞筒体441与丝杆螺母机构的丝杆螺母固连,且该丝杆螺母通过直线导轨滑块机构而可沿竖向移动地安装在竖向安装板21上,即活塞杆440的下端部与支架2固定连接,活塞筒体 441与直线位移输出装置442的动子固定连接,而使活塞筒体441 位于活塞杆440的上方侧。其中,直线输出装置442构成本实施例中的第二直线位移输出装置。
如图2及图4所示,卸料机构43用于将套装在吸管接头41上的吸头01推落,该卸料机构43具体包括推料板430及驱使该推料板430沿竖向往复移动的直线位移输出装置431;直线位移输出装置431的定子固定在升降台40上,动子4310与推料板430固连;推料板430具有套装在吸管接头41外的套装孔4300;对于直线位移输出装置431的具体结构,可以采用直线电机等进行构建,也可采用电磁铁与衔铁进行构建,衔铁由复位弹簧驱使而朝上移动拉动推料板430上移而退出卸料位置,在电磁铁的作用下而下移进入推料位置,而迫使吸头01从吸管接头41上退出。
如图7、图9、图10、图12及图16所示,试剂管架3包括旋转支座7及旋转驱动器30;在本实施例中,旋转驱动器30为旋转驱动电机,具体可采用伺服电机进行构建,也可采用步进电机进行构建;旋转支座7包括相平行布置的圆盘状卡座70与圆形传动座 71,圆形传动座71布设在圆盘状卡座70的下方且间隔预定间距,并在二者间通过多个支撑传动柱72进行固连,以减少对悬挂在其上试剂管与吸头的干涉;圆形传动座71的下端部固设有通过轴承而可转动地安装在门字型安装座22上的转轴73;如图1、图2及图4所示,门字型安装座22固定在横向安装板20上,旋转驱动器30布设在该门字型安装座22内,其转子轴与转轴73固连,或通过联轴器传动连接,或通过减速器传动连接。
在圆盘状卡座70的外周缘部上,布设有多个环绕第一竖向轴线 100成圆周布置的试剂管套装口701至708与吸头套装口700,即这些套装口的中心轴线分布在以第一竖向轴线100为中心轴线的圆柱面上,从而可通过旋转圆盘状卡座70,而使悬挂在其上的试剂管与吸头能够逐一地旋转至吸头01的正下方的位置处;其中,在位于混匀振荡装置5的正上方的试剂管套装口701的口径大于其他试剂管套装口的口径;而吸头套装口700的口径小于所有试剂管套装口的口径,从而能够作为将试剂管与吸头套装位置的基准;在本实施例中,试剂管套装口为布设在圆盘状卡座70的外周缘部上的缺口状结构,也可以采用设于圆盘状卡座70上的通孔进行构建。
如图7、图9及图12所示结构,与本实用新型核酸提取设备1 相适配耗材组件02,该耗材组件02包括设有多个套装孔的试剂管套装盘03及套装在这些套装孔内而悬挂在该试剂管套装盘03上的试剂管组与吸头01;在本实施例中,试剂管组包括混匀管041、洗脱液管042、废液管043-045、清洗液管046、成品管047、裂解液管048与样本管049。在将该耗材组件02安装至试剂管架3上的过程中,将混匀管041对准地套装在口径较大的试剂管套装口701内,而将吸头01套装在口径较小的吸头套装口700内,从而使试剂管套装盘03套装地支撑在圆盘状卡座70上,穿过试剂管套装盘03中心孔的紧固连接机构709与设于圆盘状卡座70上卡口配合而将支撑在圆盘状卡座70上的试剂管套装盘03进行可释放地压紧固连;对于紧固连接机构709,可以基于螺纹连接、卡扣结构进行可拆卸的连接。
从而在工作过程中,旋转支座7至少用于安装多根环绕第一竖向轴线100呈圆周布置的试剂管,并受旋转驱动器30驱使而能旋转至其所携带的试剂管逐一地位于吸管接头41的正下方,在这过程,为了提高定位准确性,在门字型安装座22上固设有光电传感器15,而在圆形传动座71上固设用于遮挡光电传感器15的光路的遮挡片 16,从而在每周运动中用于对旋转支座7旋转位置进行定位,并可基于对电机转动的控制而达到定位功能,也可以基于布设在转轴上的编码器进行更精确地定位;且该旋转支座7具体为用于悬挂地安装试剂管,从而便于耗材组件02的一次性安装与一次性地取出。
如图1、图2及如图10所示结构,混匀振荡装置5包括布设在旋转支座7的下方侧且能随该旋转支座7同步转动,具体为将混匀振荡装置5固设在圆形传动座71上,且位于试剂管套装口701的正下方,以用于对混匀管041施加振动,从而促进混匀与裂解过程,而提高核酸提取速度。
如图8、图10、图11、混匀振荡装置5包括用于套装在混匀管041这一目标试剂管的下端部上的振动传递套座50,及用于通过振动传递套座50向混匀管041施加振动的振动发生器51。在本实施例中,振动传递套座50为圆筒体结构,其套装在混匀管041下端部上,并对其形成托管支撑,从而能够传递多角度的振动。
振动发生器51包括沿竖向布置的旋转驱动电机52及偏心传动轴53;其中,旋转驱动电机52的转子轴5200构成本实施例中的旋转驱动轴。偏心传动轴53包括固连成一体结构的第一外联轴部54 与第二外联轴部55;第一外联轴部54与第二外联轴部55的安装圆周面的中心轴线542与中心轴线550在二者固连处相距预定偏心距离m,且中心轴线542与中心轴线550相夹成锐角β,即不相平行布置,在本实施例中,中心轴线542与中心轴线550共面布置;在第一外联轴部54上设有用于套装旋转驱动电机52的转子轴外的轴孔540,并通过穿过销孔541的销钉对二者间的连接关系进行固连,此外,还可采用键槽结构进行固连,从而使第一外联轴部54与旋转驱动轴传动连接;第二外联轴部55套装在轴承56的内环圈上,传递套座50的下端部设有套装在轴承56的外圈上的套孔500,从而使第二外联轴部55通过轴承56而与振动传递套座50可转动地套装连接。
在完成装配之后,第二外联轴部55与振动传递套座50上用于套装目标试剂管的套孔共中心轴线布置。
在本实施例中,两根中心轴线之间的夹角β的取值范围为0<β≤γ,
其中,R为目标试剂管的内直径,单位mm;ρ为目标试剂管内物质的平均密度,单位g/L;r为旋转驱动轴驱动转速,单位转/min;t为充分混匀时间,单位s;m为预定偏心距离,单位mm;c为比例常数,与振荡装置及混匀管质量有关。
申请人经过仿真与实验,结果表明在其它条件相同的情况下,具体如下表1所示,当夹角β大于零的角度后,充分混匀时间明显缩短,应当指出的是当角度γ大于3.6°时,时间未明显缩短,主要是因为用于测试充分混匀时间的方法学存在最低检测限,详见下表2。
表1实验参数设置
其中,M1为混匀管01的质量;V为混匀管内液体体积。
表2随夹角变化的混匀时间
本发明人通过大量实验及创造性设想发现,在充分混匀时间一定的情况下,预定角度β与混匀管内直径R、混匀管内物质的平均密度ρ正相关,与电机转速r、电机转轴与混匀管在竖直方向上的偏心距m负相关。如下表3,当充分混匀时间t=10s时,R、ρ、r、m、γ均为实际测量得到,通过分析得到如下关系式
表3:γ1与γ计算结果
从上表可知,γ=1.3*γ1。
同时本实用新型人做进一步验证时发现,如表4所示,当允许的充分混匀时间逐步增加时,根据实测的R、ρ、r、m计算得出值γ1仍然满足
且与实测值γ存在γ=1.3*γ1关系。
表4
基于实验结果,两中心轴线之间的夹角β满足0<β≤3.6°,在此条件下成本及混匀效率均较高,优选为β=1.5°。
如图5、图7、图9及图15所示,磁吸装置6固设在门字型安装座22上,包括磁吸模块63及用于驱使磁吸模块63靠近或远离已旋转至位于吸管接头正下方的目标试剂管的移位模块,在本实施例中,磁吸模块63采用永磁铁块进行构建;而移位模块包括与门字型安装座22固连的L型的第一安装支架60,可绕第一摆动轴线600 摆动地安装在第一安装支架60上的摆臂61,用于驱使摆臂61摆动的摆动驱动器62,及布设在第一安装支架60上且用于对磁吸模块 63的靠近目标试剂管位置与远离目标试剂管位置进行到位检测的触发传感器64、65,其中,触发传感器64与触发传感器65采用行程开关进行构建;在本实施例中,第一摆动轴线600与第一竖向轴线 100相正交,即第一摆动轴线600沿水平方向布置。
在本实施例中,磁吸装置6布设在吸头接口41正下方的侧旁,从而在工作过程中,移位模块能驱使磁吸模块靠近或远离已旋转至位于吸管接头41正下方的目标试剂管的管侧壁旁,从而对装载在该目标试剂管内的磁珠吸引至管壁上,而便于将吸头01将液体吸出,而不带走磁珠及特性吸附于在该磁珠上的核酸。
基于上述结构的核酸提取设备1,其提取过程中的控制方法包括以下步骤,即在控制单元的存储器内存储有计算机程序,该计算机程序被控制单元的处理器执行时,能实现以下步骤:
吸头上装步骤S1,控制旋转驱动器30驱使旋转支座7绕第一竖向轴线100旋转至悬挂在其上的吸头01位于吸管接头41的正下方,再控制升降机构驱使吸管接头41下降而与吸头01的上端口可拆卸地套装固连,接着控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01 上升至位于旋转支座7的上方侧,即上升至避让试管架3旋转过程的位置。
样本吸取步骤S2,控制旋转驱动器30驱使旋转支座7绕第一竖向轴线100旋转至悬挂在其上的样本管049位于吸管接头41的正下方,再控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01下降而使吸头插入样品管049,并控制移液泵44通过吸头01而吸取待提取样本,接着控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01上升至位于旋转支座7的上方侧。
样本注入步骤S3,控制旋转驱动器驱使旋转支座7绕第一竖向轴线100旋转至悬挂在其上的混匀管041位于吸管接头41的正下方,再控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01下降而使吸头插入混匀管,并控制移液泵44通过吸头注入样本,接着控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头上升至位于旋转支座7的上方侧。
裂解液吸取步骤S4,控制旋转驱动器驱使旋转支座7绕第一竖向轴线100旋转至悬挂在其上的裂解液管048位于吸管接头41的正下方,再控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01下降而使吸头 01插入裂解液管048,并控制移液泵44通过吸头01吸取裂解液,接着控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01上升至位于旋转支座7的上方侧。
裂解液注入步骤S5,控制旋转驱动器驱使旋转支座7绕第一竖向轴线100旋转至悬挂在其上的混匀管041位于吸管接头41的正下方,再控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01下降而使吸头01 插入混匀管041,并控制移液泵44通过吸头01注入裂解液,接着控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01上升至位于旋转支座7 的上方侧。
振荡混匀步骤S6,控制混匀振荡装置5的振动发生器向下端部套装在振动传递套50座内的混匀管041施加预定时长的振动。
废液吸取步骤S7,控制磁吸装置6驱使其磁吸模块63靠近混匀管041的管侧壁处,将磁珠磁吸至管侧壁上;及控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01下降而使吸头01插入混匀管041,并控制移液泵44通过吸头01吸取废液;接着控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01上升至位于旋转支座7的上方侧,并控制磁吸模块远离混匀管。
废液排出步骤S8,控制旋转驱动器驱使旋转支座7绕第一竖向轴线100旋转至悬挂在其上的废液管位于吸管接头41的正下方,再控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01下降而使吸头01插入废液管,并控制移液泵44通过吸头01注入废液,接着控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01上升至位于旋转支座7的上方侧。
清洗步骤S9,控制旋转驱动器驱使旋转支座7绕第一竖向轴线 100旋转至悬挂在其上的清洗液管046位于吸管接头41的正下方,再控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01下降而使吸头01插入清洗液管046,并控制移液泵44通过吸头01吸取清洗液,接着控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01上升至位于旋转支座7的上方侧;并待废液管旋转其正下方时,排入废液管内,完成对吸头的清洗。
洗脱液吸取步骤S10,控制旋转驱动器驱使旋转支座7绕第一竖向轴线100旋转至悬挂在其上的洗脱液管042位于吸管接头41的正下方,再控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01下降而使吸头01插入洗脱液管042,并控制移液泵44通过吸头01吸取洗脱液,接着控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01上升至位于旋转支座7的上方侧。
洗脱液注入步骤S11,控制旋转驱动器驱使旋转支座7绕第一竖向轴线100旋转至悬挂在其上的混匀管041位于吸管接头41的正下方,再控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01下降而使吸头01插入混匀管041,并控制移液泵44通过吸头01注入洗脱液,接着控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01上升至位于旋转支座 7的上方侧。
重复步骤S12,至少依序重复清洗步骤S9、废液吸取步骤S7、废液排出步骤S8、洗脱液吸取步骤S10及洗脱液注入步骤S11一次,再重复废液吸取步骤S7、废液排出步骤S8与清洗步骤S9一次。
成品吸取步骤S13,控制旋转驱动器驱使旋转支座7绕第一竖向轴线100旋转至悬挂在其上的混匀管041位于吸管接头41的正下方,再控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01下降而使吸头01 插入洗混匀管,并控制移液泵44通过吸头01吸取磁珠,接着控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01上升至位于旋转支座7的上方侧。
成品注入步骤S14,控制旋转驱动器驱使旋转支座7绕第一竖向轴线100旋转至悬挂在其上的成品管047位于吸管接头41的正下方,再控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01下降而使吸头01 插入成品管,并控制移液泵44通过吸头01注入磁珠,接着控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01上升至位于旋转支座7的上方侧。
吸头01卸下步骤S15,控制旋转驱动器驱使旋转支座7绕第一竖向轴线100旋转至悬挂在其上的吸头01位于吸管接头41的正下方,再控制升降机构驱使吸管接头41下降而与吸头01的上端口可拆卸地套装固连,接着控制升降机构驱使吸管接头41携带吸头01 上升至位于旋转支座7的上方侧。
从上述各个步骤可知,在工作过程中,移液装置4用于在各个试剂管之间移送目标溶液。
在上述实施例中,“第一外联轴部54的中心轴线与第二外联轴部55的中心轴线之间的夹角β”被配置为两根中心轴线在竖向平面内投影中投影夹角中最大的一者,该“竖向”为旋转驱动轴的延伸布置方向;当二者共面时,为二者在该共面平面上的夹角。
在上述实施例中,采用旋转方式构建,驱使目标试剂管移动至吸管接头下方的横向位移驱动机构,从而可以提高整体结构的紧凑性。当然,可以根据实际结构需要而设置成驱使一排布置的试剂管横移而驱使目标试剂管移动至吸管接头的下方侧,或者直接驱使吸管接头进行三维移动,而使吸管接头位于目标试剂管的正上方侧。