专利名称：核酸自动提取机的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物工程研究、临床诊断所用的核酸自动提取机构，特别是一种仿真人工提取核酸的自动化机构。
目前国内提取核酸的方法均采用手工操作人工配液，取一洁净的试管，用标准手动移液器按定量吸取血样放到洁净试管内，而血样瓶盖要人工开盖后才能吸取。人工混匀裂解液，然后更换吸头再按定量吸取混匀的裂解液放到有定量血样的试管内，人工合盖，人工将这瓶配制好的样品放到水浴箱上进行加热、保温后，人工送到医用离心机上离心，使液体分离，再用标准手动移液器按定量吸取上清液来完成核酸的提取，或者用过滤制品分离来完成核酸的提取。在整个人工操作过程中，人工打开血样瓶盖和更换吸头容易造成人体感染，操作人员的劳动强度大，工作效率低，每天平均只能提取60个样品左右，远远满足不了目前基因研究和基因诊断的需要。
本发明是通过如下方案解决的所述的核酸自动提取机，由机械部分和电控制部分组成，其机械部分包括一工作台，工作台上固定一次性储液穿刺针盘、装有震荡器的裂解液盘、回收穿刺针盘、血样盘、带加热器的离心机、电控箱及面板；在工作台上支撑有一横梁，横梁侧安装有动力箱，动力箱上设置有两组由电机驱动的上、下进给机构以分别独立实现与该进给机构连接的针架和压盖头上下进给运动；在横梁上还设置有一使动力箱在横梁上横向进给的横向进给机构；还有一定量移液器通过软管与上述针架上的穿刺针连通；上述的各机构部件的协同工作受控制于电控制部分。
本发明的创新之处在于应用机电一体化和计算机控制技术实现不开盖取样、一次性储液穿刺针自动装卸、自动移液、离心试管自动合盖、自动加热、高速离心等一系列自动控制过程，将手动操作的核酸提取的过程变为简单化、自动化，工作程序可成为规范化，它可以完成血液、精液和其它体液样品定量吸取、转移，试剂自动定量添加、振荡、一次性储液穿刺针的装卸、样品控温加热、离心试管合盖、按需自动分离(离心)等一系列提取核酸工序的自动化操作，操作者不直接接触样品。这样既大量减轻操作人员的劳动强度，自动化操作比手工操作的效率要提高5倍多，又减少人为因素的错误和减少医疗人员的交叉感染机会。操作人员只要将一次性储液穿刺针、裂解液体、样品、离心试管预先放好在对应盘上，再按启动键就进入了机器自动操作，直至整个核酸提取的工艺过程完成就自动停机。不同的提取工序过程可由不同的控制功能模块组成，编制提取工序过程的工作非常简单、方便，只需选取代表不同功能模块的编号(一位数值)连接起来就可实现。不同的编号组合代表不同的提取工序过程，编好的提取工序过程(程序)可保存起来，并随时可调用。设备能存储50种以上工艺流程的程序。
如
图1、图2所示，核酸自动提取机由带门的机箱(1)、工作台(2)、放一次性储液穿刺针盘(3)、裂解液盘(4)、震荡器(5)、回收穿刺针盘(6)、血样盘(7)、钻盘(8)、加热器(9)、离心电机(10)、光电开关(11)、插销(12)、立柱(13)、横梁(14)、轴承座(15)、轴承(16)、滚珠丝杆(17)、螺母(18)、位置控制光电开关(19)、直线滚珠导轨付(20)、定量移液器(21)、软管(22)、减速电机(23)、轴承座(24)、轴承(25)、导柱(26)、直线轴承(27)、丝杆(28)、螺母(29)、连接板(30)、主齿轮(31)、从齿轮(32)、针架主轴(33)、针架(34)、一次性储液穿刺针(35)、位置控制光电开关(36)、减速电机(37)、轴承座(38)、轴承(39)、直线轴承(40)、丝杆(41)、螺母(42)、主齿轮(43)、从齿轮(44)、压盖主轴(45)、压盖头(46)、位置控制光电开关(47)、移动拖板(48)、动力箱体(49)、主同步轮(50)、从同步轮(51)、同步带(52)、步进电机(53)、操作面板及控制系统(54)、控制箱体(55)组成的。
机箱(1)正前方有三个活动门，右侧面装有控制箱体(55)，在控制箱体(55)内装有操作面板及控制系统(54)，机箱(1)上面安装有工作台板(2)，在工作台板(2)上前方装有放一次性储液穿刺针盘(3)、裂解液盘(4)、回收穿刺针盘(6)、血样盘(7)、离心机组(8)(9)(10)(11)(12)；后方左、右两端装有两立柱(13)，在立柱(13)上装有横梁(14)，在横梁(14)的两端装有位置控制光电开关(19)，用以确定设备的机械原点位置和最大行程位置。在横梁(14)的两端装有轴承座(15)，用于支承滚珠丝杆(17)。在滚珠丝杆(17)的两端装有轴承(16)，轴承(16)装在轴承座(15)内，滚珠丝杆(17)的右端轴承座(15)外的轴上装有一从同步轮(51)，步进电机(53)装在横梁(14)右端部隔板上，步进电机(53)的输出轴上套装有一主同步轮(50)，两带轮之间用同步带(52)连接，螺母(18)与移动拖板(48)连接，动力箱体(49)装在移动拖板(48)上，在动力箱体(49)的左上端装有一轴承座(24)，在丝杆(28)的一端套有轴承(25)装在轴承座(24)内，在丝杆(28)的上轴端装有一从齿轮(32)，减速电机(23)装在动力箱体(49)左上部内壁，减速电机(23)的输出轴上装有一主齿轮(31)，装在丝杆(28)上的螺母(29)与连接板(30)和针架主轴(23)的一端装在一起，针架主轴(23)的另一端装有针架(34)，在连接板(30)的两端装有两个直线轴承(27)，两个直线轴承(27)分别套在两导柱(26)上，两导柱(26)固定在动力箱体(48)的左端与丝杆(28)对称，在动力箱体(48)的右端上下装有一对轴承座(38)，在动力箱体(48)的右下端前方装有一个直线轴承(40)，在丝杆(41)的两端套有轴承(39)装在轴承座(38)内，在丝杆(41)的上轴端装有一从齿轮(44)，减速电机(37)装在动力箱体(49)中上部内壁，减速电机(37)的输出轴上装有一主齿轮(43)，装在丝杆(41)上的螺母(42)的一端与压盖主轴(45)的一端连接，压盖主轴(45)，中间套有直线轴承(40)，压盖主轴(45)的另一端装有压盖动力头(46)。
如图3所示，针架(34)主要是由支承座(56)、支承弹簧(57)、滑板(58)、滑轴(59)、固定压板(60)、连接轴(61)、一次性储液穿刺针(35)、气管座(62)、让位弹簧(63)、软管(22)等构成。连接轴(61)与固定压板(60)装在一起，滑板(58)在连接轴(61)上滑动，在滑板(58)上装有24个气管座(62)，通过24个让位弹簧(63)使24个气管座(62)可以上下推动，24个气管座(62)的上端连接24条软管(22)，24个气管座(62)的下端连接24个一次性储液穿刺针。
如图4所示，离心机组中的钻盘(8)上有圆周分布24个倾斜孔，倾斜孔的轴心线与钻盘(8)的轴心线的夹角β值为34°，钻盘(8)上还有24个与倾斜孔对应的槽，槽底平面与槽高的夹角θ的最佳值为80度。加热器(9)放在钻盘(8)下面，插销(12)放在离心电机(10)上面和钻盘(8)的侧面，在插销(12)的下面装有光电开关(11)，在离心电机(10)的下面装有密封罩(64)，密封罩(64)内装有风扇(65)。
如图5所示，压盖头(46)主要是由护罩(66)、弹簧罩(67)、支承弹簧(68)、弹簧座(69)、固定压板(70)、压柱(71)、活动压板(72)、压簧(73)等构成。固定压板(70)安装在弹簧座(69)上，弹簧座(69)通过销轴与压盖主轴(45)连接，在固定压板(70)上装有24根压柱(71)，活动压板(72)穿过压盖主轴(45)套在24根压柱(71)上。
如图6所示，裂解液盘(4)下面装有震荡器(5)，震荡器(5)主要是由电机(74)、支承板(75)、支承杆(76)、偏心轮(77)、振动座(78)等构成。在电机(74)的输出轴上装有偏心轮(77)，电机(74)的后部装有支承板(75)，支承杆(76)的一端与支承板(75)连接，另一端与振动座(78)固定连接，裂解液盘(4)装在支承板(75)上。
电控制部分，如图7所示，包括由液晶显示模块、键盘输入电路、89C51单片机、三块8255扩展接口芯片、三路(A/D)模拟/数字转换、串行EEPROM电可擦除存储器、16路LED发光二极管显示电路、多路光隔输入输出电路、多路固态继电器和继电器输出电路并与外围设备连接、24路光隔输入电路、373锁存器、掉电启动电路、电源等构成。
所述的单片机89C51的低八位数据/地址线与地址锁存器74HC373的输入端、扩展接口芯片8255的八位数据线相连接，单片机的高位地址线的高三位接译码器74HC138，其输出分别接三片扩展接口芯片8255的片选端，74HC373的输出低位地址线的最低两位连接8255的地址线A1～A0，用于选择8255的内部端口。三片扩展接口芯片8255分别与下面三部分外围信号相连接扩展接口片8255-1作输出口，作为24个输出控制和驱动执行机构信号。扩展接口片8255-2作输入口接24个输入检测信号。扩展接口片8255-3连接键盘输入电路及液晶显示电路。89C51单片机还与EEPROM电可擦除存储器连接，以及89C51单片机通过光电隔离、继电器分别与三路(A/D)模拟/数字转换电路、步进电机驱动器、移液开关相连接。所述的扩展接口片8255-1作输出，通过固态继电器连接控制抽吸电机、压盖电机、加热器、振动电机、风门电机、风机的开关；通过光隔，继电器连接控制离心机的变频器、定位销的闭合开关；另外16路连接发光二极管作为提示信号灯用。
各单元的电路功能是单片机89C51 CPU是中央运算处理控制部分，直接连接的电可擦除存储器EEPROM(串行)是它的运行工作区(掉电可保数据)，单片机通过连接三片扩展接口芯片8255，以便扩展更多的I/O输入输出口，单片机通过连接锁存器74HC373和译码器(图中未标出)分别对三片扩展接口芯片的地址和内部端口进行选择。扩展接口芯片8255-3与液晶显示模块、键盘输入电路连接实现人机对话，可以输入各种核酸提取的工序过程(程序)和手动操作，显示自动或手动操作时的内容和提示。扩展接口芯片8255-2连接24路光隔输入电路，接收各种输入信号(部分预留备用)，扩展接口芯片8255-1连接16路发光二极管LED显示电路作各种指示灯用，另外连接6路固态继电器及2路光隔，继电器输出电路作为外围设备的控制和驱动信号，这些信号连接移液器的抽吸开关、压盖机构的压盖开关、变频器的输入、振荡器的振荡开关、加热器的加热开关、风门开关、风机开关。单片机通过光电隔离连接3路(A/D)模拟/数字转换电路用作温度检测控制。单片机通过继电器连接移液器的移液开关，单片机通过光电隔离连接步进电机驱动器。
上述核酸自动提取机的工作过程如下核酸自动提取机一次最大处理24个样品。其工作原理首先选定某一程序，操作人员将24个一次性储液穿刺针放在针盘上、将裂解液加入裂解液盘、24个样品放在血样盘上、24个洁净离心试管放在钻盘上，然后按启动键，机器进入自动工作状态，手动旋转钻盘使插销锁住钻盘后机器自动完成(a)针架从机械原点向右移动到放一次性储液穿刺针盘上(b)针架向下运动自动装夹24个一次性储液穿刺针后复位(c)裂解液振荡混匀(d)针架向右移动到裂解液盘上(e)针架向下运动自动定量(0-300μl)吸取裂解液后复位(f)针架向右移动到离心机上(g)针架向下运动自动排放裂解液到离心试管内后复位(h)针架向左移动到血样盘上(i)针架向下运动一次性储液穿刺针同时刺穿24个样品瓶后复位(i)针架向右微移动(k)针架向下运动一次性储液穿刺针再次同时刺穿24个样品瓶自动定量(0-300μl)吸取样品后复位(l)针架向右移动到离心机上(m)针架向下运动自动排放样品到离心试管内后复位(n)针架向左移动到回收穿刺针盘上(o)针架向下运动自动卸一次性储液穿刺针后复位(p)压盖头向右移动到离心机上(q)压盖头向下运动使离心试管瓶自动合盖后上升至中位(R)插销断电复位(s)加热器加热使液体沸腾(100℃)(t)离心机0-1200转/分离心(u)压盖头复位(v)针架向左移动回到放一次性储液穿刺针盘上。重复上述工序，不断地循环进行工作。每个循环工作时间约25分中(含辅助时间)，每天可完成约400个样品的提取。
权利要求
1.一种核酸自动提取机，由机械部分和电控制部分组成，其特征在于其机械部分包括一工作台(2)，工作台(2)上固定一次性储液穿刺针盘(3)、装有震荡器(5)的裂解液盘(4)、回收穿刺针盘(6)、血样盘(7)、带加热器(9)的离心机、电控箱及面板；在工作台上支撑有一横梁(14)，横梁(14)侧安装有动力箱(49)，动力箱(49)上设置有两组由电机驱动的上、下进给机构以分别独立实现与该进给机构连接的针架(34)和压盖头(46)上、下进给运动；在横梁上还设置有一使动力箱(49)在横梁(14)上横向进给的横向进给机构；还有一定量移液器(21)通过软管(22)与上述针架(34)上的穿刺针连通；上述的各机构部件受电控制部分控制协同工作。
2.按权利要求1所述的一种核酸自动提取机，其特征在于所述的动力箱上的两组上、下进给机构均包括减速电机(23、37)，由减速电机(23、37)驱动齿轮付传动丝杆—螺母付，而针架(34)及压盖头(46)分别与上述传动丝杆上的螺母的一端连接。
3.按权利要求1所述的一种核酸自动提取机，其特征在于所述的动力箱的横向进给机构包括步进电机(53)、减速机构、滚珠丝杆付(17)、直线滚珠导轨付(20)、及安装于横梁两端的位置控制开关(19)。
4.按权利要求1所述的一种核酸自动提取机，其特征在于所述的针架(34)主要是由支承座(56)、支承弹簧(57)、滑板(58)、滑轴(59)、固定压板(60)、连接轴(61)、带储液功能的一次性穿刺针(35)、气管座(62)、让位弹簧(63)、软管(22)等构成；连接轴(61)与固定压板(60)装在一起，滑板(58)在连接轴(61)上滑动，在滑板(58)上装有24个气管座(62)，通过24个让位弹簧(63)使24个气管座(62)可以上下推动，24个气管座(62)的上端连接24条软管(22)，24个气管座(62)的下端连接24个一次性储液穿刺针。
5.按权利要求1所述的一种核酸自动提取机，其特征在于所述的离心机中的钻盘(8)上有圆周分布24个倾斜孔，倾斜孔的轴心线与钻盘(8)的轴心线的夹角β值为34°，钻盘(8)上还有24个与倾斜孔对应的槽，槽底平面与槽高的夹角θ的最佳值为80°；加热器(9)放在钻盘(8)下面，插销(12)放在离心电机(10)上面和钻盘(8)的侧面，在插销(12)的下面装有光电开关(11)，在离心电机(10)的下面装有密封罩(64)，密封罩(64)内装有风扇(65)。
6.按权利要求1所述的一种核酸自动提取机，其特征在于所述的压盖头(46)主要是由护罩(66)、弹簧罩(67)、支承弹簧(68)、弹簧座(69)、固定压板(70)、压柱(71)、活动压板(72)、压簧(73)等构成。固定压板(70)安装在弹簧座(69)上，弹簧座(69)通过销轴与压盖主轴(45)连接，在固定压板(70)上装有24根压柱(71)，活动压板(72)穿过压盖主轴(45)套在24根压柱(71)上。
7.按权利要求1所述的一种核酸自动提取机，其特征在于所述的裂解液盘(4)下面安装有震荡器(5)，震荡器(5)主要是由电机(47)，支承板(75)，支承杆(76)、偏心轮(77)，振动座(78)等机构，在电机(74)的输出轴上装有偏心轮(77)，电机(74)的后部装有支承板(75)，支承杆(76)的一端与支承板(75)连接，另一端与振动座(78)固定连接，裂解液盘(4)装在支承板(75)上。
8.按权利要求1所述的一种核酸自动提取机，其特征在于所述的电控制部分包括液晶显示模块、键盘输入电路、89C51单片机、三块8255扩展接口芯片、三路(A/D)模拟/数字转换、串行EEPROM电可擦除存储器、16路LED发光二极管显示电路、多路光隔输入输出电路、多路固态继电器和继电器输出电路、步进电机及驱动器、电机变频器、加热器、移液器、压盖电机、针架动力电机、风机、电动定位插销、振动电机、行程开关、光电开关、掉电启动电路、373锁存器等电路；所述的单片机89C51的低八位数据/地址线与地址锁存器74HC373的输入端，扩展接口芯片8255的八位数据线相连接，单片机的高位地址线的最高三位接译码器74HC138，其输出分别接三片扩展接口芯片8255的片选端，74HC373的输出低位地址线的最低两位连接8255的地址线A1～A0，用于选择8255的内部端口，三片扩展接口芯片8255分别与下面三部分外围信号相连接；扩展接口片8255-1作输出口，作为24个输出控制和驱动执行机构信号，扩展接口片8255-2作输入口，接24个输入检测信号；扩展接口片8255-3连接键盘输入电路及液晶显示电路；89C51单片机还与串行EEPROM电可擦除存储器连接，以及89C51单片机通过光电隔离、继电器分别与三路(A/D)模拟/数字转换电路、步进电机驱动器；移液开关相连接。
全文摘要
本发明涉及核酸自动提取机，由带有放一次性储液穿刺针盘、裂解液盘、震荡器、回收穿刺针盘、血样盘、离心机、加热器、电控箱及面板的工作台；带有两组减速电机驱动齿轮副传动丝杆一螺母副，实现针架上下运动和压盖上下运动的进给箱；带有使进给箱横向移动的步进电机、减速机构、滚珠丝杆副、直线滚珠导轨、控制开关等构成的横向进给机构；立柱；电控制部分组成。它可以完成血液、精液和其它体液样品定量吸取、转移，试剂自动定量添加、振荡，一次性吸液器的装卸，样品控温加热，离心试管合盖，按需自动分离(离心)等一系列提取核酸工序的自动化操作，提高效率，减少操作人员的劳动强度和感染机会，规范核酸提取工作程序。
文档编号C12M1/32GK1431290SQ0311363
公开日2003年7月23日 申请日期2003年1月22日 优先权日2003年1月22日
发明者王朝中, 行联合, 范小璧, 梁旭明, 黄政杰, 程在学, 袁惠萍, 廖志明, 程钢, 王芳 申请人:广州市光机电工程研究开发中心