一种支持可变溶液体积的核酸提取仪磁珠转移系统及核酸提取仪的制作方法

1.本发明涉及核酸检测技术领域，尤其涉及一种支持可变溶液体积的核酸提取仪磁珠转移系统及核酸提取仪。


背景技术：

2.近年来核酸提取技术快速发展，各种核酸提取仪层出不穷。以核酸提取技术为研究对象的生物技术以核酸的提取、扩增、测序为主。其中，核酸的提取技术作为所有其他技术的基础受到了高度重视。核酸提取技术的优劣直接决定其他后续步骤操作效率以及实验的最终质量。
3.核酸提取方法中对磁珠法的研究尤为突出。磁珠法提取步骤可以分为裂解、洗涤、洗脱，由于不同步骤之间所使用试剂作用不同，在最理想状态下需要根据实际需要调整不同步骤所使用试剂的体积，且不同步骤之间所适用的试剂体积会具有较大区别。但对于现有的核酸提取仪，由于运动自由度的限制，使磁珠的转移只能以列的形式同步进行，对于不同步骤试剂体积的调节只能依靠在容积相同的孔板孔位预先封装时各孔位的试剂加入量细微区别，可调节范围非常小，不能实现较理想的不同试剂体积变化。
4.另一方面，对于不同种类的核酸样本，例如ffpe样本和cfdna样本，虽然都可以应用磁珠法进行核酸提取，但是由于样本本身的特性等因素，ffpe提取所使用的孔板的孔各孔之间容积相同，试剂量不同但是相差较小(900ul—100ul)，而cfdna提取是对孔板大小不同的孔进行操作，并且孔之间容积相差较大，所加入的液体体积也相差很大(12ml—60ul)，需要对应使用不同体积的核酸提取试剂才能得到适用于后续检测的核酸溶液。因此，在现有技术中，针对不同的核酸样本类型必须使用不同的核酸提取仪才能正常进行提取操作，相互之间不具有通用性，以及，现有核酸仪所能提供的通量较小。


技术实现要素：

5.为解决现有技术的不足，本发明提出一种支持可变溶液体积的核酸提取仪磁珠转移系统及核酸提取仪，通过改进磁棒架、磁棒套架以及孔板托盘的连接结构与驱动结构，能够增加核酸提取仪可供操作的位移自由度，进而使核酸提取仪可以实现同步列位移以外更复杂的位移方式，特别是合并多个孔位的磁珠至同一孔位中，超越孔板上固有孔位容积限制，支持操作过程中不同试剂体积的较大范围调整变化。通过应用本发明所述可变溶液体积的核酸提取仪磁珠转移系统，可使核酸提取仪同时支持多种不同样本的高通量核酸提取操作需要。
6.为实现以上目的，本发明所采用的技术方案包括：
7.一种支持可变溶液体积的核酸提取仪磁珠转移系统，其特征在于，包括磁棒架、磁棒套架和孔板托盘；
8.所述孔板托盘包括提供相对所述磁棒架和磁棒套架水平面纵深前后位移驱动力
的纵深驱动装置。
9.进一步地，所述纵深驱动装置驱动所述孔板托盘在纵深靠前的第一纵深位置至纵深靠后的第二纵深位置之间自由移动；所述第一纵深位置为所述磁棒套架上安装的磁棒套整列可全部同步插入所述孔板托盘上承托的孔板对应孔位的孔板托盘水平纵深位置；所述第二纵深位置为所述磁棒套架上安装的磁棒套仅部分可插入所述孔板托盘上承托的孔板对于孔位，且可插入孔板对应孔位的磁棒套数量最少的孔板托盘水平纵深位置。
10.进一步地，所述磁棒架包括垂直上下依次排列的第一子架和第二子架，所述第一子架和第二子架相对同步或异步垂直位移；磁棒可选的固定安装在第一子架或第二子架上。
11.进一步地，纵深方向多根相邻磁棒组成操作组；所述操作组中至少包括一根固定安装在所述第二子架上的磁棒。
12.进一步地，纵深方向包括相邻多个操作组，且所述操作组均包含相同数量的磁棒。
13.进一步地，纵深方向包括相邻两个含有相等数量磁棒的操作组。
14.进一步地，所述操作组中固定安装在所述第二子架上的磁棒纵深位置相较固定安装在所述第一子架上的磁棒靠后。
15.进一步地，所述操作组包括一根固定安装在所述第二子架上的磁棒。
16.进一步地，所述纵深驱动装置驱动所述孔板托盘在纵深靠前的第一纵深位置至纵深靠后的第三纵深位置之间自由移动；所述第三纵深位置为所有安装在第二子架上的磁棒所对应磁棒套均可插入所述孔板托盘上承托的孔板对应孔位，且可插入孔板对应孔位的磁棒套数量最少的孔板托盘水平纵深位置。
17.进一步地，所述磁珠转移系统还包括对应孔板托盘上所承托孔板的加热组件，所述加热组件用于加热、保温孔板孔位内储存试剂。
18.进一步地，所述加热组件随所述孔板托盘同步纵深前后位移，或，所述加热组件固定设置并对应孔板托盘第一纵深位置。
19.本发明还涉及一种在核酸提取过程中改变溶液体积的操作方法，其特征在于，包括，
20.通过孔板托盘与磁棒架和磁棒套架之间的相对水平面纵深前后位移改变用于操作的磁棒数量。
21.进一步地，还包括，
22.通过磁棒之间的同步或异步垂直位移改变用于操作的磁棒数量。
23.本发明还涉及一种支持可变溶液体积的核酸提取仪，其特征在于，所述核酸提取仪包括有如上所述的磁珠转移系统。
24.进一步地，所述磁珠转移系统包括磁棒架、磁棒套架和孔板托盘；
25.所述磁棒架包括垂直上下依次排列的第一子架和第二子架；
26.所述磁棒架纵深方向依次排列安装八行磁棒，且其中至少包括一行磁棒安装在所述第二子架；
27.所述磁棒套架纵深方向依次排列安装对应所述磁棒的八行磁棒套；
28.所述孔板托盘包括提供相对所述磁棒架和磁棒套架水平面纵深前后位移驱动力的纵深驱动装置，并承托至少一个外部尺寸与通用型96深孔板完全一致的孔板。
29.进一步地，所述孔板托盘并列承托两个外部尺寸与通用型96深孔板完全一致的孔板；所述磁棒架对应每个所述孔板分别安装两列磁棒；所述磁棒架共安装四列对应所述磁棒的磁棒套。
30.进一步地，所述磁棒架安装的每列磁棒分为两个各含有四根相邻磁棒的操作组；所述操作组中包括一根固定安装在所述第二子架上的磁棒，且固定安装在所述第二子架上的磁棒纵深位置相较固定安装在所述第一子架上的磁棒靠后。
31.进一步地，所述核酸提取仪还包括固定底座、横向运动支架以及用于驱动所述横向运动支架相对固定底座水平面横向位移的横向驱动装置；所述第一子架、第二子架和磁棒套架均安装设置在所述横向运动支架上，并随所述横向运动支架同步水平面横向位移。
32.进一步地，所述核酸提取仪还包括安装设置在所述横向运动支架上分别独立运行的第一垂直驱动装置、第二垂直驱动装置和第三垂直驱动装置；所述第一垂直驱动装置驱动所述第一子架垂直位移；所述第二垂直驱动装置驱动所述第二子架垂直位移；所述第三垂直驱动装置驱动所述磁棒套架垂直位移。
33.进一步地，所述磁珠转移系统还包括加热组件；所述加热组件由所述纵深驱动装置驱动随所述孔板托盘同步纵深位移，或，所述加热组件固定设置在所述固定底座上。
34.本发明还涉及一种支持可变溶液体积的核酸提取仪操作方法，其特征在于，控制如上所述的核酸提取仪执行下列步骤：
35.磁珠转移操作过程中，第一子架与第二子架同步垂直位移，保持溶液体积不变；
36.磁珠转移操作过程中，第二子架垂直位移同时第一子架停留在待机位置不参与磁珠转移操作，同时孔板托盘相对第一子架、第二子架以及磁棒套架进行纵深位移，将孔板上多个孔位内的磁珠转移至一个孔位内，缩小溶液体积。
37.本发明的有益效果为：
38.采用本发明所述支持可变溶液体积的核酸提取仪磁珠转移系统及核酸提取仪，通过添加孔板托盘纵深方向位移能力，为磁珠转移操作过程额外增加了一个运动自由度，能够实现磁珠转移过程中多孔位转移至一孔位的特殊操作，进而缩小溶液体积，同时并不影响原有基本磁珠转移操作的实现，因此使核酸提取仪的适用范围得到了扩展，特别是能够同时较好地适应常规小体积样本核酸提取(例如ffpe)和特殊大体积样本核酸提取(例如cfdna)，实现一机多能，极大减少仪器成本和仪器占用空间，方便核酸检测实验室的灵活布置，并简化实验操作人员培训需求；通过拆分磁棒架为相互独立运动的第一子架与第二子架，为磁珠转移操作过程再额外增加了另一个运动自由度，在孔板外部尺寸被限制以满足核酸提取仪通用性的前提下，通过结合孔板孔位尺寸、数量、形状、排列不同，实现了特殊大体积样本核酸提取(例如cfdna)的高通量核酸提取，提高了核酸提取实验效率。
附图说明
39.图1为本发明支持可变溶液体积的核酸提取仪实施例正面示意图。
40.图2为本发明支持可变溶液体积的核酸提取仪实施例背面示意图。
41.图3为本发明支持可变溶液体积的核酸提取仪磁珠转移系统第一工作示意图。
42.图4为本发明支持可变溶液体积的核酸提取仪磁珠转移系统第二工作示意图。
43.图5为本发明第一纵深位置至第二纵深位置移动示意图。
44.图6为本发明第一纵深位置至第三纵深位置移动示意图。
45.图7为孔板孔位标识示意图。
46.附图编号说明：1-磁棒架、11-第一子架、111-第一垂直驱动装置、12-第二子架、121-第二垂直驱动装置、13-磁棒、2-磁棒套架、21-磁棒套、22-第三垂直驱动装置、3-孔板托盘、31-孔板、32-加热组件、33-纵深驱动装置、4-横向运动支架、41-横向驱动装置、5-固定底座。
具体实施方式
47.为了更清楚的理解本发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。
48.磁珠法提取的步骤可以分为裂解、洗涤、洗脱，对于小体积样本(如ffpe样本)，在进行核酸提取操作时各步骤试剂体积差异较小，因此可以在不明显改变溶液体积的情况下最终获得合适浓度的核酸洗脱液，适用于后续检测适用。针对这一特点，现有技术普遍采用通用型96深孔板作为小体积样本核酸提取实验载体，对应开发的核酸提取仪通常只需具有三个自由度运动能力的磁珠转移系统就可以支持在通用型96深孔板上对小体积样本进行核酸提取实验。一般的，三个自由度分别选择采用磁棒垂直位移、磁棒套垂直位移和孔板相对磁棒以及磁棒套的水平左右位移。其中，磁棒、磁棒套分别独立运动，既可以同步进行垂直位移，也具有异步进行垂直位移，就可以实现对磁珠的吸附和解吸；孔板相对磁棒以及磁棒套的水平左右位移可以满足磁棒、磁棒套对孔板上所有孔位进行磁珠转移操作的要求。由于提取过程中所有步骤均可使用统一容积的孔位进行，因此一般在孔板上以行作为提取单元排列，即每行相邻几个孔位组成一个提取单元对应一个样本或样本组进行提取操作，使用一个磁棒和磁棒套通过孔板相对的水平左右移动即可对提取单元内所有孔位实现磁珠转移操作。根据实际提取实验的孔位数量要求，通常将通用型96深孔板每行12个孔位分为两个分别包含6个相邻孔位的提取单元，因此当一台核酸提取仪支持两个通用型96深孔板同步并行进行提取操作时，需要设置四列磁棒和对应的磁棒套，且进行提取操作时，所有磁棒同步垂直位移，同时进行吸磁或解吸操作。
49.随着使用通用型96深孔板的核酸提取仪逐步推广使用，扩展其应用范围具有非常大的价值。但是对于大体积样本(如cfdna样本)核酸提取，为了能够最终获得合适浓度的核酸洗脱液，在提取进行中涉及试剂体积的大幅度缩减变化，常规三自由度的核酸提取仪以及通用型96深孔板的搭配无法直接应用于这种提取实验。
50.为了解决这个问题，本发明第一方面提出了一种不同于现有技术的核酸提取仪磁珠转移系统，通过为孔板托盘3增加相对磁棒13和磁棒套21进行水平纵深前后位移的能力，即在原有三自由度核酸提取仪结构的基础上添加了第四个自由度的运动能力，进而能够调整实际同步起作用的磁棒13数量。优选的，孔板托盘3进行水平纵深前后位移的范围选择在第一纵深位置与第二纵深位置之间进行，如图5所示给出了在一般情况下第一纵深位置与第二纵深位置之间在侧视视角下的关系。对于第一纵深位置，类似于常规的核酸提取仪在通用型96深孔板上进行操作时的位置状态，磁棒13与磁棒套21一一对应同步插入单列a至h孔位，此时所有八根磁棒13均起到作用，能够各自分别对单列a至h孔位中的磁珠进行吸附和解吸操作，例如对应如图7所示孔板孔位(以通用型96深孔板样式为例，但不影响对于任意外部尺寸相同的深孔板调整不同孔位尺寸时的操作)，在第一纵深位置可以实现将a5至
h5一列孔位中的磁珠同步分别转移至a6至h6一列孔位中；而对于第二纵深位置，通过在纵深方向上孔板31(孔板托盘3)相对磁棒13与磁棒套21移动，仅剩一根磁棒13对应插入a孔位，此时虽然八根磁棒13及磁棒套21仍然同步垂直位移，但实际起到作用的仅有纵深位置最靠后的一根磁棒13，对应如图7所示孔板孔位，在第二纵深位置可以实现将a5一个孔位中的磁珠转移至a6孔位中，同时不影响b5至h5一列孔位中的磁珠。在实际操作中，孔板31(孔板托盘3)可以自由的在第一纵深位置与第二纵深位置之间任意移动，因此通过提取仪实验程序的编制可以实现例如将a5至h5一列孔位中的磁珠分别依次转移至h6一个孔位中(不含有磁珠的孔位不会受到磁棒13的影响)，也可选择将a5至d5孔位中的磁珠分别依次转移至h6一个孔位中，再将e5至h5孔位中的磁珠分别依次转移至g6一个孔位中，可以实现试剂体积的缩小，进而实现核酸浓度提升，搭配使用具有合适孔位尺寸、排列方式的孔板31时，可以实现对于大体积样本的核酸提取操作，同时，在不进行孔板31(孔板托盘3)纵深位移的情况下，孔板31(孔板托盘3)保持在第一纵深位置，不影响对常规小体积样本的提取操作。
51.本发明的第二方面，为了实现高通量的大体积样本提取，进一步扩展适用范围，本发明的核酸提取仪磁珠转移系统还可以进一步优选的加入第五个自由度的活动能力，即通过将磁棒架1分解为相互独立的第一子架11与第二子架12，将磁棒13的垂直位移分解为可分别独立操作的两部分，进一步扩展调整同步起作用的磁棒13数量范围，搭配前述孔板31(孔板托盘3)纵深位移的情况下，可以实现对大体积样本的高通量提取操作。优选的，孔板托盘3进行水平纵深前后位移的范围选择在第一纵深位置与第三纵深位置之间进行，如图6所示给出了在磁棒13安装位置的一种实施例情况下第一纵深位置与第三纵深位置之间在侧视视角下的关系。对于第一纵深位置，类似于图5所示第一纵深位置情况，安装在第一子架11上的六根磁棒13和安装在第二子架12上的两根磁棒13与磁棒套21一一对应同步插入单列a至h孔位，此时所有八根磁棒13均起到作用，能够各自分别对单列a至h孔位中的磁珠进行吸附和解吸操作。由于垂直距离改变的原因，安装在第一子架11上的六根磁棒13需要匹配较长的长度，以满足插入孔位后与安装在第二子架12上的两根磁棒13底端齐平的要求，同时结构设定上可以采用安装在第一子架11上的六根磁棒13穿过对应设置在第二子架12上通孔的方式实现，但这些结构改变不会影响如图6所示实施例情况下的核酸提取仪对于孔位内磁珠的吸附和解吸操作，保持在第一纵深位置情况下，仍然可以支持对常规小体积样本的提取操作。对于第三纵深位置，不同于图5所示第二纵深位置，在高通量操作的要求下需要满足至少两根磁棒13同时同步起到作用，首先在第一子架11上的六根磁棒13停留在垂直较高位置，使能够同时起作用的磁棒13最多为两根，再结合如图6所示的第三纵深位置限制，使第二子架12上纵深靠前的磁棒13插入a孔位同时纵深靠后的磁棒13插入e孔位，满足两根磁棒13同时起作用。例如对应如图7所示孔板孔位，在第三纵深位置可以实现将a5、e5孔位中的磁珠分别同步转移至a6、e6孔位中，同时不影响b5至d5以及f5至h5孔位中的磁珠。在实际操作中，孔板31(孔板托盘3)可以自由的在第一纵深位置与第三纵深位置之间任意移动，因此通过提取仪实验程序的编制可以实现例如将a5至d5孔位中的磁珠和e5至h5孔位中的磁珠分别同时依次转移至d6和h6孔位中，实现同步的两个通量操作，即得到了纵深方向相邻两个含有相等数量磁棒13的操作组，搭配使用具有合适孔位尺寸、排列方式的孔板31时，可以实现对于大体积样本的高通量核酸提取操作。
52.进一步地，为了方便实际使用，操作组中固定安装在所述第二子架12上的磁棒13
纵深位置相较固定安装在所述第一子架11上的磁棒13靠后，为孔板31(孔板托盘3)纵深移动提供充分的空间。
53.本发明的第三方面，提供了一种应用如上所述核酸提取仪磁珠转移系统的核酸提取仪以及相对应的磁珠转移操作方法。如图1、图2所示为本发明支持可变溶液体积的核酸提取仪实施例的一种优选实施例，包括有前述磁珠转移系统中孔板托盘3相对磁棒13和磁棒套21进行水平纵深前后位移的能力以及将磁棒架1分解为相互独立的第一子架11与第二子架12，即该优选实施例提供了一种具有五个自由度移动能力的核酸提取装置。具体结构上，包括有固定底座5和横向运动支架4，并具有横向驱动装置41用于驱动所述横向运动支架4相对固定底座5水平面横向位移；第一子架11、第二子架12和磁棒套架2依次安装设置在所述横向运动支架4上，并随所述横向运动支架4同步水平面横向位移，采用第一垂直驱动装置111、第二垂直驱动装置121和第三垂直驱动装置22分别驱动第一子架11、第二子架12和磁棒套架2独立的进行垂直位移；第一子架11、第二子架12共安装四列磁棒13，每列磁棒13分为两个各含有四根相邻磁棒13的操作组，所述操作组中包括一根固定安装在所述第二子架12上的磁棒13和三根固定安装在所述第一子架11上的磁棒13，且固定安装在所述第二子架12上的磁棒13纵深位置相较固定安装在所述第一子架11上的磁棒13靠后，所述磁棒套架2共安装四列对应所述磁棒13的磁棒套21；孔板托盘3通过纵深驱动装置33相对所述第一子架11、第二子架12和磁棒套架2(相对固定底座5)水平面纵深前后位移，且所述孔板托盘3并列承托两个外部尺寸与通用型96深孔板完全一致的孔板31。当然，核酸提取仪还应具有其他通常的功能部件，例如加热组件32，所述加热组件32可以设置为由所述纵深驱动装置33驱动随所述孔板托盘3同步纵深位移，或，所述加热组件32固定设置在所述固定底座5上。
54.如图3、图4所示，核酸提取仪优选实施例在操作过程中能够实现第一子架11与第二子架12的同步、异步垂直位移，进而改变投入操作的磁棒13数量，在此过程中，磁棒套21仍然正常插入孔位，但由于磁棒套21本身不具有磁性，因此不会对孔位内磁珠造成影响。
55.应用本发明所述核酸提取仪，搭配具有合适结构的孔板31，就可以实现对如cfdna的大样本进行核酸提取。具体方法可以包括：s1磁棒套架2、第一子架11与第二子架12同步下降到孔板31中装有12ml的样本、试剂、磁珠混合孔位中混匀吸磁；s2移动到装有6ml洗涤液a的孔位中混匀洗涤吸磁；s3移动到装有6ml洗涤液b的孔位中混匀洗涤吸磁；s4移动到4个装有250μl洗涤液b的孔位中混匀洗涤吸磁；s5第一子架11上升至垂直高点保持不动，第二子架12垂直位移以及横向运动支架4左右位移，配合孔板托盘3纵深位移，将4个装有250μl洗涤液b孔位中的磁珠依次吸磁转移到一个装有60μl的洗脱液孔位中洗脱得到所需要的cfdna核酸提取液。所述的洗涤液a、洗涤液b以及洗脱液和磁珠均可以选择本领域常用的技术方案。在上述操作过程中，步骤s1至s4的位移实际可以与现有的核酸提取仪相同，即采用三个自由度的位移模式，但在步骤s5中，必须应用如本发明所述系统提供五个自由度的位移，才能实现试剂体积的最终缩小以及核酸的富集，提供合适浓度的核酸提取液。
56.以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。