往复式基因测序系统及测序方法与流程

本发明属于体外检测，具体的为一种往复式基因测序系统及测序方法。

背景技术：

1、现有的测序仪中，一般仅设有一个动力源。在基因测序过程中，该动力源通过施加负压的方式从试剂储存仓内吸取试剂，然后再施加正压作用将吸取的试剂输入到流动池内。现有的测序仪采用一个动力源的动力方式，通过施加负压和正压的作用虽然能够吸取和推送试剂到设定位置的技术目的，但仍存在以下不足：

2、(1)当动力源施加正压作用推送试剂时，在试剂的黏度较低的情况下，动力源仍需要施加较大的正压压力来推动试剂，导致试剂流动速度过快，导致试剂的流动速度和流量精度难以得到有效控制；

3、(2)当动力源施加正压作用推送试剂时，在试剂的黏度较高的情况下，为了确保试剂的流速，动力源需要增大施加的正向压力，导致流体体系中的压力增加，进而可能导致流体系统中的一些特殊元件(如流动池)无法承受该正向压力，并在该正向压力下产生变形、破碎等损伤，甚至导致测序仪无法完成测序工作；

4、(3)当动力源施加负压作用吸取试剂时，负压驱动的理论极限压力为一个大气压，导致吸取试剂的速度较低，特别是在吸取黏度较高的试剂时，会严重影响测序仪的使用效率。

5、在现有的测序仪中，试剂的流速、流量精度和特殊元件压力承受等多个因素难以调和，成为制约测序仪使用寿命和测序效率的重要因素。

6、另外，现有的测序仪中，试剂注入流动池内后进行生化反应，待生化反应后，将试剂直接排出废弃。虽然能够满足基因测序要求，但试剂进入流动池内后保持静止状态，因此需要过量的试剂参与生化反应，导致试剂的用量较大，导致试剂利用率较低，进而增加基因测序的成本；同时，静止状态的试剂参与生化反应，也会导致生化反应所需的时间较长，导致基因测序的效率较低。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种往复式基因测序系统及测序方法，不仅能够对流速、流量进行控制精度并降低流道压力，而且还可以减少试剂用量，提高试剂利用率和基因测序效率。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明首先提出了一种往复式基因测序系统，包括：

4、流体储存器，用于储存生化反应所需的试剂；

5、流体反应器，用于提供生化反应所需的场所；

6、流体缓存器，用于缓存试剂；

7、流体选择器，用于使所述流体缓存器与所述流体储存器或所述流体反应器连通；

8、第一动力元件，与所述流体缓存器相连；

9、第二动力元件，与所述流体反应器相连；

10、所述流体反应器包括流动池和试剂暂存器；所述流动池的其中一端设有所述试剂暂存器，或，所述流动池的两端分别设有所述试剂暂存器；所述流动池内设有反应通道，所述试剂暂存器内与所述反应通道一一对应设有试剂暂存通道，所述试剂暂存通道与对应的所述反应通道相连通；

11、当所述流体选择器控制所述流体缓存器与所述流体储存器连通时，所述第一动力元件驱动所述流体储存器内的试剂进入到所述流体缓存器内；

12、当所述流体选择器控制所述流体缓存器与所述流体反应器连通时，所述第一动力元件、流体缓存器、流体选择器、流体反应器和第二动力元件依次连通并构成往复式组件，所述往复式组件用于驱动所述流体缓存器内的试剂进入所述流动池、并使试剂在所述流动池与所述试剂暂存器之间往复流动。

13、进一步，所述流体选择器采用多通道选择阀，所述多通道选择阀上设有公共口和若干选择口，所述公共口可与任意一个所述选择口相连通；所述流体缓存器与所述公共口连接，所述流体反应器与其中一个所述选择口连接。

14、进一步，所述流体储存器包括用于储反应存试剂的第一试剂储存器和用于储存辅助试剂的第二试剂储存器。

15、进一步，所述第一试剂储存器通过预存试剂管分别与一个所述选择口连接；

16、所述第二试剂储存器分别与其中一个所述选择口连接；或，所述第二试剂储存器通过第二切换阀与所述第一动力元件相连，所述流体缓存器与所述第一动力元件之间设有第一切换阀；所述第一切换阀用于控制所述流体缓存器与所述第一动力元件之间连通或断开；所述第二切换阀用于控制对应的所述第二试剂储存器与所述第一动力元件之间连通或断开。

17、进一步，所述流体储存器包括第三动力元件，所述第三动力元件用于施加驱动试剂进入所述流体缓存器所需的正向压力。

18、进一步，所述第三动力元件内与所述第一试剂储存器一一对应设有可分别独立控制的第三注射器，所述第三注射器与对应的所述第一试剂储存器相连通。

19、进一步，所述流体选择器与所述流体反应器之间的管路上设有第三切换阀，所述第三切换阀用于控制所述流体选择器与所述流体反应器或废液桶连通；所述第三切换阀与所述流体选择器之间设有第一公共管相连，所述第三切换阀与所述流体反应器之间设有第二公共管相连。

20、进一步，所述流动池内设有至少一条反应通道，所述第二动力元件内设有一个第二注射器，所述第二注射器与所有所述反应通道相连通；或，所述第二动力元件内与所述反应通道一一对应设有可独立控制的第二注射器，所述第二注射器与对应的所述反应通道相连通。

21、进一步，所述第二注射器与所述反应通道之间的连接管路上设有第四切换阀，所述第四切换阀用于控制所述第二注射器与所述流体反应器之间连通或断开；所述第二注射器上还通过第五切换阀连接废液桶，所述第五切换阀用于控制所述注射器与所述废液桶之间连通或断开。

22、进一步，令所述流体反应器与所述流体选择器相连通的一端为第一端、与第二动力元件相连通的一端为第二端；所述试剂暂存器设置在所述流动池的第一端和/或第二端；当所述试剂暂存器设置在所述流动池的第一端时，所述试剂暂存器位于所述流动池与所述流体选择器之间；当所述试剂暂存器设置在所述流动池的第二端时，所述试剂暂存器位于所述流动池与所述第二动力元件之间。

23、本发明还提出了一种往复式基因测序方法，包括如下步骤：

24、步骤一：启动基因测序，令i＝1；

25、步骤二：驱动第i反应试剂进入试剂缓存器进行缓存；

26、步骤三：驱动第i反应试剂进入流动池内进行生化反应，t＝1；

27、步骤四：驱动第i反应试剂流入试剂暂存器；

28、步骤五：判断第i反应试剂进入流动池内进行生化反应的次数是否达到设定次数：若是，则执行步骤七；若否，则执行步骤六；

29、步骤六：驱动第i反应试剂再次进入流动池内进行生化反应，t＝t+1，执行步骤四；

30、步骤七：将第i反应试剂排入废液桶；

31、步骤八，清洗管路；

32、步骤九：判断当前基因测序任务是否完成：若是，则当前测序检测任务结束；若否，则令i＝i+1，循环执行步骤二。

33、进一步，所述步骤二中，驱动第i反应试剂进入试剂缓存器的过程为：

34、21)在流体缓存器内注满辅助试剂，在第一试剂储存器与流体选择器之间的预存试剂管内注满第i反应试剂；

35、22)通过流体选择器控制流体缓存器与第三切换阀连通，利用第一动力元件施加的正压作用驱动辅助试剂进入到第一公共管内；

36、23)通过流体选择器连通流体缓存器和与第i反应试剂对应的预存试剂管，利用第一动力元件施加的负压作用和/或第三动力元件施加的正压作用，驱动定量的第i反应试剂进入到流体缓存器内；

37、24)通过流体选择器控制流体缓存器与气源连通，利用第一动力元件施加的负压作用定量抽取试剂缓存器内的辅助试剂，以在试剂缓存器内形成第二空气柱；

38、25)通过流体选择器连通流体缓存器和与第i反应试剂对应的预存试剂管，利用第一动力元件施加的负压作用和/或第三动力元件施加的正压作用，驱动定量的第i反应试剂进入到流体缓存器内；

39、26)通过流体选择器控制流体缓存器与气源连通，利用第一动力元件定量抽取试剂缓存器内的辅助试剂，以在试剂缓存器内形成第一空气柱。

40、进一步，所述步骤21)中，在对应的预存试剂管内注满第i反应试剂的方法为：第一步：利用第一切换阀连通第一动力元件和流体缓存器，利用流体选择器连通流体缓存器与对应的预存试剂管；第二步：利用第一动力元件施加的负压作用和/或第三动力元件施加的正压作用，使第i反应试剂进入并注满预存试剂管；或，

41、第一步：利用流体选择器使对应的预存试剂管与废液桶或泄压口连通；第二步：利用第三动力元件施加的正压作用，驱动第i反应试剂进入并注满预存试剂管。

42、进一步，所述步骤21)中，在流体缓存器内注满辅助试剂的方法为：第一步：利用第一切换阀断开第一动力元件和流体缓存器，利用第二切换阀连通第二试剂储存器与第一动力元件，利用第一动力元件施加负压作用抽取辅助试剂；第二步：利用第一切换阀连通第一动力元件和流体缓存器，利用第二切换阀断开第二试剂储存器与第一动力元件，利用流体选择器使流体缓存器与废液桶或泄压口连通，利用第一动力元件施加的正压作用推送辅助试剂进入并注满流体缓存器。

43、进一步，所述步骤三中，驱动第i反应试剂进入流体反应器的过程为：

44、31)通过流体选择器连通流体缓存器与第三切换阀，第三切换阀控制流体选择器与废液桶连通；利用第一动力元件施加的正压作用，推送流体缓存器内的试剂朝向第三切换阀移动，直至第一空气柱经过第三切换阀与废液桶连接的连接口，表明此时第i反应试剂已到达第三切换阀；

45、32)第三切换阀控制流体选择器与流体反应器连通，利用第一动力元件施加的正压作用和/或第二动力元件施加的负压作用，驱动第i反应试剂朝向流体反应器移动，直至第二空气柱到达第三切换阀后，表明此时第i反应试剂已进入到第二公共管内；

46、33)第三切换阀控制流体选择器与废液桶连通，利用第一动力元件施加的正压作用，驱动辅助试剂经第三切换阀排入到废液桶内；

47、34)利用第三切换阀控制流体选择器与流体反应器连通，利用第一动力元件施加的正压作用和/或第二动力元件施加的负压作用，驱动第i反应试剂进入到流动池内。

48、进一步，所述步骤四中，驱动第i反应试剂流入试剂暂存器的过程为：当试剂暂存器设置在流动池的第一端时，利用第一动力元件施加的负压作用和/或第二动力元件施加的正压作用，驱动第i反应试剂沿着第一流向流入到试剂暂存器内；当试剂暂存器设置在流动池的第二端时，利用第一动力元件施加的正压作用和/或第二动力元件施加的负压作用，驱动第i反应试剂沿着第二流向流入到试剂暂存器内；所述第一流向和第二流向相反；当试剂暂存器设置在流动池的第一端和第二端时，利用第一动力元件施加的负压作用和/或第二动力元件施加的正压作用，驱动第i反应试剂沿着第一流向流入到位于流动池第一端的试剂暂存器内；或，利用第一动力元件施加的正压作用和/或第二动力元件施加的负压作用，驱动第i反应试剂沿着第二流向流入到位于流动池第二端的试剂暂存器内。

49、进一步，所述步骤六中，驱动第i反应试剂再次进入流动池的过程为：当试剂暂存器设置在流动池的第一端时，利用第一动力元件施加的正压作用和/或第二动力元件施加的负压作用，驱动第i反应试剂沿着第一流向流入到流动池内；当试剂暂存器设置在流动池的第二端时，利用第一动力元件施加的负压作用和/或第二动力元件施加的正压作用，驱动第i反应试剂沿着第二流向流入到流动池内；所述第一流向和第二流向相反；当试剂暂存器设置在流动池的第一端和第二端时，若试剂位于第一端的试剂暂存器内，则利用第一动力元件施加的正压作用和/或第二动力元件施加的负压作用，驱动第i反应试剂沿着第一流向流入到位于流动池内；若试剂位于第二端的试剂暂存器内，则利用第一动力元件施加的负压作用和/或第二动力元件施加的正压作用，驱动第i反应试剂沿着第二流向流入到位于流动池内。

50、进一步，所述步骤七中，将第i反应试剂排入废液桶的方法步骤为：

51、71)利用第四切换阀连通第二动力元件和流体反应器，利用第五切换阀断开第二动力元件与废液桶；利用第一动力元件施加的正压作用和/或第二动力元件施加的负压作用，驱动经过生化反应后的试剂朝向第二动力元件流动，使试剂流入第二注射器内；

52、72)利用第四切换阀断开第二注射器和流体反应器，利用第五切换阀连通第二注射器与废液桶，利用第二动力元件施加的正压作用将试剂推送到废液桶内。

53、进一步，还包括步骤十：在当前测序检测任务结束后，判断所有测序检测任务是否完成：若是，则停止基因测序；若否，则令i＝1，执行步骤二。

54、进一步，所述步骤八中，清洗管路的方法步骤为：

55、81)向流体反应器内注入两相清洗试剂，两相清洗试剂包括至少两段清洗试剂，相邻两段清洗试剂之间具有空气柱；

56、82)驱动两相清洗试剂经过流体反应器，利用第二公共管与反应通道之间的分流-汇流作用，使清洗试剂与空气混合；

57、83)判断两相清洗试剂进入流体反应器的清洗次数k是否达到设定次数k：若是：则执行步骤85)；若否，则执行步骤84)；

58、84)驱动两相清洗试剂经过流体反应器，对流体反应器进行清洗；利用第二公共管与反应通道之间分流-汇流作用，使清洗试剂与空气进一步混合；k＝k+1；执行步骤83)；

59、85)将两相清洗试剂排入废液桶。

60、进一步，所述步骤81)中，向流体反应器内注入清洗试剂的方法步骤为：

61、811)在流体缓存器内注满清洗试剂；

62、812)通过流体选择器连通流体缓存器与第三切换阀，第三切换阀控制流体选择器与流体反应器连通，利用第一动力元件施加的正压作用和/或第二动力元件施加的负压作用，驱动流体缓存器内的清洗试剂进入到流体反应器与流体选择器之间的管路中，得到一段清洗试剂；

63、813)通过流体选择器控制流体缓存器与气源连通，利用第一动力元件施加的负压作用定量抽取清洗试剂，以在试剂缓存器内形成一段空气柱；

64、814)通过流体选择器连通流体缓存器与第三切换阀，第三切换阀控制流体选择器与流体反应器连通，利用第一动力元件施加的正压作用和/或第二动力元件施加的负压作用，驱动流体缓存器内的清洗试剂进入到流体反应器与流体选择器之间的管路中，得到一段清洗试剂；

65、815)判断注入流体反应器内的清洗试剂的体积否达到设定阈值：若是，则完成向流体反应器内注入至少两段清洗试剂的工作；若否，则循环执行步骤813)。

66、进一步，所述步骤82)和步骤84)中，驱动两相清洗试剂经过流体反应器的方法为：利用第一动力元件施加的正压作用和/或第二动力元件施加的负压作用，驱动两相清洗试剂沿着第一流向经过流体反应器；或，利用第一动力元件施加的负压作用和/或第二动力元件施加的正压作用，驱动两相清洗试剂沿着第二流向经过流体反应器。

67、进一步，所述步骤85)中，将两相清洗试剂排入废液桶的方法步骤为：

68、851)利用第四切换阀连通第二动力元件和流体反应器，利用第五切换阀断开第二动力元件与废液桶；利用第一动力元件施加的正压作用和/或第二动力元件施加的负压作用，驱动两相清洗试剂朝向第二动力元件流动，使两相清洗试剂流入第二注射器内；

69、852)利用第四切换阀断开第二注射器和流体反应器，利用第五切换阀连通第二注射器与废液桶，利用第二动力元件施加的正压作用将两相清洗试剂推送到废液桶内。

70、本发明的有益效果在于：

71、本发明的往复式基因测序系统，通过设置与流体缓存器连接的第一动力元件，利用流体选择器连通流体缓存器和流体储存器后，利用第一动力元件施加的负压作用，能够吸取试剂到流体缓存器内；而后利用流体选择器连通流体缓存器和流体反应器，流体反应器上连接有第二动力元件；如此，第一动力元件、流体缓存器、流体选择器、流体反应器和第二动力元件依次连通，可以利用第一动力元件施加的正压作用以及利用第二动力元件施加的负压作用，或，利用第一动力元件施加的负压作用以及利用第二动力元件施加的正压作用，驱动试剂流动；相较于单一动力源驱动试剂流动的方式，第一动力元件和第二动力元件分别施加的压力均较单一动力源更小，从而能够有效降低流道压力，防止流动池等特殊元件因压力过大导致的变形甚至破碎的问题；在降低流道压力的条件下，能够更方便地控制试剂的流速和流量；

72、在驱动试剂进入流动池时，第一动力元件、流体缓存器、流体选择器、流体反应器和第二动力元件依次连通并构成往复式组件；如此，利用第一动力元件施加的正压作用和/或利用第二动力元件施加的负压作用，可以驱动试剂沿着第一流向流入或流出流动池；利用第一动力元件施加的负压作用和/或利用第二动力元件施加的正压作用，可以驱动试剂沿着第二流向流入或流出流动池；即可以驱动试剂在流动池与试剂暂存器之间往复流动；由于试剂在流动池内往复流动，也可以提高试剂参与生化反应的比例，进而可以减少试剂用量，提高试剂利用率，降低基因测序成本；另外，动态流动的试剂还可以提高生化反应速率，提高基因测序效率。

73、通过在流体储存器内设置第三动力元件，在驱动试剂从流体储存器进入流体缓存器内的过程中，可以通过第三动力元件施加正压作用，同时结合第一动力元件的负压作用，能够有效降低流道在试剂从流体储存器进入流体缓存器内的过程中受到的压力作用，同时可以提高试剂的流速，提高测序效率。

74、具体的，本发明往复式基因测序系统能够降低流道压力的原理如下：

75、对于传统的单一动力源方式，驱动试剂流动的驱动压力为：

76、p＝p1-0

77、其中，p表示驱动压力；p1表示单一动力源施加的压力；

78、如此，流道内各个位置点所受到的压力小于等于p1。

79、本发明中，假设第一动力元件施加正向压力，第二动力元件施加负向压力，以驱动试剂在流道内流动，此时的驱动压力为：

80、p＝p正-p负

81、其中，p表示驱动压力；p正表示第一动力元件施加的正向压力；p负表示第二动力元件施加的负向压力；

82、如此，位于试剂与第一动力元件之间的流道各个位置处所受到的压力应小于等于p正，位于试剂与第二动力元件之间的流道各个位置处所受到的压力应小于等于|p负|。

83、在获得相同的驱动压力p的条件下，p正和|p负|的值必然小于p1，从而达到在获得相同驱动压力的条件下，降低流道压力的技术目的。