基于纳米磁珠的核酸自动提取装置及其方法
【专利摘要】本发明提供一种基于纳米磁珠的核酸自动提取装置及其方法，所述装置包括基座（1），设于基座（1）上的电机、磁棒（6）及磁棒夹紧机构（3）、搅拌套（5）及搅拌套夹紧机构（10）、深孔板（2）、控制电路及上位机。本发明通过核酸与磁珠结合，然后在磁棒（6）的吸引下，将核酸从核酸裂解液中提取出来，在更大程度上保证了样品处理的一致性，减少了人为干扰，并且降低了交叉干扰风险，可适用于医药、生物、农业等领域的样品检验前处理。
【专利说明】基于纳米磁珠的核酸自动提取装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及核酸提取领域，尤其涉及基于纳米磁珠的自动核酸提取技术。
【背景技术】
[0002]核酸(DNA和RNA)的分离与提取是生物技术中的一项艰巨而繁重的任务。微生物病毒检测、基因筛查与重组、临床诊断与治疗方面都离不开核酸提取。它是下游核酸检测和科学研究的基础，提取后的核酸质量及完整性会直接影响研究或诊断结果。
[0003]随着分子生物技术的发展，科研及临床检测要求的提高，核酸纯化方法也经历了密度梯度离心，酚/氯仿、苯酚、异戊醇抽提，二氧化硅吸附等化学物理方法，这些方法操作复杂，需要离心，不易实现自动化。
[0004]纳米磁珠配合合适的缓冲系统可以选择性吸附核酸，在外加磁场下就可轻松分离，将纳米磁珠应用于核酸的自动提取，可以更大程度保证样品处理的一致性，减少人为干扰，降低交叉干扰风险。
【发明内容】
[0005](一)要解决的技术问题 [0006]本发明要解决的技术问题就是如何将纳米磁珠应用于核酸的自动提取，从而更大程度保证样品处理的一致性，减少人为干扰，降低交叉干扰风险。
[0007](二)技术方案
[0008]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于纳米磁珠的核酸自动提取装置，其特征在于，所述装置包括基座，设于基座上的电机、磁棒及磁棒夹紧机构、搅拌套及搅拌套夹紧机构、深孔板、控制电路及上位机:所述电机用于控制磁棒及磁棒夹紧机构、搅拌套及搅拌套夹紧机构、深孔板的运动；所述控制电路包括电机驱动电路、通信电路以及一个控制装置运行位置的定位电路；所述上位机包括控制装置参数的程序；磁棒与搅拌套的孔
--对应，可插入到搅拌套中；所述深孔板包括盛放裂解液的裂解槽，盛放磁珠溶液的槽，
盛放洗涤液的洗涤槽，盛放洗脱液的洗脱槽。
[0009]优选地，所述深孔板有专用放置底座，所述底座包括基座、加热片、及导热块，加热片位于基座上，且与导热块底部表面紧密接触，所述导热块与深孔板的底部表面紧密契合，保证接触加热效率，所述控制电路包括温度检测与加热控制电路。
[0010]优选地，所述深孔板为96孔深孔板、搅拌套为8样本搅拌套，所述深孔板孔的排列为8行12列，1、7列为裂解槽，盛放裂解液；2、8列为盛放磁珠溶液槽；3、4、5列为洗涤槽，分别盛放三种洗涤液；9、10、11列为洗涤槽，分别盛放三种洗涤液。
[0011]优选地，所述电机包括三个步进电机，步进电机连接四线螺纹高精度丝杆，丝杆与搅拌套夹紧机构、磁棒夹紧机构及深孔板放置底座相连，将步进电机的圆周运动转化成直线运动，分别控制搅拌套、磁棒在竖直方向的运动及深孔板在横向上的运动。
[0012]优选地，所述控制电路采用STM32作为主控制芯片，包括电机驱动电路，通信电路以及定位电路，所述上位机包括电机控制程序，所述电机控制程序按照核酸提取要求控制电机精确运动，电机控制模式为PWM控制。
[0013]优选地，所述磁棒夹紧机构采用Z字形设计，所述磁棒上部分为铁棒，下部分为磁性材料，所述深孔板的底面为圆球凸面，所述导热块具有圆球凹面，与深孔板的圆球凸面紧
密契合。
[0014]优选地，所述定位电路包括分布在合适位置的5个行程开关。
[0015]优选地，所述深孔板基座包括条形槽及沉孔，条形槽中埋入加热片，通过螺钉将翼型导热块固定到加热片的上表面，加热片电线通过小孔接入到电路系统中；所述沉孔用于固定深孔板放置底座。
[0016]根据所述纳米磁珠的核酸自动提取装置，本发明还提供了一种基于纳米磁珠的核酸提取方法:
[0017](1)系统机械结构检测定位，保证搅拌套、深孔板基座、磁棒处于正确位置。通过上位机设定裂解洗脱温度、磁吸时间、混匀速度、混匀时间，通过控制电路控制电机的运动，进而控制搅拌套、磁棒及深孔板的运动；
[0018](2)在深孔板中加入核酸提取试剂，裂解槽中加入裂解液及样本，磁珠溶液槽中加入磁珠，洗涤槽中加洗涤液，洗脱槽中加入洗脱液，完成后，将深孔板放入深孔板放置底座中，然后将搅拌套插入搅拌套夹持结构中；
[0019](3)搅拌套进入裂解槽中上下搅拌混匀，振幅可以为5mm，加热块按照上位机设定温度对裂解液加热，加速样本裂解，释放核酸，此时磁棒停留在搅拌套的正上方，裂解完成后搅拌套回到初始位置；
[0020](4)深孔板移动使盛放磁珠溶液的孔处于磁棒及搅拌套的正下方，磁棒进入搅拌套底部后同时向下运动到磁珠溶液中，此时磁珠将被吸附到搅拌套表面，磁吸附后磁棒及搅拌套同时向上运动到离深孔板上方，移动深孔板使盛放裂解溶液的孔处于磁棒及搅拌套的正下方，磁棒进入搅拌套底部后同时向下运动到裂解溶液中，磁棒向上移出搅拌套，磁力消失时候，磁珠释放进入裂解液中，同时搅拌套上下搅拌促进磁珠与核酸之间的结合；此过程能够完成了磁珠由磁珠溶液槽到裂解槽的转移，在以后的步骤中都需要先将磁珠转移到指定槽中再操作。
[0021](5)利用磁棒与搅拌套将磁珠转移至洗涤孔中，洗涤I至3次；
[0022](6)利用磁棒与搅拌套将磁珠转移至洗脱孔中，进行洗脱，完成后，把磁珠回收到最初的磁珠溶液中。
[0023](三)有益效果
[0024]本发明采用基于纳米磁珠的核酸自动提取装置及其方法，通过核酸与磁珠结合，然后在磁棒的吸引下，将核酸从核酸裂解液中提取出来，在更大程度上保证了样品处理的一致性，减少了人为干扰，并且降低了交叉干扰风险。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1:本发明提供的一种基于纳米磁珠的核酸提取装置的结构示意图；
[0027]图2:深孔板结构示意图；
[0028]图3:深孔板从底部观察得到的结构示意图；
[0029]图4a:深孔板放直底座不意图；
[0030]图4b:导热块示意图；
[0031]图4c:深孔板放置底座装配图示意图；
[0032]图5:搅拌套结构示意图；
[0033]图6:磁棒示意图；
[0034]图7:定位系统行程开关安装位置示意图；
[0035]图8:控制电路系统图；
[0036]图9:基于纳米磁珠的核酸提取工作流程示意图；[0037]图中:1、基座；2、深孔板；3、磁棒夹紧机构；4、深孔板放置底座；5、搅拌套；6、磁棒；71、第一步进电机；72、第二步进电机；73、第三步进电机；81、第一滑杆；82、第二滑杆；83、第三滑杆；91、第一丝杆；92、第二丝杆；93、第三丝杆；10、搅拌套夹持机构；111、第一联轴器；112、第二联轴器；113、第三联轴器；121、第一行程开关；122、第二行程开关；123、第三行程开关；124、第四行程开关；125、第五行程开关。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0039]如图1所示，本实施例基于纳米磁珠的核酸提取装置包括基座1，安装在基座上的三个线性传动结构。第一步进电机71经过第一联轴器111与第一丝杆91相连，磁棒夹紧机构3与第一丝杆91相连，电机转动时，根据转动方向不同，磁棒夹紧机构3可以沿着第一滑杆81上来回运动，进而使得磁棒6能够在上下方向上运动。第二步进电机72经过第二联轴器112连接第二丝杆92，搅拌套夹持机构10连接第二丝杆92，搅拌套5可插入搅拌套夹持机构10中，第二步进电机72正反转，搅拌套5表现为沿第二滑杆82上下运动。第三步进电机73经过第三联轴器113与第三丝杆93相连，深孔板放置底座4与第三丝杆93相连，可沿着第三滑杆83左右运动。
[0040]其中第一步进电机71、第二步进电机72采用立式，第三步进电机73采用卧式，第一步进电机71在第二步进电机72左边，并保证磁棒夹紧机构3在搅拌套夹紧机构10的上方。合适的空间位置设计，磁棒夹紧机构3采用Z字形设计，使得磁棒6可以插入搅拌套5中，搅拌套5可以插入深孔板2中。磁棒6设计如图6，由铁棒61和磁棒62组成，磁棒62采用钕铁硼N52，直径为4mm，铁棒61和磁棒62使用强力胶进行连接，例如Loctite公司产品E-60HP，此时该磁棒6最大处磁场强度达到1.1T，可以轻松分离纳米级磁珠。
[0041]深孔板放置底座4如图4a所示，41、42、43、44为条形槽，可埋入加热片，可通过螺钉将翼型导热块固定到加热片的上表面。加热片电线通过小孔46接入到电路系统中。沉孔45用于固定深孔板放置底座。翼型导热块如图4b所示，通过1.5M螺纹孔47将导热块固定在深孔板放置底座上。导热块上表面48为球面，与深孔板底部球面突起21紧配合，保证接触加热。通过加热提高工作温度，可以提高整个过程的提取效率。
[0042]如图8所示为控制电路系统图，STM32为主控芯片，通过PWM控制步进电机驱动器驱动电机，进而控制搅拌套5、磁棒6、深孔板2的运动。
[0043]定位系统行程开关安装位置如图8所示。第一行程开关121控制磁棒6上升的最高位置。第二行程开关122控制磁棒6与搅拌套5的相对位置，保证磁吸附过程磁棒6与搅拌套5不脱离。第三行程开关123控制搅拌套5下降的最低位置，当搅拌时，控制搅拌套5运动的参考位置。第四行程开关124及第五行程开关125作为深孔板2左右运动的限位及运动参考。
[0044]如图9所示，本实施例还提供一种基于纳米磁珠的核酸提取方法:
[0045](1)系统机械结构检测定位，保证搅拌套5、深孔板基座4、磁棒6处于正确位置。通过上位机设定裂解洗脱温度、磁吸时间、混匀速度、混匀时间，通过控制电路控制第一步进电机71、第二步进电机72、第三步进电机73的运动，进而控制搅拌套5、磁棒6及深孔板2的运动；
[0046](2)在深孔板2中加入核酸提取试剂，裂解槽中加入裂解液及样本，磁珠溶液槽中加入磁珠，洗涤槽中加洗涤液，洗脱槽中加入洗脱液，完成后，将深孔板2放入深孔板放置底座4中，然后将搅拌套5插入搅拌套夹持结构10中；
[0047](3)搅拌套5进入裂解槽中上下搅拌混匀，振幅为5mm或者是其他合适的振幅，加热块按照上位机设定温度对裂解液加热，加速样本裂解，释放核酸，此时磁棒6停留在搅拌套5的正上方，裂解完 成后搅拌套回到初始位置；
[0048](4)深孔板2移动使盛放磁珠溶液的孔处于磁棒6及搅拌套5的正下方，磁棒6进入搅拌套5底部后同时向下运动到磁珠溶液中，此时磁珠将被吸附到搅拌套5表面，磁吸附后磁棒6及搅拌套5同时向上运动到离深孔板上方2mm处，移动深孔板2使盛放裂解溶液的孔处于磁棒6及搅拌套5的正下方，磁棒6进入搅拌套5底部后同时向下运动到裂解溶液中，磁棒6向上移出搅拌套5，磁力消失时候，磁珠释放进入裂解液中，同时搅拌套5上下搅拌促进磁珠与核酸之间的结合；
[0049]此过程能够完成了磁珠由磁珠溶液槽到裂解槽的转移，在以后的步骤中都需要先将磁珠转移到指定槽中再操作。
[0050](5)利用磁棒6与搅拌套5将磁珠转移至洗涤孔中，洗涤I至3次；
[0051](6)利用磁棒6与搅拌套5将磁珠转移至洗脱孔中，进行洗脱，完成后，把磁珠回收到最初的磁珠溶液中。
[0052]如图9对应的实施过程为样本裂解-收集磁珠至裂解孔-磁珠与核酸结合-收集磁珠-收集磁珠至洗涤孔-一次洗涤-二次洗涤-三次洗涤-转移磁珠到洗脱孔-洗脱-回收磁珠-仪器归位。
[0053]整个核酸提取过程可以在加热的环境下进行，加热可以提高各个步骤的效率，促使每个步骤更加实施充分。
[0054]本发明所使用的实验样品不受限制，只需实验样品中含有核酸，可处理血液、动植物组织、细菌、细胞、病毒、骨髓、体液等普通样本，也可处理土壤、粪便、头发、石蜡包埋组织、骨骼、牙齿、
[0055]指甲等疑难样本。含有核酸的样品可以是仅含有一种核酸的样本，[0056]也可是含多种核酸的样本。回收核酸的种类亦不受限制，DNA或RNA，单链或双链，直链或环状均可。该核酸提取仪可以配合市场上各类商业化生产的基于磁珠法的核酸提取试剂盒，只需要根据试剂盒说明书适当调节一下搅拌速度及磁吸时间等参数。该核酸提取仪可适用于医药、生物、农业等领域的样品检验前处理
[0057]以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种基于纳米磁珠的核酸自动提取装置，其特征在于，所述装置包括基座(1)，设于基座(1)上的电机、磁棒(6 )及磁棒夹紧机构(3 )、搅拌套(5 )、搅拌套夹紧机构(10 )、深孔板(2)、控制电路及上位机；所述电机用于控制磁棒(6)及磁棒夹紧机构(3)、搅拌套(5)及搅拌套夹紧机构(10)、深孔板(2)的运动；所述控制电路包括电机驱动电路、通信电路以及一个控制装置运行位置的定位电路；所述上位机包括控制装置参数的程序；磁棒(6)与搅拌套(5)的孔一一对应，可插入到搅拌套(5)中；所述深孔板(2)包括盛放裂解液的裂解槽，盛放磁珠溶液的槽，盛放洗涤液的洗涤槽，盛放洗脱液的洗脱槽。
2.根据权利要求1所述的基于纳米磁珠的核酸自动提取装置，其特征在于，所述深孔板(2)有深孔板放置底座(4)，所述底座(4)包括基座、加热片、及导热块，加热片位于基座上，且与导热块底部表面紧密接触，所述导热块与深孔板的底部表面紧密契合，保证接触加热效率，所述控制电路包括温度检测与加热控制电路。
3.根据权利要求2所述的基于纳米磁珠的核酸自动提取装置，其特征在于，所述电机包括三个步进电机，步进电机连接四线螺纹高精度丝杆，丝杆与搅拌套夹紧机构(10)、磁棒夹紧机构(3)及深孔板放置底座(4)相连，将步进电机的圆周运动转化成直线运动，分别控制搅拌套(5)、磁棒(6)在竖直方向的运动及深孔板(2)在横向上的运动。
4.根据权利要求2所述的基于纳米磁珠的核酸自动提取装置，其特征在于，所述控制电路采用STM32作为主控制芯片，包括步进电机驱动电路，通信电路，所述上位机包括电机控制程序，所述电机控制程序按照核酸提取要求控制电机精确运动，电机控制模式为PWM控制。
5.根据权利要求2所述的基于纳米磁珠的核酸自动提取装置，其特征在于，所述磁棒夹紧机构(3)采用Z字形设计，所述磁棒(6)上部分为铁棒，下部分为磁性材料，所述深孔板(2)的底面为圆球凸面，所述导热块具有圆球凹面，与深孔板的圆球凸面紧密契合。
6.根据权利要求2所述的基于纳米磁珠的核酸自动提取装置，其特征在于，所述定位电路包括分布在合适位置的5个行程开关。
7.根据权利要求2所述的基于纳米磁珠的核酸自动提取装置，其特征在于，所述深孔板基座包括条形槽及沉孔，条形槽中埋入加热片，通过螺钉将翼型导热块固定到加热片的上表面，加热片电线通过小孔接入到电路系统中；所述沉孔用于固定深孔板放置底座。
8.根据权利要求3中所述的基于纳米磁珠的核酸自动提取装置，其特征在于，所述步进电机包括第一步进电机(71)、第二步进电机(72)、第三步进电机(73)，所述滑杆包括第一滑杆(81)、第二滑杆(82)、第三滑杆(83)，所述丝杆包括第一丝杆(91)、第二丝杆(92)、第三丝杆(93)，所述联轴器包括第一联轴器(111)、第二联轴器(112)、第三联轴器(113)，其中第一步进电机(71)、第二步进电机(72)采用立式，第三步进电机(73)采用卧式，第一步进电机(71)在第二步进电机(72 )左边，并保证磁棒夹紧机构(3 )在搅拌套夹紧机构(10 )的上方，第一步进电机(71)经过第一联轴器(111)与第一丝杆(91)相连，磁棒夹紧机构(3)与第一丝杆(91)相连，电机转动时带动磁棒夹紧机构(3)沿着第一滑杆(81)上来回运动；第二步进电机(72)经过第二联轴器(112)连接第二丝杆(92)，搅拌套夹持机构(10)连接第二丝杆(92 )，搅拌套(5 )可插入搅拌套夹持机构(10 )中，第二步进电机(72 )正反转带动搅拌套(5 )沿第二滑杆(82 )上下运动；第三步进电机(73 )经过第三联轴器(113)与第三丝杆(93 )相连，深孔板放置底座(4 )与第三丝杆(93 )相连，沿着第三滑杆(83 )左右运动。
9.根据权利要求3所述的基于纳米磁珠的核酸自动提取装置，其特征在于，所述深孔板(2)为96孔深孔板(2)、搅拌套(5)为8样本搅拌套(5)，所述深孔板(2)孔的排列为8行12列，1、7列为裂解槽，盛放裂解液；2、8列为盛放磁珠溶液槽；3、4、5列为洗涤槽，分别盛放三种洗涤液；9、10、11列为洗涤槽，分别盛放三种洗涤液。
10.根据权利要求2至9中任意一项所述的基于纳米磁珠的核酸自动提取装置进行核酸提取的方法，其特征在于: 步骤一:系统机械结构检测定位，保证搅拌套(5)、深孔板放置底座(4)、磁棒(6)处于正确位置。通过上位机设定裂解洗脱温度、磁吸时间、混匀速度、混匀时间，通过控制电路控制电机的运动，进而控制搅拌套(5)、磁棒(6)及深孔板(2)的运动； 步骤二:在深孔板(2)中加入核酸提取试剂，裂解槽中加入裂解液及样本，磁珠溶液槽中加入磁珠，洗涤槽中加洗涤液，洗脱槽中加入洗脱液，完成后将深孔板(2)放入深孔板放置底座(4)中，然后将搅拌套(5)插入搅拌套夹持结构(10)中； 步骤三:搅拌套(5)进入裂解槽中上下搅拌混匀，加热块按照上位机设定温度对裂解液加热，加速样本裂解，释放核酸，此时磁棒(6 )停留在搅拌套(5 )的正上方，裂解完成后搅拌套回到初始位置； 步骤四:移动深孔板(2)使盛放磁珠溶液的孔处于磁棒(6)及搅拌套(5)的正下方，磁棒(6)进入搅拌套(5)底部后同时向下运动到磁珠溶液中，此时磁珠将被吸附到搅拌套(5)表面，磁吸附后磁棒(6)及搅拌套(5)同时向上运动到深孔板上方，移动深孔板(2)使盛放裂解溶液的孔处于磁棒(6 )及搅拌套(5 )的正下方，磁棒(6 )进入搅拌套(5 )底部后同时向下运动到裂解 溶液中，磁棒(6)向上移出搅拌套(5)，磁力消失时候，磁珠释放进入裂解液中。同时搅拌套(5)上下搅拌促进磁珠与核酸之间的结合； 步骤五:利用磁棒(6)与搅拌套(5)将磁珠转移至洗涤孔中，洗涤I至3次； 步骤六:利用磁棒(6 )与搅拌套(5 )将磁珠转移至洗脱孔中，进行洗脱，完成后，把磁珠回收到最初的磁珠溶液中。
【文档编号】C12M1/42GK103897987SQ201410054906
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年2月18日 优先权日:2014年2月18日
【发明者】李莉, 江琴, 林建涵, 张彦娥, 王禹贺, 陈雅慧 申请人:中国农业大学