一种核酸提取检测一体机的制作方法

本发明属于生物学检测领域，涉及一种核酸检测装置，尤其是涉及一种核酸提取检测一体机。

背景技术：

1、核酸是分子生物学研究的基础，高质量的核酸是进行分子标记、基因克隆及基因表达研究等的必要前提。由于生物样本(例如血液、唾液、精液或其他分泌物)成分复杂，通常需要将其中的目标核酸提取、纯化出来并进行扩增后才能开展后续研究。目前现有的核酸提取、扩增主要存在以下问题：(1)面对数量巨大以及复杂的样本处理、核酸提取、纯化及扩增步骤，人工操作容易出现失误，并且使得整体操作步骤复杂，无法进行高效、快速的目标核酸提取扩增；(2)大多数分子诊断都需要在实验室内进行，很多基层单位不具备建立标准分子诊断实验室的条件，再加上操作人员的操作习惯及熟练程度不同，核酸在提取、扩增的过程中容易发生样品的交叉污染；(3)现有的核酸提取仪器及pcr仪往往体积较大，不适合在取样现场使用，这在一定程度上限制了分子诊断的应用范围。将核酸的提取、扩增进行全自动、全封闭、一体化运行，可以缩短核酸提取、扩增流程，减少人为因素的影响，增强核酸样品制备的安全性和有效性，并且可以实现适应基层或现场快速检测需求的装置小型化、便携化要求，是开发新型核酸提取仪的主要研究方向。

2、由于核酸提取纯化用耗材通常为一次性用品，因此核酸提取仪需要通过活塞相关组件与一次性耗材进行对接，但现有的核酸提取仪普遍是通过手动来实现与耗材的结合使用，以及使用完毕的分离，手动操作影响了核酸提取的效率，降低了自动化水平，因此急需一种能实现核酸提取仪与耗材的自动结合与分离的装置。

3、现有的核酸提取纯化用耗材结构复杂，通常设有较大的容纳反应或洗涤后产生废液的腔室，同时核酸扩增部分普遍设计较复杂，这主要是为了既能拆卸并转移至其他装置加热又能确保密封效果，而且一次只能进行一种核酸的扩增，当有多个项目时则需多次操作，耗费大量时间。

4、在核酸提取仪进行核酸提取、扩增过程中，需要驱动其中的通道转盘按照预设的转动角度精确转动，因此为了实现全自动，核酸提取仪还必须采用结构非常复杂精密的电机驱动装置，价格昂贵，且难以实现小型化、便携化的要求。另外，目前还没有能够实现核酸的提取、扩增、检测进行全自动、全封闭、一体化运行的核酸提取仪的相关报道。

5、因此急需找到一种能实现核酸的提取、扩增、检测分析一体化、结构简单、体积小、自动化水平高、且能同时进行多个项目检测的核酸提取检测一体机。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种核酸提取检测一体机，通过设置活塞驱动机构，顺利实现活塞推动杆与耗材中的活塞自动结合和自动分离，进一步提升了核酸提取仪的自动化水平，使核酸提取实验更加便捷，提高核酸提取的效率；通过在蜗轮蜗杆传动装置中设置复位弹簧，实现在低速低负载情况下，驱动核酸提取仪中通道转盘的高精度转动，从而精确控制通道转盘每一次的转动角度，使通道转盘中的微通道与核酸提取仪中各个腔室的微孔准确连接；微孔与微通道的孔径为600微米，根据工作程序设置，使通道转盘每次需要连通的时候精准转动35～151度，从而连通核酸提取仪中的不同腔室，并保持稳定不会出现液体泄漏，而且结构简单，成本低，安装调试和维护方便，特别适用于小型化、便携化的核酸提取检测一体机；同时设计了一种结构更简单、体积更小，并能同时进行多个项目检测的核酸提取纯化用耗材。本发明提供的核酸提取检测一体机能够真正实现核酸的提取、扩增、检测分析的全自动、全封闭、一体化运行，结构简单、体积小、自动化水平高、且能同时进行多个项目检测，尤其适合于基层或现场快速检测的需求。

2、本发明提供的核酸提取检测一体机，包括核酸提取扩增部件和驱动部件；所述核酸提取扩增部件用于提取、纯化、扩增样品中的核酸；所述驱动部件用于承载并驱动核酸提取扩增部件工作，包括活塞驱动机构和蜗轮蜗杆传动机构；所述蜗轮蜗杆传动机构设有能复位的弹性元件，用于向蜗杆轴提供推力，使蜗杆向蜗轮靠近从而消隙。

3、核酸提取检测一体机为了实现核酸的提取、扩增进行全自动、全封闭、一体化运行，需要驱动其中的通道转盘在规定时间按照预设的转动角度精确转动，从而保证核酸提取检测一体机内部的微通道根据工作程序设置，在需要连通的时候精准连通，在需要断开时准确断开。核酸提取检测一体机的微通道非常狭窄，若通道转盘的转动角度或转动时间存在一点点误差，都有可能导致微通道在规定时间无法连通，从而使核酸的提取或扩增过程中断而无法正常进行，因此必须通过驱动机构来实现精密控制，保证每一次通道转盘都按照预设的角度精确转动，不能出丝毫误差。同时通道转盘的转速较慢，为低速低负载的转动，必须找到最适合于低速低负载，且能实现高精度传动的传动装置，才能实现转动角度的精确控制。可见为了实现核酸提取扩增的全面自动化，核酸提取检测一体机还必须采用结构非常复杂精密的电机来驱动通道转盘的转动，但是复杂精密的驱动设备通常价格昂贵，且难以实现小型化、便携化的要求。

4、为了实现核酸提取检测一体机中对通道转盘转动角度的精确控制，需要一种能在低速低负载情况下实现高精度传动的装置，并且需结构简单成本低，安装调试和维护方便。本发明通过采用改进的蜗轮蜗杆传动机构，以结构更简单和成本更低的方式，实现了对核酸提取检测一体机通道转盘转动角度的精确控制。

5、进一步地，所述能复位的弹性元件为复位弹簧，所述复位弹簧位于蜗杆轴的第一端，蜗杆轴的第二端采用角接触轴承进行挠性固定。

6、进一步地，所述复位弹簧的数量为一根，复位弹簧的第一端通过连接模块与蜗杆轴活动连接，所述连接模块上设有弧形槽体，通过弧形槽体与蜗杆轴直接接触，使蜗杆轴转动过程中不会受到摩擦力影响。

7、在一些方式中，所述连接模块上的弧形槽体为半圆形槽体，方便连接和取下。

8、进一步地，所述连接模块采用润滑材料制得，所述弧形槽体上设有弧形凸棱，与蜗杆轴上的弧形凹槽相配合。

9、在一些方式中，蜗杆轴的端部设有弧形凹槽，弧形槽体上的弧形凸棱与蜗杆轴上的弧形凹槽相配合，能进一步固定连接模块，防止发生左右位移从而影响消隙效果。

10、进一步地，所述连接模块采用pom(聚甲醛树脂，polyoxymethylene/polyformaldehyde)或氟特龙(聚四氟乙烯，polytetrafluoroethylene)材料制备。

11、在一些方式中，本发明提供的连接模块采用价格更低的自润滑材料pom制备，在使用过程中无需添加润滑油等，即可实现蜗杆轴的自由转动，转动过程中不会受到摩擦力影响，尽可能降低磨损。

12、进一步地，所述复位弹簧的第二端固定在底座上，复位弹簧的弹性模量为0.5～1.0n/m2。

13、在一些方式中，复位弹簧的弹力可以根据驱动蜗轮蜗杆无间隙传动所需的驱动力来进行推算，当复位弹簧的弹力过高时，将导致蜗杆轴转动摩擦力增大，转速降低，从而影响传动精度，当复位弹簧的弹性模量过低时，蜗轮蜗杆的消隙效果降低，同样影响传动精度。用于本发明提供的核酸提取仪所需复位弹簧的弹力需达到3～5n，此时弹性模量为0.5～1.0n/m2，此时传动精度高，蜗轮蜗杆的的消隙效果最佳，能在规定时间精确控制核酸提取仪中通道转盘的转动角度。

14、进一步地，所述蜗轮蜗杆传动机构包含蜗轮和蜗轮轴、蜗杆和蜗杆轴、包含复位弹簧的蜗轮蜗杆消隙机构、以及用于固定蜗轮蜗杆和蜗轮蜗杆消隙机构的支架。

15、在一些方式中，蜗杆通过紧定螺钉锁固在蜗杆轴上，蜗轮通过紧定螺钉锁固在蜗轮轴上。

16、进一步地，所述角接触轴承过盈压入支架，蜗杆轴第二端通过锁紧螺母锁定在角接触轴承上；所述复位弹簧的底座固定在支架上。

17、在一些方式中，所述角接触轴承还可以采用两侧用轴承端盖压住固定在支架上，再用螺丝进一步固定。

18、进一步地，还包括电机，电机能驱动电机轴转动；所述蜗杆轴通过联轴器与电机轴相连；联轴器为带有挠性的膜片联轴器。

19、电机驱动电机轴转动，电机轴通过膜片联轴器高精度、无旋转间隙地驱动蜗杆轴转动。

20、进一步地，所述活塞驱动机构包括活塞杆、结合运动组件和分离运动组件；结合运动组件能使活塞与活塞杆结合，从而使活塞杆带动活塞上下运动；分离运动组件通过弹出推杆阻止活塞运动，从而使活塞脱离继续运动中的活塞杆。

21、核酸提取检测一体机还需要通过一次性耗材来实现核酸的提取、纯化、扩增，主要通过核酸提取仪中的活塞推动杆(以下简称活塞杆)驱动耗材中活塞进行上下的抽、吸运动，产生的抽、吸力来改变耗材中各区域的气压，从而来控制耗材中的流体在不同区域之间流动。为了实现核酸提取检测一体机的活塞杆与耗材的活塞进行自动对接，本发明还设计了一种活塞装置运动组件(活塞驱动机构)，通过结合运动组件和分离运动组件来实现活塞与活塞杆的自动结合与分离。

22、进一步地，所述分离运动组件通过弹出推杆阻止顶板向上运动，在顶板的限制下，活塞停止向上运动，从而使活塞脱离继续向上运动的活塞杆。

23、在一些方式中，顶板为板状结构，当推杆弹出时，正好横在顶板上方，使顶板无法继续上行，位于顶板下方的活塞也被顶板拦住，无法继续与活塞杆一起上行，导致活塞与继续上行的活塞杆分离。

24、进一步地，所述推杆由电磁铁控制弹出或收回，当电磁铁从一个方向通电时，推杆弹出，当电磁铁换反方向通电时，推杆收回。

25、当电磁铁从一个方向通电时，产生磁性，使推杆因磁性的同极相斥而被推出；当电磁铁从另一个方向通道时，产生了相反的磁性，使推杆因磁性的异极相吸而被收回。

26、进一步地，所述结合运动组件包括运动模块，所述运动模块用于控制活塞和活塞杆的上下运动，所述顶板设于运动模块下方，能跟随运动模块一起上下运动。

27、在一些方式中，所述运动模块由核酸提取仪中的电机来控制上下运动，从而带动活塞杆，并由活塞杆带动活塞一起上下运动。

28、进一步地，所述活塞杆穿过顶板与运动模块连接成一体，顶板可活动地由下向上套在活塞杆上。

29、在一些方式中，活塞杆为圆筒形杆状结构，活塞杆与运动模块相互连接成一体，随运动模块一起上下运动；顶板上设有直径与活塞杆圆筒横截面直径相配合的第一圆形贯穿孔，使顶板能由下向上套在活塞杆上。

30、进一步地，所述顶板下方设有弹簧，当推杆弹出阻止顶板向上运动时，弹簧被压缩，当推杆缩回，弹簧复原，推动顶板向上归位。

31、进一步地，所述弹簧套在滑杆上，所述滑杆穿过顶板与运动模块相连，顶板可沿滑杆上下位移，滑杆下方设有底座，底座直径大于弹簧直径。

32、在一些方式中，顶板由下向上套在活塞杆上后，顶板的另一侧设有与滑杆直径相配合的第二圆形贯穿孔，滑杆上套有弹簧，滑杆下方设有底座，底座直径大于弹簧直径，使弹簧下端被底座固定。弹簧和滑杆一起用于支撑顶板，同时滑杆具有一定长度，滑杆的长度决定了顶板离开运动模块的最大距离。

33、在一些方式中，当推杆伸出时，挡住顶板，使其不能继续随运动模块上行，从而阻止活塞不能随活塞杆继续上行，活塞和活塞杆分离。滑杆为保证顶板离开运动模块，以及活塞和活塞杆分离提供了足够的长度。

34、进一步地，所述结合运动组件包括设置在活塞杆外壁的凹槽，和设置在活塞内壁的凸棱；当活塞杆下行插入活塞时，凹槽可与凸棱配合，从而使活塞与活塞杆结合在一起。

35、在一些方式中，所述活塞杆外壁的凹槽为环绕一周的环形凹槽；

36、在一些方式中，所述活塞内壁的凸棱为环绕一周的环形凸棱；

37、在一些方式中，所述活塞内壁的凸棱由对称排布的多块小凸棱组成。

38、进一步地，所述活塞为空心圆筒，活塞上端的横截面直径大于下端的横截面直径，且活塞上端的横截面直径与活塞杆的横截面相配合，使活塞杆和活塞上端能够紧密结合。

39、进一步地，活塞上端的圆筒壁上设有纵向开槽，当活塞杆插入时，活塞上端在开槽作用下可使横截面直径增大，便于活塞杆插入活塞并通过凹槽和凸棱结合在一起。

40、开槽的设置，为活塞上端的圆筒壁的横截面直径提供了向外扩增的弹性空间。

41、在一些方式中，当活塞杆插入时，活塞杆使活塞的圆筒壁在开槽的作用下稍稍向四周扩增，从而方便活塞杆顺利插入，并在活塞杆的凹槽和活塞的凸棱配合后，活塞上端的圆筒壁恢复到原有直径，从而使活塞杆和活塞上端紧密结合。

42、进一步地，所述核酸提取扩增部件包括核酸提取元件、反应腔和核酸扩增元件；所述核酸提取元件用于存放核酸裂解、洗涤所需试剂及产生的废液；反应腔可选择性地与核酸提取元件或核酸扩增元件连通，从而分别实现流体交换或混合；核酸扩增元件包括pcr管和pcr管通道，pcr管通道在pcr管的入口位置偏离pcr管的中心线。

43、本发明所述的核酸提取扩增部件为装在核酸提取检测一体机中的核心部件，由于该部件每次需彻底清洁无菌才能使用，因此一般制成一次性耗材进行使用，因此本发明中也把核酸提取扩增部件称为耗材，当然也可以制成可重复使用的部件。

44、所述pcr管的流体入口位置偏离中心线，是指流体进入pcr管时不是从管口中间进入，而是需要偏离中心位置，从靠近pcr管一侧进入，但是又不能沿管口壁直接进入。由于pcr管的管口内壁需要疏水处理，因此流体不能沿管口壁直接进入，但如果流体从管口中间进入时，非常容易发生流体溅射，影响检测灵敏度，而当从偏离管口中心位置进入时，可使流体在下落过程中先接触部分pcr管下侧的内壁，然后再沿内壁向下流动，明显减少了流体溅射的发生，又能保证管口附近的内壁不会沾到流体，从而能保证检测结果更精准。

45、本发明提供的核酸提取扩增部件，由于其中的pcr管可以通过核酸提取检测一体机的驱动部件直接对其进行加热，因此无需拆卸并转移至其他装置加热。

46、进一步地，所述核酸提取元件包括裂解仓和洗涤仓，所述裂解仓用于存放样品、裂解液、磁珠及裂解后产生的废液；所述洗涤仓用于存放洗涤液及洗涤后产生的废液，洗涤仓的数量为一个或一个以上；所述裂解仓或洗涤仓底部都设有通孔，可分别与反应腔连通。

47、进一步地，所述洗涤仓包括一级洗涤仓和二级洗涤仓，分别用于对裂解后样品的第一次洗涤和第二次洗涤，所述一级洗涤仓或二级洗涤仓底部都设有通孔，可分别与反应腔连通。

48、进一步地，所述核酸扩增元件还包括pcr试剂仓和石蜡油仓，所述pcr试剂仓用于存放pcr试剂，石蜡油仓用于存放石蜡油，石蜡油用于热封pcr管；所述pcr试剂仓或石蜡油仓底部都设有通孔，可分别与反应腔连通。

49、进一步地，还包括通道转盘，所述通道转盘上设有底部通道；通过转动通道转盘，可使反应腔通过底部通道分别与裂解仓、一级洗涤仓、二级洗涤仓、pcr试剂仓、石蜡油仓或pcr管通道连通。

50、在一些方式中，通道转盘仅设置一条底部通道，因此反应腔每次通过底部通道仅能与一个腔室连通。

51、进一步地，还包括贴膜，贴膜上设有与反应腔、核酸提取元件和核酸扩增元件连通的通孔，其中贴膜在pcr管的入口位置的通孔偏离pcr管的中心线。

52、本发明通过设置贴膜上的通孔来作为流体通道的一部分，通过贴膜可以将pcr管通道引向pcr管的入口位置。

53、进一步地，所述反应腔设有活塞，通过活塞的位移带来压力变化，从而促进流体在反应腔与裂解仓、或反应腔与一级洗涤仓、或反应腔与二级洗涤仓、或反应腔与pcr试剂仓、或反应腔与石蜡油仓、或反应腔与pcr管通道之间流动。

54、进一步地，所述反应腔设有中空容纳腔，用于容纳磁棒，所述活塞为中空圆筒，活塞内的中空圆筒直径与中空容纳腔直径相配套，使活塞可套在中空容纳腔外，并沿中空容纳腔外壁上下运动。

55、进一步地，还包括上盖和底盖，上盖附有防水透气膜，用于气体交换和防止生物污染；所述底盖上设有容纳通道转盘的贯穿区域，pcr管与底盖相连；所述pcr管和pcr管通道的数量为1根或1根以上。

56、进一步地，所述pcr管和pcr管通道的数量都为3根。

57、进一步地，所述核酸提取元件或核酸扩增元件还设有预留仓，所述预留仓可分别与反应腔连通。

58、本发明提供的核酸提取与扩增装置中无需设置存储废液的腔室，待检测dna被磁珠吸附后，因磁棒对磁珠的吸附作用，使磁珠始终被吸附在反应腔内，而裂解、洗涤后产生的废液在活塞作用下被分别被压回裂解仓、洗涤仓内；由于通道转盘仅设有一条底部通道，随着通道转盘的转动，使裂解仓、洗涤仓都不再与反应腔连通，从而使待测dna与废液彻底分离。

59、进一步地，所述驱动部件还可对核酸提取扩增部件进行加热和控温。

60、进一步地，本发明提供的核酸提取检测一体机还包括光路部件，用于对核酸提取扩增部件扩增结果进行荧光采集。

61、进一步地，本发明提供的核酸提取检测一体机还包括垂直移动部件和水平移动部件，所述垂直移动部件用于控制核酸提取扩增部件(耗材)的上下运动以及磁棒的上下运动，所述水平移动部件用于控制垂直移动部件的前后进出运动。

62、进一步地，本发明提供的核酸提取检测一体机还包括底板，所述底板为核酸提取检测一体机提供支撑框架。

63、再一方面，本发明还提供了如上所述的用于核酸提取检测一体机的蜗轮蜗杆传动机构用于精确控制核酸提取仪中通道转盘每一次的转动角度的用途，所述通道转盘中的微通道孔径为600微米，通道转盘每次的转动角度为35～151度。

64、本发明所述的核酸提取检测一体机中含有核酸提取扩增部件(耗材)和通道转盘，通道转盘通过与蜗轮轴相连的转盘底座精密配合；所述核酸提取扩增部件主要由具有多个腔体的壳体组成，所述腔体包括反应腔、裂解仓、一级洗涤仓、二级洗涤仓、pcr试剂仓、石蜡油仓、pcr管和pcr管通道，每个腔体底部分别设有微孔，其中反应腔底部绕其一周分别设有与裂解仓、一级洗涤仓、二级洗涤仓、pcr试剂仓、石蜡油仓和三条pcr管通道所对应的9个微孔；通道转盘上设有两个转盘微孔，及连通这两个转盘微孔的一条底部通道。通过转动通道转盘，可使反应腔通过底部通道分别与裂解仓、一级洗涤仓、二级洗涤仓、pcr试剂仓、石蜡油仓或pcr管通道连通。其中初始位置时，通道转盘中的微通道使反应腔与裂解仓连通；裂解结束后，通道转盘需要顺时针转动50度，使反应腔与一级洗涤仓连通；第一次洗涤结束后，通道转盘需要顺时针转动50度，使反应腔与二级洗涤仓连通；第二次洗涤结束后，通道转盘需要顺时针转动42度，使反应腔与pcr试剂仓连通；核酸提取完成后，待测核酸转移至反应腔，此时通道转盘需要顺时针转动128度，使反应腔与第二条pcr管通道连通；待测核酸转移至pcr管后，通道转盘需要逆时针转动93度，使反应腔与石蜡油仓连通；石蜡油转移至反应腔后，通道转盘需要顺时针转动128度，使反应腔再次与第二条pcr管通道连通，将石蜡油转移至pcr管进行热封，之后进行pcr扩增反应。

65、在一些方式中，本发明提供的核酸提取检测一体机中各腔室的微孔，以及通道转盘中的微孔和微通道孔径都为600微米。可以理解，孔径越小，需要控制通道转盘的转动角度就需要越精密，稍有误差就可能会出现样本泄漏等问题，而且通道转盘与转盘底座的精密配合，也需要通过蜗轮轴提供稳定性，使转盘底座更加稳定，从而保证通道转盘的精准转动。

66、还有一些方式中，活塞驱动机构在通过活塞杆上下驱动活塞运动时，也会带来耗材的轻微晃动，容易影响通道转盘与转盘底座的精密配合，本发明提供的蜗轮蜗杆传动机构，通过蜗轮轴能充分保证通道转盘的稳定性，使其与转盘底座精密配合，在蜗轮的低速转动下，实现通道转盘的精确转动，从而保证核酸提取扩增的顺利进行。

67、本发明通过结构简单、成本低、体积小、安装调试和维护方便的驱动装置来取代研究初期采用的昂贵精密电机，成功解决了核酸提取仪在低速低负载情况下，对孔径为600微米的微孔与微通道的精确连通，且连通后能保持稳定，不会出现样本泄漏的问题。

68、本发明提供的核酸提取检测一体机具有以下有益效果：

69、(1)通过特定结构的蜗轮蜗杆传动机构，能驱动通道转盘在规定时间按照预设的转动角度精确转动，从而保证内部微通道根据工作程序设置，在需要连通的时候精准连通，在需要断开时准确断开；

70、(2)实现了核酸提取仪在低速低负载情况下，对孔径为600微米的微孔与微通道的精确连通，精确控制转动角度，保证每次35～151度角的精密转动，不会出现样本泄漏的问题；

71、(3)在孔径为600微米的微孔与微通道的精确连通后，还能持续保持稳定，不会因核酸提取仪的工作过程中因活塞杆上下驱动活塞运动时带来振动而影响下一次转动角度的精密性；

72、(4)通过设置结合运动组件和分离运动组件，顺利实现核酸提取仪上的活塞推动杆与耗材中的活塞自动结合和自动分离，进一步提升了核酸提取仪的自动化水平，结构简单，设计巧妙，使核酸提取实验更加便捷，提高核酸提取的效率；

73、(5)核酸提取扩增部件(耗材)中无需设置存储废液的腔室；

74、(6)可同时进行多个项目的检测；

75、(7)结构更简单，体积更小，功能更全面，低成本，低能耗，安装调试和维护方便，符合核酸提取仪的小型化、便携化的要求。