用于提取生物活性物质的耗材、自动化装置和方法与流程

本发明涉及生命科学领域，具体地，涉及一种用于提取生物活性物质的耗材、自动化装置和自动化方法。

背景技术：

现代临床疾病诊断、法医学检定、环境微生物检测、食品安全检测、分子生物学等多种领域均需提取生物活性物质，如细胞、蛋白质、核酸(可分为核糖核酸(简称rna)和脱氧核糖核酸(简称dna))等生物活性物质。生物活性物质的提取尤其涉及分离纯化步骤，然而，由于生物样品的复杂性，分离纯化并非易事，特别是要对多个样品进行纯化还是相当困难的，不仅需要选择合适的纯化技术，而且工作量也特别大，很难满足当前飞速发展对高通量样品进行提取纯化的需求。

利用磁珠法提取生物活性物质尤其是像核酸那样的活性大分子是近几年生物科学和纳米材料科学二者合一的高新技术，该方法运用纳米技术对超顺磁性纳米颗粒的表面进行改良和表面修饰后，制备成超顺磁性氧化硅纳米磁珠。例如，该磁珠能在微观界面上与核酸特异性地识别和高效结合。利用氧化硅纳米微球的超顺磁性，在chaotropic盐(盐酸胍、异硫氰酸胍等)和外加磁场的作用下，能从血液、动物组织、食品、病原微生物等样本中分离出dna和rna，可应用在临床疾病诊断、输血安全、法医学鉴定、环境微生物检测、食品安全检测、分子生物学研究等多种领域。

上述利用磁珠法来自动提取生物活性物质的方法又可进一步划分为抽吸法和磁棒法。

例如，典型的利用抽吸法提取核酸的方法主要包括以下步骤：采用移液通道配合吸头向含有生物样本(例如血液、动物组织、食品、病原微生物)的敞开容器中注入裂解液，用吸头吹打混合；用吸头向该容器中注入磁性颗粒并吹打混合均匀，然后使该容器与磁铁靠近，使磁性颗粒吸附在该容器内壁上，随后用吸头将废液吸出；用吸头加入清洗液并吹打混合，以便达到清洗掉杂质的目的，随后使该容器与磁铁靠近，使磁性颗粒吸附在该容器内壁上，随后用吸头将废液吸出(根据需要，清洗步骤可重复多次)；用吸头加入洗脱液并吹打混合，促进核酸与磁性颗粒的解离，后将容器与磁铁靠近，使磁性颗粒吸附在该容器内壁上，然后用吸头将含有核酸的洗脱液吸出，得到纯化产物，进行后续操作。在抽吸法的各个步骤中，磁珠需始终被保留在容器内，因此吸头不能过于靠近容器中的磁珠以防磁珠连同废液被吸掉，这无疑会影响洗脱效率和纯度。

另一种是近年来发展起来的磁棒法，记载在例如文献us6447729、us6448092中。该方法包括的步骤与上述抽吸法大致相同，不同之处在于通过将磁性装置(例如由套管和磁棒构成)浸入含有磁珠的液体，使磁珠吸附在该磁性装置表面并转移到下一步骤相应的容器中，并且由磁性装置在敞开容器中的上下运动来实现各步骤中的混匀目的。该方法克服了上述抽吸法的缺陷，但磁性装置在上下移动过程中高频振荡，极易出现液体溅出和气溶胶，这种气溶胶是液体或固体微粒均匀地分散在气体中形成的相对稳定的悬浮体系，携带着样本分子，当分散在仪器内部的气溶胶或液体微滴进入其他样本中，就会造成样本的交叉污染。利用磁棒法的核酸提取仪由于技术和结构约束，无法实现完全封闭的样本提取环境，只能通过紫外灯进行消毒处理或加装大功率风扇将机器内气体抽离，减轻交叉污染的可能性，但无法根本上避免样本间的交叉污染。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于提供一种在提取生物活性物质时无交叉污染的自动化解决方案。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于提取生物活性物质的耗材，该耗材包括样本反应部件和密封地预装有试剂的多个管状部件，其中，所述样本反应部件包括用于发生各种反应的密闭腔室、用于加注样本的第一孔、多个用于接收所述管状部件的第二孔、用于排放废液的第三孔、用于收集生物活性物质的第四孔，所述第一孔、第二孔、第三孔、第四孔均通向所述密闭腔室并且均被密封，所述多个管状部件的一端均设有与其内壁密封地接合并可在其中滑动的活塞，另一端设有试剂出口，并且所述多个管状部件中的至少一个所预装的试剂内含有磁性颗粒。

采用如上所述的耗材来提取生物活性物质时，液体的混匀是通过旋转振荡装有该液体的密闭腔室来实现的，避免了传统抽吸法和磁棒法中液体的飞溅和气溶胶的形成，从而消除了交叉污染的可能性。此外，上述耗材的管状部件中预装有试剂(对于某些需在低温保存的试剂，可以将装有该试剂的管状部件或者整个耗材事先保存在低温场所)，与相应的自动化装置配合使用，可以全自动地实现生物活性物质的提取过程，从而避免了人为操作可能带来的误差或错误，提高了可靠性，节省了人工成本。

所述耗材还可以包括以下特征中的一个或多个，可以单独使用或组合使用：

-所述多个管状部件通过其设有试剂出口的一端密封地插入所述多个第二孔中，从而与所述样本反应部件构成一个整体。这样，使用者在获得所述耗材之后，无需自行进行管状部件与样本反应部件的组装，而是可以直接将该一体的耗材安装到配套使用的装置上进行生物活性物质的提取。显然，一体的耗材使用起来更方便，而且能够帮助使用者节约实验前的准备时间。

-所述第一孔、所述第二孔、所述第三孔、所述第四孔以及所述多个管状部件的试剂出口分别被第一密封塞、第二密封塞、第三密封塞、第四密封塞、第五密封塞密封。根据该方案，预装有各种试剂的管状部件与样本反应部件可以单独出售，以满足某些特殊试剂的保存要求(例如在低温保存)。在使用该分体式的耗材来提取生物活性物质之前，使用者需将所述各个密封塞去除，并将管状部件与样本反应部件组装在一起。虽然与一体式耗材相比，分体式耗材使用起来略显麻烦，但其更加灵活，能够满足更加多样的需求。

-所述样本反应部件为中空细长部件，包括相互大致垂直的底壁和纵向端壁，所述第四孔设置在所述纵向端壁上，所述第三孔设置在所述底壁上。这样，在排出提取好的生物活性物质时，可以将样本反应部件置于竖直状态(即其纵轴线处于竖直方向)，并使带有第四孔的纵向端壁朝下，借助于压力较为彻底地将含有生物活性物质的液体通过第四孔排到收集容器中。

-所述中空细长部件还包括与所述纵向端壁大致垂直且与所述底壁相对的顶壁，所述第一孔和所述多个第二孔均设置在所述顶壁上。这样的设置比较方便生物活性物质提取过程中各种操作步骤的实现，与该耗材配合使用的装置的结构也会比较简单。

-所述第三孔和/或所述第四孔被膜覆盖，所述膜被选择为使得只有在施加真空或压力的情况下，所述膜一侧的液体才能透过所述膜到达另一侧。这样，在使用配套的装置利用该耗材来提取生物活性物质时，要插入到第三孔和第四孔的废液收集导管和生物活性物质收集导管可以不用自带所述膜，使得直接使用采购的标准导管成为可能。

根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种用于提取生物活性物质的自动化装置，包括：

可旋转地安装在支架上的耗材固定装置，如上所述的耗材的样本反应部件能够可拆卸地固定在所述耗材固定装置上；

磁性部件，其与所述耗材固定装置能够相互靠近或远离；

按压杆，用于按压所述耗材的管状部件内的活塞，所述按压杆固定在升降机构上，能够在竖直方向上上下移动；

真空压力装置，能够产生真空和压力并连接到废液收集导管；以及

控制单元，能够控制所述耗材固定装置的旋转运动、所述按压杆的上下运动、所述磁性部件与所述耗材固定装置之间的相对运动、以及所述真空压力装置的运行。

上述自动化装置与前述耗材配合使用，在注入样本之后即可全自动地实现生物活性物质的提取，而且避免了交叉污染的可能。并且，这样的自动化装置体积小巧，运行安静，成本低廉，运行可靠。

上述自动化装置还可以包括以下特征中的一个或多个，可以单独使用或组合使用：

-所述耗材固定装置可沿顺时针和逆时针方向旋转到任意角度。这样，耗材固定装置可以带着固定在其上的耗材进行旋转振荡，以便在生物活性物质提取的各个步骤中对密闭腔室内的各种液体进行充分混合，促使各种反应充分发生。另外，在需要排出废液和提取好的生物活性物质时，可以将耗材的样本反应部件旋转到竖直状态，以便在真空或压力的帮助下更方便地彻底排空内部的液体。

-所述废液收集导管的用于插入所述样本反应部件的第三孔的端部覆盖有膜，所述膜被选择为使得只有在施加真空或压力的情况下，所述膜一侧的液体才能透过所述膜到达另一侧。这样的废液收集导管适用于耗材的第三孔不带膜的情况。

-所述自动化装置还包括生物活性物质收集导管，所述生物活性物质收集导管的一端覆有膜且用于插入所述样本反应部件的第四孔，其中所述膜被选择为使得只有在施加真空或压力的情况下，所述膜一侧的液体才能透过所述膜到达另一侧，所述生物活性物质收集导管的另一端通向生物活性物质收集容器。这样的生物活性物质收集导管适用于耗材的第四孔不带膜的情况。

-所述自动化装置还包括与所述废液收集导管连接的密闭的废液收集容器。这样，可以将实验过程中的各种废液都收集到一个密闭容器中，而后进行统一的无害化处理，减少甚至消除对环境的污染。

-所述耗材固定装置设有开口，使得当所述耗材的样本反应部件固定在所述耗材固定装置上后，所述磁性部件能够通过所述开口靠近或贴合所述样本反应部件的底壁。这样，当磁性部件靠近或贴合样本反应部件的底壁时，可以将密闭腔室内的磁性颗粒吸引到该腔室的内壁上，防止磁性颗粒随着液体被一同排出。

-所述耗材固定装置设有温控装置。该温控装置可以用于加热或者制冷，例如是设置在耗材固定装置表面上或内置在其中的加热片、加热毯、加热丝、半导体制冷片等。有了该温控装置，就可以在某些需要温度调节/控制的步骤中对密闭腔室内的液体加热或冷却或保温，这使本发明的自动化装置有更大的适用范围。

根据本发明的又一个方面，本发明还提供了一种提取生物活性物质的自动化方法，包括以下步骤：

步骤a：将样本加注到样本反应部件的密闭腔室中；

步骤b：将含有磁性颗粒的试剂加注到所述密闭腔室中；

步骤c：旋转所述样本反应部件以使所述密闭腔室中的液体混合均匀；

步骤d：使磁性部件接近或贴合所述样本反应部件的外壁，使得所述密闭腔室中的磁性颗粒吸附在所述样本反应部件的内壁上；

步骤e：排出所述密闭腔室中的液体。

在该方法中，液体的混匀是通过在密闭腔室中来回振荡而实现的，因此不存在液体溅出和形成气溶胶的问题，从根本上解决了交叉污染的问题。

在某些实施例中，所述方法还包括步骤f：将不含磁性颗粒的试剂加注到所述密闭腔室中。

上述各个步骤根据实际需要可以重复进行，以满足不同实验的需求。

在本发明中，术语“生物活性物质”是指源于生命体的物质和材料，包括但不限于源于人体、动物体、植物体、微生物体中的核酸、蛋白、多肽、代谢产物及其衍生物。

在本发明中，术语“耗材”是指用于生物活性物质提取过程的消耗品。

在本发明中，术语“样本”是指包含有要提取的生物活性物质的成分，例如血液、动物组织、食品、病原微生物。

在本发明中，术语“试剂”是指用于生物活性物质提取过程的液体，包括但不限于裂解液、生物酶、酶反应体系，磁性颗粒悬浊液、磁性颗粒与生物分子结合液、清洗液、洗脱液、pcr引物、测序接头、水、乙醇、异丙醇及上述液体的混合液。

在本发明中，术语“管状部件”是指中空的、具有一定容积的部件，其截面可以是任何合适的形状。

在本发明中，术语“磁性部件”是指任何具有磁性的部件或装置，例如永磁体或电磁体。

附图说明

下面将参照附图对本发明作进一步的详细说明。本领域技术人员容易理解的是，这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中相同的附图标记表示相同或相似的部件。为了说明的目的，这些图并非完全按比例绘制。

图1是根据本发明一个实施例的用于提取生物活性物质的耗材的分解示意图。

图2是图1中样本反应部件的示意性俯视立体图，为了清楚的显示其内部的构造，该图中没有示出该样本反应部件的顶壁。

图3是根据本发明一个实施例的用于提取生物活性物质的自动化装置的立体示意图，其中按压杆处于初始位置。

图4是根据本发明一个实施例的用于提取生物活性物质的自动化装置的立体示意图，其中按压杆已压入耗材的管状部件内。

图5是根据本发明一个实施例的用于提取生物活性物质的自动化装置的立体示意图，其中按压杆已离开耗材的管状部件并且耗材固定装置带着固定在其上的耗材旋转振荡。

图6是根据本发明一个实施例的用于提取生物活性物质的自动化装置的立体示意图，其中旋转振荡已完成，耗材固定装置带着固定在其上的耗材靠近了磁性部件。

图7是根据本发明一个实施例的用于提取生物活性物质的自动化装置的真空压力装置的工作原理示意图。

具体实施方式

首先，参考图1和图2来描述根据本发明一个实施例的用于提取生物活性物质的耗材100。如图1所示，耗材100包括样本反应部件120和多个管状部件110，这些管状部件内都密封地预装有试剂，例如裂解液、磁性颗粒悬浊液、蛋白酶k、清洗液、洗脱液等，其中至少一个管状部件内的试剂含有磁性颗粒。在图1所示的示例性实施例中，有7个圆柱形的管状部件110，但应当理解的是，本领域技术人员可以根据实际的需求来设置不同数量的、不同形状的管状部件。每个管状部件110的上端均设有与其内壁密封地接合并可在其中滑动的活塞(未示出)，下端设有试剂出口112。

如图1和图2所示，样本反应部件120包括用于发生各种反应的密闭腔室124、用于加注样本的第一孔114、多个用于接收所述管状部件的第二孔113、用于排放废液的第三孔127和用于收集生物活性物质的第四孔125，第一孔、第二孔、第三孔、第四孔均通向密闭腔室124。在该实施例中，样本反应部件120为中空细长部件，包括纵向端壁123、与纵向端壁123大致垂直的相对的顶壁121和底壁126，第一孔114和第二孔113均设置在顶壁121上，第三孔127设置在底壁126上(见图2)，第四孔125设置在纵向端壁123上。应当理解的是，第一孔、第二孔、第三孔、第四孔的数量、位置不一定是图中所示的那样，甚至在某些实施例中，它们中的某些可以是同一孔。

根据一个实施例变型，各管状部件110通过其下端密封地插入相应的第二孔113中，从而与样本反应部件120构成一个整体。在这种情况下，耗材100是预先组装好的一个整体，用于加注样本的第一孔114在耗材使用前需要封闭(例如用密封塞115)，另外用于排放废液的第三孔127和用于收集生物活性物质的第四孔125也需要封闭，以免灰尘、杂质等进入密闭腔室中，污染反应环境。

根据另一个实施例变型，各管状部件110与样本反应部件120并不事先组装在一起，这样可以满足某些特殊试剂的存储要求(例如，低温保存)。在这种情况下，第一孔114、第二孔113、第三孔127、第四孔125以及各个管状部件110的试剂出口112均需要封闭(例如借助于密封塞)，以免灰尘、杂质等进入密闭腔室中，污染反应环境。在进行生物活性物质提取实验之前，只需按照预定的顺序将各管状部件110插入相应的第二孔113即可。

第三孔127和/或第四孔125可以被膜覆盖，所述膜被选择为使得只有在施加真空或压力的情况下，所述膜一侧的液体才能透过所述膜到达另一侧。可替代地，第三孔127和/或第四孔125也可以不带有具有上述性质的膜，而是将该膜设置到将插入所述孔的导管端部。在下文对根据本发明的自动化装置的运行的描述中，将更清楚地了解该膜的作用。

下面将结合图3至图6来描述根据本发明一个实施例的用于提取生物活性物质的自动化装置200，其包括耗材固定装置240、磁性部件250、按压杆260、真空压力装置300(见图7)以及控制单元(未示出)。

其中，耗材固定装置240安装在支架230上并能围绕其轴线a沿顺时针或逆时针方向旋转到任意角度。如上所述的耗材100的样本反应部件120能够可拆卸地固定在耗材固定装置240上,在该实施例中，样本反应部件120通过其底壁122的凸缘126与耗材固定装置240两端的凹槽241配合而实现这种可拆卸的固定，应当理解的是，也可以使用任何其它合适的固定方式，而且可以将多个耗材100可拆卸地固定在耗材固定装置240上，以便能够同时进行多个提取实验(图3-图6中示出了多个按压杆，但仅示出了一个耗材100)，提高工作效率。

优选地，耗材固定装置240设有温控装置。该加热装置可以用于加热或者制冷，例如是设置在耗材固定装置表面上或内置在其中的加热片、加热毯、加热丝、半导体制冷片等。有了该温控装置，就可以在某些需要温度调节/控制的步骤中对密闭腔室内的液体加热或冷却或保温，这使本发明的自动化装置有更大的适用范围。

按压杆260固定在升降机构270上，能够沿着竖直方向z上下移动，以便在合适的时机按压耗材100的管状部件110内的活塞，将其内预装的试剂按压到样本反应部件120的密闭腔室124中。

磁性部件250设置在竖直壁251上，与耗材固定装置240能够相互靠近或远离。在该实施例中，支架230设置成能够带着耗材固定装置240和耗材100沿着水平底座231上的导轨232朝固定的磁性部件250移动，但应该理解的，也可以设置成磁性部件250朝支架230运动，或者两者相向运动。耗材固定装置240设有开口242，使得当耗材100的样本反应部件120固定在耗材固定装置240上后，磁性部件250能够通过开口242靠近或贴合样本反应部件120的底壁122，以便将密闭腔室124内的磁性颗粒吸引到该腔室的内壁上，防止磁性颗粒随着液体被一同排出。应当理解的是，开口242不是必须的，例如可以通过合理选择构成耗材固定装置240的材料及其厚度来达到同样的目的。

真空压力装置300是一种根据需要能产生真空或者产生压力的装置。如图7示意性示出的，在一个实施例中，真空压力装置300一方面连接到废液收集导管210，一方面连接到密闭的废液收集容器280，而废液收集容器280通过另一管线还连接到废液收集导管210，并且在连接废液收集导管210和真空压力装置300的管线上、在连接废液收集导管210和废液收集容器280的管线上分别设有阀门310、320，它们可以例如是电磁阀。废液收集导管210的用于插入样本反应部件的第三孔127的端部覆盖有膜211(见图1)，该膜被选择为使得只有在施加真空或压力的情况下，该膜一侧的液体才能透过该膜到达另一侧。这样的废液收集导管适用于耗材的第三孔127自身不带膜的情况。

自动化装置200的控制单元(未示出)能够控制耗材固定装置240的旋转运动、按压杆260的上下运动、磁性部件250与耗材固定装置240之间的相对运动、以及真空压力装置300的运行。该控制单元可以例如是安装有控制程序的计算机、智能手机等。

自动化装置200还可以包括生物活性物质收集导管220(见图1)，该导管的用于插入样本反应部件120的第四孔125一端可以覆有膜221，该膜221被选择为使得只有在施加真空或压力的情况下，该膜一侧的液体才能透过该膜到达另一侧。生物活性物质收集导管220的另一端通向生物活性物质收集容器290(例如离心管)。带有膜221的生物活性物质收集导管适用于耗材的第四孔125自身不带膜的情况。

下面将结合图3至图6来描述如何利用根据一个实施例的耗材100和自动化装置200来自动提取生物活性物质。在此仅以从血浆样本中提取dna为例来说明，该提取实验包括以下步骤：

首先，提供适用于该实验的耗材100，该耗材包括6个管状部件110，分别预装有10微升的磁珠悬浊液、15微升的蛋白酶k，750微升的裂解液、500微升的第一清洗液、500微升的第二清洗液以及50微升的洗脱液。去除该耗材的第一孔114上的密封塞115，并通过该第一孔114向样本反应部件120的密闭腔室124内加入600微升血浆样本，随后盖上密封塞115(见图3)；

将组装好的该耗材安装到耗材固定装置240上使得耗材的第三孔127位于耗材固定装置240的开口242中，并将废液收集导管210和生物活性物质收集导管220分别插入耗材100的第三孔127和第四孔125，其中，废液收集导管210的远离第三孔127的一端连接到密闭的废液收集容器280，生物活性物质收集导管220的远离第四孔125的一端对准生物活性物质收集容器290(在此例中为离心管)；

开启控制单元，运行与上述提取实验相对应的程序，使得自动化装置自动执行以下步骤：

按压杆260向下运动，伸入到含有磁珠悬浊液的管状部件中，按压其中的活塞，将10微升的磁珠悬浊液按压到样本反应部件120的密闭腔室124内，然后按压杆260通过类似的操作将15微升的蛋白酶k、750微升的裂解液也按压到密闭腔室124内(见图4)；

启动旋转控制机构，使耗材固定装置240带着其上固定的耗材100围绕轴线a来回旋转振荡预定的时间以便密闭腔室124内的液体充分混合均匀(见图5)，此时样本中的dna应该已与磁珠发生了特异性结合；

使耗材固定装置240带着其上固定的耗材100旋转至竖直状态，在竖直状态时耗材固定装置240的开口242位于下方，耗材100的带有第四孔125的纵向端壁123朝下；

使支架230带着耗材固定装置240和耗材100沿着导轨232朝磁性部件250移动，直至磁性部件250通过开口242靠近或贴合样本反应部件120的底壁122，此时，密闭腔室124内的磁珠被吸引到该腔室的内壁上，静置2分钟后，让真空压力装置280产生真空，使密闭腔室124内的废液穿过废液收集导管210端部的膜211而被抽到废液收集容器280中；

使各装置回到图3所示的状态，通过与以上类似的操作，利用按压杆260将500微升的第一清洗液压入密闭腔室124内，随后按如上所述的方法进行旋转振荡、排空废液的操作；然后针对500微升的第二清洗液也进行与第一清洗液同样的操作；

最后，利用按压杆260将50微升的洗脱液压入密闭腔室124内，随后按如上所述的方法旋转振荡预定时间，此时吸附在磁珠上的dna应该已经与其脱离，落入洗脱液中；使耗材固定装置240带着其上固定的耗材100旋转至竖直状态并使磁性部件250通过开口242靠近或贴合样本反应部件120的底壁122，此时，密闭腔室124内的磁珠被吸引到该腔室的内壁上，静置2分钟后，让真空压力装置280产生压力，使密闭腔室124内含有dna的洗脱液穿过生物活性物质收集导管220端部的膜221而进入收集容器290中(见图6)，根据需要进行后续操作。

应该理解的是，根据本发明的耗材和自动化装置可以适用于多种生物活性物质提取实验，本领域技术人员可以根据实际需要来对耗材和自动化装置做出适应性的修改，例如，管状部件的数量、尺寸和其内预装的试剂，样本反应部件的形状、容积等。

附图和以上说明描述了本发明的非限制性特定实施例。为了教导发明原理，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施例的变型落在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解上述特征能够以各种方式结合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于上述特定实施例，而仅由权利要求和它们的等同物限定。