一体化核酸检测工作站

技术领域

本发明涉及分子诊断技术领域，尤其涉及一种一体化核酸检测工作站。

背景技术

生物样本前处理、核酸提取和纯化、核酸扩增检测是分子生物学中研究的重要实验手段，传统的实验方法都是使用人手工进行或者用机器分阶段进行，包括但不限于样本前处理、核酸提取和纯化、核酸扩增试剂配制和分装、核酸溶液加样、扩增试剂管封闭、在荧光PCR仪或者其他可用于核酸扩增的化学反应仪器中完成检测，再通过其他方式进行结果分析和解读等，耗时较长、容易出现生物样本污染或者扩增产物污染、且实验结果容易受到实验人员个体操作差异的影响，导致实验结果不可靠，假阳性和假阴性等结果的出现严重影响分子检测技术的实际应用。

目前，基于传统解决方案，商业应用于诊断的核酸提取、扩增及检测的仪器设备都是分立的，如提取核酸用的样本制备仪、核酸提取仪及扩增检测用的定量PCR仪或者其他核酸扩增检测仪等。具体过程为将样本手工加入全自动核酸提取仪，利用全自动核酸提取仪对生物样本进行核酸提取纯化后，人工转移至核酸扩增检测仪器，利用核酸扩增检测仪器对提取物进行扩增检测，这中间的转移操作环节全部需要实验人员手工完成。利用当前物理化学手段，通过各种自动化工具，实现“样本进结果出”，在一台仪器装备中实现全部的分子诊断过程，是当前核酸检测领域的重点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一体化核酸检测工作站，能集样本前处理、核酸提取和纯化、扩增和检测于一体，实现的核酸自动化高效检测。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种一体化核酸检测工作站，包括外壳以及设置在所述外壳内部的工作站本体，所述工作站本体包括试剂架组件、耗材、机械臂组件、磁力架组件及荧光检测组件；

所述试剂架组件包括供所述耗材放置的耗材支架，所述耗材包括若干试管，若干所述试管作为对样本进行处理的载体；

所述试剂架组件还包括温控单元，所述温控单元设置在所述耗材支架下方，所述温控单元为样本处理提供所需要的温度；

所述机械臂组件设置在所述试剂架组件上方，所述机械臂组件包括活动设置的移液头、所述移液头用于样本处理过程中液体的吸取和吹打混匀；

所述磁力架组件用于对样本的核酸进行提取和分离；

所述荧光检测组件包括活动设置的检测单元，所述检测单元用于对扩增后的核酸进行荧光检测分析。

作为本发明的一种优选方案，所述耗材还包括基板、若干吸头、吸头放置槽和废液槽，若干所述试管包括用于放置样本的样本管、对样本进行裂解的试剂管、以及对样本的核酸进行提取和分离的反应管，所述废液槽靠近所述反应管并与所述反应管间隔设置，所述试剂架组件上设置有供核酸扩增管放置的孔位，所述样本的核酸由所述反应管转移至所述核酸扩增管中进行扩增。

作为本发明的一种优选方案，所述耗材表面还设置有密封膜，所述密封膜封闭所述吸头放置槽、所述废液槽、所述样本管、所述试剂管及所述反应管的开口。

作为本发明的一种优选方案，一种一体化核酸检测工作站还包括扩增管封盖组件，所述扩增管封盖组件包括第一电机、旋转轴、第一固定座、第二固定座和若干压块，所述旋转轴的两端分别与所述第一固定座和所述第二固定座连接，所述第一固定座和所述第二固定座设置在所述试剂架组件上，所述压块设置在所述旋转轴上，所述第一电机设置在所述旋转轴的一端并可驱动所述旋转轴转动，使所述压块对所述核酸扩增管进行选择性封闭。

作为本发明的一种优选方案，所述移液头包括固定支架、导向套、第二电机、丝杆、螺母和若干吸头杆，所述吸头杆用于插取所述吸头，所述导向套和所述第二电机均设置在所述固定支架上，所述丝杆与所述第二电机连接并可在所述第二电机的驱动下旋转，所述丝杆竖直设置，所述螺母套设在所述丝杆上并可沿所述丝杆移动，所述吸头杆的一端与所述螺母固定连接，所述导向套内部开设有若干供所述吸头杆的另一端插入并上下移动的通孔，所述通孔为台阶孔，所述通孔可对所述吸头进行限位。

作为本发明的一种优选方案，所述机械臂组件还包括注射泵、第一驱动件和第二驱动件，所述吸头杆远离所述导向套的一端与所述注射泵通过软管连接，所述第一驱动件与所述移液头连接，所述第一驱动件使所述移液头在水平面内的第一方向上移动，所述第一驱动件设置在所述第二驱动件上，所述第二驱动件使所述第一驱动件在所述水平面内的第二方向上移动，所述第一方向与所述第二方向垂直。

作为本发明的一种优选方案，所述磁力架组件包括支撑板、升降单元、磁铁固定座和若干磁铁，所述升降单元设置在所述支撑板上，所述磁铁固定座与所述升降单元连接，若干所述磁铁间隔设置在所述磁铁固定座上，所述升降单元可驱动所述固定座在竖直方向上移动，使所述磁铁靠近或远离所述反应管。

作为本发明的一种优选方案，所述试剂架组件还包括定位板、若干风扇和固定板，所述耗材支架可放置并固定在所述定位板上，若干所述风扇、所述定位板及所述温控单元均与所述固定板连接，所述温控单元包括第一温控件和第二温控件，所述第一温控件用于加热所述反应管，所述第二温控件用于加热或冷却所述核酸扩增管。

作为本发明的一种优选方案，所述荧光检测组件还包括滑块、导轨和驱动单元，所述检测单元设置在所述滑块上，所述驱动单元可驱动所述滑块沿所述导轨做往复直线运动，使所述检测单元对所述核酸扩增管进行荧光检测。

作为本发明的一种优选方案，所述外壳内部还设置有抽风过滤装置和紫外灯消毒装置。

本发明的有益效果：

本发明的一体化核酸检测工作站在外壳内设置有试剂架组件、耗材、机械臂组件、磁力架组件及荧光检测组件，耗材包括若干试管，若干试管作为对样本进行处理的载体，此处理过程包括对样本前处理、样本的核酸提取和纯化，耗材可以选用不包括核酸扩增管的形式，而直接使用检测试剂盒中配置的核酸扩增管，从而节省资源，试剂架组件中的温控单元为样本的核酸提取、纯化以及核酸的扩增过程提供所需要的温度，机械臂组件中活动设置的移液头可以对各种类型的试管进行移液及吹打操作以完成上述处理过程，当核酸扩增完成后，荧光检测组件即可进行荧光检测分析，因此，操作人员只需要将装有样本的耗材及核酸扩增管放置在试剂架组件后，整个核酸检测流程将在外壳内部自动进行，无需进行人工手动操作，不仅大大提高了核酸检测的效率，还降低了污染风险，提高了核酸检测的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例的一体化核酸检测工作站的立体示意图；

图2为本发明实施例的耗材的侧面示意图；

图3为本发明实施例的工作站本体的立体示意图之一；

图4为本发明实施例的工作站本体的立体示意图之二；

图5为图1中工作站本体的爆炸图；

图6为本发明实施例的扩增管封盖组件的立体示意图；

图7为本发明实施例的移液头的立体示意图；

图8为图7中移液头本体的立体示意图；

图9为本发明实施例的导向套的剖视示意图；

图10为本发明实施例的磁力架组件的立体示意图；

图11为本发明实施例的试剂架组件的立体示意图之一；

图12为图11的爆炸图；

图13为本发明实施例的试剂架组件的立体示意图之二；

图14为本发明实施例的荧光检测组件的立体示意图。

图中：

1、外壳；2、试剂架组件；21、耗材支架；211、开孔；22、定位板；23、风扇；24、固定板；251、第一温控件；252、第二温控件；2521、半导体制冷片；2522、散热片；26、固定杆；3、耗材；31、样本管；32、试剂管；33、反应管；34、基板；35、吸头；36、吸头放置槽；37、废液槽；38、洗液管；

4、机械臂组件；41、移液头；411、保护壳；412、移液头本体；4121、吸头杆；4122、固定支架；4123、导向套；41231、通孔；4124、第二电机；4125、丝杆；4126、螺母；42、注射泵；43、第一驱动件；44、第二驱动件；

5、磁力架组件；51、支撑板；52、升降单元；53、磁铁固定座；54、磁铁；6、荧光检测组件；61、检测单元；62、滑块；63、导轨；64、驱动单元；7、工作站基座；71、底板；72、主框架；8、电池；9、扩增管封盖组件；91、第一电机；92、旋转轴；93、第一固定座；94、第二固定座；95、压块。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在本发明中，除非另明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之“上”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之“下”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

此外，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。

如图1至图5所示，本发明实施例的一体化核酸检测工作站包括外壳1以及设置在外壳1内部的工作站本体，工作站本体包括试剂架组件2、耗材3、机械臂组件4、磁力架组件5及荧光检测组件6；

耗材3可放置在试剂架组件2上，耗材3包括若干试管，若干试管作为对样本进行处理的载体；

试剂架组件2包括温控单元，温控单元为样本处理提供所需要的温度；

如图4所示，机械臂组件4包括活动设置的移液头41、移液头41用于样本处理过程中液体的吸取和吹打混匀；

磁力架组件5用于对样本的核酸进行提取和分离；

荧光检测组件6用于对扩增后的核酸进行荧光检测分析。

本发明的一体化核酸检测工作站在外壳1内设置有试剂架组件2、耗材3、机械臂组件4、磁力架组件5及荧光检测组件6，耗材3包括若干试管，若干试管作为对样本进行处理的载体，此处理过程包括对样本前处理、样本的核酸提取和纯化，耗材3可以选用不包括核酸扩增管的形式，直接使用检测试剂盒中配置的核酸扩增管进行核酸的扩增，从而节省了资源，试剂架组件2中的温控单元为样本的核酸提取、纯化以及核酸的扩增过程提供所需要的温度，机械臂组件4中活动设置的移液头41可以对各种类型的试管进行移液及吹打操作以完成上述对样本的处理过程，当核酸扩增完成后，荧光检测组件6即可进行荧光检测分析，因此，操作人员只需要将装有样本的耗材3及核酸扩增管放置在试剂架组件2后，整个核酸检测流程将在外壳1内部自动进行，无需进行人工手动操作，不仅大大提高了核酸检测的效率，还降低了污染风险，提高了核酸检测的准确性。

在本实施例中，工作站本体还包括工作站基座7和电池8，试剂架组件2、机械臂组件4、磁力架组件5及荧光检测组件6均安装在工作站基座7上。优选的，工作站基座7包括底板71和设置在底板71上的主框架72，试剂架组件2设置在主框架72上并与底板71固定连接，机械臂组件4设置在主框架72上，磁力架组件5及荧光检测组件6均设置在底板71上。电池8固定在底板71上，使本实施例的一体化核酸检测工作站可以免插电运行。

如图2所示，进一步的，若干试管包括样本管31、试剂管32和反应管33，试剂管32内含有蛋白酶K等试剂和磁珠，样本通过移液头41从样本管31中转移至试剂管32中进行裂解，然后将混匀后的含有蛋白酶K、磁珠和样本的混合液转移到含有磁珠结合液的反应管33中使磁珠与游离的核酸结合，核酸经过纯化、洗脱后，通过磁力架组件5与磁珠分离并转移至核酸扩增管中进行扩增，试剂架组件2中的温控单元对反应管33和核酸扩增管进行加热或冷却以提供反应所需的温度，荧光检测组件6对核酸扩增管中扩增后的核酸进行荧光检测分析。样本的整个处理过程都借助移液头41在试剂架组件2上放置的耗材3的各种试管中自动完成，整个过程高效、便捷，适用于临床检测。

如图6所示，在一些实施例中，一体化核酸检测工作站还包括扩增管封盖组件9，扩增管封盖组件9包括第一电机91、旋转轴92、第一固定座93、第二固定座94和若干压块95，旋转轴92的两端分别与第一固定座93和第二固定座94连接，第一固定座93和第二固定座94设置在试剂架组件2上，若干压块95设置在旋转轴92上，第一电机91设置在旋转轴92的一端并可驱动旋转轴92转动，使压块95对核酸扩增管进行选择性封闭。

在进行移液操作或进行核酸扩增反应时，伴随着空气与液体表面摩擦或液体挥发，会产生核酸气溶胶，核酸气溶胶为含有长短不一核酸片段的微小水珠，这些微小水珠沉降到其他样本中会导致气溶胶污染，从而造成检测结果不准确。扩增管封盖组件9在不需要对核酸扩增管进行移液操作时将其封闭，因而能大大减少发生气溶胶污染的可能，提高检测结果的准确性。

如图2所示，进一步的，耗材3还包括基板34和若干吸头35，基板34上设有若干吸头放置槽36、废液槽37和洗液管38，若干吸头35放置在吸头放置槽36内，废液槽37靠近反应管33设置并与反应管33间隔，本实施例的耗材3采用一体式结构，即样本管31、试剂管32、反应管33、基板34、吸头放置槽36、废液槽37和洗液管38一体成型，各类试管均不会发生晃动、掉落的情况，方便日常使用。

如图7所示，移液头41包括若干可在竖直方向上移动的吸头杆4121，吸头杆4121用于插取吸头放置槽36中的吸头35，洗液管38内装有洗涤液或洗脱液，用于核酸的纯化、磁珠与核酸的分离。将废液槽37靠近反应管33设置可以减少移液头41排放反应管33中废液时的移动距离，由于磁力架组件5需要经常靠近及远离反应管33，因此反应管33需要与废液槽37和其他试管间隔以为磁力架组件5提供足够的移动空间，吸头放置槽36使吸头35可被整齐地摆放，方便吸头杆4121插取吸头35，当需要废弃吸头35时，则将需要废弃的吸头35放回吸头放置槽36中原来的位置即可。基板34上还可以塑封一张密封膜，该膜为塑料膜、铝膜或纸膜、用于耗材3内装载试剂的密封与运输过程的保护。

如图7至图9所示，更进一步的，移液头41包括保护壳411和移液头本体412，移液头本体412除了吸头杆4121外还包括固定支架4122、导向套4123、第二电机4124、丝杆4125和螺母4126，导向套4123和第二电机4124均设置在固定支架4122上，丝杆4125与第二电机4124连接并可在第二电机4124的驱动下旋转，丝杆4125竖直设置，螺母4126套设在丝杆4125上并可沿丝杆4125移动，吸头杆4121的一端与螺母4126固定连接，导向套4123内部开设有若干供吸头杆4121的另一端插入并上下移动的通孔41231，通孔41231为台阶孔，通孔41231可对吸头35进行限位。滚珠丝杆的传动方式具有精度高且平稳的特点，因而可以实现吸头杆4121的精准定位。导向套4123内开设的通孔41231是台阶孔，当需要废弃吸头35时，带有吸头35的吸头杆4121在通孔41231中上升，吸头35的顶部会与台阶结构抵接，因而吸头35无法继续跟随吸头杆4121上升，进而实现吸头35与吸头杆4121的分离。

如图4和图5所示，优选的，机械臂组件4还包括注射泵42、第一驱动件43和第二驱动件44，若干吸头杆4121远离导向套4123的一端与注射泵42通过软管(图中未示出)连接，第一驱动件43与移液头41连接，第一驱动件43使移液头41在水平面内的第一方向上移动，第一驱动件43设置在第二驱动件44上，第二驱动件44使第一驱动件43在水平面内的第二方向上移动，第一方向与第二方向垂直。由于吸头杆4121可在竖直方向上下移动，而第一驱动件43和第二驱动件44又使得移液头41可以在水平面内自由移动，从而让吸头杆4121具备在三维空间内精确移动和定位的能力，当然，为了实现这个功能，机械臂组件4上还设置有若干传感器(图中未示出)，从而对位移的距离和方向进行精确的监测，保证吸头杆4121总能处于正确的位置上。

如图10所示，优选的，磁力架组件5包括支撑板51、升降单元52、磁铁固定座53和若干磁铁54，升降单元52设置在支撑板51上，磁铁固定座53与升降单元52连接，若干磁铁54间隔设置在磁铁固定座53上，升降单元52可驱动磁铁固定座53在竖直方向上移动，使磁铁54靠近或远离反应管33。磁铁固定座53设置为较为狭长的形态，可以顺利插入反应管33的侧面，使设置在磁铁固定座53上的磁铁54吸附住反应管33内的磁珠，由于反应管33通常具有较多的数量，磁铁54采用间隔设置的形式且使每个磁铁54都对应一个反应管33，可以保证较好的磁珠吸附效果。升降单元52也可以采用类似移液头41中的滚珠丝杆传动模式，以实现对磁铁54位置的精确移动。

优选的，如图11至图13所示，试剂架组件2还包括若干耗材支架21、定位板22、若干风扇23和固定板24，耗材3放置在耗材支架21上，耗材支架21放置在定位板22上，若干风扇23、定位板22及温控单元均与固定板24连接，固定板24通过若干固定杆26固定在底板71上，温控单元包括第一温控件251和第二温控件252，第一温控件251用于加热反应管33，第二温控件252用于加热或冷却核酸扩增管，第二温控件252包括若干半导体制冷片2521及若干散热片2522，若干风扇23用于对第二温控件252和核酸扩增管进行辅助降温。耗材支架21可以整体从定位板22上取下，且耗材支架21上开设有便于人手抓握的开孔211，方便耗材支架21及放置在耗材支架21上的耗材3的放入和取出。核酸扩增反应需要先升温后降温，且对降温速率有一定要求，因此采用即可以制热又可以制冷的半导体制冷片2521对核酸扩增管进行加热或冷却，并搭配上若干散热片2522及若干风扇23进行快速降温。

如图14所示，优选的，荧光检测组件6包括两个检测单元61、滑块62、导轨63和驱动单元64，检测单元61设置在滑块62上，驱动单元64可驱动滑块62沿导轨63做往复直线运动，使检测单元61用于激发光的发射与反射光的收集，以对核酸扩增管进行荧光检测。检测单元61的数量至少为一个，本实施例的荧光检测组件6包括两个检测单元61，因而同一时刻可以对两个不同的核酸扩增管进行检测，当需要检测的核酸扩增管的数量较多时，可以在较短时间内完成检测工作。驱动单元64也可以采用类似移液头41中的滚珠丝杆的传动模式，实现检测单元61移动过程的稳定。

优选的，外壳1内部还设置有抽风过滤装置(图中未示出)和紫外灯消毒装置(图中未示出)。抽风过滤装置可以起到散热和通风的作用，且同时能阻挡外部污染物进入外壳1内部，紫外灯消毒装置可降低或防止检测过程中的生物样本污染和/或核酸污染。

下面以一个具体实施例的一体化核酸检测工作站实施例来说明具体检测步骤：

一、手动操作部分

(1)从一体化核酸检测工作站中取出耗材支架21，将耗材3放置在耗材支架21上；

(2)在样本管31中加入待检测样本，将核酸扩增管插入匹配的的孔里，将耗材支架21连同耗材3放入一体化核酸检测工作站中，开机，选择程序，开始运行。

二、自动化操作：

实验开始前，扩增管封盖组件9启动，压块95将核酸扩增管密封，抽风过滤装置启动，然后，进行核酸提取，包括如下步骤：

(1)移液头41插取吸头35，从样本管31中取样本液体加入到含有蛋白酶K和磁珠的试剂管32中，反复吹打液体至少一次将磁珠吹散，移液头41回原位；

(2)将混匀后的蛋白酶K、磁珠和样本混合液转移到含有磁珠结合液的反应管33中；

(3)加热反应管33，在此过程中，反复吹打液体至少一次；

(4)磁力架组件5中的磁铁54移动到反应管33侧面的样本溶液中部进行停留、吸磁；

(5)将移液头41通过至少一次吸液将反应管33中的全部液体吸净并注入废液槽37中；

(6)从洗液管38中吸取洗涤液到反应管33中，使磁铁54缓慢远离反应管33；

(7)反复吹打液体至少一次，确保磁珠充分洗涤；

(8)磁力架组件5中的磁铁54再一次移动到反应管33侧面的样本溶液中部进行停留、吸磁；

(9)使磁铁54远离反应管33，第一温控件251升温将反应管33中残留的液体蒸发干净；

(10)使移液头41插取吸头35，从洗液管38吸取洗脱液到反应管33中，并反复吹打液体至少一次，第一温控件251加热，洗脱核酸；

(11)使磁铁54移动到反应管33侧面的样本溶液中部进行吸磁，再将磁铁54进一步上移，将全部磁珠汇集到管壁上部，远离管底；

(12)使压块95打开，核酸扩增管开放，从反应管33中取一定量核酸到核酸扩增管中，反复吹打，再进行核酸扩增检测步骤。

核酸扩增检测包括如下步骤：

首先，扩增管封盖组件9启动，将核酸扩增管密闭，第二温控件252开始加热，提供核酸扩增反应所需的温度，确保核酸反应进行；

然后，在检测阶段，荧光检测组件6中的检测单元61依次对各个核酸扩增管进行检测，通过实时荧光信号获取检测结果。

结束后，紫外灯自动开启，进行紫外消毒。

本检测步骤模仿人手工操作过程，将提取、扩增与检测集中于一体，操作人员只需进行简单的准备动作即可完成全部检测过程，得出结果，具有样本处理量大，整个过程高效、便捷的特点，适用于临床检测。

作为本发明优选的实施方案，在本说明书的描述中，参考术语“优选的”、“进一步的”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上实施例仅用来说明本发明的详细方案，本发明并不局限于上述详细方案，即不意味着本发明必须依赖上述详细方案才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。