生物樣品制備系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種生物樣品制備系統。該系統包括：一個或多個磁棒，具有用于吸引磁性顆粒的端部；套接在與所述一個或多個磁棒外的套管；液體轉移裝置，該液體轉移裝置能夠一次或多次轉移液體到指定的反應腔體中；運動控制機構，該運動控制機構能夠實現并控制所述一個或多個磁棒和所述套管、以及所述液體轉移裝置之間的相對運動。采用本實用新型的系統，可以實現完全自動化的生物樣品制備過程，并且，由于液體添加、生化反應、核酸純化三個步驟可以并行進行，對至少三塊耗材中的生物樣品同時進行樣品制備，可以極大程度節省樣品制備的時間，提高效率。
【專利說明】
生物樣品制備系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及生命科學領域，更具體地，涉及一種生物樣品制備系統和方法。
【背景技術】
[0002]生物樣品的制備對生命科學研究、醫藥研發、疾病的預防與控制、農業研究、以精準醫療為基礎的臨床診斷都至關重要，由于生物樣品的復雜性，其樣本制備過程往往異常復雜，依賴大量的手工操作，難以實現自動化。
[0003]以二代測序為例，其測序文庫構建的樣品制備過程涉及將核酸片段化、多步酶反應、多步核酸純化，甚至PCR等環節，耗時、費力、難以實現自動化，對實驗人員實驗技能要求高，手動操作重現性差，容易引入手動操作的誤差甚至錯誤，樣品制備的困難制約了二代測序技術的發展和應用。
[0004]目前，對生物樣品制備的自動化往往采用商用的自動化移液工作站來實現。移液工作站擁有單個或多個移液通道，按照手動實驗操作流程將液體添加、混合、移除等過程用計算機程序控制實現自動化操作，其優勢是能夠進行自動化液體處理以便將樣品制備過程自動化，但劣勢是由于是簡單重復手工實驗，無法節省單次樣品制備的時間，而且由于要準備、編寫、調試、優化實驗程序，往往要比手動實驗花費更多的時間，降低了效率。
[0005]以二代測序的文庫構建為例，其流程中多步核酸的純化是最為耗時的步驟之一，目前商用移液工作站多采用移液通道配合吸頭吸取磁性顆粒加入需要純化的含核酸的溶液中，并用吸頭吹打混合，促進磁性顆粒與核酸結合，然后將其與磁鐵靠近，使磁性顆粒被吸在反應腔體的內壁上，隨后用吸頭將廢液吸出，而將磁性顆粒留在反應腔體中；然后加入清洗液，用吸頭吹打混合，以便達到清洗掉雜質的目的，后將其與磁鐵靠近，用吸頭將廢液吸出，而將磁珠留在反應腔體中；最后加入洗脫液，用吸頭吹打混合，促進核酸與磁性顆粒的解離，后將其與磁鐵靠近，用吸頭將含有核酸的洗脫液吸出，得到純化產物。此過程涉及多步操作，單次純化耗時往往在一個小時以上。核酸純化后，需要用吸頭將生物酶與純化后的核酸混合，以便進行酶反應，很多移液工作站無法進行自動化酶反應，需要手動將其轉移到溫度控制裝置中，例如PCR儀中，反應后再次返回移液工作站繼續核酸純化過程。這其中還涉及將每步實驗所需的試劑、耗材、生物樣本置入或移出移液工作站的過程，整個過程難以避免手動操作，除了耗時外，依舊無法徹底解決全部自動化的問題。
【實用新型內容】
[0006]本實用新型的目的在于克服上述現有技術的缺點。
[0007]為此，本實用新型提供了一種生物樣品制備系統，該系統包括:一個或多個磁棒，具有用于吸引磁性顆粒的端部;套接在與所述一個或多個磁棒外的套管;液體轉移裝置，該液體轉移裝置能夠一次或多次轉移液體到指定的反應腔體中；運動控制機構，該運動控制機構能夠實現并控制所述一個或多個磁棒和所述套管、以及所述液體轉移裝置之間的相對運動。
[0008]可以采用計算機程序來控制和協調液體轉移裝置、基于磁棒和磁性顆粒的生物樣品提取純化裝置、耗材搬運機構的運動，對整個樣品制備過程進行優化控制，從而最大化樣品制備的效率。根據本實用新型的系統具有下面幾項目前技術所不具備的優勢:
[0009]第一，液體添加/轉移、生物提取/分離/純化、生化反應可以并行處理，導致速度更快，效率更高，單位時間可處理更多的生物樣本；
[0010]第二，用磁棒配合套管完成磁性顆粒的轉移，進而實現結合于磁性顆粒上的生物分子的分離和純化，相比于現有移液工作站技術，更加快速，便捷，效率高，整個過程全自動完成，并且其過程中涉及的試劑(包括但不僅限于磁性顆粒懸濁液、磁性顆粒與生物分子結合液、清洗液、洗脫液)填充過程自動化完成；
[0011]第三，無需手工操作，避免人為操作所引發的錯誤或液體操作誤差，提高可靠性，并節省人工成本。
[0012]在本實用新型中，術語“生物樣品”是指源于生命體的物質和材料，包括但不限于源于人體、動物體、植物體、微生物體中的核酸、蛋白、多肽、代謝產物及其衍生物。
[0013]在本實用新型中，術語“磁棒”是指具有磁性的細長型物體，包括但不限于細長的棒狀，如圓柱形磁鐵或電磁鐵。
[0014]在本實用新型中，術語“耗材”是指用于生物或化學實驗的消耗品，包括但不限于盛放試劑和生物樣品的EP管、八連排管、PCR管、96孔板、吸頭及其吸頭盒。
[0015]在本實用新型中，術語“試劑”是指用于生物或化學實驗的液體，包括但不限于生物酶、酶反應體系，磁性顆粒懸濁液、磁性顆粒與生物分子結合液、清洗液、洗脫液、PCR引物、測序接頭、水、乙醇、異丙醇及上述液體的混合液。
[0016]在一個實施例中，所述端部的橫向尺寸小于或等于10mm，優選地，為I至6mm。這樣的磁棒可以適用于小體積(例如200微升以下)體系中，在很多應用(例如二代測序)中可以取得更好的效果，并達到節省試劑和節省珍貴生物樣品的目的。
[0017]優選地，所述生物樣品制備系統還包括一個或多個液體溫度控制裝置，所述液體溫度控制裝置可以包括半導體溫度控制器和/或水浴溫度控制器和/或熱循環裝置和/或PCR 儀。
[0018]所述液體轉移裝置可以包括活塞驅動的針栗、含填充液體的針栗、無液體填充的針栗或婦動栗。
[0019]優選地，所述套管由塑料制成。
[0020]在一個實施例中，所述磁棒呈陣列排列(例如I X 8陣列、12 X 8陣列、24 X 16陣列)，且所述套管也呈相同的陣列排列。
[0021]有利地，所述磁棒集成在同一基板上，能夠同步運動，并且所述套管之間相互連接形成整體。
[0022]有利地，所述生物樣品制備系統還包括試劑存儲架和/或耗材存儲架。
[0023]本實用新型還提供了一種生物樣品制備的方法，該方法包括以下步驟:
[0024]步驟A:提供包含生物樣品和磁性顆粒的溶液；
[0025]步驟B:使用帶有套管的磁棒將結合有生物樣品的磁性顆粒從所述溶液中吸出；
[0026]步驟C:將結合有生物樣品的磁性顆粒轉移到另一溶液中；
[0027]重復以上步驟A至C，以實現生物樣品的純化。
[0028]優選地，所述方法還包括步驟D:向包含有純化后的生物樣品的溶液中加入下一步反應所需的試劑，使其在一定的溫度下或經過熱循環進行生化反應。
[0029]優選地，所述方法還包括步驟E:將生化反應后的生物樣品重復步驟A至C，再次進行純化。
[0030]根據實際應用，步驟A至D可以循環任意多次，以最終實現樣品制備之目的。
【附圖說明】
[0031]下面將參照附圖對本實用新型作進一步的詳細說明。本領域技術人員容易理解的是，這些附圖僅僅用于說明的目的，而并非意在對本實用新型的保護范圍構成限制。圖中相同的附圖標記表示相同或相似的部件。為了說明的目的，這些圖并非完全按比例繪制。
[0032]圖1是根據本實用新型第一實施例的生物樣品制備系統的示意性俯視圖；
[0033]圖2是根據本實用新型第二實施例的生物樣品制備系統的示意性俯視圖；
[0034]圖3是根據本實用新型第三實施例的生物樣品制備系統的示意性俯視圖；
[0035]圖4是根據本實用新型第四實施例的生物樣品制備系統的示意性俯視圖；
[0036]圖5是圖1至圖4中液體轉移/添加裝置的示意性側視圖。
【具體實施方式】
[0037]圖1以俯視圖示意性地示出了根據本實用新型第一實施例的生物樣品制備系統I。該系統包括液體填充/轉移區110、生化反應區120以及生物樣品分離/提取/純化區130。
[0038]在液體填充/轉移區110設有一個或多個耗材接收位置111(圖1示例性地示出了3個)。在本實施例中，每個耗材接收位置111包括8個管位112，管位112是能夠接收試劑管的裝置，例如大小與試劑管的直徑相匹配的孔。試劑管中可以容納例如含有磁性顆粒的懸濁液、磁性顆粒與生物分子結合液、清洗液、洗脫液、用于生化反應的酶等。各種試劑可以分別存放在不同的試劑管中，以避免交叉污染。根據此實施例的生物樣品制備系統I可以與八連排管一起使用，實現靈活但低通量的生物樣品制備。本領域技術人員可以根據實際需求來設置耗材接收位置111的數量以及每個耗材接收位置111所包括的管位112的數量。可以在一部分耗材接收位置111處放置耗材(在本例中為八連排管)進行液體填充/轉移操作，而在閑置的耗材接收位置111處存儲耗材。
[0039]在生化反應區120也設有一個或多個耗材接收位置121(圖1示例性地示出了 I個)。同樣，每個耗材接收位置121包括8個管位，可以用于接收例如八連排管。每個管位處均設有溫度控制裝置122。液體溫度控制裝置122可以包括半導體溫度控制器、水浴溫度控制器、熱循環裝置、PCR儀或基于其它原理的溫度控制裝置或者它們的組合。各管位處的溫度控制裝置122可以是相互獨立工作的，也可以是被統一控制的。優選地，溫度控制范圍在O攝氏度到100攝氏度之間。借助于所述溫度控制裝置，試劑管中的生化反應可以在預先設定的某一溫度下或溫度區間中進行。
[0040]在生物分離/提取/純化區130設置有一個或多個磁棒131(圖1示例性地示出了8個)和套接在每個磁棒外的套管132。這些套管能夠隔離磁棒與試劑，達到保護磁棒不受腐蝕、延長其使用壽命的目的。另外，套管在試劑中的上下震蕩也可以起到混合磁性顆粒與生物分子、清洗或洗脫生物分子的作用。并且，在磁棒的正下方設有一個或多個耗材接收位置(圖1示例性地示出了 I個)，同樣，每個耗材接收位置包括8個管位，可以用于接收例如八連排管。每個磁棒131的一端連接到運動控制機構，另一端用于伸入試劑中吸附磁性顆粒。這些磁棒131可以連接到各自的運動控制機構，從而能夠相互獨立地沿著垂直于紙面的方向運動，實現伸入試劑中和從試劑中撤出的動作。也可以將這8個磁棒131連接在一起(例如，集成在同一基板上)，受同一運動控制機構的控制，從而實現同步運動。這樣可以簡化運動控制機構，提高控制的可靠性。每個磁棒121外均設有套管132，套管132與磁棒121之間存在間隙，該間隙的大小設計成使得套管132與磁棒121之間能夠發生相對運動，也使得磁棒121產生的磁力足以將試劑中的全部磁性顆粒吸引到套管132的外壁上。優選地，該間隙小于2mm。與磁棒相同地，這些套管132可以連接到各自的運動控制機構，從而能夠相互獨立地沿著垂直于紙面的方向運動，實現伸入試劑中和從試劑中撤出的動作。也可以將這8個套管132相互連接成一個整體，受同一運動控制機構的控制，從而實現同步運動。
[0041]磁棒121可以由永磁體或電磁體等材料制成，本領域技術人員可以根據實際需要設計它的形狀和尺寸。例如，在二代測序應用中，磁棒121的用于吸附磁性顆粒的端部優選地具有小于或等于1mm的橫向尺寸(即垂直于其長度方向的尺寸)，更優選地，該尺寸為I至6_。套管132可以由任何耐腐蝕的材料制成，優選地由塑料制成。
[0042]上述三個區域110、120、130可以分別設有額外的用于存儲試劑和/或耗材和/或樣品的位置，或者這三個區域中的一個或兩個設有這樣的位置。當然，本領域技術人員可以理解，這種位置也可以單獨設置在上述三個區域之外的第四個區域中。
[0043]如圖1所示，生物樣品制備系統I還包括一個或多個液體轉移裝置140(圖1示例性地示出了 I個)和一個或多個用于搬運實驗耗材(如八連排管)的機械手150(圖1示例性地示出了 I個)，機械手150上有搬運耗材的抓手151。機械手150可滑動地連接到支架160，可以沿箭頭B雙向運動。液體轉移裝置140可滑動地連接在支架161上，可以沿箭頭C雙向運動，而支架161則可滑動地連接在支架160上，可以沿箭頭A雙向運動。因此，液體轉移裝置140可以到達生物樣品制備系統I中的任何位置，對任何區域中任何需要添加液體的位置上任何耗材的腔體中添加任意液體。移液體積一般為0.3微升至1000微升之間。機械手150也可以將實驗耗材(如八連排管)抓到該系統任何區域的任何位置上，以便完成同一區域內或不同區域間樣本的轉移。
[0044]液體轉移裝置140可以是任何合適的液體轉移裝置，例如，可以包括吸頭(如圖5所示)和驅動裝置，如活塞驅動的針栗、含填充液體的針栗、無液體填充的針栗或蠕動栗。
[0045]如上所述的生物樣品制備系統可以有多種應用。下面以二代測序文庫構建的實驗流程為例，說明該系統是如何工作的。
[0046]DNA或RNA的分離/提取/純化如核酸打斷后的純化、末端修復后的純化、末端加腺嘌呤核苷后的純化、末端加入測序接頭后的純化、PCR后的純化，在區域130進行。首先，在液體填充/轉移區110由液體轉移裝置140在耗材(如八連排管)中加注磁性顆粒和含有DNA或RNA溶液，然后機械手150將該耗材搬運到生物分離/提取/純化區130，放置到磁棒131和套管132正下方;隨后，套管132在運動機構的控制下以一定的速度、振動頻率和振幅在包含有磁性顆粒和DNA或RNA的耗材(如八連排管)中振蕩(即沿垂直于紙面的方向來回運動)，以便讓磁性顆粒和DNA或RNA結合;然后磁棒131伸入套管132中，與套管132—起進入耗材中的溶液，將磁性顆粒連同結合在磁性顆粒上的生物分子吸引到套管132的外壁上，并從試劑中撤出；隨后，機械手150將包含有廢液的耗材轉移到任何閑置的耗材接收位置，并且將包含有清洗液的耗材(事先由液體轉移裝置140在液體填充/轉移區110填充好)放置到磁棒131正下方。然后，重復以上步驟以進行后續的雜質清洗過程(磁棒套管伸入的是清洗液中)、DNA或RNA洗脫過程(磁棒套管伸入的是洗脫液中)。本領域技術人員可以理解，雜質清洗過程可能要進行數次。
[0047]DNA/RNA的純化完成之后，用機械手150將盛放有純化好的DNA/RNA的八連排管轉移到液體轉移/填充區110，由液體轉移裝置140加入下一步反應所需要的酶和/或其他試劑，并可以根據需要進行混合。
[0048]然后，機械手150將含有加了酶的DNA/RNA溶液的八連排管搬運到生化反應區120，在一定的溫度下或經過熱循環進行生化反應。
[0049]最后，機械手150轉移該八連排管到生物分離/提取/純化區130，進行下一次純化。
[0050]上述步驟循環往復，最終實現用于二代測序文庫構建的生物樣品制備。可以看到，整個過程無需任何手工操作，實現了完全自動化。另外，由于液體添加、生化反應、核酸純化三個步驟可以并行進行，對至少三塊八連排管同時進行樣品制備，可以極大程度節省樣品制備的時間，提高效率，相比傳統移液工作站的文庫構建方案節省多至約2/3的操作時間。
[0051]圖2以俯視圖示意性地示出了根據本實用新型第二實施例的生物樣品制備系統2。相比于圖1所示的第一實施例，區別在于:該系統2沒有明顯的區域劃分，任何耗材接收位置230、240都可以用于液體填充、生化反應、生物樣品分離/提取/純化;該系統中沒有機械手，無需搬運和轉移耗材(如八連排管)；磁棒211和套管221除了能夠在垂直于紙面的方向上來回運動以外，還能夠在其各自的運動控制機構210和220的控制下分別沿著箭頭B、C雙向運動，因此，通過將結合有生物樣品的磁性顆粒吸引到套管221的外壁上并將該套管移動到指定位置，可以實現生物樣品的位置轉移;根據實際應用，可以在任何需要的管位241處設置溫度控制裝置231(圖2僅僅示例性地示出在右邊兩個耗材接收位置230的管位處設有溫度控制裝置)。由于磁棒和套管可以到達任何位置，液體添加和生化反應可以在任何位置進行，因此該方案更為靈活和可靠。
[0052]如上所述的生物樣品制備系統可以有多種應用。下面以二代測序文庫構建的實驗流程為例，說明該系統是如何工作的。
[0053]首先，在某一個或多個耗材接收位置230、240由液體轉移裝置250在耗材(如八連排管)中加注磁性顆粒和含有DNA或RNA溶液，然后磁棒211和套管221移動到該耗材接收位置上方;隨后，套管221在運動機構的控制下以一定的速度、振動頻率和振幅在包含有磁性顆粒和DNA或RNA的耗材(如八連排管)中振蕩(即沿垂直于紙面的方向來回運動)，以便讓磁性顆粒和DNA或RNA結合;然后磁棒211伸入套管221中，與套管221 —起進入耗材中的試劑，將磁性顆粒連同結合在磁性顆粒上的生物分子吸引到套管221的外壁上，并從試劑中撤出；隨后，磁棒211和套管221帶著結合有生物分子的磁性顆粒移動到包含有清洗液的耗材(事先由液體轉移裝置250填充好)上方。然后，重復以上步驟以進行后續的雜質清洗過程(磁棒套管伸入的是清洗液中)、DNA或RNA洗脫過程(磁棒套管伸入的是洗脫液中)，洗脫的位置需要具有溫控功能，可以進行生化反應。本領域技術人員可以理解，雜質清洗過程可能要進行數次。
[0054]DNA/RNA的純化完成之后，液體轉移裝置250移動到相應位置，加入下一步反應所需要的酶和/或其他試劑，并可以根據需要進行混合。然后啟動溫控機構，在一定的溫度下或經過熱循環進行生化反應。
[0055]最后，液體轉移裝置250移動到相應位置加入磁珠和核酸純化所需要的液體，磁棒211和套管221移動到該耗材接收位置上方，進行下一次純化。上述步驟循環往復，最終實現用于二代測序文庫構建的生物樣品制備。整個過程無需任何手工操作，實現完全自動化。由于液體添加、生化反應、核酸純化三個步驟可以并行進行，對至少三塊八連排管同時進行樣品制備，可以極大程度節省樣品制備的時間，提高效率，相比傳統移液工作站的文庫構建方案節省大約2/3的操作時間。
[0056]圖3以俯視圖示意性地示出了根據本實用新型第三實施例的生物樣品制備系統3。該實施例與圖1所示的第一實施例相似，不同之處在于:此實施例中每個耗材接收位置包括96個管位，可以與市場上的96孔板配合使用；在液體填充/轉移區310有試劑/耗材存放位置，如耗材架和/或試劑槽311、用于存儲試劑管(如EP管、磁珠管)的存儲架313 (包括多個用于接收試劑管的存儲孔312)、用于存放96孔板等微孔板的板位315。
[0057]根據此實施例的生物樣品制備系統3可以與96孔板一起使用，實現高通量、快速高效的大量生物樣品制備。
[0058]圖4以俯視圖示意性地示出了根據本實用新型第四實施例的生物樣品制備系統4。該實施例與圖2所示的第二實施例相似，不同之處在于:此實施例中每個耗材接收位置包括96個管位，可以與市場上的96孔板配合使用;該系統還有試劑/耗材存放位置，如耗材架和/或試劑槽411、用于存儲試劑管(如EP管、磁珠管)的存儲架413(包括多個用于接收試劑管的存儲孔412)、用于存放96孔板等微孔板的板位415。
[0059]根據此實施例的生物樣品制備系統4可以與96孔板一起使用，實現高通量、快速高效的大量生物樣品制備。
[0060]可以理解的是，本領域技術人員可以根據適合實際應用的耗材來設置耗材接收位置的數量和尺寸，例如，可以改造上述任一系統使之可以與384孔板一起使用。液體轉移裝置的數量和位置、機械手(也可以是其它形式的搬運機構)的數量和位置也可以根據實際需求來設計。
[0061]附圖和以上說明描述了本實用新型的非限制性特定實施例。為了教導實用新型原理，已簡化或省略了一些常規方面。本領域技術人員應該理解源自這些實施例的變型落在本實用新型的范圍內。本領域技術人員應該理解上述特征能夠以各種方式結合以形成本實用新型的多個變型。由此，本實用新型并不局限于上述特定實施例，而僅由權利要求和它們的等同物限定。
【主權項】
1.生物樣品制備系統，其特征在于，包括: 一個或多個磁棒，具有用于吸引磁性顆粒的端部； 套接在與所述一個或多個磁棒外的套管； 液體轉移裝置，該液體轉移裝置能夠一次或多次轉移液體到指定的反應腔體中； 運動控制機構，該運動控制機構能夠實現并控制所述一個或多個磁棒和所述套管、以及所述液體轉移裝置之間的相對運動。2.如權利要求1所述的生物樣品制備系統，其特征在于:所述端部的橫向尺寸小于或等于1mm03.如權利要求2所述的生物樣品制備系統，其特征在于:所述端部的橫向尺寸為I至6mm ο4.如權利要求1所述的生物樣品制備系統，其特征在于:還包括一個或多個液體溫度控制裝置。5.如權利要求4所述的生物樣品制備系統，其特征在于:所述液體溫度控制裝置包括半導體溫度控制器和/或水浴溫度控制器和/或熱循環裝置和/或PCR儀。6.如權利要求1至5中任一項所述的生物樣品制備系統，其特征在于:所述液體轉移裝置包括活塞驅動的針栗、含填充液體的針栗、無液體填充的針栗或蠕動栗。7.如權利要求1至5中任一項所述的生物樣品制備系統，其特征在于:所述套管由塑料制成。8.如權利要求1至5中任一項所述的生物樣品制備系統，其特征在于:所述磁棒呈陣列排列，且所述套管也呈相同的陣列排列。9.如權利要求8所述的生物樣品制備系統，其特征在于:所述磁棒集成在同一基板上，能夠同步運動，并且所述套管之間相互連接形成整體。10.如權利要求1至5中任一項所述的生物樣品制備系統，其特征在于:還包括試劑存儲架和/或耗材存儲架。
【文檔編號】C12M1/00GK205590667SQ201620396297
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月5日
【發明人】王磊
【申請人】王磊