全自动串行式荧光PCR检测系统.pdf

本发明公开了一种全自动串行式荧光PCR检测系统，包括光电阅读器、待测样品装置、核酸处理装置、反应装置、机械手和导轨，光电阅读器与待测样品装置连接，待测样品装置与核酸处理装置之间设置导轨和机械手，核酸处理装置与反应装置之间设置机械手。本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统是为实现全自动PCR反应过程而设计的一种温度变化并且采集荧光信息的装置，对传统PCR仪进行了革新性的改进，改变了传统PCR仪批次反应的模式，提出了流水线式的PCR工作模式，提高PCR设备的使用率，整个检测过程实现无人干预，完全自动化，节约了劳力，提高了工作效率，同时也减少了人为因素对检测结果的影响。

1、  全自动串行式荧光PCR检测系统，其特征在于，包括光电阅读器、待测样品装置、核酸处理装置、反应装置、机械手和导轨，所述光电阅读器与所述待测样品装置连接，所述待测样品装置与所述核酸处理装置之间设置所述导轨和所述机械手，所述核酸处理装置与所述反应装置之间设置所述机械手。

2、  根据权利要求1所述的全自动串行式荧光PCR检测系统，其特征在于，所述待测样品装置包括样品盘、旋转轴和步进电机，所述样品盘通过所述旋转轴与所述步进电机连接，所述样品盘上沿盘面圆周规则分布用于插入样品管的孔。

3、  根据权利要求1所述的全自动串行式荧光PCR检测系统，其特征在于，所述核酸处理装置包括核酸处理盘、旋转机械推杆和核酸处理器；
所述核酸处理盘包括内圈和外圈，所述核酸处理盘沿盘面圆周设置48个存储位和24个核酸处理位，所述存储位在所述内圈，所述核酸处理位在所述外圈；
所述旋转机械推杆在所述核酸处理盘的圆心处活动连接；
所述核酸处理器位于所述核酸处理盘的外周，与所述核酸处理位相对应。

4、  根据权利要求1所述的全自动串行式荧光PCR检测系统，其特征在于，所述反应装置包括恒温反应盘和双温度反应盘。

5、  根据权利要求4所述的全自动串行式荧光PCR检测系统，其特征在于，所述恒温反应盘包括恒温旋转盘、盖板和固定轴；
所述盖板与所述固定轴相连，所述固定轴位于所述恒温反应盘的圆心；
所述恒温反应盘位于所述盖板的下方，所述恒温反应盘沿盘面圆周有20个用于承放反应杯的孔；
所述盖板的侧面有T形槽开口卡；所述T形槽开口卡与所述恒温反应盘上的孔相对应；
所述盖板上有两个相对的缺口。

6、  根据权利要求4所述的全自动串行式荧光PCR检测系统，其特征在于，所述双温度反应盘包括低温盘、高温盘、隔热层、盖板和固定轴；
所述低温盘位于外圈，所述高温盘位于内圈，所述低温盘与所述高温盘之间用所述隔热层相互分割形成咬合线，所述咬合线为齿轮样交错状；
所述咬合线上沿盘面圆周的同一圆周线上分布了样品管孔；
所述盖板与所述固定轴相连，所述固定轴位于所述低温盘或高温盘的圆心；
所述低温盘和所述高温盘位于所述盖板的下方。

7、  根据权利要求6所述的全自动串行式荧光PCR检测系统，其特征在于，所述盖板的侧面周边设置了T型槽开口卡，所述T型槽开口卡与所述样品管孔相对应。

8、  根据权利要求6所述的全自动串行式荧光PCR检测系统，其特征在于，所述样品管孔的底部设置了用于安装激光二极管的孔位；所述低温盘上的样品管孔设置了用于安装光导纤维的孔位。

9、  根据权利要求1所述的全自动串行式荧光PCR检测系统，其特征在于，还包括四孔杯，所述四孔杯位于所述导轨上，所述四孔杯设置了四个样品管孔。

10、  根据权利要求1所述的全自动串行式荧光PCR检测系统，其特征在于，还包括料斗，所述料斗与所述反应盘之间设置所述机械手。

全自动串行式荧光PCR检测系统
技术领域
本发明涉及用于生物学、医学等领域的基因检测仪器，特别是可实现从样品处理到反应结束全过程自动化的串行式荧光PCR检测系统。
背景技术
聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction)简称PCR，已经成为核酸检测的常规技术。在PCR仪中，一个热循环块上有一个或多个用于放置装有反应物混合液的小管的小孔。循环块的温度在一个约50-55度相对低温的复性阶段和一个约90-95度的高温变性阶段之间循环、并在升温过程中完成聚合酶链延伸反应。反应样品在热循环块上经过反复的“变性”、“退火”、“延伸”阶段，即在90-95度高温处理30秒左右，然后在几秒钟之内降温至50-55度，维持约30秒后再次升温到90-95度，如此往复30-40个周期，在每个周期的低温段，用外加的光源激发反应液中预加的荧光示踪物，使之产生荧光，测量这种荧光变化，就可获得相应的信息。
现有的PCR仪器都是并行工作的，即需要备足一个批次的待测样品后，一起放入PCR处理装置，常用的PCR仪器大多允许一次反应数十个试样、比如常见的96个样品，也就是说，这96个试样要在同一个温度程序中完成。譬如，罗氏公司的LightCycler 480型高通量实时荧光定量PCR系统。
在医院或实验室，随时都会要用到PCR仪器来检测不同时间处理好的样品。但是由于PCR的周期较长，要等待上一个批次反应完成才能开始下一个批次的反应，这样造成PCR仪器使用率不高，而且也很影响工作效率，甚至由于样品需要冻存而会影响检测结果。另外，目前也没有一台PCR仪器可以实现从样品的处理到反应过程的完成全部自动化而不需要人工操作。一般都需要人工处理样品，配好PCR反应混合液，放于PCR仪上反应，最后还需要处理反应后的样品管。在整个PCR检测过程中，掺入了很多人为因素，影响检测结果的准确性。
发明内容
为克服上述技术缺陷，本发明的目的是提供一种全自动串行式荧光PCR检测系统，大大提高PCR仪器的使用率，且实现检测全过程的自动化。
为实现上述目的，采用如下的技术方案：
本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统包括光电阅读器、待测样品装置、核酸处理装置、反应装置、机械手和导轨，所述光电阅读器与所述待测样品装置连接，所述待测样品装置与所述核酸处理装置之间设置所述导轨和所述机械手，所述核酸处理装置与所述反应装置之间设置所述机械手。
所述待测样品装置包括样品盘、旋转轴和步进电机，所述样品盘通过旋转轴与所述步进电机连接，所述样品盘上沿盘面圆周规则分布若干用于插入样品管的孔。
所述核酸处理装置包括核酸处理盘、旋转机械推杆和核酸处理器；
所述旋转机械推杆在所述核酸处理盘的圆心处活动连接；
所述核酸处理盘包括内圈和外圈，所述核酸处理盘沿盘面圆周设置48个存储位和24个核酸处理位，所述存储位在所述内圈，所述核酸处理位在所述外圈；所述外圈固定，所述内圈由计算机控制转动。所述核酸处理器位于所述核酸处理盘的外周，与所述核酸处理位相对应。存储位并不局限于48个，核酸处理位也不局限于24个；这只是本发明的优选实施方式中的一种情况。
所述反应装置包括恒温反应盘和双温度反应盘。恒温反应盘是指温度恒定的反应盘，温度可分别在37℃-55℃和89℃-95℃之间选择，只是本发明优选为48℃反应盘或94℃反应盘。
恒温反应盘包括恒温旋转盘、盖板和固定轴；盖板与固定轴相连，固定轴位于恒温反应盘的圆心；所述恒温反应盘位于所述盖板的下方，所述恒温反应盘沿盘面圆周有20个用于承放反应杯或管的孔；所述盖板的侧面有T形槽开口卡；所述T形槽开口卡与所述恒温反应盘上的孔相对应；所述盖板上有两个相对的缺口。承放反应杯或管的孔不局限于20个，这只是本发明的优选实施方式中的一种。
如果恒温定为48℃，则其盖板上的两个缺口的位置可以根据反应条件设定，作为一个优选实施方式，两个缺口沿圆周直径处于相对位置。
如果恒温定为94℃，则其盖板上的两个缺口的位置可以根据反应条件设定，作为一个优选实施方式，两个缺口的角度可以为108度。
所述双温度反应盘包括低温盘、高温盘、隔热层、盖板和固定轴，所述低温盘位于外圈，所述高温盘位于内圈，所述低温盘与所述高温盘之间用所述隔热层相互分割形成咬合线，所述咬合线为齿轮样交错状；所述咬合线上沿盘面圆周的同一圆周线上分布了样品管孔；所述盖板与所述固定轴相连，所述固定轴位于所述低温盘或高温盘的圆心；所述低温盘和高温盘位于所述盖板的下方；所述盖板的侧面周边设置了T型槽开口卡，所述T型槽开口卡与所述样品管孔相对应；样品管安装在盖板侧面周边的T型槽开口卡内，跟随盖板做圆周步进动作和上下动作，从一个样品管孔逐次移动至相邻的样品管孔中，完成了足够温度周期后才脱离盖板。所述样品管孔的底部设置了用于安装激光二极管的孔位；所述低温盘上的样品管孔设置了用于安装光导纤维的孔位。
本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统还包括四孔杯，四孔杯位于所述导轨上，所述四孔杯设置了四个样品管孔。作为优选实施方式，所述四孔杯分别在转运过程中自动加入裂解液、洗涤液1、洗涤液2和洗脱液。
本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统还包括料斗，所述料斗与所述反应盘之间设置有所述机械手。作为优选实施方式，所述料斗内有反应所需的原料和材料，比如盖子，石蜡油、反应混合溶液等。
本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统是为实现全自动PCR反应过程而设计的一种温度变化并且采集荧光信息的装置。
所谓“串行”，是指将每一个试样按照先后秩序各自单独进入反应环境，本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统为每一个试样都提供一个独立的反应环境；并且可以做到在每一个试样完成从高温到低温反复循环的30-40个周期的过程中还实现了信息的单独采集。
与现有技术相比，本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统对传统PCR仪进行了革新性的改进，改变了传统PCR仪批次反应的模式，提出了流水线式的PCR工作模式，提高PCR设备的使用率，节省使用者的时间，实现随来随测，使得系统有更大的灵活性和适用性。由于采用了两个固定温度的温度盘，没有采用产生温度急剧变化的元器件，就避免了因长期急剧热胀冷缩带来的元器件故障，提高了可靠性，降低了制造和使用成本。比采用传统的半导体制冷、发热方式能获得更高的温度变化率，提高了反应效率。从待测样品处理到结果甚至废弃反应管的处理，整个检测过程实现无人干预，完全自动化，节约了劳力，提高了工作效率，同时也减少了人为因素对检测结果的影响。
附图说明
图1是本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统中的待测样品装置的一个优选实施例的立体示意图；
图2是本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统中的核酸处理装置的一个优选实施例的俯视示意图；
图3是本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统中的48℃恒温反应盘的一个优选实施例的侧视示意图和俯视示意图；
图4是本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统中的94℃恒温反应盘的一个优选实施例的俯视示意图；
图5是本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统中的双温度反应盘的一个优选实施例的俯视示意图和侧视示意图；
图6是本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统中的四孔杯的一个优选实施例的俯视示意图和侧视示意图；
图7是本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统中的反应过程的一个优选实施例的流程示意图；其中，图7-1是全自动串行式荧光PCR检测系统的在进行荧光定量RT-PCR的工作流程简图；图7-2是将样品转移到四孔杯中，并向四孔杯中添加试剂的示意图；图7-3是核酸处理过程的示意图。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，下列实施例中未提及的具体实验方法，通常按照常规实验方法进行。
实施例1：
如图1所示，为本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统中的待测样品装置的一个优选实施例的立体示意图，由图可见，待测样品装置包括样品盘13、旋转轴12和步进电机11，样品盘13通过旋转轴12与步进电机11连接，样品盘13沿盘面圆周上规则分布若干用于插样品管15的样品孔130。工作人员将待测样品装入样品管15后，再插入样品孔130。同时在样品管15的管侧面贴上条形码，光电阅读器14通过识别样品管15上的条形码以区分并跟踪记忆每个待测样品管的反应状态。在本实施例中，该样品盘13可以一次插入三十只试管，步进电机每三十秒移动一个样品位。
实施例2：
如图2所示，为本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统中的核酸处理装置的一个优选实施例的俯视图。该核酸处理装置包括核酸处理盘21、旋转机械推杆23、核酸处理器24，还可以包括旋转换头器22；旋转机械推杆23和旋转换头器22在核酸处理盘21的圆心处活动连接；核酸处理盘21包括内圈和外圈，其沿盘面圆周设置四十八个存储位211和二十四个核酸处理位212，存储位211在内圈，核酸处理位212在外圈；外圈固定，内圈由计算机控制转动。所述核酸处理器位于所述核酸处理盘的外周，与所述核酸处理位相对应。核酸处理装置配合四孔杯一起工作：四孔杯通过导轨62进入存储位211，然后旋转机械推杆23将四孔杯移到邻近的一个位置，进而向外推到外圈的核酸处理位212，接着由核酸处理器24在四孔杯中对核酸进行处理。最后，四孔杯被送出处理位，转移核酸后，推入垃圾箱。
实施例3
如图3所示，为本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统中的48℃反应盘的一个优选实施例的示意图。
图3-1是该实施例中48℃反应盘的侧视示意图，该图显示，48℃反应盘包括恒温旋转盘31、盖板32和固定轴33，盖板32与固定轴33相连，固定轴33位于48℃反应盘的圆心；48℃反应盘位于盖板32的下方，恒温旋转盘31有用于承放反应杯的孔311；盖板32的侧面有T形槽开口卡321；T形槽开口卡321与48℃反应盘上的孔311相对应。
图3-2是该实施例中48℃反应盘的俯视示意图，该图显示，恒温旋转盘31沿盘面圆周有二十个用于承放反应杯的孔311，恒温旋转盘31恒温48℃，每30秒转动一次，一次转18度，10次转180度。盖板32上沿圆周直径有两个相对的缺口322A和322B，反应杯从322A缺口装入，从322B缺口卸下，跟随恒温旋转盘31旋转180度，时间为五分钟。
实施例4：
图4为本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统中的94℃反应盘的一个优选实施例的俯视示意图。该94℃反应盘4和48℃反应盘的结构基本类似，包括恒温旋转盘、盖板和固定轴，盖板与固定轴相连，固定轴位于94℃反应盘4的圆心；94℃反应盘位于盖板的下方，94℃反应盘4沿盘面圆周有20个用于承放反应杯的孔；盖板的侧面有T形槽开口卡；T形槽开口卡与所述94℃反应盘4上的孔相对应；恒温旋转盘沿盘面圆周有二十个用于承放反应杯的孔，恒温旋转盘每30秒转动一次，一次转18度，盖板上沿圆周有两个缺口，反应杯从缺口4A装入，从缺口4B卸下。两者差别之处在于：该94℃反应盘4恒温在94℃；缺口的位置不同，见图4所示，缺口4A和缺口4B的位置相隔108度，这样，反应时间只有3分钟。调整缺口的角度位置，可以改变热处理的时间。
实施例5：
图5是本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统中的双温度反应盘的一个优选实施例的结构示意图。其中，图5-1是该双温度反应盘的俯视图，由图5-1可见，该双温度盘装置包括低温盘51、高温盘52、隔热层53，低温盘51和高温盘52是两块导热性能良好的金属盘；低温盘51位于外圈，温度可以是50-55℃，高温盘52位于内圈，温度可以是90-95℃，低温盘51与高温盘52之间用隔热层53相互分割形成齿轮样交错状的咬合线。咬合线上沿盘面圆周的同一圆周线上分布了样品管孔56。样品管孔56可以为40个或80个，这样，相邻的试样杯孔实际上位于不同的温度区上。如果一个试样从一个孔被移入相邻的另一个孔中，就从一个温度区到了另一个温度区。如果这个试样沿着圆周移动了80个孔位，那么这个试样就经历了40个高、低温变化的周期，也就是说完成了一个PCR反应环境的全过程。
如何实现试样杯沿着圆周依次从一个孔向相邻的孔移动呢？这是通过可转动并可上下移动的盖板来实现的。图5-2是该双温度反应盘的侧视示意图，结合图5-2，该双温度反应盘除了低温盘51、高温盘52和隔热层53，还包括盖板54和固定轴55，盖板54与固定轴55相连，固定轴55位于低温盘51或高温盘52的圆心；低温盘51和高温盘52位于盖板54的下方；盖板54的侧面周边设置了40个T型槽开口卡541，样品管59通过T型槽开口卡541卡在盖板54上。T型槽开口卡541与样品管孔56相对应；样品管59安装在盖板54侧面周边的T型槽开口卡541内，跟随盖板54做圆周步进动作和上下动作，30秒钟之后，盖板向上移动，将所有样品管59拔出样品管孔56。盖板54转动一个孔位，再向下移动，这样，所有样品管59就一起更换了温度环境。盖板54的上下移动和步进旋转移动可以由两个步进电机分别驱动。盖板54携带样品管作上下和圆周运动，每三十秒动作一次，40次动作旋转一周。盖板每转动一个孔位，可以用机械手将一个新的样品管卡在盖板上，当这个样品管已经完成了40个温度周期后，就会被从盖板上移出。
样品管孔56底部设置了用于安装激光二极管的二十个孔位57；低温盘51上的样品管孔56的侧面设置了用于安装光导纤维的二十个孔位58，用于读取信号。在样品管停留于低温试样孔中时，激光管发出激发光，刺激样品管中的试样发出可能的荧光，可能的荧光被光纤捕捉并传送到光电检测部分。
实施例6：
图6为本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统中的四孔杯的一个优选实施例的示意图，图6-1是四孔杯61的俯视示意图，图6-2是四孔杯61放置于导轨62的剖面图。四孔杯61位于导轨62上，导轨62具有卡槽，可以将四孔杯61固定于导轨的卡槽内，并能在槽内灵活运行。四孔杯61设置了四个样品管孔611，四孔杯61的四个样品管孔611分别放入裂解液、洗涤液1、洗涤液2和洗脱液。四孔杯61沿着导轨62进入核酸处理盘内圈上的存贮位置。
实施例7：
图7是本发明的全自动串行式荧光PCR检测系统工作的一个优选实施例的具体工作的流程示意图。
图7-1是全自动串行式荧光PCR检测系统的在进行荧光定量RT-PCR的工作流程简图。第一阶段：待检样品处理后，含纯化后的核酸的反应混合液进入48℃反应盘3。机械手71C从料斗72B中抓取反应杯15B后，将其放置于48℃反应盘3上。待检样品通过核酸处理装置和四孔杯61得到纯化后的核酸，纯化后的核酸在四孔杯61中的最后一孔中。四孔杯61通过导轨62和机械手被移至旋转移液器74B旁，旋转移液器74B将四孔杯61中纯化后的核酸吸取到反应杯15B中。旋转移液器74B换头后，从加液站73B中吸取反应液到反应杯15B中，其中，加液站73B预先存放有反应液。然后，机械手71C又从料斗72C中抓取与反应杯15B配合的杯盖盖于反应杯15B上。上述已经详细说明过48℃反应盘3的结构，简言之，48℃反应盘3分两层，上层盖板固定，下层旋转，每30秒一个位，上层盖板有上料缺口和卸料缺口，每一个反应杯在此停留5分钟。
第二阶段：反应杯15B从48℃反应盘3转移到94℃反应盘4上。此阶段动作由机械手71D完成。94℃反应装盘4的结构与48℃反应盘3的结构相似，只是温度恒定在94℃，反应杯在此停留2-3分钟，也是通过上料缺口和卸料缺口进入和离开反应装置的。通过调整两缺口的角度，可以控制在此停留时间。
第三阶段：反应杯15B从94℃反应盘4转移到双温度反应盘5上。在本实施例中，双温度反应盘5设置了两个。双温度反应盘5的双温盘有四十个孔，每三十秒走一步，转过两圈可以完成四十个温度周期，共2400秒，即40分钟。相邻反应管出结果的时间间隔一分钟。机械手71E完成将反应杯15B从94℃反应盘4转移到双温度反应盘5上，并且从双温度反应盘5上将反应后的反应杯15B移至垃圾箱中。
图7-2是将样品转移到四孔杯61中，并在核酸处理过程中向四孔杯61添加试剂的示意图。旋转移液器74A从装有待测样品的试管15A中吸取待测样品至四孔杯61的第一个孔内。每完成一次，旋转移液器74A旋转90度，至换头站75A更换新的“枪头”，然后进行下一个样品的加样。加液站73A中分别预先存放有裂解液、洗涤液1、洗涤液2、洗脱液。在四孔杯61中加了待测样品后，加液站73A中的液体就由计算机程序控制逐步加入四孔杯61相应的管里。样品处理完后，四孔杯61通过导轨62被转移到合时地方，其中纯化后的核酸被移走，用过的四孔杯61被丢弃。
图7-3是核酸处理过程的示意图；四孔杯61通过导轨62进入核酸处理装置中的存储位211(见图2)。旋转机械手23将存储位211中的四孔杯61推入处理位212。核酸处理器24上有可与磁铁磁性结合的导套241，在导套241上包裹一塑料管242；塑料管242可以与导套241分离开，并独自工作。在第一孔中，进行的是核酸的裂解，将塑料管242与导套241分离开，并且塑料管242独自在第一孔中搅拌，将液体混匀；3分钟后，将导套241与塑料管242套接接在一起，因为第一孔的液体中预先放入微小磁铁颗粒，静置后，微小磁铁颗粒可将混合溶液中的核酸吸附，进而通过该磁铁可吸附在导套241上，进而将核酸带入第二孔。在第二孔中，进行的是洗涤。套接于导套241的塑料管242进入第二孔后，将导套241脱离于塑料管242，则磁铁脱离于塑料管242，从而吸附于磁铁的核酸溶于洗涤液中，进行洗涤，3分钟后，利用在第一孔中的方式，将洗涤后的核酸吸附于第三孔。第三孔中溶液为洗涤液，与第二管同样的方式。同样的，最后将洗脱后的核酸吸附至第四孔。第四孔为洗脱液，比如乙醇，在乙醇洗脱液中，核酸可与磁铁分离，所以最后通过套接有导套241的塑料管242将溶液中的磁铁吸附，在溶液中剩余的就是纯化后的核酸。全过程12分钟。处理结束后，由旋转机械手23使其回到存储位211。每处理完一个杯子，用旋转换头器更换一次塑料管242。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。