CN107345199A - 生物样品制备系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种生物样品制备系统。该系统包括：一个或多个磁棒，具有用于吸引磁性颗粒的端部；套接在与所述一个或多个磁棒外的套管；液体转移装置，该液体转移装置能够一次或多次转移液体到指定的反应腔体中；运动控制机构，该运动控制机构能够实现并控制所述一个或多个磁棒和所述套管、以及所述液体转移装置之间的相对运动。采用本发明的系统，可以实现完全自动化的生物样品制备过程，并且，由于液体添加、生化反应、核酸纯化三个步骤可以并行进行，对至少三块耗材中的生物样品同时进行样品制备，可以极大程度节省样品制备的时间，提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及生命科学领域，更具体地，涉及一种生物样品制备系统和方法。
背景技术
生物样品的制备对生命科学研究、医药研发、疾病的预防与控制、农业研究、以精准医疗为基础的临床诊断都至关重要，由于生物样品的复杂性，其样本制备过程往往异常复杂，依赖大量的手工操作，难以实现自动化。
以二代测序为例，其测序文库构建的样品制备过程涉及将核酸片段化、多步酶反应、多步核酸纯化，甚至PCR等环节，耗时、费力、难以实现自动化，对实验人员实验技能要求高，手动操作重现性差，容易引入手动操作的误差甚至错误，样品制备的困难制约了二代测序技术的发展和应用。
目前，对生物样品制备的自动化往往采用商用的自动化移液工作站来实现。移液工作站拥有单个或多个移液通道，按照手动实验操作流程将液体添加、混合、移除等过程用计算机程序控制实现自动化操作，其优势是能够进行自动化液体处理以便将样品制备过程自动化，但劣势是由于是简单重复手工实验，无法节省单次样品制备的时间，而且由于要准备、编写、调试、优化实验程序，往往要比手动实验花费更多的时间，降低了效率。
以二代测序的文库构建为例，其流程中多步核酸的纯化是最为耗时的步骤之一，目前商用移液工作站多采用移液通道配合吸头吸取磁性颗粒加入需要纯化的含核酸的溶液中，并用吸头吹打混合，促进磁性颗粒与核酸结合，然后将其与磁铁靠近，使磁性颗粒被吸在反应腔体的内壁上，随后用吸头将废液吸出，而将磁性颗粒留在反应腔体中；然后加入清洗液，用吸头吹打混合，以便达到清洗掉杂质的目的，后将其与磁铁靠近，用吸头将废液吸出，而将磁珠留在反应腔体中；最后加入洗脱液，用吸头吹打混合，促进核酸与磁性颗粒的解离，后将其与磁铁靠近，用吸头将含有核酸的洗脱液吸出，得到纯化产物。此过程涉及多步操作，单次纯化耗时往往在一个小时以上。核酸纯化后，需要用吸头将生物酶与纯化后的核酸混合，以便进行酶反应，很多移液工作站无法进行自动化酶反应，需要手动将其转移到温度控制装置中，例如PCR仪中，反应后再次返回移液工作站继续核酸纯化过程。这其中还涉及将每步实验所需的试剂、耗材、生物样本置入或移出移液工作站的过程，整个过程难以避免手动操作，除了耗时外，依旧无法彻底解决全部自动化的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点。
为此，本发明提供了一种生物样品制备系统，该系统包括：一个或多个磁棒，具有用于吸引磁性颗粒的端部；套接在与所述一个或多个磁棒外的套管；液体转移装置，该液体转移装置能够一次或多次转移液体到指定的反应腔体中；运动控制机构，该运动控制机构能够实现并控制所述一个或多个磁棒和所述套管、以及所述液体转移装置之间的相对运动。
可以采用计算机程序来控制和协调液体转移装置、基于磁棒和磁性颗粒的生物样品提取纯化装置、耗材搬运机构的运动，对整个样品制备过程进行优化控制，从而最大化样品制备的效率。根据本发明的系统具有下面几项目前技术所不具备的优势：
第一，液体添加/转移、生物提取/分离/纯化、生化反应可以并行处理，导致速度更快，效率更高，单位时间可处理更多的生物样本；
第二，用磁棒配合套管完成磁性颗粒的转移，进而实现结合于磁性颗粒上的生物分子的分离和纯化，相比于现有移液工作站技术，更加快速，便捷，效率高，整个过程全自动完成，并且其过程中涉及的试剂(包括但不仅限于磁性颗粒悬浊液、磁性颗粒与生物分子结合液、清洗液、洗脱液)填充过程自动化完成；
第三，无需手工操作，避免人为操作所引发的错误或液体操作误差，提高可靠性，并节省人工成本。
在本发明中，术语“生物样品”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“磁棒”是指具有磁性的细长型物体，包括但不限于细长的棒状，如圆柱形磁铁或电磁铁。
在本发明中，术语“耗材”是指用于生物或化学实验的消耗品，包括但不限于盛放试剂和生物样品的EP管、八连排管、PCR管、96孔板、吸头及其吸头盒。
在本发明中，术语“试剂”是指用于生物或化学实验的液体，包括但不限于生物酶、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。
在一个实施例中，所述端部的横向尺寸小于或等于10mm，优选地，为1至6mm。这样的磁棒可以适用于小体积(例如200微升以下)体系中，在很多应用(例如二代测序)中可以取得更好的效果，并达到节省试剂和节省珍贵生物样品的目的。
优选地，所述生物样品制备系统还包括一个或多个液体温度控制装置，所述液体温度控制装置可以包括半导体温度控制器和/或水浴温度控制器和/或热循环装置和/或PCR仪。
所述液体转移装置可以包括活塞驱动的针泵、含填充液体的针泵、无液体填充的针泵或蠕动泵。
优选地，所述套管由塑料制成。
在一个实施例中，所述磁棒呈阵列排列(例如1×8阵列、12×8阵列、24×16阵列)，且所述套管也呈相同的阵列排列。
有利地，所述磁棒集成在同一基板上，能够同步运动，并且所述套管之间相互连接形成整体。
有利地，所述生物样品制备系统还包括试剂存储架和/或耗材存储架。
本发明还提供了一种生物样品制备的方法，该方法包括以下步骤：
步骤A：提供包含生物样品和磁性颗粒的溶液；
步骤B：使用带有套管的磁棒将结合有生物样品的磁性颗粒从所述溶液中吸出；
步骤C：将结合有生物样品的磁性颗粒转移到另一溶液中；
重复以上步骤A至C，以实现生物样品的纯化。
优选地，所述方法还包括步骤D：向包含有纯化后的生物样品的溶液中加入下一步反应所需的试剂，使其在一定的温度下或经过热循环进行生化反应。
优选地，所述方法还包括步骤E：将生化反应后的生物样品重复步骤A至C，再次进行纯化。
根据实际应用，步骤A至D可以循环任意多次，以最终实现样品制备之目的。
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是根据本发明第一实施例的生物样品制备系统的示意性俯视图；
图2是根据本发明第二实施例的生物样品制备系统的示意性俯视图；
图3是根据本发明第三实施例的生物样品制备系统的示意性俯视图；
图4是根据本发明第四实施例的生物样品制备系统的示意性俯视图；
图5是图1至图4中液体转移/添加装置的示意性侧视图。
具体实施方式
图1以俯视图示意性地示出了根据本发明第一实施例的生物样品制备系统1。该系统包括液体填充/转移区110、生化反应区120以及生物样品分离/提取/纯化区130。
在液体填充/转移区110设有一个或多个耗材接收位置111(图1示例性地示出了3个)。在本实施例中，每个耗材接收位置111包括8个管位112，管位112是能够接收试剂管的装置，例如大小与试剂管的直径相匹配的孔。试剂管中可以容纳例如含有磁性颗粒的悬浊液、磁性颗粒与生物分子结合液、清洗液、洗脱液、用于生化反应的酶等。各种试剂可以分别存放在不同的试剂管中，以避免交叉污染。根据此实施例的生物样品制备系统1可以与八连排管一起使用，实现灵活但低通量的生物样品制备。本领域技术人员可以根据实际需求来设置耗材接收位置111的数量以及每个耗材接收位置111所包括的管位112的数量。可以在一部分耗材接收位置111处放置耗材(在本例中为八连排管)进行液体填充/转移操作，而在闲置的耗材接收位置111处存储耗材。
在生化反应区120也设有一个或多个耗材接收位置121(图1示例性地示出了1个)。同样，每个耗材接收位置121包括8个管位，可以用于接收例如八连排管。每个管位处均设有温度控制装置122。液体温度控制装置122可以包括半导体温度控制器、水浴温度控制器、热循环装置、PCR仪或基于其它原理的温度控制装置或者它们的组合。各管位处的温度控制装置122可以是相互独立工作的，也可以是被统一控制的。优选地，温度控制范围在0摄氏度到100摄氏度之间。借助于所述温度控制装置，试剂管中的生化反应可以在预先设定的某一温度下或温度区间中进行。
在生物分离/提取/纯化区130设置有一个或多个磁棒131(图1示例性地示出了8个)和套接在每个磁棒外的套管132。这些套管能够隔离磁棒与试剂，达到保护磁棒不受腐蚀、延长其使用寿命的目的。另外，套管在试剂中的上下震荡也可以起到混合磁性颗粒与生物分子、清洗或洗脱生物分子的作用。并且，在磁棒的正下方设有一个或多个耗材接收位置(图1示例性地示出了1个)，同样，每个耗材接收位置包括8个管位，可以用于接收例如八连排管。每个磁棒131的一端连接到运动控制机构，另一端用于伸入试剂中吸附磁性颗粒。这些磁棒131可以连接到各自的运动控制机构，从而能够相互独立地沿着垂直于纸面的方向运动，实现伸入试剂中和从试剂中撤出的动作。也可以将这8个磁棒131连接在一起(例如，集成在同一基板上)，受同一运动控制机构的控制，从而实现同步运动。这样可以简化运动控制机构，提高控制的可靠性。每个磁棒121外均设有套管132，套管132与磁棒121之间存在间隙，该间隙的大小设计成使得套管132与磁棒121之间能够发生相对运动，也使得磁棒121产生的磁力足以将试剂中的全部磁性颗粒吸引到套管132的外壁上。优选地，该间隙小于2mm。与磁棒相同地，这些套管132可以连接到各自的运动控制机构，从而能够相互独立地沿着垂直于纸面的方向运动，实现伸入试剂中和从试剂中撤出的动作。也可以将这8个套管132相互连接成一个整体，受同一运动控制机构的控制，从而实现同步运动。
磁棒121可以由永磁体或电磁体等材料制成，本领域技术人员可以根据实际需要设计它的形状和尺寸。例如，在二代测序应用中，磁棒121的用于吸附磁性颗粒的端部优选地具有小于或等于10mm的横向尺寸(即垂直于其长度方向的尺寸)，更优选地，该尺寸为1至6mm。套管132可以由任何耐腐蚀的材料制成，优选地由塑料制成。
上述三个区域110、120、130可以分别设有额外的用于存储试剂和/或耗材和/或样品的位置，或者这三个区域中的一个或两个设有这样的位置。当然，本领域技术人员可以理解，这种位置也可以单独设置在上述三个区域之外的第四个区域中。
如图1所示，生物样品制备系统1还包括一个或多个液体转移装置140(图1示例性地示出了1个)和一个或多个用于搬运实验耗材(如八连排管)的机械手150(图1示例性地示出了1个)，机械手150上有搬运耗材的抓手151。机械手150可滑动地连接到支架160，可以沿箭头B双向运动。液体转移装置140可滑动地连接在支架161上，可以沿箭头C双向运动，而支架161则可滑动地连接在支架160上，可以沿箭头A双向运动。因此，液体转移装置140可以到达生物样品制备系统1中的任何位置，对任何区域中任何需要添加液体的位置上任何耗材的腔体中添加任意液体。移液体积一般为0.3微升至1000微升之间。机械手150也可以将实验耗材(如八连排管)抓到该系统任何区域的任何位置上，以便完成同一区域内或不同区域间样本的转移。
液体转移装置140可以是任何合适的液体转移装置，例如，可以包括吸头(如图5所示)和驱动装置，如活塞驱动的针泵、含填充液体的针泵、无液体填充的针泵或蠕动泵。
如上所述的生物样品制备系统可以有多种应用。下面以二代测序文库构建的实验流程为例，说明该系统是如何工作的。
DNA或RNA的分离/提取/纯化如核酸打断后的纯化、末端修复后的纯化、末端加腺嘌呤核苷后的纯化、末端加入测序接头后的纯化、PCR后的纯化，在区域130进行。首先，在液体填充/转移区110由液体转移装置140在耗材(如八连排管)中加注磁性颗粒和含有DNA或RNA溶液，然后机械手150将该耗材搬运到生物分离/提取/纯化区130，放置到磁棒131和套管132正下方；随后，套管132在运动机构的控制下以一定的速度、振动频率和振幅在包含有磁性颗粒和DNA或RNA的耗材(如八连排管)中振荡(即沿垂直于纸面的方向来回运动)，以便让磁性颗粒和DNA或RNA结合；然后磁棒131伸入套管132中，与套管132一起进入耗材中的溶液，将磁性颗粒连同结合在磁性颗粒上的生物分子吸引到套管132的外壁上，并从试剂中撤出；随后，机械手150将包含有废液的耗材转移到任何闲置的耗材接收位置，并且将包含有清洗液的耗材(事先由液体转移装置140在液体填充/转移区110填充好)放置到磁棒131正下方。然后，重复以上步骤以进行后续的杂质清洗过程(磁棒套管伸入的是清洗液中)、DNA或RNA洗脱过程(磁棒套管伸入的是洗脱液中)。本领域技术人员可以理解，杂质清洗过程可能要进行数次。
DNA/RNA的纯化完成之后，用机械手150将盛放有纯化好的DNA/RNA的八连排管转移到液体转移/填充区110，由液体转移装置140加入下一步反应所需要的酶和/或其他试剂，并可以根据需要进行混合。
然后，机械手150将含有加了酶的DNA/RNA溶液的八连排管搬运到生化反应区120，在一定的温度下或经过热循环进行生化反应。
最后，机械手150转移该八连排管到生物分离/提取/纯化区130，进行下一次纯化。
上述步骤循环往复，最终实现用于二代测序文库构建的生物样品制备。可以看到，整个过程无需任何手工操作，实现了完全自动化。另外，由于液体添加、生化反应、核酸纯化三个步骤可以并行进行，对至少三块八连排管同时进行样品制备，可以极大程度节省样品制备的时间，提高效率，相比传统移液工作站的文库构建方案节省多至约2/3的操作时间。
图2以俯视图示意性地示出了根据本发明第二实施例的生物样品制备系统2。相比于图1所示的第一实施例，区别在于：该系统2没有明显的区域划分，任何耗材接收位置230、240都可以用于液体填充、生化反应、生物样品分离/提取/纯化；该系统中没有机械手，无需搬运和转移耗材(如八连排管)；磁棒211和套管221除了能够在垂直于纸面的方向上来回运动以外，还能够在其各自的运动控制机构210和220的控制下分别沿着箭头B、C双向运动，因此，通过将结合有生物样品的磁性颗粒吸引到套管221的外壁上并将该套管移动到指定位置，可以实现生物样品的位置转移；根据实际应用，可以在任何需要的管位241处设置温度控制装置231(图2仅仅示例性地示出在右边两个耗材接收位置230的管位处设有温度控制装置)。由于磁棒和套管可以到达任何位置，液体添加和生化反应可以在任何位置进行，因此该方案更为灵活和可靠。
如上所述的生物样品制备系统可以有多种应用。下面以二代测序文库构建的实验流程为例，说明该系统是如何工作的。
首先，在某一个或多个耗材接收位置230、240由液体转移装置250在耗材(如八连排管)中加注磁性颗粒和含有DNA或RNA溶液，然后磁棒211和套管221移动到该耗材接收位置上方；随后，套管221在运动机构的控制下以一定的速度、振动频率和振幅在包含有磁性颗粒和DNA或RNA的耗材(如八连排管)中振荡(即沿垂直于纸面的方向来回运动)，以便让磁性颗粒和DNA或RNA结合；然后磁棒211伸入套管221中，与套管221一起进入耗材中的试剂，将磁性颗粒连同结合在磁性颗粒上的生物分子吸引到套管221的外壁上，并从试剂中撤出；随后，磁棒211和套管221带着结合有生物分子的磁性颗粒移动到包含有清洗液的耗材(事先由液体转移装置250填充好)上方。然后，重复以上步骤以进行后续的杂质清洗过程(磁棒套管伸入的是清洗液中)、DNA或RNA洗脱过程(磁棒套管伸入的是洗脱液中)，洗脱的位置需要具有温控功能，可以进行生化反应。本领域技术人员可以理解，杂质清洗过程可能要进行数次。
DNA/RNA的纯化完成之后，液体转移装置250移动到相应位置，加入下一步反应所需要的酶和/或其他试剂，并可以根据需要进行混合。然后启动温控机构，在一定的温度下或经过热循环进行生化反应。
最后，液体转移装置250移动到相应位置加入磁珠和核酸纯化所需要的液体，磁棒211和套管221移动到该耗材接收位置上方，进行下一次纯化。上述步骤循环往复，最终实现用于二代测序文库构建的生物样品制备。整个过程无需任何手工操作，实现完全自动化。由于液体添加、生化反应、核酸纯化三个步骤可以并行进行，对至少三块八连排管同时进行样品制备，可以极大程度节省样品制备的时间，提高效率，相比传统移液工作站的文库构建方案节省大约2/3的操作时间。
图3以俯视图示意性地示出了根据本发明第三实施例的生物样品制备系统3。该实施例与图1所示的第一实施例相似，不同之处在于：此实施例中每个耗材接收位置包括96个管位，可以与市场上的96孔板配合使用；在液体填充/转移区310有试剂/耗材存放位置，如耗材架和/或试剂槽311、用于存储试剂管(如EP管、磁珠管)的存储架313(包括多个用于接收试剂管的存储孔312)、用于存放96孔板等微孔板的板位315。
根据此实施例的生物样品制备系统3可以与96孔板一起使用，实现高通量、快速高效的大量生物样品制备。
图4以俯视图示意性地示出了根据本发明第四实施例的生物样品制备系统4。该实施例与图2所示的第二实施例相似，不同之处在于：此实施例中每个耗材接收位置包括96个管位，可以与市场上的96孔板配合使用；该系统还有试剂/耗材存放位置，如耗材架和/或试剂槽411、用于存储试剂管(如EP管、磁珠管)的存储架413(包括多个用于接收试剂管的存储孔412)、用于存放96孔板等微孔板的板位415。
根据此实施例的生物样品制备系统4可以与96孔板一起使用，实现高通量、快速高效的大量生物样品制备。
可以理解的是，本领域技术人员可以根据适合实际应用的耗材来设置耗材接收位置的数量和尺寸，例如，可以改造上述任一系统使之可以与384孔板一起使用。液体转移装置的数量和位置、机械手(也可以是其它形式的搬运机构)的数量和位置也可以根据实际需求来设计。
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。
Claims (10)
1.生物样品制备系统，其特征在于，包括：
一个或多个磁棒，具有用于吸引磁性颗粒的端部；
套接在与所述一个或多个磁棒外的套管；
液体转移装置，该液体转移装置能够一次或多次转移液体到指定的反应腔体中；
运动控制机构，该运动控制机构能够实现并控制所述一个或多个磁棒和所述套管、以及所述液体转移装置之间的相对运动。
2.如权利要求1所述的生物样品制备系统，其中，所述端部的横向尺寸小于或等于10mm。
3.如权利要求2所述的生物样品制备系统，其中，所述端部的横向尺寸为1至6mm。
4.如权利要求1所述的生物样品制备系统，还包括一个或多个液体温度控制装置。
5.如权利要求4所述的生物样品制备系统，其中，所述液体温度控制装置包括半导体温度控制器和/或水浴温度控制器和/或热循环装置和/或PCR仪。
6.如权利要求1至5中任一项所述的生物样品制备系统，其中，所述液体转移装置包括活塞驱动的针泵、含填充液体的针泵、无液体填充的针泵或蠕动泵。
7.如权利要求1至5中任一项所述的生物样品制备系统，其中，所述套管由塑料制成。
8.如权利要求1至5中任一项所述的生物样品制备系统，其中，所述磁棒呈阵列排列，且所述套管也呈相同的阵列排列。
9.如权利要求8所述的生物样品制备系统，其中，所述磁棒集成在同一基板上，能够同步运动，并且所述套管之间相互连接形成整体。
10.如权利要求1至5中任一项所述的生物样品制备系统，还包括试剂存储架和/或耗材存储架。
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