高通量細菌核酸提取儀設計

戴春喜　周超

摘要：核酸提取儀是涉及生物、醫學、化學領域中用于核酸提取的一種裝置， 傳統的核酸制備方式是將待測樣品加入含有化學試劑或裂解酶的試劑中，通過化學反應達到核酸樣本的制備。這種方法有毒害物質，存在樣品制備耗時大，效率低，處理的樣品少，有交叉污染等諸多缺點，逐漸難以滿足高速、大批量的核酸提取要求。本設計提出了一種通過物理震蕩的方式結合某種試劑實現樣品裂解的核酸提取裝置。

關鍵詞：細菌核酸提??；樣品制備；核酸提取儀

1.前言

基因測序、分子診斷、生物醫藥等生命科學需要大量的樣品制備，隨著生物技術的發展，目前臨床診斷及生物實驗處理的樣品數量往往很大。傳統的核酸制備方式是將待測樣品加入含有化學試劑或裂解酶的試劑中，通過化學反應達到核酸樣本的制備。這種方法有毒害物質，存在樣品制備耗時大，效率低，處理的樣品少，有交叉污染等諸多缺點，逐漸難以滿足高速、大批量的核酸提取要求。現有的核酸提取儀單次處理的樣品數量較少，系統結構復雜，價格昂貴，提取耗時長，常常需要吸附、洗滌、洗脫等繁瑣操作步驟。

針對上述問題，本設計提供了一種許多樣品可以同時做振蕩操作，且用時少，效率高，一致性好的核酸提取裝置。

2.設計方案

2.1設計方案描述

本設計采用以下方案：

它包括振蕩器組件，連接所述振蕩器組件的樣品架組件，所述振蕩器組件的控制系統，以及安裝所述振蕩器組件和控制系統的機座；所述振蕩器組件包括電機，連接在所述電機輸出軸上的偏心套，連接在所述偏心套的偏心軸上的軸承，以及連接在所述軸承外圈的軸承套，所述軸承套頂部具有一與其一體的螺紋套，所述電機的固定板上設置一止轉套，所述止轉套與軸承套之間連接有若干拉伸彈簧；所述樣品架組件包含試管架，插設在所述試管架上的若干樣品管，設置在所述樣品管頂部的一頂緊板，所述頂緊板的頂部連接一鎖緊蓋，所述鎖緊蓋頂部連接一鎖緊手柄，所述鎖緊手柄的底部螺桿穿過所述鎖緊蓋、頂緊板、試管架，固定在所述振蕩器組件的螺紋套內，所述頂緊板與所述試管架之間彈性連接。

所述振蕩器組件中的偏心套上，與所述電機輸出軸連接的偏心孔和一體設置的偏心軸的軸線，均位于所述偏心套中心線的一側，且二者之間間隔一距離。

所述頂緊板與所述試管架之間的彈性連接，包括固定連接并凸伸出所述頂緊板底部的兩對稱的端部具有凸緣的連接銷，對應設置在所述試管架上的兩漸縮的弧形孔，套設在所述鎖緊手柄螺桿上的彈簧和彈簧調節片，所述兩連接銷穿過所述兩弧形孔的大頭端，經所述鎖緊手柄轉動后，定位在所述兩弧形孔的銷頭端。

2.2附圖說明

2.3具體實施方式說明

結合附圖對本設計進行詳細說明。

如圖1示，本設計包括振蕩器組件10，樣品架組件20，控制系統50，安裝振蕩器組件10和控制系統50的機座60。

如圖2、圖3示，本設計的振蕩器組件10包括電機11，偏心套12、軸承套14，止轉套15和拉伸彈簧16。偏心套12上具有一與電機11連接的偏心孔，并通過螺釘固定在電機11的輸出軸上。偏心套12的頂部具有一與其一體的偏心軸17，偏心軸17與偏心孔均靠近偏心套12中心線的一側，且二者之間保持一偏心距離，這樣當偏心套12在電機11的帶動下做偏心轉動時，偏心套12中心線的另一端可以起到配重的作用。偏心軸17固定連接軸承13的內圈，軸承13的外圈固定連接軸承套14，軸承套14的上部設置有一與其一體的螺紋套18，螺紋套18具有內螺紋，用于連接樣品架組件20。止轉套15連接在電機固定板19上，四根拉伸彈簧16的一端分別固定連接止轉套15，四根拉伸彈簧16的另一端分別固定連接軸承套14上部的邊緣，從而使軸承套14受到一柔性的拉伸力，使其只能隨偏心軸17沿電機輸出軸做一“O”型軌跡轉動，而自身不饒偏心軸17轉動，即只做公轉，不自轉。這樣樣品管內的樣品始終受到遷移加速度作用，可充分裂解。

如圖4、圖5所示，本設計的樣品架組件 20包括試管架21，樣品管22，鎖緊蓋23，頂緊板24和鎖緊手柄25。試管架21上插設有若干樣品管22，試管架21中部設置有一中心孔26和兩弧形孔27。

如圖6、圖7所示，鎖緊蓋23中心設置有中心孔28，中心孔28周圍設置有兩圈通孔29，在外圈通孔29中包括對稱設置的兩臺階孔30。與鎖緊蓋23對應，在頂緊板24上設置有中心孔31和通孔32、33和螺孔34。

如圖8、所示，鎖緊手柄25下部的伸出桿上具有一段螺桿35，將螺桿35穿過鎖緊蓋23和定緊板24的中心孔28、31，用螺釘穿過內圈的通孔29、33將頂緊板23和鎖緊蓋24固定在鎖緊手柄25上的螺孔36中。在鎖緊蓋23上的一對臺階孔30中，用兩螺釘37連接兩個穿過頂緊板24上通孔32且底部具有凸緣38的連接銷39，再用螺釘40穿過鎖緊蓋23上的通孔29固定在頂緊板24上的螺孔34中；在鎖緊手柄25的螺桿35上套設一彈簧41，并用螺紋連接一彈簧調節片42，然后固定一個螺母43，再將螺桿35穿過樣品架21的中心孔26，將頂緊板26底部的兩連接銷39上的凸緣38，插入試管架21的兩弧形孔27的大頭端，旋轉鎖緊手柄25，便可以將連接銷39旋轉到弧形孔27的小頭端定位，使樣品架21和頂緊板24通過彈簧41彈性頂緊，以使樣品管22不可隨意軸向竄動；最后將鎖緊手柄25的螺桿35端部擰緊在振蕩器組件10頂部的螺紋套18中，使振蕩器組件10和樣品架組件20固定連接在一起。

本設計裝置運轉時，電機11的輸出軸帶動偏心套12轉動，偏心套12上的偏心軸17帶動軸承套14和其上的樣品組件20繞電機11的輸出軸做一“O”型軌跡的轉動。當操作完成后，轉動鎖緊手柄25，便可以使兩連接銷39轉動至弧形孔27的大頭端，打開鎖緊板24，從樣品架21上取出裂解完成的樣品管22，再換上新的樣品管22后，蓋上頂緊板24，進行下一個周期的操作。

2.4本設計方案實現的創新性及優點

本設計由于采用以上技術方案，其具有以下優點：①由于本設計同時可裝載數十個樣品管，解決了傳統核酸提取方法的費時、效率底下的問題。②使用本設計裝置一批樣品數量多，特殊的震蕩機構使多樣品管震蕩幅度相同，實現了多份樣品的均一制備，并且減少了樣品制備過程中的交叉污染。③本設計靈敏度高，提取細菌核酸，取1ul（微升）做PCR（聚合酶鏈反應，Polymerase Chain Reaction）， 敏感性為103個菌/100μl。④本設計通用性好，不同生物、不同菌株、不同檢測基因、不同樣品（液體培養或固體培養）、不同試驗批次操作步驟相同，實驗重復性高，管間提取效率相同。⑤本設計提取核酸的穩定性好，提取的DNA于4℃保存40天和60天后，其檢測靈敏度沒有顯著變化。⑥本設計結構簡單，操作方便，安全性好，易于維護，無需酶和有害化學試劑。本設計可用于提取細菌類（G+菌，G-菌，分支桿菌）真菌（酵母、白色念珠菌），病毒等微生物核酸包括RNA的提取。

2.5質控實驗

物理質控

（1）核酸提取管。保持液體澄清且pH8.0；體積不得低于70μl；管內觀察必須同時存在大小玻璃珠。

（2）核酸提取液。保持液體澄清且pH8.0；體積不得低于1ml。

生物質控（提取效率質控）

從每批產品中，隨機抽取6個試劑盒，每個試劑盒里面隨機抽取2個提取管，用于提取下面的系列稀釋菌液，一共得到12管提取液。進行PCR電泳。要求靈敏度必須達到敏感性為103個菌/100μl為合格。

實驗方法具體如下：

培養標準株腸球菌WHO20菌株，10倍系列稀釋菌液，取100μl提取核酸，對慶大霉素耐藥基因aac做擴增實驗，使用普通PCR體系及擴增程序即可。并進行電泳試驗（細菌原液109個/ml） ：儀器靈敏性和穩定性試驗顯示了我們能夠穩定達到的高提取效率水平。提取的DNA于4℃保存40天和60天后，其檢測靈敏度沒有顯著變化。

3.結束語

高通量的核酸提取設備可以快速、大量的完成核酸提取，把實驗人員從繁重的傳統手工操作中解脫出來，同時具備樣品均一性好，提取效率高，安全可靠等優點。

實踐證明此設計可高效快速提取樣品核酸，適用范圍廣：可提取細菌，多數真菌，病毒等樣本；操作極為簡便，僅需兩步操作，不超過10分鐘即可完成提取。經實驗證明，此方法核酸提取效率可穩定在高水平，重復性好，不同批次的實驗重復性高，管間提取效率均相同；通用性好，不同生物、不同菌株、不同檢測基因、不同樣品（液體培養或固體培養）、不同實驗批次操作步驟相同。

參考文獻：

[1]譯者：（美國）M.謝納著，張亮.《生物芯片分析》，科學出版社，2005-10

[2]聞邦椿.《機械設計手冊》.機械工業出版社，2010-01

作者簡介：

戴春喜（1980.2—）男，碩士，高級工程師，北京人，山東瑞安泰醫療技術有限公司，從事機械設計工作。