專利名稱：基于電磁驅(qū)動(dòng)研磨和離心分離的生物組分自動(dòng)化提取裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物樣本處理自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于電磁驅(qū)動(dòng)研磨和離 心分離的生物組分自動(dòng)化提取裝置。
背景技術(shù)：
在分子生物學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，從生物樣本中分離、提取出核酸、蛋白質(zhì)等特定生 物組分，是一種應(yīng)用十分普遍的操作，是一切后續(xù)研究和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。常用的生物樣本包括 動(dòng)物組織、植物組織和微生物等。目前，已有多種方法可以被用于實(shí)現(xiàn)對(duì)特定生物組分的 提取。操作人員根據(jù)原始生物樣本的不同，選擇不同方法，按照一定的步驟進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn) 對(duì)特定生物組分的提取。所涉及到的具體操作包括操作包括固態(tài)樣本的研磨、破胞、固液混 合、離心、過(guò)濾、層析、電泳等。其中，一種“研磨-混合溶解-離心”的提取方法由于過(guò)程簡(jiǎn) 單而應(yīng)用廣泛，其具體操作流程是①將生物樣本研磨成粉末；②向粉末中添加特定提取 液，振蕩，使粉末與提取液充分混合，待提取的生物組分溶入提取液；③對(duì)混合液進(jìn)行離心， 固態(tài)物質(zhì)沉淀到底部；④提取上清，得到特定生物組分。在上述操作中，需要應(yīng)用到的儀器包括研磨儀、混合器或攪拌儀、離心機(jī)。為完成 一個(gè)特定生物樣品的提取，需要操作人員依次使用上述儀器，對(duì)生物樣本進(jìn)行操作，從而耗 費(fèi)大量的精力和時(shí)間。特別是隨著分子生物學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這種不必要的 浪費(fèi)顯得更加突出。目前，以上幾種儀器均已有成熟產(chǎn)品供應(yīng)市場(chǎng)，通過(guò)對(duì)已有專利的調(diào)研發(fā)現(xiàn)幾乎 所有相關(guān)專利都是在已有成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，為滿足特定要求而做得一些局部改進(jìn)，尚無(wú) 可進(jìn)行連續(xù)操作的儀器。例如，專利“深冷振動(dòng)超微粉碎機(jī)”(CN022^1%)提到了一種一 種基于振動(dòng)磨的超微粉碎裝置，該裝置具有液氮制冷裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)通常方法難以粉碎的 如富含油類、糖類和韌性類的中藥材以及動(dòng)植物鮮活體等的粉碎；專利“生物組織超微粉碎 機(jī)”(CN 95241945)提出了一種利用旋轉(zhuǎn)組合刀具進(jìn)行生物組織研磨的裝置；專利“血漿單 采離心分離器”(CN00248423)提到了一種用于對(duì)鮮血過(guò)程中，對(duì)血漿現(xiàn)場(chǎng)收集的離心分離 裝置；專利“用離心分離法分離全血中血漿的裝置”(CN 91105326)提出了一種可自動(dòng)收集 血漿的全血分離裝置。如果使用機(jī)械手完成生物樣本在不同儀器之間的轉(zhuǎn)移，則對(duì)該機(jī)械手的結(jié)構(gòu)復(fù)雜 度和運(yùn)動(dòng)精度會(huì)有很高的要求，實(shí)現(xiàn)困難，成本高昂。因此，本發(fā)明提出了一種原位連續(xù)進(jìn) 行研磨操作和離心操作的裝置，該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)部件少，可以有效的解決上述問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可連續(xù)完成“研磨-混合溶解-離心”操作的基于電磁 驅(qū)動(dòng)研磨和離心分離的生物組分自動(dòng)化提取裝置。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案所述裝置的結(jié)構(gòu)包括升降機(jī)構(gòu)、安裝在升降機(jī)構(gòu)上的電磁驅(qū)動(dòng)模塊、中心軸、安裝在中心軸頂部的離心轉(zhuǎn)子體、懸掛在離心轉(zhuǎn)子體上的離心掛架、以及安裝在離心掛架上 的操作瓶。若干個(gè)離心掛架在離心轉(zhuǎn)子體上繞軸線均勻排列，離心掛架可以繞自身軸線在 豎直和水平位置間自由轉(zhuǎn)動(dòng)；操作瓶?jī)?nèi)裝入生物樣本和一個(gè)或數(shù)個(gè)研磨撞子；電磁驅(qū)動(dòng)模 塊隨升降機(jī)構(gòu)上下移動(dòng)。當(dāng)電磁驅(qū)動(dòng)模塊位于最高位置時(shí)，離心轉(zhuǎn)子體保持不動(dòng)，操作瓶受 重力作用處于豎直狀態(tài)，并插入電磁驅(qū)動(dòng)模塊，研磨撞子在電磁力驅(qū)動(dòng)下快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，操 作瓶?jī)?nèi)的生物樣本在研磨撞子，以及自身之間的頻繁撞擊下被研磨成粉末。向操作瓶中添 加提取液，研磨撞子在電磁力驅(qū)動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，提取液與粉末混合，待提取生物組分溶于提 取液。當(dāng)電磁驅(qū)動(dòng)模塊位于最低點(diǎn)時(shí)，操作瓶從電磁驅(qū)動(dòng)模塊中抽出，離心轉(zhuǎn)子體高速旋 轉(zhuǎn)，受離心力作用，離心掛架處于水平狀態(tài)，固態(tài)物質(zhì)沉淀到操作瓶底。取出上清，得到特定 的生物組分。在所述電磁驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)設(shè)置低溫模塊，在進(jìn)行電磁驅(qū)動(dòng)研磨時(shí)，所述低溫模塊使 所述操作瓶?jī)?nèi)溫度保持在低溫水平，使常溫下不易粉碎的生物材料由于低溫脆化，易于完 成研磨粉碎。所述電磁驅(qū)動(dòng)模塊中的功能執(zhí)行部件是電磁螺線管。所述低溫模塊由低溫層和熱絕緣層構(gòu)成，熱絕緣層包裹低溫層，防止低溫模塊表 面因冷凝產(chǎn)生水珠。所述低溫模塊采用液氮致冷實(shí)現(xiàn)低溫，采用真空隔絕實(shí)現(xiàn)熱絕緣。所述低溫模塊包裹在電磁驅(qū)動(dòng)模塊外，相互位置固定，并一起在升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下 上下移動(dòng)；在進(jìn)行電磁驅(qū)動(dòng)研磨時(shí)，操作瓶周圍，由里到外依次是電磁驅(qū)動(dòng)模塊的電磁螺線 管、低溫模塊的低溫層和熱絕緣層。所述升降機(jī)構(gòu)采用螺旋機(jī)構(gòu)，通過(guò)螺桿的旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電磁驅(qū)動(dòng)模塊上下移動(dòng)。所述離心轉(zhuǎn)子體是圓盤結(jié)構(gòu)，在懸掛離心掛架處加工一系列對(duì)應(yīng)槽溝，高速離心 時(shí)，操作瓶和離心掛架受離心力作用可完全位于離心轉(zhuǎn)子體上槽溝內(nèi)，以減小風(fēng)阻對(duì)離心 的影響。本發(fā)明的有益效果為本裝置可以對(duì)生物樣本連續(xù)完成“研磨-混合溶解-離心”操作，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng) 部件少，操作方便，提高了工作效率，可廣泛應(yīng)用于從動(dòng)物、植物和微生物等生物樣本中提 取核酸、蛋白質(zhì)等特定生物組分的自動(dòng)化操作，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足。


圖1為依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的基于電磁驅(qū)動(dòng)研磨和離心分離的生物組分自 動(dòng)化提取裝置結(jié)構(gòu)示意圖。此時(shí)電磁驅(qū)動(dòng)模塊位于最低位置，離心轉(zhuǎn)子體處于靜止?fàn)顟B(tài)。圖2為該裝置在執(zhí)行研磨或混合溶解操作時(shí)的狀態(tài)示意圖。此時(shí)電磁驅(qū)動(dòng)模塊位 于最高位置，離心轉(zhuǎn)子體保持靜止，電磁驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)研磨撞子往復(fù)運(yùn)動(dòng)。圖3為在執(zhí)行離心操作時(shí)的狀態(tài)示意圖。此時(shí)電磁驅(qū)動(dòng)模塊位于最低位置，離心 轉(zhuǎn)子體攜帶離心掛架和操作瓶高速旋轉(zhuǎn)。圖4為離心掛架與操作瓶的剖面示意圖；圖5為電磁驅(qū)動(dòng)模塊和低溫模塊復(fù)合部件的剖面示意圖。圖中標(biāo)號(hào)
1-離心轉(zhuǎn)子體；2-離心掛架；3-操作瓶；4-低溫模塊；5-電磁驅(qū)動(dòng)模塊；6_升 降機(jī)構(gòu)；7-升降支架；8-螺旋桿；9-導(dǎo)向桿；10-緊固壓圈；11-操作瓶蓋；12-操作瓶體； 13-研磨撞子；14-空腔；15-電磁螺線管；16-液氮層；17-液氮套筒；18-真空層；19-密封 殼；20-液氮導(dǎo)管；21-中心軸。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出了一種基于電磁驅(qū)動(dòng)研磨和離心分離的生物組分自動(dòng)化提取裝置，下 面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1-圖5所示，本裝置的結(jié)構(gòu)包括升降機(jī)構(gòu)6、安裝在升降機(jī)構(gòu)6上的電磁驅(qū) 動(dòng)模塊5、中心軸21、安裝在中心軸21頂部的離心轉(zhuǎn)子體1、懸掛在離心轉(zhuǎn)子體1上的離心 掛架2、以及安裝在離心掛架2上的操作瓶3。離心轉(zhuǎn)子體1采用水平轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在離心轉(zhuǎn)子體1上繞軸線均勻排布4個(gè)離心掛 架2。離心轉(zhuǎn)子體1的主體結(jié)構(gòu)是一軸對(duì)稱圓盤，在離心掛架2懸掛處開(kāi)有對(duì)應(yīng)凹槽。離 心掛架2可以繞自身軸線在豎直和水平位置間自由轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)其處于水平狀態(tài)時(shí)，離心掛架 2和操作瓶3可完全位于凹槽內(nèi)。操作瓶3由操作瓶體12和操作瓶蓋11組成，兩者通過(guò) 螺紋連接，其內(nèi)部空腔可以裝入一定數(shù)量的生物樣本，并同時(shí)裝有一個(gè)或數(shù)個(gè)研磨撞子13。 操作瓶3可由緊固壓圈10固定在離心掛架2上，并隨其一起運(yùn)動(dòng)。電磁驅(qū)動(dòng)模塊5與低溫模塊4在結(jié)構(gòu)上集成為一體。密封殼19中央是一空腔14， 可用于容納操作瓶3。密封殼19內(nèi)最里層安裝電磁螺線管15，密封殼19與液氮套筒17之 間空腔構(gòu)成液氮層16，其外部空腔構(gòu)成真空層18。液氮導(dǎo)管20穿過(guò)真空層18，與液氮層 16連通。升降機(jī)構(gòu)6由升降支架7、螺旋桿8、導(dǎo)向桿9組成。升降支架7軸線與離心轉(zhuǎn)子 體1軸線重合。兩螺旋桿8，兩導(dǎo)向桿9分別關(guān)于升降支架7軸線對(duì)稱。4個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)模塊 5與低溫模塊4的復(fù)合部件安裝在升降支架7上，其位置繞升降支架7軸線均勻排布。各復(fù) 合部件到升降支架7軸線的距離與操作瓶3豎直狀態(tài)下軸線到離心轉(zhuǎn)子體1軸線的距離相寸。當(dāng)使用該裝置進(jìn)行生物組分自動(dòng)化提取操作時(shí)，首先，將一定量的生物樣本裝入 操作瓶3，同時(shí)放入一個(gè)或數(shù)個(gè)研磨撞子13，旋緊操作瓶蓋11。將操作瓶3放入離心掛架 2，并用緊固壓圈10固定，使其與離心掛架2固結(jié)為一體。將低溫模塊4中真空層18內(nèi)的空氣抽出，形成真空環(huán)境。利用液氮泵等類似儀器 通過(guò)液氮導(dǎo)管20，使液氮層16內(nèi)全部或部分充滿液氮。通過(guò)熱傳遞，在空腔14內(nèi)形成低溫 環(huán)境。真空層18的存在可避免低溫模塊4表面因冷凝而附著水。兩螺旋桿8同步旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)電磁驅(qū)動(dòng)模塊5和低溫模塊4復(fù)合部件沿導(dǎo)向桿9運(yùn) 動(dòng)到最高位置，操作瓶3插入空腔14。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間熱傳遞，操作瓶3內(nèi)生物樣本被冷凍到 冷脆溫度。啟動(dòng)電磁驅(qū)動(dòng)模塊5工作。操作瓶3中的研磨撞子13在電磁力驅(qū)動(dòng)下快速往 復(fù)運(yùn)動(dòng)，頻繁撞擊生物樣品。已粉碎的生物樣品也在飛行過(guò)程中彼此之間頻繁撞擊。電磁 驅(qū)動(dòng)研磨一定時(shí)間后，生物樣本被研磨成粉末狀。停止液氮供應(yīng)，待液氮層16中的液氮蒸發(fā)完后，通過(guò)液氮導(dǎo)管20向液氮層16中 通入干燥空氣，使操作瓶3內(nèi)生物樣本粉末升溫。打開(kāi)操作瓶蓋11，向操作瓶3中添加一定數(shù)量的提取液。閉合操作瓶蓋11，啟動(dòng)電磁驅(qū)動(dòng)模塊5。在電磁力的作用下，研磨撞子13 將操作瓶3中的粉末和提取液充分混合。待提取的生物組分溶解于提取液。兩螺旋桿8同步旋轉(zhuǎn)，升降支架7帶動(dòng)電磁驅(qū)動(dòng)模塊5和低溫模塊4復(fù)合部件沿 導(dǎo)向桿9運(yùn)動(dòng)到最低位置，操作瓶3從空腔14中抽出。離心轉(zhuǎn)子體1高速旋轉(zhuǎn)，操作瓶3 和離心掛架2受離心力作用處于水平狀態(tài)。固體物質(zhì)與研磨撞子13沉淀到操作瓶3底部， 溶解有特定生物組分的提取液位于操作瓶3的上部。離心一定時(shí)間后，離心轉(zhuǎn)子體1停止轉(zhuǎn)動(dòng)，將操作瓶3從離心掛架2上取下，打開(kāi) 操作瓶蓋11，吸取上清，得到溶有特定生物組分的溶液。以上實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種基于電磁驅(qū)動(dòng)研磨和離心分離的生物組分自動(dòng)化提取裝置，包括升降機(jī)構(gòu) (6)、安裝在升降機(jī)構(gòu)(6)上的電磁驅(qū)動(dòng)模塊(5)、中心軸(21)、安裝在中心軸頂部的 離心轉(zhuǎn)子體(1)、懸掛在離心轉(zhuǎn)子體(1)上的離心掛架O)、以及安裝在離心掛架(2)上的 操作瓶(3)，其特征在于，若干個(gè)離心掛架(2)在離心轉(zhuǎn)子體(1)上繞軸線均勻排列，離心掛架(2)可以繞自身 軸線在豎直和水平位置間自由轉(zhuǎn)動(dòng)；操作瓶(3)內(nèi)裝入一個(gè)或數(shù)個(gè)研磨撞子(1 ；電磁驅(qū) 動(dòng)模塊(5)隨升降機(jī)構(gòu)(6)上下移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電磁驅(qū)動(dòng)和離心分離的生物組分自動(dòng)化提取裝置，其特 征在于，在所述電磁驅(qū)動(dòng)模塊(5)內(nèi)設(shè)置低溫模塊G)，在進(jìn)行電磁驅(qū)動(dòng)研磨時(shí)，所述低溫 模塊(4)使所述操作瓶(3)內(nèi)溫度保持在低溫水平，使常溫下不易粉碎的生物材料由于低 溫脆化，易于完成研磨粉碎。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電磁驅(qū)動(dòng)和離心分離的生物組分自動(dòng)化提取裝置，其特 征在于，所述電磁驅(qū)動(dòng)模塊(5)中的功能執(zhí)行部件是電磁螺線管。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電磁驅(qū)動(dòng)和離心分離的生物組分自動(dòng)化提取裝置，其特 征在于，所述低溫模塊由低溫層和熱絕緣層構(gòu)成，熱絕緣層包裹低溫層，防止低溫模塊 表面因冷凝產(chǎn)生水珠。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電磁驅(qū)動(dòng)和離心分離的生物組分自動(dòng)化提取裝置，其特 征在于，所述低溫模塊(4)采用液氮致冷實(shí)現(xiàn)低溫，采用真空隔絕實(shí)現(xiàn)熱絕緣。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于電磁驅(qū)動(dòng)和離心分離的生物組分自動(dòng)化提取裝置， 其特征在于，所述低溫模塊(4)包裹在電磁驅(qū)動(dòng)模塊( 外，相互位置固定，并一起在升降 機(jī)構(gòu)(6)驅(qū)動(dòng)下上下移動(dòng)；在進(jìn)行電磁驅(qū)動(dòng)研磨時(shí)，操作瓶(3)周圍，由里到外依次是電磁 驅(qū)動(dòng)模塊(5)的電磁螺線管、低溫模塊的低溫層和熱絕緣層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電磁驅(qū)動(dòng)和離心分離的生物組分自動(dòng)化提取裝置，其特 征在于，所述升降機(jī)構(gòu)(6)采用螺旋機(jī)構(gòu)，通過(guò)螺桿的旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電磁驅(qū)動(dòng)模塊( 上下移 動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電磁驅(qū)動(dòng)和離心分離的生物組分自動(dòng)化提取裝置，其特 征在于，所述離心轉(zhuǎn)子體(1)是圓盤結(jié)構(gòu)，在懸掛離心掛架(2)處加工一系列對(duì)應(yīng)槽溝，高 速離心時(shí)，操作瓶(3)和離心掛架(2)受離心力作用可完全位于離心轉(zhuǎn)子體(1)上槽溝內(nèi)， 以減小風(fēng)阻對(duì)離心的影響。
全文摘要
基于電磁驅(qū)動(dòng)研磨和離心分離的生物組分自動(dòng)化提取裝置涉及生物樣本處理自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括離心機(jī)構(gòu)、電磁驅(qū)動(dòng)模塊和升降機(jī)構(gòu)；離心機(jī)構(gòu)采用水平轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在離心轉(zhuǎn)子體上繞軸線均勻排布一系列離心掛架，離心掛架可以繞自身軸線在豎直和水平位置間自由轉(zhuǎn)動(dòng)；操作瓶?jī)?nèi)可以裝入一定數(shù)量的生物樣本，并同時(shí)裝有研磨撞子；操作瓶固定在離心掛架上，并隨其運(yùn)動(dòng)。工作時(shí)，操作瓶插入電磁驅(qū)動(dòng)模塊，研磨撞子在電磁力驅(qū)動(dòng)下快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行研磨；然后將操作瓶抽出離心。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)部件少，可廣泛應(yīng)用于從動(dòng)物、植物和微生物等生物樣本中提取核酸、蛋白質(zhì)等生物組分的自動(dòng)化操作。
文檔編號(hào)C12M1/26GK102093952SQ20101056482
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者任長(zhǎng)志, 劉飛, 吳丹, 宋立濱, 陳懇 申請(qǐng)人:清華大學(xué)