TWI391492B - 自動化遺傳物質處理系統及方法 - Google Patents

Description

自動化遺傳物質處理系統及方法

本發明關於一種自動化遺傳物質處理系統以及方法，並且特別地，本發明關於一種能自動萃取以及放大遺傳物質之系統以及方法。

目前，生物的基因體定序以及解碼工作正於全世界的許多研究機構熱烈進行。隨著對遺傳物質，如核酸(例如，去氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)或核糖核酸(ribonucleic acid,RNA))以及胺基酸等的序列、功能、結構等特性的了解日漸增加，基於這些遺傳物質的檢測方法也逐漸普及。一般來說，這些檢測方法通常用於檢測樣本，例如血液、組織液、細胞培養液，中的特定核酸或胺基酸序列。

於習知技藝中，核酸檢測包含數個步驟，以偵測樣本中的特定核酸序列之存在，或是定量樣本中的特定核酸序列。特別地，核酸檢測方法除了可偵測特定核酸序列之存在以外，還可藉此推測特定生物，例如細菌、黴菌、病毒等微生物，的存在以及其數量。

在進行核酸檢測之前，必須先自樣本中萃取核酸，再以特定序列的探針(probe)與萃取出的核酸進行聚合酶連鎖反應(Polymerase Chain Reaction,PCR)，以放大與該探針互補之核酸序列的數量，方便後續定性以及定量分析的進行。

然而，由於自萃取至分析需要一連串繁複的操作程序，增加了人為誤差的可能性。同時，完成分析的時間也因此而被拉長，導致分析結果的準確性受到影響。

因此，本發明之一範疇在於提供一種能自動萃取以及放大遺傳物質之系統以及方法，用以解決習知技藝的缺失。

根據本發明之一較佳具體實施例的一種自動化遺傳物質處理系統包含一平台、一吸量模組、一萃取模組、一溫控模組、一光學模組以及一處理模組。

進一步，該平台包含能分別容納一樣本之一第一容器組，而該吸量模組包含至少一吸量管，用以吸取/移動該樣本至該第一容器組中。此外，該萃取模組係用以配合至少一第一反應試劑以萃取該樣本中之一標的遺傳物質。該溫控模組則提供複數個溫度循環，並且配合至少一第二反應試劑以放大該標的遺傳物質中之一標的核酸序列。另外，該光學模組係用以偵測該標的核酸序列之存在，並且產生一偵測訊號。該處理模組則接收該偵測訊號，並且根據該偵測訊號定性及/或定量該標的核酸序列。特別地，於一具體實施例中，該光學模組可於該標的核酸序列放大的過程中即時偵測該標的核酸序列是否存在，以及其存在的數量或質量。

根據本發明之另一較佳具體實施例的一種自動化遺傳物質處理方法，包含下列自動化步驟：(a)將一樣本與至少一第一反應試劑混合以萃取該樣本中之一標的遺傳物質；(b)將該標的遺傳物質與至少一第二反應試劑混合；(c)提供複數個溫度循環以放大該標的遺傳物質中之一標的核酸序列；(d)偵測該標的核酸序列之存在，並且產生一偵測訊號；以及(e)接收該偵測訊號，並且根據該偵測訊號定性及/或定量該標的核酸序列。特別地，於一具體實施例中，步驟(c)至步驟(e)可依序進行或同時進行。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

本發明提供一種自動化遺傳物質處理系統及方法。以下將詳述本發明之具體實施例以及實際應用案例，藉以充分說明本發明之特徵、精神及優點。

根據本發明之一具體實施例，本發明之自動化遺傳物質處理系統可包含平台(platform)、吸量模組(pipetting module)、萃取模組(extracting module)、溫控模組(temperature-control module)、光學模組(optical module)以及處理模組(processing module)。

平台可包含第一容器組(set of receptacle)，用以分別容納樣本。於實際應用中，樣本可以是任何適當的液態、固態或活體樣本，液態樣本如血液、唾液、組織液、細胞培養液、微生物培養液，或其它適合的液態樣本；固態樣本如組織切片、器官切片，或其它適合的固態樣本；活體樣本如線蟲(Caenorhabditis elegans )、魚卵、胚胎，或其它適合的活體樣本。

吸量模組可包含至少一吸量管(pipet)，用以吸取/移動該樣本至第一容器組中。於實際應用中，吸量模組可被執行為機器人吸量器(robotic pipettor)的形式。並且，於實務中，吸量模組包含複數支具有不同刻度範圍的吸量管。

萃取模組可配合至少一第一反應試劑以萃取該樣本中之一標的遺傳物質。於實際應用中，第一反應試劑可包含如PK溶液(PK solution)、細胞溶解液(cell lysis buffer)、洗滌液(wash buffer)、洗脫液(elution buffer)以及磁珠溶液(magnetic particle solution)等試劑，或其它適當的試劑。特別地，於實務中，前述之磁珠溶液包含複數個微小磁珠(magnetic particle)，該等微小磁珠之表面可塗佈核酸吸附材料(例如：矽)，用以吸附核酸。此外，該磁珠溶液的酸鹼值以及離子濃度可被適當地調整，以控制微小磁珠與核酸之間的吸附強度。

溫控模組可提供各種不同的溫度至前述之平台及/或萃取模組，協助進行前述之萃取反應。此外，溫控模組也可提供複數個溫度循環，並且配合至少一第二反應試劑以放大標的遺傳物質中之標的核酸序列。

光學模組可對前述之標的核酸序列進行光學檢測，偵測標的核酸序列存在與否，以及標的核酸序列存在的數量或質量。特別地，光學模組可在溫控模組進行溫度循環放大標的核酸序列的同時進行光學檢測，也可在溫控模組進行溫度循環放大標的核酸序列之後再進行光學檢測。

處理模組，如微處理器控制單元(MCU)或中央處理器(CPU)，連接至光學模組，用以接收光學模組於光學檢測後所產生之偵測訊號，並且根據偵測訊號定性(qulify)及/或定量(quantify)標的核酸序列。

請一併參見圖一至圖三。圖一係根據本發明之一具體實施例的自動化遺傳物質處理系統的立體視圖；圖二係圖一中之自動化遺傳物質處理系統的側視圖；圖三係圖一中之自動化遺傳物質處理系統的正視圖。於本具體實施例中，本發明之自動化遺傳物質處理系統3可包含外罩殼體(housing)30、平台31、吸量模組32、萃取模組33、溫控模組34、光學模組35、吸量管尖載具(pipet tip container)36、反應試劑載具(reagent container)37、聚合酶連鎖反應模組(PCR reaction module)38以及廢棄物置放區(waste-discarding region)39。

於本具體實施例中，平台31上進一步設置第一容器組312、第二容器組314以及第三容器組316。於實際應用中，第一容器組312可由具有高導熱係數且不具磁性之材料(例如，但不受限於，鋁材料或銀材料)製成。第一容器組312可容納複數個第一微量離心管(eppendorf tube)40，其分別容納樣本。於實際應用中， 第二容器組314可由具有低導熱係數且不具磁性之材料(例如，但不受限於，壓克力材料)所製成。第二容器組314同樣可容納複數個第二微量離心管40，其分別容納自樣本中分離出來之標的遺傳物質。於實際應用中，第三容器組316可由具有高導熱係數且不具磁性之材料(例如，但不受限於，鋁材料或銀材料)製成。第三容器組316同樣可容納複數個第三微量離心管40，其分別容納標的遺傳物質以及第二反應試劑之混合物。

吸量管尖載具36可容納分別具有特定刻度(例如，10 μl、20 μl、50 μl、100 μl、200 μl、500 μl、1000 μl、2000 μl等，或視需求而為其他刻度)之複數個吸量管尖362。而反應試劑載具37則可包含複數個試劑容器372，分別容納第一反應試劑及/或第二反應試劑。

此外，吸量模組32包含複數支具有不同刻度範圍的吸量管324。並且吸量模組32可連接至位移模組320，以水平或垂直移動以及定位吸量模組32。因此，吸量模組32可選擇性地以吸量管324嵌合吸量管尖載具36上之適當吸量管尖362，並且吸取/移動樣本以及試劑容器372中之反應試劑。

特別地，前述之第一容器組312、第二容器組314以及第三容器組316皆可設計為可抽取式容器組。此外，部份第一反應試劑可預先加入第一容器組312之第一微量離心管40中，而部份或全部第二反應試劑則可預先加入第三容器組316之第三微量離心管40中，藉此可省去吸量模組32的移動次數，減少操作時間。

於本具體實施例中，溫控模組34設置於平台31與該等容器組312、314、316之間，以提供適當的溫度至該等容器組312、314、316。此外，平台31可連接至位移模組318，用以水平或垂直移動以及定位平台31。

如圖一以及圖二所示，於本具體實施例中，萃取模組33係可轉動地固定於平台31鄰近處，致使萃取模組33可選擇性地靠近第一容器組312。特別地，當第一反應試劑包含磁珠溶液時，萃取模組33(例如，包含強力永久磁鐵)可於樣本與第一反應試劑於第一容器組312中混合後，在第一容器組312鄰近處產生磁場，將吸附有核酸的微小磁珠固定於第一容器組312中，再由吸量模組32將樣本中的其它物質抽離，以達到自樣本中分離核酸的目的。

聚合酶連鎖反應模組38包含反應腔門380以及反應腔室382。反應腔室382可容納第三容器組316(包含容納有第二反應試劑與標的遺傳物質之混合物的第三微量離心管40)。而反應腔門380則可緊密貼合反應腔室382之開口，以將第二反應試劑與標的遺傳物質之混合物密封於反應腔室382中。並且聚合酶連鎖反應模組38可接受溫控模組34提供之溫度循環，以放大標的核酸序列。

當前述之聚合酶連鎖反應模組38進行放大標的核酸序列之反應時，光學模組35可對第三容器組316上之第三微量離心管40進行光學檢測，以即時偵測標的核酸序列之存在。如前所述，光學模組35也可在放大反應之後再進行光學檢測。特別地，於實際應用中，光學模組35還具有特殊幾何結構以及加熱機制，其結構可輔助將第二反應試劑與標的遺傳物質之混合物密封於反應腔室382中，而其加熱機制則可避免水氣於第三容器組316上之第三微量離心管40的管壁內凝結，也避免其中的水氣蒸發。此外，廢棄物置放區39則可提供吸量模組32棄置廢棄耗材或廢棄液體或固體。

請參見圖四A至圖四F，該等圖式係根據本發明之一具體實施例的自動化遺傳物質處理方法之操作示意圖。於本具體實施例中，樣本已先被加入至第一容器組312上的第一微量離心管40 中。

首先，如圖四A所示，位移模組320控製吸量模組32水平移動至吸量管尖載具36上方，再垂直移動具有適當刻度的吸量管324嵌合配合該吸量管324之吸量管尖362。接著，如圖四B所示，位移模組320控製吸量模組32水平移動至反應試劑載具37上方，再垂直移動前述之與吸量管尖362嵌合之吸量管324，致使吸量模組32可吸取適當容量的PK溶液。

隨後，如圖四C所示，位移模組320控製吸量模組32水平移動至第一容器組312之第一微量離心管40上方，再垂直移動前述之吸量管324，致使與其嵌合之吸量管尖362靠近第一微量離心管40。此時，吸量模組32將前述之PK溶液加入第一微量離心管40中，使其與樣本混合。接著，如圖四D所示，位移模組320控製吸量模組32水平移動至廢棄物置放區39上方，吸量模組32將使用過之吸量管尖362丟棄至廢棄物置放區39中。

如前所述之流程，吸量模組32再將適當量之細胞溶解液加入第一容器組312之第一微量離心管40中，使其與前述之PK溶液以及樣本混合，並且可視需求由溫控模組34進行恆溫加熱，以促進樣本中之細胞溶解。接著，吸量模組32再將適當量之磁珠溶液加入第一容器組312之第一微量離心管40中使其與前述成分混合，使樣本中之標的遺傳物質吸附於磁珠之表面。隨後，如圖四E所示，萃取模組33轉動並且貼近第一容器組312，並且萃取模組33施加磁場於第一容器組312，致使吸附有標的遺傳物質之磁珠貼附於第一微量離心管40之管壁。隨後，萃取模組33維持圖四E所示之動作，而由吸量模組32將磁珠之外的殘餘物吸取並棄置於廢棄物置放區39。

接著，萃取模組33轉動離開第一容器組312，維持如圖四D所示之狀態，而吸量模組32吸取洗滌液至前述之第一微量離心 管40中，充分混合以清洗磁珠。隨後，萃取模組33再度轉動並且貼近第一容器組312，同時施加磁場於第一容器組312，致使吸附有標的遺傳物質之磁珠貼附於第一微量離心管40之管壁。而吸量模組32將磁珠之外的洗滌液吸取並棄置於廢棄物置放區39。前述之洗滌動作可視需求而進行數次。

隨後，萃取模組33轉動離開第一容器組312，維持如圖四D所示之狀態，而吸量模組32吸取洗脫液至前述之第一微量離心管40中，充分混合以將磁珠所吸附之標的遺傳物質洗脫。接著，萃取模組33再度轉動並且貼近第一容器組312，同時施加磁場於第一容器組312，致使洗脫後之磁珠貼附於第一微量離心管40之管壁。而吸量模組32吸取被洗脫的標的遺傳物質，並且將其暫時存放於第二容器組314上之第二微量離心管40中。

接著，吸量模組32自第二容器組314上之第二微量離心管40中吸取適量的標的遺傳物質至第三容器組316上之第二微量離心管40(其中已包含第二反應試劑)中。最後，如圖四F所示，位移模組318移動平台，致使第三容器組316進入反應腔室382中，並且使反應腔門380緊密貼合反應腔室382之開口。此時，溫控模組34提供預設之溫度循環(例如，95℃-54℃-72℃之溫度循環若干次)，以放大標的核酸序列。如前所述，光學模組35可於放大反應的同時或反應後檢測標的核酸序列，其檢測結果可作為定性及/或定量標的核酸序列的依據。

於實際應用中，本發明之自動化遺傳物質處理系統可提供真空環境、無菌環境、負壓環境等，或是視需求提供其他適當的環境進行前述之實驗，以盡量避免環境因素造成的實驗誤差。此外，需注意的是，本發明之自動化遺傳物質處理系統可視需求包含其他相關模組或構件，並且其包含之模組或構件的設置可視需求而進行調整，並不受限於以上的實施例。

綜上所述，本發明之自動化遺傳物質處理系統及方法可利用完全自動化的流程進行遺傳物質的萃取以及核酸序列的放大。藉由本發明之系統及方法可簡化該等實驗的程序，並且降低人為操作所產生的疏失以及誤差。此外，由於本發明之自動化遺傳物質處理系統可同時處理多組樣本，因此可有效縮短實驗進行時間。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

3‧‧‧自動化遺傳物質處理系統

31‧‧‧平台

312‧‧‧第一容器組

314‧‧‧第二容器組

316‧‧‧第三容器組

40‧‧‧微量離心管

30‧‧‧外罩殼體

32‧‧‧吸量模組

324‧‧‧吸量管

318、320‧‧‧位移模組

33‧‧‧萃取模組

34‧‧‧溫控模組

35‧‧‧光學模組

36‧‧‧吸量管尖載具

362‧‧‧吸量管尖

37‧‧‧反應試劑載具

372‧‧‧試劑容器

38‧‧‧聚合酶連鎖反應模組

380‧‧‧反應腔門

382‧‧‧反應腔室

39‧‧‧廢棄物置放區

圖一係根據本發明之一具體實施例的自動化遺傳物質處理系統的立體視圖。

圖二係圖一中之自動化遺傳物質處理系統的側視圖。

圖三係圖一中之自動化遺傳物質處理系統的正視圖。

圖四A至圖四F係繪示根據本發明之一具體實施例的自動化遺傳物質處理方法之操作示意圖。

3‧‧‧自動化遺傳物質處理系統

31‧‧‧平台

312‧‧‧第一容器組

314‧‧‧第二容器組

316‧‧‧第三容器組

40‧‧‧微量離心管

30‧‧‧外罩殼體

32‧‧‧吸量模組

324‧‧‧吸量管

318、320‧‧‧位移模組

33‧‧‧萃取模組

34‧‧‧溫控模組

35‧‧‧光學模組

36‧‧‧吸量管尖載具

362‧‧‧吸量管尖

37‧‧‧反應試劑載具

372‧‧‧試劑容器

38‧‧‧聚合酶連鎖反應模組

380‧‧‧反應腔門

382‧‧‧反應腔室

39‧‧‧廢棄物置放區

Claims (15)

1. 一種自動化遺傳物質處理系統，包含：一平台(platform)，包含：一第一容器組(set of receptacle)，用以分別容納一樣本，其中該第一容器組容納複數個第一微量離心管；一第二容器組，用以容納該標的遺傳物質，其中該第二容器組容納複數個第二微量離心管；以及一第三容器組，用以容納該標的遺傳物質以及該反應試劑，其中該第三容器組容納複數個第三微量離心管；一吸量模組(pipetting module)，包含至少一吸量管(pipet)，用以吸取/移動該樣本與一磁珠溶液至該第一容器組中，其中該磁珠溶液包含複數個微小磁珠，且該些微小磁珠係塗佈矽，以吸附該樣本中之一標的遺傳物質；一萃取模組(extracting module)，包含至少一磁鐵以產生一磁場，藉以在該磁場的作用下將該些微小磁珠與吸附於其上的該標的遺傳物質固定於該第一容器組，以萃取該樣本中之該標的遺傳物質；一溫控模組(temperature-control module)，用以提供複數個溫度循環，並且配合至少一反應試劑以放大該標的遺傳物質中之一標的核酸序列；一光學模組(optical module)，用以偵測該標的核酸序列之存在，並且產生一偵測訊號；一處理模組(processing module)，接收該偵測訊號，並且根據該偵測訊號定性及/或定量該標的核酸序列；一第一位移模組(moving module)，連接至該吸量模組，用以水平或垂直移動以及定位該吸量模組；一第二位移模組，連接至該平台，用以水平或垂直移動以及 定位該平台；以及一聚合酶連鎖反應模組(PCR reaction module)，設置於該溫控模組以及該光學模組之鄰近處，用以密封該反應試劑以及該標的遺傳物質，並且接受該等溫度循環，以放大該標的核酸序列，且當該聚合酶連鎖反應模組進行放大該標的核酸序列之反應時，該光學模組係對該第三容器組上之該些第三微量離心管進行光學檢測，以即時偵測該標的核酸序列之存在。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自動化遺傳物質處理系統，進一步包含：一外罩殼體(housing)，用以容納該平台、該吸量模組、該萃取模組、該溫控模組以及該光學模組。
3. 如申請專利範圍第1項所述之自動化遺傳物質處理系統，進一步包含：一吸量管尖載具(pipet tip container)，用以容納分別具有一刻度之複數個吸量管尖，其中該吸量模組選擇性地以其中一吸量管尖吸取/移動該樣本、該磁珠溶液以及該反應試劑。
4. 如申請專利範圍第1項所述之自動化遺傳物質處理系統，進一步包含：一反應試劑載具(reagent container)，包含複數個容器，用以容納該磁珠溶液及/或該反應試劑。
5. 如申請專利範圍第1項所述之自動化遺傳物質處理系統，其中該聚合酶連鎖反應模組包含一反應腔門以及一反應腔室，且該反應腔室容納該第三容器組。
6. 如申請專利範圍第1項所述之自動化遺傳物質處理系統，進一步 包含：一廢棄物置放區(waste-discarding region)，用以容納一廢棄耗材或一廢棄液體。
7. 如申請專利範圍第1項所述之自動化遺傳物質處理系統，其中該第二容器組係以一低導熱係數且不具磁性之材料所製成。
8. 如申請專利範圍第1項所述之自動化遺傳物質處理系統，其中該第三容器組係以一高導熱係數且不具磁性之材料所製成。
9. 如申請專利範圍第1項所述之自動化遺傳物質處理系統，其中該第二反應試劑係預先加入該第三容器組中。
10. 如申請專利範圍第1項所述之自動化遺傳物質處理系統，其中該第一容器組係以一高導熱係數且不具磁性之材料所製成。
11. 如申請專利範圍第1項所述之自動化遺傳物質處理系統，其中該萃取模組係可轉動地固定於該平台鄰近處，並且該萃取模組能選擇性地靠近該第一容器組。
12. 如申請專利範圍第1項所述之自動化遺傳物質處理系統，其中該吸量模組更用以吸取/移動另一反應試劑至該第一容器組中，其中該另一反應試劑係選自由一PK溶液(PK solution)、一細胞溶解液(cell lysis buffer)、一洗滌液(wash buffer)以及一洗脫液(elution buffer)所組成之群組。
13. 一種自動化遺傳物質處理方法，其使用如申請專利範圍第1項所述之自動化遺傳物質處理系統予以處理，該方法包含下列自動化步驟：(a)藉由一第一位移模組移動一吸量模組(pipetting module)，將一樣本與一磁珠溶液混合，以萃取該樣本中之一標的遺傳物質，其中該磁珠溶液包含複數個微小磁珠，且該些微 小磁珠係塗佈矽，用以吸附該樣本中之該標的遺傳物質，以及利用一萃取模組，其包含至少一磁鐵以產生一磁場，藉以在該磁場的作用下將該些微小磁珠與吸附於其上的該標的遺傳物質固定於一第一容器組之複數個第一微量離心管中，以萃取該樣本中之該標的遺傳物質；(b)藉由該吸量模組將該標的遺傳物質與至少一反應試劑混合；(c)於一聚合酶連鎖反應模組(PCR reaction module)中提供複數個溫度循環以放大該標的遺傳物質中之一標的核酸序列；(d)藉由一光學模組(optical module)偵測該標的核酸序列之存在，並且產生一偵測訊號；以及(e)藉由一處理模組(processing module)接收該偵測訊號，並且根據該偵測訊號定性及/或定量該標的核酸序列。
14. 如申請專利範圍第13項所述之自動化遺傳物質處理方法，其中步驟(c)至步驟(e)係同時進行或依序進行。
15. 如申請專利範圍第13項所述之自動化遺傳物質處理方法，其中步驟(a)更包含將該樣本、該磁珠溶液與另一反應試劑混合，其中該另一反應試劑係選自由一PK溶液(PK solution)、一細胞溶解液(cell lysis buffer)、一洗滌液(wash buffer)以及一洗脫液(elution buffer)所組成之群組。