一種高通量DNA合成儀的製作方法
2023-05-12 21:22:36
本實用新型涉及生物技術領域，具體涉及一種高通量DNA合成儀。
背景技術：
人工合成DNA是目前已知的定向改造基因序列的唯一途徑，廣泛應用於蛋白質改造和生命科學等多個領域，如核酸藥物、酶工程、基因治療等。DNA合成儀在合成過程需要脫保護、活化連結、蓋帽、氧化等不同的步驟，合成過程需要在惰性氣體環境保護下向合成柱內注入不同試劑，待反應完成後將合成柱內試劑排空。排出的廢液由管道輸送到廢液罐，從而最大限度地減少廢液在設備中的殘留，既可以保護實驗人員的健康，又可以保證合成質量；工業型合成儀,主要指合成通量大，且單柱合成產物為10-1000nmol的DNA合成儀。工業型合成儀常見的合成柱數為96柱、192柱，384柱或更多合成柱數的合成儀較為鮮見。主要適用於大型實驗室，公用實驗平臺及商業合成機構。國內主要的商業合成機構如上海生工，北京賽百盛，上海捷瑞，華大基因，金斯特，金維斯等。該類型DNA合成儀較實驗室型品牌相對較少，常見的品牌有美國biolytic，丹麥oligomaker，美國mermade，美國polyplex等。在歐洲，polygen 96柱合成工作站及384柱合成塔也是較常見的工業型合成儀之一。由於人們所需要的大部分核酸的鹼基對數量遠遠超過目前DNA合成儀可以合成的最長核酸鏈的鹼基對數量，因此還需要不斷改善合成工藝才能得到較長的核酸分子。當前DNA合成儀的主要生產廠商都致力於機器性能的完善和應用領域的開拓以及高效率、高產率的儀器的開發與研究。目前國內還沒有一款高通量、高效率的、低成本的DNA合成儀。
技術實現要素：
實用新型目的：本實用新型旨在克服現有技術的缺陷提供一種高通量DNA合成儀。
技術方案：一種DNA合成儀，包括機架、容器放置架、第一氣缸、第二氣缸、合成板承載單元、分注單元、分注單元安裝板、氣液路單元和控制器；所述容器放置架固定在所述機架上，所述容器放置架上放有清洗液容器和多個試劑容器；所述合成板承載單元承載有合成板，所述合成板上具有多個合成柱；所述分注單元安裝在所述分注單元安裝板上，所述分注單元包括多個分注噴嘴；所述氣液路單元包括氣源、所述清洗液容器和所述多個試劑容器；所述第一氣缸用於驅動所述合成板承載單元水平移動，所述第二氣缸用於驅動所述分注單元安裝板豎直移動。
進一步地，所述合成板承載單元包括承載板、矩形框和廢液倉；所述承載板包括用於容納所述合成板的矩形孔，所述廢液倉與所述承載板固定且位於所述矩形孔的下方，所述矩形框位於所述廢液倉和所述合成板之間用於承載所述合成板；所述廢液倉的側面具有廢液倉側面開口，所述側面開口處具有封閉所述側面開口的廢液倉蓋，所述側面開口和所述廢液倉蓋之間具有密封墊，所述廢液倉底部具有排廢液孔。
進一步地，所述廢液倉蓋上具有觀察窗，所述廢液倉面向所述矩形框的頂部開口處具有臺階部，所述矩形框放置在所述臺階部上，所述廢液倉通過固定螺栓固定在所述承載板下方。
進一步地，所述分注單元包括閥板安裝板、多個閥板、多個閥門和多個分注噴嘴；所述閥板安裝板固定在所述分注單元安裝板上，所述閥板包括條形板體，所述條形板體包括位於兩端的兩個進液部和位於所述兩個進液部之間的呈一排布置的多個出液部，所述板體內具有貫穿兩個進液部和所有的出液部的長條形孔，每個出液部包括一個與所述長條形孔連通的進液孔和一個貫穿所述板體上下表面的出液孔，所述出液部具有凹槽，所述進液孔的孔口和所述出液孔的其中一個孔口均位於所述凹槽內，每個所述進液部具有與所述長條形孔連通的第一進液口；所述多個閥板固定在所述閥板安裝板上，所述閥板安裝板上對應每個出液孔具有一個貫穿閥板安裝板上下表面的貫通孔，每個貫通孔還連接一個分注噴嘴；每個所述凹槽內固定有一個所述閥門，所述閥門的進液端連接所述進液孔，所述閥門的出液端連接所述出液孔。
進一步地，每個所述進液部還具有一個與所述長條形孔連通的第二進液口，所述第二進液口為圓柱形進液口，所述第二進液口的軸線與所述長條形孔的軸線共軸；每個閥板的兩個第二進液口處設有堵頭，並且兩個第一進液口的其中一個進液口處設有堵頭；所述閥門為兩通電磁閥；所述分注噴嘴和所述貫通孔通過螺紋固定連接，所述分注噴嘴位於所述閥板安裝板下方。
進一步地，所述分注單元安裝板下表面設有氣囊，所述氣囊具有進氣口、進氣閥門、出氣口和出氣閥門；所述氣源用於對所述氣囊供氣，所述合成儀還包括用於將所述分注單元安裝板和所述承載板密封的第三氣缸。
進一步地，所述氣液路單元包括氣源、清洗液容器、多個試劑容器、多個閥板和多個第一三通閥；所述氣源連接總管路的一端，所述總管路的另一端連接第一管路和第二管路；所述清洗液容器和所有試劑容器的蓋子上均插有進氣管和出液管；所有的進氣管均連接所述第一管路，清洗液容器的出液管連接一個閥板的第一進液口，每個試劑容器的出液管連接至少一個第一三通閥的第一埠，所述第二管路連接所有第一三通閥的第二埠，每個第一三通閥的第三埠連接至少一個閥板的第一進液口。
進一步地，所述氣液路單元還包括氣閥、清洗液閥和第二三通閥，所述第二管路上設有氣閥，所述氣閥和所述總管路之間的第二管路通過管路連接第二三通閥的第一埠，所述清洗液容器的出液管路與所述第二三通閥的第二埠連接，所述第二三通閥的第三埠連接一個閥板的第一進液口，所述第二三通閥的第三埠還連接所述清洗液閥的第一埠，所述清洗液閥的第二埠連接第二管路，所述清洗液閥的第二埠和所述第二管路的連接點位於所述氣閥和所述多個第一三通閥之間。
進一步地，所述單元包括一個清洗液容器，盛裝乙腈；所述試劑容器有9個，分別盛裝耦合劑、第一蓋帽試劑、第二蓋帽試劑、胸腺嘧啶、腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤、脫保護試劑、氧化劑；所述第一蓋帽試劑和第二蓋帽試劑為不同的試劑。所述清洗液容器的進氣管和耦合劑試劑容器的進氣管均連接第一主管路；所述第一蓋帽試劑的進氣管和第二蓋帽試劑的進氣管均連接第二主管路；所述胸腺嘧啶試劑容器的進氣管、腺嘌呤試劑容器的進氣管、胞嘧啶試劑容器的進氣管和鳥嘌呤試劑容器的進氣管均連接第三主管路；所述第一主管路、第二主管路、第三主管路、脫保護試劑試劑容器的進氣管和氧化劑試劑容器的進氣管均連接所述第一管路。
進一步地，所述第一主管路、第二主管路、第三主管路、脫保護試劑試劑容器的進氣管、氧化劑試劑容器的進氣管、第二管路和總管路上均設有調壓閥和壓力表；所述清洗液容器的進氣管、耦合劑試劑容器的進氣管、第二主管路、第三主管路、脫保護試劑試劑容器的進氣管和氧化劑試劑容器的進氣管均設有單向閥。
進一步地，所述氣源為氬氣儲氣瓶。
進一步地，所述機架上鉸接有倒L型壓塊，所述分注單元安裝板上固定有第三氣缸，所述第三氣缸的自由端能夠抵接所述L型壓塊的水平側從而將所述分注單元安裝板和所述承載板密封。
進一步地，所述倒L型壓塊分兩側布置，每側具有7個；第三氣缸分兩側布置，每側具有7個；每側的7個到L型壓塊通過連杆連接。
進一步地，所述承載板為矩形板，所述承載板穿過所述機架，被所述第一氣缸驅動在所述機架上水平移動。
進一步地，所述合成儀還包括豎直導軌，所述第二氣缸驅動所述分注單元安裝板沿著所述豎直導軌上下移動。
進一步地，所述氣源與所述進氣閥門連接；所述第一、二、三氣缸與所述氣源連接。
進一步地，所述矩形孔、矩形框和廢液倉具有兩個。
進一步地，分注單元安裝板安裝有兩個分注單元，每個閥板安裝板上裝有10個閥板；所述條形板體包括8個出液部；所述分注單元包括80個分注噴嘴。
進一步地，所述合成板上設有多列合成柱放置位，每列有16個合成柱放置位，每個合成柱放置位放置有一個合成柱。
進一步地，閥板安裝板上的10個閥板分為整齊排列的前五個和整齊排列的後五個，所述前五個閥板和所述後五個閥板錯開布置，錯開的距離等於一個閥板上相鄰出液孔之間的距離。由此一列16個合成柱，第一個閥板的噴嘴對準第一列1、3、5、7…..、15號合成柱時，第六個閥板的噴嘴對準另一列的2、4、6……..16號合成柱。
進一步地，每個試劑容器的出液管用於對2個閥板的進液口供液。
有益效果：本實用新型的DNA合成儀合成周期短，速度快，合成試劑消耗量最低，合成可靠性最高、穩定性最好。強大的控制軟體是儀器故障率極低，穩定好。氣路的設計使得整體設備操作靈活方便，硬體擴展性強，升級方便；一次能夠實現對多個合成柱的合成，且合成操作實現了自動化。
附圖說明
圖1為合成儀總體示意圖；
圖2為兩個分注單元安裝在合成單元安裝板示意圖；
圖3為通過第三氣缸將分注單元安裝板和承載板密封示意圖；
圖4為分注單元安裝板下表面氣囊示意圖；
圖5為本實用新型合成板承載裝置示意圖；
圖6為本實用新型合成板承載裝置分解示意圖；
圖7為分注裝置示意圖；
圖8為閥板第一示意圖；
圖9為閥板第二示意圖；
圖10為閥板第三示意圖；
圖11為閥板第四示意圖；
圖12為氣液路單元示意圖。
具體實施方式
附圖標記：1.1機架；1.2容器放置架；1.3合成板承載單元；1.4分注單元；1.5分注單元安裝板；1.6第一氣缸；1.7第二氣缸；1.8第三氣缸；1.9倒L型壓塊；1.10連杆；1.11氣囊；2閥板安裝板；3電磁閥；4分注噴嘴；5板體；5.1進液部；5.1.1第一進液口；5.1.2第二進液口；5.2出液部；5.2.1進液孔；5.2.2出液孔；5.3長條形孔；6承載板；6.1矩形孔；7矩形框；8合成板；9廢液倉；9.1排廢液孔；9.2密封墊；9.3廢液倉蓋；9.4觀察窗；9.5臺階部。20.1耦合劑容器；20.2第一蓋帽試劑容器；20.3第二蓋帽試劑容器；20.4胸腺嘧啶容器；20.5腺嘌呤容器；20.6胞嘧啶容器；20.7鳥嘌呤容器；20.8脫保護試劑試劑容器；20.9氧化劑容器；20.10清洗液容器；30氣源；31壓力表；32調壓閥；33單向閥；34清洗液閥；35氣閥；36.1第一三通閥；36.2第二三通閥；40總管路；41第一管路；42第二管路；43.1第一主管路；43.2第二主管路；43.3第三主管路。
一種DNA合成儀，包括機架1.1、容器放置架1.2、第一氣缸1.6、第二氣缸1.7、合成板承載單元1.3、分注單元1.4、分注單元安裝板1.5、氣液路單元和控制器；所述容器放置架1.2固定在所述機架1.1上，所述容器放置架1.2上放有清洗液容器20.10和多個試劑容器20.1-20.9；所述分注單元1.4安裝在所述分注單元安裝板1.5上；所述第一氣缸1.6用於驅動所述合成板承載單元1.3水平移動，所述第二氣缸1.7用於驅動所述分注單元安裝板1.5豎直移動。
所述合成板承載單元1.3包括承載板6、矩形框7和廢液倉9；所述承載板6包括用於容納所述合成板8的矩形孔6.1，所述廢液倉9與所述承載板6固定且位於所述矩形孔6.1的下方，所述矩形框7位於所述廢液倉9和所述合成板8之間用於承載所述合成板8；所述廢液倉9的側面具有廢液倉側面開口，所述側面開口處具有封閉所述側面開口的廢液倉蓋9.3，所述側面開口和所述廢液倉蓋9.3之間具有密封墊9.2，所述廢液倉9底部具有排廢液孔9.1。所述廢液倉蓋9.3上具有觀察窗9.4，所述廢液倉9面向所述矩形框的頂部開口處具有臺階部9.5，所述矩形框7放置在所述臺階部9.5上，所述廢液倉9通過固定螺栓固定在所述承載板6下方。
所述分注單元1.4包括閥板安裝板2、多個閥板5、多個閥門3和多個分注噴嘴4；所述閥板安裝板2固定在所述分注單元安裝板1.5上，所述閥板5包括條形板體，所述條形板體包括位於兩端的兩個進液部5.1和位於所述兩個進液部5.1之間的呈一排布置的多個出液部5.2，所述板體內具有貫穿兩個進液部5.1和所有的出液部5.2的長條形孔5.3，每個出液部5.2包括一個與所述長條形孔5.3連通的進液孔5.2.1和一個貫穿所述板體上下表面的出液孔5.2.2，所述出液部5.2具有凹槽，所述進液孔5.2.1的孔口和所述出液孔5.2.2的其中一個孔口均位於所述凹槽內，每個所述進液部5.1具有與所述長條形孔5.3連通的第一進液口5.1.1；所述多個閥板5固定在所述閥板安裝板2上，所述閥板安裝板2上對應每個出液孔5.2.2具有一個貫穿閥板安裝板2上下表面的貫通孔，每個貫通孔還連接一個分注噴嘴4；每個所述凹槽內固定有一個所述閥門3，所述閥門3的進液端連接所述進液孔5.2.1，所述閥門的出液端連接所述出液孔5.2.2。每個所述進液部5.1還具有一個與所述長條形孔5.3連通的第二進液口5.1.2，所述第二進液口5.1.2為圓柱形進液口，所述第二進液口5.1.2的軸線與所述長條形孔5.3的軸線共軸；每個閥板5的兩個第二進液口5.1.2處設有堵頭，並且兩個第一進液口5.1.1的其中一個進液口5.1.1處設有堵頭；所述閥門3為兩通電磁閥；所述分注噴嘴和所述貫通孔通過螺紋固定連接，所述分注噴嘴4位於所述閥板安裝板2下方。
所述分注單元安裝板1.5下表面設有氣囊1.11，所述氣囊1.11具有進氣口、進氣閥門、出氣口和出氣閥門；所述氣源用於對所述氣囊供氣，所述合成儀還包括用於將所述分注單元安裝板和所述承載板密封的第三氣缸1.8。所述機架1.1上鉸接有倒L型壓塊1.9，所述分注單元安裝板1.5上固定有第三氣缸1.8，所述第三氣缸1.8的自由端能夠抵接所述L型壓塊1.9的水平側從而將所述分注單元安裝板1.5和所述承載板6密封。當需要將分注單元安裝板1.5抬起時，可以將倒L型壓塊1.9向機架外轉動，反之將壓塊1.9向內轉動呈倒L型，利用第三氣缸1.8抵接壓塊，從而將承載板6和合成單元安裝板1.5密封。如圖3所示，所述倒L型壓塊分兩側布置，每側具有7個；第三氣缸分兩側布置，每側具有7個；每側的7個到L型壓塊通過連杆連接。
所述氣液路單元包括氣源30、清洗液容器20.10、多個試劑容器20.1-20.9、多個閥板5和多個第一三通閥36.1；所述氣源30連接總管路40的一端，所述總管路40的另一端連接第一管路41和第二管路42；所述清洗液容器20.10和所有試劑容器20.1-20.9的蓋子上均插有進氣管和出液管；所有的進氣管均連接所述第一管路41，清洗液容器20.10的出液管連接一個閥板5的第一進液口，每個試劑容器的出液管連接至少一個第一三通閥36.1的第一埠，所述第二管路42連接所有第一三通閥36.1的第二埠，每個第一三通閥36.1的第三埠連接至少一個閥板5的第一進液口。所述氣液路單元還包括氣閥35、清洗液閥34和第二三通閥36.2，所述第二管路42上設有氣閥35，所述氣閥35和所述總管路40之間的第二管路通過管路連接第二三通閥36.2的第一埠，所述清洗液容器20.10的出液管路與所述第二三通閥36.2的第二埠連接，所述第二三通閥36.2的第三埠連接一個閥板5的第一進液口，所述第二三通閥36.2的第三埠還連接所述清洗液閥的第一埠，所述清洗液閥的第二埠連接第二管路，所述清洗液閥的第二埠和所述第二管路的連接點位於所述氣閥和所述多個第一三通閥之間。所述單元包括一個清洗液容器20.10，盛裝乙腈；所述試劑容器有9個，分別盛裝耦合劑、第一蓋帽試劑、第二蓋帽試劑、胸腺嘧啶、腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤、脫保護試劑、氧化劑；所述第一蓋帽試劑和第二蓋帽試劑為不同的試劑。所述清洗液容器的進氣管和耦合劑試劑容器的進氣管均連接第一主管路43.1；所述第一蓋帽試劑的進氣管和第二蓋帽試劑的進氣管均連接第二主管路43.2；所述胸腺嘧啶試劑容器的進氣管、腺嘌呤試劑容器的進氣管、胞嘧啶試劑容器的進氣管和鳥嘌呤試劑容器的進氣管均連接第三主管路43.3；所述第一主管路43.1、第二主管路43.2、第三主管路43.3、脫保護試劑試劑容器的進氣管和氧化劑試劑容器的進氣管均連接所述第一管路41。所述第一主管路43.1、第二主管路43.2、第三主管路43.3、脫保護試劑試劑容器的進氣管、氧化劑試劑容器的進氣管、第二管路42和總管路40上均設有調壓閥32和壓力表31；所述清洗液容器的進氣管、耦合劑試劑容器的進氣管、第二主管路、第三主管路、脫保護試劑試劑容器的進氣管和氧化劑試劑容器的進氣管均設有單向閥33。
所述氣源為氬氣儲氣瓶。
所述承載板6為矩形板，所述承載板6穿過所述機架1.1，被所述第一氣缸1.6驅動在所述機架1.1上水平移動。所述合成儀還包括豎直導軌，所述第二氣缸1.7驅動所述分注單元安裝板沿著所述豎直導軌上下移動。所述氣源與所述進氣閥門連接；所述第一、二、三氣缸與所述氣源連接。利用一個氣源可以對氣液路單元、氣囊、第一、二、三氣缸供氣。
所述矩形孔、矩形框7和廢液倉9具有兩個。分注單元安裝板安裝有兩個分注單元，所述閥板安裝板上裝有10個閥板；所述條形板體包括8個出液部；所述分注單元包括80個分注噴嘴。所述合成板8上設有多列合成柱放置位，每列有16個合成柱放置位，每個合成柱放置位放置有一個合成柱。閥板安裝板上的10個閥板分為整齊排列的前五個和整齊排列的後五個，所述前五個閥板和所述後五個閥板錯開布置，錯開的距離等於一個閥板上相鄰出液孔之間的距離。由此一列16個合成柱，第一個閥板的噴嘴對準第一列1、3、5、7…..、15號合成柱時，第五個閥板的噴嘴對準另一列的2、4、6……..16號噴嘴。
如圖12所示，每個試劑容器的出液管用於對2個閥板的進液口供液。
本實用新型的合成儀工作時，將倒L型壓塊設置成如圖3所示，氣源對氣囊充一定量氬氣，第三氣缸將承載板和分注單元安裝板密封，之後利用噴嘴對合成柱進行清洗操作或分注試劑的操作；排液時，通過分注噴嘴向合成柱噴氬氣實現排液；排液完成後，第三氣缸鬆開，氣囊放氣，第一氣缸驅動承載板移動一段距離使相應的合成柱對準下遊的噴嘴，之後氣囊充氣，第三氣缸壓緊，進行下一個試劑的分注操作，再進行排液操作，排液完成後，鬆開第三氣缸，氣囊排氣，第一氣缸驅動承載板移動一段距離，如此循環，直到所有的試劑均分注反應完畢，完成DNA的合成。
針對一個分注噴嘴和一個合成柱，注液時，液體從管路過來，從進液口進入長條形孔後進入每個出液部的進液孔，從進液孔流入電磁閥，從電磁閥出來進入出液孔，最後經過分注噴嘴進入合成柱內，實現清洗液清洗和試劑分注操作。類似地，也可以將氬氣氣流從管路過來，從進液口進入長條形孔後進入每個出液部的進液孔，從進液孔流入電磁閥，從電磁閥出來進入出液孔，最後經過分注噴嘴進入合成柱內，實現氬氣清洗以及將殘餘試劑排出來。
本實用新型的合成儀一次可以承載兩個合成板，適用於高通量的DNA合成，並且注液針在進行對合成柱的注液以及排液操作時，產生的廢液直接進入廢液倉，不會汙染實驗室或者儀器本身，不會對合成產生不良影響；並且觀察窗可以隨時觀察到廢液倉內的情況，防止廢液倉內的廢液過多。本實用新型的廢液倉可以通過管路連接排廢液孔隨時將廢液排走，也可以設置封閉所述排廢液孔的塞子，積攢了一定量廢液後，打開塞子排出廢液。
本實用新型的氣液路系統工作時，使所有的第一三通閥的第二、三埠接通，氣閥打開，清洗液閥關閉，第二三通閥的第一、三埠接通，從而能夠利用多個閥板進行排氣操作，可以實現氬氣清洗，也可以實現氬氣排出合成柱內殘餘試劑的操作。使所有的第一三通閥的第二、三埠接通，氣閥關閉，清洗液閥打開，第二三通閥的第二、三埠接通，從而可以從多個閥板出清洗液進行清洗操作。使所有的第一三通閥的第一、三埠接通，氣閥關閉、清洗液閥關閉、第二三通閥的第二、三埠接通，可以通過閥板分注不同的試劑，從而可以進行向合成柱內注射試劑的操作，同時有兩個閥板可以分注清洗液。
儘管本實用新型就優選實施方式進行了示意和描述，但本領域的技術人員應當理解，只要不超出本實用新型的權利要求所限定的範圍，可以對本實用新型進行各種變化和修改。