CN102288462B - 一种高通量组织研磨仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高通量组织研磨仪，包括底座、设置在底座上的驱动组件和振荡组件、以及由振荡组件带动产生振荡且夹持样本的夹具组件，振荡组件包括固定在底座上的导杆、竖直滑动设置在导杆上且由驱动组件驱动的支架臂，支架臂侧面设有与导杆相配合的竖向滑轨，夹具组件固定在支架臂上。通过设置振荡组件包括导杆与支架臂上设置的竖向滑轨相互配合，使得位于支架臂上的夹具组件在竖直方向上振动，可以承受更高频率的振荡，大幅度提高了其处理效率；另外，由于不容易产生共振，其工作过程的噪音更小。

Description

一种高通量组织研磨仪

【技术领域】

本发明涉及一种生物科学研究用仪器，尤其是涉及一种动植物组织细胞快速破碎的高通量组织研磨仪。 

【背景技术】

细胞破碎技术是指利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内容物包括目的产物成分释放出来的技术，是分离纯化细胞内合成的非分泌型生化物质(产品)的基础。目前已发展了多种细胞破碎方法，以便适应不同用途和不同类型的细胞壁破碎。破碎方法可规纳为机械法和非机械法两大类。机械法包括高压匀浆破碎法、振汤珠击破碎法、高速搅拌珠研磨破碎法、超声波破碎法；非机械法包括渗透压冲击破碎法、冻融破碎法、酶溶破碎法、化学破碎法、去垢剂破碎法。 

非机械法一般破碎时间比较长，不适用于样本的快速检测方面。机械法一般操作比较剧烈，其中高压匀浆破碎法和高速搅拌珠研磨破碎法主要用于工业上对各种物质的提取。超声波破碎法由于设备的限制，应用于工业上比较少。振汤珠击破碎法是将等体积的小量组织样本与高密度的研磨球(ZircoBeads)放入可密封的2ml螺旋盖微量管中，再加入缓冲液与稳定成份到1。5ml的体积，用6500rpm组织研磨仪高速振动8秒，休息8秒，再振动8秒即可。此方法是目前最快且一次可处理最多样本的方法——一台机器最多可以在一天处理2400支样本，这对处理小量且多个样本来说很方便，但对于处理量较大时则无法满足需要。 

振汤珠击破碎法的高通量组织研磨仪主要是在装有样本的试管内加入振汤珠，将试管组进行液氮处理后放入仪器上进行水平振荡，以便振汤珠能在试管内击破细胞组织，达到提取其内部核酸的目的。试管组在水平振荡时，仪器会产生大幅度的共振，因此在进行高通量组织研磨仪的结构设计时，需要规避共振的问题，而且振荡的频率不能设置的太高，这严重制约了样本的处理效率。 

对于转基因食品的安全检测来说，在各种检测项目中，由于核酸检测的准确度是最高的，因此设置的安全检测项目主要是对其食品原料的转基因植物的核酸进行检测，即需要破碎细胞、提取核酸进行测 试，这就导致食品检测机构的检测量非常大，普通的高通量组织研磨仪无法满足其要求。 

另外，以Retsch为代表的低频度高通量组织研磨仪，由于低频度研磨的原因使组织细胞破碎需要的时间很长，使组织细胞破碎不完全，因为经液氮处理后组织细胞在研磨过程中温度恢复到常温是很快的，因此其处理时间通常超过最佳组织细胞破碎时间，这就使得液氮处理样本、细胞破碎过程以及核酸的提取不能有机地整合在一起，使得螺旋盖微量管在转移工作环境过程中费时和费人力，严重影响了样本的处理速度。另外由于液氮处理与细胞破碎之间间隔时间很长，势了利用超低温破碎细胞的环境，这些因素都使核酸的提取效率降低。 

【发明内容】

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中组织研磨仪存在内部容易产生共振的缺陷，而造成只能采取低频振荡来进行样本处理，致使样本处理效率低、细胞破碎不完全的问题，提供一种高通量组织研磨仪，其采用竖直振荡的方式而极大减小内部共振的问题，从而可使用高频率振荡来进行样本处理。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种高通量组织研磨仪，包括底座、设置在所述底座上的驱动组件和振荡组件、以及由所述振荡组件带动产生振荡且夹持样本的夹具组件，所述振荡组件包括固定在所述底座上的导杆、竖直滑动设置在所述导杆上且由所述驱动组件驱动的支架臂，所述支架臂侧面设有与所述导杆相配合的竖向滑轨，所述夹具组件固定在所述支架臂上。 

根据权利要求1所述高通量组织研磨仪，其特征在于，所述驱动组件包括高频电机、由电机驱动的曲轴、设置在曲轴端部且驱动所述支架臂振荡的滚轮。 

在上述本发明所述的高通量组织研磨仪中，所述底座上设有与所述滚轮相匹配的滚轮槽，所述支架臂的底部设置在所述滚轮槽的正上方。 

在上述本发明所述的高通量组织研磨仪中，所述夹具组件包括固定在所述支架臂上的工字型支架、设置在所述工字型支架上且可升降调节的活动夹板、设置在所述活动夹板和工字型支架之间的适配器，所述适配器上设有收容多个样本试管的定位孔。 

在上述本发明所述的高通量组织研磨仪中，所述夹具组件还包括与所述适配器的定位孔相配合的样品试管和放置在所述样品试管内 的研磨球。 

在上述本发明所述的高通量组织研磨仪中，所述研磨球的材料为不锈钢、铬钢、氧化锆或碳化钨；所述研磨球的直径为0.1-1.5毫米、2毫米、3毫米、4毫米、5毫米、7毫米、10毫米、12毫米、20毫米、25毫米或30毫米。 

在上述本发明所述的高通量组织研磨仪中，所述适配器的材料为PE、PS、纺织品或树脂或酶标板或离心管。 

在上述本发明所述的高通量组织研磨仪中，所述底座包括放置在台面上的底板、通过减震垫与所述底板连接的支撑板、通过减震弹簧与所述支撑板连接的减震板。 

在上述本发明所述的高通量组织研磨仪中，还包括控制台，所述控制台内设有控制所述电机工作的电路板以及设置在所述控制台上用于调整各电路参数的旋钮。 

在上述本发明所述的高通量组织研磨仪中，所述电路板包括电源输入单元、计时单元、驱动单元和执行单元。 

在上述本发明所述的高通量组织研磨仪中，还包括罩设在所述底座上的保护罩，所述驱动组件、振荡组件和夹具组件设置在所述保护罩和底座之间。 

在上述本发明所述的高通量组织研磨仪中，所述保护罩和底座之间设有行程开关，所述行程开关在所述保护罩脱离底座时控制所述电机停止工作。 

实施本发明的高通量组织研磨仪，具有以下有益效果：通过设置振荡组件包括导杆与支架臂上设置的竖向滑轨相互配合，使得位于支架臂上的夹具组件在竖直方向上振动，位于夹具组件上的样本试管的振动方向也是竖直的，位于试管内的振汤珠相对于试管内的样本产生高频率的上下移动，使试管内冷冻的样本与研磨球相互碰撞，其产生的研磨剪切力和撞击力迅速使组织细胞壁破裂从而实现破碎细胞组织。由于底座设置在台面上，竖直方向上的振动均由底座承受，其内部不容易产生共振，因而可以承受更高频率的振荡，大幅提高了其处理效率；另外，由于不容易产生共振，其工作过程的噪音更小。 

总体而言，实施本发明的高通量组织研磨仪，具有以下具体的优点： 

1、采用高频式垂直振荡系统能使试管内冷冻的样本在最短时间完成，提高了细胞破碎效率。 

2、该仪器上使用的适配器可以直接放入液氮罐中进行保存或处 理，也可以放入离心机中离心，为整个提取实验过程节省了时间和减少操作步骤。 

3、解决了适配器不能直接放入液氮罐中的问题，使冷冻处理和破碎处理更好的衔接，破碎效果更好。 

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。 

【附图说明】

图1所示为本发明所述高通量组织研磨仪优选实施例的外形图； 

图2所示为本发明所述高通量组织研磨仪优选实施例的结构示意图； 

图3所示为本发明所述高通量组织研磨仪优选实施例中驱动组件的结构示意图； 

图4所示为本发明所述高通量组织研磨仪优选实施例中夹具组件的结构示意图； 

图5所示为本发明所述高通量组织研磨仪优选实施例中电路板的电路图。 

【具体实施方式】

在本发明所述高通量组织研磨仪中，包括底座10、设置在底座上的驱动组件20和振荡组件30、以及由振荡组件带动产生振荡且夹持样本的夹具组件40。其中，振荡组件包括固定在底座上的导杆31、竖直滑动设置在导杆31上且由驱动组件驱动的支架臂32，支架臂32侧面设有与导杆31相配合的竖向滑轨33，夹具组件固定在支架臂32上。当驱动组件驱动振荡组件中的支架臂32沿导杆31在竖直方向上高频率往复运动时，夹具组件中的夹持的样本产生振荡，从而达到振荡破碎细胞的效果。 

如图1、2、3、4所示，在本发明所述高通量组织研磨仪的优选实施例中，主要包括底座10、驱动组件20、振荡组件30、夹具组件40、控制台51(见图1)和壳体52(见图1)。其中壳体52将所有组件收纳在其中，壳体5252主要分为两个部分：控制区域和作业区域，控制区域设置有控制台51，用于设定参数、操作和显示参数；作业区域包括底座10、驱动组件20、振荡组件30和夹具组件40，主要用于对样本进行破碎处理。优选在控制台51内设有控制所述电机工作的电路板以及设置在所述控制台51上用于调整各电路参数的旋钮，如调速旋钮4、启动键5、停止键8等；还可在控制台51上设置各种显 示装置，用于显示工作时间、工作参数等，如实时研磨频率显示表6、时间控制表7等。 

为了降低经液氮处理后的样本的升温速度，以保证细胞破碎的效果，本优选实施例中优选在底座10上设有保护罩1，该保护罩1将驱动组件20、振荡组件30和夹具组件40都收纳在其中，使得驱动组件20、振荡组件30和夹具组件40位于保护罩1和底座10之间的封闭空间内。需要放入或取出样本时，可以打开该保护罩1进行操作；在进行振荡破碎处理过程时，则可以将保护罩1盖上。可在保护罩1和底座10之间设置安全锁，放置在仪器工作时保护罩1被误开启。 

如图1所示，在本发明所述高通量组织研磨仪的优选实施例中，可优选在壳体52上设有保护罩把手1、气压弹簧支架2、调速旋钮4、启动键5、实时研磨频率显示表6、时间控制表7、停止键8、风扇口9、外接电源口10、电源开关11等。 

在本优选实施例中，振荡组件30包括导杆31和支架臂32，其中导杆31竖直设置在底座10上，支架臂32上设有竖向滑轨33，该竖向滑轨33与导杆31相配合，使得支架臂32能沿导杆31上下滑动。 

如图2、3所示，在本优选实施例中，驱动组件20包括高频电机21、曲轴(图中未示出)和滚轮23。其中滚轮23设置在曲轴端部，用于带动支架臂32产生上下振荡；高频电机21可通过皮带21a驱动曲轴转动，使得位于曲轴端部的滚轮23产生偏心转动。具体地，可在底座上设置一个曲轴座24，将曲轴通过轴承转动设置在该曲轴座24内；而曲轴的两端外露且分别于设有皮带轮和滚轮23。优选在底座10上设置与滚轮23相匹配的滚轮槽12，支架臂32的底部位于滚轮槽12的正上方。当滚轮23在滚轮槽12内偏心转动时，滚轮23会反复顶起支架臂32，使得支架臂32沿导轨向上滑动；当滚轮23恢复到最低位置时，支架臂32在自身重力的作用下沿导轨向下滑动。这样就能实现利用驱动组件20驱动支架臂32上下往复运动，产生竖直方向上的振荡，其振荡频率由电机21的转速决定。 

如图4所示，在本优选实施例中，夹具组件40包括支架41、活动夹板42和适配器43。其中支架41固定设置在支架臂32上，优选将支架41设置为工字型，该工字型支架41包括顶层板41a、底层板41b和中间连接板41c。活动夹板42通过螺钉连接设置在支架顶层板41a下方，适配器43设置在活动夹板42和支架底层板41b之间。调节螺钉可以调节活动夹板42的位置，从而可以将不同尺寸的适配器43夹紧在活动夹板42和支架的底层板41b之间。 

适配器43主要是用于装载多个带样本的试管，由于在进行破碎处理前，需要将装有样本的试管进行液氮处理，如果处理完后再一根根的移动试管，一方面操作起来非常麻烦费时，另一方面使得样本的温度会迅速恢复到常温而错过最佳细胞破碎时间。优选设置适配器43包括座体43a和盖体43b两部分，其中座体43a和盖体43b对应位置处均设有多个与样本试管相匹配的沉孔。使用时，将多根样本试管插入适配器座体43a的沉孔内，再用盖体43b对应的沉孔套在样本试管上，这样就将样本试管定位在座体43a和盖体43b之间。整个适配器43能够同时装入多根样本试管，实现批量处理。优选适配器43采用可以直接放入液氮罐中的材料制成，如PE、PS、纺织品或树脂或酶标板或离心管等；这样在进行液氮处理时，可以直接将装有样本试管的适配器43进行保存或处理；而该适配器43可以直接被夹具组件40固定在本发明所述高通量组织研磨仪的支架41上进行破壁处理，避免了一根根地移动试管。 

在本优选实施例中，夹具组件40还可包括专用的样品试管和放置在样品试管内的研磨球(图中未示出)；其中样品试管与适配器43的定位孔相配合。也可根据需要使用标准的试管来盛装样品，此时需要将适配器43的定位孔设置为标准尺寸，也可根据不同的尺寸随研磨仪配备多个适配器43，以适应不同容积的试管；进而根据样品的检测量来选用不同的样品试管和适配器43。其中研磨球的材料可以是不锈钢、铬钢、氧化锆或碳化钨等；研磨球的直径可设置为0.1-1.5毫米、2毫米、3毫米、4毫米、5毫米、7毫米、10毫米、12毫米、20毫米、25毫米或30毫米，可根据细胞的粗细来选择不同直径和材料的研磨球。 

图5为本发明的电路板电路示意图。所述电路板包括电源输入单元、计时单元、驱动单元和执行单元。其中电源输入单元A、B包括AC220V 50Hz的单相交流电输入、双刀(带保险装置)控制开关，还可包括电源是否接通的指示灯。 

优选设置计时单元C包括计时开关、计时器和显示屏。其中显示屏可动态显示计时器的时间，可以是剩余时间，也可以是已经工作的时间。计时器中的时间设定范围可以是0.001秒到9999小时的多种组合。动态显示颜色、静态显示颜色可以三色自由设定，具有断电记忆功能，集成继电器干点输出控制。 

驱动单元D包括400W直流电机21和直流电机调速驱动板以及速度显示组成；计时器开始计时的同时控制继电器工作，由继电器接通 电源给电机21供电直至计时结束，如果在正常运行过程中，突然打开保护罩1时，设置在保护罩1上的行程开关控制强行停止电机21工作，计时暂停，直至盖好保护罩1，则延续前面计时，电机21继续工作至本次计时结束。具有在工作时即时任意调速和即时动态显示速度的功能。 

执行单元E可根据上游给出的不同信号，执行不同的功能。 

使用时，接通220V电源，打开电源开关；旋转调速旋钮至合适的振动频率，一般在1800次/min左右，根据样本材料及数量的不同，做适当的调整；对于大体积的样本为保证研磨效率与质量，建议先做初步的剪小处理；将小体积的样本装入1.5/2.0mL样品试管(研磨管)中，样本量控制在1.5mL之内，并加入一颗研磨球或几颗研磨球；将各样品试管放入合适通量的适配器43中，为保证平衡，样品试管在两个适配器43中的位置应该对称。在样本量少时，可以使用空管做平衡；将带有样本的适配器43放入液氮中冷冻数分钟，一般样本处理在10min内，根据样本材料及数量的不同，做适当的调整；将冷冻后适配器43放在夹具支架41上，调整好并固定位置；盖上保护罩1并锁紧保护罩1的安全锁，此时实时振动频率显示表显示为0000；按下控制台51的“START”按钮，仪器执行研磨破碎过程，实时振动频率显示表显示当前的振动频率；时间控制表显示设定的研磨时间，及仪器实际运行的研磨时间。在研磨过程中，可以采用按“STOP”来终止中止仪器的运行，研磨时间归零；若直接打开安全门，仪器同样停止运行，但是研磨时间不归零，盖上安全门后，研磨继续，时间控制表继续上次时间的计算；待实际研磨时间到达预定的研磨时间后，仪器自动停止运行；打开保护罩1及安全锁，松开夹具组件40的活动夹板42，取出适配器43；取出样品试管，研磨过程结束，取出样本进行下一步的实验。从完好组织样本到破碎好样本的整个过程中处理96个植物样本，一般在10分钟内完成。破碎好样本采用FAVORGEN公司提供的植物组织DNA提取试剂盒进行提取DNA，样本DNA提取质量合格率95.8％(以提取DNA后测定OD260nm和OD280nm值进行统计分析DNA提取质量)。 

对照Retsch研磨仪进行相同样本量(96个)的细胞破碎，从液氮处理后到细胞破碎完时间需要30分钟左右(需要每个样本单独处理)，采用相同试剂盒进行提取DNA，样本DNA提取质量合格率为80.8％。 

在上述实施例中优选设置底座10包括放置在台面上的底板13、通过减震垫13a与所述底板连接的支撑板14、通过减震弹簧15与所 述支撑板连接的减震板16，从而通过减震弹簧吸纳仪器的内部共振，减少噪音。 

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。 

Claims (1)

1.一种高通量组织研磨仪，包括底座、设置在所述底座上的驱动组件和振荡组件以及由所述振荡组件带动产生振荡且夹持组织样本的夹具组件，其特征在于：

所述振荡组件包括固定在所述底座上的导杆、竖直滑动设置在所述导杆上且由所述驱动组件驱动的支架臂，其中所述支架臂侧面设有与所述导杆相配合的竖向滑轨，所述夹具组件固定在所述支架臂上；

所述驱动组件包括高频电机、由电机驱动的曲轴、设置在曲轴端部且驱动所述支架臂振荡的滚轮；

所述夹具组件包括固定在所述支架臂上的工字型支架、设置在所述工字型支架上且可升降调节的活动夹板、设置在所述活动夹板和工字型支架之间的适配器，其中所述适配器上设有收容多个样本试管的定位孔；

所述底座包括放置在台面上的底板、通过减震垫与所述底板连接的支撑板、通过减震弹簧与所述支撑板连接的减震板。

2. 根据权利要求1所述高通量组织研磨仪，其中所述底座上设有与所述滚轮相匹配的滚轮槽，所述支架臂的底部设置在所述滚轮槽的正上方。

3. 根据权利要求1所述高通量组织研磨仪，其中所述夹具组件包括与所述适配器的定位孔相配合的样品试管和放置在所述样品试管内的研磨球。

4. 根据权利要求3所述高通量组织研磨仪，其中所述研磨球的材料为不锈钢、铬钢、氧化锆或碳化钨；所述研磨球的直径为0.1-1.5毫米、2毫米、3毫米、4毫米、5毫米、7毫米、10毫米、12毫米、20毫米、25毫米或30毫米。

5. 根据权利要求1所述高通量组织研磨仪，其中所述适配器的材料为PE、PS、纺织品。

6. 根据权利要求1所述高通量组织研磨仪，其中包括控制台，所述控制台内设有控制所述电机工作的电路板以及设置在所述控制台上用于调整各电路参数的旋钮。

7. 根据权利要求6所述高通量组织研磨仪，其中所述电路板包括电源输入单元、计时单元、驱动单元和执行单元。

8. 根据权利要求1所述高通量组织研磨仪，其中包括设在所述底座上的保护罩，所述驱动组件、振荡组件和夹具组件设置在所述保护罩和底座之间。

9. 根据权利要求8所述高通量组织研磨仪，其中所述保护罩和底座之间设有行程开关，所述行程开关在所述保护罩脱离底座时控制所述电机停止工作。

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