静态反应器
阅读：1036发布：2020-10-29
专利汇可以提供静态反应器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型提供了一种静态反应器，其包括第一存放室、第二存放室和反应室；各结构通过 薄膜 结构分隔，且均设置有进样口，进样口上设置密封盖；设置触发 开关 用于开启反应；设置输出开关，用于获取反应物；反应室的底面设置成不平整结构。该静态反应器结构设计合理、自动化程度高、操作使用便捷、无需动态混匀。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明 专利，下面是静态反应器专利的具体信息内容。
1.一种静态反应器，所述反应器包括：
第一存放室（1）、第二存放室（2）和反应室（3）；第二存放室（2）位于第一存放室（1）下方，并通过第一薄膜结构（4）分隔；反应室（3）位于第二存放室（2）下方，并通过第二薄膜结构（5）分隔；反应室（3）的出口（7）处设置第三薄膜结构（6）；
第一存放室（1）、第二存放室（2）和反应室（3）均设置有进样口，进样口上设置密封盖，第一存放室（1）和反应室（3）进样口的密封盖上分别设置有薄膜结构；
第一存放室的进样口（11）对应设置触发开关（22），用于戳破第一存放室的进样口（11）对应密封盖上的薄膜结构、第一薄膜结构（4）和第二薄膜结构（5）；
反应室的进样口（13）对应设置输出开关（25），用于戳破反应室的进样口（13）对应密封盖上的薄膜结构、第三薄膜结构（6）；
反应室的底面设置成不平整结构。
2.根据权利要求1所述的静态反应器，其特征在于：第一存放室（1）、第二存放室（2）和反应室（3）由外壳体一体成型为反应器或者分体成型后组装组成反应器。
3.根据权利要求1所述的静态反应器，其特征在于：所述的触发开关（22）和输出开关（25）主体部为任意形状，其末端采取尖头结构。
4.根据权利要求1所述的静态反应器，其特征在于：所述的第一存放室（1）和反应室（3）的底面均采用小角度倾面设计，其角度范围为相对于水平面倾斜2 15°。
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5.根据权利要求1所述的静态反应器，其特征在于：所述进样口与密封盖采用卡扣结构、螺纹结构或者真空脂密封的任一方式或者任意组合方式。
6.根据权利要求1所述的静态反应器，其特征在于：所述出口（7）所在的通路上设置具有孔径的隔板或滤网或滤布。
7.根据权利要求1-6任一所述的静态反应器，其特征在于：所述不平整结构为三棱柱阵列（10）。
8.根据权利要求1-6任一所述的静态反应器，其特征在于：还包括腿部（29），腿部（29）设置在偏向不平整结构的一侧，腿部（29）为固定长度或者长度可调。
9.根据权利要求7所述的静态反应器，其特征在于：还包括腿部（29），腿部（29）设置在偏向不平整结构的一侧，腿部（29）为固定长度或者长度可调。
10.根据权利要求1-6任一所述的静态反应器，其特征在于：还包括内部气压平衡装置。
静态反应器
技术领域
[0001] 本实用新型涉及生物技术领域，具体地涉及一种用于固液相生物化学反应的静态反应器。
背景技术
[0002] 生物化学反应过程中为了使反应更加充分高效，通常需要使反应体系中的各组分持续充分混合，有效的混合可以实现反应物分子间的有效碰撞，有效碰撞的发生可以实现生物化学反应的进行，而有效碰撞的频率则直接影响反应的速率，分子的布朗运动可以一定程度上实现反应体系中分子间的有效碰撞，为了增加有效碰撞的频率通常需要对较大的反应体系进行外力的混合辅助，以加剧分子的运动，增强分子间的有效碰撞，一般采取的外力混合方式有机械搅拌、磁力搅拌、摇床混匀等。单相反应体系中，如溶液状态的反应体系，各组分处在同一溶剂中并且可在其中自由运动，进行充分地有效碰撞发生生物化学反应；多相反应体系中，如不溶或者微溶的固态物与溶液进行生物化学反应，由于固态物与溶液间存在有限的接触面积，而且固态物的沉降聚集易大幅减少固液间的有效接触面积，因而需要通过外力的混合以阻碍固态物的沉降聚集使反应能够充分有效地进行。外力的混合通常需要额外的混合装置，如机械搅拌器、磁力搅拌器、摇床、滚轮等，但相应的增加了成本，并占用实验空间。因此，无需动态混匀但反应效率可媲美外力持续混匀的静态反应器是未来生物化学反应器的发展趋势，此类静态反应器使用便捷，无需配套额外的混匀器，有效地降低了仪器成本和操作空间。
发明内容
发明内容
[0003] 本实用新型为解决反应过程中需要对反应体系进行持续混合摇匀的问题提供了一种结构设计合理、自动化程度高、操作使用便捷、无需动态混匀的静态反应器。该反应器尤其适用于固液相反应。
[0004] 为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种静态反应器，该静态反应器包括两个存储室、一个反应室和两个控制开关（即触发开关和输出开关），其中两个存储室均位于反应室的上方，上下两存储室之间、下存储室和反应室之间、反应室和出口之间均通过微米级厚度的薄膜相隔。上存储室和反应室的底面均设计成具有一定倾角的斜面，用以减少液相的滞留。反应室的底面表面设置成不平整结构，优选为三棱柱阵列，用以加强反应过程中固态物的滞留和分散，减弱固态物的集中聚集，三棱柱阵列对固态物提供的额外滞留和分散表面可有效增加反应过程中固液两相的接触面积，从而增加反应效率。上下存储室和反应室均有各自的进样口和密封盖，上存储室和反应室的密封盖的中心部位为微米级厚度的薄膜。上存储室密封盖薄膜的正下方对应上下存储室之间、下存储室和反应室之间的薄膜；即储存室侧的控制开关（触发开关）能依次穿破上储存室密封盖薄膜、上下存储室之间、下存储室和反应室之间的薄膜；反应室密封盖薄膜的正下方对应反应室和出口之间的薄膜，即反应室侧的控制开关（输出开关）能依次穿破反应室密封盖薄膜、反应室和出口之间的薄膜。上存储室密封盖薄膜的正上方对应反应触发开关，开关为尖头设计，用以同时戳破上存储室密封盖、上下两存储室之间、下存储室和反应室之间的三层薄膜，使上存储室连通大气，同时使两个存储室的液体样品流入反应室，从而触发反应；反应室密封盖薄膜的正上方对应反应输出开关，开关为尖头设计，用以戳破反应室密封盖、反应室与出口之间的两层薄膜，使反应室的反应物由出口流出。上存储室与反应室之间还额外连有一根细的通气管，用以平衡气压，使存储室的液体样品在反应触发开关打开后能够顺利流入反应室。
[0005] 具体的，本实用新型的第一方面提供一种静态反应器，所述反应器包括：
[0006] 第一存放室、第二存放室和反应室；第二存放室位于第一存放室下方，并通过第一薄膜结构分隔；反应室位于第二存放室下方，并通过第二薄膜结构分隔；反应室的出口处设置第三薄膜结构；第一存放室、第二存放室和反应室均设置有进样口，进样口上设置密封盖，第一存放室和反应室进样口的密封盖上分别设置有薄膜结构；第一存放室的进样口对应设置触发开关，用于戳破进样口对应密封盖上的薄膜结构、第一薄膜结构和第二薄膜结构；反应室的进样口对应设置输出开关，用于戳破进样口对应密封盖上的薄膜结构、第三薄膜结构；反应室的底面设置成不平整结构。
[0007] 进一步的，第一存放室、第二存放室和反应室由外壳体一体成型为反应器或者分体成型后组装组成反应器，如采用一体成型技术，可以通过3D打印技术一体成型，制作简单、有效保证在未开启反应状态下反应器内部存放的试剂等不受外界污染。
[0008] 进一步的，触发开关、输出开关主体部为任意形状，如圆柱或棱柱，优选为六棱柱，开关末端采取尖头结构，以方便将薄膜戳破，并通过其主体部与破损薄膜之间的间隙便于反应物混合。
[0009] 进一步的，第一存放室和反应室的底面均采用小角度倾面设计，其角度范围为相对于水平面倾斜2 15°，优选5 10°，从而在液体样品流出上存放室、反应物流出反应室~ ~时尽可能减少液体的残留。
[0011] 进一步的，出口所在的通路上设置具有孔径的隔板，用于阻隔被戳破的薄膜等，隔板也可以根据反应的要求替换成具有过滤作用的滤网或滤布，从而对反应产物进行过滤。
[0012] 进一步的，不平整结构为三棱柱阵列，反应室底面的至少一个倾斜面设计为不平整结构，优选的，反应室底面设置有三个倾斜面，每个倾斜面上均分别设计构建三棱柱阵列，反应室通向第三薄膜结构的通路设计成缩口结构，以保证反应室内的混合物能够全部排出，防止在边角处堆积。上述三棱柱阵列中每个三棱柱的底面三角形为斜边是1毫米的等腰直角三角形，每个三棱柱之间间隔0.2毫米。
[0013] 进一步的，反应器还包括腿部，腿部设置在偏向不平整结构的一侧，腿部为固定长度或者长度可调，从而将反应物集中在三棱柱阵列所在的区域，如将腿部设置成两截，可以人为调整腿部的长度，或者腿部为嵌套结构，可以通过嵌套来人为调整腿部的长度。
[0014] 进一步的，反应器还包括内部气压平衡装置，例如，可以在第一存放室和反应室之间额外连有一根通气细管，用来平衡反应室和上存放室之间的气压，使液体样品能够顺利流入反应室。
[0015] 进一步的，薄膜的厚度为1 500μm，优选的5μm、10μm、15μm、20μm、30μm、40μm、50μ~m、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm。
[0016] 进一步的，反应器的总体积可以为任意大小，第一存放室、第二存放室和反应室的体积可为任意大小，如第一存放室容积为0.5 mL 50 mL、第二存放室的容积为50 μL 1000 ~ ~μL，反应室的容积为2 mL 80 mL。
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[0018] 本实用新型的主要优点和积极效果主要包括:
[0019] （1）本实用新型为静态反应器，不需配套额外的混匀设备，如机械搅拌器、磁力搅拌器、摇床、滚轮等，有效地降低了仪器成本和操作空间；
[0021] （3）反应器可以通过3D打印等技术一体成型，制作简单、有效保证在未开启反应状态下反应器内部存放的试剂等不受外界污染；也可以分体成型后组装；
[0022] （4）反应器应用领域广泛，不仅适用于生物化学反应，且对反应器材料无特殊限制，可由多种不同类型的材料制备，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、3D打印材料、玻璃、纸基材料、塑料等，且具体材料可根据反应器的应用领域和反应物的特性人为确定；
[0024] 图1. 静态反应器左视剖面图
[0025] 图2. 静态反应器主视剖面图
[0026] 图3. 静态反应器俯视剖面图
[0027] 图4. 静态反应器整体左视图
[0028] 图5. 相对荧光单位测定实验结果
[0029] 附图中，附图标记如下：
[0030] 1为第一存放室、2为第二存放室、3为反应室、4为第一薄膜结构、5为第二薄膜结构、6为第三薄膜结构、7为出口、8为第一存放室底面的倾斜面、9为反应室底面的倾斜面、10为三棱柱阵列、11第一存放室的进样口、12为第二存放室的进样口、13为反应室的进样口、14为第一密封盖、15为第二密封盖、16为第一密封盖的楔入端、17为第二密封盖的楔入端、
18为第一圆形薄膜结构、19为第二圆形薄膜结构、20为第三密封盖、21为第三密封盖的楔入端、22为触发开关、23为触发开关的尖头结构、24为触发开关的主体部、25为输出开关、26为输出开关的尖头结构、27为输出开关的主体部、28为通气细管、29为腿部。
18为第一圆形薄膜结构、19为第二圆形薄膜结构、20为第三密封盖、21为第三密封盖的楔入端、22为触发开关、23为触发开关的尖头结构、24为触发开关的主体部、25为输出开关、26为输出开关的尖头结构、27为输出开关的主体部、28为通气细管、29为腿部。
具体实施方式
[0031] 应理解，在本实用新型范围内中，本实用新型的上述各技术特征和在下文（如实施例）中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
[0032] 在本实用新型中，所述细胞提取物不含完整的细胞，典型的酵母细胞提取物包括用于蛋白翻译的核糖体、转运RNA、氨酰tRNA合成酶、蛋白质合成需要的起始因子和延伸因子以及终止释放因子。此外，酵母提取物中还含有一些源自酵母细胞的细胞质中的其他蛋白，尤其是可溶性蛋白。
[0033] 如图1、2、3、4所示，本实用新型提供了一种静态反应器，其包括外壳体，外壳体内固定有第一存放室1、第二存放室2和反应室3，包含外壳体的整体结构可以通过3D打印等成型技术一体成型制作，当然，可选的方式，也可以将第一存放室1、第二存放室2和反应室3分体成型后进行组装制作构成反应器。
[0034] 第一存放室1（也称为上存放室）为液体样品存放室，第二存放室2（也称为下存放室）为液体样品存放室，上下两存放室之间通过厚度为300微米的第一薄膜结构4（圆形薄膜）相隔，此薄膜固定在装置内并完全阻隔上下两存放室；反应室3内用来存放固体样品，并通过第二薄膜结构5、第三薄膜结构6（与第一薄膜结构4采用相同的设计）分别与下存放室2、出口7相隔。第一存放室1和反应室3的底面均采用小角度倾面设计，其角度范围为相对于水平面倾斜2 15°，优选5 10°，从而在液体样品流出上存放室、反应物流出反应室时尽~ ~
可能减少液体的残留，其中第一存放室底面的倾斜面8、反应室底面的倾斜面9的倾斜角度可以相同也可以不同。反应室底面的至少一个倾斜面9设计为不平整结构，优选的为三棱柱阵列10，优选的，反应室底面设置有三个倾斜面（图3），每个倾斜面上均分别设计构建三棱柱阵列10，反应室通向第三薄膜结构6的通路设计成缩口结构，以保证反应室内的混合物能够全部排出，防止在边角处堆积。上述三棱柱阵列10中每个三棱柱的底面三角形为斜边是1毫米的等腰直角三角形，每个三棱柱之间间隔0.2毫米。第一存放室1、第二存放室2和反应室3均有进样口，第二存放室2的进样口12位于反应器的背面；第一存放室1的进样口11和反应室3的进样口13采用相同的规格，进样口均位于腔室的上方。
可能减少液体的残留，其中第一存放室底面的倾斜面8、反应室底面的倾斜面9的倾斜角度可以相同也可以不同。反应室底面的至少一个倾斜面9设计为不平整结构，优选的为三棱柱阵列10，优选的，反应室底面设置有三个倾斜面（图3），每个倾斜面上均分别设计构建三棱柱阵列10，反应室通向第三薄膜结构6的通路设计成缩口结构，以保证反应室内的混合物能够全部排出，防止在边角处堆积。上述三棱柱阵列10中每个三棱柱的底面三角形为斜边是1毫米的等腰直角三角形，每个三棱柱之间间隔0.2毫米。第一存放室1、第二存放室2和反应室3均有进样口，第二存放室2的进样口12位于反应器的背面；第一存放室1的进样口11和反应室3的进样口13采用相同的规格，进样口均位于腔室的上方。
[0035] 第一存放室1的进样口11和反应室3的进样口13各自配套有第一密封盖14和第二密封盖15，第一密封盖14的楔入端16和第二密封盖15的楔入端17设计为具有一定倾角的圆台外形，用以紧密地嵌入各进样口，配备少量的真空脂，可实现良好的密封效果，第一密封盖14和第二密封盖15的中央含有厚度为300微米的第一圆形薄膜结构18和第二圆形薄膜结构19，两密封盖密封后，第一圆形薄膜结构18位于第一薄膜结构4和第二薄膜结构5的正上方，第二圆形薄膜结构19位于第三薄膜结构6的正上方。
[0036] 第二存放室2的进样口12配套第三密封盖20，第三密封盖20的楔入端21设计为具有一定倾角的圆台外形，用以紧密地嵌入进样口12，配备少量的真空脂，可实现良好的密封效果。第一存放室、第二存放室和反应室在未使用时整体上处于密封且相互隔绝的状态。
[0037] 进样口11的正上方对应反应触发开关22（即第一穿刺结构），触发开关的末端采取尖头结构23，触发开关22的主体部24为任意形状，如圆柱、棱柱，优选为六棱柱，通过手指按压操作触发开关22以戳破第一圆形薄膜结构18、第一薄膜结构4、第二薄膜结构5，使上下存放室中的反应液经触发开关22的主体部24与各薄膜结构之间的间隙同时流入反应室3，与反应室3内的固体样品混合，实现反应的开启。触发开关22的主体部24的规格可人为确定，从而人为控制主体部24与流道通路之间的距离，从而控制整体的反应时间或各步骤的反应速率。
[0038] 进样口13的正上方对应反应输出开关25（即第二穿刺结构），输出开关25的末端采用尖头结构26，输出开关的主体部27为任意形状，如圆柱、棱柱，优选为六棱柱，通过手指的按压操作以触发输出开关25并同时戳破第二圆形薄膜结构19、第三薄膜结构6，使反应室3内的混合物从出口7输出，实现反应的终止与输出。在出口7的通路上设置具有孔径的隔板，用于阻隔被戳破的薄膜等，隔板也可以根据反应的要求替换成具有过滤作用的滤网或滤布，从而对反应产物进行过滤。
[0039] 此外，可选的，为了样品能更顺利的流入反应室内，设置有内部气压平衡装置，例如，可以在第一存放室1和反应室3之间额外连有一根通气细管28，用来平衡反应室和上存放室之间的气压，使液体样品能够顺利流入反应室。
[0040] 此外，可替代的，三个进样口与对应的密封盖采用卡扣结构，通过密封盖的旋转和移动可实现密封盖的打开与关闭，配套少量真空脂的使用可实现装置的整体密封效果；还可以将进样口与对应的密封盖设置成螺纹结构。
[0041] 使用静态反应器时，可将反应器向具有三棱柱阵列10的一侧进行倾斜，以方便反应物能更好的与三棱柱阵列10接触，还可通过将反应器的腿部29设置成可伸缩或者可调节长度的方式，从而将反应物集中在三棱柱阵列10所在的区域，如将腿部29设置成两截，可以人为调整腿部的长度，或者腿部29为嵌套结构，可以通过嵌套来人为调整腿部的长度。
[0042] 实施例1
[0043] 以无细胞体外蛋白合成系统为例，介绍本申请的静态反应器的具体使用方法。此为验证性实施例，并不代表该反应器只能用于无细胞体外蛋白合成系统。所使用的反应试剂如下：
[0044] 生物化学冻干粉末：冻干前混合物里包含50%体积的酵母细胞提取物和50%体积的缓冲液；
[0045] 缓冲液：
[0046] 10-50 mM的磷酸缓冲液、10-100mM的三羟甲基氨基甲烷、20-300 mM的醋酸钾、10-100mM的醋酸镁、1-20 mM的二硫苏糖醇、0.1%-5%的聚乙二醇8000、2-50 mM的葡萄糖、10-
200 mg/mL的糊精、0.001-0.01 mg/mL的淀粉酶、0.1-30 mM的核苷三磷酸混合物、0.08-
0.24mM的氨基酸混合物。
200 mg/mL的糊精、0.001-0.01 mg/mL的淀粉酶、0.1-30 mM的核苷三磷酸混合物、0.08-
0.24mM的氨基酸混合物。
[0047] DNA：绿色荧光蛋白DNA。
[0048] 通过静态反应器的进样口11向第一存放室1添加去离子水4 mL，并盖上第一密封盖14。
[0049] 通过反应器上的进样口13向反应室3添加生物化学冻干粉末1 g，并盖上第二密封盖15，并使得生物化学冻干粉末与反应室底面的倾斜面9上的三棱柱阵列10充分接触[0050] 通过反应器上的进样口12向第二存放室2添加170 µL的含绿色荧光蛋白DNA的液体（DNA浓度10 ng/µL），并盖上第三密封盖20。
[0051] 按下反应触发开关22同时破坏反应器中第一存放室1的第一密封盖14上的第一圆形薄膜结构18、第一存放室1与第二存放室2之间的第一薄膜结构4及第二存放室2及反应室3之间的第二薄膜结构5，使去离子水、DNA流入反应室3，与反应室3中生物化学冻干粉末混合，摇匀后静置，并在室温下进行反应。
[0052] 经过2-6小时，按下反应输出开关25同时破坏反应装置单元中反应室的密封盖上的薄膜结构、及反应室与出口之间的薄膜结构，使含蛋白质的液体流出，得到含有绿色荧光蛋白的液体，即时取10 µL置于384孔板中，4000 rpm离心1分钟，使用酶标仪测定RFU值（RFU，Relative Fluorescence Unit，中文名是相对荧光单位）。
[0053] 对比例1
[0054] 使用与实施例1中完全一致的同一批反应试剂，混匀于15 mL离心管中，并将离心管置于混匀仪上，在与实施例1的同一时间同一地点下进行持续混匀反应，经过与实施例1中一致的反应时间后，即时取10 µL置于384孔板中，4000 rpm离心1分钟，使用酶标仪测定RFU值。
[0055] 对比例2
[0056] 使用不含三棱柱阵列10的反应器，此反应器其余部分均与实施例1中反应器的结构完全一致。
[0057] 使用与实施例1中完全一致的反应试剂，并按完全一致的方式装入对比例2中的反应器，按下反应触发开关22，摇匀后静置，在与实施例1同样的反应条件（室温）下进行静置反应。
[0058] 经过与实施例1中一致的反应时间后，按下反应输出开关25同时破坏反应装置单元中反应室的密封盖上的薄膜结构、及反应室与出口之间的薄膜结构，使含蛋白质的液体流出，得到含有绿色荧光蛋白的液体，即时取10 µL置于384孔板中，4000 rpm离心1分钟，使用酶标仪测定RFU值。
[0059] 如图5所示，相对荧光单位代表反应体系合成绿色荧光蛋白的数量，其中D、E为实施例1的两个重复，C为对比例1的试验结果，A、B为对比例2的两个重复，从结果中可以看出，对比例2中相对荧光单位仅为实施例1的50% 65%，而实施例1的相对荧光单位能够接近或者~是高于对比例1的结构，从而说明设置三棱柱阵列的反应器能够达到或者是超过持续混匀状态的离心管的效果，比不设置三棱柱阵列的反应器的相对荧光单位高出一倍多。
[0060] 结合图5的实验结果，可说明反应室3底面上的三棱柱阵列10可有效提高此类生物化学反应的静置反应速率，无需动态混匀但反应效率仍可媲美外力持续混匀的反应速率。此类静态反应器不需配套额外的混匀设备，如机械搅拌器、磁力搅拌器、摇床、滚轮等，可有效降低使用者的仪器成本和操作空间。
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