连续流动式PCR芯片相关技术研究进展

微电子机械系统(microeletromechanical system,MEMS)技术的兴起及其在生物化学领域的广泛应用,推动了聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)热循环装置越来越微型化,各种PCR微芯片／装置被开发。本文主要介绍了基于MEMS技术的连续流动式PCR(continuous—flow PCR)芯片／微装置的相关技术,包括基底材料的选择、通道表面钝化技术、微细加工技术、封接技术以及系统检测技术等,最后简单介绍目前实验室的研究工作。     

集成核酸提取的实时荧光PCR微全分析系统

集成核酸提取的实时荧光PCR微全分析系统将核酸提取、PCR扩增与实时荧光检测进行整合,在同一块微流控芯片上实现了核酸分析过程的全自动和全封闭,具有试剂用量少、分析速度快、操作简便等优点。本研究采用微机械加工技术制作集成核酸提取微流控芯片的阳极模,使用组合模具法和注塑法制作具有3D通道的PDMS基片,与玻璃基底通过等离子体键合封装成集成核酸提取芯片。构建了由微流体速度可调节(0~10 mL/min)的驱动控制装置、温控精度可达0.1℃的TEC温控平台、CCD检测功能模块等组成的微全分析系统。以人类血液裂解液为样品,采用硅胶膜进行芯片上核酸提取。系统根据设置好的时序自动执行,以2 mL/min的流体驱动速度完成20μL裂解液上样、清洗;以1 mL/min的流体驱动速度完成DNA洗脱,抽取PCR试剂与之混合注入到反应腔。提取的基因组DNA以链上内参基因GAPDH为检测对象,并以传统手工提取为对照,在该系统平台上进行PCR扩增和熔解曲线分析实验。片上PCR扩增结果显示,扩增曲线明显,Ct值分别为25.3和26.9。扩增产物进行熔解曲线分析得到的熔解温度一致,均为89.9℃。结果表明,此系统能够自动化、全封闭的在微流控芯片上完成核酸提取、PCR扩增与实时定量分析。     

透明导电玻璃(ITO)基材自加热传感静态芯片聚合酶链反应(PCR)

利用商品化ITO玻璃导电层的温阻效应, 无需任何微加工手段, 实现了自加热和传感的芯片温度自动程序控制, 最大程度地减小了传感滞后对温度控制稳定性的影响, 温度控制的稳定性达到了0.2 ℃, 升温速度最快可达20 ℃/s以上, 在冷却风扇辅助下降温速度最快达到了8 ℃/s. 芯片温控单元的引线从传统的两对(一对用于传感, 一对用于加热)减少为一对. 通过在该芯片上直接构建多个开放微池反应器的方法成功地实现了λDNA 157 bp片段的并行扩增. 将该芯片置于倒置荧光显微镜样品台上, 以蓝色(575 nm)发光二极管为光源, 以光电倍增管为检测手段检测了dsDNA和SYBR Green Ⅰ嵌合物的荧光强度随温度的实时变化曲线.     

基于Labview的芯片PCR PID温控系统研究

温度控制是决定聚合酶链反应(PCR)扩增成败的关键因素之一。与常规PCR相比,芯片PCR具有样品和试剂用量少、加热体积更小、加热效率高、热循环时间短等优点,而反应体积缩小同时对温度控制精度和速度提出了更高的要求。本文介绍了一种基于Labview的微流控PCR芯片温度控制系统的设计与制作,并成功对80bp的核酸适配体片段进行扩增。     

整体式PDMS电泳芯片快速成型及高灵敏化学发光检测氨基酸

通过再铸模法将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物固化在由微细金属丝构成的微流体孔道的印模中,一次成型制作了整体式PDMS芯片.将所制作的芯片与化学发光检测器集成构建了微芯片毛细管电泳分析系统.初步考察了不经过衍生化时该系统分离检测氨基酸的性能.实验结果表明,精氨酸和天门冬氨酸在80s内完全分离,分离度为2.45,精氨酸的浓度检测限为3.50μmol/L.     

有机玻璃微液流化学芯片的研制及性能

研究了有机玻璃微液流化学芯片的制作工艺及其条件，优化了制片过程的条件，在5-15kgf压力、170-180℃保温20min条件下使用微细金属丝和玻璃阳膜压印管道，在15kgf压力、120℃保温15min键合，制作了单层二维及双层三维变向的微液流芯片。并在所制作的微芯片上观测了双流体混合状态，对LuminolKMnO4-Pb^2 化学发光体系进行了测试。     

带有两个伸出尖端的聚二甲基硅氧烷微芯片的制备及其在动态涂层条件下对蛋白质的分离

本文介绍了一种带有两个伸出尖端的整体式聚二甲基硅氧烷（PDMS）微芯片的制备方法及其应用，进样、缓冲溶液更新及微通道清洗等操作在该芯片上变得简单易行。样品可以直接通过伸出尖端引入分离通道，不需要复杂的电源切换设备及进样通道。清洗微通道或更新缓冲溶液时，只需在一个伸出尖端抽真空，将另一伸出尖端插入溶液中即可完成。制备方法经济方便，可在大多数实验室中使用，不需要软刻蚀和等离子体粘结等装置。制备的PDMS微芯片已用于蛋白质的激光诱导荧光法分离检测中：在0.04 mol/L磷酸盐缓冲溶液（pH 7.0）中加入0.04%的Brij 35可以减小多酶片中的蛋白质在PDMS微芯片上的吸附，使分离简单易行。经过此动态改性的微通道其电渗流（EOF）在pH 3~11范围内保持稳定。     

一种可绝对定量核酸的数字PCR微流控芯片

构建了一种新型的可进行核酸单分子扩增和核酸绝对定量的数字聚合酶链式反应(数字PCR)微流控芯片. 应用多层软光刻技术, 以聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为芯片材料, 盖玻片作为基底制作了具有3层结构以及微阀控制功能的微流控芯片. 芯片的大小与载玻片相当, 可同时检测4个样品, 每个样品通入芯片后平均分配到640个反应小室, 每个小室的体积为6 nL. 以从肺癌细胞A549中提取的18sRNA为样品检测了该芯片的可行性. 将样品稀释数倍后通入芯片, 核酸分子随机分布在640个小室中并扩增. 核酸分子在芯片中的分布符合泊松分布原理, 当样品中待测核酸分子平均拷贝数低于0.5个/小室时, 则每个反应小室包含0个或1个分子. 经过PCR扩增后, 有模板分子的小室检测结果为阳性反应, 而无模板分子的小室为阴性反应, 最后通过计数阳性反应室的个数, 可绝对定量原始待测样品中的目标DNA分子拷贝数. 实验结果表明, 该数字 PCR芯片可实现DNA单分子反应和核酸绝对定量, 具有成本低、 灵敏度高、 节省时间和试剂以及操作简单等优点, 为数字PCR方法在普通实验室的应用提供了一种新途径, 可用于癌症及感染性疾病的早期诊断、 单细胞分析、 产前诊断以及各种细菌病毒的核酸检验等研究.     

液滴数字聚合酶链式反应芯片及其在致病菌检测中的应用

设计与制作了一种基于聚二甲基硅氧烷-玻璃(PDMS-Glass)的多功能集成式液滴数字聚合酶链式反应(ddPCR)芯片,该芯片由产生液滴的PDMS模块和收集液滴的玻璃腔体模块组成。PDMS模块采用双通道的T形结构设计,液滴产生速度快且通量高,在30 min内可生成2×10~6个直径约为20μm的微液滴。玻璃腔体模块中存储的液滴在整个实验过程中无需转移,可直接在原位PCR仪上进行扩增,每个液滴均是一个微反应器,经过多次热循环后,液滴仍能保持良好的稳定性。选用副溶血性弧菌(VP)作为食源性致病菌的研究模型,考察了ddPCR芯片对其基因组DNA的绝对定量能力,结果表明,该ddPCR芯片对VP基因组DNA绝对定量的线性范围宽,可跨越5个数量级(10~1~10~6 copies/μL),定量结果与DNA理论参考浓度间有很好的相关性。     

PCR生物微流体芯片中的表面钝化技术

聚合酶链式反应（polymerase chain reaction,PCR）是一种重要的体外DNA扩增技术,在生物化学、分析化学以及分子生物学等领域中得到广泛的应用．基于微电子机械系统（Microelectromechanical system,MEMS）技术构建而成的PCR生物微流体芯片由于具有反应速度快、样品消耗少以及所占空间体积少等优点而倍受人们亲睐．然而,伴随之较大比表面积以及其所用的裸露衬底材料常常抑制PCR反应,从而导致PCR不能顺利进行．本文结合本试验室的研究工作,综述了PCR生物微流体芯片中为了获得“友善”的PCR扩增体系而采取的表面钝化技术,主要包括表面钝化的必要性、静力学／动力学表面钝化技术以及硅相关材料对PCR抑制的机制等等．