数字聚合酶链式反应技术及其在疾病检测中的研究进展

数字聚合酶链式反应（Digital polymerase chain reaction, d PCR）技术是通过将反应体系均分到数万个独立的PCR反应单元进行单分子级扩增,并结合泊松分布实现单拷贝核酸分子精确定量分析的PCR技术。dPCR技术具有灵敏度高、无需标准曲线等优势,被广泛应用于疾病检测领域。随着阶梯乳化和三维成像等技术的引入,dPCR技术在检测精度、多重检测和检测速度等方面得到极大改进,显著提升了其临床疾病诊断性能。本文追溯了dPCR技术的发展历程,对其在肿瘤和感染等疾病检测中的应用进行了综述,分析了dPCR技术发展存在的挑战与机遇,以期为dPCR技术未来的开发利用提供参考,推动临床检验分子技术高质量发展。     

一种用于核酸高灵敏检测的液滴式数字聚合酶链式反应芯片

为了实现对核酸的高灵敏度检测,构建了一种新型的液滴式数字聚合酶链式反应(dd PCR)芯片.该芯片由产生液滴的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模块和储存液滴的玻璃腔室构成.实验结果表明,该芯片可以在25 min内产生2×106个直径为20μm的微液滴(体积4.187 p L).利用该芯片定量检测了表皮生长因子受体(EGFR)基因第19号外显子,在DNA浓度为106~101copies/μL范围内呈现良好的线性关系(R2=0.9998);在浓度为106copies/μL的19号外显子野生型DNA中检测105~100copies/μL的突变型DNA,其检测敏感度可达到0.0001%.该方法在同一芯片上实现了液滴产生、核酸扩增和荧光信号读取的功能,在核酸绝对定量及痕量突变基因的检测中具有潜在应用前景.     

智能数字聚合酶链式反应系统的开发与应用验证

数字聚合酶链式反应(digital polymerase chain reaction,dPCR)技术可以针对低浓度的目标核酸分子实现精确的绝对定量检测,在各类疾病的检测与治疗方面有着极大应用价值. 针对目前商业数字PCR仪造价昂贵、体积庞大等缺点,基于智能手机与微流控芯片,设计开发了一种低成本、高集成的智能数字PCR设备. 介绍了硬件系统的制作以及整机的整合搭建过程. 采用PID算法,结合温控电路与半导体制冷片等硬件,进行了PCR温度循环的精准控制. 最后,采用自适应阈值分割法对采集到的荧光图像进行了处理,并依据泊松分布的规律对统计结果进行了校正,完成了对PCR反应后采集到荧光图像的结果分析与检测.     

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。     

激光技术在聚合酶链式反应微流控芯片中的应用

评述了激光技术在聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)微流控芯片领域中的应用进展,包括激光技术在PCR微流控芯片微加工、微流体物理参数测量、温度循环控制以及芯片上在线产物检测(包括荧光实时定量/终点和毛细管电泳检测)中的应用。最后,展望了激光技术在未来基于PCR的微全分析系统(micro-total analysis system,μTAS)中的新应用。     

微流控芯片液滴生成与检测技术研究进展

微流控芯片液滴技术是一种操控微小体积液体的新技术,既可实现高通量微观样本的生成及控制,也可进行独立液滴的操作.分散的微液滴单元可作为理想的微反应器,在生物医药中的药物筛选、材料筛选和高附加值微颗粒材料合成领域展现出巨大的应用潜力.液滴微流控芯片是利用流体剪切力的改变,使互不相溶的两相流体在其界面处生成稳定、有序的液滴,...     

一种用于核酸绝对定量检测的高鲁棒性液滴式数字PCR芯片

为满足液滴式数字聚合酶链式反应(PCR)技术对扩增反应过程中稳定保存液滴以及反应后高效检测的核心需求,构建了一种具有过滤气泡和增强荧光信号功能的液滴式数字聚合酶链式反应芯片.该芯片可在10 min内产生20多万个半径约为21μm的液滴.利用"玻璃天花板"的方式构建了独立于芯片主体材料的液滴收集腔,为液滴提供稳定的保存与反应环境;还构建了过滤结构,可有效过滤混入液相中的空气,提高芯片鲁棒性.同时,在液滴收集腔中引入反射层,增强荧光信号,使单个视野荧光成像时间缩短约40%,提高了检测效率.利用该芯片定量检测EGFR基因第21号外显子,检测信号与DNA浓度在10¹～10⁵copies/μL范围内呈现良好的线性关系(R²=0.998).该方案在载玻片大小的芯片上实现了液滴产生、PCR扩增和荧光信号读取,并具有较高的鲁棒性与检测效率,在核酸检测等方面具有应用潜力.     

微流控液滴技术及其应用的研究进展

微液滴具有体积小、比表面积大,速度快、通量高,大小均匀、体系封闭,内部稳定等特性,在药物控释、病毒检测、颗粒材料合成、催化剂等领域中均有重要应用.微流控技术的发展为微液滴生成中实现尺寸规格、结构形貌和功能特性等的可控设计和精确操控提供了全新平台.本文概述了微流控液滴技术的基本原理、液滴生成方式及其基本操控,比较分析了微液滴的传统制备法与微流控合成法的异同,介绍了近年来微流控液滴技术在功能材料合成、生物医学和食品加工等领域中的研究新进展,探讨并展望了微流控液滴技术的潜在价值和未来发展方向.     

连续流动式聚合酶链式反应微流控装置的实验研究

连续流动式聚合酶链式反应(PCR)微流控装置是以低热容量的软薄膜加热器为基础构建3个恒温带,以聚四氟乙烯毛细管微通道为PCR反应体系组建而成。报道了在毛细管微通道中小牛血清蛋白(BSA)动力学表面钝化对PCR扩增的影响,讨论了PCR混合物在毛细管微通道中的流动速度对PCR扩增的影响,在15 m in甚至10 m in内成功扩增了长度为249 bp的人类β-肌动蛋白片断,扩增时间仅10~15 m in,而传统PCR仪则需1~2 h。     

大肠杆菌O157:H7微滴数字PCR定量方法的建立

以大肠杆菌O157：H7(E. coli O157：H7)rfbE基因为靶基因,建立了可对其准确定量的微滴数字PCR( ddPCR)方法。对ddPCR反应中的探针浓度进行了优化,考察了方法的线性范围、精密度、定量限和检出限。最终确定ddPCR 反应中的最佳探针浓度为300 nmol/L。 E. coli O157：H7基因组 DNA 浓度范围为4~1.25×105拷贝/20μL ddPCR反应液时,ddPCR方法线性相关系数( R2)为0.999。当DNA浓度为760~88400拷贝/20μL 时,方法的精密度最好( RSD<5%)。本方法的定量限为4拷贝/20μL,检出限为3拷贝/20μL。特异性验证结果表明,建立的ddPCR方法特异性良好,对13份猪肉、牛肉和鸡肉样品的检测结果与定量PCR方法检出结果一致。     

Continuous‐flow Polymerase Chain Reaction Microfluidics by Using Spiral Capillary Channel Embedded on Copper

Abstract

This paper presents a novel method for performing polymerase chain reaction (PCR) amplification by using spiral channel fabricated on copper where a transparent polytetrafluoroethylene (PTFE) capillary tube was embedded. The channel with 25 PCR cycles was gradually developed in a spiral manner from inner to outer. The durations of PCR mixture at the denaturation, annealing and extension zones were gradually lengthened at a given flow rate, which may benefit continuous‐flow PCR amplification as the synthesis ability of the Taq polymerase enzyme usually weakens with PCR time. Successful continuous‐flow amplification of DNA fragments has been demonstrated. The PCR products of 249, 500 and 982 bp fragments could be obviously observed when the flow rates of PCR mixture were 7.5, 7.5 and 3.0 mm s^?1, respectively, and the required amplification times were about 25, 25, and 62 min, respectively. Besides, the successful segmented‐flow PCR of three samples (249, 500 and 982 bp) has also been reported, which demonstrates the present continuous‐flow PCR microfluidics can be developed for high‐throughput genetic analysis.     

连续流动式聚合酶链式反应芯片的设计进展

介绍了PCR的概念以及微型PCR芯片的优点，着重介绍连续流动式PCR(continuous-flow PCR)芯片／微装置的一般原理、串行流动及其设计进展。     

A Universal Polymerase Chain Reaction Developer

The versatility of PCR, the gold standard for amplification of DNA targets, is hampered by the laborious, multi‐step detection based on gel electrophoresis. We propose a one‐step, one‐tube method for the rapid (5 min) naked‐eye detection of PCR products, based on controlled aggregation of gold nanoparticles. Our method is universal, instrument‐free, and ultra‐sensitive, as it could detect as low as 0.01 zeptomoles of HIV template DNA in an excess of interfering human genomic DNA.     

One-Step Nucleic Acid Purification and Noise-Resistant Polymerase Chain Reaction by Electrokinetic Concentration for Ultralow-Abundance Nucleic Acid Detection

Nucleic acid amplification tests (NAATs)integrated on a chip hold great promise for point-of-care diagnostics. Currently, nucleic acid (NA) purification remains time-consuming and labor-intensive, and it takes extensive efforts to optimize the amplification chemistry. Using selective electrokinetic concentration, we report one-step, liquid-phase NA purification that is simpler and faster than conventional solid-phase extraction. By further re-concentrating NAs and performing polymerase chain reaction (PCR) in a microfluidic chamber, our platform suppresses non-specific amplification caused by non-optimal PCR designs. We achieved the detection of 5 copies of M. tuberculosis genomic DNA (equaling 0.3 cell) in real biofluids using both optimized and non-optimal PCR designs, which is 10- and 1000-fold fewer than those of the standard bench-top method, respectively. By simplifying the workflow and shortening the development cycle of NAATs, our platform may find use in point-of-care diagnosis.     

微流控PCR芯片的研究进展

基因是人类的遗传密码,人类个体之间只有万分之一的基因不相同,却导致了人与人之间丰富的差异.了解这种差异对于科学研究具有巨大的应用价值.PCR是基因研究中常用的手段之一,但传统PCR仪存在反应时间长、能量消耗大、不便于集成与携带等缺陷,微流控技术与PCR结合可以有效缩小反应体系,提高反应效率,且易于集成化与微型化.本文按照微流控PCR芯片的结构分类,详细介绍了微池型、连续流动型PCR芯片,以及电泳、荧光、电化学和DNA杂交阵列等检测方法,并在最后进行了总结与展望.     

纳米材料在聚合酶链式反应体系中的应用研究进展

聚合酶链式反应(PCR)技术是现代分子生物学核心技术之一,研究提高PCR扩增效率的方法具有重要意义。传统提高PCR扩增效率的方法具有较多局限性,使得PCR扩增仍不能达到理想的效果。随着纳米技术的发展,纳米材料具有特殊的表面效应和尺寸效应,表面能进行多种修饰,易与生物大分子蛋白质、核酸等相互作用,对生物分子的结构和功能产生特别的影响。研究利用纳米材料来提高PCR扩增效率的技术和方法,具有非常重要的理论意义和应用价值。本文引用文献41篇,综述了近年来纳米材料在PCR体系中应用的现状,并展望了今后纳米材料在PCR体系中应用的发展方向及其前景。