[发明专利]集成核酸分析系统和测量样本中的目标核酸的方法

说明书

本发明提供一种集成核酸分析系统和测量样本中的至少一个目标核酸的方法。集成核酸分析系统包括至少一个DMF器件，DMF器件包括底板、盖板和用于对DMF器件中的样本执行包括核酸的磁珠提取、纯化、热扩增和光学测量等一系列操作的仪器。本发明提供了基于数字微流控技术对生物样本进行核酸提取和纯化、扩增、以及检测的仪器、器件和方法，其中的核酸提取和纯化是基于磁珠法，利用仪器将磁珠在数字微流控芯片上移动的不同功能区域，例如裂解槽、清洗槽、洗脱槽来实现。本发明将样本处理和检测集成在同一张微流芯片上，整个检测操作过程由相应的仪器自动完成。其优势是减少人工操作的失误、降低交叉污染、提高检测速度等。

技术领域

本发明涉及生物检测技术领域，具体涉及一种集成核酸分析系统和测量样本中的至少一个目标核酸的方法。本发明利用数字微流控器件(Digital Microfluidics，简称DMF器件)实现核酸的磁珠法提取、纯化、扩增及测量的集成。

背景技术

生物样本在进行检测分析前，通常需要经过一系列的机械、热、电、磁、光或化学处理步骤。在现代生命科学和医学诊断应用中，磁珠常用于样本处理，例如分析物的提取、分离和纯化。在提取过程中，目标分析物通过化学特异性结合在磁珠表面，使用移液管或让液体流过被磁铁固定的磁珠，去除不需要的颗粒或液体，可以实现分离或纯化。利用磁铁，磁珠也可以被聚焦，并从其原始的液体环境移开，以去除不需要的颗粒或液体。磁珠经常被用作核酸、抗原抗体、催化剂和蛋白质的载体，并广泛应用于DNA分离、mRNA纯化、蛋白质纯化、细胞分离、免疫测定、生物分子捕获等。

用于生化处理和分析的仪器有很多。当使用这些仪器时，生化反应所需样本或试剂有很大比例都不参与反应或测量，因而被浪费。在数字微流控(DMF)体系中，死体积(加入体系但不参与反应和检测的液体体积)可以显著减少，有时甚至可以减少到零。这意味着实验所需的样本或试剂的量就是测量的量。这不仅大大降低了样本和试剂的使用成本，因为较小的反应体积可以缩短试剂和样本的混合时间，检测分析所需的时间也因此可以大大缩短。

当前许多生化分析系统中需要大量手动处理步骤。与此相比，基于数字微流控的系统(仪器、装置和方法等)可以提供高度的集成度和自动化，这可以大大减少可能的人为错误，并可以大大提高检测的可靠性和数据质量。

在基于液滴的数字微流控系统中，液体以离散的格式(液滴)在二维空间中被操控，液滴可以单独的被操控，这就是被称为数字微流控的原因。在DMF器件中，液滴的运行路径可以在运行时定义，并可以动态更改。与通常的压力驱动(通过外部泵)或电动驱动(通过高压)基于通道的微流控相比，DMF器件仅需要低电压即可控制其中的液滴。数字微流控中的驱动力基于静电效应，例如电润湿或介电泳，这个静电效应和待检的生物样本通常没有相关性，这使得数字微流控系统的设计和具体的检测项目独立，因而具有比较好的通用性。

近年来，数字微流控技术由于具有处理单个液滴的能力，以及容易做到小型化、集成化和自动化等优点，吸引了广泛的关注。数字微流控技术减少了试剂的使用量、简化了实验步骤、缩短了检测时间，具有很大的优越性。

聚合酶链反应(Polymerase Chain Reaction,或PCR)从根本上改变了科学领域，作为一种成熟的方法，PCR需要对反应体系重复加热和制冷的循环，这个反应体系包含有特定DNA引物、dNTP(deoxy-ribonucleoside triphosphate，脱氧核糖核苷三磷酸)、热稳定DNA聚合酶(如Taq DNA聚合酶)等，以对可能有的目标DNA分子每个温度循环都会使目标DNA分子的数量增加一倍，从而导致目标序列的指数积累。该技术将样本中的微量DNA或RNA扩增到可以测量和分析的水平。PCR技术已应用于许多不同领域，包括病毒载量测试，食源性病原体定量，临床诊断，耐药性分析和法医科学。利用PCR技术，医生和研究人员可以通过分析一个单细胞来确定病毒感染的来源。现在可以使用PCR检测到许多传染性生物，例如COVID-19，HIV-1，乙型肝炎，丙型肝炎，SARS病毒，西尼罗河病毒，结核分枝杆菌等。