CN104877990A - 一种高通量的连续性核酸扩增检测联用装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高通量的连续性核酸扩增检测联用装置及方法。其扩增与检测方法如下：使PCR反应物料沿毛细管流动，通过毛细管外部设置的多个温控区域对反应物料的温度进行调节，使PCR反应物料依次经过变性、退火、延伸过程，完成PCR扩增反应。由收集模块对扩大后的样本进行分批收集并且置于待检测区域；检测模块对收集的样品进行分析，主要的过程如下：待分析的生物样品通过电泳方式进入毛细管整列并且按照分子量或者体积的大小在毛细管中排列，通过检测模块对毛细管进行扫描并且记录结果，生物样品可以通过标记荧光物质或者对特定波长的光的吸收被检测模块感知，检测完毕后样品载体分批存放。

Description

一种高通量的连续性核酸扩增检测联用装置及方法

技术领域

本发明提供了一种PCR扩增反应及检测用的装置，属于生化设备技术领域。

背景技术

DNA的半保留复制是生物进化和传代的重要途径。双链DNA在多种酶的作用下可以变性解旋成单链，在DNA聚合酶的参与下，根据碱基互补配对原则复制成同样的两分子挎贝。DNA在高温时也可以发生变性解链，当温度降低后又可以复性成为双链。因此，通过温度变化控制DNA的变性和复性，加入设计引物，DNA聚合酶、dNTP就可以完成特定基因的体外复制。

PCR(聚合酶链式反应)是利用DNA在体外摄氏95°高温时变性会变成单链，低温(经常是60℃左右)时引物与单链按碱基互补配对的原则结合，再调温度至DNA聚合酶最适反应温度(72℃左右)，DNA聚合酶沿着磷酸到五碳糖(5′-3′)的方向合成互补链。基于聚合酶制造的PCR仪实际就是一个温控设备，能在变性温度，复性温度，延伸温度之间很好地进行控制。

自perkin-elmercetus公司第一台pcr扩增仪问世以来，现已有几十家不同的厂家在国内外生产和销售pcr扩增仪。在短短的几年间，扩增仪经过几代的发展，不断采用新技术，并且进一步朝方便、实用、高智能化和自动化的方向发展。PCR技术的基本原理类似于DNA的天然复制过程，其特异性依赖于与靶序列两端互补的寡核苷酸引物。PCR由变性--退火--延伸三个基本反应步骤构成：①模板DNA的变性：模板DNA经加热至93℃左右一定时间后，使模板DNA双链或经PCR扩增形成的双链DNA解离，使之成为单链，以便它与引物结合，为下轮反应作准备；②模板DNA与引物的退火(复性)：模板DNA经加热变性成单链后，温度降至55℃左右，引物与模板DNA单链的互补序列配对结合；③引物的延伸：DNA模板--引物结合物在TaqDNA聚合酶的作用下，以dNTP为反应原料，靶序列为模板，按碱基互补配对与半保留复制原理，合成一条新的与模板DNA链互补的半保留复制链，重复循环变性--退火--延伸三过程就可获得更多的“半保留复制链”，而且这种新链又可成为下次循环的模板。每完成一个循环需2～4分钟，2～3小时就能将待扩目的基因扩增放大几百万倍。

毛细管电泳(capillary electrophoresis，CE)又叫高效毛细管电泳(HPCE)，是近年来发展最快的分析方法之一。1981年Jorgenson和Lukacs首先提出在75μm内径毛细管柱内用高电压进行分离，创立了现代毛细管电泳。1984年Terabe等建立了胶束毛细管电动力学色谱。1987年Hjerten建立了毛细管等电聚焦，Cohen和Karger提出了毛细管凝胶电泳。1988～1989年出 现了第一批毛细管电泳商品仪器。短短几年内，由于CE符合了以生物工程为代表的生命科学各领域中对多肽、蛋白质(包括酶，抗体)、核苷酸乃至脱氧核糖核酸(DNA)的分离分析要求，得到了迅速的发展。

目前PCR技术虽然的到了很大的发展，但是所有的PCR反应都必须在PCR反应管中实现，这样，单独的PCR反应的体系就不能超过200微升，这就限制了特定基因的大量制备；同时，目前的PCR仪器扩大扩增的通量主要依靠增大反应的孔的数目，目前高通量的PCR仪器已经做到了384孔，可以同时扩增或者定量384个样品，但是面对上千或者上万的样品的扩增和检测，就比较困难了；传统PCR反应时间通常为2小时以上，这其中大部分的时间被用在温度的变化上。同时毛细管检测技术(CE)实现了高通量检测，并且实现了自动化的操作，但是，在与大规模的核酸制备检测联用方面并没有先例。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术当中PCR扩增操作步骤繁琐、扩增量受到限制、无法连续操作的问题，提供了一种具有高通量的连续性PCR扩增方法，并且与毛细管检测技术联用，实现了样本的高通量制备并且检测，采用了如下的技术方案：

一种高通量的连续性核酸扩增检测方法，包括如下步骤：使PCR反应物料沿毛细管流动，通过毛细管外部设置的多个温控区域对反应物料的温度进行调节，使PCR反应物料依次经过变性、退火、延伸过程，完成PCR扩增反应，扩增反应的产物通过收集进入收集器，进而进行之后的毛细管分析检测。分析数据被收集，可以对样本进行数据的分析。

该技术方案基于如下原理：PCR扩增一般是分为三个过程，变性、退火、延伸，每个过程所需要的温度和时间都不相同，当PCR反应物料沿着毛细管流动时，会依次由多个温控区域对其进行变温，因此将这些温控区域分别设置为所需要的变性、退火、延伸温度时，即能实现物料的PCR反应；另外，由于反应物料是沿着毛细管中流动的，所以物料会依次进入到变性、退火、延伸区域，当完成这一段流动时，就完成了一个反应循环，如果多次通过变性、退火、延伸温控区域时，就完成了多个PCR反应循环，当物料流出毛细管时，即得到了反应完成的物料。

同时，毛细管电泳所用的石英毛细管柱，在一定的pH值情况下，其内表面带负电，与缓冲液接触时形成双电层，在高压电场作用下，形成双电层一侧的缓冲液由于带正电而向负极方向移动，从而形成电渗流。同时，在缓冲溶液中，带电粒子在电场作用下，以各自不同速度向其所带电荷极性相反方向移动，形成电泳。带电粒子在毛细管缓冲液中的迁移速度等于电泳和电渗流的矢量和。各种粒子由于所带电荷多少、质量、体积以及形状不同等因素引起迁移速度不同而实现分离。

作为对上述方法的改进，温控区域的长度是可调节的。对于不同的PCR反应，其变性、退火、延伸所需的时间是不同的，如果温控区域的长度可调，则可以调节反应物料在温控区域内的停留时间，以此来实现反应时间的改变。

作为对上述方法的改进，温控区域之间依次排布并首尾相连构成闭合结构，毛细管是沿着闭合的温控结构缠绕。采用这样的结构时，就可以避免使用较多的温控装置，毛细管在温控区域组成的闭合结构上可以多次经过，即相当于多次进行了PCR扩增循环，而且在实际使用时，循环次数也较容易控制，将毛细管绕不同圈数的时候，就可以实现不同的循环次数。在使用时，毛细管的入口是设置于执行变性反应温度的温控区域上，毛细管的出口是设置于执行延伸反的温控区域上，此时，毛细管中的反应物刚被温控区域进行温度调整时，即进行了变性反应，最后当完成了最后一个循环的延伸反应后，离开毛细管。

作为对上述方法的改进，温控区域共有3个。将这3个温控区域首尾连接，每个区域分别属于变性、退火、延伸段，成一个闭合环时，毛细管每绕一圈，就是相当于一个PCR循环。

作为对上述方法的改进，在毛细管的入口处间隔加入反应物和隔离流体；所述的隔离流体是指与反应物不混溶的气体或者液体。通过这样的改进手段，可以利用隔离流体将反应物分隔为许多个小段，那么就可以实现不同的反应体系的同时扩增，例如：如果要对不同的DNA样本进行扩增时，可以将这些DNA样本加入到同一种反应液中，然后用隔离流体将这些反应体系分隔开，那么就实现了同时扩增不同来源的DNA样本；如果想要考察不同反应液对于扩增反应的影响时，可以配制不同的反应液，然后加入相同的DNA样本，就可以实现这些对于不同反应液的扩增性能的考察。隔离流体一般情况下，可以选用空气、惰性气体(氮气、氦气等)，也可以是与反应液不相溶的液体等。

作为对上述方法的改进，将毛细管的检测单元与之前的制备单元结合起来，实现高通量制备检测联用。

作为对上诉方法的改进，毛细管阵列作为样品检测的主要的部件，通过传输模块与PCR反应样品连接。毛细管阵列可以自动化灌胶、清洗以及电泳分析。

作为对上诉方法的改进，毛细管上方有水平扫描的光敏元件，与毛细管下方的全波段的光谱发生装置配合，实现对毛细管中的生物大分子的记录。

技术效果

本发明提供的高通量、连续性的PCR扩增及检测联用方法和装置可以实现大批量的反应体系的连续性的扩增及实时检测，避免了传统的扩增方法需要反复调节温度并且大规模检测的问题，提高了工作效率，而且可以实现多个反应体系或者多个样本的同时扩增和检测。

附图说明

图1是普通的PCR扩增过程的温度变化图。

图2是PCR扩增装置一种实施方式的结构示意图。

图3是PCR扩增装置另一种实施方式的结构示意图。

图4是PCR扩增装置的输入管路的结构示意图。

图5是PCR扩增装置的输入、反应、检测部件连接的结构示意图。

图6是PCR扩增装置检测联用装置整机结构视图。

图7是PCR扩增装置检测联用装置整机结构视图。

图8是PCR扩增装置检测联用装置整机结构视图。

具体实施方式

普通的PCR扩增过程的温度和时间变化如图1所示。分为变性、退火、延伸过程，每个过程都有各自的时间和温度。

本发明提供的PCR扩增装置的核心结构模块如图2所示，是由三个温控区域21组成，这三个温控区域依次排布并且首尾相连成闭合环状结构，温控区域由分别执行变性、退火、延伸的步骤，在使用时分别将这些区域的温度设置为所需的反应温度即可，毛细管11缠绕于温控区域21构成的环状结构的外侧，毛细管入口16设置于执行变性反应的温控区域，毛细管出口17设置于执行延伸反应的温控区域，采用的是泵。

在图1中，执行变性、退火、延伸的3个温控区域21环绕成圆形，毛细管11在这个圆形的温控区域上缠绕，根据PCR反应需要的循环次数，可以将环绕的圈数设定为循环次数，PCR扩增的反应物(模板、引物、dNTP、水，聚合酶等)在温控区域上环绕一圈就是相当于一个扩增循环，毛细管入口16处是设置于执行变性步骤的温控区域上，毛细管出口17设置于执行延伸步骤的温控区域上，相当于可以使反应物料从变性开始进行反应，至离开毛细管出口17时刚好完成延伸反应，物料在圆形的温控区域外循环的圈数即是PCR反应循环次数。

另外，通过改变温控区域的长度，就可以调整PCR反应的时间。为了使长度更易调节，温控区域最好是按照图3这样的结构，温控区域是由许多独立的温控单元13组成，即可以将温控区域“微分化”，通过改变这些温控单元的温度，就能使温控区域的长度得到调整，比如：将某一段温度相同的温控单元的数量增加，就相当于使这一段温控区域得到了加长。

毛细管11的入口是需要连接于原料供应装置的，如图4所示，在毛细管11的入口处连接有泵8，泵8不断地将原料通过原料输送管20输送入毛细管11，原料输送管20可以包括有多根，并且同时连接于毛细管11的同一位置上，这样就可以实现同时将多股物料混合后输送进毛细管11。在本实施例中，在原料输送管20与毛细管11相连接的位置上还通过空气输 送管19连接于一个空气泵18，当原料输送管20连续向毛细管11内输送原料时，空气泵18间歇性的向毛细管11中输入空气，就可以将毛细管11中的物料通过空气间隔分为多个反应段，各个段中如果加入不同的DNA样本，就可以实现多个样本的同时连续扩增；也可以通过在原料输送管20中依次加入不同的反应液，并由空气泵的间歇性供给，实现通过空气将这些具有不同组成的反应液隔离开的效果，进而可以实现不同反应体系的同时连续性扩增，可以用这种方法考察反应中某一原料对扩增反应结果的影响。

如图5，在毛细管11上，还可以安装有一个光路检测系统，检测样品经过此位置时的状态，给出信号，样品经过扩增系统扩增后，并且光路检测系统给控制系统指令，收集系统对样品收集。在实际应用时，反应体系中加入荧光染料，通过微流控技术将特定的分隔介质(气体、不溶性的液体等)按照要求注入毛细管中，将PCR反应体系分隔开，再将需要PCR反应体系的某些成分加入这个小的反应体系中，通过毛细管和圆盘组成的反应系统，在毛细管上增加荧光加测传感器，因为微反应体系的数量可以控制，所以可以实现很高通量的荧光定量PCR反应的扩增。

如图6，扩增单元1中包含数个扩增用毛细管，扩增产物通过机械手臂6带动收集板收集产物，收集完毕后收集板置于收集槽3中，机械手臂7将带有待分析样的收集板从收集槽3中取出，置于分析毛细管5加样口位置上样，分析完毕后，收集板被机械手臂7取出，置于收集槽4中。整个系统位于底座2上。

如图7，马达22可以带动机械手臂沿设备前后方向移动，将分析完的样品板从分析区取出，置于收集槽4中。控温单元9能够保证反应系统的温度恒定在一个值，10、盖板14、15是收集槽侧门，方便使用者打开更换里面的样品的。

如图8，机械手臂将收集板从样品槽28处取出，将其置于PCR反应产物收集区23处收集，收集之后进入收集槽3中，之后被机械收集从收集槽3中取出样品板，置于分析区24处进行毛细管分析，分析完毕后取出，置于收集槽4中，保温模块25保证毛细管阵列在分析过程中的温度。水平方向电机26提供机械手臂在水品方向上的移动动力，27为一个托盘，主要是提供更换缓冲液的空间。

Claims (10)

1.一种高通量的连续性核酸扩增方法，包括如下步骤：使PCR反应物料沿毛细管流动，通过毛细管外部设置的多个温控区域对反应物料的温度进行调节，使PCR反应物料依次经过变性、退火、延伸过程，完成PCR扩增反应。

2.根据权利要求1所述的高通量的连续性核酸扩增方法，其特征在于：所述的温控区域的长度是可调节的。

3.根据权利要求1所述的高通量的连续性核酸扩增方法，其特征在于：温控区域之间依次排布并首尾相连构成闭合结构，毛细管是沿着闭合的温控结构缠绕。

4.根据权利要求1所述的高通量的连续性核酸扩增方法，其特征在于：所述的在毛细管的入口处间隔加入反应物和隔离流体；所述的隔离流体是指与反应物不混溶的气体或者液体。

5.根据权利要求1所述的高通量的连续性核酸扩增方法，其特征在于：在毛细管上还设置有检测装置。

6.一种高通量的连续性核酸扩增检测联用装置，其特征在于：所述的毛细管上还设置有检测联用装置，将毛细管的检测单元与之前的制备单元结合。

7.根据权利要求1所述的高通量的连续性核酸扩增检测联用装置，其特征在于：扩增单元1中包含数个扩增用毛细管，扩增产物通过机械手臂6带动收集板收集产物，收集完毕后收集板置于收集槽3中，机械手臂7将带有待分析样的收集板从收集槽3中取出，置于分析毛细管5加样口位置上样，分析完毕后，收集板被机械手臂7取出，置于收集槽4中。整个系统位于底座2上。

8.根据权利要求1所述的高通量的连续性核酸扩增检测联用装置，其特征在于：马达22可以带动机械手臂沿设备前后方向移动，将分析完的样品板从分析区取出，置于收集槽4中。

9.根据权利要求1所述的高通量的连续性核酸扩增检测联用装置，其特征在于：机械手臂将收集板从样品槽28处取出，将其置于PCR反应产物收集区23处收集，收集之后进入收集槽3中，之后被机械收集从收集槽3中取出样品板，置于分析区24处进行毛细管分析，分析完毕后取出，置于收集槽4中，保温模块25保证毛细管阵列在分析过程中的温度。水平方向电机26提供机械手臂在水品方向上的移动动力，27托盘提供更换缓冲液的空间。

10.根据权利要求6所述的一种高通量的连续性核酸扩增检测联用装置，其特征在于：所述的毛细管上还设置有荧光检测器。