CN109085124B - Dna变性复性检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种DNA变性复性检测系统及方法，利用DNA变性解旋成为单链、复性恢复双螺旋过程中的旋光性变化，使偏振光的方向发生偏转而产生偏转角，通过弱测量系统将所述偏转角放大并输出平行光，通过光谱仪采集平行光的光谱数据后输入计算机中，通过计算和分析输出光谱的中心波长移动就能得到所述待测DNA系统中的DNA分子变性或复性的状态信息。本发明对于所有DNA分子包括没有荧光标记以及不能荧光标记的DNA分子都能进行状态检测，具有普适性；而且在光路中进行检测可以实现实时观测，不用将DNA液体取出，不影响DNA变化过程，可以方便而广泛地应用在DNA变性、复性过程中的检测，具有比较大的应用前景。

Description

DNA变性复性检测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种DNA变性复性检测系统及方法。
背景技术
聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，简称PCR)是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术，其广泛应用于疾病诊断、法医学和考古学等领域。其中，DNA的变性和复性过程是PCR技术中的关键步骤。DNA变性是指核酸双螺旋碱基对的氢键断裂，碱基间的堆积力遭到破坏，双链变成单链，使核酸的天然构象和性质发生改变，凡能破坏双螺旋稳定的因素，例如加热、极端的pH、有机试剂均可引起核酸分子变性。而DNA复性是指变性DNA在适当条件下，二条互补链全部或部分恢复到天然双螺旋结构的现象，它是变性的一种逆转过程。现有技术通常采用荧光染料或荧光标记的特异性的探针，对PCR产物进行标记跟踪，通过检测荧光物质的信号位置，并结合相应的软件分析可以获取DNA变性、复性的状态信息。但该检测方法对未用荧光标记或不能用荧光标记的DNA双链并不适用。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种对于所有DNA分子都能进行变性复性检测的DNA变性复性检测系统及方法。
本发明提供一种DNA变性复性检测系统，包括：
光源系统，用于提供激光；
弱测量系统，位于所述光源系统的光路上，用于接收所述光源系统发出的激光并变换为偏振光；
待测DNA系统，位于所述弱测量系统内部的光路上，所述偏振光通过容置于所述待测DNA系统中的DNA分子时发生偏转并产生偏转角，所述弱测量系统使所述偏转角放大并输出平行光；
光谱仪，位于所述弱测量系统的光路上，用于接收所述弱测量系统发出的平行光，并采集平行光的光谱数据；
计算机，与所述光谱仪电连接，用于接收和计算从所述光谱仪输出的光谱数据，并显示输出光谱的中心波长移动，根据输出光谱的中心波长移动得到所述待测DNA系统中的DNA分子变性或复性的状态信息。
进一步地，所述弱测量系统包括前选择偏振片和后选择偏振片，所述前选择偏振片位于所述光源系统与所述待测DNA系统的光路上，所述后选择偏振片位于所述待测DNA系统与光谱仪之间的光路上，所述前选择偏振片和后选择偏振片的偏振方向趋于正交。
进一步地，所述光源系统包括超辐射发光二极管和第一准直透镜，所述超辐射发光二极管用于向所述弱测量系统发射激光，所述第一准直透镜用于使所述超辐射发光二极管发出的激光变换为平行光。
进一步地，所述光源系统还包括高斯滤光片，所述高斯滤光片位于所述第一准直透镜与前选择偏振片之间的光路上，所述高斯滤光片用于使从所述第一准直透镜发出的平行光变换为高斯光束并入射所述前选择偏振片。
进一步地，所述弱测量系统还包括相位调制器，所述相位调制器用于调节所述弱测量系统的灵敏度。
进一步地，所述弱测量系统还包括第二准直透镜，所述第二准直透镜位于所述后选择偏振片与光谱仪之间的光路上，所述第二准直透镜用于使所述后选择偏振片发出的偏振光变换为平行光。
进一步地，所述待测DNA系统包括DNA样品池，所述DNA样品池用于容纳待测的DNA溶液，所述DNA样品池为透明状以使所述弱测量系统发出的偏振光透过。
本发明还提供一种DNA变性复性检测方法，使用所述的DNA变性复性检测系统，所述DNA变性复性检测方法包括如下步骤：
通过光源系统向弱测量系统发射激光；
所述弱测量系统接收所述光源系统发出的激光，并将激光变换为偏振光；
所述弱测量系统将所述偏振光通过容置于所述待测DNA系统中的DNA分子后产生的偏转角放大并输出平行光；
光谱仪接收从所述弱测量系统发出的平行光，并采集平行光的光谱数据；
计算机接收和计算从所述光谱仪输出的光谱数据，并显示输出光谱的中心波长移动，且根据输出光谱的中心波长移动得到所述待测DNA系统中的DNA分子变性或复性的状态信息。
进一步地，所述弱测量系统包括前选择偏振片和后选择偏振片，通过调节所述前选择偏振片和后选择偏振片的偏振方向趋于正交。
进一步地，所述光源系统包括超辐射发光二极管、第一准直透镜和高斯滤光片，通过所述超辐射发光二极管向所述弱测量系统发射激光，通过所述第一准直透镜使所述超辐射发光二极管发出的激光变换为平行光，通过所述高斯滤光片使从所述第一准直透镜发出的平行光变换为高斯光束并入射所述前选择偏振片。
与现有技术相比，本发明提供的DNA变性复性检测系统及方法，利用DNA变性解旋成为单链、复性恢复双螺旋过程中的旋光性变化，使偏振光的方向发生偏转而产生偏转角，通过弱测量系统将所述偏转角放大并输出平行光，通过光谱仪采集平行光的光谱数据后输入计算机中，通过计算和分析输出光谱的中心波长移动就能得到所述待测DNA系统中的DNA分子变性或复性的状态信息。本发明对于所有DNA分子包括没有荧光标记以及不能荧光标记的DNA分子都能进行状态检测，具有普适性；而且在光路中进行检测可以实现实时观测，不用将DNA液体取出，不影响DNA变化过程，因此这样的透射式非干扰式测量不会对于DNA溶液本身带来任何影响，可以方便而广泛地应用在DNA变性、复性过程中的检测，具有比较大的应用前景。
附图说明
图1为本发明的一实施例提供的DNA变性复性检测系统的结构示意图。
图2为本发明的一实施例提供的输出光谱的中心波长移动和DNA旋光度的理论拟合关系图。
图3A为本发明的一实施例提供的强碱性溶液中解旋的DNA分子使偏振光产生角度偏转的示意图。
图3B为本发明的一实施例提供的强酸性溶液中解旋的DNA分子使偏振光产生角度偏转的示意图。
图4为本发明的一实施例提供的在不同PH条件下的DNA液体对应的输出光谱的中心波长移动响应曲线图。
主要元件符号说明：
Figure BDA0001707146430000041
Figure BDA0001707146430000051
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的技术手段的名称只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图1，本发明一实施例提供一种DNA变性复性检测系统100，包括：光源系统10、弱测量系统20、待测DNA系统30、光谱仪8和计算机9。所述弱测量系统20位于所述光源系统10的光路前方，所述待测DNA系统30位于所述弱测量系统20内部的光路上，所述光谱仪8位于所述弱测量系统20的光路前方，所述计算机9与所述光谱仪8之间电连接。所述光源系统10为所述弱测量系统20提供激光。所述弱测量系统20接收所述光源系统10发出的激光并变换为偏振光。所述偏振光通过容置于所述待测DNA系统30中的DNA分子时，由于DNA分子变性或复性而引起的旋光性变化使偏振光的方向发生偏转从而产生偏转角，所述弱测量系统20使所述偏转角放大并输出平行光。所述光谱仪8接收所述弱测量系统20发出的平行光，并采集平行光的光谱数据，后向所述计算机9输送光谱数据。所述计算机9接收和计算从所述光谱仪8输送来的光谱数据，并显示输出光谱的中心波长移动，根据输出光谱的中心波长移动得到所述待测DNA系统30中的DNA分子变性和复性的状态信息。
所述光源系统10包括超辐射发光二极管1和第一准直透镜2，所述第一准直透镜2位于超辐射发光二极管1的光路前方，优选地，所述超辐射发光二极管1与第一准直透镜2之间通过光纤连接。所述超辐射发光二极管1用于向所述弱测量系统20和待测DNA系统30发射宽带、高亮度、高稳定性的激光。所述第一准直透镜2用于使所述超辐射发光二极管1发出的激光变换为平行光。
所述光源系统10还包括高斯滤光片3，所述高斯滤光片3位于所述第一准直透镜2与前选择偏振片4之间的光路上。所述高斯滤光片3用于使从所述第一准直透镜2透过的平行光变换为高斯光束并入射所述弱测量系统20。
所述弱测量系统20包括前选择偏振片4和后选择偏振片6，所述前选择偏振片4位于所述光源系统10与所述待测DNA系统30之间的光路上，所述后选择偏振片6位于所述待测DNA系统30与光谱仪8之间的光路上。
从所述高斯滤光片3发出的高斯光束入射所述前选择偏振片4，所述前选择偏振片4将高斯光束转换为偏振光，并前选择出偏振光的前选择态。从所述前选择偏振片4发出的偏振光穿透所述待测DNA系统30后，由于DNA分子发生变性或复性引起旋光性变化会使偏振光的方向发生偏转产生偏转角，随后发生了偏转的偏振光继续入射所述后选择偏振片6，所述后选择偏振片6后选择出偏振光的后选择态。通过使所述前选择偏振片4和后选择偏振片6的偏振方向趋于正交，使得前选择态与后选择态趋于正交又不完全正交，以使所述偏转角放大。
偏振光分为左旋偏振光和右旋偏振光，所述弱测量系统20的工作区间较窄，当左旋偏振光和右旋偏振光之间的相位差落入所述弱测量系统20的工作区间内时，所述弱测量系统20对中心波长移动的响应最灵敏。因此，所述弱测量系统20还包括所述相位调制器5，所述相位调制器5的作用在于将左旋偏振光和右旋偏振光之间的相位差调制到所述弱测量系统20的工作区间内。
所述弱测量系统20还包括第二准直透镜7，所述第二准直透镜7位于所述后选择偏振片6与光谱仪8之间的光路上，所述第二准直透镜7用于使所述后选择偏振片6发出的偏振光变换为平行光，从所述第二准直透镜7发出的平行光通过光纤向所述光谱仪8输送。
所述待测DNA系统30包括DNA样品池，所述DNA样品池用于容纳待测的DNA溶液，所述DNA样品池为透明状以使所述弱测量系统20发出的偏振光透过。
本发明还提供一种DNA变性复性检测方法，其使用所述的DNA变性复性检测系统100，所述DNA变性复性检测方法包括如下步骤：
通过光源系统10向弱测量系统20发射激光；
所述弱测量系统20接收所述光源系统10发出的激光，并将激光变换为偏振光；
所述弱测量系统20将所述偏振光通过容置于所述待测DNA系统中的DNA分子后产生的偏转角放大并输出平行光；
光谱仪8接收从所述弱测量系统20发出的平行光，并采集平行光的光谱数据；
计算机9接收和计算从所述光谱仪8输送来的光谱数据，并显示输出光谱的中心波长移动，且根据输出光谱的中心波长移动得到所述待测DNA系统30中的DNA分子变性或复性的状态信息。
具体地，首先通过超辐射发光二极管1发射宽带、高亮度、高稳定性的激光，接着通过所述第一准直透镜2将所述超辐射发光二极管1发出的激光转换成平行光，再通过所述高斯滤光片3将从所述第一准直透镜2透过的平行光变换为高斯光束。高斯光束入射所述前选择偏振片4后转换为偏振光，偏振光穿透所述待测DNA系统30后，由于DNA分子发生变性或复性引起旋光性变化使偏振光的方向发生偏转产生偏转角，随后发生了偏转的偏振光继续入射所述后选择偏振片6，所述后选择偏振片6后选择出偏振光的后选择态。通过使所述前选择偏振片4和后选择偏振片6的偏振方向趋于正交，使得前选择态与后选择态趋于正交又不完全正交，以使所述偏转角放大。所述第二准直透镜7将所述后选择偏振片6发出的偏振光变换为平行光后通过光纤向所述光谱仪8输送，所述光谱仪8采集从所述第二准直透镜7输送来的平行光的光谱数据并输送至计算机9，通过计算机9计算输出光谱的中心波长移动，根据输出光谱的中心波长移动得到所述待测DNA系统30中的DNA分子变性和复性的状态信息。
其中，所述偏转角与DNA液体的旋光性变化正相关，两者之间的关系可以定量描述为[α]＝100α/l·C，在式中，[α]代表DNA的比旋光度，α代表偏转角，l代表DNA溶液与入射光相互作用长度，C是已经解旋的DNA溶液浓度，其单位是10克/升。而所述出射光的中心波长移动与所述偏转角的关系式表述为：
Figure BDA0001707146430000081
式中δλ代表出射光的中心波长的移动，λ0代表入射光的波长，Δλ代表入射光的带宽，ImΑw代表弱值的虚部，α代表偏转角。当β0+β＝1.555π时，出射光的中心波长移动和DNA液体的旋光度拟合关系如图2所示。因此，不同解旋状态的DNA可能产生不同的旋光度，这可以通过输出光谱的中心波长移动来检测。从图2可以看出，在这个区间，出射光的中心波长移动与DNA样品的旋光度成线性关系。而且对于旋光度不同的分子，出射光的中心波长移动是不同的，左旋和右旋手性分子的出射光的中心波长移动方向是相反的。因此，DNA样品的旋光性强度变化可以从计算机9显示的出射光的中心波长移动看出，而且手心中心的突然转变也是可以直接观察到的。如图3A所示，强碱性溶液中解旋的DNA分子使得入射光的前选择态有一个负角度α偏转；如图3B所示，强酸性溶液中解旋的DNA分子使得入射光的前选择态有一个负角度β偏转。
本实施例中，首先在中性条件下将浓度为0.2723g/L的pcDNA3.1(+)质粒溶液放于DNA样品池中，然后加入强碱NaOH溶液，将DNA溶液pH值调至12.89，搅拌使DNA完全解旋，待信号稳定后记录输出光谱的中心波长移动。随后加入硫酸溶液，将pH值重新调回中性5.18，搅拌使DNA完全复性，随后继续加入硫酸溶液将pH值调至1.03，搅拌加氢氧化钠溶液将pH值调至12.31，搅拌使DNA完全解旋，再加硫酸溶液将pH值调至0.92，搅拌使DNA完全解旋。每次加酸性或者碱性溶液改变pH值后，待信号稳定记录出射光的中心波长移动。利用DNA变性复性检测系统100测得的在不同PH条件下的DNA液体对应的输出光谱的中心波长移动响应曲线如图4所示。从图4可以看出，在中性条件下输出光谱的中心波长移动不明显，这是由于DNA样品池中的DNA没有发生解旋，DNA处于初始或复性状态；在碱性条件和酸性条件下，输出光谱的中心波长发生了明显的移动，这是由于DNA样品池中的DNA发生解旋，DNA解旋过程中的旋光性变化引起偏振光的偏振方向发生角度偏转并体现为输出光谱的中心波长移动，DNA处于变性状态；从图4中还可以看出，酸性条件下的DNA溶液对应的输出光谱的中心波长移动信号明显强于碱性条件下的DNA溶液对应的输出光谱的中心波长移动信号，因此，相较于在碱性条件下，在酸性条件下DNA解旋得更彻底，并且强碱性溶液中解旋的DNA分子使得偏振光产生的偏转角要大于强酸性溶液中解旋的DNA分子使得偏振光产生的偏转角，即图3A和图3B中，α＜β。
以上实施方式仅是用于解释权利要求书。然本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种DNA变性复性检测系统，其特征在于，包括：
光源系统，用于提供激光；
弱测量系统，位于所述光源系统的光路上，用于接收所述光源系统发出的激光并变换为偏振光；
待测DNA系统，位于所述弱测量系统内部的光路上，所述偏振光通过容置于所述待测DNA系统中的DNA分子时发生偏转并产生偏转角，所述弱测量系统使所述偏转角放大并输出平行光；
光谱仪，位于所述弱测量系统的光路上，用于接收所述弱测量系统发出的平行光，并采集平行光的光谱数据；
计算机，与所述光谱仪电连接，用于接收和计算从所述光谱仪输出的光谱数据，并显示输出光谱的中心波长移动，根据输出光谱的中心波长移动得到所述待测DNA系统中的DNA分子变性或复性的状态信息；
所述弱测量系统包括前选择偏振片和后选择偏振片，所述前选择偏振片位于所述光源系统与所述待测DNA系统之间的光路上，所述后选择偏振片位于所述待测DNA系统与光谱仪之间的光路上，所述前选择偏振片和后选择偏振片的偏振方向趋于正交。
2.根据权利要求1所述的DNA变性复性检测系统，其特征在于，所述光源系统包括超辐射发光二极管和第一准直透镜，所述超辐射发光二极管用于向所述弱测量系统发射激光，所述第一准直透镜用于使所述超辐射发光二极管发出的激光变换为平行光。
3.根据权利要求2所述的DNA变性复性检测系统，其特征在于，所述光源系统还包括高斯滤光片，所述高斯滤光片位于所述第一准直透镜与前选择偏振片之间的光路上，所述高斯滤光片用于使从所述第一准直透镜发出的平行光变换为高斯光束并入射所述前选择偏振片。
4.根据权利要求1所述的DNA变性复性检测系统，其特征在于，所述弱测量系统还包括相位调制器，所述相位调制器用于调节所述弱测量系统的灵敏度。
5.根据权利要求1所述的DNA变性复性检测系统，其特征在于，所述弱测量系统还包括第二准直透镜，所述第二准直透镜位于所述后选择偏振片与光谱仪之间的光路上，所述第二准直透镜用于使所述后选择偏振片发出的偏振光变换为平行光。
6.根据权利要求1所述的DNA变性复性检测系统，其特征在于，所述待测DNA系统包括DNA样品池，所述DNA样品池用于容纳待测的DNA溶液，所述DNA样品池为透明状以使所述弱测量系统发出的偏振光透过。
7.一种DNA变性复性检测方法，其特征在于，使用如权利要求1至6任意一项所述的DNA变性复性检测系统，所述DNA变性复性检测方法包括如下步骤：
通过光源系统向弱测量系统发射激光；
所述弱测量系统接收所述光源系统发出的激光，并将激光变换为偏振光；
所述弱测量系统将所述偏振光通过容置于所述待测DNA系统中的DNA分子后产生的偏转角放大并输出平行光；
光谱仪接收从所述弱测量系统发出的平行光，并采集平行光的光谱数据；
计算机接收和计算从所述光谱仪输出的光谱数据，并显示输出光谱的中心波长移动，且根据输出光谱的中心波长移动得到所述待测DNA系统中的DNA分子变性或复性的状态信息。
8.根据权利要求7所述的DNA变性复性检测方法，其特征在于，所述弱测量系统包括前选择偏振片和后选择偏振片，通过调节所述前选择偏振片和后选择偏振片的偏振方向趋于正交。
9.根据权利要求8所述的DNA变性复性检测方法，其特征在于，所述光源系统包括超辐射发光二极管、第一准直透镜和高斯滤光片，通过所述超辐射发光二极管向所述弱测量系统发射激光，通过所述第一准直透镜使所述超辐射发光二极管发出的激光变换为平行光，通过所述高斯滤光片使从所述第一准直透镜发出的平行光变换为高斯光束并入射所述前选择偏振片。
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