聚合酶链反应-电化学在线检测的高通量微流控芯片的研究及在基因分析中应用

Gene is the inherited codes of creatures and genetic analysis has great meanings to cognize the human beings as well as creatures all around the world. The PCR (polymerase chain reaction) technology is one of the important techniques for genetic analysis. Traditional thermal cyclers are time-consuming, with a large reaction volume, and are easy to produce by-products but difficult to be integrated and portable. The PCR devices based on microfluidics have various advantages like low cost and consumption, high speed and yield. However, the high-throughput PCR with online detection hasn’t been achieved yet. The project aims to integrate the PCR device and DNA probes on a chip and combine it with high-throughput injector. Numerous samples will be placed orderly and injected into the chip one by one, flowing through three temperature zones circularly to complete the amplification and in virtue of the specificity of labelled DNA probes in the detection region, the amplified products will be detected using electrochemical method in sequence. The research includes developing of model instrument and applications in viral detection, the expression of carcinogenesis-related genes in tumor cells, early diagnosis of cancer and so on. As expected results, the efficiency of genetic analysis will be increased significantly which has great scientific meanings and practical value in the low-cost, high-speed and high-throughput genetic analysis.

基因是生物的遗传密码，基因分析对了解人类乃至世界万物意义重大。聚合酶链反应（PCR）技术则是基因分析的一项重要技术。目前的PCR仪反应时间长、反应体积大、易产生副产物、不便于集成与携带；用微流控芯片技术设计的PCR反应器，具有成本低、消耗低、速度快、产率高等特点，但仍未实现高通量与在线检测。本项目提出将PCR反应器和DNA探针集成于芯片内，并与高通量进样器连接。将众多的样品按顺序排列，依次连续进样，进入芯片后循环通过三个温区进行PCR扩增，反应完成后依次进入检测区域，以电化学手段，利用标记DNA探针的特异性对扩增产物进行在线鉴定，实现微流控芯片内多个样品连续进样、扩增反应和在线检测。研制仪器样机，并初步应用于病毒检测、肿瘤细胞中癌变基因表达及癌症的早期诊断等。预期结果，可显著提高PCR分析效率，对低成本、高速度、高通量的基因分析具有重要的科学意义和应用价值。

聚合酶链反应技术是基因分析的一项重要技术。针对目前的聚合酶链反应技术反应时间长、反应体积大、易产生副产物、不便于集成和在线检测等不足，本项目建立了芯片聚合酶链反应扩增-在线电化学传感检测的方法并搭建了相关装置，可与高通量进样器连接。实现多个样品的聚合酶链反应扩增和电化学传感在线检测，可实现高通量、高速度、低成本、低消耗的基因分析。（1）设计制作了聚合酶链反应芯片，可以进行三温区和等温核酸扩增；在芯片上制作了以氧化铟锡（ITO）和金为基材的电化学传感电极。（2）研究建立了芯片上核酸扩增尤其等温核酸扩增的方法和条件。（3）研究建立了几种样品的基因分析方法，包括：（A）单碱基核酸多态性分析方法；（B）基于引物特异性聚合酶链反应（AS-PCR）的分析方法，实现了SNP（单碱基核酸多态性）分型；（C）将环介导的核酸等温扩增与滚环扩增结合（LAMP -RCA），建立了一种新型的通用型特异性检测方法，实现了对伤寒沙门菌和大肠杆菌的核酸检测。（D）建立了基于改进型立足点链取代反应及协同催化纳米探针的多重放大效应，实现了对癌症标志物miR-155的灵敏检测。本项目已按计划执行完毕。研究成果显示，提高了核酸的分析效率和可靠性，对低成本、高速度、高通量的基因分析具有重要的科学意义和应用价值，为病原微生物和癌症标志物的准确和快速检测提供了新方法新装置。