PCR生物芯片研究进展

PCR生物芯片研究进展

文章介绍了PCR的反应机理与PCR生物芯片的优点,主要介绍了PCR生物芯片微装置的一般原理和设计研究进展。

标签：聚合酶链式反应设计进展微流控芯片

自从1991年福多尔(S.P.A.Fodor)等人提出DNA芯片至今,以DNA芯片为代表的生物芯片技术已经得到了快速的发展。目前生物芯片技术除了DNA芯片技术外,还包括免疫芯片分析技术、芯片核酸扩增技术、细胞芯片分析技术和以芯片为平台的高通量药物筛选技术等。这些新兴技术的出现将为生命科学研究、疾病诊断与治疗、新药开发、国防、司法鉴定、食品卫生检验、航空航天等领域带来一场革命。正是由于生物芯片技术的飞速发展,美国科学促进协会将其评为1998年科技十大突破之一。

聚合酶链式反应(PCR)的反应机理及其优点

聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reacion,PCR)是一种对核酸分子进行提外扩正的方法,已经广泛应用于生物科学各个领域,PCR的引入给分子生物学带来了革命性的变化。反应的主要操作过程在三个温度区间重复循环,经过酶促反应扩增特定的DNA片段。扩增后的反应产物可用于诊断疾病、检验组织或血样中的特殊细菌或病毒。

常规的PCR方法存在着耗时长,操作繁琐,试剂消耗量大等缺点。寻求更快速、更简便的方法一直是人们追求的目标。微流控芯片为PCR微型化操作提供了一条可行的途径,和通常的PCR设备相比,微型化的好处是显著改善了热能传输,极大地提高了热循环速度,降低了昂贵试剂的消耗,是系统具有灵活、多功能、集成化的特点。但也有可能因PCR反应体积减小致使表面/体积比增加而产生一些与表面吸附有关的不利影响。

为了克服这种影响,人们研究了一些具备生物适应性的各种表面处理方法,通过化学修饰和/或物理吸附方式对硅、石英、玻璃或塑料等材料进行表面涂层或钝化。微流控芯片PCR的另一问题是如何将小体积的试样处理、扩增与芯片分离分析系统联用,开发真正自动化的高通量产品。一些研究者使用单晶硅微反应室进行实时快速PCR。DNA扩增以和专门设计的微流控元件耦合,在PCR之前完成组织、细胞、全血、土壤、食品等各种样品中DNA的提取。

微型装置的一般原理

这种微流控芯片是通过技术在基底材料(如玻璃、硅以及聚合物等)上刻蚀出微流道通道作为反应池,样品流体连续地通过解链、退火以及延伸3个不同的温度带。它的结构设计能很好地控制解链、退火、延伸时间以及扩增的速度,而且反应混合物在3个温度带滞留时间仅仅表现为通道长度、横截面以及反应通道中

样品流速的函数。如果在反应通道旁边沿顺流方向添加反应物,这样的通用系统有可能沿着液体流动轨道实现几个不同的反应。

微流控芯片/微装置的设计除了要考虑总的设计要求:样品流速要均匀;样品在反应和储存时,不能挥发掉和随意流动;使用材料要具有生物相容性;防止样品流动对采集信号干扰之外,还必须注意以下几个方面:过程的循环数目;通道横截面的参数变量;通道经过每个温度带的长度;流体的驱动形式;加热器/传感器的几何机构以及布置位置,最后还必须考虑3个温度的热绝缘问题。芯片热循环仪如何设计也直接影响其辅助设备,包括芯片衬底、封装、检测元件、电动控制以及流体控制等。目前,连续流动式热循环装置的设计形式可以分为基于单直通道毛细管式、芯片上矩形通道式以及三个温度带呈圆形(或圆柱)布置式等3种形式。

研究进展

将PCR扩增和电泳分离集成在同一微芯片上已有多篇报道。这些装置一般都包括进行热循环的微反应池,与微通道网络连接,完成注射、分离、检测、等步骤。Khandurina等人报到了一个集成PCR-CGE的玻璃微流控芯片系统。采用双帕耳贴元件作为加热制冷源,在一个芯片上将局部热循环快速DNA扩增和预浓集技术结合,这种方法可减少PCR循环次数,提高速度,仅10次循环扩增即足以进行分离检测。接着进行微芯片电泳分离,DNA片段预浓集技术后通过在芯片上加工的一个多孔膜结构进样。包括细胞溶胞、PCR扩增、产物电泳分离的整个分析过程在20min内即可完成。

Woolley等人将一微芯片装置与能快速加温和冷却的微反应室结合,完成了DNA扩增。同一研究小组还提出一个包括采样、分离、检测在内的单片集成化芯片系统,将PCR微反应器和CE分离系统加工在同一玻璃芯片上。玻璃微流控芯片上集成8个操作单元,每个单元包括阀、疏水孔、PCR微反应室(280nL)、CE 分离系统。芯片背面集成有薄膜电阻加热器和“T”形热电偶。使用外部阀控制压力,用真空驱动和操纵液流,施加一定的真空,疏水孔和阀即开启,在气压的作用下,试样从试样池进入PCR微反应室后封闭阀和疏水孔,开始加热,进行PCR循环。由于被加热的体积很小,又使用了薄膜加热器,10min完成20次循环扩增,每一循环时间仅为30s。扩增后的产物被直接注入填充有筛分介质的微通道,经分离后进行激光诱导荧光检测。

在Kopp等人设计的连续流动PCR系统中,PCR反应混合液被连续地泵入蜿蜒状的玻璃通道,流经三个不同温区完成变性、退火、延伸步骤。虽然总反应时间较长(20个循环需要50min),但可以进行多道同时反应,在各自通道中循环地引入不同试样以增大通量。

Rodriguez等人也报道了一种将和毛细管电泳集成在一起的芯片。微反应池和电泳芯片的制作材料分别是硅和玻璃, 两个单元用PCMS衬垫组装起来。芯片可在13mins内完成30个循环,产物通过压力驱动转移到电泳芯片的样品池中。毛细管电泳通道选用的筛分介质为经丙甲基纤维素,使两个只有个碱基差别的基因片段实现分离。此芯片成功分析了鸡和鸽子的基因片段。

结论与展望

PCR生物芯片是把生化分析中许多不连续的过程(样品制备、化学反应和分离检测),通过采用典型的集成电路制作工艺(光刻,淀积,溅射,刻蚀等)和日趋成熟的MEMS工艺技术体硅技术(表面微机械技术,键合技术等),移植到厘米见方的以硅、玻璃、石英等为衬底的芯片上,是整个生化反应过程微型化、集成化和连续化。传统的生物芯片是将样品制备、化学反应和检测的各个生化分析过程独立进行,而生物芯片发展的最终目标是将整个生化分析过程集成化,以获得微型全分析系统(micro-total-analytical-stem,简称μTAS)或称缩微芯片实验室(laboratory on a chip)。

但也必须看到,生化反应在微流控分析芯片上的集成还处在快速发展阶段,尚不成熟。芯片操作的重复性较差,芯片上生化反应的可控性不强,集成能力还不够高,这是微流控芯片发展亟待解决的问题。随着PCR检测方法的发展,集成检测系统的芯片的报道也越来越多,但目前能够真正实现完整的分析检测过程微缩芯片还很少。基于Soft lithography技术,在硅酮上制作用电阻加热的PCR反应池微流体芯片,并将CE芯片和紫外光检测仪器等在一个PCB板上的集成,而实现一个具备完整功能小型DNA检测实验室方面的研究还尚属空白。而且更高的通量应对日益提高的分析要求,较低(合适)的通道数目匹配有良好的重复性(定量、定性)适合更多领域的要求(测序、药物筛选)和市场化都有待进一步的研究。

参考文献

1、Belgrader P,Benett W,Hadley D,et al.PCR detection of bacterial in seven minutes[J].Science,1999(284).

2、Wilding P, Kricka L J, Cheng J, et al. Integrated cell isolation and polymerase chain reaction analysis using silicon microfilter chambers[J].Anal Biochem,1998(2).

3、Woolley AT,Hadley D,Landre P,et al.Functional Integration of PCR Amplification and Capillary Electrophoresis in a Microfabricated DNA Analysis Device[J].Anal Chem,1996(68).

4、Khandurina J Mcknight T E Jacobson S C.Analytical Chemistry[J].Anal Chem,2000(72).

5、Lagally E T,Simpson PC,Mathies R A.Monolithic integrated microfluidic DNA amplification and capillary electrophoresis analysis system[J].Sens Actuator B-chem,2000(63).

6、Rodriguez I,Lesaicherre M,Tie Y, et al.Practical integration of polymerase