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微流控技术在法医DNA快速检验方面的应用

  微流控技术 

   微流控芯片技术因其微型化、自动化、高通量、集成化、快速等优势使得实验室研究产生革命性的变化,并在生物化学、医学等诸多领域得到广泛应用,但目前还没有基于微流控芯片技术的国产全集成自动化DNA分析仪。

   此篇文章为大家讲解微流控技术在法医DNA快速检测方面的研究进展,同时介绍国内外全集成式DNA分析的研究状况。未来,以微流控芯片为主导的全自动、便携式、集成式、集成化的DNA分析系统,将使得法医DNA检验从实验室走进案件现场甚至日常生活,实现真正快速即使检验。

传统的法医DNA检测过程包括生物检才提取、DNA提取和定量、PCR复合扩增、毛细管电泳等,整个过程大约需8~10h,不仅耗时耗力,需购置特定的实验仪器,大多步骤以及反应之间的转换需手工操作,而且需要专业人员进行操作。从根本上解决日益紧迫的DNA物证检验量、集成化和自动化是必然选择。从20世纪90年代逐渐兴起的微流控芯片技术具有体积小、样本和试剂消耗少、分析成本低、分析速度快,易于实现操作流程集成化和自动化等诸多优势,为实现法医DNA快速分析开辟了一条新途径。

诸多学者从微流控技术角度出发,对涉及DNA快速检测,包括芯片DNA提取、芯片PCR扩增、毛细管芯片电泳及集成式芯片等各方面进行了研究。

1、芯片DNA提取技术

   芯片DNA提取技术方面,传统的DNA提取方法需要多次震荡、离心、转移等,操作费时,不易整合到芯片上,更不适合DNA的快速检验。国内,研究人员应用PMMA芯片制作了非填充式DNA提取芯片,从血中提取DNA且能够满足后续PCR的需要。后来国内研究人员研究了PDMS芯片DNA微分析系统,将磁珠固相提取技术与微流控芯片相结合,成功完成大肠杆菌热裂解、DNA提取至PCR扩增的全过程,为单芯片上集成多功能提供了可能。更有研究者开发了其他在芯片上的提取方法,例如基于pH诱导的静电吸附DNA提取、基于UV活化的聚碳酸酯表面的DNA提取、基于纳米多孔滤膜的DNA提取。

2、芯片PCR扩增技术

   PCR芯片根据其液体流动方式可分为微反应腔式PCR芯片和连续流动式PCR芯片。其中,微反应腔PCR芯片实际上是传统PCR的微型化,将反应混合物固定在微反应池内,通过外部对其不断加热与制冷来实现温度循环,该种芯片具有体积小,结构简单,易于制作成一次性、集成度高、易于整合其他功能芯片的特点。连续流动式PCR芯片,是将反应混合物于3个恒温区内连续流动,没流过3个温区即完成一次扩增,具有反应速度快、扩增时间短的特点。

    后来研究人员为了实现多个样本的同时扩增,研究人员在设计的PMMA多通道扩增芯片上,利用快速DNA酶和红外扩增系统,39min就能够同时完成最多个样本的STR扩增,不仅提高了检测通量,而且缩短了DNA分型时间,同时降低了每个样本的检测成本,更体现出微流控技术在法医DNA快速分析的优势。

3、毛细管芯片电泳技术

   毛细管芯片电泳技术,早期主要集中在芯片毛细管电泳的进样方式、流体控制及影响分离柱效的因素等基础性研究工作中。后来,Mathies实验室搭建了具有4通道的微阵列芯片电泳装置,在有效分离长度为10cm的芯片上实现9个STR基因座的分离,该装置的检测限为25个拷贝。2010年,同一实验室又开发出集成PCR扩增的便携式共聚焦荧火扫描的多通道毛细管电泳检测平台,能够在分离长度为7cm的芯片上同时完成96个样本的检测,检出限为20pmol/L。

目前,芯片毛细管电泳已从实验研究阶段逐步向产业化方向发展。已能够实现对DNA、RNA、蛋白质等高通量的分离分析。

4、集成式芯片

    在集成式芯片研究方面,尽管将法医DNA分析全流完成集成于一体存在很大挑战,但是一些研究者已尝试利用微流控系统将各种步骤与芯片毛细管电泳相结合。

    2014年,Delphine等在前期工作基础上,成功研发出用于法医个体识别的全集成式的微流控芯片,该芯片由塑料制成,包括基因分型全过程:一种独特酶反应液的DNA制备、红外非接触式PCR扩增及高分辨率的电泳分离,并证明了2h能够从口腔拭子和FTA卡样本得到18个STR基因座分型,且检测结果和传统方法完全一致。

    近几年微流控芯片技术在DNA快速检测方面取得了突破性进展,引起产业界的很大关注,国外推出的3款商业化的快速检测仪器,以满足法医DNA现场即时检验的需求,但国内尚属空白,因此,我们期待我国科研人员加强产业化意识,积极革新技术,自主开发一款适于我国DNA快速检验的低成本、高通量、便携式的现场快速检测仪器,以提升在全集成式DNA快速检验的国际竞争力。



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手持式PDMS打孔器