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長春光機所在光電一體化芯片PCR領域取得進展

儀表研發(fā) 2020年05月26日 10:53:23來源：長春光機所 15451

摘要近期，團隊將光機電一體化技術與芯片實驗室技術結合，就傳統(tǒng)RT-PCR技術的缺點進行了系統(tǒng)攻關，取得一系列進展。

　　【儀表網儀表研發(fā)】人類對于核酸的研究已經有100多年的歷史。20世紀60年代末70年代初，人們致力于研究基因的體外分離技術。但是，由于核酸的含量較少，一定程度上限制了DNA的體外操作。

　　據悉，Khorana于1971年提出核酸體外擴增的設想。但是，當時的基因序列分析方法尚未成熟，對熱具有較強穩(wěn)定性的DNA聚合酶還未發(fā)現(xiàn)，寡核苷酸引物的合成仍處在手工、半自動合成階段，這種想法似乎沒有任何實際意義。

　　1985年，美國科學家Kary Mullis在高速公路的啟發(fā)下，經過兩年的努力，發(fā)明了PCR技術，并在Science雜志上發(fā)表了關于PCR技術學術論文。從此，PCR技術得到了生命科學界的普遍認同。

　　此外，作為基因檢測的金標準，聚合酶鏈式反應(PCR)技術是一種重要的疾病檢測工具。目前，眾多疾病的臨床檢測均采用實時熒光PCR(RT-PCR)技術作為核心手段。但是，RT-PCR技術在靈敏度、檢測限、分析成本以及基層診斷疾控普及等方面也存在著諸多不足。

　　中國科學院長春光學精密機械與物理研究所應用光學國家重點實驗室研究員吳文明在長春光機所率先開展了聚合酶鏈式反應技術研究。近期，團隊將光機電一體化技術與芯片實驗室技術結合，就傳統(tǒng)RT-PCR技術的缺點進行了系統(tǒng)攻關，取得一系列進展。

　　鑒于傳統(tǒng)RT-PCR技術核酸檢測靈敏度低和傳統(tǒng)數字PCR技術存在集成自動化程度較低等弊端，團隊成功研發(fā)出采用實時熒光檢測模式的連續(xù)流動式、全自動、一體化集成數字PCR系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)數字PCR系統(tǒng)因終點檢測難以區(qū)分假陽性的缺點。

　　該系統(tǒng)基于單恒溫熱源，只需要一次進樣就可同步實現(xiàn)微液滴生成、熱循環(huán)擴增以及核酸定量分析的整個數字PCR檢測流程。工作流程實現(xiàn)自動化控制，無需人為操作，解決了傳統(tǒng)數字PCR系統(tǒng)需要依賴人工操作在不同儀器上反復移動樣品的弊端。

　　同時，該系統(tǒng)自帶太陽能電池，可實現(xiàn)能源自給，為現(xiàn)場檢測奠定了基礎，并且實驗室整機成本僅萬元以內；在試驗耗材方面，因其不依賴國外系統(tǒng)采用的價格高昂的數字PCR芯片，從而大大降低數字PCR檢測耗材成本。相關成果相繼發(fā)表于多個SCI刊物(Analytica Chimica Acta,2020,ACA-20-374R2; Sensors 2020, 20,2492)。

　　團隊成功研發(fā)出的低成本RT-PCR系統(tǒng)，實現(xiàn)了對包括乙肝、禽流感、甲狀腺因子、麻疹、桿菌等多種靶向基因的實時熒光定量分析。結合芯片光學優(yōu)化以及溫度循環(huán)優(yōu)化，系統(tǒng)還可實現(xiàn)高效的病原菌原位分析。

　　針對帕爾貼半導體存在的升降溫速度慢這一弊端，研發(fā)出了一種基于機械位移式的新型RT-PCR定量系統(tǒng)，此系統(tǒng)可實現(xiàn)擴增曲線檢測以熔解曲線繪制等一系列功能，不僅提高了溫度循環(huán)速度，相對于TEC還大大提升了硬件循環(huán)溫控重復使用壽命，并且降低了整個系統(tǒng)的體積功耗以及重量，同時為快速熱循環(huán)PCR技術奠定了基礎。

　　為解決PCR芯片流體控制依賴昂貴外部驅動系統(tǒng)的弊端，團隊系統(tǒng)開展了“免外部能源與復雜驅動系統(tǒng)”的多相流體自發(fā)控制的研究，并從方法學層面拓展出多種衍生原理，還結合多種自發(fā)式流體控制手段與新型芯片設計實現(xiàn)了芯片實驗室不同下游應用，而且基于連續(xù)流動式技術在上提出了能耗重量體積小的“手持式基因指紋分析儀”以及“手持式實時熒光定量PCR系統(tǒng)”，為實現(xiàn)現(xiàn)場檢測奠定基礎。

　　核酸檢測PCR作為一種在疾病檢測領域具有廣泛應用的技術，目前仍存在著高昂的檢測成本，這會給檢測的普及和國民經濟帶來巨大的壓力。因此，降低PCR檢測成本對于各類傳染病防控工作具有重要意義，而要實現(xiàn)上述目標仍需要從分析儀器和檢測試劑兩個方面進行深入的系統(tǒng)性突破研究，這也將會成為團隊下一步的工作重點。

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