基于血液样品和微流控芯片技术的细胞分离、PCR扩增及DNA测序方法研究

论文摘要

生命科学是本世纪前沿科学领域之一,生命科学的高速发展离不开先进的分析仪器与技术,随着生命科学的蓬勃发展,分析仪器和分析科学也正经历着深刻的变革,其中一个日益明显的发展趋势就是仪器设备的微型化、集成化与便携化。微流控芯片技术作为微流控分析系统的核心部分已发展成为μTAS中最活跃的领域,血液是一种重要的生物分析样本,含有极其丰富的有关体内所有组织和器官功能的信息,因此对血液样品进行分析是医学和科学领域研究关注的焦点。本文用微流控芯片技术设计制作了细胞水平和DNA水平上对人血液进行分析的芯片,实现了利用高梯度磁分离技术对未经标记的血细胞进行直接分离、直接全血PCR扩增及流动焦磷酸测序法人血液DNA的SNP位点检测,展示了微流控芯片在生物分析中的发展潜力。第一章简要论述了微流控芯片血细胞操控与分离、微流控芯片PCR扩增和焦磷酸测序微流控芯片的研究情况。第二章在基于高梯度磁分离技术（High Gradient Magnetic Separation,HGMS）的玻璃微流控芯片连续血细胞分离研究中,设计并制作了一个在细胞水平上进行血液分析的玻璃微流控芯片系统,是基于HGMS技术连续分离血细胞,并且成功地进行了血细胞分离。玻璃芯片用光刻法和热封合法加工制成,包括一个进口和三个出口,一个直径69μm的镍丝被定位在分离通道的中间,通道上宽149μm、深73μm,将镍丝定位的一对嵴高约10μm,这两个嵴是在刻蚀通道的同时形成的。当在芯片旁放置一个与通道平行的0.3 T的永磁铁,在永磁铁形成的磁场中,镍丝就会在分离通道中诱导出高梯度磁场,稀释了41倍的血液样品中的红细胞在流量范围为0.12～0.92μL/min时不断地被分离,在流量为0.23μL/min时,在中间出口的红细胞分离率为93.7%。通过用牛血清白蛋白调整支持介质的密度,减轻了细胞的沉降现象。在分离过程中使用了量子点标记,在可视荧光下观察细胞的分离行为。发现并讨论了镍丝两侧血细胞分布不均匀现象。第三章在直接全血PCR扩增方法研究及其在静态微池型PCR芯片上的应用中,是在DNA水平上应用扩增技术进行血液分析微流控芯片的研究。首先通过将改进的PCR程序和优化的PCR反应体系结合起来进行直接全血PCR扩增,成功的进行了血液内源基因P53片段（大约543 bp）和外源的靶目标λDNA片段（大约500 bp）的扩增。此方法还可应用于不同处理的血液样品,如不同抗凝剂（和柠檬酸钠）血液、未加抗凝剂的新鲜血液、滤纸上的血斑等。然后在自制的静态微池型PCR芯片上,利用此PCR扩增方法也成功的实现了芯片上的直接全血PCR扩增,PCR扩增得到两个不同长度的血液内源靶目标P53基因和K-ras基因（157 bp）片段,在10μL的反应体系中只需加入0.5μL的血液,此PCR芯片是采用ITO玻璃为基底,用模糊PID算法来控制芯片的温度程序,芯片加热器的有效面积是25×25 mm,一个聚乙烯管粘在玻璃面上做为PCR反应池。在整个过程中,仅涉及芯片加热程序,因此所做的PCR芯片可适用于野外检测等。第四章在毛细管流动焦磷酸测序方法的建立及其在单核苷酸多态性（SNP）检测中的应用中,是在DNA水平上应用测序技术进行血液分析微流控芯片的研究。利用毛细管反应和磁固定的方法搭建了一个流动焦磷酸测序毛细管微流控系统平台,利用PCR扩增血液DNA制备了带有生物素标记的模板,通过生物素与链亲和素亲和作用将模板固定在磁珠上,利用永磁铁将连着测序模板的磁珠固定在毛细管上,光电倍增管做为检测器以及缝管阵列和注射泵做为进样系统。对所建立的毛细管流动焦磷酸测序方法反应条件等因素进行了研究；在初步优化的基础上成功地用于血液DNA的SNP位点研究。制作了一个磁屏蔽盒用来消除磁场对光电倍增管检测器检测灵敏度的影响。此平台搭建简单,不涉及微加工操作,而且通过与缝管阵列进样系统联用,实现了微量、连续进样,满足了流动焦磷酸测序反应对进样系统的要求,且操作简单、方便,在该平台上结合高灵敏度的BAMPER方法建立了高灵敏度的毛细管流动焦磷酸测序方法,成功地对人21号染色体上的一个SNP位点rs8130833进行了检测,得到了与传统静态焦磷酸测序一致的结果。将微流控系统与焦磷酸测序技术相结合用来检测SNP位点,具有快速、简便且节省试剂的特点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微流控芯片血细胞操控与分离
• 1.2.1 机械操控分离法
• 1.2.2 电诱导操控分离法
• 1.2.3 磁操控分离法
• 1.2.3.1 免疫磁分离技术
• 1.2.3.2 高梯度磁分离技术
• 1.2.4 其他的操控分离方法
• 1.3 微流控芯片PCR扩增
• 1.3.1 聚合酶链式反应（PCR）
• 1.3.2 PCR芯片
• 1.3.2.1 连续流动型PCR芯片（CF-PCR Chip）
• 1.3.2.2 微池型PCR芯片（MC-PCR Chip）
• 1.3.2.3 PCR—毛细管电泳集成芯片
• 1.3.2.4 高度集成多功能的便携PCR芯片
• 1.3.3 集成型血液DNA芯片PCR扩增
• 1.4 焦磷酸测序微流控芯片的发展
• 1.4.1 焦磷酸测序技术的原理
• 1.4.1.1 静态焦磷酸测序
• 1.4.1.2 流动焦磷酸测序
• 1.4.2 微流控芯片上的流动焦磷酸测序
• 1.5 本论文工作目的及设计思想
• 第2章 基于高梯度磁分离技术的玻璃微流控芯片连续血细胞分离研究
• 2.1 引言
• 2.2 理论基础
• 2.2.1 血细胞的磁性
• 2.2.2 高梯度磁分离技术原理
• 2.2.2.1 高梯度磁场的产生
• 2.2.2.2 分离原理
• 2.3 血细胞高梯度磁分离研究进展
• 2.4 实验部分
• 2.4.1 试剂与材料
• 2.4.2 仪器与装置
• 2.4.3 芯片结构及磁分离原理
• 2.4.4 玻璃高梯度磁分离芯片的制作
• 2.4.5 样品预处理
• 2.4.6 实验流程
• 2.5 实验结果与讨论
• 2.5.1 连续地HGMS分离细胞
• 2.5.2 流量的影响
• 2.5.3 细胞的沉降
• 2.5.4 血细胞的QDs标记
• 2.5.5 镍丝两侧细胞分布不均一现象
• 2.6 小结
• 第3章 直接全血PCR扩增方法研究及其在静态微池型PCR芯片上的应用
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂和样品
• 3.2.1.1 实验试剂
• 3.2.1.2 PCR引物
• 3.2.1.3 血液样本的准备
• 3.2.1.4 全血DNA的提取
• 3.2.2 仪器
• 3.2.3 PCR反应体系
• 3.2.4 PCR扩增程序
• 3.2.5 实验过程
• 3.2.6 芯片上的直接全血PCR扩增反应
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 PCR反应体系中主要成分的优化
• 2含量的优化'>3.3.1.1 MgCl₂含量的优化
• 3.3.1.2 BSA含量的优化
• 3.3.1.3 dNTP含量的优化
• 3.3.1.4 Taq DNA聚合酶含量的优化
• 3.3.2 PCR扩增促进因子的影响
• 3.3.3 PCR扩增程序的影响
• 3.3.4 直接PCR扩增内源基因组DNA
• 3.3.5 直接PCR扩增外源DNA
• 3.3.5.1 不同血液量的影响
• 3.3.5.2 不同外源DNA量的影响
• 3.3.6 不同处理血液的PCR扩增效率
• 3.3.7 芯片上的直接全血PCR扩增
• 3.4 小结
• 第4章 毛细管流动焦磷酸测序方法的建立及其在单核苷酸多态性（SNP）检测中的应用
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂与样品
• 4.2.2 仪器与装置
• 4.2.3 微流控系统平台
• 4.2.3.1 毛细管微流控系统平台
• 4.2.3.2 高梯度磁分离芯片微流控系统平台
• 4.2.4 焦磷酸测序过程
• 4.2.4.1 焦磷酸测序所需溶液
• 4.2.4.2 测序模板的制备
• 4.2.4.3 四种核苷酸的配制及预处理
• 4.2.4.4 检测核苷酸和焦磷酸测序反应液的质量
• 4.2.4.5 焦磷酸测序步骤
• 4.2.4.6 检测条件的设置
• 4.2.5 实验过程
• 4.3 实验结果
• 4.3.1 磁屏蔽盒的效果
• 4.3.2 测序反应液光下稳定性
• 4.3.3 dNTP与测序反应液混合放置时间
• 4.3.4 磁珠模板制备效率
• 4.3.5 气泡间隔作用
• 4.3.6 不同实验条件对焦磷酸测序反应信号的影响
• 4.3.7 实际样品的SNP位点检测
• 4.3.7.1 流动焦磷酸测序法SNP位点检测
• 4.3.7.2 静态焦磷酸测序法SNP位点检测
• 4.4 实验讨论
• 4.4.1 影响磁珠模板制备效率的因素
• 4.4.2 毛细管微流控系统平台上进行连续焦磷酸测序反应
• 4.4.2.1 持续液流
• 4.4.2.2 停止液流
• 4.4.3 高梯度磁分离微流控芯片系统上的焦磷酸测序
• 4.5 小结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表论文目录