生物反应芯片及其在PCR反应中的应用.pdf

本发明涉及一种生物反应芯片及其在PCR反应中的应用。所涉及的生物反应芯片包括主体板，所述主体板上开设有多级反应槽，每级反应槽中可容纳生物反应试剂的量不同。将多级反应槽按可容纳生物反应试剂的量从大到小排序，相邻级的反应槽可容纳生物反应试剂的体积量比为定值。本发明提供的生物反应芯片在进行PCR反应定量检测时无需定量标准品，可以进行溶液核酸浓度的定量检测，实现对核酸分子进行绝对定量检测。

权利要求书
1.  一种生物反应芯片，包括主体板，其特征在于，所述主体板上开设有多 级反应槽，每级反应槽中可容纳生物反应试剂的量不同。

2.  如权利要求1所述的生物反应芯片，其特征在于，将多级反应槽按可容 纳生物反应试剂的量从大到小排序，相邻级的反应槽可容纳生物反应试剂的体 积量比为定值。

3.  如权利要求1所述的生物反应芯片，其特征在于，相邻级的反应槽可容 纳生物反应试剂的体积量比大于等于5。

4.  如权利要求1所述的生物反应芯片，其特征在于，相邻级的反应槽可容 纳生物反应试剂的体积量比为5-20。

5.  如权利要求1所述的生物反应芯片，其特征在于，每级反应槽包括若干 个单体反应槽，且每级反应槽包括的单体反应槽个数相同或不同，同一级反应 槽的若干个单体反应槽之间相互独立且彼此可容纳的生物反应试剂的量相同。

6.  如权利要求1所述的生物反应芯片，其特征在于，每级反应槽中单体反 应槽的个数为5-20。

7.  权利要求1-6中任一权利要求所述生物反应芯片在PCR反应中的应用。

8.  权利要求1-6中任一权利要求所述生物反应芯片在PCR反应绝对定量检 测中的应用，包括：
将待测样品和PCR反应试剂装载于权利要求1-6中任一权利要求所述的生 物反应芯片中进行PCR扩增反应后，读取数据和计算待测样品中被测物质的含 量；
所述读取数据为读取每级反应槽中呈阳性的单体反应槽的个数，其中第i级 反应槽中呈阳性的单体反应槽的个数为ai，i＝1,2,3,…,I；I≥2，ai≥1；
利用(式1)计算待测样品中被测物质的含量C：
Σ i = 1 I a i · v i 1 - a i e - v i · C = Σ i = 1 I n i · v i ]]>   (式1)
其中：
vi为第i级反应槽的单体反应槽的体积，vi取值范围：1nL-100uL；
ni为第i级反应槽的单体反应槽的个数，ni≥2。

9.  如权利要求8所述的应用，其特征在于，待测样品中被测物质含量的校 准值Creal为：
Creal＝C·RS，其中RS为PCR反应的最小检出限。

说明书生物反应芯片及其在PCR反应中的应用
技术领域
本发明涉及生化领域试验用仪器，具体涉及一种生物反应芯片及其在PCR 反应中的应用。
背景技术
聚合酶链式反应(PCR)是一种简单、高效、特异性强的分子生物学检测方 法。经过30多年的发展已经衍生出了多种多样的扩增流程，如实时荧光定量聚 合酶链式反应(RT-qPCR)、环介导等温扩增技术(LAMP)、指数后线性扩增PCR 技术(LATE-PCR)等。这些技术的产生和发展，使得PCR技术逐步成为分子生物 学应用最为广泛的技术之一，特别是在病原微生物鉴定方面，实现了快速而又 高特异性鉴别。因此，在各卫生防疫部门、检验检疫中心实验室广泛配置了PCR 定量装置。然而，类似实时荧光定量聚合酶链式反应(RT-qPCR)的定量体系，必 须使用标准品，进行的是相对于标准品浓度的相对定量，而且由于检测精密度 要求高，荧光定量检测系统设备昂贵、环境要求高。
发明内容
针对现有技术的缺陷或不足，本发明的目的之一是提供一种生物反应芯片。
为此，本发明提供的生物反应芯片包括主体板，所述主体板上开设有多级 反应槽，每级反应槽中可容纳生物反应试剂的量不同。
进一步，将多级反应槽按可容纳生物反应试剂的量从大到小排序，相邻级 的反应槽可容纳生物反应试剂的体积量比为定值。
优选的，相邻级的反应槽可容纳生物反应试剂的体积量比大于等于5。
更优选的，相邻级的反应槽可容纳生物反应试剂的体积量比为5-20。
更进一步，每级反应槽包括若干个单体反应槽，且每级反应槽包括的单体 反应槽个数相同或不同，同一级反应槽中的若干个单体反应槽之间相互独立且 彼此可容纳的生物反应试剂的量相同。
可选的，每级反应槽中单体反应槽的个数为5-20。一般相邻级的反应槽体 积量比越小每级反应槽个数取值越大。
针对现有技术的缺陷或不足，本发明的目的之二是提供上述生物反应芯片 在PCR反应中的应用。
针对现有技术的缺陷或不足，本发明的目的之三是提供上述生物反应芯片 在PCR反应绝对定量检测中的应用。
为此，本发明提供的生物反应芯片在PCR反应定量检测中的应用包括：
将待测样品和PCR反应试剂装载在上述生物反应芯片中进行PCR扩增反应 后，读取数据和计算待测样品中被测物质的含量；
所述读取数据为读取每级反应槽中呈阳性的单体反应槽的个数，其中第i级 反应槽中呈阳性的单体反应槽的个数为ai，i＝1,2,3,…,I；I≥2，ai≥1；
利用(式1)计算待测样品中被测物质的含量C：
Σ i = 1 I a i · v i 1 - a i e - v i · C = Σ i = 1 I n i · v i ]]>(式1)
其中：
vi为第i级反应槽的单体反应槽的体积，vi取值范围：1nL-100uL；
ni为第i级反应槽的单体反应槽的个数，ni≥2。
所述的待测样品为病原微生物核酸。
待测样品中被测物质含量的校准值Creal为：
Creal＝C·Rs，其中Rs为PCR反应的最小检出限。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明提供的生物反应芯片无需定量标准品，可以进行溶液核酸浓度的 定量检测。
2、利用本发明的生物反应芯片进行定量检测时，定量检测的浓度由检测数 值直接获得，因此为溶液核酸的绝对浓度。与现有技术依赖定量标准品所获得 的相对溶液浓度值相比，具有更高的可靠性。
3、本发明提供的生物反应芯片，与现有PCR定量检测技术相比具有装置小、 便携性强、检测速度快的优点。
附图说明
图1为实施例1提供的生物反应芯片的结构示意图(单位：毫米)；
图2为实施例2的方法流程示意图；
图3为对比例的结果对比分析图；该图中的CHIP表示本发明芯片的校正前 结果C，CHIP COR表示本发明芯片的校正后结果Creal，两者相差RS倍。
具体实施方式
本发明的主体板的材质为可以用于生物反应的材质，例如PDMS (Polydimethylsiloxane)。可选的，PDMS材质的芯片制成后，采用臭氧等离子 进行表面处理，使之表面具有亲水性，有利于样本和PCR反应液进入反应孔。
可选的，本发明的主体板为圆形板、三角形板、方形板或椭圆形板以及中 心对称的板型。
可选的，本发明的单体反应槽为圆形反应槽或方形反应槽。
进一步可选的，本发明的主体板为圆形板，所述单体反应槽为圆形反应槽。
本发明的主体板上开设有至少两级反应槽。
本发明提供的上述生物反应芯片在PCR反应中的应用包括：
将生物反应试剂装载于生物反应芯片的各级反应槽中，且各级反应槽的装 载量为饱和状态(装满)；
在设有反应槽的主体板面上加盖反应盖；
将装载有生物反应试剂和加盖有反应盖的芯片置于合适的温度下进行PCR 扩增反应。
可选的，将生物反应芯片置于离心镀膜机上，将足够量生物反应试剂置于 主体板上，通过离心镀膜机的离心作用将生物反应试剂装载于各级反应槽中。 可选的，所述主体板的底面贴有封闭薄膜。可选的，所述反应盖为表面涂覆有 PDMS的载玻片。可选的，所述封闭薄膜为PC防水材料。
本发明的生物反应芯片适用于其他任何PCR衍生流程，包括荧光PCR、环介 导等温扩增技术(LAMP)、指数后线性扩增PCR技术(LATE-PCR)等。
本发明所述的最小检出限Rs取决于扩增方法(PCR衍生流程)有关系，Rs的 取值范围一般是是大于等于1小于等于10。具体如使用环介导等温扩增技术 (LAMP)Rs为1到5，指数后线性扩增PCR技术(LATE-PCR)Rs为5左右，荧光 PCR技术Rs为10左右。例如：采用已定量的乙肝核酸标准品(1000copies/mL) 梯度稀释，使用拟采用的扩增方法(LAMP)和试剂体系进行等体积批量扩增(10uL) (浓度较小、稀释可能有误差，每一种浓度都扩增2个8连管，共16管)，取 观察能够到的最小浓度为Rs。
本发明(式1)推导过程如下：
设生物反应芯片中由内到外分为多级反应槽(反应槽的级数大于等于2，一 般其取值越大，精度越大)，每级有若干个反应体积相同的单体反应槽,芯片上 所有单体反应槽体积之和为V。
在检测灵敏度Rs范围内，溶液体积V(V表示所有孔中溶液的总体积)中 只有一个核酸分子，且不在一个孔内(第i级第j孔)的概率为：
P s 1 = 1 - v ij V ; i = 1,2 , · · · , m ; j = 1,2 , · · · , n ; ]]>vij表示第i级第j孔的体积。
假设有k个核酸分子在V体积的溶液内，因此，样品溶液的绝对浓度为：
C = k V ]]>
一个孔内(第i级第j孔)不含有任何核酸分子的概率为：
P sk = ( 1 - v ij V ) k ]]>
因此，该孔(第i级第j孔)为PCR扩增阳性孔的概率为：
P pk = 1 - P sk = 1 - ( 1 - v ij V ) k ]]>
一般地，在第i级的n个单体反应槽中，获得a个PCR扩增阳性孔的概率， 可由二项分布计算公式得出概率密度f(a|k)：
f ( a | k ) = n ! a ! ( n - a ) ! P pk a ( 1 - P pk ) n - a ]]>
因为
lim n → ∞ ( 1 - 1 n ) n = e - 1 ]]>
当溶液总体积V远大于单体反应槽中的溶液体积vij时，可以由上述公式中 推导得出：
lim V → ∞ ( 1 - v ij V ) k = e - v ij · k V = e - v ij · C ]]>
f ( a | k ) ≅ f ( a | C ) = n ! a ! ( n - a ) ! · ( 1 - e - v ij · C ) a · ( e - v ij · C ) n - a ]]>
当考虑所有反应级别中，对应的阳性孔数量ai(i＝1,2,…,m)发生的概率密 度的最大似然估计，可以得到最大似然函数关于样品液浓度C的方程：

对L(C)求偏微分，该样品最大似然浓度(C,Concentration of Maximum  Likelihood)为L(C)导函数为0时的根，
L(C)·＝0
即下面方程C的解：
Σ i = 1 m a i · v i 1 - a i e - v i · C = Σ i = 1 m n i · v i - - - ( 1 ) ]]>
又因为反应芯片反应槽溶液总体积V可表示为：
V = Σ i = 1 m n i · v i ]]>
方程(1)可简化为：
Σ i = 1 m a i · v i 1 - a i e - v i · C = V ]]>
如果认为样品的最小检出限Rs为1个核酸分子，那么绝对核酸浓度C即为 该方程的解。
如果考虑各PCR试剂的灵敏度，即最小检出限Rs，那么样品的绝对核酸浓 度修正为：
Creal＝C·Rs
以下是发明人提供的具体实施例，以对本发明的技术方案作进一步解释说 明。
实施例1：
该实施例的生物反应芯片的主体板材质为PDMS(Polydimethylsiloxane)， 芯片采用已有文献报道的硅片光刻蚀法制作，结构示意图如图1所示。
该实施例的生物反应芯片包括主体板1(直径46mm、厚300μm)，主体板1 上刻蚀有6级反应槽2，且各级反应槽在主体板1上呈一定规律是分布，该实施 例的6六反应槽在主体板上呈圆周分布，同一级反应槽中的多个单体反应槽呈 等间距圆周式分布，且沿主体板的径向从主体板边缘至中心，各级反应槽的单 体反应槽直径逐渐减小，个数基本保持恒定，单个反应槽体积差别在1个数量 级左右，分别是：
各级单体反应槽的直径：7.28mm、2.37mm、0.72mm、0.22mm、0.07mm、0.02mm；
每个单体反应槽的深度均为40μm；
各级单体反应槽的个数：10个、20个、20个、20个、20个、20个。
各级单体反应槽体积vi：1.655uL、1.76E-01uL、1.63E-02uL、1.52E-03uL、 1.54E-04uL、1.26E-05uL。
所有反应槽总体积V:20.4297uL
当最小检出限Rs为1时，
该反应芯片最大检测核酸浓度为：1.0E09copies/mL；
该反应芯片最小检测核酸浓度为：50copies/mL；
上述最小检测核酸浓度：在第1级(单体反应槽体积最大的级别)有1个 反应孔阳性时(所有的单体反应槽中只有一个阳性孔)，根据式1计算得出；最 大检测核酸浓度：全部单体反应槽呈阳性时，根据式1计算得出。
实施例2：
该实施例利用实施例1的生物反应芯片对乙肝HBV-DNA样品进行PCR绝对 定量检测，
该实施例所用PCR反应试剂,使用乙肝病毒的LAMP PCR反应体系，包括(终 浓度)：20mM Tris-HCl,10mM KCl,10mM(NH4)2SO4,9mM MgSO4,1.4mM dNTP,0.8 M Betain,8UI Bst DNA Polymerase。
引物设计采用M38636(GENE BANK编号)乙肝HBV标准型C型S区序列为 模板，通过PrimerExplorerV4软件设计完成，扩增产物全长为200bp,引物为 2对：外引物一对F3/B3和内引物一对FIP(F1c+F2)/BIP(B1c+B2)。使用时， 引物终浓度为F3/B30.2uM,FIP/BIP 1.6uM。
F3:5’-CACGGGACCATGCAAGAC-3’；
B3:5’-AAACAGTGGGGGAAAGCC-3’；
FIP:5’-TGCAGTTTCCGTCCGAAGGTTT-CTGCACGATTCCTGCTCAA-3’；
BIP:5’-CGCAAGATTCCTATGGGAGGGG-ACCACTGAACAAATGGCACT-3’；
其中F2、F1c、B2、B1c的序列为：
F2:CTGCACGATTCCTGCTCAA；
F1c:TGCAGTTTCCGTCCGAAGGTTT；
B2:ACCACTGAACAAATGGCACT；
B1c:CGCAAGATTCCTATGGGAGGGG；
如图2所示，方法包括PCR反应芯片上样、PCR反应、定量检测和定量值计 算四个步骤：
第一步，将上述PCR反应芯片固定于真空离心镀膜机上，将待测样本与PCR 反应液混合，用移液器吸取足够量混合液体置于芯片中心位置。开启离心机直 到多余的混合液体被移除到芯片外，取出PCR反应芯片加反应盖(反应盖为玻 璃盖玻片上离心镀膜PDMS 10-100微米，疏水)，并在芯片底部贴上封闭薄膜(PC 防水材料，防止反应液体从PDMS材料上的透气微孔蒸发)。
第二步，将制作好的含有样品和PCR反应液的PCR反应芯片如图2放在程 控加热金属板(针对标准的PCR反应)或恒温加热金属板(针对使用LAMP技术 的PCR反应)上，经过足够多的扩增循环后(该反应体系下，扩增温度为66摄 氏度)，降低金属板加热温度至50摄氏度以下去掉封闭膜，继续加热直至反应 孔液体完全挥发。
第三步，去掉PCR反应芯片上的玻璃盖，将反应芯片重新固定于真空离心 镀膜机上，用移液器吸取足够量溴乙锭或0.1％SYBR-GREEN(或其它核酸染色剂) 置于芯片中心位置，开启离心机直到多余的染色液被移除到芯片外，取出PCR 反应芯片加检测盖(检测盖为二氧化硅玻片经过臭氧等离子进行表面处理)，将 芯片置于紫外光或荧光下检测，记录各级别中每个级别的阳性孔(有检测信号) 的数量。
第四步，将反应参数按照公式要求，把各级阳性孔数量、反应总体积V、各 反应孔体积等参数代入到(式1)中，求得该样品最大似然浓度C。
e＝2.718，实验结果：各级阳性反应孔的个数如表1所示：
表1
阳性反应孔个数(ai) 该级反应孔体积(vi) 该级反应孔总个数(ni) 1 1.26E-05uL 20 0 1.54E-04uL 20 2 1.52E-03uL 20 1 1.63E-02uL 20 4 1.76E-01uL 20 10 1.655uL 10
通过计算得出样品最大似然浓度C为9093copies/mL(1mL＝1000uL)，
研究发现该实施例试剂体系的最小检出限Rs为3，则该样品核酸的绝对浓 度修正为：
Creal＝C·Rs＝9093×3＝2.73×104copies/mL
对比例：
对90份未知核酸浓度的血清进行HBV-DNA提取和纯化，并采用ABI公司的 7500FAST实时荧光定量系统对所有样本进行了实时荧光定量PCR的检测。
实验试剂采用医疗用HBV-DNA定量检测试剂盒(湖南圣湘)，该试剂盒采用 4个血清标准品对待测样品进行实时荧光定量。
从检测结果中选取了5份HBV-DNA定量结果具有一定梯度差异的样品进行 对比例的实验。5份样品的仪器检测结果如表2所示：(该表中的单位是：拷贝/ 毫升,英文copies/mL)
表2
样品1 样品2 样品3 样品4 样品5 879 2517 20000 69000 278000
使用实例2中的实验方法和实例1中的反应芯片，采用同样的HBV-DNA血 清纯化后待测样本进行检测，反应芯片结果如表3所示：
表3

由实例1公式计算得出5个样品的核酸浓度值C和校正值Creal如表4所示(该 表中的单位是：拷贝/毫升,英文copies/mL)：
表4
样品编号 样品1 样品2 样品3 样品4 样品5 C 525 1467 4373 20648 278805 Creal 1575 4401 13119 61944 836415
使用荧光定量仪器所得样品结果RT-PCR与校正前、后生物芯片结果比较如 图3所示。结果显示，RT-PCR与校正后生物芯片的完全单调相关(Spearman相 关系数＝1)，T检验RT-PCR与校正后生物芯片的值分布统计P值为0.542，表明 没有统计学差异。