【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】人類對于核酸的研究已經(jīng)有100多年的歷史。20世紀(jì)60年代末70年代初，人們致力于研究基因的體外分離技術(shù)。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(jù)悉，Khorana于1971年提出核酸體外擴(kuò)增的設(shè)想。但是，當(dāng)時的基因序列分析方法尚未成熟，對熱具有較強(qiáng)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(xué)家Kary Mullis在高速公路的啟發(fā)下，經(jīng)過兩年的努力，發(fā)明了PCR技術(shù)，并在Science雜志上發(fā)表了關(guān)于PCR技術(shù)學(xué)術(shù)論文。從此，PCR技術(shù)得到了生命科學(xué)界的普遍認(rèn)同。
 

　　此外，作為基因檢測的金標(biāo)準(zhǔn)，聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)技術(shù)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(shù)作為核心手段。但是，RT-PCR技術(shù)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(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室研究員吳文明在長春光機(jī)所率先開展了聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)研究。近期，團(tuán)隊將光機(jī)電一體化技術(shù)與芯片實驗室技術(shù)結(jié)合，就傳統(tǒng)RT-PCR技術(shù)的缺點進(jìn)行了系統(tǒng)攻關(guān)，取得一系列進(jìn)展。
 

　　鑒于傳統(tǒng)RT-PCR技術(shù)核酸檢測靈敏度低和傳統(tǒng)數(shù)字PCR技術(shù)存在集成自動化程度較低等弊端，團(tuán)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(shù)字PCR系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)數(shù)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?zé)嵩矗恍枰淮芜M(jìn)樣就可同步實現(xiàn)微液滴生成、熱循環(huán)擴(kuò)增以及核酸定量分析的整個數(shù)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(shù)字PCR系統(tǒng)需要依賴人工操作在不同儀器上反復(fù)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(chǔ)，并且實驗室整機(jī)成本僅萬元以內(nèi)；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(shù)字PCR芯片，從而大大降低數(shù)字PCR檢測耗材成本。相關(guān)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(tuán)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(jié)合芯片光學(xué)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(dǎo)體存在的升降溫速度慢這一弊端，研發(fā)出了一種基于機(jī)械位移式的新型RT-PCR定量系統(tǒng)，此系統(tǒng)可實現(xiàn)擴(kuò)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(fù)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(shù)奠定了基礎(chǔ)。
 

　　為解決PCR芯片流體控制依賴昂貴外部驅(qū)動系統(tǒng)的弊端，團(tuán)隊系統(tǒng)開展了“免外部能源與復(fù)雜驅(qū)動系統(tǒng)”的多相流體自發(fā)控制的研究，并從方法學(xué)層面拓展出多種衍生原理，還結(jié)合多種自發(fā)式流體控制手段與新型芯片設(shè)計實現(xiàn)了芯片實驗室不同下游應(yīng)用，而且基于連續(xù)流動式技術(shù)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(chǔ)。
 

　　核酸檢測PCR作為一種在疾病檢測領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用的技術(shù)，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(jīng)濟(jì)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(biāo)仍需要從分析儀器和檢測試劑兩個方面進(jìn)行深入的系統(tǒng)性突破研究，這也將會成為團(tuán)隊下一步的工作重點。