光機(jī)電一體化技術(shù)與芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)結(jié)合

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(shí)時(shí)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)將光機(jī)電一體化技術(shù)與芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)結(jié)合，就傳統(tǒng)RT-PCR技術(shù)的缺點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)攻關(guān)，取得一系列進(jìn)展。

吳文明研究員最近一年率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)成功的多套PCR系統(tǒng)

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(duì)成功研發(fā)出采用實(shí)時(shí)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(diǎn)檢測難以區(qū)分假陽性的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)基于單恒溫?zé)嵩?，只需要一次進(jìn)樣就可同步實(shí)現(xiàn)微液滴生成、熱循環(huán)擴(kuò)增以及核酸絕對定量分析的整個(gè)數(shù)字PCR檢測流程。工作流程實(shí)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(shí)，該系統(tǒng)自帶太陽能電池，可實(shí)現(xiàn)能源自給，為現(xiàn)場檢測奠定了基礎(chǔ)，并且實(shí)驗(yàn)室整機(jī)成本僅萬元以內(nèi)；在試驗(yàn)耗材方面，因其不依賴國外系統(tǒng)采用的價(jià)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(gè)SCI刊物。

團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出的低成本RT-PCR系統(tǒng)，實(shí)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(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)系統(tǒng)的體積功耗以及重量，同時(shí)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(duì)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(jì)實(shí)現(xiàn)了芯片實(shí)驗(yàn)室不同下游應(yīng)用，而且基于連續(xù)流動式技術(shù)在國際上提出了能耗重量體積最小的“手持式基因指紋分析儀”以及“手持式實(shí)時(shí)熒光定量PCR系統(tǒng)”，為實(shí)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(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)仍需要從分析儀器和檢測試劑兩個(gè)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(duì)下一步的工作重點(diǎn)。