[发明专利]用于生物样品中的微流控装置、核酸提取及扩增方法

说明书

本发明提供了用于生物样品中的微流控装置、核酸提取及扩增方法。具体地，本发明的用于生物样品中的微流控装置，包括一可动的连接通路、一固定相、若干空腔，两组所述空腔又包括至少一个用于容纳裂解液的空腔，至少一个用于容纳清洗液的空腔，至少一个用于容纳洗脱液的空腔，至少一个用于容纳废液的空腔；当连接通路可分别位于第一、第二和第三状态。本发明通过不同变化空腔相对位置的变化，联通和断开流体连接通路，利于试剂在芯片上的存储和微流控器件的稳定保存和运输，并轻易实现核酸提取、扩增等实验操作。本发明具有集成度高、使用简便、耗时少、应用场景广等优点。

技术领域

本发明涉及微流控领域，尤其涉及一种用于生物样品中的核酸提取的微流控装置及方法。

背景技术

核酸(例如DNA和RNA)具有特异的编码序列，可以用于生物体(例如动植物、细胞、细菌及病毒等)的定性和定量分析。高效快速的从生物样本中纯化和提取核酸，对分子生物学科学研究和临床医学分子诊断具有重要的意义。例如：新型冠状病毒 (Covid-19)需要从鼻咽拭子中提取核酸，通过针对新冠病毒特异性的基因序列进行检测，可以实现对患者的排除和确诊。同时，还可以通过核酸检测判断新冠病毒的患者是否治愈，对控制疫情的发展具有重大的社会经济意义。

现有的核酸提取方法主要包括分离柱和磁珠法。分离柱中包含可以对核酸进行可逆吸附的固定相，而磁珠表面可以对核酸进行可逆吸附。通常的核酸提取主要包含以下步骤：1)样品裂解，将核酸从原有的结构(例如细胞中)释放出来；2)在一定的条件下，让溶液中的核酸分子吸附到表面(例如分离柱的固定相或磁珠的表面)；3)在一定的条件下，使用清洗液进行清洗，去除杂质；清洗液不会影响核酸分子在表面的吸附；4)在一定的条件下，使用洗脱液将原先吸附在表面上的核酸分子洗脱。上述一系列步骤可能会根据具体样品、所选取的流动相和固定相有所差别。通常情况下，不仅可以完成核酸的提取和纯化，还可以通过控制洗脱液和样品溶液的体积比例达到对核酸的浓缩。

分离柱多为低通量的手动操作为主，其中的代表产品是凯杰公司(Qiagen)的核酸离心分离柱QIAprep Spin Column。QIAprep离心分类柱包含独特的硅胶膜，在高浓度离液盐存在下可结合多达20μgDNA，并允许在少量低盐缓冲液中洗脱。QIAprep膜技术消除了费时的苯酚-氯仿萃取和酒精沉淀带来的问题和不便。分离柱通常结合离心机使用，手动将液体依次注入离心柱中，通过离心产生的离心力使流体按设计顺序依次通过固定相硅胶膜。分离柱也可以结合真空底座(vacuum manifold)使用，手动将液体依次注入离心柱中，通过真空底座产生的负压使流体按设计顺序依次通过固定相硅胶膜。此类方法的优势是离心柱子成本相对较低，在低通量条件下，经过专业培训的操作人员可以完成相应的核酸提取步骤，比较适合科研实验室使用。此类方法的劣势是通量较低，需要手动加液，在操作过程中容易产生液体撒漏和产生气溶胶。

磁珠法分离可以通过低通量的手动操作完成，也可以通过高通量的集成化仪器完成。磁珠法的主要原理是样品裂解处理后，游离的核酸可以吸附在磁珠的表面。磁珠具有较大的表面积/体积比例，结合相应的震荡操作可以使磁珠和溶液充分接触，提高核酸提取的效率。随后，磁珠可以在外界磁场的作用下形成聚集，和原样品裂解液分离。清洗液可以与磁珠混合，去除其他杂质。施加磁场后，磁珠和清洗液也可以完成分离。最后，洗脱液与磁珠混合，可以将吸附在磁珠上纯化后的核酸分子洗脱到溶液中，完成核酸提取。这种方法的优势是可以被集成到自动化流程中，但这些自动化机器通常体积较大且价格较为昂贵。

特别地，样品裂解的方式可以有温度裂解(例如热裂解)、机械裂解(例如磁珠打碎bead beating，和研磨等)、超声裂解(通过超声波将细胞膜破损)、化学裂解(例如加入氢氧化钠溶液)、生物裂解(例如加入蛋白酶K，protease K)或以上裂解方式的组合。

然而，这些现有技术至少存在如下一些技术问题：

1、现有的离心分离柱核酸提取方法(离心或真空)需要多步手动操作，因此需要专业的技术人员，且容易生成气溶胶，造成环境污染。