[发明专利]用于长DNA分子长度筛分的微流芯片、装置及其应用方法

说明书

本发明公开了用于长DNA分子长度筛分的微流芯片、装置及其应用方法，本方案通过在单分子DNA与单个磁性微米球进行连接，形成DNA‑磁性微球组合体，通过作用在磁性微球上的磁场力和作用在DNA分子上的电场力共同作用，使得不同长度的DNA组成的DNA‑磁性微球组合体运动到对应的力平衡位置，从而实现DNA分子长度筛分；本方案具有设备简单，操作简易，通用性强等优点，相较于传统装置，本方案不依赖含空隙基质或微纳结构对DNA运动的阻力，同时也不受固定的基质空隙或微纳结构尺寸的约束，因此其能显著提高长DNA分子的筛分速度(秒级)和可筛分的DNA分子量范围(几百到几十万碱基对)，该方案对长DNA分子的筛分和操控以及微流芯片技术的发展具有重要意义。

技术领域

本发明涉及微纳米技术和分子生物技术领域，尤其涉及用于长DNA分子长度筛分的微流芯片、装置及其应用方法。

背景技术

DNA分子操控和分析是当前生物和医学研究应用的基础。其中，DNA长度筛分是实现DNA制备、提纯、长度分析和信息检测的重要技术。

当前DNA长度筛分主要是利用基于分离基质的电泳方法。电泳方法通过作用在带负电荷的DNA磷酸骨架上的电场力驱动DNA穿过带有空隙的分离基质(通常为凝胶类物质)，电场力和分离基质阻力的共同作用导致不同大小DNA运动速度不同，进而实现DNA长度筛分。直流电泳是应用最广泛的电泳方法(Smisek，1990，DOI：10.1126/science.2349481；TJamil，1985，DOI：10.1080/07391102.1985.10507612；刘永峰，CN107365857A)。然而，由于分子量较大的DNA难以通过分离基质的空隙，运动速度差异较小，因此直流电泳方法难以对高分子量DNA(大于2万碱基对)进行有效筛分。

随着单分子DNA信息分析、单细胞染色体提取分析、人工染色体构建与检测等生物医学研究的发展，对较宽分子量范围DNA样品进行和筛分的需求日益增加。例如，交流(脉冲)电泳通过给DNA更大驱动力和更多运动自由度，实现较高分子量DNA的筛选(陈洪友，2017，DOI：10.13590/j.cjfh.2017.06.002；田云屏，2019，DOI：10.19812/j.cnki.jfsq11-5956/ts.2019.22.045；王林林，CN105671166A；韩辉，CN102305823A；杨弘，CN103196980A)。然而，随之而来的问题是交流(脉冲)电泳方法耗时长(小时到天)并且产生不利于DNA稳定的高温。

含有微结构的微流芯片通过芯片中的含空隙基质或微纳结构提供和DNA分子大小相关的运动阻力，从而实现DNA分子的长度筛分(Lee，2020，DOI：10.1186/s40580-019-0212-3；Baba，2003，DOI：10.1063/1.1602555；Fu，2006，DOI：10.1103/PhysRevLett.97.018103)。该方法可以实现微量DNA样品的长度筛分和操控，并且具有发展成一体化微流芯片检测系统的潜力。然而，该方法具有以下缺点：

(1)该方法筛分的DNA分子的长度范围和微流沟道中固定的基质空隙或微纳结构的尺寸直接相关，因此可筛分的DNA分子量的范围有限；

(2)由于该方法依然需要加工具有特定尺寸的微纳结构，因此芯片加工较昂贵，并且有芯片容易堵塞等问题。近期，基于组合力场的无分离基质(或微纳结构)微流芯片技术开始崭露头角，例如，利用介电泳方法(Gallo，2009，DOI：10.1002/elps.20090035；Jones，2017，DOI：10.1021/acs.analchem.6b03369；水玲玲，CN112034029A)。该方法避免了在微流芯片中构建微纳米结构，从而避免了上述含微结构微流芯片存在的问题。然而该类方法依然存在不足，例如，利用介电泳分离出DNA，可能会出现分离出来的DNA带模糊、DNA带缺失、不规则DNA带迁移、带弱或无DNA带等现象；无基质微流芯片的装置和芯片加工也比较复杂。

综上所述，目前适用于较宽分子量(几百到几十万碱基)、小样品量DNA的快速长度筛分和实时检测的方法尚需构建。