一种基于数字微流控技术的掌上焦磷酸测序系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于数字微流控技术的掌上焦磷酸测序系统，属于数字微流控技术领域。所述数字微流控芯片、电磁模块与集成电路连接，集成电路与化学发光采集模块连接至计算机。本发明专利技术所述基于数字微流控技术的掌上焦磷酸测序系统使用印制电路板为芯片基底，基于芯片上介电润湿原理通过对芯片上电极通电顺序的调控实现测序过程中的液滴生成、运输、混合和分裂，易于操控和小型化，所产生的光信号可以被快速实时读取，从而实现芯片上单碱基的测定。本发明专利技术具有结构简单，成本低，易集成，检测灵敏度高等优点，极大地降低了测序的成本，可广泛应用于基于焦磷酸测序的基因检测等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字微流控技术的掌上焦磷酸测序系统
本专利技术属于数字微流控
，具体为一种基于数字微流控技术的掌上焦磷酸测序系统。
技术介绍
自2003年人类基因组计划完成以来，DNA测序技术已经取得了巨大的进步。由此发展而来的许多方法已经实现了商业化，并且具备迅速完成整个基因组测序的能力。现阶段，使用DNA测序技术完成整个基因组测序工作已经变成生命科学研究中的“例行公事”。然而，随着DNA测序的应用环境变得越来越多样化，期望任何单一测序平台满足所有的使用需求已经成为不可能的事情。因此，现阶段更多的是需要对平台进行定制从而满足各种应用程序的特定需求和使用环境。那么通量更低,更便宜,更便于进行即时快速测定的DNA测序平台就成为了近期科研工作的热点。微流控作为一种微纳流体处理技术在DNA测序领域备受关注。其成本低、通量高、分析速度快、试剂消耗少的优势，对于提高DNA测序的通量及降低处理成本具有重要意义，代表着未来DNA测序走向微型化、集成化的发展方向。微流控芯片利用结构各异的微通道和形式多样的外加力场，对微量流体或样品在微观尺度上进行操纵、处理与控制，从而实现了DNA测序的部分乃至全部功能在一块微芯片上的集成。然而，常规微流控芯片的局限性也是非常明显的：结构复杂，加工难度大；需要机械泵、阀配合使用，集成化难度大；对多试剂位置和反应时间的精确控制稍显无力。这一系列尚未解决的问题意味着用于DNA测序的集成微流控芯片迄今难谈成熟。数字微流控技术(Digitalmicrofluidics,DMF)作为一种新兴的离散化微液滴操纵手段，由于具有一系列传统微流控技术无法比拟的优点有望改变这一现状。DMF是一种基于微电极阵列来实现离散液滴精确控制(包括移动、合并、分配和分裂等操作)的新型液滴操纵技术，其利用液滴在疏水化表面上的介电润湿现象实现了对微液滴的操控。通过外部电信号的控制，DMF可以驱动微液滴沿着预先设定好的路径运动，实现大通量离散化液滴的可控精准操纵。这种操纵方式具有高并行性和全自动化的特点，能够实现多通路实时可控反应，对于实现样品制备、反应、分离、检测等生化实验基本操作的完全集成化具有重要的意义，因此特别适用于高集成度、高性能、操作复杂的微生化分析系统。在诸多测序体系中，焦磷酸测序是一种对在DNA聚合反应中生成的无机焦磷酸盐(PPi)进行实时检测的方法，其通过观察每轮碱基配对的荧光强度即可以定量地确定一个特定的核苷酸是否添加到链，从而实现边合成边测序。焦磷酸测序本质上是一系列基于阵列的重复液体处理步骤，因此与基于电极阵列的DMF能快速、实时、自动化进行微液滴处理的特点非常匹配。因此为了解决上述问题，我们提出了基于印制电路板(Printedcircuitboard,PCB)的、以焦磷酸测序作为反应体系的全自动数字微流控掌上焦磷酸测序技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于数字微流控技术的掌上焦磷酸测序系统，可以实现焦磷酸测序的小型化。实现本专利技术的技术方案为：一种基于数字微流控技术的掌上焦磷酸测序系统，包括数字微流控芯片(1)、集成电路(2)、电磁模块(3)和化学发光采集模块(4)；所述数字微流控芯片(1)和电磁模块(3)与集成电路(2)连接，化学发光采集模块(4)和电磁模块(3)分别位于数字微流控芯片上下两侧的同一直线上，集成电路(2)和化学发光采集模块(4)分别连接至计算机上；所述数字微流控芯片(1)为双极板结构，包括一个下极板(11)、一个上极板(12)和间隙层(13)，上、下极板平行放置，上极板置于下极板上方并由具有固定高度的间隙层(13)分隔开来，形成间隙内含液滴的三明治结构；所述下极板包括印制电路板(111)、介电层(112)和疏水层(113)，印制电路板(111)优选由电路板印刷技术直接生成，作为数字微流控芯片的下极板基底和电极层，介电层(112)均匀涂覆于印制电路板上表面，疏水层(113)在下极板的上表面；所述上极板从下至上依次包括疏水层(121)、接地导电层(122)和上极板基底(123)；印制电路板(111)上具有一层通过快速打印形成的具有一定形状的铜(镀金)电极阵列作为电极层，电极层作为芯片结构的具体结构实现载体，可以根据需要形成单路、双路、多路甚至高通量的DNA测序结构。典型的单路电极层包括八个贮液池电极单元(1111)、八组液滴生成通道电极阵列(1112)、液滴混合(信号生成)电极阵列区(1113)，八组液滴生成通道电极阵列(1112)分别与八个贮液池电极单元(1111)相连，并以液滴混合(信号生成)电极阵列区(1113)为中心对称分列于其两侧。所述电磁模块(3)包括可控的磁性生成装置，用于数字微流控芯片所操纵液滴内磁珠的移动、混合和聚拢，所用磁铁材料是永磁铁、电磁铁中的一种；所用磁铁控制材料是PMMA、3D打印材料中的一种。所述化学发光采集模块(4)包括光圈，滤光片，光电倍增管，光电倍增管模块，操作暗箱；当包含磁珠的液滴移动于对应位置并产生化学发光信号时，光信号依次通过光圈、滤光片后进入光电倍增管被检测，产生电信号经光电倍增管模块采集放大后输出并显示到计算机上。为了保护电极表面、防止液滴的挥发，在间隙层中加入氟油(特别是FC-40)，同时起到促进液滴移动的作用。依据电极通电顺序的不同，所述贮液池电极单元可以生成单电极大小液滴、1.5倍电极大小液滴和2倍电极大小液滴等不同尺寸的液滴，在不同高度的间隙层体系下，所生成液滴体积可实现从1uL至10uL的变化。为了保证焦磷酸体系液滴的移动，在液滴中加入Pluronic基于数字微流控技术的掌上焦磷酸测序系统F68用以防止生物黏附，加入浓度为0.01％-0.2％。焦磷酸测序体系的多种试剂分别对应于数字微流控芯片上的贮液池电极单元，典型的单路数字微流控芯片上的贮液池电极单元具体为A、D、E、H-分别为含A、C、G、T四种核苷酸和APS底物的液滴；F-带有磁珠-待检测序列-测序引物复合物的液滴；B-包含ATP硫酸化酶、荧光素酶和DNA聚合酶的酶体系液滴；C-焦磷酸测序洗液；G-洗涤废液。一种基于数字微流控技术的掌上焦磷酸测序系统，典型的单路数字微流控焦磷酸测序步骤如下：步骤1、将带有磁珠的液体置于数字微流控芯片的贮液池电极单元内，转入步骤2；步骤2、集成电路(2)的控制电路控制电极驱动电路，按一定次序进行电极的通断电控制，从而从贮液池电极单元产生一个液滴，通过与其连接的通道电极阵列将液滴移动至液滴混合(信号生成)电极阵列，转入步骤3；步骤3、按照步骤2的操作分别生成含磁珠-待检测序列-测序引物复合物的液滴、包含ATP硫酸化酶、荧光素酶和DNA聚合酶的酶体系液滴和含A、C、G、T四种核苷酸中一种和APS底物的液滴，转入步骤4；步骤4、将步骤3中生成的三个液滴在液滴混合(信号生成)电极阵列位置混合，使液滴完全混合均匀；步骤5、在混合一分钟后，使用电磁模块将磁珠聚拢；步骤6、使用光电倍增管实时检测光信号，并从计算机中显示出来；步骤7、利用电磁模块使磁珠从液滴中分离出来，并使用焦磷酸测序洗液进行洗涤，直至该液滴无光信号输出，废液排至洗涤废液贮液池中；步骤8、返回步骤2，如此循环，直至检测到化学发光信号才进入下一轮测序。本专利技术与现有技术相比，其优势本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于数字微流控技术的掌上焦磷酸测序系统，其特征在于：包括数字微流控芯片(1)、集成电路(2)、电磁模块(3)和化学发光采集模块(4)；所述数字微流控芯片(1)和电磁模块(3)与集成电路(2)连接，化学发光采集模块(4)和电磁模块(3)分别位于数字微流控芯片上下两侧的同一直线上，集成电路(2)和化学发光采集模块(4)分别连接至计算机上；所述数字微流控芯片(1)为双极板结构，包括一个下极板(11)、一个上极板(12)和间隙层(13)，上、下极板平行放置，上极板置于下极板上方并由具有固定高度的间隙层(13)分隔开来，形成间隙内含液滴的三明治结构；所述下极板包括印制电路板(111)、介电层(112)和疏水层(113)，印制电路板(111)作为数字微流控芯片的下极板基底和电极层，介电层(112)均匀涂覆于印制电路板上表面，疏水层(113)在下极板的上表面；所述上极板从下至上依次包括疏水层(121)、接地导电层(122)和上极板基底(123)；印制电路板(111)上具有电极阵列作为电极层，该电极层包括八个贮液池电极单元(1111)、八组液滴生成通道电极阵列(1112)、液滴混合电极阵列区(1113)，八组液滴生成通道电极阵列(1112)分别与八个贮液池电极单元(1111)相连，并以液滴混合电极阵列区(1113)为中心对称分列于其两侧。...

【技术特征摘要】
1.一种基于数字微流控技术的掌上焦磷酸测序系统，其特征在于：包括数字微流控芯片(1)、集成电路(2)、电磁模块(3)和化学发光采集模块(4)；所述数字微流控芯片(1)和电磁模块(3)与集成电路(2)连接，化学发光采集模块(4)和电磁模块(3)分别位于数字微流控芯片上下两侧的同一直线上，集成电路(2)和化学发光采集模块(4)分别连接至计算机上；所述数字微流控芯片(1)为双极板结构，包括一个下极板(11)、一个上极板(12)和间隙层(13)，上、下极板平行放置，上极板置于下极板上方并由具有固定高度的间隙层(13)分隔开来，形成间隙内含液滴的三明治结构；所述下极板包括印制电路板(111)、介电层(112)和疏水层(113)，印制电路板(111)作为数字微流控芯片的下极板基底和电极层，介电层(112)均匀涂覆于印制电路板上表面，疏水层(113)在下极板的上表面；所述上极板从下至上依次包括疏水层(121)、接地导电层(122)和上极板基底(123)；印制电路板(111)上具有电极阵列作为电极层，该电极层包括八个贮液池电极单元(1111)、八组液滴生成通道电极阵列(1112)、液滴混合电极阵列区(1113)，八组液滴生成通道电极阵列(1112)分别与八个贮液池电极单元(1111)相连，并以液滴混合电极阵列区(1113)为中心对称分列于其两侧。2.根据权利要求1所述的基于数字微流控技术的掌上焦磷酸测序系统，其特征在于：所述电磁模块(3)包括可控的磁性生成装置，用于数字微流控芯片所操纵液滴内磁珠的移动、混合和聚拢，所用磁铁材料是永磁铁、电磁铁中的一种；所用磁铁控制材料是PMMA、3D打印材料中的一种。3.根据权利要求1所述的基于数字微流控技术的掌上焦磷酸测序系统，其特征在于：所述化学发光采集模块(4)包括光圈，滤光片，光电倍增管，光电倍增管模块，操作暗箱；当包含磁珠的液滴移动于对应位置并产生化学发光信号时，光信号依次通过光圈、滤光片后进入光电倍增管被检测，产生电信号经光电倍增管模块采集放大后输出并显示到计算机上。4.根据权利要求1所述的基于数字微流控技术的掌上焦磷酸测序系统，其特征在于：为了保护电极表面、防止...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨朝勇，阮庆宇，邹芬香，郑萍萍，张明霞，林水潮，周雷激，朱志，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35