基于微流控技術的數(shù)字PCR檢測儀設計與實現(xiàn)

何關金

(廣東順德工業(yè)設計研究院〈廣東順德創(chuàng)新設計研究院〉 廣東 佛山 528000)

0 引 言

聚合酶鏈式反應(Polymerase Chain Reaction，PCR)技術是分子生物學的基礎手段，用于特定核酸片段的相對定量和絕對定量，自20世紀70年代問世以來，在生命科學、分子診斷、醫(yī)學研究以及農(nóng)業(yè)等領域獲得了廣泛應用，為人類的生命健康和自然的和諧發(fā)展發(fā)揮了巨大作用[1]。PCR技術分為 3個階段，即普通 PCR、實時定量 PCR(quantitative PCR，qPCR)和數(shù)字 PCR(digital PCR，dPCR)[2-4]。

數(shù)字PCR技術于20世紀末提出，其原理是將實時定量PCR反應體系通過一定的技術手段進行有限元分區(qū)，形成數(shù)以萬計的單一反應體系，當分區(qū)足夠多時，根據(jù)泊松分布原理，以沒有發(fā)生擴增反應的陰性分區(qū)比例可以計算出目標分子的起始拷貝數(shù)，從而計算出濃度等。作為絕對定量技術，其優(yōu)勢在于無需標準曲線，靈敏度高，線性范圍廣。根據(jù)泊松分布原理，分區(qū)數(shù)量越多，所獲得的結果越精確[5]。

初期的數(shù)字PCR技術主要以多孔芯片中的微反應室(多至 20000孔)對反應體系進行分散，其固有的缺點是分散單元數(shù)量相對較少，且載樣過程復雜不易重復[4]。微滴式數(shù)字 PCR(droplet digital PCR，ddPCR)技術作為一種更靈活的方法，被越來越多地研究和應用[6-8]。針對微滴式數(shù)字PCR技術的龐大應用市場，配套的數(shù)字 PCR檢測設備越來越多地受到國內(nèi)外相關行業(yè)公司的關注[9]。

本文設計了一種基于微流控技術的微滴式數(shù)字PCR檢測儀，用于檢測微滴擴增后產(chǎn)生的熒光信號，通過采集、分析熒光信號波形得到陰性微滴比例，根據(jù)泊松分布原理從而得到靶分子的起始拷貝數(shù)或濃度。本儀器設置 2個熒光檢測通道，具有檢測靈敏度高、線性范圍廣、結果分群明顯等優(yōu)勢，能快速準確定量核算分子濃度，可應用于腫瘤、感染性疾病、基因多態(tài)性、多基因遺傳病診斷，具有廣闊的應用前景。

1 儀器設計與制造

1.1 硬件設計方案

檢測儀系統(tǒng)框圖如圖1所示。通過進樣針、切向閥、注射泵配合使用抽取微滴，并驅動流過微滴檢測芯片，在十字口經(jīng)載體油推動排列成單個微滴的序列進入檢測位置，如圖2所示。LED激發(fā)光源激發(fā)微滴內(nèi)針對不同基因探針標記的FAM或VIC熒光染料，2種熒光染料發(fā)射波長分別為520nm(FAM熒光)和554nm(VIC熒光)。通過光學組件將 2種熒光分離，并通過2組PMT探測器采集熒光信號，將其轉換為模擬信號。2路模擬熒光信號經(jīng)過二階有源濾波器濾除噪聲后送入 16位 ADC轉換為數(shù)字信號，通過FPGA對 2路信號進行快速采集。ADC采樣芯片選擇 ADI公司的 AD1377，該芯片輸入電壓范圍廣，線性誤差小，采樣速度高。ADC采集到的熒光波形數(shù)據(jù)傳輸給主CPU(STM32F103)，并通過USB接口將數(shù)據(jù)傳送到PC端電腦分析軟件。

為了完成微滴在96孔板中不同孔位進樣還需要控制三維運動機構實現(xiàn)對孔位的定位。三維機構運動采用3組帶編碼器的無刷電機閉環(huán)控制，實現(xiàn)位置精確定位及確保微滴抽取完全。通過控制注射泵的運動和切向閥的轉換實現(xiàn)微滴進樣、抽樣、液路清洗等過程。儀器采用步進電機控制進樣門的開合，操作簡單。本檢測儀還加入了廢液油過量檢測、檢測油空、96孔板未安裝等故障檢測功能，以確保實驗正常進行。

無刷直流電機驅動器采用 A4989三相集成驅動芯片控制。A4931是Allegro MicroSystems公司推出的三相無刷直流電機電機的前置驅動器，可驅動多種N溝道的功率 MOSFET，支持的馬達供電電源高達30V，同時還具有堵轉保護、過熱停機、過壓監(jiān)視等功能。DIR端口控制電機的運動方向，PWM 端口控制電機的運動速度，Brake端口用于電機剎車，防止過沖。同時通過FG1和FG2可以準確測量電機的旋轉速度。AM26LV31為單端轉差分信號的芯片，可以將外部輸入的Hall單端信號轉化為A4931需要的差分信號。同時，無刷直流電機配 10000線的 ABZ編碼器用作閉環(huán)位置反饋信號，為編碼器信號輸入口，濾波后與CPU相連。

圖1 檢測儀系統(tǒng)框圖Fig.1 Detector system block diagram

圖2 熒光檢測流道Fig.2 Fluorescence detection flow path

1.2 熒光信號處理系統(tǒng)

系統(tǒng)熒光信號處理過程如圖3所示。采集的熒光信號并不是平滑的，存在一些由于電源波動、流體雜質、信號干擾等造成的隨機噪聲，隨機噪聲將對后期峰值提取造成失效或不準的影響。在峰值提取之前需要對信號進行濾波處理。另外，在微滴熒光檢測過程中，熒光檢測點位于玻璃檢測芯片微流道的中間。由于檢測油的液體折射、散射和玻璃材質芯片散射光的作用，整體的熒光數(shù)據(jù)會出現(xiàn)整體向上偏移。因此，峰值提取前進行了基線調(diào)整。

圖3 熒光信號處理過程Fig.3 Fluorescence signal processing

波形識別情況更為復雜，當微滴較好地均勻離散通過檢測點時，微滴波形呈現(xiàn)高斯分布。但是，實際中微滴通過檢測點時并不理想，會存在多個微滴同時通過、重疊通過的情況，同時還存在流體中雜質發(fā)出非正常熒光信號干擾的情況，針對每種情況需要識別，然后保留或剔除。為了檢測突變基因變異程度，本微滴式數(shù)字PCR檢測儀設計了FAM和VIC 2種熒光通道，但引入了通道間熒光值串擾的問題，因此我們對每個通道熒光值進行了補償。

1.3 熒光補償

“熒光補償”是指修正熒光光學信號在探測器相互滲透并被數(shù)字化檢測的過程。熒光補償不足會導致弱陽性群體使假陽性顆粒增多，過度補償則會丟失弱陽性群體而導致假陰性。經(jīng)過設計不同濃度的單熒光探針雙通道的實驗，確定了不同濃度熒光素鈉在同時通過2種通道時，2種通道采集的熒光數(shù)據(jù)呈線性分布。因此，可以采用線性的方式補償熒光。

x定義為在n探測器中檢測到的來自x熒光的信號。這樣fF1就是指FAM探測器中FAM探針熒光的信號；vF2是指VIC熒光探測器中VIC熒光的信號。Dn是指探測n所檢測到的熒光信號[10-11]。于是有：

x熒光在其他探測中的信號將與xFn計算例(n指代專門收集此熒光的探測器)；這樣，如要知道有多少真正的FAM或VIC信號，就需要計算fF1和vF2。現(xiàn)已知的比值恒定。同理，比值恒定。比值定義如下：

同理，由單一VIC熒光補償質控物實驗可得：

由公式(1)(2)(7)(8)可得：

FAM探測器中真正FAM熒光值為：

VIC探測器中真正VIC熒光值為：

補償后的峰值為單色熒光產(chǎn)生的實際值，根據(jù)自動閾值劃分算法確定陰陽區(qū)分的閥值，熒光幅值大于等于閥值劃分為陽性微滴，熒光幅值小于閥值劃分為陰性微滴。

1.4 樣本濃度及變異比率計算

數(shù)字PCR是利用直接計數(shù)的方法進行定量，在PCR擴增后有熒光信號的微滴確定為陽性微滴，無熒光信號的微滴記為陰性微滴。把樣本通過微滴生成方法均勻分割后，理論上每個有熒光信號的微滴代表一個DNA分子拷貝數(shù)。但是，在通常情況下，數(shù)字PCR反應單元(單個微滴)中可能包含2個或2個以上的目標分子，這時需要用泊松分布公司進行計算[12]。

式中：λ為每個反應單元(單個微滴)中包含目標DNA分子的平均拷貝數(shù)(濃度)；P為在一定的λ條件下，總反應體積中所包含k個拷貝目標DNA分子的概率。

而λ由樣本的稀釋倍數(shù)m決定：

同時，k＝0時，P可以看作陰性微滴個數(shù)(無熒光信號反應單元的個數(shù))與微滴總個數(shù)(總反應單元個數(shù))的比值，即：

其中，n為微滴總數(shù)，f為陽性微滴個數(shù)，對等式(12)兩邊取對數(shù)(ln)得

1μL體積下的拷貝數(shù)為：D=c/V(V為總反應體積，單位為μL)

用FAM通道內(nèi)探針標記突變型基因，得到突變基因的拷貝數(shù)d1；用VIC通道內(nèi)探針標記野生型基因，得到野生型基因的拷貝數(shù)為d2。由公式(13)可確定基因突變率。

1.5 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)軟件設計

數(shù)據(jù)分析軟件作為檢測儀重要組成部分，完成對熒光檢測數(shù)據(jù)的分析，向用戶直觀展現(xiàn)陽性微滴、陰性微滴、總微滴、微滴拷貝數(shù)、基因變異系數(shù)等數(shù)值信息，同時通過一維和二維圖形展現(xiàn)微滴分群情況。分析軟件系統(tǒng)框架如圖4所示，由實驗設置、實驗運行、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)設置以及幫助5個部分組成。

圖4 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)軟件架構圖Fig.4 Software architecture diagram of data analysis system

實驗設置(Mode)界面可以對需要運行的孔位、樣本名稱、實驗類型、檢測類型等進行設置，同時可以加載之前保存的設置。

實驗運行(Run)界面直觀展現(xiàn)當前檢測的孔位，執(zhí)行進度以及上一個孔檢測結果的一維圖和二維圖，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件運行界面Fig.5 System software operation interface

圖6 系統(tǒng)軟件分析界面Fig.6 System software analysis interface

分析界面(Analyze)顯示通過Mode界面加載的孔的結果數(shù)據(jù)(圖6)。分析界面分為結果圖窗口、結果表窗口和孔選擇窗口。結果圖窗口以一維圖、二維圖的形式展示了微滴分布的結果；結果表窗口以表格方式展示了對應孔位檢測的陽性微滴數(shù)、陰性微滴數(shù)、總微滴數(shù)、總拷貝數(shù)等信息。孔選擇窗口為用戶自由選擇對比孔提供了便利，方便同類實驗對比。

系統(tǒng)設置(System)界面可以設置系統(tǒng)參數(shù)，如微滴直徑、樣本體積、數(shù)據(jù)保存路徑、數(shù)據(jù)保存類型等。

2 實驗結果

為驗證本套數(shù)字PCR系統(tǒng)的準確性與精度，本研究購買了Horizon(#HD780)突變頻率為5%、1%、0.1%、0%標準品，每個樣本2個重復，試驗重復3次，結果顯示，同一次試驗中2個結果較為相近，與標準品提供的拷貝數(shù)一致，同一樣本的3次重復實驗結果的CV≤5%，擴增后陰陽微滴區(qū)分明顯(圖7)。實驗結果說明，本套數(shù)字PCR儀器準確性好，精度也比較高。

圖7 Horizon檢測結果Fig.7 Result of horizon detection

為驗證儀器線性范圍和線性相關性，本研究采用自主構建的 EGFR L858R突變型和野生型質粒進行了線性測試，實驗過程如下所述。

①樣本制備：使用 Magen質粒快速提取試劑盒質粒，使用Qbit和Bio-rad Q200數(shù)字PCR體系配合對提取的質粒定量，通過稀釋得到質粒濃度梯度為10拷貝數(shù)至 1000000拷貝數(shù)(101～106)共 6個梯度。

②擴增體系制備：通過移液槍依次加入自主研發(fā)的 2X Mix 10μL，EGFR L858R 上下引物各1800nmol野生型探針(VIC通道)和突變型探針(FAM通道)各500nmol梯度樣本各1μL試劑，最后使用ddH2O補足20μL，最終形成20μL體系的水相擴增體系。

③微滴生成：將20μL的水相用移液槍轉移到配套微滴生成芯片的水相 Well中，將 30μL自主研發(fā)的微滴生成油(含高性能表面活性劑)轉移到微滴生成芯片的油相 Well中。將生成芯片置于配套開發(fā)的微滴生成儀中，一鍵運行等待運行完成。微滴生成完成后，在微滴生成芯片的出口 Well中的上層形成直徑約為70μm、數(shù)量約為10萬個的乳白色微滴層。

④微滴轉移、封膜與擴增：將電動移液槍移液體積設置為 45μL，然后利用電動移液槍將微滴生成芯片出口Well中的微滴轉移至艾本德的96孔PCR板中。利用自主研發(fā)的PCR板封膜儀將PCR板封上鋁膜后轉移到 ABI的熱循環(huán)擴增儀上進行擴增，擴增程序見表1。

表1 FAM和VIC通道101-106拷貝數(shù)梯度檢測結果Tab.1 FAM and VIC channel 101-106 copy number gradient test results

⑤微滴檢測：擴增結束后，直接將 96孔板移至自主研發(fā)的數(shù)字 PCR檢測儀中檢測微滴陰陽性，檢測結果見表1。

⑥數(shù)據(jù)分析：將檢測軟件分析后獲得拷貝數(shù)取對數(shù)，使用 Excel中圖標分析工具分析樣本濃度梯度的線性系數(shù)，分析數(shù)據(jù)結果顯示突變型和野生型拷貝數(shù)的線性相關系數(shù)R2均大于 0.99(圖8～9)。實驗結果表明，本儀器線性范圍廣，穩(wěn)定性好。

圖8 單通道突變性拷貝數(shù)相關系數(shù)Fig.8 Single-channel mutant copy number correlation coefficient

圖9 單通道野生性拷貝數(shù)相關系數(shù)Fig.9 Single-channel wild copy number correlation coefficient

3 結 論

數(shù)字PCR屬于第三代PCR技術，相比于第二代熒光定量 PCR的相對定量和第一代 PCR定性具有絕對定量的能力，是 PCR技術發(fā)展的重要方向之一。本文從硬件設計、熒光檢測、軟件設計和數(shù)據(jù)處理等方面論證了數(shù)字 PCR儀器的原理，并依據(jù)理論設計研發(fā)了流式微滴數(shù)字 PCR檢測儀。本儀器能夠快速檢測 70μm 微滴的熒光信號，結合相應的數(shù)據(jù)處理算法能夠根據(jù)微滴熒光強度判定微滴的陰陽性，結合泊松分布模型實現(xiàn)核酸的絕對 定量。

通過對國際標準品 Horizon的測試，確定本研究中的數(shù)字 PCR系統(tǒng)能夠區(qū)分微滴的熒光強度，且具有非常高的準確性和精度，推廣測試實驗室制備的質粒樣本梯度標準品。兩通道拷貝數(shù)結果的線性相關系數(shù) R2均大于 0.99，進一步證明本研究中數(shù)字 PCR系統(tǒng)檢測結果穩(wěn)定準確，具有應用價值。另外，在本套數(shù)字 PCR系統(tǒng)上探索了多位點基因突變檢測，可實現(xiàn)多重測試，在每通道各 2個位點檢測中，通過調(diào)整引物和探針量，二維結果圖中準確實現(xiàn) 16分群，有效提高了檢測效率，降低檢測成本，具有一定的應用價值。