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科研成果

威廉体育夏宁邵教授团队设计开发一种超快速、高灵敏度、低成本的实时荧光定量PCR系统

时间:2023年05月10日

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核酸检测可直接鉴定病原微生物是否存在,具有灵敏度高、特异性好和窗口期短等多种优势,被广泛应用于传染病检测、产前诊断、肿瘤早筛等多个领域。实时荧光聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)技术作为临床上最常用的核酸检测方法,其耗时约为1~3小时,严重限制了其在紧急检测、大规模检测、现场检测等特殊场景的应用。为了解决核酸检测耗时长的问题,威廉体育夏宁邵教授团队设计开发了一种超快速、高灵敏度、低成本的实时荧光定量PCR系统。在检测灵敏度基本保持不变的前提下,利用该系统对HCMV生物样本进行检测(约45个PCR循环)仅需15min,为超快速实时荧光PCR检测提供了一种具有较大潜力的解决方案。

在该研究中,研究人员提出了一套基于多温区的实时荧光PCR系统,通过融合现有固定微腔型和微流道型扩增系统的优势,设计了能够进行快速热传递的微流控芯片和基于温度控制策略的实时荧光PCR装置,实现了生物试剂变温速度由2~4℃/s到13.33℃/s的提升。首先,研究人员使用COMSOL软件仿真模拟了影响微流控芯片传热的几个关键因素,如芯片PCR室内的样品量、两侧键合薄膜的厚度和传热比表面积等,以确定芯片的具体设计参数。此外,研究人员凭借COMSOL软件还揭示了通过提供过量的温差来缩短热传递时间的物理机制。随后,研究人员加工制造了微流控芯片并搭建了配套的多温区扩增检测装置,通过驱动芯片在各温度区间移动,实现了内部液体温度的快速变化以及在PCR过程中对扩增产物进行实时荧光检测。相关实验证明该系统具有高热稳定性,不同PCR循环之间的温度具有高度一致性,其荧光检测性能与商用qPCR仪器相当。研究人员评估了温差对芯片内液体温度变化率的影响,在此基础上对整个PCR过程中的预变性、变性和退火阶段的高温超调温度、低温超调温度和温度保持时间进行调整,得到了优化的热循环参数,并设计了相应的快速PCR扩增的参数配置方案。最后,研究人员在该扩增检测系统中搭载最优化的PCR扩增参数配置方案进行测试,仅需15分钟即能完成对HCMV生物样本的检测,与商用qPCR仪相比时长缩短了75%,而检测灵敏度基本保持不变。另外,实验也验证了在极限条件下,该系统可以在9分钟内完成核酸扩增检测。

近日,该研究成果以题为“Ultra-fast, sensitive and low-cost real-time PCR system for nucleic acid detection”的研究论文在线发表于Lab on a Chip。威廉体育博士生黄绍磊为该论文的第一作者。威廉体育夏宁邵教授、张东旭助理教授为该论文的共同通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金、福建省科技计划项目、厦门市科技计划项目以及厦门大威廉体育长基金项目的支持。

论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/lc/d3lc00174a

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(国家传染病诊断试剂与疫苗工程技术研究中心)

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