微流控技術在法醫DNA快速檢驗方面的應用

韓俊萍，孫　敬，歐　元，葉　健，劉　耀，，李彩霞

（1.中國人民公安大學，北京100038；2.公安部物證鑒定中心北京市現場物證檢驗工程技術研究中心，北京100038；3.公安部物證鑒定中心法醫遺傳學公安部重點實驗室，北京100038）

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微流控技術在法醫DNA快速檢驗方面的應用

韓俊萍1，孫敬2，3，歐元2，3，葉健2，3，劉耀1，2，3，李彩霞2，3

（1.中國人民公安大學，北京100038；2.公安部物證鑒定中心北京市現場物證檢驗工程技術研究中心，北京100038；3.公安部物證鑒定中心法醫遺傳學公安部重點實驗室，北京100038）

摘要：微流控芯片技術因其微型化、自動化、高通量、集成化、快速等優勢使得實驗室研究產生革命性的變化，并在生物化學、醫學等諸多領域得到廣泛應用，但目前還沒有基于微流控芯片技術的國產全集成自動化DNA分析儀。該文總結微流控技術在DNA提取、PCR擴增、電泳分離等DNA檢驗流程方面的研究現狀與進展，尤其是在法醫DNA快速檢驗方面的研究進展，同時介紹國內外全集成式DNA分析的研究狀況。全集成與功能化是目前微流控技術研究的主流方向。未來，以微流控芯片為主導的全自動、便攜式、集成化的DNA分析系統，將使得法醫DNA檢驗從實驗室走進案件現場甚至日常生活，實現真正的快速即時檢驗。

關鍵詞：微流控芯片技術；DNA快速檢驗；綜述；全集成

0　引言

自20世紀90年代以來，PCR-STR分型技術以其特異性好、檢測靈敏度高、能復合多位點擴增等優點成為第二代法醫DNA分型技術的核心。傳統的法醫DNA檢驗過程包括生物檢材提取、DNA提取和定量、PCR復合擴增、毛細管電泳等，整個過程大約需8～10h[1]，不僅耗時耗力，須購置特定的實驗儀器，大多步驟以及反應之間的轉換需手工操作，而且需要專業人員進行操作。隨著DNA檢驗技術的推廣應用，DNA物證檢驗量迅速增長，在我國乃至世界范圍內，因檢驗處理能力不足導致物證大量積壓的現象普遍存在，同時一些大案要案常需要在短時間內提供檢驗結果，為案件快速處置、偵查訴訟等提供及時的線索和證據。因此，要從根本上解決日益緊迫的DNA物證檢驗量所帶來的壓力，實現DNA檢驗全部流程的高通量、集成化和自動化是必然選擇。從20世紀90年代逐漸興起的微流控芯片技術具有體積小、樣本和試劑消耗少、分析成本低、分析速度快、易于實現操作流程集成化和自動化等諸多優勢[2]，為實現法醫DNA快速分析開辟了一條新途徑。

1　微流控芯片特點

微流控芯片分析系統，即微全分析系統（micro total analysis systems，μTAS），由于采用微機電技術，可在一塊幾平方厘米的芯片上集成實驗室分析的各種操作與功能。微流控芯片技術的優勢在于多種學科交叉，如將分析化學、微機電加工與生物學、醫學等交叉，能夠實現從樣品處理到檢測與分析的整體微型化、集成化、自動化、便攜化、高通量檢測等目標，被廣泛用于臨床檢驗、新藥合成與篩選、生物醫學中人類基因與疾病關系研究，以及環境檢測、食品衛生安全、刑事科學、軍事科學及國防等涉及化學成分分析的領域[3]。

2　微流控芯片研究現狀及進展

諸多學者從微流控技術角度出發，對涉及DNA快速檢驗，包括芯片DNA提取、芯片PCR擴增、毛細管芯片電泳及集成式芯片等各個方面進行了研究。

2.1芯片DNA提取技術

首先，芯片DNA提取技術方面，傳統的DNA提取方法需要多次震蕩、離心、轉移等，操作費時，不易整合到芯片上，更不適于DNA的快速檢驗。早在20世紀90年代末，有學者就提出了基于芯片的硅柱固相提取DNA方法[4]，將硅珠填充在反應腔室中或在芯片表面沉積一層二氧化硅，通過洗脫液的洗脫在短時間內即可得到純度較高的DNA；但是，由于芯片裝置復雜，加工成本較高，提取效率不易評估等缺點故而無法滿足法醫實際工作的需求。Duarte等[5]研發出基于固相萃取原理的玻璃材質DNA提取芯片，利用二氧化硅微球、磁性微球等介質作為DNA的固相載體填充于芯片微溝道中，如圖1所示。磁性微球構成的動態捕獲層能夠實現對精斑、血液等生物樣品中DNA的提取與純化，從0.6μL全血中提取DNA的回收率超過60%。但是，玻璃芯片加工制作存在工藝復雜、成本高等缺點，限制了其廣泛應用，故價格低廉、加工方便的材料成為研究者們的理想選擇,各種聚合物基底[6]如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）等已經被用于構建DNA提取系統。國內，劉慣超等[7]應用PMMA芯片制作了非填充式DNA提取芯片，從血中提取DNA且能夠滿足后續PCR的需要。王聿佶等[8]研究了PDMS芯片DNA微分析系統，將磁珠固相提取技術與微流控芯片相結合，成功完成大腸桿菌熱裂解、DNA提取至PCR擴增的全過程，為單芯片上集成多功能提供了可能。

上述微流控芯片的固相提取方法原理都是以二氧化硅微球為載體，采用高離液鹽進行DNA吸附、有機溶劑洗脫，最后使用低離子緩沖液洗脫DNA。由于提取過程中采用諸如異硫氰酸胍等離液鹽及有機溶劑等，其殘留將影響下游PCR擴增，因此不利于微流控集成PCR。為了避免這一問題，有研究者開發了其他在芯片上的提取方法，例如基于pH誘導的靜電吸附DNA提取[9]、基于UV活化的聚碳酸酯表面的DNA提取[10]、基于納米多孔過濾膜的DNA提取[11]。

2.2芯片PCR擴增技術

PCR芯片根據其液體流動方式可分為微反應腔式PCR芯片（micro-chamber PCR chip，MC-PCR）和連續流動式PCR芯片（continuous flow PCR microchip，CF-PCR）。其中，微反應腔PCR芯片實際上是傳統PCR的微型化，將反應混合物固定在微反應池內，通過外部對其不斷加熱與制冷來實現溫度循環，該種芯片具有體積小，結構簡單，易于制作成一次性、集成度高、易于整合其他功能芯片的特點。連續流動式PCR芯片，是將反應混合物于3個恒溫區內連續流動，每流過3個溫區即完成一次擴增，具有反應速度快、擴增時間短的特點。

Kopp等[12]在1998年首次報道了一種玻璃連續流動型PCR芯片，在90s內成功實現對176bp的DNA片段的擴增。早期的連續流動型PCR芯片由玻璃或硅片制成，為了降低成本，提高芯片的整體性能，有研究者研制出塑料-ITO玻璃[13]結構的連續流動式PCR芯片，實現直接在片熒光檢測，簡化檢測步驟。此外，有以微型蠕動泵、注射泵等機械力，或電磁力作為連續流動PCR芯片的驅動方式。例如Bu等[14]研究出一種基于硅-玻璃材料，集成3對Pt微加熱器和溫度傳感器，采用壓電蠕動泵驅動方式，使得反應液在95，72，55℃3個溫區往復運動，加熱或冷卻不到1s即能達到設定溫度。由此可見，連續流控式芯片是通過時間和空間的轉換而實現PCR擴增，反應速度取決于樣品的載入速度，在每個溫區停留時間取決于管道的路徑設計，可以優化這些參數而實現快速高效的擴增。

為了縮短PCR反應時間，同時能夠實現高通量PCR，且便于集成化，諸多學者研制出微反應腔式PCR芯片。在高通量擴增和高靈敏度檢測方面，比較典型的是Matsubara Y等[15]制作的具有1248個微反應腔室的PCR陣列芯片，該芯片每個微腔體積僅為40nL，只需0.4拷貝的模板濃度即可實現對β-actin、SRY、RhD等基因的擴增，從而證實芯片PCR適于進行大批量生物樣品高靈敏擴增檢測。國內，吳志勇等[16]利用ITO玻璃制作了簡單低價的微池型PCR芯片，以自溫度傳感方法穩定控溫，對λDNA的一個233bp片段進行擴增，并實現8個PCR腔室同時擴增。但是，由于溫度循環仍依賴于溫控系統的加熱和冷卻速率，故擴增速度的大幅提高仍受限制，同時存在溫控系統結構復雜、體積較大的缺點，也限制了其應用。

提高芯片溫度控制效率是實現芯片快速PCR的關鍵，采用熱風循環、非接觸式紅外輻射等加熱方式，或通過微機電技術加工小型微加熱器和溫度傳感器等方式能夠提供更快的升降溫速率。液滴PCR技術也為微流控芯片快速PCR的發展帶來了新的曙光，有研究[17]采用微升體積的液滴在鋁膜芯片上建立了一個簡單實時的微升樣本的液滴PCR體系，通過采用基于液滴的循環熱水方式和熔解曲線的實時分析在3.5min內完成40個循環擴增，與傳統PCR方法相比，顯著縮短擴增時間。

圖2　SPE-PCR裝置圖

圖3　紅外PCR系統的組裝模具照片

由上述可以看出芯片PCR已廣泛應用于生物、化學、醫學等領域，其在法醫DNA領域的應用也日益增多，Belgrader等[18]最早報道將微流控芯片PCR應用到法醫STR分析領域，構建了PCR芯片和實時熒光檢測固態光學系統的微型熱循環儀，其擴增速度明顯快于傳統PCR儀。通過水凝膠制作固相封裝微珠技術預先包埋反應試劑，并結合準確的微流體計量和分配方法能夠有效進行擴增，同時有利于與上游樣本處理及下游電泳檢測相集成[19]。此外，具有代表性的研究有（如圖2所示），2011年Landers小組以非接觸式的紅外加熱方式進行熱循環擴增，結合SpeedSTARTMHS DNA聚合酶，在45min內完成16個STR位點擴增[20]。Mathies小組則以接觸式溫度控制方式實現芯片上的PCR擴增，并在芯片上將PCR與毛細管電泳（capillary electrophoresis，CE）結合[21]，證明了芯片PCR-CE快速檢測的可行性和快速靈敏檢測的潛力。此外，有學者也將DNA提取和PCR擴增兩個步驟成功集成于一張芯片，如Lounsbury等[22]以一次性使用的PMMA塑料設計加工芯片，通過流體控制密封閥并結合紅外加熱系統，能夠在42min內完成從口腔拭子或全血樣本進行DNA制備和PCR擴增過程，這種塑料集成式的微裝置顯示出其在臨床即時診斷及法醫DNA快速分析等方面應用的可能性。為了實現多個樣本的同時擴增，Lounsbury等[23]在設計的PMMA多通道擴增芯片上，利用快速DNA酶和紅外擴增系統（如圖3所示），39min就能夠同時完成最多7個樣本的STR擴增，不僅提高了檢測通量，而且縮短了DNA分型時間，同時降低了每個樣本的檢測成本，更體現出微流控技術在法醫DNA快速分析中的優勢。

2.3毛細管芯片電泳技術

毛細管芯片電泳技術，早期主要集中在芯片毛細管電泳的進樣方式、流體控制及影響分離柱效的因素等基礎性研究工作中。毛細管電泳芯片由于尺寸小能夠施加較高場強，因而其分離速度較普通毛細管電泳快很多，在幾秒鐘內就能完成樣品的分離；但如果電泳芯片僅有一條分離管道，其檢測通量無法滿足大批量樣品分離分析的需求；因此，微陣列毛細管電泳芯片的研究受到越來越多的關注。Mathies小組研究出一種集合96個分離管道于1張如CD光盤的微流控陣列毛細管電泳芯片，2min即可平行檢測96個DNA片段[24]。Emrich等[25]研制出一個半徑僅為8 cm的圓盤上集成了384個通道的毛細管電泳芯片，可于325s內完成384份樣品檢測，檢測速度與通量均有顯著提高，也進一步顯示出微流控技術在快速分析方面的巨大優勢。

由于芯片毛細管電泳具有樣品消耗少、分析速度快、靈敏高效等優點，特別適于法醫DNA快速分析的需求。如Ehrlich實驗室利用長為20cm玻璃材質的微陣列毛細管電泳芯片[26]，在40 min內同時分離16個PowerPlex16試劑盒的擴增產物，分型成功率達95.8%。Mitnik[27]報道了利用毛細管電泳芯片-激光誘導的熒光檢測系統在20 min內分離8個STR基因座，單堿基分離度為0.75～1，該體系重復性良好，后續將集成樣本自動導入模塊并拓展以實現高通量多管道同時分析。如圖4所示，Yeung等[28-29]構建的高通量微陣列毛細管電泳芯片30 min內實現了96個微管道同時進行16個STR位點的分離檢測，進樣體積僅需1nL，并且檢測時間短于傳統的商業化電泳儀，充分證明了毛細管電泳芯片在法醫STR檢測方面的能力和優勢[29]。當然，微陣列毛細管電泳裝置不僅能應用于基因組DNA的快速分離，也能夠進行線粒體DNA測序，分辨率達到1 bp，準確度達99%[30]。為了降低使用成本，防止樣品間發生交叉污染，楊茜等[31]構建了一次性使用的PMMA毛細管電泳芯片，采用雙通道共聚焦激光誘導熒光檢測方法，在3min內分離出兩個STR位點的等位基因分型標準物。Shi等[32]構建了塑料材質的微整列電泳平臺，在長4.5 cm的微管道中10 min內完成對4個STR基因座的等位基因分型標準物的分離，單堿基分辨率達0.62。由于電泳得到未知樣本的分型需要與等位基因分型標準物進行比對才能確定，因此單通道電泳芯片無法滿足這一要求，需要研制多通道同時檢測的電泳芯片。Mathies實驗室搭建了具有4通道的微陣列芯片電泳裝置[33]（見圖5），在有效分離長度為10 cm的芯片上實現9個STR基因座的分離，該裝置的檢測限為25個拷貝。2010年，同一實驗室又開發出集成PCR擴增的便攜式共聚焦熒光掃描的多通道毛細管電泳檢測平臺[34]，能夠在分離長度為7cm的芯片上同時完成96個樣本的檢測，檢出限為20pmol/L。

圖4　96通道微陣列電泳芯片結構圖

目前，芯片毛細管電泳已從實驗研究階段逐步向產業化方向發展，已上市的儀器如美國Aligent公司的5100 Automated Lab-on-a-chip Platform和2100 BioAnalyzer System、Caliper公司的LabChipRGX Touch HT Capillary Electrophoresis System等，能夠實現對DNA、RNA、蛋白質等高通量的分離分析。

2.4集成式芯片

在集成式芯片研究方面，盡管將法醫DNA分析全流程完全集成于一體存在很大挑戰，但是一些研究者已嘗試利用微流控系統將各種步驟與芯片毛細管電泳相結合[35]。如Delphine等[36]構建了用于法醫STR快速分析的自動進行PCR擴增和芯片電泳的系統，該體系基于一次性使用的塑料芯片，以非接觸式紅外加熱方式45min完成擴增，在長度為7cm的電泳芯片上15min完成電泳分離。Bienvenue等[37]成功制作了集成樣本DNA的固相提取和PCR-STR位點復合擴增的芯片，通過注射泵作為壓力驅動對全血和精斑樣本提取DNA并純化，然后在線完成PCR擴增，但產物電泳檢測仍然在傳統的毛細管電泳儀上完成。Hagan等[20]設計的集固相提取和PCR于一體的STR分型裝置，采用SpeedSTARTM HS DNA聚合酶并結合紅外加熱方式，45min完成對口腔拭子的提取及16個STR位點PCR擴增，產物仍需在芯片外進行檢測分析。季旭等[38]設計并制作了一種集成微池PCR和毛細管電泳的生物芯片，實現了PCR擴增、毛細管電泳分離和檢測的單片集成。但是，由于樣品是在微反應池內完成的擴增，PCR產物需要采取一定的手段才能將樣品引入毛細管電泳溝槽中。Liu等[39]于2007年開發出世界上第一款用于法醫DNA檢驗的集成式微系統。該系統將PCR與毛細管電泳集成在一塊芯片上，并具有與芯片相配套的檢測控制系統。通過與佛羅里達州棕櫚灘郡警察局合作，成功實現了在模擬犯罪現場對DNA進行快速分型檢驗[40]。

圖5　4通道捕獲-微流控電泳芯片設計圖

圖6　病原體檢測的全集成芯片

上述微流控芯片僅僅完成DNA檢驗流程中的一個或兩個步驟，其他步驟還需要傳統實驗室技術的輔助，無法實現真正的集成化與自動化，因此，只有將各種微流控芯片技術有機結合，才能實現“樣品入-結果出”的整合目標，最大限度地減少人工操作。2006年，Easley等[41]首次將“樣本入-結果出”式的微流控芯片用于來自血液樣本的炭疽桿菌的基因檢測，芯片結構如圖6所示，利用該集成系統進行固相提取，PCR擴增，電泳分離實現檢測分析，但由于只能單通道檢測且分辨率較低還無法用于法醫STR分析。Hopwood等[42]報道了一套能夠從口腔拭子樣本得到STR分型的全集成微流控系統，整個過程無須人工干預，但樣本處理過程復雜，耗時4h僅能完成一個樣本檢測，而且現有軟件尚無法對所有產物峰進行等位基因標記。Liu等[43]于2011年將DNA捕獲、擴增、純化以及毛細管電泳全部集成在一塊微流控芯片上，實現了3 h內完成對口腔拭子STR分型檢驗，該款芯片與以往相比，集成度有進一步提高。2014年，Delphine等[44]在前期工作基礎上，成功研發出用于法醫個體識別的全集成式的微流控芯片，芯片結構如圖7所示，該芯片由塑料制成，包括基因分型全過程：一種獨特酶反應液的DNA制備、紅外非接觸式PCR擴增及高分辨率的電泳分離，并證明了2h能夠從口腔拭子和FTA卡樣本得到18個STR基因座分型，且檢測結果與傳統方法完全一致。

圖7　“樣本入-結果出”式全集成流程及結構圖

3　結束語

最近，一些公司也陸續推出商業化的全自動DNA分型檢測儀器。如2013年，美國IntegenX公司全球首家推出RapidHIT 200 DNA快速檢測儀，利用PowerPlex16HS試劑盒，90 min內即可同時完成5～7份諸如血斑、唾液斑等生物樣本的DNA檢驗，其分型結果可與DNA數據庫進行比對[45-49]。該款儀器最新升級后能夠與GlobalFiler Express試劑盒兼容使用，并行檢測7份樣本，同時也驗證了其對大量樣本（150份口腔拭子）檢測的準確性及檢測靈敏度（37.5ng）[50]。同年，GE與Network Biosystems公司合作也推出了DNAScan現場快速檢驗儀，85min內可同時完成5份生物樣本的16個基因座的DNA檢驗，該儀器包含能夠自動基因分型的專家系統及RFID追蹤功能，并對其各個模塊的穩定性、魯棒性，樣本的適應性，檢測靈敏度等性能進行了驗證[51]。2014年，LGC實驗室研發的ParaDNA Screening系統通過樣本收集器同時進行4份樣本的制備，采用screening模塊對2個STR位點和性別位點進行PCR擴增，通過探測HyBeacon探針的熒光強度變化得到DNA檢測值，根據檢測值來判斷得到STR分型的可能性，整個過程僅需75min。Dawnay等[52]驗證了ParaDNA Screening系統的靈敏度、重復性、準確性及抗抑制物的能力，同時測試了其在處理模擬檢材時的性能。Ball等[53]比較了ParaDNA Screening系統和傳統STR試劑盒對381份樣本的檢測情況，分型的一致性達到98.4%，表明該系統能夠有效輔助法醫DNA人員的現場檢測。上述用于法醫STR快速分析的3款商業化全集成DNA分析儀的具體[54]比較如表1所示。雖然以上系統均以微流控技術為核心，將提取、擴增和電泳均整合在一臺儀器上，但仍然存在一些缺點，如微流控芯片結構復雜，成本高，無法實現推廣應用；芯片的適用性有限，只能處理特定類型的樣品；儀器體積笨重，無法實現便攜化；只是部分利用微流控技術，沒有將微全分析系統的優勢完全發揮出來等。

表1　商業化全集成DNA分析儀的比較[54]

微流控芯片作為一種革命性的技術平臺，主要的發展趨勢表現在外觀尺寸由實驗室桌面型或大型設備向便攜化、手持式發展；檢測模式由依賴實驗室檢測向現場即時檢測發展；應用領域由生物化學、醫療診斷向食品安全、環境檢測等領域擴展。近幾年微流控芯片技術在DNA快速檢測方面取得了突破性進展，引起產業界的很大關注，國外推出的3款商業化的快速檢驗儀器，以滿足法醫DNA現場即時檢驗的需求，但國內尚屬空白，因此，我們期待我國科研人員加強產業化意識，積極革新技術，自主開發一款適于我國DNA快速檢驗的低成本、高通量、便攜式的現場快速檢測儀器，以提升在全集成式DNA快速檢驗的國際競爭力。

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（編輯：莫婕）

Application of microfluidics technology in DNA rapid testing of forensic science

HAN Junping1，SUN Jing2，3，OU Yuan2，3，YE Jian2，3，LIU Yao1，2，3，LI Caixia2，3
（1. People’s Public Security University of China，Beijing 100038，China；2. Beijing Engineering Research Center of Crime Scene Evidence Examination，Institute of Forensic Science，Beijing 100038，China；3. Key Laboratory of Forensic Genetics，Institute of Forensic Science，Ministry of Public Security，Beijing 100038，China）

Abstract:Miniature，automatic and integrated with high throughput and rapid analysis，the microfluidic chip technology has brought revolutionary changes in laboratory experimentation in recent years and has been widely used in many research-based field，such as biochemistry and medicine. However，microfluidics is not yet introduced into home -made totally -integrated automation DNA analyzers. This paper has summarized the applications of microfluidics in DNA rapid testing，including DNA extraction，PCR amplification and electrophoresis separation，especially the advance of forensic DNA rapid detection. In addition，it also discussed the research state of the totally-integrated DNA analysis at home and abroad. Currently，full integration and versatility are the mainstream direction of microfluidic technology research. With the help of this system，rapid and real-time forensic DNA testing will not only be conducted in laboratories，but also at crime scenes and even in everyday lives.

Keywords:microfluidic chip technology；DNA rapid testing；summary；full integration

通訊作者：劉耀（1937-），男，山西河曲縣人，研究員，研究方向為毒物毒品分析。

作者簡介：韓俊萍（1986-），女，山西太原市人，博士研究生，主要從事法醫遺傳學相關方面研究。

基金項目：中央級公益性科研院所基本科研業務專項（2015JB005）；公安部技術研究計劃資助項目（2014JSYJA011）

收稿日期：2015-07-02；收到修改稿日期：2015-08-10

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.01.013

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）01-0053-08