基于纳米磁分离的多样本多位点高通量核酸分析系统及其关键技术研究

核酸突变及单核苷酸多态性(SNPs)是医学诊断、生物信息与疾病及药效关联的研究重点。这种分析常常需要对多样本多位点进行高通量平行分析，但国家没有具有自主知识产权的相关仪器系统，因此研发快速、准确、高通量且适用于临床的核酸突变与SNP分析系统非常重要。本项目采用 "先软后硬，方法带动设备"的研究思路，综合应用磁分离、双色荧光通用标签技术、独创的"荧光ddNTP单碱基循环延伸"技术和高通量微孔板技术，开发"快速、低成本、准确、高通量且适用于临床分析"的多样本多位点核酸突变与SNPs分型系统，并解决其中的关键技术，应用于在人类基因组中大量存在的SNP位点分析,解释个体的表型差异、不同群体和个体对复杂疾病的易感性、以及对各种药物的耐受性和对环境因子的反应等，为新药开发和个体化医疗提供基础。同时广泛应用于临床核酸突变分析，为临床大规模分子诊断以及科研提供有自主知识产权和可靠的高端系统，填补国内空白。

本系统采用“先软后硬，方法带动设备”的设计与开发原则，根据相应的核心检测技术，首先确定所需完成的功能和参数指标，然后根据设计目标，应用所开发技术和系统进行高通量核酸检测，完成系统功能验证。本系统分为高通量生物样本处理和高通量生物样本分析两个部分，其中高通量生物样本处理部分包含了高通量磁分离系统、微量移液系统、精确温度控制系统等功能模块，高通量生物样本分析部分包含了高通量荧光信号检测系统等功能模块。各个系统在系统控制软件的协调下，组成了有机的整体，实现了包括核酸样本制备、靶序列扩增、核酸杂交及信号分析在内的整个过程高度一体化和自动化。.构建了适合于96孔微孔板的高通量磁分离系统，在系统软件控制下能够对96孔微孔板内的样品进行快速磁分离操作。该系统主要包含XYZ三轴直角坐标机械臂、微孔板磁分离装置以及移板机械装置三个部分。采用基于七段S曲线的控制算法控制机械臂的加减速运动，通过基于粒子群算法的路径规划控制移板机械装置的移动，从而可实现在磁分离工作位和其他工作位之间转移96孔微孔板的功能。微孔板磁分离装置可实现对96孔微孔板中的样本快速磁分离的功能。.开发了八通道微量移液系统，采用空气垫加样原理，通过对加样器内的活塞实施精确控制，实现了核酸检测过程中微量液体的精确转移，从而避免使用加样泵，极大降低了系统成本。进一步地，通过对移液模块结构上的改良和自适应补偿算法，降低了环境温度、大气压和空气湿度对加样精度的影响。.设计了适合于96孔板的精确温控系统，通过模糊增量型PID控制与Bang-Bang控制相结合的复合控制算法实现了对96孔板内样品的温度进行精确控制，从而完成核酸的杂交、靶序列扩增等功能。该装置采用新型的半导体制冷片为加热制冷部件，利用半导体材料的帕尔贴效应来实现热量转移，无需制冷剂，具有清洁、制冷迅速、易于控制等特点。.构建了高通量荧光信号检测系统，能够完成对96孔酶标板中指定微孔进行荧光信号检测。系统采用高亮LED作为系统的激发光源，无需使用昂贵的滤色片即可产生纯度较高的激发光，降低了系统成本。设计了适合于本系统的Y型光纤作为光信号传播的通路，避免使用二向色镜等器件，简化了系统结构，提高了荧光信号检测的灵敏度。结合本系统，提出了生物大分子检测结果的判定标准，包括分型信号强度有效性范围，阴性、阳性信号的判定阈值，三种基因型判定标准等。