微液滴荧光检测系统与方法与流程

本发明涉及微流控技术领域，具体涉及一种微液滴荧光检测系统及方法。

背景技术：

微液滴式数字pcr(dropletdigitalpcr，ddpcr)是近年来新兴的一种pcr技术。在原用pcr的技术基础上，该技术进行了大幅度革新。与经典的荧光定量pcr相比，ddpcr可以对dna或者rna分子采用绝对定量的方式进行分析，不需要标准曲线辅助分析。该技术将传统pcr中的每一份样品反应体系均分为若干份，样品仅被包裹与微液滴内，然后再进行pcr反应。pcr反应结束后，利用检测设备读取每一个微液滴的荧光信号值，再根据荧光信号值的阈值来区分每一个液滴，荧光信号高于阈值的微液滴称为阳性液滴，荧光信号低于阈值的微液滴成为阴性液滴，根据泊松分布原理以及阴性液滴的个数以及比例，计算样品靶分子的起始拷贝数。该技术以及被广泛应用于癌症分子标志物的发现、传染病研究、基因结构变异分析、基因表达分析等领域。

在对pcr后的微液滴进行荧光检测时，常常会用到成像法，利用微液滴芯片将待检测样品液滴在芯片内实现单层平铺，随后利用ccd或者cmos对其进行荧光成像并分析其阴阳性。样品中微液滴的数量与在芯片内平铺所需的面积成正比，虽然更多的微液滴数能增大ddpcr技术的检测范围，但同时也需要更大的芯片面积。在实际应用中，一个样品中往往含有数万甚至数百万个微液滴，由于芯片是通过精密加工的，芯片面积往往受到限制，导致限制了样品检测的液滴数。基于前述的限制，现有的利用成像法的检测系统往往只能对实现低于3万的液滴数检测，限制了ddpcr技术的应用场景。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种微液滴荧光检测系统及方法，通过对微液滴分批次进行光学成像，避免了现有技术中芯片面积对ddpcr技术应用的限制，能够实现高通量的微液滴检测。

为了解决上述问题，本发明提供一种微液滴荧光检测系统，所述系统包括：样品保持单元，具有存储待检测样品的样品存储部以及用于对待检测样品形成单层平铺的平铺通道，所述样品存储部与所述平铺通道管道连接；光学成像单元，与所述平铺通道对应设置，用于对处于所述平铺通道中的待检测样品进行光学成像；流体驱动单元，具有进样剂驱动部，所述进样剂驱动部与所述样品存储部可选择贯通，用于通过所述进样剂驱动部中的进样剂将所述待检测样品由所述样品存储部转移至所述平铺通道中。

优选地，所述样品保持单元还包括废液存储部，所述废液存储部通过所述平铺通道与所述样品存储部管道连接。

优选地，所述流体驱动单元还包括清洗剂驱动部，所述清洗剂驱动部与所述平铺通道管道连接，以驱使所述清洗剂驱动部中的清洗剂清洗所述平铺通道中的所述待检测样品。

优选地，所述进样剂驱动部包括注射泵；和/或，所述清洗剂驱动部包括注射泵。

优选地，所述平铺通道的高度与所述待检测样品中微液滴的直径相等。

优选地，所述样品保持单元的材料为聚碳酸酯；和/或，所述平铺通道朝向所述光学成像单元的一侧侧壁的材料为透光材料；和/或，所述平铺通道远离所述光学成像单元的一侧侧壁上具有反射材料。

优选地，所述光学成像包括明场成像，所述光学成像单元包括成像部件、宽谱光源，所述宽谱光源用于为明场成像提供白光照明。

优选地，所述光学成像还包括荧光场成像，所述光学成像单元还包括滤光片组，用于在进行荧光场成像时发射特定波段的激发光和接收特定波段的荧光。

优选地，所述成像部件包括cmos相机。

本发明还提供一种微液滴荧光检测方法，采用上述的微液滴荧光检测系统进行，包括如下步骤：

第一批检测样品平铺步骤，控制流体驱动单元中的进样剂驱动部运转使样品存储部中的待检测样品中的第一批检测样品进入平铺通道，当所述第一批检测样品单层平铺于所述平铺通道中时，控制所述进样剂驱动部停止运转；

光学成像步骤，启动光学成像单元对处于所述平铺通道中的所述第一批检测样品进行检测；

清洗步骤，控制流体驱动单元中的清洗剂驱动部运转清洗所述第一批检测样品进入废液存储部，当所述第一批检测样品完全进入所述废液存储部时，控制清洗剂驱动部停止运转；

重复所述第一批检测样品平铺步骤、光学成像步骤、清洗步骤，直到所述样品存储部中的待检测样品全部完成检测。

本发明提供的一种微液滴荧光检测系统及方法，能够对所述样品存储部中的待检测样品分批次的进行单层平铺、检测操作，从而无需对芯片的面积加工的过大来满足待检测样品对平铺面积的高需求，也即避免了现有技术中芯片面积对ddpcr技术应用的限制，通过分批次的进样、平铺检测的方式实现高通量的微液滴检测；另外，由于此种方式极大程度的降低了随芯片面积的需求，从而极大程度的降低了相应系统的设计成本。

附图说明

图1为本发明实施例的微液滴荧光检测系统的示意图；

图2为图1中的流体驱动单元中进样剂驱动部与样品存储部贯通的状态示意图；

图3为图1中的流体驱动单元中清洗剂驱动部与平铺通道贯通的状态示意图；

图4为采用本发明的微液滴荧光检测系统获得的明场成像照片；

图5为采用本发明的微液滴荧光检测系统获得的荧光场成像照片。

附图标记为：

1、样品保持单元；11、样品存储部；12、平铺通道；13、废液存储部；14、第一通道；15、第二通道；2、光学成像单元；3、流体驱动单元；100、待检测样品。

具体实施方式

结合参见图1至图5所示，根据本发明的实施例，提供一种微液滴荧光检测系统，包括：样品保持单元1，具有存储待检测样品100的样品存储部11以及用于对待检测样品100形成单层平铺的平铺通道12，所述样品存储部11与所述平铺通道12管道连接；光学成像单元2，与所述平铺通道12对应设置，用于对处于所述平铺通道12中的待检测样品100进行光学成像；流体驱动单元3，具有进样剂驱动部，所述进样剂驱动部与所述样品存储部11可选择贯通，用于通过所述进样剂驱动部中的进样剂将所述待检测样品100由所述样品存储部11转移至所述平铺通道12中，在一种具体的实施方式中，例如所述进样剂为液体，具体的可以为氟代烷烃链，而所述待检测样品100则为油包水液滴，其中的油相成分与所述进样剂的成分相同，当所述进样剂在所述进样剂驱动部的作用下进入所述样品存储部11内时，其中的所述待检测样品100在所述进样剂的作用下向上浮起，并最终浮至所述平铺通道12的高度，待检测样品100进入所述平铺通道12内并被形成单层平铺，此时所述光学成像单元2对已形成的单层平铺的所述待检测样品100进行检测，检测完毕后，将所述平铺通道12内的已检测完毕的样品移除(例如可以采用通入高压压缩气体的方式)，然后再次控制所述进样剂驱动部运转并实现如前述的上浮、平铺、检测、移除的过程，直至将所述样品存储部11内的全部待检测样品100全部检测完毕，从而实现分批次的对待检测样品100实现检测。由此可见，采用本发明中技术方案，能够对所述样品存储部11中的待检测样品100分批次的进行单层平铺、检测操作，从而无需对芯片的面积加工的过大来满足待检测样品对平铺面积的高需求，也即避免了现有技术中芯片面积对ddpcr技术应用的限制，通过分批次的进样、平铺检测的方式实现高通量的微液滴检测；另外，由于此种方式极大程度的降低了随芯片面积的需求，从而极大程度的降低了相应系统的设计成本。前述的进样剂驱动部例如可以通过第一通道14与所述样品存储部11形成管道连接(如图2)，而作为一种具体的实施方式，所述的样品存储部11可以为一个直径为10mm、高为10mm的圆柱形容器形成，而其顶部则构造有出口，所述出口则与所述平铺通道12贯通连接。

优选地，所述样品保持单元1还包括废液存储部13，所述废液存储部13通过所述平铺通道12与所述样品存储部11管道连接，而可以理解的是，所述废液存储部13、平铺通道12以及所述样品存储部11一体成型为一个整体，使所述样品保持单元1的结构更加紧凑，例如，所述样品保持单元1的材料为聚碳酸酯，也即全部采用透光材料制作形成，和/或，所述平铺通道12朝向所述光学成像单元2的一侧侧壁的材料为透光材料，防止对所述光学成像单元2造成不利影响；更进一步的，所述平铺通道12远离所述光学成像单元2的一侧侧壁上具有反射材料。作为所述废液存储部13的一种具体实施方式，例如，所述废液存储部13为一个直径为20mm、高为20mm的圆柱体容器，也即所述废液存储部的容积应大于所述样品存储部11的容积。采用该技术方案中的所述样品保持单元1实现了全封闭的样品检测，检测过程均在封闭的样品保持单元1内完成，并最终收集在废液存储部13内，避免了样品中核酸产物对环境的污染。

如前所述，在每次检测完每一批次的待检测样品100后需要将其从所述平铺通道12中清除，而清除方式可以是多样的，作为一种优选的实施方式，所述流体驱动单元3还包括清洗剂驱动部，所述清洗剂驱动部与所述平铺通道12管道连接，具体的，所述清洗剂驱动部与所述平铺通道12通过第二通道15形成管道连接(如图3)，以驱使所述清洗剂驱动部中的清洗剂清洗所述平铺通道12中的所述待检测样品100，所述清洗剂的成分形态可以与所述进样剂选择一致。

所述进样剂驱动部包括注射泵(也可为蠕动泵)；和/或，所述清洗剂驱动部包括注射泵(也可为蠕动泵)，所述注射泵为市购件，这能够降低所述检测系统的设计、制造成本。

作为所述平铺通道12的一种具体实施方式，所述平铺通道12可以为一个长方体状的腔体，在尺寸方面，其长宽可以根据作业目的灵活设定，而在高度方面，优选地，所述平铺通道12的高度与所述待检测样品100中微液滴的直径相等，例如，所述平铺通道12的长度为30mm、宽度为20mm，当微液滴的直径为0.1mm时其高度也为0.1mm，此时，进入所述平铺通道12中的所述待检测样品100能够被更为便利的形成单层平铺效果。

所述光学成像包括明场成像及荧光场成像中的任意一种，两者在光学元器件上的差异为是否移除相应的滤光片组。具体的，当所述光学成像为明场成像时，所述光学成像单元2包括成像部件、宽谱光源，所述宽谱光源用于为明场成像提供白光照明；当所述光学成像包括荧光场成像时，所述光学成像单元2还包括滤光片组，用于在进行荧光场成像时发射特定波段的激发光和接收特定波段的荧光。优选的，所述成像部件可采用cmos相机，分辨率为6000×4000，像素尺寸为5μm×5μm，配合直径为100mm，放大倍数为1倍的物镜。宽谱光源为功率为10w的led白光光源，为明场成像提供白光照明，同时旨在配合滤光片组时，还能够为荧光成像提供激发光。滤光片组包含两片滤光片，激发光滤光片采用带宽10nm、中心波长为473nm的带通滤光片，放置于宽谱光源发射端，仅允许中心波长为473nm的光透过；荧光滤光片采用带宽20nm、中心波长为520nm的带通滤光片，放置于成像单元的物镜前方，只允许中心波长为520nm的荧光透过。当成像光路进行明场成像时，滤光片组被移除，不参与明场工作。当成像光路进行荧光场成像时，滤光片组切换入光路，发射特定波段的激发光和接收特定波段的荧光。

本发明还提供一种微液滴荧光检测方法，采用上述的微液滴荧光检测系统进行，包括如下步骤：

第一批检测样品平铺步骤，控制流体驱动单元3中的进样剂驱动部运转使样品存储部11中的待检测样品100中的第一批检测样品进入平铺通道12，当所述第一批检测样品单层平铺于所述平铺通道12中时，控制所述进样剂驱动部停止运转；

光学成像步骤，启动光学成像单元2对处于所述平铺通道12中的所述第一批检测样品进行检测，能够得到图4或图5所示出的照片；

清洗步骤，控制流体驱动单元3中的清洗剂驱动部运转清洗所述第一批检测样品进入废液存储部13，当所述第一批检测样品完全进入所述废液存储部13时，控制清洗剂驱动部停止运转；

重复所述第一批检测样品平铺步骤、光学成像步骤、清洗步骤，直到所述样品存储部11中的待检测样品100全部完成检测。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。