Name: 在气动操纵液滴平台多核苷酸多态性的视觉比色法检测 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-09-27T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 1 s
Description: 学习在气动液滴操控平台上利用视觉比色法检测多核苷酸多态性的简单方法。该技术无需复杂仪器，可在室温下快速完成基因突变筛查，为生化研究人员提供便捷的遗传变异分析工具。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

中国台湾科技部通过合同 MOST-103-2221-E-002 -097 -MY3 为本研究提供了资金支持。

1. 检测磁性纳米粒子的方法
注意：本节描述了基于杂交介导的金纳米颗粒生长来检测磁性纳米粒子（MNP）的实验步骤。
<ol>
	<li>制备探针DNA（5'-硫醇-GAGCTGGTGGCGTAGGCAAG-3'）溶液，浓度为100 µM。</li>
	<li>制备探针DNA修饰的金纳米颗粒（AuNP探针）颗粒。21 
	注意：此处使用的体积取决于探针DNA修饰的金纳米颗粒（AuNP探针）颗粒的需求量，因此与拟进行的实验次数相关。我们通常会额外制备一些AuNP探针颗粒作为备用。这些步骤中使用的体积可根据需要灵活调整。
	<ol>
		<li>将探针DNA（100 µM，步骤1.1中制备）加入到金纳米颗粒溶液（13 nm，17 nM）中，终浓度为1 OD/ml。</li>
		<li>调节十二烷基硫酸钠（NaC12H25SO4，SDS）和磷酸盐缓冲液（PBS）的终浓度分别为0.01%和0.01 M。</li>
		<li>20分钟后，用NaCl溶液（2 M）和PBS（0.01 M）将氯化钠（NaCl）浓度调至0.05 M，同时保持SDS浓度为0.01%，继续孵育20分钟。</li>
		<li>每隔20分钟逐步增加NaCl浓度，每次增加0.1 M，直至终浓度达到1 M。</li>
		<li>在23 °C下于涡旋混合器上振荡孵育过夜。只要DNA样品与AuNP探针能够发生杂交，振荡速度对实验结果无显著影响。</li>
		<li>以7,000 × g离心金纳米颗粒30秒，弃去上清液。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将AuNP探针颗粒加入去离子水（DI水）中，使其终浓度为25 nM（AuNP探针溶液）。</li>
	<li>制备目标DNA样品（完全互补序列：5'-CTTGCCTACGCCACCAGCTC-3'；三对碱基错配序列：5'-CTTGCCTACTTTACCAGCTC-3'；六对碱基错配序列：5'-CTTGCCTTTTTTTCCAGCTC-3'），浓度分别为0.06、0.11、0.17、0.20、0.30、0.50 µM。</li>
	<li>将AuNP探针溶液（6 µl，25 nM）加入DNA样品（350 µl）中，并加入NaCl至终浓度为14 µM。</li>
	<li>在23 °C下使用涡旋混合器振荡DNA样品与AuNP探针的混合物5分钟，以促进DNA杂交。</li>
	<li>进行AuNP生长时，向溶液（DNA样品与AuNP探针的混合物）中加入NH2OH（6 µl，400 mM）和HAuCl4 （6 µl，25.4 mM）。AuNP的生长过程约需30秒完成，颜色的稳定变化可持续1小时以上。 
	警告：HAuCl4与皮肤接触可能产生严重毒性作用。使用前请查阅材料安全数据表（MSDS）。操作HAuCl4时请佩戴手套并在通风橱中进行。</li>
</ol>
2. 气动液滴操控平台的制备
注意：基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的液滴操控平台包含两个部分：具有超疏水表面的PDMS膜（100 µm）和气流通道层（5 mm）。该装置无需微机电系统（MEMS）工艺，而是采用常规加工方法制备，包括使用计算机数控（CNC）微加工技术制作模具、采用PDMS浇铸与复制技术快速原型化微流控组件，以及利用激光微加工技术制备超疏水表面（见图3）。
<ol>
	<li>使用配备有钻头（0.5 mm）的数控机床（CNC）制备具有微结构的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）母模（见图3）。钻头进给速度为7 mm/sec，转速为26,000 rpm。使用气流吹扫和去离子水（DI水）清除PMMA碎屑，并清洗母模表面。</li>
	<li>按10:1的比例配制聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底与固化剂的混合物。将混合物置于真空干燥器中脱气30分钟，直至所有气泡完全去除。</li>
	<li>将PDMS倒入母模中，并在60 °C烘箱中加热固化3小时，以获得气室（PDMS膜）和气流通道（PDMS层）的反向微结构。</li>
	<li>手动从母模上剥离PDMS层。在PDMS层上打孔，作为负压进气口。</li>
	<li>将PDMS膜、PDMS层和玻璃基底放入氧气等离子体处理系统的腔室内。经氧气等离子体处理后，在热板上（90 °C）加热10分钟，使PDMS膜、PDMS层与玻璃基底键合为一体。</li>
	<li>将复合芯片放入激光切割机中（PDMS膜面朝上）。导入.dwg文件以定义超疏水区域（15 mm × 12 mm），见图3。使用CO2激光机直接在PDMS膜上进行雕刻，形成超疏水区域（激光功率12 W，扫描速度106.68 mm/sec）。</li>
	<li>用去离子水清洗超疏水表面，以去除表面碳化残留物。</li>
	<li>通过电磁阀连接负压进气口与真空泵（见图4）。将电磁阀连接至计算机，并使用数字I/O USB模块进行控制。</li>
</ol>
3. 气动平台上MNP检测的操作步骤
注意：本节描述了在气动液滴操控平台上通过比色法快速鉴定磁性纳米粒子（MNP）的操作步骤（见图5）。所有步骤均在23 °C（室温）和85%相对湿度下进行。
<ol>
	<li>将目标 DNA 样品液滴（10 µl，0.5 µM）置于气动液滴操控平台的超疏水区域。</li>
	<li>将 AuNP 探针液滴（10 µl，25 nM）置于气动液滴操控平台的超疏水区域。</li>
	<li>通过电磁阀和简单程序（例如，Labview）控制空气抽吸，使 PDMS 膜发生偏转。对 PDMS 膜上液滴迁移路径上的各个气室提供空气抽吸（分别包含目标 DNA 和 AuNP 探针的液滴），使液滴相互碰撞并融合。使用真空泵的工作压力为 -80 kPa（表压）。
	<ol>
		<li>或者，只要液滴充分混合，也可手动控制空气抽吸。在测试初期，手动连接或断开真空泵与气室入口之间的管路。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过电磁阀控制系统调节空气抽吸，使融合后的液滴前后滚动 3 分钟，以提高混合效率。目标 DNA 与 AuNP 探针在 3 分钟内充分混合并发生杂交。驱动频率和工作压力分别为 5 Hz 和 -80 kPa（表压）。</li>
	<li>将含有 NH2OH（2 µl，400 mM）和 HAuCl4（2 µl，25.4 mM）的液滴置于气动液滴操控平台的超疏水区域。</li>
	<li>控制空气抽吸（-80 kPa 表压），使液滴相互碰撞并融合。然后控制空气抽吸（5 Hz 和 -80 kPa 表压），使融合后的液滴前后滚动 1 分钟，以增强混合效率。</li>
	<li>用肉眼观察并记录融合液滴的颜色。</li>
</ol>

<ol><li>Chorley, B. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Discovery+and+verification+of+functional+single+nucleotide+polymorphisms+in+regulatory+genomic+regions%3A+current+and+developing+technologies%5BTitle%5D)+AND+%22Mutat.+Res.+Rev.+Mutat%22%5BJournal%5D)">Discovery and verification of functional single nucleotide polymorphisms in regulatory genomic regions: current and developing technologies.</a> Mutat. Res. Rev. Mutat. 659 (1), 147-157 (2008).</li>
<li>Hinds, D. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Whole-genome+patterns+of+common+DNA+variation+in+three+human+populations%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Whole-genome patterns of common DNA variation in three human populations.</a> Science. 307 (5712), 1072-1079 (2005).</li>
<li>Rosenfeld, J. A., Malhotra, A. K., Lencz, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Novel+multi-nucleotide+polymorphisms+in+the+human+genome+characterized+by+whole+genome+and+exome+sequencing%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic+Acids+Res%22%5BJournal%5D)">Novel multi-nucleotide polymorphisms in the human genome characterized by whole genome and exome sequencing.</a> Nucleic Acids Res. , 408(2010).</li>
<li>Whelan, S., Goldman, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Estimating+the+frequency+of+events+that+cause+multiple-nucleotide+changes%5BTitle%5D)+AND+%22Genetics%22%5BJournal%5D)">Estimating the frequency of events that cause multiple-nucleotide changes.</a> Genetics. 167 (4), 2027-2043 (2004).</li>
<li>Saiki, R. K., Walsh, P. S., Levenson, C. H., Erlich, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Genetic+analysis+of+amplified+DNA+with+immobilized+sequence-specific+oligonucleotide+probes%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Genetic analysis of amplified DNA with immobilized sequence-specific oligonucleotide probes.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 86 (16), 6230-6234 (1989).</li>
<li>Kim, S., Misra, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SNP+genotyping%3A+technologies+and+biomedical+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Biomed.+Eng%22%5BJournal%5D)">SNP genotyping: technologies and biomedical applications.</a> Annu. Rev. Biomed. Eng. 9, 289-320 (2007).</li>
<li>Kwok, P. Y., Chen, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detection+of+single+nucleotide+polymorphisms%5BTitle%5D)+AND+%22Curr.+Issues+Mol.+Biol%22%5BJournal%5D)">Detection of single nucleotide polymorphisms.</a> Curr. Issues Mol. Biol. 5, 43-60 (2003).</li>
<li>Elghanian, R., Storhoff, J. J., Mucic, R. C., Letsinger, R. L., Mirkin, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Selective+colorimetric+detection+of+polynucleotides+based+on+the+distance-dependent+optical+properties+of+gold+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Selective colorimetric detection of polynucleotides based on the distance-dependent optical properties of gold nanoparticles.</a> Science. 277 (5329), 1078-1081 (1997).</li>
<li>Lee, J. S., Han, M. S., Mirkin, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Colorimetric+Detection+of+Mercuric+Ion+%28Hg2%2B%29+in+Aqueous+Media+using+DNA-Functionalized+Gold+Nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem%22%5BJournal%5D)">Colorimetric Detection of Mercuric Ion (Hg2+) in Aqueous Media using DNA-Functionalized Gold Nanoparticles.</a> Angew. Chem. 119 (22), 4171-4174 (2007).</li>
<li>Storhoff, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gold+nanoparticle-based+detection+of+genomic+DNA+targets+on+microarrays+using+a+novel+optical+detection+system%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens.+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">Gold nanoparticle-based detection of genomic DNA targets on microarrays using a novel optical detection system.</a> Biosens. Bioelectron. 19 (8), 875-883 (2004).</li>
<li>Bao, Y. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SNP+identification+in+unamplified+human+genomic+DNA+with+gold+nanoparticle+probes%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic+Acids+Res%22%5BJournal%5D)">SNP identification in unamplified human genomic DNA with gold nanoparticle probes.</a> Nucleic Acids Res. 33 (2), 15-15 (2005).</li>
<li>Chen, Y. T., Hsu, C. L., Hou, S. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detection+of+single-nucleotide+polymorphisms+using+gold+nanoparticles+and+single-strand-specific+nucleases%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Biochem%22%5BJournal%5D)">Detection of single-nucleotide polymorphisms using gold nanoparticles and single-strand-specific nucleases.</a> Anal. Biochem. 375 (2), 299-305 (2008).</li>
<li>Li, H., Rothberg, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Colorimetric+detection+of+DNA+sequences+based+on+electrostatic+interactions+with+unmodified+gold+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Colorimetric detection of DNA sequences based on electrostatic interactions with unmodified gold nanoparticles.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101 (39), 14036-14039 (2004).</li>
<li>Fang, W. F., Chen, W. J., Yang, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Colorimetric+determination+of+DNA+concentration+and+mismatches+using+hybridization-mediated+growth+of+gold+nanoparticle+probes%5BTitle%5D)+AND+%22Sensor.+Actuat.+B+Chem%22%5BJournal%5D)">Colorimetric determination of DNA concentration and mismatches using hybridization-mediated growth of gold nanoparticle probes.</a> Sensor. Actuat. B Chem. 192, 77-82 (2014).</li>
<li>Wang, Z., Zhang, J., Ekman, J. M., Kenis, P. J., Lu, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((DNA-mediated+control+of+metal+nanoparticle+shape%3A+one-pot+synthesis+and+cellular+uptake+of+highly+stable+and+functional+gold+nanoflowers%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">DNA-mediated control of metal nanoparticle shape: one-pot synthesis and cellular uptake of highly stable and functional gold nanoflowers.</a> Nano Lett. 10 (5), 1886-1891 (2010).</li>
<li>Chen, L., Manz, A., Day, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Total+nucleic+acid+analysis+integrated+on+microfluidic+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Total nucleic acid analysis integrated on microfluidic devices.</a> Lab Chip. 7 (11), 1413-1423 (2007).</li>
<li>Lien, K. Y., Liu, C. J., Lin, Y. C., Kuo, P. L., Lee, G. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extraction+of+genomic+DNA+and+detection+of+single+nucleotide+polymorphism+genotyping+utilizing+an+integrated+magnetic+bead-based+microfluidic+platform%5BTitle%5D)+AND+%22Microfluid.+Nanofluid%22%5BJournal%5D)">Extraction of genomic DNA and detection of single nucleotide polymorphism genotyping utilizing an integrated magnetic bead-based microfluidic platform.</a> Microfluid. Nanofluid. 6 (4), 539-555 (2009).</li>
<li>Ng, J. K. K., Feng, H. H., Liu, W. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+discrimination+of+single-nucleotide+mismatches+using+a+microfluidic+device+with+monolayered+beads%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chim.+Acta%22%5BJournal%5D)">Rapid discrimination of single-nucleotide mismatches using a microfluidic device with monolayered beads.</a> Anal. Chim. Acta. 582 (2), 295-303 (2007).</li>
<li>Xing, S., Harake, R. S., Pan, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Droplet-driven+transports+on+superhydrophobic-patterned+surface+microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Droplet-driven transports on superhydrophobic-patterned surface microfluidics.</a> Lab Chip. 11 (21), 3642-3648 (2011).</li>
<li>Huang, C. J., Fang, W. F., Ke, M. S., Chou, H. Y. E., Yang, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+biocompatible+open-surface+droplet+manipulation+platform+for+detection+of+multi-nucleotide+polymorphism%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">A biocompatible open-surface droplet manipulation platform for detection of multi-nucleotide polymorphism.</a> Lab Chip. 14 (12), 2057-2062 (2014).</li>
<li>Mirkin, C. A., Letsinger, R. L., Mucic, R. C., Storhoff, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+DNA-based+method+for+rationally+assembling+nanoparticles+into+macroscopic+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">A DNA-based method for rationally assembling nanoparticles into macroscopic materials.</a> Nature. 382 (6592), 607-609 (1996).</li>
<li>Ichimura, K., Oh, S. K., Nakagawa, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Light-driven+motion+of+liquids+on+a+photo-responsive+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Light-driven motion of liquids on a photo-responsive surface.</a> Science. 288 (5471), 1624-1626 (2000).</li>
<li>Jones, T. B., Gunji, M., Washizu, M., Feldman, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dielectrophoretic+liquid+actuation+and+nanodroplet+formation%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Dielectrophoretic liquid actuation and nanodroplet formation.</a> J. Appl. Phys. 89 (2), 1441-1448 (2001).</li>
<li>Lee, J., Kim, C. J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface-tension-driven+microactuation+based+on+continuous+electrowetting%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Microelectromech.+S%22%5BJournal%5D)">Surface-tension-driven microactuation based on continuous electrowetting.</a> J. Microelectromech. S. 9 (2), 171-180 (2000).</li>
<li>Daniel, S., Chaudhury, M. K., De Gennes, P. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vibration-actuated+drop+motion+on+surfaces+for+batch+microfluidic+processes%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Vibration-actuated drop motion on surfaces for batch microfluidic processes.</a> Langmuir. 21 (9), 4240-4248 (2005).</li>
<li>Darhuber, A. A., Valentino, J. P., Davis, J. M., Troian, S. M., Wagner, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidic+actuation+by+modulation+of+surface+stresses%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Microfluidic actuation by modulation of surface stresses.</a> Appl. Phys. Lett. 82 (4), 657-659 (2003).</li>
</ol>

作者声明不存在任何竞争性财务利益。

在本实验方案中，可在微量离心管中采用一种简单的比色法检测MNP，检测浓度范围为0.11–0.50 µM。此外，所提出的MNP检测方法在气动液滴操控平台上进行，该平台在DNA筛查及其他生物医学应用中具有广阔前景。实际应用中，样品DNA的可检测范围取决于操作平台的混合效率。为确保融合后的液滴充分混合，本方案中的关键步骤是控制空气抽吸（压力和频率），其参数需根据融合液滴的大小进行调节。对于较长的DNA序列片段，完全互补的样品DNA与错配的样品DNA之间的杂交亲和力差异难以通过肉眼区分。因此，该检测技术的局限性在于样品DNA的片段长度。对于含有长DNA序列的样品，AuNP的生长尺寸或构象与含有不同错配的多种DNA样品相似。在本方案中，DNA样品与探针的错配位于序列的中间区段。当样品DNA长度相同且为同源错配时，错配的位置仍可能影响其与探针的杂交亲和力以及AuNP的生长尺寸。目前许多疾病已被追溯至特定的缺陷基因，针对特定疾病的基因组数据库仍在不断扩展和完善。一旦确认特定DNA片段的序列变异与某种疾病相关，即可设计特异性探针（选择适当的DNA长度和错配位置），结合本研究已验证的检测条件，在可检测浓度范围内测定样品DNA与探针之间的错配数量。...

单核苷酸多态性（SNP）是指DNA序列中单个碱基对的差异，是最常见的遗传变异之一。目前研究表明，SNP可通过影响基因功能，与个体的疾病易感性、药物疗效及不良反应相关。1,2 近期研究还发现，双点或多点突变（多核苷酸多态性）可导致特定疾病以及个体在疾病效应上的差异。3,4 因此，在疾病初筛中检测核苷酸多态性至关重要。在过去二十年中，针对序列特异性寡核苷酸的快速检测，已开发出多种简单且高效的方法。1,5 目前鉴定DNA突变的常用方法通常包括探针固定、荧光标记、凝胶电泳等步骤。 等等。,6,7 但这些方法通常需要较长的分析过程、昂贵的仪器设备、经过良好培训的技术人员，以及大量消耗样品和试剂。
具有较大表面积与体积比以及独特理化性质的纳米颗粒，是用于特异性生物标志物高灵敏度、低成本检测的理想材料。金纳米颗粒（AuNP）因其易于与寡核苷酸探针进行修饰，在DNA检测中得到了广泛应用8-10。基于AuNP的单核苷酸多态性（SNP）检测技术也已被开发出来11-13。在本研究中，我们采用了一种新颖的比色法，通过DNA杂交介导的AuNP探针生长来检测多位点核苷酸多态性（MNP）14。该方法基于与AuNP结合的单链DNA（ssDNA）或双链DNA（dsDNA）长度不同，会影响AuNP的生长尺寸和形态这一原理（见图1）15。这种DNA检测方法具有试剂消耗量少、检测时间短（数分钟内）、操作简便且无需温度控制等优点，有望应用于临床诊断和家庭医学筛查。
已开发出多种用于检测DNA序列的微流控系统16；这些微流控系统由传统实验方案演变而来，所需大型设备更少，且简化了实验流程，从而提高了DNA生物传感器的灵敏度、检测限和特异性。然而，微流控系统中的DNA检测方法仍需要后续处理仪器，例如使用聚合酶链式反应（PCR）仪进行信号扩增，以及使用荧光读取仪进行单次读出，以识别异源单核苷酸多态性（SNP）17,18。因此，开发一种无需后续处理即可直接读取多位点核苷酸多态性结果的简易平台具有重要意义。与广泛使用的传统封闭式微流控系统相比，开放式表面微流控装置展现出若干优势，例如清晰的光学路径、便于接触样品、直接与环境相通，以及通道内不易产生空化或界面阻塞19。我们前期工作介绍了一种用于开放式表面液滴操控的简易气动平台（见图2）20。在该平台上，液滴可在无驱动能量干扰的情况下，通过负压作用实现同步传输与操控，在生物和化学应用中具有广阔前景。因此，该气动平台被结合比色法，利用DNA杂交介导的金纳米粒子（AuNP）探针生长原理，用于实现DNA样本的多位点核苷酸多态性（MNP）检测操控。
本文所述方案介绍了一种在开放表面的气动液滴操控平台上对多位点核苷酸多态性进行简单可视化检测的方法。本研究证实，多位点核苷酸多态性可通过肉眼直接检测；所提出的气动平台适用于生物学和化学领域的应用。

<table><tbody><tr><td>聚二甲基硅氧烷（PDMS）</td><td>Dow Corning</td><td>SYLGARD 184</td><td></td></tr><tr><td>台式雕刻机</td><td>Roland DG</td><td>EGX-400</td><td></td></tr><tr><td>激光切割机</td><td>Universal Laser Systems, Inc.</td><td>VLS 3.50</td><td></td></tr><tr><td>氧气等离子体处理系统</td><td>Femto Science Inc. Korea</td><td>CUTE-MPR</td><td></td></tr><tr><td>电磁阀</td><td></td><td></td><td>自制</td></tr><tr><td>真空泵</td><td>ULVAC KIKO, Inc.</td><td>DA-30D</td><td></td></tr><tr><td>13 nm 金纳米颗粒溶液（AuNP）</td><td>TAN Bead Inc., 中国台湾</td><td>NG-13</td><td></td></tr><tr><td>DNA（5'端硫醇标记）</td><td>MDBio, Inc., 中国台湾</td><td></td><td></td></tr><tr><td>磷酸盐缓冲液（PBS）</td><td>UniRegion&amp;nbsp;Bio-Tech,. 中国台湾</td><td>PBS001-1L</td><td></td></tr><tr><td>十二烷基硫酸钠（SDS）</td><td>J. T. Baker</td><td>4095-04</td><td></td></tr><tr><td>羟胺溶液（NH&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;OH）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>467804</td><td></td></tr><tr><td>氯金酸（HAuCl&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>G4022</td><td></td></tr><tr><td>氯化钠（NaCl）</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>涡旋混合器</td><td>Digisystem Laboratory Instruments Inc.</td><td>VM-2000</td><td></td></tr><tr><td>离心机</td><td>Hermle Labortechnik GmbH.</td><td>Z 216 MK</td><td></td></tr></tbody></table>

基于气动液滴操控平台的多位点核苷酸多态性可视化比色检测

The Visual Colorimetric Detection of Multi-nucleotide Polymorphisms on a Pneumatic Droplet Manipulation Platform

一种简单且可视化的多核苷酸多态性（MNP）检测方法在开放表面上的气动液滴操控平台上实现。该比色法DNA检测基于杂交介导的金纳米粒子探针（AuNP探针）生长原理。AuNP的生长尺寸和构型由与探针杂交的DNA样本数量决定。根据纳米粒子特有的尺寸和形貌依赖性光学性质，可区分样本DNA片段与探针之间的错配数量。实验分别通过含有试剂和DNA样本的液滴进行，在气动平台上利用柔性PDMS基超疏水膜的可控气动吸力实现液滴的传输与混合。在所提出的气动平台上，可在开放表面同时且精确地递送液滴，该平台具有高度生物相容性，对液滴内的DNA样本无任何副作用。结合上述两种方法，可在气动液滴操控平台上直接通过肉眼检测多核苷酸多态性，无需额外仪器。从将液滴装载到平台至获得最终结果的整个过程耗时不到5分钟，远短于现有方法。此外，该联合MNP检测方法每次操作仅需10 µl样本体积，显著少于宏观系统所需体积。

本研究中，采用一种简单且新颖的检测方法，通过DNA杂交介导的AuNP探针生长，对三种DNA样本进行了检测。探针DNA及三种DNA样本（分别为与探针DNA完全互补的CDNA、含有三个碱基错配的TMDNA和含有六个碱基错配的SixMDNA）的序列见方案步骤1。本实验中测试的DNA样本相对于探针的错配位点均位于DNA序列的中部区域。图6展示了不同浓度下各DNA样本对应的AuNP生长溶液的颜色变化。对于完全匹配的DNA（CDNA），溶液颜色随DNA浓度增加，由粉红色变为靛蓝色，再变为透明；对于TMDNA，溶液颜色由粉红色变为深紫色，再变为靛蓝色；而对于SixMDNA，溶液颜色则随DNA浓度增加由粉红色变为深粉红色。不同DNA样本与探针DNA的杂交亲和力存在差异，导致AuNP生长程度不同，从而引起溶液颜色的差异。TMDNA样本相对于探针存在三个碱基对的错配，其杂交亲和力低于CDNA样本，因而AuNP的生长尺寸较小。如图6所示，在较高DNA浓度下，CDNA与TMDNA样本之间的颜色差异较为明显。SixMDNA样本由于...

本研究展示了一种在气动液滴操控平台上检测多位点核苷酸多态性的简单且可视化的方&nbsp;法。利用该方法，整个实验过程（包括液滴操控和多位点核苷酸多态性检测）均可在接近23&nbsp;°C的条件下完成，无需借助复杂的仪器设备。

一种简单且可视化的多核苷酸多态性（MNP）检测方法在开放表面的气动液滴操控平台上实现。

本实验的总体目标是将一种用于可视检测多位点核苷酸多态性的简便方法与气动液滴操控平台相结合。该DNA检测平台位于开放表面，生化研究人员使用起来简单直接。我们研究了一种可重复检测基因突变和遗传性疾病的简易工具。它在帮助我们理解遗传变异如何导致疾病方面具有更大的潜力。我们结合了两种新颖且简单的方法，可在气动液滴操控平台上通过肉眼直接检测多核苷酸多态性，无需任何额外仪器。将由本组的博士后王紫明演示多核苷酸多态性的检测方法。开始此操作前，按照文本方案制备100微摩尔的探针DNA溶液。然后，将探针DNA加入每毫升1 OD的金纳米颗粒溶液中。将SDS的终浓度调至0.01%，PBS的终浓度调至0.01摩尔。让溶液孵育20分钟。接着，通过加入2摩尔氯化钠和0.01摩尔PBS的溶液，将氯化钠浓度提高至0.05摩尔。保持SDS浓度为0.01%，使溶液再孵育20分钟。每20分钟将氯化钠浓度逐步增加0.1摩尔，直至最终浓度达到1摩尔。将溶液在23°C下于旋转仪中孵育过夜。DNA 样品与金纳米颗粒结合后，将溶液在 7,000 × g 条件下离心 30 秒。弃去上清液。接着，通过将沉淀重悬于去离子水中，制备 25 纳摩尔的金纳米颗粒探针溶液。按照文本方案中的说明制备目标DNA样品。向每份含有氯化钠的DNA样品中加入6 µL金纳米粒子探针溶液。使用涡旋混合器，在23 °C条件下将每份样品溶液振荡5分钟。然后，向每份 DNA 样品溶液中加入 6 µL 的 400 mmol/L 羟胺溶液和 6 µL 的 25.4 mmol/L 氯金酸溶液。将这些样品静置，接下来一小时内将逐渐发生颜色变化。根据纳米颗粒的尺寸和形貌依赖性光学特性，可通过肉眼辨别样品 DNA 片段中错配数量的典型差异。开始制备液滴操控平台时，使用配备0.5毫米钻头的数控机床加工具有微结构的PMMA基母模。钻头的进给速度为7毫米/秒，转速为26,000 rpm，钻孔后检查模具。使用气流吹扫和去离子水清洁母模表面，去除所有PMMA碎屑。随后，配制 10:1 的 PDMS 基液与固化剂混合物。将混合物置于真空干燥器中脱气，直至完全去除气泡。然后，将 PDMS 混合物倒入主模具中。在60摄氏度下烘烤三小时，以在气室和气道中形成倒置微结构。烘烤完成后，将PDMS层从母模上取下，并在其上打孔，用于空气抽吸入口。使用氧气等离子体处理系统对PDMS膜和PDMS层进行清洗。处理后，将PDMS膜与PDMS层键合，然后在此结合结构上打孔。接着，使用90摄氏度的加热板将PDMS与玻璃基底键合10分钟。待各层完全键合后，将复合板放入激光切割机中，PDMS膜面朝上。导入 dwg 文件以定义超疏水区域，该区域将直接刻蚀到 PDMS 膜上。使用去离子水清洗新刻蚀的超疏水表面，以去除任何碳化残留物。表面清洁后，通过电磁阀将空气吸入口与真空泵连接。然后，将电磁阀连接

the-visual-colorimetric-detection-multi-nucleotide-polymorphisms-on

Research

科研

JoVE Journal

Genetics

遗传学

在气动操纵液滴平台多核苷酸多态性的视觉比色法检测

基于液滴的微流控平台有望用于高通量实验，因其能够以千赫兹速率低成本生成皮升级、自成隔室的微小反应容器。通过与快速、灵敏且高分辨率的荧光光谱方法相结合，可高效地提取、利用并整合这些系统中产生的大量信息。...

微流控液滴平台的荧光检测方法

在本视频中，我们介绍了一种逐步生成乳化纳米液滴的实验方法，用于通过数字聚合酶链式反应（dPCR）检测目标核酸。...

微滴数字聚合酶链式反应：一种生成纳米微滴PCR反应以检测稀有肿瘤突变的方法

本视频展示了数字滴液聚合酶链式反应在鉴定DNA样本中插入缺失突变（indel突变）中的作用。ddPCR具有高精度和高灵敏度，能够准确且一致地检测样本中罕见的突变，即使其含量极低也能识别。该技术可鉴定并定量基因组不同区域中的插入缺失突变，为突变机制及其功能影响提供重要见解。...

用于靶基因中插入缺失突变检测的数字滴定聚合酶链式反应

本视频展示了多重液滴式聚合酶链式反应技术，用于同时定量不同白细胞群体中的甲基化DNA区域，作为临床诊断和预后的早期生物标志物。...

多重液滴聚合酶链式反应检测白细胞DNA甲基化

本视频展示了采用管中芯片形式的数字PCR在检测DNA样本中单核苷酸变异方面的应用价值。单个PCR反应被分配至多个反应腔室中，每个腔室相当于独立的PCR反应单元，通过检测目标扩增后在各腔室中产生的荧光信号，可计算出样本中变异等位基因的频率。...

基于管中芯片的数字PCR用于单核苷酸变异的定量分析

本视频旨在演示如何进行 从福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）参考标准细胞系中自动化提取DNA及数字滴定PCR (ddPCR) 分析用于在临床环境中检测稀有突变。在福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）样本中检测突变，证明了 ddPCR 在 FFPE...

采用数字滴定PCR检测福尔马林固定石蜡包埋参考标准细胞系中的BRAF V600E突变

在液滴微流控中，多色荧光检测通常需要使用体积庞大且结构复杂的基于倒置荧光显微镜的检测系统。本文介绍一种紧凑且模块化的多色检测方案，该方案利用光纤阵列通过单个光电探测器对采集的多色数据进行时间编码。...

使用光纤实现液滴微流控的多色荧光检测

本方案描述了一种小型即用型卡盒的制备方法，该卡盒可用于单次检测中对多种核酸进行可视化检测，操作简便。该方法采用毛细管阵列，实现对转基因目标物的多重、高效检测。...

毛细管阵列中多种核酸的可视化检测

本文介绍一种利用液滴式数字PCR（drop-off...

单液滴数字聚合酶链式反应用于热点区域突变的全面同步检测

通过定量DNA甲基化模式，表观遗传标记可用于白细胞（WBC）亚型分型。本方案介绍了一种基于热塑性弹性体（TPE）微流控装置的多重液滴聚合酶链式反应（mdPCR）方法，用于生成液滴，从而实现对白细胞分类计数中甲基化特异性靶标的精确定量和多重检测。...

使用聚合物微滴生成装置进行甲基化特异性多重微滴PCR用于血液学诊断

本方案提供了从DNA提取到数字液滴PCR（ddPCR）实验建立的完整步骤，包括在gRNA引导的Cas9切割及DNA修复后，对靶位点处非同源末端连接（NHEJ）事件进行鉴定与定量的分析方法。该方法的其他应用还包括多态性检测和基因编辑变异体验证等。...

利用数字液滴PCR检测基因改造按蚊群体中的插入缺失突变

学习在气动液滴操控平台上利用视觉比色法检测多核苷酸多态性的简单方法。该技术无需复杂仪器，可在室温下快速完成基因突变筛查，为生化研究人员提供便捷的遗传变异分析工具。

基于气动液滴操控平台的多位点核苷酸多态性可视化比色检测

探索更多视频