基于微流控的核酸提取技术

空白派

核酸提取是病原体核酸检测的第一步，目的是从生物样本中分离核酸，并去除可能干扰后续分析的蛋白质、糖类和脂类等物质，确保核酸的完整性。
传统的核酸提取方法包括酚氯仿法、煮沸裂解法、离心柱法和磁珠法。
酚氯仿法通过苯酚氯仿处理样本，使核酸溶解在水相中，而多糖和脂类物质溶解在有机相中，蛋白质则沉淀在两相界面。随后，使用乙醇沉淀核酸并经离心分离。虽然此法能获得高纯度核酸，但操作复杂且容易造成环境污染。
煮沸裂解法通过加热、煮沸和高速离心来提取核酸，但可能导致DNA丢失或裂解不完全，还可能引发交叉污染，影响检测准确性。
离心柱法利用硅基质吸附特定的DNA分子，RNA和蛋白质则通过柱子，经过不同条件的盐和pH值处理后，最终纯化核酸。该方法简单易操作，但不适合高通量和自动化。
磁珠法采用表面修饰的超顺磁性纳米颗粒与核酸特异性结合，提取过程中不需要离心和复杂试剂，适合自动化提取，尽管其成本较高。
除了这些常见方法，超声法、反复冻融法、酶解法和低渗裂解法也能有效提取核酸，但通常需要较长的时间、高成本和复杂的操作，不适合在条件有限的情况下使用。
微流控芯片核酸提取利用微流控技术，通过流体通道中的微滴样本和试剂实现快速分离和纯化核酸。这种方法操作简便、速度快，非常适合现场高通量检测。
1.    基于磁珠的微流控核酸提取

磁珠法是一种自20世纪80年代出现的高纯度核酸提取方法，目前已广泛应用。
磁珠由金属颗粒（如Fe2O3、Fe3O4）、外层高分子材料（如聚苯乙烯、聚氯乙烯）和功能基团（如—NH2、—COOH、—OH、—CHO）组成。
样本在裂解液作用下释放核酸，随后在静电、疏水和氢键等作用力的帮助下，核酸与磁珠结合形成“核酸-磁珠复合物”。
在外加磁场作用下，复合物被分离、清洗、洗脱，最终获得所需的核酸。
提取效率受多种因素影响，如磁珠孵育时间、磁场强度以及乙醇残留等。
与传统的磁珠提取法相比，基于微流控芯片的磁珠提取法在自动化和提取效率方面均有所提升。



基于磁珠法的小型自动核酸提取装置（A）； 离心式磁珠微流控芯片及其自动核酸提取装置（B）； 基于磁性硅珠的自动提取微流控磁盘（C）

2.    基于表面张力辅助不混溶过滤法的微流控核酸提取

表面张力辅助的非混相过滤（IFAST）技术通过在微流控芯片内设置多个水油屏障（“门控”间隔），并利用手持磁铁拖动磁珠穿越这些屏障，在短短几分钟内完成核酸的富集、洗涤和洗脱。
基于IFAST的核酸提取方法具有成本低、操作简便、反应迅速的优点，不需要复杂的洗涤步骤，从而减少了污染和核酸损失的风险。
该方法在使用时需要预先在芯片上加载试剂和样品，并通过手动控制磁铁完成磁珠的转运。



IFAST DNA提取原理过程示意图（A）； 用于 COVID-19 RNA检测的微流控 IFAST芯片（B）； 多层芯片结构示意图（C）

3.    基于硅基质的微流控核酸提取

硅基材料主要以玻璃粉、微纤维、微柱和薄膜等形式存在，硅基微流控芯片具有优异的热稳定性、良好的导热性以及较强的有机溶剂耐受性。
然而，硅材料的脆性较大、价格较高、电绝缘性差，且表面化学特性较为复杂，因此在微流控芯片的应用中，需要解决硬度过高、加工困难以及非特异性吸附等问题。
下图展示了一种蛇形管状微流控芯片，该芯片采用超声裂解技术，并基于二氧化硅膜进行核酸提取。
试剂被预先封装在蛇形管内，通过膜阀实现试剂的自动释放，能够从血清样品中提取乙型肝炎病毒（HBV）和人类免疫缺陷病毒（HIV）病毒核酸。



蛇形管状微流控芯片的二维原理图（A）； 硅胶膜提取的微流体芯片的结构和组成（B）

4.    基于纸基的微流控核酸提取

纸基法提取核酸的原理是，DNA分子带有负电荷，在碱性盐溶液中可迅速吸附到纸纤维表面。
通过简单的洗涤过程，DNA被保留在纸纤维表面，最终被释放到扩增反应液中进行后续分析。
纸基微流控芯片采用滤纸作为基质，替代硅、玻璃或聚合物材料，并利用光刻、蜡印和喷墨打印等技术制作具有亲水和疏水交替结构的微流控通道。
某些研究团队开发了一种纸基微流控装置，能够从血清样本中提取寨卡病毒、登革热病毒和基孔肯雅病毒的RNA。
提取的核酸可通过逆转录环介导的等温扩增技术在纸芯片上进行扩增，实现病毒RNA的同时提取与检测。
纸基微流控芯片具有成本低、无需外部驱动装置、提取速度快、试剂消耗少、环境污染小等优点。



病毒检测纸基微流控装置（A）； 纸基等速电泳微流控装置（B）

5.    基于电泳的微流控核酸提取

核酸电泳通常在琼脂糖凝胶或聚丙烯酰胺凝胶中进行。
通过调整凝胶的浓度，可以改变其分子筛网的孔径，进而影响核酸的分离效果。
在电场作用下，由于核酸带负电，核酸分子会向阳极迁移，从而实现核酸的分离和纯化，特别适用于不同长度的核酸片段分离。
近年来，等速电泳在核酸的选择性分离和富集方面得到了广泛应用。
这一方法通过使用移动速度不同的电解质离子（包括较慢的终止电解质离子和较快的领先电解质离子）来建立不连续的电解质系统，并通过电场调控目标分子的迁移。
研究表明，一种一次性集成微流控装置，结合等速电泳和凝胶电泳，能够对多个DNA片段进行预浓缩和分离，并在片上电泳过程中提取纯净的DNA片段。



基于石英玻璃的电泳微流控芯片 RNA 电泳示意图（A）； 一次性集成微流控装置（B）； 基于线程的 ITP实验的设计、照片和示意图（C）

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