论文概况
- 论文标题:基于微流控技术的数字 PCR 检测仪设计与实现
- 作者:何关金(广东顺德工业设计研究院/广东顺德创新设计研究院)
- 发表期刊:《天津科技》第47卷第1期,2020年1月
- 论文编号:1006-8945(2020)01-0035-06
- DOI:10.14099/j.cnki.tjkj.2020.01.012
- 页数:6 页
- 类型:期刊论文(应用技术)
- 文件路径:
/工作相关/QPCR(1)/01 数据处理模块——串扰分析与数据转化/基于微流控技术的数字PCR检测仪设计与实现_何关金.pdf
核心观点
本文设计了一种基于微流控技术的微滴式数字 PCR(ddPCR)检测仪,采用两路荧光检测通道(FAM/VIC),通过采集分析荧光信号波形获得阴性微滴比例,再根据泊松分布原理计算靶分子起始浓度。配套开发了数据分析软件,并详细分析了双通道荧光矩阵补偿和基因变异率计算方法。
主要结论:
- 仪器准确性高:Horizon 标准品测试 CV ≤ 5%
- 线性范围广:10¹ ~ 10⁶ 拷贝数,线性相关系数 R² > 0.99
- 支持多重检测:每通道各 2 个位点可实现 16 分群
三代 PCR 技术演进
| 代际 | 技术 | 定量方式 | 特点 |
|---|---|---|---|
| 第一代 | 普通 PCR | 定性 | 仅判断有无 |
| 第二代 | 实时定量 PCR(qPCR) | 相对定量 | 需要标准曲线 |
| 第三代 | 数字 PCR(dPCR) | 绝对定量 | 无需标准曲线,灵敏度高,线性范围广 |
数字 PCR 核心原理:将反应体系有限元分区,形成数以万计的单一反应体系,根据泊松分布,由阴性分区比例计算目标分子起始拷贝数。分区数量越多,结果越精确。
数字 PCR 两种技术路线
- 微孔芯片式:多孔芯片微反应室(多至 20,000 孔)
- 缺点:分散单元数量相对较少,载样过程复杂不易重复
- 微滴式(ddPCR):液滴分区,数量可达数万至数十万
- 优势:更灵活,分区数量多,应用越来越广泛
仪器硬件设计
整体架构
进样针 → 切向阀 → 注射泵 → 微滴检测芯片 → PMT探测器 → 滤波器 → 16位ADC → FPGA采集 → STM32F103主CPU → USB → PC分析软件
↑
LED激发光源
核心组件
| 组件 | 型号/规格 | 作用 |
|---|---|---|
| 激发光源 | LED | 激发 FAM/VIC 荧光染料 |
| 荧光通道 | 2 通道(FAM / VIC) | FAM: 520nm 发射,VIC: 554nm 发射 |
| 探测器 | 2 组 PMT | 荧光信号→模拟信号转换 |
| ADC | ADI AD1377(16位) | 模拟→数字信号转换,输入电压范围广,线性误差小,采样速度高 |
| 主控芯片 | STM32F103 | 主 CPU,数据传输控制 |
| FPGA | — | 2 路信号快速采集 |
| 电机驱动 | A4989 三相集成驱动 + A4931 前置驱动(Allegro) | 三维运动机构无刷电机驱动,支持 30V,堵转保护/过热停机/过压监视 |
| 编码器 | 10,000 线 ABZ 编码器 | 闭环位置反馈 |
| 信号转换 | AM26LV31 | 单端转差分(Hall 信号→差分信号) |
液路与机械系统
- 微滴检测流道:十字口经载体油推动,微滴排列成单个序列通过检测位置
- 三维运动机构:3 组带编码器的无刷电机闭环控制,96 孔板孔位定位
- 液路控制:注射泵 + 切向阀,实现进样、抽样、液路清洗
- 进样门:步进电机控制开合
- 故障检测:废液油过量、检测油空、96 孔板未安装等
荧光信号处理系统
处理流程
原始荧光信号 → 滤波(二阶有源滤波器) → 基线调整 → 波形识别 → 荧光补偿 → 阈值划分 → 阴阳性判定
关键处理步骤
1. 滤波
- 原因:电源波动、流体杂质、信号干扰造成随机噪声
- 方法:二阶有源滤波器滤除噪声
2. 基线调整
- 原因:检测油液体折射、散射、玻璃芯片散射光导致荧光数据整体上移
- 方法:峰值提取前进行基线校准
3. 波形识别
- 理想情况:微滴均匀离散通过,波形呈高斯分布
- 实际复杂情况:
- 多个微滴同时通过
- 微滴重叠通过
- 流体杂质非正常荧光干扰
- 处理:针对每种情况识别,保留或剔除
4. 荧光补偿(见下节详述)
荧光补偿算法
问题引入
- 双通道设计(FAM + VIC)引入通道间荧光串扰
- 补偿不足 → 弱阳性群体→假阳性增多
- 过度补偿 → 丢失弱阳性→假阴性
线性补偿原理
实验验证:不同浓度荧光素钠同时通过两通道时,荧光数据呈线性分布,因此可用线性方式补偿。
符号定义
| 符号 | 含义 |
|---|---|
| Fnˣ | 在 n 探测器中检测到的来自 x 荧光的信号 |
| D₁, D₂ | 探测器 1(FAM)、探测器 2(VIC)检测到的总信号 |
| fF1 | FAM 探测器中 FAM 探针荧光信号(真值) |
| vF2 | VIC 探测器中 VIC 荧光信号(真值) |
| fS2 | FAM 荧光渗漏到 VIC 探测器的比例系数 |
| vS1 | VIC 荧光渗漏到 FAM 探测器的比例系数 |
基本方程
总检测信号 = 真实信号 + 串扰信号:
D₁ = fF1 + vF₁ (FAM 通道总信号)
D₂ = fF₂ + vF₂ (VIC 通道总信号)
渗漏系数比值恒定:
fS2 = fF₂ / fF₁ (FAM 串到 VIC 的比例)
vS1 = vF₁ / vF₂ (VIC 串到 FAM 的比例)
补偿质控物标定
使用单一荧光补偿质控物(只有一种荧光素)标定渗漏系数:
单一 FAM 质控物(vF₁ = vF₂ = 0):
D�1ᶠ = fF₁
D₂ᶠ = fF₂
fS2 = D₂ᶠ / D₁ᶠ
单一 VIC 质控物(fF₁ = fF₂ = 0):
D�1ᵛ = vF₁
D₂ᵛ = vF₂
vS1 = D₁ᵛ / D₂ᵛ
补偿公式(矩阵求逆)
由以上方程联立求解真实荧光值:
D₁ − vS1 × D₂
fF₁ = ————————————————
1 − vS1 × fS2
D₂ − fS2 × D₁
vF₂ = ————————————————
1 − vS1 × fS2
本质是 2×2 荧光串扰矩阵的逆矩阵运算,与荧光补偿算法-液相芯片多色荧光检测中 PMT=K×FL+A 模型原理一致,此处无背景偏移项 A。
阴阳性判定
补偿后,根据自动阈值划分算法确定区分阈值:
- 荧光幅值 ≥ 阈值 → 阳性微滴
- 荧光幅值 < 阈值 → 阴性微滴
样本浓度与变异率计算
泊松分布定量原理
数字 PCR 并非”一个阳性微滴 = 一个分子”——微滴中可能包含 2 个或更多目标分子,需用泊松分布校正。
泊松分布公式:
λᵏ
P(X=k) = e⁻λ × —— (k = 0, 1, 2...)
k!
其中:
- λ = 每个反应单元(单个微滴)中目标 DNA 分子的平均拷贝数
- P = 总反应体积中包含 k 个拷贝的概率
- λ = c × m(c 为总反应体积原始拷贝数浓度,m 为稀释倍数)
阴性比例法计算浓度
当 k = 0 时(阴性微滴,不含目标分子):
P(X=0) = e⁻λ = e⁻ᶜᵐ
阴性比例 = 阴性微滴数 / 总微滴数:
n − f
————— = e⁻ᶜᵐ
n
其中 n = 微滴总数,f = 阳性微滴个数。
两边取自然对数:
c × m = ln(1 − f/n)
单位体积拷贝数(拷贝数/μL):
D = c / V (V 为总反应体积,单位 μL)
基因变异率计算
双通道分别标记不同类型基因:
- FAM 通道 → 突变型基因 → 拷贝数 d₁
- VIC 通道 → 野生型基因 → 拷贝数 d₂
基因变异率:
d₁
Q = ———————— × 100%
d₁ + d₂
数据分析软件设计
软件架构(5 大模块)
| 模块 | 功能 |
|---|---|
| 实验设置(Mode) | 孔位设置、样本名称、实验类型、检测类型,支持加载保存设置 |
| 实验运行(Run) | 当前检测孔位、执行进度、上一孔结果一维图/二维图 |
| 数据分析(Analyze) | 结果图窗口(一维图/二维图微滴分群)+ 结果表窗口(阳性/阴性/总微滴数/总拷贝数)+ 孔选择窗口(多孔对比) |
| 系统设置(System) | 微滴直径、样本体积、数据保存路径、数据保存类型 |
| 帮助(Help) | 使用说明 |
软件输出信息
- 数值:阳性微滴数、阴性微滴数、总微滴数、微滴拷贝数、基因变异系数
- 图形:一维散点图、二维散点图(微滴分群可视化)
实验验证
实验一:Horizon 标准品准确性与精度测试
- 标准品:Horizon hd780
- 突变频率:5%、1%、0.1%、0%
- 实验设计:每样本 2 个重复,试验重复 3 次
- 结果:
- 同一次试验 2 个重复结果相近,与标准品拷贝数一致
- 同一样本 3 次重复实验 CV ≤ 5%
- 阴阳微滴区分明显
实验二:线性范围测试
- 样本:自主构建 EGFR L858R 突变型 + 野生型质粒
- 梯度:10¹ ~ 10⁶ 拷贝数,共 6 个梯度
- 扩增体系:20 μL(2× Mix 10μL + 引物 1800 nmol + 探针各 500 nmol + 样本 1μL + ddH₂O 补足)
微滴生成参数:
- 水相 20 μL + 油相 30 μL(含高性能表面活性剂)
- 微滴直径:约 70 μm
- 微滴数量:约 10 万个
扩增程序:
- 95℃,10 min
- 95℃,30 s;60℃,1 min — 50 轮
- 98℃,10 min
- 4℃ 保存
- 升降温速度:2℃/s
线性测试结果:
| 样本 | 梯度 | FAM(突变型)拷贝数 | VIC(野生型)拷贝数 |
|---|---|---|---|
| NTC | 0 | 0 | 0 |
| 野生型 10¹ | Ch1 | 0 | 11 |
| 野生型 10¹ | Ch2 | 0 | 10 |
| 野生型 10² | Ch3 | 0 | 92 |
| 野生型 10³ | Ch4 | 0 | 974 |
| 野生型 10⁴ | Ch5 | 2 | 11,890 |
| 野生型 10⁵ | Ch6 | 16 | 152,896 |
| 野生型 10⁶ | Ch7 | 0 | 900,170 |
| 突变型 10¹ | Ch1 | 12 | 0 |
| 突变型 10¹ | Ch2 | 14 | 4.7 |
| 突变型 10² | Ch3 | 81 | 0 |
| 突变型 10³ | Ch4 | 805 | 0 |
| 突变型 10⁴ | Ch5 | 10,275 | 4.2 |
| 突变型 10⁵ | Ch6 | 108,917 | 78 |
| 突变型 10⁶ | Ch7 | 1,089,868 | 18 |
注:野生型高浓度样本 FAM 通道有少量背景(2~16 个),突变型高浓度样本 VIC 通道也有少量泄漏,符合荧光串扰特征(已做补偿但仍有残差)。
线性相关系数:突变型和野生型 R² 均 > 0.99
实验三:多位点多重检测
- 每通道各 2 个位点检测
- 二维结果图中准确实现 16 分群
- 提高检测效率,降低检测成本
关键技术总结
- 微流控液滴技术:70 μm 微滴,约 10 万个/样本
- 双荧光通道检测:FAM + VIC,PMT 探测器,16 位 ADC
- 荧光补偿算法:线性矩阵补偿,2×2 串扰矩阵求逆
- 泊松分布绝对定量:阴性比例法计算起始浓度,无需标准曲线
- 基因变异率计算:d₁/(d₁+d₂)
- 16 分群多重检测:每通道 2 位点
应用场景
- 肿瘤基因突变检测
- 感染性疾病诊断
- 基因多态性分析
- 多基因遗传病诊断
关联笔记
- 荧光溢出补偿-数字PCR多色荧光检测校正技术 — QPCR 目录另一篇荧光补偿技术文档
- 荧光补偿算法-液相芯片多色荧光检测 — 液相芯片项目的补偿算法(K×FL+A 模型)
- 多重定量PCR系统中多色荧光检测和光谱串扰校正方法-臧留琴 — 同目录另一篇论文(四维聚类分析迭代算法)
- 微流控化学发光免疫分析仪-软件系统设计与调试 — 微流控 + 化学发光仪器项目
- FCS 3.1 流式细胞术数据文件标准 — 流式细胞术也涉及荧光补偿,原理相通