[发明专利]一种高效的核酸检测和基因测序方法及其装置

说明书

本发明提供一种高效的核酸检测和基因测序方法及其装置，该方法包括步骤：S1：构建空间和光谱定标矩阵A作为先验信息；S2：采用荧光探针标记目标核酸序列，制备具有空间分布的核酸芯片，光源激发核酸芯片发出多色荧光信号，采用成像模块和面阵探测器依次对多色荧光信号进行调制、编码和采集，获得荧光二维强度测量矩阵Y；S3：通过关联重构算法将定标矩阵A与测量矩阵Y进行关联计算，求解Y=AX，重构出目标信号X，即标记目标核酸序列的荧光分子空间、光谱和强度分布信息，实现高效核酸检测和基因测序。本发明通过改变传统光学检测方式，提供一种核酸检测和基因测序方法及其装置，实现了高通量、高灵敏、快速、多重核酸检测和基因测序。

技术领域

本发明涉及分子诊断领域，更具体地涉及一种高效的核酸检测和基因测序方法及其装置。

背景技术

核酸、基因检测主要采用聚合酶链式反应（PCR）技术，是一种在体外特异性扩增靶DNA序列的技术，通过多个循环的变性、退火和延伸，能够使微量的遗传物质在几小时内得到几百万倍的扩增，然后通过检测PCR扩增后的荧光信号来定性或定量。PCR技术已经成为了生命科学研究和临床分子诊断领域最重要的支撑技术和核心驱动力。PCR技术主要包括实时荧光定量PCR（qPCR）技术和数字PCR（dPCR）技术。但目前PCR技术在高准确率、低浓度的和快速检测方面仍无法满足快速高效的核酸检测市场需求。商用的dPCR为了提高核酸检测效率，采用样本分割技术，通过制备了数万个乃至数百万个并行PCR反应单元，或是优化PCR反应体系、增加荧光通道数（多重PCR）来实现高通量、高灵敏的检测。但仍然无法解决长时间的PCR反应导致的检测效率低的问题。

基因测序是根据碱基互补配对原理来检测生命体的核酸序列，包括DNA测序和RNA测序，目前普遍使用荧光标记的方法进行基因测序，通过对四类碱基标记四种不同的荧光基团，实现四色荧光成像，以此识别碱基。为了提高基因测序的效率，基因检测仪也经历了三代的发展，第二代测序仪的技术基础是高密度基因芯片的荧光成像，其优点是通量高、成本低，缺点是在测序之前都要通过聚合酶链式反应（PCR）实现DNA扩增的建库过程，这就可能引入外源的碱基突变，且二代测序技术普遍读长较短。第三代测序技术由于不需要经PCR 建库的过程，直接对样本中的 DNA 分子进行测序，其潜在优点是速度快、准确率高，且有望大幅度降低成本，但限于目前的技术发展水平，测序的错误率还较高，且通量和成本在短时间内也无法与第二代测序技术相比。

因此，目前的核酸、基因检测和测序技术因传统光学检测技术的限制仍然存在不可克服的瓶颈，主要体现在以下两个方面：

1）多通道检测效率：通过不同荧光染料进行标记，可获得不同通道的数据信息，提高单一样本的检测类别。但是由于光学检测手段的限制，目前市场上多通道的实现方式主要包括以下两种检测方式：一：采用多通道切换依次曝光检测方式，一次只能检测一种荧光试剂。检测效率较低，不能满足同时检测多种荧光试剂的目的；二：将单通道系统机械的进行叠加或集成，用光纤连接各个独立的检测系统和分开的各待检测试剂，这个检测效率相较于单通道系统有所提升，但整个系统的体积较大，成本较高。但是，以上两种方式都需要对多个荧光通道进行分步检测，样品被反复照射或者照射的时间有差异，荧光的淬灭性影响很难测定。并且不同荧光通道之间存在较大串扰和干扰，多色荧光检测技术存在技术不足。

2）检测时间：目前的光学检测手段由于探测灵敏度的限制，无法避免长时间的PCR的扩增反应来实现荧光累积，也就是说，光学检测能力决定了PCR的所需循环数。目前检测时间较长也是由于光学检测能力不足，导致所需的PCR循环数过多，从本质上无法满足快速检测的要求。因此，提高荧光探测灵敏度是实现快速PCR的重要手段，通过实现弱光检测能力，来达到大幅减少PCR扩增循环数的需求。实现弱光探测能力，一方面可从高信噪比、高纯度、高亮度荧光探针标记的样品制备方法出发，另一方面，优化光学系统，提高荧光弱信号的探测灵敏度是更本质的解决方法。