本發明專利技術提供一種基于ddPCR與熒光液滴分選富集的DNA數據庫隨機讀取方法，包括以下步驟：S1，DNA數據庫的預處理；S2，微液滴的制備，每個微液滴中包含若干DNA片段；S3，微液滴的熱循環處理，使含有目標文件的DNA片段的微液滴的熒光強度顯著增強；S4，熒光液滴的分選富集，最終實現含有目標文件的DNA片段的微液滴的分選富集。根據本發明專利技術提供的DNA數據庫隨機讀取方法，具有操作簡單、抗干擾能力強、準確度高、讀取效率高的優點，實現了在超高容量超高密度的DNA數據庫中的隨機讀取，適用于超高容量DNA數據存儲系統，在DNA數據庫隨機讀取領域具有極強的應用潛力和極高的應用價值。的應用潛力和極高的應用價值。的應用潛力和極高的應用價值。
【技術實現步驟摘要】
一種基于ddPCR與熒光液滴分選富集的DNA數據庫隨機讀取方法
[0001]本專利技術涉及DNA數據存儲及讀取領域，更具體地涉及一種基于ddPCR與熒光液滴分選富集的DNA數據庫隨機讀取方法。
技術介紹
[0002]DNA數據存儲，是一種利用DNA來存儲數據的新興技術，通過將二進制的信息數據轉化為DNA鏈上不同的堿基序列來得以實現。天然存在的四種DNA堿基A、T、C、G相當于四進制，每一種堿基對應兩位的二進制數據，相當于兩個比特。DNA數據存儲具有存儲密度高，單位存儲密度比現有存儲介質高出至少3個數量級，節省空間；存儲時間長，可達100年以上，存儲過程中無需人工維護，頻繁更換存儲介質轉移數據，耗能少；無需消耗硅、稀土等日益減少的寶貴資源等優點。
[0003]DNA數據存儲可以分為數據編碼、DNA合成、DNA數據庫保存、DNA數據庫讀取、DNA測序、數據解碼這幾個步驟。其中，數據編碼是按照一定的規律將二進制的數據信息轉化為對應的大量堿基序列段；DNA合成是按照編碼好的堿基序列段合成相應的長度有限的DNA片段；合成的DNA片段經過氨解、純化、擴增等處理后，可以干燥成干粉或溶解在溶液中，形成一個DNA物理池，進行封裝保存，稱為DNA數據庫，一個DNA數據庫通常包含多個文件；DNA數據庫讀取是指在一個或多個DNA數據庫中找到包含特定文件信息的目標DNA片段；DNA測序步驟會測出目標DNA片段的堿基序列；最后，數據解碼將堿基序列恢復成原本的二進制數據。
[0004]DNA數據存儲系統要走向應用，其存儲容量和和存儲密度必須進一步擴大。因此，需要在同一個DNA數據庫中存儲盡可能多的文件，這也就意味著，單位體積DNA數據庫中的DNA片段將會更多，也會越發混亂無序，DNA數據庫的讀取將變得更為困難。
[0005]目前最先進的DNA數據庫隨機訪問方法是使用許多周期的PCR擴增所需的文件相應的DNA片段。具體實施方法為，在PCR的過程中選用與包含目標文件信息的DNA片段對應的引物，在合成過程中存儲同一文件不同部分的DNA片段將會包含相同的DNA引物片段。因此，經過多輪PCR之后，包含目標文件信息的DNA片段數量將會大大超過其他DNA片段。此時即可通過DNA測序，結合概率統計學原理進行分析，得到包含目標文件的DNA片段的堿基序列，進而通過數據解碼恢復出目標文件。
[0006]然而以上方法僅適用于目前還比較簡單的DNA數據存儲系統，其DNA數據庫的數據量較小。根據理論預測，上述DNA數據庫隨機訪問方法隨著數據庫規模的增加，測序效率會不斷下降，最終失效。因為，隨著數據庫規模的增加，即使經過多輪PCR，包含目標文件信息的DNA片段數量也無法遠超大量的非目標DNA片段。此外，PCR循環次數過多，還會導致非特異性產物數量的增加，向DNA數據庫中引入噪聲數據。因此，包含目標文件信息的DNA片段無法達到能夠被輕易篩選出來進行測序的程度，無法順利恢復目標文件。所以，面對日后的高容量DNA數據存儲系統，當前的DNA數據庫隨機訪問方法存在嚴重問題。
技術實現思路
[0007]本專利技術的目的是提供一種基于ddPCR與熒光液滴分選富集的DNA數據庫隨機讀取方法，從而解決現有技術中高容量DNA數據存儲系統的讀取效率低下、甚至無法順利恢復目標文件的問題。
[0008]為了解決上述技術問題，本專利技術采用以下技術方案：
[0009]提供一種基于ddPCR與熒光液滴分選富集的DNA數據庫隨機讀取方法，包括以下步驟：S1，DNA數據庫的預處理：將DNA數據庫溶解在水相溶劑中，并向其中加入與包含目標文件的DNA片段所對應的引物以及用于檢測的特異性熒光染料；S2，微液滴的制備：將預處理后的DNA數據庫溶液注入第一微流控芯片中，在油相溶劑的作用下形成分布在油相溶劑中的微液滴，每個微液滴中包含若干DNA片段；S3，微液滴的熱循環處理：對所述微液滴進行PCR熱循環處理，包含目標文件的DNA片段不斷擴增，特異性熒光染料自動嵌合在DNA雙鏈上發出熒光，使含有目標文件的DNA片段的微液滴的熒光強度顯著增強；S4，熒光液滴的分選富集：將經過熱循環處理的微液滴溶液注入含有“Y字形”分叉口的第二微流控芯片中，在熒光探頭和電極的作用下，使含有目標文件的DNA片段的微液滴與不含目標文件的DNA片段的微液滴在“Y字形”分叉口處分離，最終實現含有目標文件的DNA片段的微液滴的分選富集。
[0010]所述DNA數據庫中含有若干條DNA片段，其中包含同一文件不同部分的DNA片段兩端帶有相同引物。
[0011]步驟S1中，所述水相溶劑包括去離子水或DEPC水，所述步驟S1還包括向溶解有DNA數據庫的溶液中加入擴增底物、聚合酶及其緩沖溶液。
[0012]步驟S2中，每個微液滴中包含0～n個DNA片段，對于相同容量的DNA數據庫，隨著微液滴數量的不斷上升，n的值無限趨近于1，隨機讀取的準確性也越高。
[0013]步驟S2中，所述第一微流控芯片包含“十字形”管道，微液滴溶液在接口處受到油相溶劑的對稱剪切力作用形成微液滴，所述微液滴的大小以及生成速率，可通過改變所述液滴微流控芯片的微通道結構、兩相流速比或粘度比來進行調控。
[0014]步驟S4中，所述第二微流控芯片的“Y字形”分叉口前還設有“十字形”管道，微液滴溶液在接口處受到油相溶劑的對稱剪切力作用，實現對微液滴間距的調控。
[0015]步驟S4中，具有固定間距的微液滴流在“Y字形”分叉口前受到所述熒光探頭的檢測，當熒光探頭檢測到高于設定閾值的熒光強度時，會向處理器發送一個脈沖信號，處理器收到信號后向電極發射電脈沖，從而使得具有高于設定閾值的熒光強度的微液滴受到介電泳力發生偏轉，低于設定閾值的熒光強度的微液滴則不發生偏轉。
[0016]根據本專利技術提供的DNA數據庫隨機讀取方法，優選地，還包括步驟S5，微液滴的反乳化：對包含目標文件的DNA片段的微液滴進行反乳化，使其穩定性被破壞，形成穩定的包含目標文件的DNA片段的水相溶液層，所述反乳化的方法可選自：化學破乳法、物理破乳法、生物破乳劑法、聯合破乳法和膜破乳法中的任意一種。
[0017]應當理解的是，根據本專利技術提供的DNA數據庫隨機讀取方法既可以在同一個集成的微流控系統中實現，也可以分別在不同系統中實現一步或多步。
[0018]優選地，所述特異性熒光染料為SYBR Green I核酸染料。
[0019]正如本專利技術
技術介紹
部分所述，當前DNA數據庫隨機訪問方法隨著數據庫規模的迅速增加，測序效率會不斷下降，最終失效。包含目標文件信息的DNA片段無法達到能夠被
輕易篩選出來進行測序的程度，造成無法順利恢復目標文件。面對日后的高容量DNA數據存儲系統，當前的DNA數據庫隨機訪問方法存在嚴重缺陷。
[0020]然而根據本專利技術，首次提供的這樣一種基于ddPCR與熒光液滴分選富集的DNA數據庫隨機讀取方法解決了這一技術難題。本專利技術通過結合液滴數字PCR(ddPCR)與熒光液滴分選富集的方法，實現了當前DNA數據庫隨本文檔來自技高網...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
1.一種基于ddPCR與熒光液滴分選富集的DNA數據庫隨機讀取方法，其特征在于，包括以下步驟：S1，DNA數據庫的預處理：將DNA數據庫溶解在水相溶劑中，并向其中加入與包含目標文件的DNA片段所對應的引物以及用于檢測的特異性熒光染料；S2，微液滴的制備：將預處理后的DNA數據庫溶液和油相溶劑同時注入第一微流控芯片中，在油相溶劑的剪切力作用下形成分布在油相溶劑中的若干微液滴，每個微液滴中包含若干DNA片段；S3，微液滴的熱循環處理：對所述微液滴進行PCR熱循環處理，包含目標文件的DNA片段不斷擴增，特異性熒光染料自動嵌合在DNA雙鏈上發出熒光，使含有目標文件的DNA片段的微液滴的熒光強度顯著增強；S4，熒光液滴的分選富集：將經過熱循環處理的微液滴溶液注入含有“Y字形”分叉口的第二微流控芯片中，在熒光探頭和電極的作用下，使含有目標文件的DNA片段的微液滴與不含目標文件的DNA片段的微液滴在“Y字形”分叉口處分離，最終實現含有目標文件的DNA片段的微液滴的分選富集。2.根據權利要求1所述的DNA數據庫隨機讀取方法，其特征在于，所述DNA數據庫中含有若干條DNA片段，其中包含同一文件不同部分的DNA片段兩端帶有相同引物。3.根據權利要求1所述的DNA數據庫隨機讀取方法，其特征在于，步驟S1中，所述水相溶劑包括去離子水或DEPC水，該步驟S1還包括向溶解有DNA數據庫的溶液中加入擴增底物、聚合酶及其緩沖溶液。4.根據權利要求1所述的DNA數據庫隨機讀取方法，其特征在于，步驟S2中，每個微液滴中包含0～n個DNA片段，對于相同容量的DNA數據庫，隨著微液滴數量的不斷上升，n的值無限趨近于1，隨機讀取的準確性也越高。5.根據權...
【專利技術屬性】
技術研發人員：楊世佳，王寧，趙建龍，
申請(專利權)人：祥符實驗室，
類型：發明
國別省市：
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