CN109416365A - 用于生物样品筛选的多功能微流体设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微流体技术领域,尤其涉及能够分离核酸、纯化核酸;进行聚合酶链式反应(PCRs);核酸原位杂交;萤光信号检测及类似物的多功能微流体设备。装置包括多个试剂室(101A,101B)、样品输入端(102)、反应室(103)、检测室(104)和废物室(105)的集成;其中该多个试剂室(101A,101B)流体式连接到反应室(103),并被配置成用以存储多个试剂;其中样品输入端(102)流体式连接到反应室(103),并被配置成用以接收样品;其中废物室(105)流体式连接到反应室(103),并被配置成用以从反应室(103)接收反应废物。
Description
【技术领域】
本文的公开内容涉及用于生物样品筛选的设备,特别是能够分离核酸、纯化核酸;进行聚合酶链式反应(PCR);核酸原位杂交;萤光信号检测及类似物的多功能微流体设备。
【背景技术】
微流体晶片或晶片实验室(LOC)是例如在化学、光学、生物学和物理学领域中在仅仅几毫米至几厘米的单个晶片上集成一个或若干实验室功能来实现自动和高输送量筛选的设备。微流体技术实现对少至几微微升的极小流体量的处理和研究。该技术可以用于构造具有核酸的分离、纯化和从生物样品识别靶分子的集成功能的微型化学或生物晶片实验室。
微流体晶片设备在使诊断化验微型化方面可是有用的。例如微流体晶片设备可以在没有先进设备的领域中用于筛选生物样品,或者由不在诊所或医院或住在医疗卫生资源有限的区域内的患者所使用。微流体晶片设备还因为下列优势而可以在大型基因组筛选项目或基因检测中心使用:低流体量消耗、较低试剂成本、较少的诊断所需样品量、由于短扩散距离引起的较快且较简单的分析和回应时间、快速加热、较好的系统控制(因为系统的较快回应)、由于很多功能性集成和小的容量引起的紧凑系统、由于紧凑性引起的大规模并行化,其允许高输送量分析和相对较低的制造成本以及能够大规模生产。
【发明内容】
本文公开了一种装置,包括:多个试剂室、样品输入端、反应室、检测室和废物室的集成;其中所述多个试剂室流体式连接到反应室,并被配置成用以存储多个试剂;其中所述样品输入端流体式连接到所述反应室,并被配置成用以接收样品;其中所述废物室流体式连接到所述反应室,并被配置成用以从所述反应室接收反应废物。
根据实施例,该装置进一步包括混合通道,其中,所述混合通道流体式连接至所述多个试剂室,并被配置成用以使流过所述混合通道的流体混合。
根据实施例,所述反应室的侧壁包括朝向所述反应室内部的凸起。
根据实施例,所述多个试剂室被配置成联接至一个或多个致动器,其中,所述致动器被配置成在所述多个试剂室与所述反应室之间主动输送流体。
根据实施例,所述一个或多个致动器包括注射器或微型泵。
根据实施例,所述检测室被配置成联接至致动器,该致动器被配置成将流体从所述检测室主动输送到装置外部。
根据实施例,所述装置进一步包括出口室;其中,该出口室流体式连接到所述检测室;其中,所述出口室被配置成联接至致动器,该致动器被配置成将流体从所述检测室主动输送到所述出口室。
根据实施例,所述致动器包括注射器或微型泵。
根据实施例,所述反应室包括在所述反应室的底部处的第一开口,该第一开口流体式连接到所述多个试剂室;其中,所述反应室包括在所述反应室的底部处的第二开口,该第二开口流体式连接到所述检测室,其中,所述反应室包括远离所述反应室的底部的第三开口,该第三开口流体式连接到所述废物室。
根据实施例,所述装置进一步包括毛细管通道,该毛细管通道被配置成用以在毛细管力作用下,将流体从所述样品输入端输送到所述反应室。
根据实施例,所述装置进一步包括一个或多个通道,该通道被配置成在所述多个试剂室与所述反应室之间输送流体,或将流体从所述反应室输送到所述废物室。
根据实施例,所述装置进一步包括被配置成用以将流体从所述反应室输送到所述检测室的通道。
根据实施例,所述装置进一步包括顶盖板,该顶盖板包括用于收容样品的开口。
根据实施例,所述装置进一步包括从所述废物室到所述装置的外部的气孔。
根据实施例,所述装置包括从由聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯组成的组中选择的材料。
根据实施例,所述装置被配置成用以从样品提取核酸并且使其纯化。
根据实施例,所述装置被配置成用以进行聚合酶链式反应(PCR)。
根据实施例,所述装置被配置成用以进行核酸原位杂交。
根据实施例,所述检测室包括分子阵列。
根据实施例,所述分子阵列包括单链核酸序列,其依次与感兴趣的预定核酸分子互补。
本文公开了一种使用所述装置来提取核酸的方法,该方法包括:向所述反应室添加样品;向所述反应室添加来自所述多个试剂室中的一个试剂室的裂解缓冲液;向所述反应室添加磁珠溶液并且通过使核酸与磁珠缔合来提取核酸;向所述反应室施加磁场来将磁珠上的核酸固定到所述反应室的底部;向所述反应室添加清洗缓冲液并且将细胞裂解物清洗到所述废物室;添加洗脱缓冲液来使核酸从磁珠释放;向所述反应室施加磁场来将磁珠固定到所述反应室的底部;获得核酸。
本文公开了一种使用权利要求1的装置来扩增核酸的方法,该方法包括:向所述检测室添加样品或在所述检测室中获得核酸;向所述检测室添加PCR试剂;通过使所述检测室的温度循环来进行PCR;获得扩增核酸。
本文公开了一种使用权利要求1的装置来检测感兴趣核酸的方法,该方法包括:向所述检测室添加样品或在所述检测室中获得核酸;其中所述检测室包括作为探针用于原位杂交反应的分子阵列;向所述检测室添加变性缓冲液;使所述检测室经受变性温度并且使样品中的双链核酸分离成单链核酸;使所述检测室经受退火温度并且用分子阵列中的互补单链探针来使单链核酸退火;向所述检测室添加清洗缓冲液;检测感兴趣的核酸。
【附图说明】
图1A是示意性地示出了根据实施例的多功能微流体装置中的各种部件的流程图。
图1B是示意性地示出了根据实施例的另一多功能微流体装置中的各种部件的流程图。
图2A示意性地示出了根据实施例的多功能微流体装置的一种布置的横截面图。
图2B示意性地示出了根据实施例的多功能微流体装置的另一布置的横截面图。
图3示意性地示出了根据实施例的具有多层结构的多功能微流体装置的分解图。
图4A示意性地示出了根据图3实施例的多功能微流体装置的顶盖的俯视图。
图4B示意性地示出了根据图3实施例的多功能微流体装置的第一层的俯视图。
图4C示意性地示出了根据图3实施例的多功能微流体装置的第二层的俯视图。
图4D示意性地示出了根据图3实施例的多功能微流体装置的底板的俯视图。
图5A示意性地示出了根据实施例的具有试剂室的备选设置的多功能微流体装置的另一布置的横截面图。
图5B示意性地示出了根据实施例的具有试剂室的备选设置的多功能微流体装置的另一布置的横截面图。
图6A-6D分别示意性地示出了根据各种实施例的多功能微流体装置的混合通道的布置的横截面图。
图7A-7B分别示意性地示出了根据各种实施例的多功能微流体装置的检测室的布置的横截面图。
图8示意性地示出了根据实施例的多功能微流体装置的布置。
【具体实施方式】
本公开内容提供了多功能微流体设备或装置,其可以从例如血液、唾液、尿液或细菌培养等生物样品提取核酸并且使其纯化,并且可以基于PCR、萤光PCR、RT-PCR等来扩增核酸,并且可以通过原位杂交或其他反应来识别一个或多个靶片段的存在。图1A-1B示意性地示出了多功能微流体装置10,其包括多个试剂室101A、101B;反应室103;检测室104和废物室105。
试剂室流体式连接到反应室,并且可以存储用于核酸分离、纯化和识别的试剂。如在图2A-2B中示出地,八个试剂室301A、301B、301C、301D、301E、301F、301G、301H中的每个试剂室通过通道流体式连接到反应室。试剂室的数量通常基于要进行的反应或筛选的类型而预定。可以提供试剂室的各种设置。在一个示例中,试剂室501A、501B、501C、501D、501E、501F、501G、501H中的每个试剂室分别可以用其唯一通道5011、5012、5013、5014、5015、5016、5017、5018通向反应室503中,如在根据图5A的实施例的装置50中示出。备选地,试剂室601A、601B、601C、601D、601E、601F、601G、601H中的每个试剂室可以共用的公共通道6019的一段来通向反应室603中,如在根据图5B所示中示出的实施例的装置60中示出。在图5中未示出装置中的其他部件。
如在图1中示出地,装置10可以从样品输入端102接收样品。该样品输入端可以包括存储空间,用于收容例如血液或唾液样品等的生物样品。如在图2A中示出地,样品输入端302通过样品通道3021流体式连接到反应室303中,该样品通道3021通过毛细管力将样品从样品输入端302被动地输送到反应室303。备选地,如在图2B中示出地,样品输入端可以是反应室303上的开口302。其他设计也是适合的。例如,如在图3、图4A、图4B和图4C中示出地,装置40包括顶盖板41、中间层级42和底板43,在使用期间,样品可以通过顶盖板41上的开口411添加到中间层级42中的样品输入端402内。备选地,在另一个实施例中,样品可以通过定位在反应室顶部上的顶盖板上的开口直接添加到反应室内。
如在图1中示出地,装置10还可以具有混合通道108,其使多个试剂室101流体式连接到反应室103。混合通道可以具有适合于流体混合的各种形状和设计。当在使用中时,使用者可以通过使用联接至试剂室的致动器106来将试剂推动通过混合通道108进入反应室103而实现额外混合、将试剂抽回试剂室,并且重复数次。致动器可以通过不同室之间的通道在装置内实现主动流体输送,这与通过毛细管力的被动式流体输送形成对比。如在图6A-6D中示出地,根据各种实施例,混合通道可以是具有多圈的90度角、U形通道、锯齿形通道或在其内壁上具有多个内部凸起的板的笔直细长通道。备选地,在如在图1B中示出的装置中可以省略混合通道,并且使用者通过使用联接至试剂室的致动器而仍可以提供试剂和样品的混合。这样的致动器可以是注射器或微型泵。在如在图2A-2B中示出的其他实施例中,混合功能可以由反应室303上的结构实现。例如,如在图2A中的实施例中示出地,反应室的侧壁包括朝向反应室内部的凸起3031、3032、3033和3034。凸起3031、3032、3033和3034包括多圈的90度角。在反应室的侧壁上也可以设计其他类型的凸起用于实现流体混合功能。
如在图3中示出地,在一个实施例中,顶盖板41和底板43可以由适合的材料制成,其包括但不限于玻璃。中间层级42可以由适合的材料制成,其包括但不限于玻璃或聚合物(例如聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯)。在一个示例中,当要对装置进行PCR反应时,检测室包括具有适合于进行PCR的热导率的材料。当要进行萤光信号检测时,检测室包括允许有在从200纳米到900纳米的波长范围内的透光率的材料。
如在图4B-4C中示出地,在一个实施例中,反应室403包括在反应室403的底部处的第一开口4031,该第一开口4031通过混合通道408流体式连接到多个试剂室401A-401H。反应室403包括在反应室的底部处的第二开口4032,该第二开口流体式连接到检测室404。此外,反应室403包括远离反应室底部的第三开口4033,该第三开口4033流体式连接到废物室405。在一个示例中,第三开口4033可以在反应室403顶部处。
如在图4B-4C中示出地,检测室404可以包括在检测室404的底部处的第一开口4041,该第一开口4041流体式连接到反应室403。检测室404可以包括在检测室404的底部处的第二开口4042,该第二开口4042流体式连接到出口室406。
为了实现紧凑设计,可以提供各种布置,其包括但不限于多个层状装置。在如在图4B-4C中示出的一个示例中,废物室405可以部分地堆叠在混合通道408顶部处。组成室的堆叠可以节省空间并且减少制造成本。
多种检测化验可以被设计用以由装置执行。例如,装置可以被配置成用以进行核酸原位杂交;如此,检测室可以具有预涂在附加到检测室的一个或多个载玻片711上的分子阵列,如在图7A中示出。备选地,装置可以被配置成用以进行聚合酶链式反应(PCR),并且检测室可以是单个室,如在图7B中示出。
可以用装置进行各种操作或反应。使用下文公开的装置的方法的实施例是为了说明目的并且不意在为限制性的。可设想可以实现装置结构的变化来实施相同或相似操作或反应。
本文公开了使用装置从血液样品提取基因组DNA并且使其纯化的第一实施例。
在使用装置前,可以用应用所需要的多个试剂来预填充该装置。在该实施例中,多个试剂室可以用来自Thermo Fisher Scientific Inc.的GeneCatcher gDNA Blood Kit来预填充,以用于基因组DNA提取。理论上,也可以使用适合于血液样品的任何基因组DNA提取试剂盒。作为示例,如在图8中示出地,试剂室1-1用2.5毫升裂解缓冲液L13预填充;试剂室1-2用100μL磁珠预填充;试剂室1-3用0.5mL蛋白酶缓冲液预填充;试剂室1-4用20μL蛋白酶预填充;试剂室1-5用1mL 100%异丙醇(IPA)预填充;试剂室1-6用150μL清洗缓冲液预填充;并且试剂室1-7用250μL洗脱缓冲液预填充。
在使用装置80期间,首先向样品输入端1-8添加0.3-1mL血液样品。样品通过毛细管通道1-9从样品输入端输送到反应室1-10。使用例如联接至试剂室1-1的注射器等致动器通过混合通道1-17将试剂室1-1中的裂解缓冲液注入反应室1-10,并且将裂解缓冲液与样品混合。因为检测室1-14和出口室1-15处于封闭模式,试剂与样品的混合物未进入检测室。如本文使用地,封闭模式可以是在通道内使用阀的结果,或通过封闭室(例如检测室1-15)中的空气压力来实现。通过压力移动的多余空气可以进入废物室并且通过废物室1-12上的气孔到装置外部。
接着为了结合DNA,使用联接至试剂室1-2的注射器来将试剂室1-2中预填充的磁珠溶液输送到反应室1-10来获得磁珠-样品-裂解缓冲液混合物。为了很好混合,使用者可以对注射器来回抽取几次,使得混合物在反应室1-10与试剂室1-2之间运动。在混合和短的培育期后,施加磁场来将与基因组DNA缔合的磁珠固定到反应室1-10的底部。施加磁场可以通过使用合适的磁体来进行。接着,为了使DNA纯化,使用联接至试剂室1-3的注射器来将蛋白酶缓冲液从试剂室1-3输送到反应室1-10。在正确控制所添加的蛋白酶缓冲液的容量和设计尺寸适合的废物室的情况下,包含细胞裂解物的上清液中基本上所有(至少90%)内含物可以通过注入蛋白酶缓冲液而被挤进废物室1-12。接着,使用联接至试剂室1-4的注射器将蛋白酶从试剂室1-4输送到反应室1-10。去除磁场使得磁珠可以在蛋白酶缓冲液中变成浮。使用联接至试剂室1-4的注射器来使内含物充分混合。通过例如将装置放置到具有适合温度(例如65℃)的加热恒温箱来调整反应室的温度并且持续适合的时间量(例如10分钟)继续培养。核酸可以通过蛋白酶的酶解而从它的结合蛋白质释放。在培养后,施加磁场来将与基因组DNA缔合的磁珠固定到反应室的底部。通过使用联接至试剂室1-5的注射器将试剂室1-5中的IPA输送到反应室来继续DNA纯化,反应室同时将所有内含物移到废物室。将清洗缓冲液从试剂室1-6输送到反应室。去除磁场,并且将洗脱缓冲液从试剂室1-7输送到反应室1-10。将装置的温度调整到65℃并且持续适合时间量继续培养使得纯化DNA从磁珠洗脱。施加磁场,并且通过将联接于出口室1-15的注射器抽回并且使基因组DNA移到出口室来获得纯化NDA。纯化基因组DNA可以用于任何后续反应,例如酶PCR、定量PCR等。
本文公开了使用装置以通过PCR使来自血液样品的基因组DNA扩增的第二实施例。
装置可以设想成具有用于装置上的PCR扩增反应的多个工作模式。第一工作模式向装置提供试剂室中的预填充PCR试剂。模板DNA(即,要扩增的DNA)可以在其中一个试剂室中被预填充,或通过样品输入端而添加。在开始PCR之前,根据需要相继将PCR试剂从试剂室输送到反应室并且充分混合。添加模板DNA并充分混合。将联接至出口室的注射器抽回并且使模板DNA和试剂的混合物移动到检测室,该检测室由具有适于进行聚合酶链式反应(PCR)的热导率的材料制成。将装置置于PCR循环器设备,该PCR循环器设备具有温度控制模组以通过使反应室的温度循环来进行所需要的PCR反应。在完成PCR后,可以从装置提取扩增的DNA。
可选地,在第二工作模式中,模板DNA自身通过使用装置结合如上文描述的纯化试剂盒所描述的过程来纯化。装置不仅用DNA纯化试剂来预填充而且还用试剂室中的PCR试剂预填充。在获得纯化基因组DNA并且将其移至检测室后,根据需要相继将PCR试剂从试剂室输送到反应室并且充分混合。将联接至出口室的注射器抽回并且进一步使PCR试剂的混合物移至检测室。可以对如上文描述的装置的检测室进行PCR。
作为另外的备选方案,装置不必具有预填充的PCR试剂。例如,第三工作模式将外部PCR试剂和模板DNA添加到装置内。PCR试剂和DNA模板可以根据PCR反应指令在常规实验室条件下在管中预混合来获得主混合物。然后,可以通过样品输入端向装置添加适量主混合物,并且该主混合物在毛细管力作用下经被动输送而被抽入反应室中。主混合物可以通过将联接至出口室的注射器抽回而进一步运动至检测室。可以对如上文描述的装置的检测室进行PCR。
作为另一个示例,第四工作模式向反应室中的现有纯化DNA提供外部PCR试剂。没有DNA模板的PCR试剂可以根据PCR反应指令在常规实验室条件下在管中预混合,以获得主PCR试剂混合物。在使用例如上文描述的磁珠提取试剂盒获得纯化基因组DNA后,可以通过样品输入端向装置添加适量主PCR试剂,并且该主PCR试剂在毛细管力作用下经被动输送而被抽入反应室中。然后,通过使用被联接至出口室的注射器使纯化基因组DNA和主PCR试剂混合物混合,并且将它们输送到检测室。可以对如上文描述的装置的检测室进行PCR。
本文公开了使用装置以通过原位杂交从血液样品识别靶DNA片段的第三实施例。
装置可以包括检测室、作为探针以用于原位杂交反应或萤光信号检测的分子阵列。探针可以包括可适于与感兴趣的基因组DNA杂交的小的DNA片段库。探针可以预涂在检测室中的基质上。可以根据装置的预定检验或筛选目的来预选探针。纯化基因组DNA样品可以通过在正常实验室条件下由萤光基团标记来进行萤光信号检测。为了在纯化基因组DNA样品内检测感兴趣的靶,样品可以通过样品输入端添加到装置,并且被抽入具有预涂分子探针的检测室。装置可以包括在试剂室中适于杂交反应的多个预填充试剂。装置可以通过输送杂交缓冲液并且使其与检测室中的基因组DNA混合而经受原位杂交。然后,使检测室在温度控制器上经受变性温度(例如92℃)而使得双链基因组DNA变成单链。使检测室经受例如60℃的退火温度以使得感兴趣的靶DNA可以用所设计的具有序列互补的DNA探针退火。将清洗缓冲液从试剂室输送到检测室来洗掉未结合的基因组DNA。然后感兴趣的靶DNA片段可以通过萤光信号检测来检测。
尽管本文公开了各种方面和实施例,其他方面和实施例对于本领域内技术人员将变得明显。本文公开的各种方面和实施例是为了说明目的而不是限制性的,其真正范围和精神由下列权利要求指示。
Claims (23)
1.一种装置,包括:
多个试剂室、样品输入端、反应室、检测室和废物室的集成;
其中,所述多个试剂室流体式连接至所述反应室,并且所述多个试剂室被配置成用以存储多个试剂;
其中,所述样品输入端流体式连接至所述反应室,并且所述样品输入端被配置成用以接收样品;
其中,所述废物室流体式连接至所述反应室,并且所述废物室被配置成从所述反应室接收反应废物。
2.根据权利要求1所述的装置,该装置进一步包括混合通道,
其中,所述混合通道流体式连接至所述多个试剂室,并且被配置成用以使流经所述混合通道的流体混合。
3.根据权利要求1所述的装置,其中,所述反应室的侧壁包括朝向所述反应室内部的凸起。
4.根据权利要求1所述的装置,其中,所述多个试剂室被配置成联接至一个或多个致动器,其中,所述致动器被配置成在所述多个试剂室与所述反应室之间主动输送流体。
5.根据权利要求4所述的装置,其中,所述一个或多个致动器包括注射器或者微型泵。
6.根据权利要求1所述的装置,其中,所述检测室被配置成联接至致动器,所述致动器被配置成将流体从所述检测室主动输送到所述装置的外部。
7.根据权利要求1所述的装置,该装置进一步包括出口室;其中,所述出口室流体式连接至所述检测室;其中,所述出口室被配置成联接至致动器,所述致动器被配置成将流体从所述检测室主动输送至所述出口室。
8.根据权利要求7所述的装置,其中,所述致动器包括注射器或者微型泵。
9.根据权利要求1所述的装置,
其中,所述反应室包括在所述反应室的底部处的第一开口,所述第一开口流体式连接至所述多个试剂室;
其中,所述反应室包括在所述反应室的底部处的第二开口,所述第二开口流体式连接至所述检测室;
其中,所述反应室包括远离所述反应室的底部的第三开口,所述第三开口流体式连接至所述废物室。
10.根据权利要求1所述的装置,该装置进一步包括毛细管通道,所述毛细管通道被配置成在毛细管力作用下将流体从所述样品输入端输送至所述反应室。
11.根据权利要求1所述的装置,该装置进一步包括一个或多个通道,所述通道被配置成在所述多个试剂室与所述反应室之间输送流体,或者将流体从所述反应室输送至所述废物室。
12.根据权利要求1所述的装置,该装置进一步包括被配置成将流体从所述反应室输送至所述检测室的通道。
13.根据权利要求1所述的装置,该装置进一步包括顶盖板,所述顶盖板包括用于收容所述样品的开口。
14.根据权利要求1所述的装置,该装置进一步包括从所述废物室到所述装置的外部的气孔。
15.根据权利要求1所述的装置,其中,所述装置包括从聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯组成的组中选择的材料。
16.根据权利要求1所述的装置,其中,所述装置被配置成从所述样品提取核酸并使其纯化。
17.根据权利要求1所述的装置,其中,所述装置被配置成进行聚合酶链式反应(PCR)。
18.如权利要求1所述的装置,其中,所述装置被配置成进行核酸原位杂交。
19.根据权利要求1所述的装置,其中,所述检测室包括分子阵列。
20.根据权利要求19所述的装置,其中,所述分子阵列包括依次与感兴趣的预定核酸分子互补的单链核酸序列。
21.一种使用根据权利要求1所述的装置来提取核酸的方法,包括:
向所述反应室添加样品;
向所述反应室添加来自所述一个或多个试剂室中的一个试剂室的裂解缓冲液;
向所述反应室添加磁珠溶液并通过使核酸与所述磁珠缔合来提取核酸;
向所述反应室施加磁场来将所述磁珠上的核酸固定到所述反应室的底部;
向所述反应室添加清洗缓冲液并将细胞裂解物清洗到所述废物室;
添加洗脱缓冲液来使核酸从所述磁珠释放;
向所述反应室施加磁场来将所述磁珠固定到所述反应室的底部;
获得核酸。
22.一种使用根据权利要求1所述的装置来扩增核酸的方法,包括:
向所述检测室添加样品或在所述检测室中获得核酸;
向所述检测室添加PCR试剂;
通过使所述检测室的温度循环来进行PCR;
获得扩增的核酸。
23.一种使用根据权利要求1所述的装置来检测感兴趣的核酸的方法,包括:
向所述检测室添加样品或在所述检测室中获得核酸;其中所述检测室包括作为探针用于原位杂交反应的分子阵列;
向所述检测室添加变型缓冲液;
使所述检测室经受变性温度并且使所述样品中的双链核酸分离成单链核酸;
使所述检测室经受退火温度并且用所述分子阵列中的互补单链探针来使单链核酸退火;
向所述检测室添加清洗缓冲液;
检测感兴趣的核酸。
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