激光技术在 DNA 测序领域的最新发展

20世纪90年代，全球多个研究实验室的科研人员投入了数百万工时，绘制完成了第一个完整的人类基因组序列。从那时起，在基于多种创新方法的一系列自动化仪器的帮助下，个人 DNA 测序的成本和时间大幅降低了多个数量级。就某种程度而言，所有这些仪器实际都依赖于通常以激光为光源的荧光检测。

　　起初，市场对人类基因测序的需求并不大。而目前市场对这种应用的需求迫切、增长迅速，有这样几个原因。商业化的族源分析现在成为了一个主要应用领域。这种需求在美国尤其旺盛，因为美国有很大一部分人口是20 世纪来到这里的移民后代。他们中的许多人现在希望通过分析了解自己的地域沿袭状况和族谱情况。

在中国，产前基因筛查现在发展迅速。许多父母倾向于通过简单的抽血来对母亲的 DNA 进行基因分析，而不再是采用从羊膜腔抽取羊水这种虽然低风险但非零风险的方法。这特别适合高龄产妇(> 40 岁)，因为她们的婴儿可能面临较高的出生缺陷风险。测序也被作为一种法医工具而广泛使用。在许多国家/地区，任何被判有某种罪行的罪犯的 DNA 都会经过分析并被存储在国家数据库中，通过对当前犯罪活动甚至过去犯罪活动中检测到的 DNA 进行分析，然后与已有的 DNA 数据库进行比对。事实证明，这对解决“悬案”以及为过去被误判的人洗脱罪名方面极其有用。

　　如前所述，目前多种基于激光荧光技术的方法被用于商业化的测序仪器中。Coherent相干公司独有的光泵半导体激光器 (OPSL) 专利技术具有很多突出特性，使其非常适合用于测序中的荧光激发。

　　与许多早期激光器不同，OPSL 技术具有灵活的功率扩展性。这使得激光器的功率范围可以从几毫瓦扩展到几十瓦。对于适合基因测序的激光器而言，Sapphire系列是其中的代表。该系列于十多年前推出，是第一款提供蓝光(488 nm 波长)的固态激光器，输出功率达数十毫瓦。现在其功率高达 500 mW、体型小巧、功耗低且传导冷却简单。(相干公司近期宣布了该系列激光器出货量业已突破50,000台这一里程碑式的成就)

　　图 1.目前，大多数 DNA 测序方法依赖于激光荧光技术，不同的荧光染料分别表示四种不同的核苷酸 (ACGT)。

　　功率有什么重要意义?作为具有商业前景的领域，DNA 测序的发展有赖于检测速度的大幅提升以及相应检测成本的大幅降低。速度提升主要是并行处理和自动化产生的结果;第一次人类基因组测序是按顺序进行的，而今天的技术可以做到同时对数千个较短的基因组片断进行测序。简而言之，并行记录数千个数据点实质上意味着直接或间接地分散降低了激光功率。因此，要获得可接受的信噪比且避免长时间的数据采集，就需要更高的激光功率。

　　图 2.OPSL 技术具有波长灵活性，可使用许多标准波长的激光，并可根据要求提供定制 OEM 波长。

　　OPSL 技术的另一个重要特性是波长灵活性。气体激光器和早期固态激光器仅限于原子物理学确定的固定频率。而OPSL 是基于半导体芯片，其输出波长可以在很宽的光谱范围内进行定制：从紫外波长到近红外波长。这一点很重要，因为测序取决于能否通过激光激发四种化学标记(荧光染料)中的荧光，它们分别针对四种 DNA核苷酸 ACGT 中的一种。测序的精准度取决于能否区分四种荧光染料，测序速度取决于能否高效激发它们。充分提高仪器效率意味着让激发波长去匹配每个标记的最大吸收峰，而不是尝试反向匹配。相干公司的 OBIS 激光器可以提供20多种不同的波长，智能化、“即插即用”的标准配置，可实现仪器的快速集成和开发。此外，大多数OBIS激光器都提供自由空间或光纤偶合输出选项，这进一步简化了它们在当下和未来测序仪器中的使用。

作者：

　　姚建武，michael.yao@coherent.com

　　Matthias Schulze, matthias.schulze@coherent.com

　　Coherent相干公司 cn.coherent.com