荧光

荧光定量PCR技术是将常规的PCR和荧光检测技术相结合，利用荧光信号积累实时监测整个PCR进程，以此实现对初始模板的定量分析。荧光定量PCR技术作为当今生物学研究的重要手段之一，在基础科学、生物技术、医学研究、法医学、诊断学等多方面具有广泛的应用前景。说到荧光定量PCR技术，我们经常会问类似于“你的实验是染料法还是探针法”，“你用的探针是什么类型”等之类的问题，这其实是对荧光标记的选择。根据荧光标记的不同，可以将荧光定量PCR实验分为探针法和染料法两大类。染料法染料法利用能与DNA双链结合的染料来实现，如SYBR Green I。该染料在游离状态下呈现微弱的荧光，一旦与双链DNA的双螺旋小沟结合，其绿色荧光增强约1000倍。因此其总的荧光强度与双链DNA含量成正比，利用这一关系可以反映生成的PCR产物的量（图 1）。SYBR Green I的最大吸收约在497 nm，发射波长最大约在520 nm，与FAM荧光分子的光谱性质类似，因此在所有的荧光定量PCR设备中都是第一通道检测，即“FAM/SYBR Green I”通道。▲ 图1 染料法原理图理论上，所有能与双链DNA结合的染料都可以用于qPCR检测，如溴化乙锭EtBr，碘化丙啶PI，吖啶橙、Cy3等。而选择用于qPCR反应的染料通常会从信号强度、生物安全性、检测简便性和经济适用性这几个因素考虑。例如EtBr可能存在潜在的致癌性。综合考虑下来，SYBR Green I成了比较理想的选择。目前，使用Evagreen的实验者也越来越多，Evagreen作为一种新型的染料，其光谱性质与SYBR Green I类似，其优势在于：▶ 对PCR反应的抑制程度小。高浓度SYBR Green I会强烈抑制PCR反应，因此要控制其使用浓度，一定程度上降低了DNA检测的灵敏度。▶ 与DNA结合密度高。单位长度的DNA双链上Evagreen的密度更高，为饱和型染料，消除了SYBR Green I存在的“染料重分布”的缺陷，提高检测灵敏度的同时也可用于高分辨率溶解曲线HRM。▶ 化学性质更稳定，适合长期保存。TaqMan 探针TaqMan 探针基本可以满足60%以上的qPCR实验，如常规的基因表达和拷贝数变异CNV实验。TaqMan 荧光探针是一种寡核苷酸探针，荧光基团连接在探针的5' 末端，而淬灭剂则在3' 末端（图2）。PCR扩增时在加入一对引物的同时加入一个特异性的荧光探针，探针完整时，报告基团发射的荧光信号被淬灭基团吸收 PCR扩增时, Tag酶的5' -3' 外切酶活性将探针酶切降解，使报告荧光基团和淬灭荧光基团分离，从而荧光监测系统可接收到荧光信号，每扩增一条DNA链，就有一个荧光分子形成,实现了荧光信号的累积与PCR产物形成完全同步。常用的荧光基团是FAM，TET，VIC，HEX。▲ 图2 Taqman探针MGB探针对于要分辨单碱基差异的SNP实验，采用对碱基错配容忍度更低的MGB探针，在淬灭基团后加入了DPI3基团（图3），从而提高了与靶标结合的亲和力；而且可以对靶点碱基进行化学修饰，如PeptideNucleic Acid和Locked Nucleic Acid。▲ 图3 MGB探针双杂交探针Taqman探针对探针的长度有比较严格的要求，双杂交探针则消除了这一“缺陷”。双杂交探针是由两条寡核苷酸单链组成，一条的3’端带有供体荧光分子，另一条的5’端带有受体荧光分子（图4）。游离状态下荧光供体会发出荧光，但当两条单链都匹配到模板链上时，就会发生荧光共振能量转移FRET，受体荧光分子就可以发出荧光，其荧光强度与生成的产物的量成正比。双杂交探针的优势有两点：摆脱了探针长度的限制，较长的探针可以提高与模板匹配的成功率；只有上下游两条探针都正确匹配后才能检测到受体荧光分子发出的荧光，特异性有所提高。▲ 图4 双杂交探针分子信标探针游离状态下，分子信标探针是一种茎环结构，其环状部分的15-30个碱基可以与靶标区域相结合匹配，下端的配对区域（左右一般各5-6个碱基）则由重复的GC组成，从而将5’的荧光分子和3’的淬灭基团紧紧聚在一起，荧光发生淬灭；当退火时，分子信标探针解开环并与模板靶标杂交，这样荧光分子和淬灭基团的物理距离就变大了，荧光淬灭的前提就打破了（图5）。除了MGB探针，分子信标探针也非常适合用于SNP检测。▲ 图5 分子信标探针除了上述几种类型的探针之外，还有尝试将引物和探针功能相结合的技术，如Amplifluor、LUX等，在设计难度上有所提高，但使用时更简便。各有其应用的侧重点和设计上的利弊，在此不多赘述。那么在荧光定量PCR实验中，我们应该如何进行选择呢？在这里，给大家总结了一些两种方法的区别，供大家参考。表1 染料法和探针法的区别

图片来自微信公众号《中国诗词大会》。《武林旧事》所载“百味馄饨”，十种颜色（由植物染料熬制而成），十种馅料，组成百种口味。流式荧光、液相芯片、悬浮阵列、多功能流式点阵、多重微珠流式免疫荧光、流式点阵免疫发光、流式荧光发光、免疫荧光发光等诸多名词，其实都指称一种技术。针对待测分子，设计与之结合的探针分子，以及报告分子（如需要的话）。通过荧光染料不同浓度，几种荧光染料的比例，或加上粒径的不同来区分，形成所谓编码微球。在不同的编码微球上，标记能与待测分子特异性结合的探针分子，形成标记编码微球。在液相条件下，标记编码微球与待测分子，荧光标记报告分子（如需要的话）进行免疫或分子杂交反应。每一种标记编码微球识别一种待测分子。把微球视为细胞，让微球流动起来进行检测。流式细胞仪检测探针分子以区分不同待测物，检测报告分子进行定量。图片来自网络，经修改于以上纷杂名称，笔者建议不妨统一为：“微球流式荧光”。三个词语可以跟其它技术明显区分：“微球”使之有别于传统流式检测细胞；“流式”是要让微球流动起来逐个进行检测；“荧光”说明跟化学发光不是一个理，前者依赖光能，后者依赖化学反应产生的能量。最近三年，跨界而生的微球流式荧光在临床多重联检方面的应用不断普及，同时改变了诊断流式的业界状态，一批国内公司应运而生成为市场佼佼者。先看看国内目前的微球流式荧光多重联检的注册情况（截至到2023年4月30日）。细胞因子、自身抗体和过敏原是目前微球流式荧光最被认可的两大应用领域。肿瘤标志物因多指标单管检测特性与化学发光形成互补。多重编码微球是微球流式荧光区别于其它技术的核心基础。代表产品有Luminex的xMAP技术，BD公司的CBA (cytometric bead array system)，Bender Medsystems公司（eBioscience公司）的FlowCytomix技术。编码方式则包括：同一荧光染料不同浓度；不同荧光染料的比例；或加上不同粒径的维度。目前，国内已有多家公司可以提供自主产品（见下表）。由上面的表可以看到，除了核酸方面的应用，目前临床分析在20重内即可实现。几十重的微球，不是临床应用的瓶颈。磁性微球因磁分离剪切力较低，对生物构象和功能影响小，更容易实现自动化，是微球流式荧光技术的首选，为度生物、唯公生物、碧芯生物、湖北新纵科、胡曼制造等可以提供。设计微球流式荧光首先需根据待测物，确定探针分子和报告分子。如检测对象为蛋白质，可以使用其特异性抗体作为探针分子。如检测对象为某基因的SNP位点，可以设计包含与这些位点互补的寡核苷酸序列。唯公生物公司提供7重，12重及定制30重，80重微球，并有羧基（亲水，疏水），环氧基，甲苯磺酰基，氨基，链霉亲和素等表面活性基团供选择。图片来自唯公科技中翰盛泰开辟了一个新的编码思路，还是装载两种不同的荧光素的微球，但一大一小：6μm母球表面结合200nm子球，相比之前的技术有更大的表面积和更小的空间位阻，为待测分子提供更多结合位点。图片来自流式资讯碧芯生物采用低吸附技术，降低磁性荧光编码微球表面对荧光检测抗体的非特异性吸附。微球流式荧光诞生之初，在2005年曾被科技产业研究机构评为"年度国际临床诊断技术革新大奖”，此奖至今仍被人津津乐道。有点像企业招聘，候选人说小学四年级得过全市数学竞赛三等奖？我们是应该赞美还是呵呵？微球流式荧光在临床方面发展缓慢的原因，人们喜欢将之归为技术和商业壁垒。笔者觉得这可能是原因之一，但归根结底还是应用，从来都是需求推动技术发展，创新反过来扩大应用边界。这一点可以从2020年广东省流式细胞术临床应用调查报告中得到佐证，没有被临床医生更多认可是根源。报告调研的是流式，对微球流式荧光依然适用。图片来自微信公众号《南方临床流式联盟》不妨看看免疫市场的现状，肿标，甲功，感染，心标等是化学发光的优势领域，但多重联检的意义还没有充分发掘，而自免等细分市场相对较小。在这样两个前提下，微球流式荧光只能是在发展中寻求自我壮大。再举个例子，透景生命基于外部仪器和试剂平台，仍能一枝独秀，自成一格，这也说明创新是手段，不是归宿，始终以应用为导向才是必经之道。目前，着力于微球流式荧光市场的基本上有两类公司，一种是聚焦应用，围绕一个领域做相关的解决方案，微球流式荧光只是其中一个环节，比如笔者看好的胡曼智造；另一种是流式背景，希望在竞争激烈的血液病市场，以及淋巴细胞分群试剂外另辟蹊径，选择了细胞因子这一抓手。图片来自德勤《中国免疫诊断市场现状与未来展望》之2021年免疫诊断项目细分市场多重联检是微球流式荧光的最大特点，也是IVD领域的永恒话题。多重联检在临床通过两种方式实现：其一是产品独立，通过开单合并实现，如“传染病术前八项”；其二是作为一个产品呈现的多参数同时检测，如NGS项目，感染多重检测等，微球流式荧光属于其中之一。前者相对比较灵活，而后者的优点非常明显，通量高，所需样本量小，成本低。但是，把哪些项目放到一个试剂盒里面，做到临床确有价值，开单师出有名；意义简单明了，病人愿意接受；避免大而无用，涉嫌捆绑收费；就是一件相对比较困难的事情了。另外，多重检测的单一产品，临床试验复杂，报证门槛高，在方案选择时需慎之又慎。由上，想让微球流式荧光真正成为”革新技术“，唯一之路就是发现并推广，在临床真正实现多重联检的价值。同时，从检验思维出发，而不是自以为是孤芳自赏，以检验仪器的标准来不断提升操作便利性。透景生命，唯公生物，胡曼智造，宜乐芯，帝迈生物均推出全自动微球流式荧光仪。透景还推出微球流式荧光与化学发光联机配置。图片来自透景生命最后，国产仪器的共同话题，与其为了创新而创新，不如把系统做得皮实耐用，结果稳定，经得起时间考验。

拉曼光谱是一种快速、无损、无惧水的分子光谱技术，近年来在各行各业得到了广泛的应用。但是由于很多样品都有很强的荧光干扰，导致拉曼光谱技术的应用受到了很大的限制。这些高荧光样品主要来自于固体废弃物、文物、考古以及食品原辅料等。布鲁克最新一代手持式拉曼光谱仪BRAVO，采用连续移频激发专利技术SSETM，可最大程度的消除或降低样品的荧光干扰，使得可测试样品范围得到极大提高，是唯一可以实现但不限于固废、文物和食品原辅料等高荧光样品进行分析的手持式拉曼光谱仪。布鲁克BRAVO手持式拉曼光谱仪应用案例一：固体废料某工业生产固体废料成分分析。通过手持拉曼光谱仪BRAVO的混合物分析功能快速检测固体废料中的主要化学成分。检测结果显示：某工业固体废料中主要化学成分未醇酸树脂和四甘醇应用案例二：古书籍纸张某古书籍纸张分析。通过手持拉曼光谱仪BRAVO能快速采集到消除荧光干扰后的拉曼光谱并对该纸张做出判别。检测结果显示：某古书籍纸张为甘皮树纤维纸应用案例三：食品原辅料某饮品原料测试。手持拉曼光谱仪BRAVO能快速采集到消除荧光干扰后的拉曼光谱。检测结果显示：果汁粉和预混剂这类深色高荧光样品依然可以获得信号良好的拉曼光谱 从以上分析案例可以看出，布鲁克手持式拉曼光谱仪BRAVO独一无二的连续移频激发SSETM技术，可以完美实现对固废、文物和食品原辅料等高荧光样品的测试，使得现场对固废检测变得简单易行，同时亦能实现考古现场对文物的快速鉴别。当然，本文只是列举了三类样品作为示例。但BRAVO强大的连续移频激发SSETM消荧光技术绝不局限于此，更多的应用领域还期待大家去开发发掘。