分析方法优化

2011年11月29日-12月1日，中国环境监测总站在重庆市组织召开了“十一五”水专项“地表水环境质量特定监测项目分析测试方法优化研究”子课题结题准备会。中国环境监测总站王业耀副站长、河南省环境监测中心徐广华站长、重庆市环境监测中心罗财红副站长出席会议，中国环境监测总站、河南省环境监测中心、重庆市环境监测中心等子课题承担单位相关研究人员参加了会议。 　　会议由中国环境监测总站滕恩江主任主持。水专项项目管理组王光介绍了课题结题的相关要求，子课题负责人吕怡兵汇报了总体研究进展情况及取得的成果，子课题参加人员汇报了各自承担项目的研究情况，并就监测技术与方法、实验技术与方法进行了广泛的交流和讨论。与会领导听取了子课题进展情况的汇报，认为子课题按照要求已基本完成考核指标，可以准备结题，为使研究工作更加完善，子课题参加人员还应进行如下研究：①补充实际样品的测定实验。②进一步凝练研究成果。

前言聚合酶链式反应（PCR）是用于扩增特定DNA片段的分子生物学实验技术。实时荧光定量PCR（以下简称qPCR）作为第二代PCR技术，自1996年推出以来，已经广泛应用于基因表达分析、病原微生物检测、动植物育种等许多研究领域，为了获得最理想的检测结果，qPCR从样本采集、核酸提取、cDNA合成到上机检测的流程有许多可以优化的参数。qPCR实验的工作流程首先需要确定研究的目的，根据实验设计规划好实验分组、重复次数等细节。接下来分为样本准备和引物探针验证两个重要的步骤。样本准备主要是核酸提取逆转录等步骤，引物探针需要去测试特异性和效率。接下来需要使用qPCR仪来对样品中的目的核酸进行扩增qPCR结束后根据实验目的对目的核酸进行相对或者绝对定量。接下来讲的qPCR体系优化会围绕着这个流程展开。1.样本的采集与处理首先，提前做好功课，了解样本的不同分型，或者了解详细的细胞分群。如果条件允许尽可能覆盖所有的组织类型或者细胞类型。其次，尽可能增加样本数量，也就是生物学重复，从而更客观地反映生物变异程度。另外，qPCR实验也需要有技术重复来降低误差。采样是需要严格规划的过程，比如材料的时效性、珍贵程度等，都要纳入考量范围。样品要尽量新鲜，取样尽可能快速。戴手套操作，防止污染。如果不马上提取核酸，需要-80°C保存，并尽快处理。2.核酸的提取和检测模板的质量直接影响到检测性能。核酸提取需要有效地将RNA或DNA从其他混合物中分离。RNA样本中的污染物——基因组DNA、DNA结合蛋白、酚类化合物或在提取RNA过程中引入的外源杂质(如手套中的粉末)——都已被证明会抑制下游实验，如逆转录和PCR扩增。核酸提取需要使用无菌无酶的试剂耗材，避免RNase或DNase污染，并对内源RNAse或DNAse进行有效抑制；多糖多酚样品要考虑多糖多酚杂质的有效去除。低温保存防止RNA或DNA降解。降解或不纯的RNA会限制逆转录反应的效率，降低产量。部分降解的RNA可能不能给出准确的基因表达结果。对于基因的定量，必须使用高质量的RNA，这意味着需要非常仔细地检查RNA的浓度和质量。可采用高分辨率琼脂糖凝胶检测核酸质量和分光光度法（A260/A280=1.8和A260/A230=2.0）检测核酸纯度和浓度。3.cDNA合成RNA 质量对 cDNA 合成结果会产生重要影响。并且RNA 很脆弱，容易降解。为了保证 RNA 的完整性，我们需要非常注意，比如在冰上操作，用 RNase-free 的枪头和离心管，减少操作时间等。在反应体系中加入 RNase 抑制剂也能有效防止 RNA 降解。如何评价样品中的杂质对逆转录的影响呢？可以梯度稀释后绘制标准曲线，如果低浓度的样品点数值偏大比较明显，基本可以判定杂质影响显著。不同厂家的反转录试剂会有差异，对RNA中的杂质耐受程度也不同。逆转录酶在整个反转录体系中具有关键性影响。除了活性以外，逆转录酶的热稳定性同样很重要，在较高温度下进行逆转录，能够减少 RNA 的二级结构，增加逆转录的效率。除了掌握 RNA 的完整性之外，反转录之前还需要对 RNA 浓度进行测定。一般反转录试剂盒会对上样量有要求，建议 total RNA 上样量小于 5 μg。超过这个范围，会使反转录产物产生偏好性 (表达丰度高的基因优先被反转录) 而造成定量结果不准确。逆转录出来的cDNA可以直接放在4°C保存，若长期不用，可分装，然后-20°C保存。4.qPCR方法的建立① 定量方法绝对定量：检测起始模板数的精确拷贝数，需要标准品构建标准曲线。标准品可以是纯化的基因组DNA、质粒DNA或者体外转录RNA(cDNA)，其作用是生成标准曲线，建立Ct值与浓度之间的线性关系。标准品与待测样品的PCR效率一致，且接近100%，与样品的性质尽可能接近，与样品相同的扩增条件（PCR体系、耗材、同一次扩增），大于或等于5个梯度稀释的标准品。相对定量：在一个样本中，目的基因相对于内参基因的量的变化。内参基因选择建议筛选不少于三个内参基因来归一化RT-qPCR数据。目的是消除外部样品偏差，例如总RNA含量，RNA稳定性，酶效率或样品装载量的变化。对候选的内参基因进行qPCR 实验，得出Ct平均值以及 Ct值的标准偏差，选择SD最小的基因作为实验内参。可通过geNorm 、 BestKeeper 、 NormFinder、RefGenes 等工具来评估您的内参基因。② 荧光标记方法染料法：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。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。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。引物探针设计可以参考Gene π网站：https://www.gene-pi.com/item/primers-and-probes-2/③ 引物扩增效率验证标准曲线是评估PCR扩增效率最可靠和稳定的一种方法，该方法涉及到制作一系列的样品来控制目标模板的相对数量。最常用的是10倍梯度稀释样品，采用标准qPCR程序进行扩增获得Cq值，最后根据各样品浓度及相应的Cq值绘制标准曲线，得到线性方程Cq= -klgX0+b，扩增效率E=10(-1/k)-1。利用qPCR进行定量分析时，要求扩增效率范围在90%-110%（3.6＞k＞3.1）。④ 反应体系优化▶ 根据仪器类型，选择合适的耗材和qPCR试剂。▶ 每对引物先进行预实验，确定特异性以及最适浓度。▶ 配置不同的PCR反应体系，选择每个组分合适的浓度。▶ 设置温度梯度测试引物最合适的退火温度。▶ 实验设置NTC、NRT、 NEG和POS等对照组，来监控实验体系或污染。实时荧光定量PCR常见问题分析1.可疑的扩增曲线真正的扩增曲线，有特征的形状：首先背景信号，然后是三个增长阶段（指数增长期、线性增长期和平台期）。如果不是同时具有特征性的三个增长阶段，没有典型的指数增长期，那就不存在扩增。平台期很低也是常见的异常扩增曲线。可能是模板的浓度太低。通常如果模板的起始浓度太低, 反应体系中会形成大量的引物二聚体。大量引物二聚体的形成使得引物很快消耗完，从而造成扩增曲线的平台期很低。这种情况可通过调整引物和模板的比例。2.异常的荧光信号NTC出现荧光信号---引物二聚体形成或气溶胶污染，查看熔解曲线是否为单一峰。3.扩增效率过高或过低过低的扩增效率（ 110％）可能存在的原因：▶ 移液器校准不良或移液技术差。▶ 不正确的稀释导致标准曲线出现错误。▶ 引物二聚体或非特异性扩增。▶ 标准曲线动态范围太小。▶ 基因组DNA污染。4.重复性差为精确定量，对每个样品都要做重复实验，复孔之间的Ct值不应超过0.5，标准偏差不大于0.2，这样，实验结果就有很好的精确度。造成重复性差的原因：▶ 加样误差（操作或者加样器导致）。▶ 没有将试剂和样品充分混匀。▶ 低拷贝的目的片段→泊松分布。▶ 基线阈值设定不合理。Cielo™ 实时荧光定量PCR系统Harness of the power of qPCR☑ 数据可靠性：连续1000次实验后，结果高度一致。☑ 应用灵活性：提供多种qPCR应用分析。☑ 流程智能化：中英文用户界面，触控操作，可多机联用。☑ 在线便捷性：主机可独立运行qPCR程序，数据可USB、Wi-Fi等网络传输。

3D打印也称为增材制造，许多行业都将其视为一种多功能制造技术。3D打印可以实现快速成型和按需打印服务，以避免批量运行带来的潜在浪费。3D打印拥有创造复杂形状的独特能力，被广泛应用于制造业。3D打印目前已扩展到一系列材料，包括生物相容性聚合物和各类金属，甚至被用于医疗保健等领域，用于定制打印医疗设备。许多标准制造方法无法在结构中产生空腔和底切，这就需要通过其他方法来优化3D打印材料。。01 通过热分析优化3D打印材料为了优化3D打印材料，制造商需要仔细考虑最终材料的机械和热性能。虽然3D打印部件往往很轻，而且聚合物部件的正确组合可以拥有与金属相似的抗拉强度，但克服增材制造部件较低的机械和热性能是最大的挑战之一。1.1 3D打印产品性能的工艺优化了解挤压过程如何影响打印材料的最终性能是一个非常热门的研究领域。其中汽车应用对材料的拉伸和热性能要求最高。幸好，目前有许多含有碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉纤维的热塑性聚合物基质可用于3D打印部件，并能够在汽车应用中充分实现高性能。在3D打印过程中，要打印的基材被熔化，然后分层沉积以创建最终对象。在此过程中有多个参数可以优化，例如聚合物床层和喷嘴温度以及层间固化时间。3D打印有多种方法，包括选择性激光烧结、生物打印和熔融沉积建模。熔融沉积建模是最常用的方法。玻璃化转变温度是选择正确温度挤压非晶态聚合物的必要信息。对于半结晶聚合物，其熔化温度是应重点关注的数值。结晶度强烈影响聚合物的机械性能。许多聚合物用紫外线固化，紫外线在聚合物材料中产生自由基，作为最终聚合物生产中交联过程的引发剂。交联程度越高，材料的硬度和强度就越高。通过改变样品暴露在紫外线下的时间长度可以影响交联的材料强度。温度和固化时间都会影响聚合物在材料中的分子结构及其性能。因此，为了优化这些参数并探索其对最终材料的影响，材料设计师使用对聚合物性能细节敏感的测试技术。1.2 3D打印材料的热分析用于研究挤压过程对最终材料性能影响的主要热分析工具包括热重分析(TGA)、差示扫描量热分析(DSC)、热机械分析(TMA)和动态机械分析(DMA)。每种技术都提供一些互补信息，可以将这些信息结合起来，以便人们对打印材料的性能有更深的了解。热重分析(TGA)测量材料重量随温度或时间变化的幅度和变化率。TGA对于了解表征挤压的影响非常重要，因为许多材料在加热时会发生氧化或分解，从而导致重量变化。热重分析是确定样品在挤压过程中是否发生降解的最佳方法之一。差示扫描量热分析(DSC)可用于测量材料放热和吸热转变与温度的函数关系。挤压过程的常见关注点包括玻璃态转化温度、熔化温度和材料的比热容。差示扫描量热分析和热重分析是用于了解挤压影响的强大而互补的技术组合。这些技术可用于分析聚合物在挤出温度下的热性能。测量热膨胀系数(CTE)和玻璃化转变温度的热机械分析(TMA)是另一种配套工艺。由于玻璃化转变温度取决于材料的热历史，热机械分析可以用于检查挤压过程不会给成品带来任何不必要的力学行为。此外，增强材料在CTE中可能显示出各向异性，这取决于相对于纤维方向的测量方向。动态热机械分析(DMA)也被广泛用于材料工程，用于分析聚合物复合材料，因为其可以揭示材料在动态负载条件下的行为信息。 DMA对于表征3D打印成品部件特别重要，反映了不同的配方和加工方法如何影响最终使用性能。02 利用流变改进3D打印技术聚合物产品无处不在，从包装薄膜、酸奶杯到复杂的汽车零件均使用聚合物产品。尽管应用广泛，但塑料产品通常均通过相同的简单步骤进行制造：1. 制造的起始步骤是应用聚合物基材料(通常为颗粒或粉末形式)2. 加热材料以形成自由流动的熔体3. 通过吹膜、注塑成型、挤出或增材制造(3D打印)等工艺实现熔化材料的成型4. 冷却并凝固产品最终产品的特性和物理形态在很大程度上取决于其加工过程。制造商需要深入了解其材料和应用，以使最终产品的质量达到预期。在加工过程中了解材料是可能的，但这会导致更大的材料损失和更高的生产成本。但如果在加工前就以实验室规模进行材料表征则可有效解决这一顾虑。然后，制造商可根据材料的测量特性设计加工条件。3D打印和其他增材制造工艺可通过流变分析进行优化。流变学也适用于许多其他制造工艺2.1 质量控制挑战在3D打印过程中，聚合物被熔化到熔融状态并通过3D打印机的管线和喷嘴挤出。因此，聚合物必须能够自由流动，并且需要具有尽可能低的黏度。同时，聚合物必须在挤出后立即保持其形状，并且在冷却过程中不能出现变形。将回收材料用于打印产品对聚合物制造商提出了另一个挑战。废旧塑料通常含有残留添加剂、颜色和填料，它们会影响熔体的质量、可加工性及其在制造过程中的行为。因此，再生塑料的加工及其终产品可能难以预测。因此，需要对生物塑料进行详细的分析。2.2 预先质量控制尽管存在这些潜在的干扰和不确定性，制造商仍然可以执行强有力的预先品控和质量保证。其中的关键是分析性思考的两个角度：1. 产品中使用的所有材料成分的相互作用2. 必要的工艺参数，包括温度、压力和流量2.3 轻松表征材料使用相应的功能强大的高精度流变仪可确定流变特性，这是材料表征的重要组成部分。Waters的应用专家表示：“特别是在应用聚合物熔体等液态物质的情况下，如果没有足够的仪器，了解和预测流变特性可能会非常耗时。” 样品行为通常会根据作用于样品上的力的大小而发生变化，这意味着“样品的流动和变形行为只能通过实验模糊地预测，或通过流变进行更为精确的测量。”制造商和研究人员都利用流变来研究材料的变形和流动。流变可提供有关液体和固体材料的关键、精确的见解，为成功的3D打印提供信息。