物探仪工作原理

近年来，我国IVD产业发展迅速，国内市场容量向千亿元级迈进。分子诊断作为体外诊断（IVD）领域发展最快的细分行业，具有检测时间短、灵敏度更高、特异性更强等优势，被广泛应用于传染性疾病、血液筛查、遗传性疾病、肿瘤伴随诊断等领域。 1、分子诊断技术分子诊断是指以DNA和RNA核酸为诊断材料，使用分子生物学技术检测人体是否携带病毒基因、是否存在缺陷基因以及是否存在表达异常。 分子诊断是预测诊断的主要方法，既可以实现个体遗传病的诊断，又可以实现肿瘤早筛。分子诊断大致可分为PCR技术、基因测序、荧光原位杂交和基因芯片等。图1：分子诊断技术的分类目前国内分子诊断细分赛道市场份额占比分别为：PCR(40%)，分子杂交（35%），生物芯片（16%），其他（9%），PCR技术占据了分子诊断半壁江山。（根据智研咨询/国元证券研究中心数据调研）肆虐全球的新冠疫情是分子诊断行业发展的催化剂，而PCR技术是分子诊断中最常用的检测手段，作为确诊新冠的“金标准”。2、PCR聚合酶链式反应PCR（Ploymerase chain reaction）,即聚合酶链式反应的缩写，一种核酸（DNA或RNA）体外扩增技术。利用DNA双链复制的原理，能在短时间内将及微量的特定核酸片段精确复制出百万份的拷贝，从而实现对极其微量的DNA或RNA片段进行定量。 图2：PCR反应过程PCR技术由1983年Kary Mullis首创，被广泛运用在产前诊断（如乙肝病毒筛查）、肿瘤早筛（如HPV人乳头瘤病毒检测）、传染病检测（如HIV艾滋病病毒检测）、呼吸疾病检测（新型冠状病毒）基因检测(如亲子鉴定)等诊断。 图3：核酸检测案例体外诊断RT-PCR试剂盒中包含了模板双链DNA、一对特定序列的引物、一个带有检测基因的探针、DNA聚合酶、底物dNTP、缓冲溶液等，那么如何确保DNA能顺利进行特异性扩增？又如何正常标记？引物和探针的寡核苷酸原料必不可少。 图4：PCR反应试剂原料 引物和探针的寡核苷酸原料必不可少。上文提及的引物、探针，和酶等都是IVD原料，即用于制备IVD产品的材料，其品质对IVD产品的性能和检测准确度影响极大，因此上游环节在IVD产业链中话语权极强。然而，长期以来IVD原料生产一直是我国IVD产业中的卡脖子环节。IVD原料市场需求不断增长，但其背后的核心技术并未取得相同幅度的进步。由于IVD原料的研发难度较高，国产IVD原料在生产工艺及纯度质量上仍与进口原料存有差距。随着我国IVD原料企业投入大量资金开展基础研究与开发工作，其研发创新能力与原料工艺质量不断提升。那么我们先来了解一下，生产这些上游原料的要点及难点。引物引物的特异性是PCR特异性的关键，引物是具有独特靶向序列的短链寡核苷酸片段，帮助识别基因组的独特性。通过引物特异性结合在目标区域，作为DNA复制开始时DNA聚合酶的结合位点。不纯的引物不但会直接影响RT-PCR的特异性和定量不准，还会影响后续的测序实验。引物不纯可能会导致：1)非特异性扩增；2)无法用预先设计在引物5′端酶切位点的酶切开，特别是没有保护碱基的引物；3) 用于测序出现双峰或乱峰。 图5：引物 探针TaqMan荧光探针是一种具有荧光基团的特定寡核苷酸片段，通过检测荧光分子的信号强度即可知道PCR产物扩增量，每扩增一条DNA子链，就有一个荧光分子发出信号。 图6：Taqman探针无论是PCR反应还是NGS测序等核酸水平的分子诊断技术，都需要*的引物和探针，确保诊断的灵敏度和准确性。必须对合成后的寡核苷酸片段进行纯化处理，得到符合纯度要求的PCR试剂盒的原料，再销售至下游生产核酸试剂盒的厂家。3、如何得到*或高纯度的引物探针？引物/探针等寡核苷酸通过自动核酸合成仪合成之后，需要通过不同的分离纯化方式（比如脱盐过柱法或RP-HPLC方法）。 图7：HPLC纯化 RP-HPLC制备型反向高效液相色谱法是引物/探针常用的纯化方法之一，其优点是纯度高（高达99%）、自动化程度高。纯化后需要使用相关的溶剂蒸发设备去除其有机溶剂（如乙腈、甲醇、水等）后，一般包装至EP管或者96孔板中。然而，使用传统浓缩方法去除这些溶剂时，如果控制不当，未必能使溶剂蒸发完全，会影响引物和探针的一致性和纯度。为防止样品暴沸，需要在溶剂蒸发过程的控制好抽真空速率，Genevac大容量核酸合成浓缩仪（图7）利用控制真空度和离心力，可以有效防止暴沸避免交叉污染。 图8：真空离心浓缩仪 4、争分夺秒|分子诊断的新趋势随着核酸检测常态化发展，大量的新冠试剂盒被用于每日的核酸检测。分子诊断新趋势是更快，更准！ 采样快速——5月9日，国务院联防联控机制提出，大城市要建立步行15分钟核酸“采样圈”。检测快速——截至5月12日，上海市的核酸检测能力现在也达到了每天800万管以上。(数据来源：央视新闻)5、为上海市复工复产做准备按照六月以后复工复产的要求，每人每周需要进行两次的核酸检测，根据上海市常住人口数量2500万，除去退休人员，小孩子，无业人员，至少有60%的人员需要参加这些检测，也就是说每天至少消耗越428万管的检测试剂。面对日均如此大需求量的检测试剂盒，上游原材料的质量和供应速度应该同幅度进步和增长，在引物和探针的制备过程中，使用高通量的真空离心浓缩设备可以大幅度提高生产效率，溶剂蒸发的速度起到四两拨千斤的作用。接下来介绍一款大容量核酸合成浓缩仪miVac Quattro，它的样品通量是传统的氮吹浓缩仪的5倍+，大幅度提高了蒸发容量和节约蒸发时间。在核酸合成中最常用的1.5ml EP管可以同时浓缩200位样品，另外兼容96孔板，最多可同时容纳20个浅孔微孔板或8个深孔板。 图9：miVac Quattro大容量核酸合成浓缩仪 图10： 多样的转子类型提高浓缩速度的秘诀是提高热传导率。下图使用不同条件下的样品浓缩速度，Genevac通过一系列措施促进热量向样品传导，在浓缩速度上有显著提升，助力引物/探针试剂高效率生产。 图11：不同条件下的提升浓缩速度①实心铝制转子——相比塑料转子或空心转子，独特的实心铝制转子具有良好的热传导效果，即使在真空条件下也能有效传递热量。②腔体预热功能——结合腔体预热功能，能有效提升浓缩速度。③高效率的SpeedTrap™ 冷阱——新型的冷阱线圈制冷，能冷凝回收95%以上的有机溶剂。 图12：Speedtrap冷阱一款安全、可控、快速、高通量的浓缩仪，可以更大程度地减轻工作负担，高效助力生产*的IDV原料，用户仅需设置温度，一键选择醇或水的方法，然后按下启动键即可使用。 寡核苷酸除了在IVD中扮演重要角色，现在作为创新药的热门选手，也承载了很多科研人员的希望，下一期我们就来聊聊Oligo药物筛选的那些事。原理介绍：Genevac miVac是由离心腔、冷阱、真空泵三部分组成真空离心浓缩仪，用于对寡核苷酸、核酸等样品进行浓缩、纯化、干燥，适用于oligo合成、RNA/DNA制备、肽制备、测序、分子生物学和ADME/毒理学研究。抽真空：利用压力降低时，溶剂的沸点也随着降低。使生物样品能在较低的温度条件下进行溶剂蒸发。加快蒸发效率的同时，可防止热敏感样品失活。离心：为了避免样品暴沸和交叉污染，采用高速离心旋转技术，离心力的作用下可以有效防止暴沸和样品损失，干燥后的溶质完全沉积在容器的底部，便于样品的完全回收。热量：加速样品的蒸发速率。英国GeneVac公司成立于1990 年，隶属SP Scientific 旗下，一直专注于研究和生产各种离心蒸发浓缩设备，不断为生命科学提供更前沿和*的解决方案。

基于离子迁移谱技术(IMS)研制的爆炸物探测仪是一种高灵敏的爆炸品的检测仪，可以在几秒内完成对邮件、包裹等物品内隐匿爆炸物品的检测，该技术为各级安全保卫机构提供了良好的检测手段，并被成功用于军队及机场安检的爆炸物检测。 　　目前，国内外离子迁移谱爆炸物探测仪多用放射性63Ni源作为电离源，但63Ni源的放射性限制了其在公共场所的推广应用。最近，中科院大连化学物理研究所李海洋研究员领导的研究组基于商用的真空紫外光灯(波长为123.6 nm)研制开发了一种新型的双极性电离源(UVRI)，该电离源在正、负离子两种模式下均具有较好的电离效率。在负离子模式下，UVRI-IMS对PETN、ANFO、DINA、RDX等爆炸物的电离效率均高于传统63Ni离子迁移谱，对PETN的检测灵敏度可以达到45pg，高出63Ni离子迁移谱5倍左右；此外，该模式下UVRI-IMS对SO2、H2S、CO2等化合物也具有较高的电离效率。通过对电离机理的研究，发现这主要归因于紫外光引发的光化学反应产生了大量臭氧分子，最终形成了高浓度的新型试剂离子O3-(H2O)n。在正离子模式下，该电离源可以实现对挥发性有机污染物的软电离，便于谱图的解析。这些研究结果对于提高爆炸物探测仪的灵敏度以及爆炸物探测仪的推广应用具有重要意义。 　　该研究成果以研究性论文形式被刊登在近期发表的《美国分析化学》(Anal. Chem., 2010, 82 (10), pp 4151–4157, DOI: 10.1021/ac100342y)杂志上。

近日，法国巴黎市区公共场所发生系列恐怖袭击，造成129人死亡、352人受伤。据巴黎官方介绍，自杀式炸弹所用材料为三过氧化三丙酮(TATP)，这种自制爆炸物也是2005年造成52人死亡、700多人受伤的伦敦地铁爆炸案主角。　　据介绍，TATP为白色晶体，轻微摩擦或温度稍高就会爆炸：一个TATP分子可以产生四个气体分子，在不到一秒钟内，几百克的固态TATP能产生成百上千升气体，形成无火焰爆炸。由于TATP不含硝基，因此，不能被硝基炸药探测器检出，这给爆炸物安检提出了更高的技术要求。　　早在2008年，中科院合肥物质研究院医学物理中心光谱质谱研究室就研制出了非放射源离子迁移谱爆炸物探测仪，该仪器不但可以检测常规硝基炸药，而且能检测自制炸药TATP。　　最近，该部门研制的新一代离子迁移谱爆炸物探测仪，已通过了高低温、高温高湿、震动冲击、放电试验、电磁兼容、软件测评、性能对比等第三方的测试，将为公共安全面临的挑战提供先进技术支撑。此外，光谱质谱研究室在2008年将质子转移反应质谱PTR-MS率先用于炸药的探测，也实现了对痕量炸药TATP的快速检测。