德國PCR世家耶拿深度解讀:從哪些方面評價一臺PCR 儀的好壞?

　　說起PCR(Polymerase Chain Reaction，聚合酶鏈式反應)技術，生命科學領域從業人士肯定不會陌生。PCR技術問世已有30多年，期間創新性生物技術不斷湧現，然而PCR技術的地位依然不可撼動——在三十多年後的今天，PCR作為一項必不可少的技術手段，仍被廣泛應用在基因克隆、基因表達分析、病原體檢測、疾病診斷、基因測序、生物製藥、基因/細胞治療、分子育種、物種鑑定、法醫鑑定等各個領域。

　　2020年的新冠疫情席捲全球，新冠病毒實驗室檢測起到核心作用的，正是PCR技術。

　　到底什麼是PCR技術?

簡單說來，PCR技術是利用DNA雙鏈複製的原理，在生物體外大量擴增特定DNA片段的技術，下圖展示了PCR的基本過程。

　　傳統的PCR實驗結束後，產物需要通過電泳及成像來查看擴增條帶，獲得定性結果。20世紀90年代中期，在傳統PCR技術的基礎上誕生了螢光定量PCR技術，簡稱qPCR技術。qPCR可以對起始模板進行實時的檢測，具有特異性好、檢測靈敏度高、結果直觀、省時、安全等優點，被更多地應用在檢測診斷領域。在基礎科研方面，qPCR也是基因表達分析研究的主要方法。21世紀初，PCR技術又迎來了第三次創新，出現了數字PCR技術，無需標準曲線就可實現精確定量，但由於其儀器平臺和試劑耗材使用成本都遠高於qPCR，且操作繁瑣，所以目前仍是傳統PCR和螢光定量PCR技術應用最為廣泛。

　　與前後三代PCR技術相對應的，當前市面上主要有三種類型的PCR儀，即普通PCR儀、螢光定量PCR儀和數字PCR儀。

　　一臺PCR儀的關鍵零部件有哪些?

　　從儀器構成來說，普通PCR儀主要由熱循環系統組成，螢光定量PCR儀和數字PCR儀除了熱循環系統外，還含有光學檢測系統以及配套的操作分析軟體。

　　溫控性能是PCR反應最重要的影響因素之一

　　由PCR原理也可看出，PCR反應是不斷升溫和降溫的過程。需要能在變性-退火-延伸這三個關鍵步驟進行溫度控制。溫度控制涉及溫度準確性、均一性、升降溫速率、溫度梯度等多個方面。

　　溫度準確性是PCR儀的重要性能指標。如果儀器溫度準確性差，樣品槽的實際溫度不能達到設定溫度，那就無法獲得預期的擴增結果，即要麼擴增不出來，要麼產生非特異性擴增甚至是錯誤擴增。

　　溫度均一性是獲得穩定擴增的保障。若PCR儀的溫度均一性差，在出現不同擴增結果時就無法判斷是樣品本身不同造成還是儀器性能不好所導致。

　　升降溫速率不僅直接影響PCR實驗用時，進而影響工作效率，還會影響擴增產物的特異性。升降溫速率越快，特異性越好。

　　PCR儀梯度溫度功能對於反應條件的優化(尤其是退火溫度的優化)有很大幫助。對於新開展的實驗，通過溫度梯度功能快速獲得最佳退火溫度。

　　樣品槽材質影響溫控性能

　　PCR儀樣品槽的材質，會影響上述這幾個溫控方面性能。現在大多數PCR儀採用的是鋁合金材質樣品槽，高端PCR儀則採用熱導性能更好的銀質樣品槽。

　　光學檢測系統對結果產生很大影響

　　對於螢光定量PCR儀來說，光學檢測系統的好壞對檢測結果會產生很大影響。光學檢測系統主要包含激發光源、檢測器、信號採集方式、檢測通道數量等方面。

　　激發光源需考慮光譜範圍和光強。雖然現在新一代產品的激發光源大多都是LED燈，但單色LED燈和複合光白色LED燈，在激發效果上還是各有優劣。最好能利用各自的優勢形成既寬又強的光照激發效果。

　　檢測器主要考察的是檢測靈敏度。檢測器靈敏度當然是越高越好，靈敏度越高，則可以檢測到更低的信號強度，也就是說可以檢測到更低的樣品濃度。應用在qPCR儀上的檢測器主要有PMT和CCD，光電倍增管PMT的檢測靈敏度要高於CCD。

　　每個公司的產品都有自己獨特的信號採集方式，有些產品會存在信號光程差的問題，必須額外增加校正染料，比較麻煩。

　　檢測通道數量的多少，將決定該儀器最多能做幾重的螢光檢測。不同應用領域對於檢測通道的多少要求不同，比如做基因表達分析的用戶只需一個檢測通道就夠了，而像新冠病毒檢測通常都需要三重或四重檢測，這對於儀器的配置就會有不同的要求。

　　除了上述的溫控和光學檢測系統外，樣品通量、樣品槽的多樣性、熱蓋的防蒸發效果、運行時的噪音水平、平臺對試劑耗材的適用性、操作界面的友好性等，也是考量一臺PCR儀好壞的方面。此外，由於PCR儀是一個使用頻率非常高的儀器，所以儀器的耐用性和售後服務也是用戶關心的問題。

1989年，革新性的三槽PCR儀誕生

　　談到PCR儀，就不得不提到一家具有三十多年PCR儀研發製造歷史的歐洲老牌PCR儀生產商——Biometra公司。2009年，Biometra被德國分析儀器巨頭耶拿公司收購，如今Biometra已成為耶拿旗下一員猛將。

紅色是耶拿PCR儀的傳統色，大家可以在很多實驗室看到使用了十年以上的紅色PCR儀還繼續工作在第一線。

　　經典的TProfessional PCR儀           新一代TAdvanced PCR儀

　　耶拿公司第一代PCR儀可追溯到1989年，距離全球第一臺PCR儀面世僅隔短短一年時間，且這臺PCR儀為革新性的三槽PCR儀，可見耶拿PCR儀從一開始起點就很高。

　　PCR儀快、準、穩「鍍金銀槽」功不可沒

　　除了極具特色的三槽PCR儀外，「鍍金銀槽」也是耶拿PCR儀另一大特色。典型代表是Biometra TAdvanced 96 SG 高速PCR儀。為了實現高精準的溫度控制，早在二十多年前，耶拿公司就開創性地採用銀質材料來製作反應樣品槽，為了防止銀質氧化，又特意在外面鍍上一層惰性純金，由此形成快速耐用的「鍍金銀槽」。

　　鍍金銀槽再配合高端耐用的帕爾貼、瑞士PT100溫度傳感器，得以實現±0.1 ℃的溫度準確性和±0.15 ℃的溫度均一性。而市面上同類產品的溫度準確性和均一性通常在±0.25 ℃以上。

　　耶拿PCR儀極具特色的鍍金銀槽

　　鍍金銀槽還帶來一個顯著的優勢，就是反應速度快。高速PCR儀Biometra TAdvanced 96 SG在保持上述優異的溫度精準度外，還能實現最大升溫速度8 ℃/s，最大降溫速率6 ℃/s，正如火車中的高鐵復興號，運行又快又準又穩。

　　也許有人會說：「PCR反應時間慢點也沒關係，我可以等」。讓我們通過以下的兩個實驗案例，來看一下高速PCR儀擴增的優勢所在。

案例1：一位做基因克隆的實驗人員合成了6對引物對目的基因進行擴增，在實驗室現有的某進口品牌普通PCR儀上擴增多次，均告失敗。試用了一臺耶拿公司的高速PCR儀，結果驚喜地發現，在6對引物中，有2對可以很好地擴出目的基因。

　　M：Marker 1-6：6對引物在高速PCR儀上的擴增結果 7-12：6對引物在普通PCR儀上的擴增結果

案例2：某模式生物公司在開發基因敲除實驗方法時，對比了耶拿高速PCR儀和某進口品牌普通PCR儀的擴增結果，發現耶拿高速PCR儀的擴增效率更高。

　　任何實驗室都有可能會碰到一些不易擴增的實驗，反覆優化PCR實驗條件非常費時費力費錢，這個環節不應成為影響整個實驗進程的障礙。好的實驗工具能使工作事半功倍，所以一臺高速PCR儀對於實驗室來說是必要的，遇到擴增的疑難雜症，用高速PCR儀來快速解決!

　　耶拿PCR儀還有一個深受用戶喜歡的特點是靜音，即使多臺儀器同時工作也聽不見噪音，能夠為用戶提供舒適安靜的實驗環境。

　　耶拿紅色PCR儀

　　自動化檢測平臺將迎快速增長 耶拿推出自動化定量PCR儀

　　今年新冠疫情的暴發，人們對於自動化工作平臺的需求變得更加迫切和強烈。自動化PCR檢測平臺對於樣品多而人手有限的的政府檢測部門、醫院、生物製藥企業以及一些大型實驗室中心平臺來說必不可少。當前已有越來越多的個人實驗室在積極搭建自動化系統，可以預見未來幾年將迎來全自動檢測平臺的快速增長。

今年，耶拿最新推出配合自動化工作站使用的自動化PCR儀Biometra TRobot II和自動化螢光定量PCR儀qTOWER3 auto。

　　自動化PCR儀Biometra TRobot II

Biometra TRobot II

　　其實早在2001年耶拿公司就已領先推出自動化PCR儀TRobot。用機器代替人工操作，不僅可大大提高工作效率，減少錯誤率，還可以有效保護操作者的安全。此次推出的Biometra TRobot II新品，延續了高速精準的鍍金銀槽，並針對機械臂的操作特點，設計出三面開蓋方式，能夠和市面上多種自動機械臂兼容使用，形成PCR體系構建和PCR反應的全流程自動化。

自動化螢光定量PCR儀qTOWER3 auto

　　

qTOWER3 auto

自動化螢光定量PCR儀同樣可以整合包括耶拿CyBio FeliX在內的多種自動化平臺。qTOWER3 auto最高6通道檢測能力，可實現多臺儀器的串聯使用，進一步提升高通量樣品的自動化檢測能力。

　　qTOWER3 auto新推出不久，珀金埃爾默公司(Perkin Elmer) 便與耶拿公司合作，針對新冠病毒核酸檢測，整合qTOWER3 auto推出了explorer G3全自動化系統，每天可完成10000人份樣品的新冠檢測，為新冠病毒核酸檢測提供了一個無人值守、高通量全流程自動化的解決方案。

　　正如開頭所說，PCR技術現在還是一個無可替代、應用廣泛的技術。作為來自德國的PCR世家，耶拿公司還將一如既往地為廣大用戶提供快速、精準、耐用、便捷的PCR系列產品，並進一步發揮耶拿PCR的優勢來滿足新的應用發展需求，我們真誠希望好產品能為更多的用戶帶來切實的幫助。

　　

　　作者：吳瀟韞，德國耶拿公司生命科學部產品經理。畢業於浙江大學，熟悉分子生物學相關的前沿知識和技術，具有十幾年PCR和qPCR方面的推廣和應用經驗。

　　關於德國耶拿公司

　　德國耶拿分析儀器股份公司(Analytik Jena AG，簡稱AJ公司)成立於1990年，總部設在世界光學精密儀器製造中心的德國耶拿(Jena)市。耶拿公司的前身為久負盛名的卡爾?蔡司公司分析儀器部，傳承了蔡司公司160多年的精密光學儀器研發製造經驗。德國耶拿生命科學部是技術領先、產品齊全的專業供應商，旗下的Biometra、UVP、CyBio等工廠能為全球生命科學客戶提供從樣品製備、核酸純化、自動化工作站、到PCR/qPCR、電泳、多功能成像、活體成像等「一站式」的整體高效解決方案。