THz-PCR技術(shù)在法醫(yī)檢測(cè)中展現(xiàn)的應(yīng)用前景

PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）是一種用于放大擴(kuò)增特定的DNA片段的分子生物學(xué)技術(shù)，應(yīng)用十分廣泛，而THz(Tera Hertz,太赫茲)是波動(dòng)頻率單位之一，指頻率在0.1~10 THz(波長(zhǎng)為3000～30μm)范圍內(nèi)的電磁波。二者結(jié)合起來(lái)的THz-PCR是一種創(chuàng)新型的新技術(shù)，近期國(guó)科大溫州研究院PI張峰老師課題組在美國(guó)工程技術(shù)-材料科學(xué)類期刊ACS Applied Materials & Interfaces雜志上發(fā)表了題為“THz-PCR Based on Resonant Coupling between Middle Infrared and DNA Carbonyl Vibrations”的文章，研究探討了基于中紅外線與DNA羰基振動(dòng)共振耦合的THz-PCR。
  背景介紹：
生物大分子的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)能級(jí)落在太赫茲（THz）波的能量范圍內(nèi)，而太赫茲波又可以通過(guò)共振耦合方式與生物分子相互作用。在過(guò)去的幾十年里，THz技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來(lái)，通過(guò)光譜成像來(lái)區(qū)分正常組織和癌癥組織，例如，通過(guò)監(jiān)測(cè)DNA甲基化的分子共振指紋圖譜來(lái)早期診斷癌癥細(xì)胞。在過(guò)去幾年中，太赫茲（THz）的應(yīng)用對(duì)生物醫(yī)學(xué)、人工智能甚至軍事發(fā)展等重要領(lǐng)域都產(chǎn)生了重大影響。由于THz能量遠(yuǎn)低于化學(xué)鍵活力，功率低于mW/cm²的THz電磁波在數(shù)十分鐘的照射過(guò)程中不會(huì)對(duì)角膜組織、焦點(diǎn)細(xì)胞、視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞、皮膚成纖維細(xì)胞和脫氧核糖核酸（DNA）造成破壞性傷害，這保證了THz照射的安全應(yīng)用。作者研究團(tuán)隊(duì)的合作者使用53.53THz激光通過(guò)與離子通道中羰基的相干共振耦合來(lái)操縱鉀通道，實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)信號(hào)的可逆無(wú)創(chuàng)調(diào)節(jié)。還有其他論文報(bào)道，35.2 THz的輻射可以與DNA堿基的振動(dòng)共振，并引發(fā)氫鍵斷裂，這反過(guò)來(lái)糾正了DNA雜交的錯(cuò)配率，提高了折紙結(jié)構(gòu)的產(chǎn)率。為了了解太赫茲輻射對(duì)其他生命活動(dòng)的量子效應(yīng)，特別是那些最重要的生化反應(yīng)，例如DNA復(fù)制，作者研究團(tuán)隊(duì)選擇了53THz激光，以實(shí)現(xiàn)中紅外線和DNA羰基之間的振動(dòng)強(qiáng)耦合（VSC），并探究了它對(duì)體外DNA復(fù)制（如PCR反應(yīng)）的影響。 實(shí)驗(yàn)方法：
準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)用的DNA和其它相關(guān)檢測(cè)試劑、試劑盒等，然后進(jìn)行PCR擴(kuò)增反應(yīng)，PCR實(shí)驗(yàn)在柏恒科技PCR儀上進(jìn)行（Q3200，Bio-Gener）。PCR程序包括以下兩個(gè)階段：第一階段之前是95°C下30秒的預(yù)變性過(guò)程，然后是八個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)包括95°C的變性過(guò)程5秒和62°C的退火過(guò)程20秒。此外，第二階段為30個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)包括特殊梯度溫度和梯度時(shí)間的變性過(guò)程以及37°C下的退火和延伸過(guò)程20秒。整個(gè)階段使用PCR儀（Q3200，Bio-Gener，圖S1）進(jìn)行THz輻照。 圖S1.THz-PCR體系的實(shí)際照片。將含有PCR試劑溶液（20μL）的200μL PCR管安裝到PCR儀中，無(wú)需關(guān)閉加熱蓋，并用53.53 THz激光照射。
 
法醫(yī)檢測(cè)應(yīng)用：目標(biāo)蛋白編碼基因?yàn)镾OX 21，檢測(cè)采用THz PCR和常規(guī)PCR。首先將血染紙切成小塊，浸泡處理后將上清液直接用作PCR檢測(cè)的模板。整個(gè)階段使用PCR儀（Q3200，Bio-Gener，圖S1）進(jìn)行THz照射，另一個(gè)樣品以相同的方案進(jìn)行，沒(méi)有THz照射作為對(duì)照。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行結(jié)果分析。
 
作者研究團(tuán)隊(duì)中用到的PCR儀來(lái)自柏恒科技，Q3200熒光定量PCR儀是柏恒科技創(chuàng)新研發(fā)的一款儀器產(chǎn)品，雙槽設(shè)計(jì)，一機(jī)兩用，產(chǎn)品功能強(qiáng)大。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
使用聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）作為測(cè)量手段，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)THz照射可以將DNA雙鏈體的變性溫度降低約3°C，這允許在較低溫度下進(jìn)行PCR，促進(jìn)長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)增反應(yīng)而不損失酶保真度。與正常加熱相比，THz照射可以顯著減少DNA雜交，雙鏈DNA（dsDNA）解鏈變得更容易和更快。同時(shí)，PCR的效率和目的DNA的產(chǎn)率都得到了提高。
基于上述研究，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)THz PCR作為一種創(chuàng)新的DNA擴(kuò)增技術(shù)，具有超高的特異性和敏感性，并成功地證明了其在法醫(yī)檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)。