國產法醫(yī)DNA系列遺傳分析儀在實戰(zhàn)中的發(fā)展與完善

李英 王宇光 俞麗娟 李宇飛 公安部第一研究所

引言

精密儀器的研發(fā)與制造能力是國家高新技術發(fā)展水平的重要標志，在刑事案件偵破中，DNA檢驗、毒品理化分析、指紋假鈔識別等都離不開先進科學儀器的支撐。高端精密儀器的研制一直是國產儀器的短板，也是發(fā)達國家對我國進行技術限制的重點領域。為鼓勵國產儀器研發(fā)，《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》明確將科學儀器創(chuàng)制列為優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略領域，科技部設立了重大科學儀器設備開發(fā)專項以提高我國科學儀器設備的自主創(chuàng)新能力和自我裝備水平[1]。公安部第一研究所自2008年承擔國家“十一五”科技支撐計劃項目“法醫(yī)DNA專用檢測平臺硬件關鍵技術研究”以來，一直致力于國產法醫(yī)DNA遺傳分析儀的研發(fā)推廣，歷經十幾年發(fā)展形成了具有國際先進技術水平的產品系列，克服了對單一國外技術的依賴，實現了法醫(yī)DNA檢驗核心裝備的自主保障和安全可控[2]。本文通過梳理國產遺傳分析儀的研制及其在實戰(zhàn)中的改進升級歷程，總結國產精密儀器研制和推廣過程中的關鍵問題和瓶頸，以期為警用技術裝備和精密儀器的國產化研制提供借鑒和方向。

一、法醫(yī)DNA遺傳分析儀的誕生及對我國的意義

基于毛細管電泳技術的DNA遺傳分析儀是當前法醫(yī)DNA實驗室的核心儀器，自1996年世界首臺單通道毛細管電泳遺傳分析儀ABI 310面世以來，已經從單通道4色熒光技術發(fā)展到24通道6色熒光，在法庭科學DNA鑒定領域獲得了廣泛應用并占有主導地位[2]，我國法醫(yī)DNA鑒定工作的開展長期依賴于國外儀器和試劑。為打破國外技術壟斷，公安部物證鑒定中心率先開展STR擴增試劑的研究并最終研制出DNATyper15TM擴 增試劑盒，填補了國內空白。此后，公安部第一研究所與公安部物證鑒定中心聯合承擔了國家“十一五”科技支撐計劃項目“法醫(yī)DNA專用檢測平臺硬件關鍵技術研究”，2010年項目組成功研制出我國首臺法醫(yī)DNA遺傳分析儀，命名為“GA118-16A型遺傳分析儀”[3]。GA118-16A型遺傳分析儀的研制成功補齊了我國在法醫(yī)DNA檢測儀器方面的短板，掌握了從儀器、試劑到配套軟件、耗材的全部核心技術并形成完整的產業(yè)鏈，徹底擺脫了對國外產品的依賴，是我國科學儀器領域取得的重大成就。

DNA檢驗在公安機關偵查破案中發(fā)揮著重要作用，特別是近年來隨著我國治安形勢的好轉，大案要案數量明顯減少，普通盜搶騙案件卻有上升趨勢，此類案件由于犯罪嫌疑人反偵察意識的增強，視頻及技術偵查手段受限，現場脫落細胞的及時檢驗成為破案的關鍵。我國公安機關DNA實驗室多建在地市級，面對各區(qū)縣送檢的大量接觸DNA檢材無法做到及時檢驗，而接觸DNA檢材對檢驗時限要求很高，超過兩周后的檢出率會明顯降低，因此在案件高發(fā)的區(qū)縣級公安機關建立DNA實驗室非常有必要，可以有效緩解DNA檢驗不及時的問題。采用國外儀器試劑建立DNA實驗室的建設成本、檢測成本和后期使用維護成本昂貴，普通區(qū)縣級公安機關難以承擔，GA118-16A型遺傳分析儀價格不到國外儀器的一半，技術指標達到了國外儀器同等技術水平，完全實現了國產化替代，自推廣應用以來，已在全國130多家DNA實驗室進行實際案件的檢驗，顯著提高了基層公安機關的破案效率，取得了顯著的社會效益和經濟效益。

二、核心技術及同類比對

（一）核心技術

GA118-16A型遺傳分析儀工作原理如圖1所示[4]，充滿凝膠的16通道毛細管陣列置于恒溫環(huán)境中，通過電進樣方式將擴增后攜帶熒光染料、大小不同的DNA片段吸入毛細管，在高壓電場中進行電泳，依靠凝膠的篩分能力將大小不同的DNA片段分離，熒光染料在毛細管檢測窗口處被激光激發(fā)，經過準直濾光、光柵分光、會聚成像到CCD上，數據采集軟件采集電泳過程中的各項參數及CCD信號形成原始數據文件，再經過二級數據分析軟件進行結果分析。

GA118-16A型遺傳分析儀是結合我國法醫(yī)DNA實際檢測需求專門研制，采用16通道毛細管陣列，支持多達6色熒光數據采集，可實現24小時無人值守自動化運行，主要包括如下核心技術：

1.正交激發(fā)

通過一系列反射鏡、半反半透鏡、波片、會聚透鏡等光學器件將一束激光分為能量均衡的上下兩路，聚焦到內徑50m的16根毛細管陣列進行熒光激發(fā)，保證16根毛細管得到峰形尖銳、峰高一致的拉曼峰；

2.微弱熒光采集

通過長波通截止濾光片、大相對孔徑消光差光學鏡頭、反射式光柵、制冷CCD組成的分光系統對激發(fā)的微弱熒光信號進行采集，得到高信噪比的電信號；

3.精密溫度控制

對兩片半導體制冷片進行快速升降溫控制使電泳過程中恒溫箱內部的溫度均勻性<1℃，溫度穩(wěn)定性<0.2℃；

4.嵌入式測控系統

采用多處理器嵌入式控制系統實現對自動進樣器、注膠泵、恒溫箱、激光器、高壓電源、CCD熒光采集系統等部件的實時監(jiān)控，與數據采集軟件進行通訊并接受上位機管理，完成儀器開機自檢、空間校正、光譜校正及樣品電泳等功能；

5.數據采集及處理算法

實現對CCD熒光數據的實時采集并對原始數據進行濾波、去基線、峰識別、光譜解耦等核心算法處理，結合檢測樣本STR數據采集過程中的樣本信息、用戶信息、運行參數、染料集、空間校正、光譜校正等信息生成原始數據文件并保存到本地數據庫[5]。

（二）同類比對

GA118-16A型遺傳分析儀與國外同類產品相比，主要有以下兩方面的區(qū)別：（1）GA118-16A采用氬離子氣體激光器，激發(fā)波長為488/514.5nm，國外同類儀器采用固體激光器，激發(fā)波長為505nm，二者的最大輸出功率均為25mW，在激發(fā)效率上無明顯差別，固體激光器體積更小、功耗更低、壽命更長；（2）檢測通量不同，GA118-16A采用16道毛細管陣列，單次運行可檢測16個樣本，國外儀器有8通道和24通道兩種通量，其余技術指標如檢測時間、分辨力、最大讀長、染料數量、檢測靈敏度等均與國外儀器相同。GA118-16A型遺傳分析儀的優(yōu)勢在于性價比高，能夠滿足經費不充足的區(qū)縣級公安機關的實際需求，同時采用全中文操作軟件并對界面進行了優(yōu)化設計，簡單易學，特別適合新建DNA實驗室人員使用。

三、發(fā)展與完善

法醫(yī)DNA遺傳分析儀涵蓋光、機、電、液、生化、算法等諸多前沿學科技術，具有極高的技術壁壘，需要長期的磨合改進才能獲得儀器的高度穩(wěn)定性和可靠性。GA118-16A遺傳分析儀自研制成功之日起，一直通過實際應用接受測試與檢驗：在性能指標方面，對儀器進行了法醫(yī)學有效性驗證[6]，測試了恒溫箱溫度的穩(wěn)定性、內標定長誤差、分型結果的準確性及對不同檢材的適應性；在與進口儀器的比較方面，應用案件中的血液、脫落細胞、唾液及混合樣本與進口儀器進行平行比對分析[7]，驗證了GA118-16A對于不同檢材的分析能力，并提出了增加6色熒光分析能力的應用需求；通過在高海拔地區(qū)213起案件的檢驗，驗證了儀器在高海拔復雜環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性[8]。

在大量應用測試的基礎上，公安部第一研究所對GA118-16A型遺傳分析儀不斷改進與完善，最新研制成功的GA118-24B型遺傳分析儀[9]，在零部件改進、整機性能指標提升、儀器可靠性和穩(wěn)定性的增強等方面均取得了明顯突破，進一步提升了國產遺傳分析儀的技術水平。

（一）零部件改進

GA118-24B型遺傳分析儀在16A型的基礎上，對多個零部件進行了改進與優(yōu)化：（1）采用單波長505nm固體激光器，與16A型的氬離子氣體激光器相比，在功耗、噪聲、功率及壽命等方面得到了顯著提升，如表1所示，其輸出的最大功率增加到50mW，是國外同類儀器最大輸出功率的2倍，為更大范圍的STR片段分析和測序應用奠定了基礎；

（2）優(yōu)化了恒溫箱的設計，24B型恒溫箱半導體制冷片數量由16A型的2片增加到了4片，同時改進了溫度控制算法，優(yōu)化了內部空氣對流循環(huán)設計，將升溫時間（從室溫到60℃）從20min縮減為15min，內部溫度的均勻性與穩(wěn)定性得到進一步提升，充分保證了每根毛細管電泳時溫度的一致性和更好的數據質量；（3）取消了16A型的機械光閘，改用電子光閘作為數據采集時的激光快門，儀器運行時噪聲明顯降低，電子光閘的壽命和故障率要遠遠優(yōu)于機械光閘；（4）采用了創(chuàng)新的光纖分光技術，避免了傳統光學系統中大量反射鏡、半反半透鏡、匯聚透鏡等的使用，在提升傳遞效率和激發(fā)效率的同時，減少了因鏡片灰塵和水汽凝結帶來的效率降低和頻繁的系統維護，同時使光學系統的穩(wěn)定性和可靠性得到明顯提升；（5）采用了更大面積的CCD圖像傳感器，圖像面積為12.288mm(H)×12.288mm(V)，512×512像素，與國外同類產品相比面積增加一倍，不僅具有較高的靈敏度和較寬的光譜采集范圍，同時可在熒光染料通道數量上進一步拓展，具備了8色甚至9色熒光信號采集能力。

?

（二）整機性能指標提升

通過上述零部件的改進，GA118-24B型遺傳分析儀的性能指標得到明顯提升：（1）由于采用了更大面積的CCD，檢測通量由16道毛細管陣列升級為24道毛細管陣列，如圖2所示，單次運行可同時分析24個樣品，在片段長度≤500bp時平均運行時間35min，24小時檢測通量不低于936個樣品，可滿足各種DNA實驗室需求；（2）整機體積更小，噪音、功耗更低，如上所述固體激光器相對于氣體激光器體積更小且無需風冷散熱，功耗更低，24B型遺傳分析儀整機功耗由16A型的1500W降為500W且噪聲水平明顯降低；（3）檢測速度更快，由于恒溫箱升溫速度的提升，儀器單次運行時間由45min減少為35min，提升了法醫(yī)DNA鑒定的工作效率；（4）支持更多染料通道的熒光數據采集，大面積CCD圖像傳感器使得GA118-24B遺傳分析儀具備了高于當前國外儀器6色熒光數據采集的能力，目前已初步實現了8色熒光數據的采集和分析且可向更高的9色熒光、10色熒光采集拓展。

（三）可靠性和穩(wěn)定性的增強

GA118-24B遺傳分析儀完善了對電泳過程中各項參數如電泳電壓、電流、激光器功率、CCD溫度、注膠泵壓力等的全過程實時監(jiān)控，提高了儀器的故障處理能力和長期運行的可靠性：（1）增加了電泳前的電流檢測功能，通過預加電壓得到的電流值判斷電泳回路有無氣泡，降低了因用戶未觀察到氣泡存在而導致的電泳失敗故障率；（2）采用固體激光器和光纖分光技術，如圖3所示，在減小整機體積的同時，GA118-24B遺傳分析儀光學系統的可靠性和穩(wěn)定性得到極大提升，能夠適應更為惡劣的工作環(huán)境，可進一步應用到車載移動DNA實驗室，提升法醫(yī)DNA檢驗的靈活性和機動性。

四、未來發(fā)展趨勢

歷經十幾年的發(fā)展，國產DNA遺傳分析儀已在全國公安機關130多家DNA實驗室進行實戰(zhàn)應用并陸續(xù)出口到阿根廷、安哥拉、莫桑比克等多個國家，形成了GA118-16A、16B、24B等型號產品，產品的主要技術指標如檢測通量、分辨率、檢測靈敏度等均達到國外產品同等技術水平，核心部件實現國產化，大幅度降低了使用維修成本，為我國DNA數據庫建設和法醫(yī)DNA檢測技術的普及應用打下了堅實基礎。

NGS新一代測序技術已經開始在法醫(yī)DNA檢驗領域初步應用，在降解樣本、復雜混合樣本分析等方面具有一定的優(yōu)勢，但檢測成本昂貴、數據處理復雜、與現有DNA數據庫難以兼容等因素仍是制約其在法醫(yī)學領域普及應用的關鍵[10]，NGS新一代測序技術可以作為現有毛細管電泳技術的補充和完善，短時期內難以實現完全替代，且面臨三代單分子測序技術的挑戰(zhàn)，二者在科研、醫(yī)療領域已經開始初步應用，在法醫(yī)DNA分析領域，毛細管電泳遺傳分析儀仍會在未來很長一段時期占據主流地位，并會伴隨新材料、新技術的出現和應用快速發(fā)展，主要發(fā)展方向有以下幾個方面：

（一）儀器性能方面的繼續(xù)提升

為進一步提高檢測通量，公安部第一研究所在研的48通道、96通道遺傳分析儀[5]，利用現有24通道儀器平臺，重新設計熒光激發(fā)系統和熒光光譜采集系統、恒溫箱控制系統、數據采集軟件和進樣系統，實現更高通量的毛細管電泳檢測；在熒光光譜通道數量上進一步拓展，開發(fā)基于8色及以上STR擴增試劑盒的光譜校正和數據處理算法，實現更多熒光通道的數據采集分析；在檢測速度上進一步提升，影響現有儀器檢測速度的是恒溫箱的升溫速度，采用半導體制冷片加熱從室溫升到60℃大約需要20min，約占整個檢測時間的一半左右，采用最新柔性電加熱器件如碳纖維、石墨烯等[11]，可以將恒溫箱升溫時間減少到2min以內，整個檢測時間可從35min減少到20min。

（二）自動化水平的提升

目前遺傳分析儀生成的原始數據必須通過二級分析軟件進行分析，需要人工干預并處理，未來的發(fā)展方向是整合數據采集軟件與分析軟件于一體，結合人工智能技術自動完成數據分析，在上樣前設定分析參數后自動分析結果，僅需人工最后審核即可。同時隨著實驗室管理系統（LIMS）的快速發(fā)展，需要開發(fā)相應的系統接口模塊將遺傳分析儀接入

LIMS，主要實現樣品表單導入、運行狀態(tài)監(jiān)控、分析結果上傳、任務管理、用戶管理、質控管理等功能，LIMS系統可通過相應的模塊查看檢測任務、掌握任務執(zhí)行情況、跟蹤樣品檢測進度、查看檢測結果、對樣品進行全過程監(jiān)控，同時記錄實驗過程數據以便進行問題溯源，提升實驗室人員的工作質量和效率以及實驗室的管理水平[12]。

（三）一體化DNA快速檢驗設備

整合法醫(yī)DNA檢驗的提取、擴增、檢測環(huán)節(jié)于一體，結合微流控芯片加工技術，研制一體化DNA快速檢驗設備。目前僅有美國IntegenX公司的RapidHIT 200（8通道）和美國ANDE公司的DNAScan（6通道）兩款商業(yè)化產品，上述產品與傳統毛細管電泳儀相比，存在檢測成本高、通量低等缺點，難以進行大范圍推廣應用。公安部第一研究所自主研發(fā)了固體激光器結合光纖分光和微流控芯片加工技術[5]，為國產DNA快速檢驗設備突破技術瓶頸，研制出高通量低成本的DNA快檢設備提速。DNA快速檢驗設備對人員、環(huán)境等要求較低，在緊急重特大事故處理和快速檢測方面應用前景廣泛，在研的國產快檢設備用時短、速度快、成本低，將進一步降低DNA檢測技術門檻，使DNA檢測技術在更大范圍內得到普及應用。

（四）車載移動DNA實驗室

國產儀器以固體激光器和分光光纖作為熒光激發(fā)和激光傳輸的核心部件，能夠有效避免傳統光學系統因震動造成的光路偏移，通過在高原地區(qū)進行國產核酸提取儀、擴增儀及遺傳分析儀的200千米車載移動實驗[13]，驗證了采用國產設備設計車載DNA實驗室的可行性。

五、結語

近年來我國高度重視精密儀器的創(chuàng)新發(fā)展，鼓勵核心儀器裝備的自主研發(fā)，面對起步晚、理論創(chuàng)新不足、核心零部件受制于人等困難，國產DNA遺傳分析儀經過十幾年的持續(xù)發(fā)展，突破了種種困難，打破多項技術壟斷和封鎖，研發(fā)形成了諸如光纖傳輸、反射式光柵分光、熒光光譜預處理算法、嵌入式測控系統等核心技術，累計獲得40余項專利，保證了關鍵核心技術的自主可控，完成了從跟跑到并跑的質變，走出了一條產、學、研、用緊密結合的自主創(chuàng)新之路。

國產DNA遺傳分析儀是公安部第一研究所貫徹落實公安部黨組“科技強警”戰(zhàn)略要求，是以科技創(chuàng)新服務實戰(zhàn)、支撐實戰(zhàn)的典范，自產品應用以來，在打擊犯罪活動中效果顯著，取得了明顯的經濟效益和社會效益，公安部第一研究所將進一步加大科研投入力度，緊密結合公安一線實際需求，持續(xù)不斷推出更多滿足實戰(zhàn)要求的新產品，促進我國法醫(yī)DNA檢測技術的健康發(fā)展和普及應用。