德國耶拿：高速PCR之典范SpeedCycler2

　　摘要 本文介紹了德國耶拿分析儀器股份公司生產的高速PCR的SpeedCycler2的性能特點和應用。重點介紹了如何通過提高PCR升降溫速度，提高模塊溫度與樣品溶液溫度一致性，來極大地降低每個PCR循環的時間，從而達到提高整個PCR反應速度的目的。指出了高速PCR提高PCR 產物的特異性的可能性。同時也列舉了高速PCR在人類基因組學，長片段DNA植物基因組學，及在法庭科學等方面應用，指出了高速PCR技術為各項基因研究可能帶來的新的進步。

　　關鍵詞 高速PCR、自適應技術、軟件自控技術

　　中圖分類號TH77

　　SpeedCycler2 with Rapid PCR Technology

　　Wu Xiaoyun，Wang Zhonghua

　　(Analytik Jena China Office)

　　Abstract The specification and application of one typical rapid PCR instruments SpeedCycler2 ，made by Analytik-jena.AG, Germany, are described. It is introduced that how SpeedCycler2 increased the PCR speed by increasing the PCR ramp rate, and decreasing the temperature difference between the PCR module and sample solution. The possible increasing of PCR specificity is also introduced. Some application of rapid PCR in Human Genome, long piece DNA research in Plant Genome, and forensic are listed, and the possible progress in gene research by using rapid PCR was concluded.

　　Key words Rapid PCR; Self-Adapting Container Technology; Software Adaption Controlling Technology

　　高速PCR技術(Polymerase chain reaction：聚合酶鏈反應，即是在體外模擬體內DNA復制的過程)說起來已不是一項最新的技術，因為德國耶拿分析儀器股份公司在2003年即擁有了高速PCR技術，并據此開發出了第一代高速PCR儀SpeedCycler，而今天SpeedCycler已被新一代的SpeedCycler2所更新換代。SpeedCycler2可以說是目前面市的歷經考驗的速度最快的PCR儀，本文將對這款PCR儀的性能特點、具體應用等做一概要介紹。

　　1.SpeedCycler2主要性能特點

　　SpeedCycler2高速PCR儀具有高速、高效、高質量產物、配置靈活等多項優點，采用鍍金純銀槽和高品質帕爾帖(Peltier)控溫，升降溫速率最高可達15℃/s和10℃/s。如大家所熟知，要提高PCR反應速度，僅提高PCR儀的升降溫速度是不夠的，因為在每個PCR循環中的變性、退火、延伸溫度上的停留時間是決定PCR總耗時的另一個主要因素。ZL性的自適應技術(Self-Adapting Container Technology，SAC)實現90%以上的熱能利用率，能使常規的30s—30s—60s的PCR程序縮短為2s-2s-10s甚至更短，最快15min即可完成一個常規PCR實驗。同時由于樣品溫度在非常短的時間內能達到設定溫度，大大縮短退火時間，因此高速PCR帶來的另一個好處是可有效防止引物錯配，提高擴增產物特異性。

　　SpeedCycler2有兩大類共四種熱反應模塊供用戶選擇，配置非常靈活，并都能實現高速PCR。兩大類不同的熱反應模塊，與之相對應適用兩種不同的PCR反應耗材。一種模塊叫低緣緊湊型快速模塊(Low-Profile-Rapid，LPR，見圖2)，其特點是樣品槽淺、孔徑小、孔間距小、孔容積小，可以視為標準PCR模塊的縮小版，配套的耗材也是低緣緊湊型的超薄壁PCR板。之所以設計這樣的獨特模塊，一方面是為了實現在能量一定的前提下，通過降低單管樣品量和減少樣品管覆蓋面來提高能量的利用率，進而實現溫度的快速變化，另一方面，低緣緊湊型模塊是高速PCRZL性的核心技術之一自適應技術(Self-Adapting Container Technology，SAC)實現的前提。樣品管高度低，管內空氣受熱膨脹進而施加到管壁上的壓力大，而LP耗材管壁本身又超薄又富有彈性，這樣就可以在PCR反應過程中使樣品管壁緊密貼合在樣品槽壁上，進而大大提高熱傳遞效率，加快樣品熱量的交換傳遞，體現出高速的升降溫速率變化和短暫的溫度停留時間。

　　SpeedCycler2另一種熱反應模塊為標準型快速模塊(Standard-Profile-Rapid，SPR，見圖3)。標準型，即其模塊構型和普通PCR儀是一樣的，所使用的耗材也是通用型的PCR管或板。那么，為何用普通的PCR反應槽和耗材也能實現高速PCR呢?除了采用熱傳導性非常好的鍍金純銀槽、溫度變化快速的帕爾貼控溫部件外，耶拿公司采用了另一種實現高速PCR的核心技術，即軟件自控技術(Software Adaption Controlling, SAC)，通過軟件調節帕爾貼的加熱功率來實現用較厚管壁的PCR耗材也同樣能完成高速PCR。

　　圖4比較形象地解釋了軟件自控技術的原理，正如用薄壁鍋和厚壁鍋燒開水，在同樣量的水、同樣的火力加熱條件下，薄壁鍋把水燒開所需要的時間少于厚壁鍋，因為熱量傳遞更快，但如果我們加大厚壁鍋的火力，在更短的時間內把水燒開也是完全有可能的。所以當采用比較厚壁的PCR耗材在SpeedCycler2進行PCR反應時，我們只需通過軟件來調控儀器的加熱和制冷功率，同樣保證了樣品溫度與模塊溫度的一致性，因而能在30min內完成30個循環，從而實現高速的PCR實驗。

　　SpeedCycler2除了通過快速的升降溫和高效的熱傳遞來實現高速PCR外，還有眾多的優點來提高擴增產物的質量，提升用戶的體驗。

　　比如非常有用的SPS樣品保護技術，儀器啟動運行后，首先是熱蓋快速升溫，樣品槽溫度維持在室溫不變，直到熱蓋升溫到設定溫度比如110℃后模塊才開始升溫，這樣可以保持樣品上部的溫度一直比下部的高，樣品就不會有蒸發，即使5μL的反應體系也能得到很好的擴增效果。

　　比如可以設置溫度和時間隨著每個循環的進行而增減，像進行Touchdown PCR實驗，逐步降低退火溫度來提高擴增產物的特異性，還可以使每個循環中的延伸時間不斷增加，以彌補DNA聚合酶活力的降低，提高擴增效率。

　　再比如具有斷電自動重啟功能，一旦在PCR運行過程中斷電，儀器會自動記錄運行狀態，再次通電后PCR反應會從斷電前的最后一個循環的變性步驟開始繼續進行，這樣可以減少非特異性擴增產物。

　　SpeedCycler2有96孔、48孔、36孔等多種通量的模塊供用戶選擇，配的5.7英寸彩色觸摸操控器HID-Pro 320，基于Window CE的操作系統，界面簡潔清晰，操作方便，運行情況一目了然，具有USB、RS 232、LAN等多種接口，便于數據的傳輸存儲，同時SpeedCycler2還可以直接連接電腦使用，方便程序和結果的管理。

　　2.SpeedCycler2高速PCR應用

　　在半個小時之內完成PCR反應，對很多PCR實驗者來說是一件不可思議的事情，他們在接觸高速PCR技術時的第一反應通常是“這么快，擴增效果怎么樣?”，下面就舉幾個用SpeedCycler2來進行高速PCR的實驗例子，看看高速PCR在快速的同時還能保證非常好的擴增效率。