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

———THz-PCR技術(shù)在法醫(yī)檢測中展現(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(TeraHertz,太赫茲)是波動頻率單位之一，指頻率在0.1~10THz(波長為3000～30m)范圍內(nèi)的電磁波。二者結(jié)合起來的THz-PCR是一種創(chuàng)新型的新技術(shù)，近期國科大溫州研究院PI張峰老師課題組在**工程技術(shù)-材料科學(xué)類期刊ACSAppliedMaterialsInterfaces雜志上發(fā)表了題為"THz-PCRBasedonResonantCouplingbetweenMiddleInfraredandDNACarbonylVibrations'的文章，研究探討了基于中紅外線與DNA羰基振動共振耦合的THz-PCR。

背景介紹：

生物大分子的旋轉(zhuǎn)和振動能級落在太赫茲（THz）波的能量范圍內(nèi)，而太赫茲波又可以通過共振耦合方式與生物分子相互作用。在過去的幾十年里，THz技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來，通過光譜成像來區(qū)分正常組織和癌癥組織，例如，通過監(jiān)測DNA甲基化的分子共振指紋圖譜來早期診斷癌癥細(xì)胞。在過去幾年中，太赫茲（THz）的應(yīng)用對生物醫(yī)學(xué)、人工智能甚至事發(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)十分鐘的照射過程中不會對角膜組織、焦點細(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)隊的合作者使用53.53THz激光通過與離子通道中羰基的相干共振耦合來操縱鉀通道，實現(xiàn)了神經(jīng)信號的可逆無創(chuàng)調(diào)節(jié)。還有其他論文報道，35.2THz的輻射可以與DNA堿基的振動共振，并引發(fā)氫鍵斷裂，這反過來糾正了DNA雜交的錯配率，提高了折紙結(jié)構(gòu)的產(chǎn)率。為了了解太赫茲輻射對其他生命活動的量子效應(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)隊選擇了53THz激光，以實現(xiàn)中紅外線和DNA羰基之間的振動強(qiáng)耦合（VSC），并探究了它對體外DNA復(fù)制（如PCR反應(yīng)）的影響。

實驗方法：

準(zhǔn)備好實驗用的DNA和其它相關(guān)檢測試劑、試劑盒等，然后進(jìn)行PCR擴(kuò)增反應(yīng)，PCR實驗在柏恒科技PCR儀上進(jìn)行（Q3200，Bio-Gener）。PCR程序包括以下兩個階段：第一階段之前是95C下30秒的預(yù)變性過程，然后是八個循環(huán)，每個循環(huán)包括95C的變性過程5秒和62C的退火過程20秒。此外，第二階段為30個循環(huán)，每個循環(huán)包括特殊梯度溫度和梯度時間的變性過程以及37C下的退火和延伸過程20秒。整個階段使用PCR儀（Q3200，Bio-Gener，圖S1）進(jìn)行THz輻照。

圖S1.THz-PCR體系的實際照片。將含有PCR試劑溶液（20L）的200LPCR管安裝到PCR儀中，無需關(guān)閉加熱蓋，并用53.53THz激光照射。

法醫(yī)檢測應(yīng)用：目標(biāo)蛋白編碼基因為SOX21，檢測采用THzPCR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檢測的模板。整個階段使用PCR儀（Q3200，Bio-Gener，圖S1）進(jìn)行THz照射，另一個樣品以相同的方案進(jìn)行，沒有THz照射作為對照。實驗結(jié)束后進(jìn)行結(jié)果分析。

作者研究團(tuán)隊中用到的PCR儀來自柏恒科技，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，一機(jī)兩用，產(chǎn)品功能強(qiáng)大。

實驗結(jié)果：

使用聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）作為測量手段，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)THz照射可以將DNA雙鏈體的變性溫度降低約3C，這允許在較低溫度下進(jìn)行PCR，促進(jìn)長時間擴(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，PCR的效率和