警用装备关键词H传分臟G A118-24B激光诱导魏固纖觸STR
引言
目前，全国公安机关DNA检测技术取得了飞速发展，DNA实验室数量不断增加、技术科技含量不断提高、检测能力不断加强、专业队伍不断壮大、应用范围不断扩展，DNA检测技术已经成为公安机关打击刑事犯罪、维护社会稳定的_项非常重要的常规技术手段〇DNA证据在侦查破案和刑事诉讼中发挥着越来越重要的作用，承担着越来越重要的责任，是当之无愧的“证据之王” [11。 法医遗传分析仪作为法医DNA检测不可或缺的平台和工具，基于激光诱导荧光检测的STR复合扩增技术，通过多通道毛细管电泳和以CCD为核心的光电检测系统实现自动化、高速、高通量的STR片段分析，属于目前应用最广泛、技术最成熟的主流技术，符合我国公安系统法医DNA分析现状，最能满足公安系统的业务需求H。 在“十一五”期间，公安部第一研究所联合公安部物证鉴定中心首次研发完成了 GA118-16A型法医DNA检测平
台、配套的软件及凝胶等系列消耗品，形成了我国法医DNA检测仪器、软件与试剂、消耗品的全面配套，进一步
完善了法医DNA领域的自主研发体系，终结了这一领域长导线分流器
期依赖国外产品的历史。同时降低了检验成本，使全国不同
bbzs
地域的实验室都用得起、用得上法医DNA新技术111。
但是，全国公安机关DNA检测技术飞速发展，法医DNA检测平台的需求不断增大，性能更好、检测通量更高
已经成为公安一线DNA检测的新需求。面对市场新需求，
公安部第一研究所成功研制了国内首台满足24通道毛细管
阵列电泳的法医遗传分析仪，如图1所示，型号GA118-
24B。该遗传分析仪采用单波长固M寿光纤分束激光器作
为激发光源，基于激光诱导-荧光检测和STR复合扩增技术，可同时分析24个样品，在片段长度在500bp时平均每
组运行时间35min,24小时检测通量不低于936个样品，足
以满足各种DNA实验室需求。特别针对法医DNA鉴定应用
同步相量测量装置olice echnology 2019年1月
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图1
GA 118-24B 型法医遗传分析仪
的STR 片段分析进行了专门设计：优化数据质量、简单易用 的系统操作与维护、24小时无人监守自动运行、与DNA 数 据库的无缝衔接和长期运行的高可靠性设计极大提高了法医 鉴定的工作效率，降低了分析成本。
作为刑侦及司法鉴定等领域的重要仪器装备，GA 118- 24B 型遗传分析仪将呈现可靠的DNA 检测数据，为司法公正 及打击犯罪樹贿力的支持和保障。
—、系统设计
GA 118-24B 型法医遗传分析仪主要包括基于固体激光
器和光纤分束的24通道毛细管用激光诱导荧光光电检测系 统、自动进样系统、恒温箱、注胶系统、嵌入式中央测控系 统和配套的上位机数据采集软件。
24通道激光诱导荧光检测系统采用正交型双光路激发 模式，系统原理如图2所示。505nm 单波长激光器1通过光 纤传输，采用光会扮束器2进册光，分光后分别S A 准直 镜头3和4，然后分别经过反射镜5、会聚透镜7和反射镜
6、会聚透镜8，会聚到被激发系统（毛细管阵列检测窗
口）9，被激发物质吸收激光能量后，能级跃迁发出荧光或 拉曼光，经过分光系统（由准直透镜组10、分光元件（如 光栅等）11、成像透镜组12等三部分组成）分光，不同波 长的光谱按照空间位置分离，聚焦成像到光电传感器（面阵
CCD ) 13上，经光电转化后，获得一定信噪比的电信号，
传输到后端系縱紐析舰。
图2 24通道激光诱导荧光检测系统原理图
固体激光器与GA 118-16A 型遗传分析仪中使用的氩离 子气体激光器相比，功率达到原来的2倍，寿命达2.4倍， 功耗仅为原来的1/138，体积1/60，重量1/20，大大减小了
遗传分析仪光学系统体积，提高系统便携性、可靠性和使用
寿命，更加节能环保。激发光路通过研究固体激光器与光纤束高效轉合，采用光瓶細专输，并采用光紐束器 对激光进行精确的分束，使得上下两束激光的能量tb «精确 地达到1:1，使上下光路激发效率更加均匀，弥补了
GA 118-16A 遗传分析仪中采用的半反半透镜分光带来的上
下两路能量不一致的问题。同时，光乡M 入的方式减少了原
GA 118-16A 产品中裸露镜片的使用，弥补了设备长时间使
用由于镜片裸露造成镜片落灰和水汽引起的激发效率降低的 问题，进一步提高了激发效率，便于系统调试和维护。
针对24通道毛细管的大通量检测需求，在分光系统中 研制了用于24通道毛细管阵列荧光光谱信号收集和成像的 宽视场角、大相对孔径消像差的光学镜头和适用于固体激光 器的长波通截止滤光片，通过光棚进行光谱展开完成荧光光 谱成像光路的设计。
CCD 是荧光光谱检测的关键部件，由于检测的毛细管
数量增加，为保证微弱荧光信号的有效采集，24通道法医 遗传分析仪中采用了滨松公司研制的多相位内嵌的基于
FFT-CCD ( Full Frame Transfer-CCD )的薄型背照式全帧
一叶荻转移阵列图像传感器S 7171-0909。该面阵CCD 是专门针对 低光度检测的科学应用而设计，其有效像素面积为24nm x 24|um ，图像面积为 12.288 ( H ) x 12.288 ( V )，512 x 512像素，不仅对紫外线及近红外线有较高的灵敏度，而且 在高精度测量的情况下能够得到稳定的光谱响应曲线，通过
使用像素合并（Binning )方法可用作具有大孔径长程检测 功能的图像传感器，适用于DNA 检测和光谱分析。与常规 通过外部电路添加数字信号的方法相比，像素合并 (Binning )方法在信噪比和信号处理速度方面有明显改
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月
善。S7171有低噪声和低暗电流雜点（多相位内嵌操作模式），这些特点保证了微弱光检测的能力以及较长的响应时间和较宽的动态范围〜针对24通道光谱信息并行采集，系统设计了光谱信号采集时采用像素合并（Binning )模式、空间定位信号采集时采用阵列扫描模式的双工作模式，开发了配套的面阵CCD驱动时序：首先对24通道毛细管阵列所
激发出的微弱荧光光谱图像通过CCD长时间曝光进涵贞采集，确定毛细管阵列各个通道的光谱图像在CCD像面上的空间位置。然后将这麵确到像素水平的空间健参髓入到产生CCD驱动时序的DSP芯片，其内部的嵌入式软件据空间位置参数来确定“Binning模式，，下CCD芯片工作时序，在“Binning模式"下，CCD通过定制的驱动时序对道微弱荧光光谱有针对性地进於并a u m
这样有效提高了信号灵敏度，大大降低了需要传输的数据量。
由于光路系统中采用固体激光器作为激发光源，大大减少了整套光路系统的体积，为仪器的小型化提供了较大的空间。对比GA118-16A型产品，24通道法医遗传分析仪的结构重新布局，相应的整鹏构、十I S箱'进雛挪系统、毛细管阵列固定支架等都要进行重新设计和功能改进。同时，结合GA118-16A型产品的运行模型，通过大量实验，摸索出不同类型凝胶和试剂盒组合适应于24通道遗传分析仪的运行模型，进一步优化配套数据采集软件的鲁棒性、可视化，使实验结果更加准确、稳定，操作更加人
性化，满足用户所需。
二、实验獅
(—)主要仪器和试剂
GA118-24B型遗传分#H义；台式离'M U S IG M A); PCR仪（9700型，Thermo Fisher公司）〇
Identifiler™Plus扩增试剂盒；GlobalFiler™扩增试剂盒；Genescan™-500LIZ;Genescan™-600 UZ;DS-33突光标准物；DS-36荧光标准物；P0P4凝胶（以上，Thermo Rsher公司）。甲酷胺；电泳缓冲液。
(二）结果
1.空间校正
如图3, GA118-24B型遗传分析仪毛细管空间校正图谱显示：24道毛细管阵列分布均匀；每道毛细管峰高类似，且均有一^单一尖峰；峰位置标记正确，无错位i见象；相邻位置之间的差均在15~16像素。结果表明：GA118-24B型遗傲碰可以咖创建空间校准文件。
图3 GA118-24B型遗传分析仪空间校正图
2.光谱校正
采用DS-33和DS-36荧光标准物分别在GA118-24B型
遗传分^$(±进槪谱舰。
结果如图4、图5所示，各通道毛细管中光谱谱图出峰
顺序正确，不含大范围交迭、倾斜等不规则现象，质量数
均大于0.95。结果表明：在GA118-24B型遗传分析仪上成
功创建了 DS-33和DS-36光谱校正文件，即可成功创建五
、六光谱校正矩阵模型，为STR检测提供必要的条件
基础。
图4 DS-33光谱校正图
图5 DS-36光谱校正图
3■雛样品麵
按照使用说明书，分别以Idenffiler™Plus试剂盒和Gbblefiler™试剂盒中的Allelic Ladder和相应的内标Genescan™-500 UZ、Genescan™-600 UZ作为标准样品，
在GA118-24B型遗传分析仪上进行电泳检测，通过GeneMapper®ID-X分型软件进行分析。分析结果如图6、图
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7所示。分析结果显示：Identifiler ™ Plus 试剂盒中Allelic Laddei •的16个基因座（含性别基因座）和Globlefiler ™试剂盒
中Allelic Ladder 的24个STR 基因座（含性别基因座）各等位 基因分型准确，未出现片段丢失现象；Genescan ™-500
UZ 、Genescan ™-600 LIZ 中各片段大小准确、完整。其中 Identifiler ™ Plus 试剂盒的Allelic Ladder 中TH 01 基因座的9.3、
10等位S 因和Globlefiler ™试剂盒的Allelic Ladder 中 D 2S 441 基 因座的11.3、12等位基因、TH 01基因座的9.3、10等位基 因、D 1S 1656基因座的14.3、15等位S 因、15.3、16等位* 因和16.3、17等位基因、D 12S 391基因座的19.3、20等位基 因均相差1bp 。GA 118-24B 平台针对这些仅相差1bp 的等位 基因均能够准确分辨，且峰型良好，表明GA 118-24B 平台 对1bp 长度差异的DNA 片段具有良好的分辨能力，见图8、 图沪。
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'liminilmjij ,'边如从 1
图6
Identifiler ™ Plus 试剂盒Allelic Ladde 汾型图谱
图7
Globlefiler ™试剂盒Allelic Ladder 分型图谱
图8
Identifiler ™ Plus 试剂盒TH 01基因座中相差1bp 的等位基因图谱
gtem小室
图 9
Globleliler ™试剂盒D 2S 441 基因座、T T H 01 基因座、D 1S 1656
基因座、D 12S 391基因座中相差1bp 的等位基因图谱
4.阳性对照的STR 分型准确性检测
以9947A 为模板，利用Identifiler ™ Plus 试剂盒进行扩 增，将扩增产物在GA 118-24B 法医遗传分析
仪上进行电泳 检测，利用GeneMapper ® ID -X 分型软件进行分析。9947A 的STR 分型图谱如图10所示：9947A 分型图谱完整，S T F !基 因座等位基因分型准确，无片段丢失的现象。
三'结论
国产24通道法医遗传分析仪采用单波长固态长寿光纤 分束激光器作为激发光源，基于激光诱导-荧光检测和
STR 复合扩增技术，可同时分析24个样品，满足24通道毛
细管阵列空间校正功能需求，能够成功创建五、六光谱 校正矩阵模型，完成五、六荧光试剂盒STR 分型，分辨 力达到1 bp ，可用于法庭科学的案件检验和数据库建设。
24通道法医遗传分析仪的研制将进一步满足我国一线 公安系统法医DNA 检测实验室的分析要求，向科技要警 力、要战斗力，节约不必要的运行维护成本、耗材制备成 本、时间人力成本，充分发挥法医DNA 检验技术在打击犯 罪中的作用，完善我国DNA 检测技术支撑体系，增强国产 法医遗传分析仪的市场竞争力，进一步提升我国法医
DNA 事业的自主创新能力，优化对公安一线的行业支撑和
资源保障能力，对推动我国法医DNA 技术的发展和DNA 数 据库酿具有付重要的战略意义，必将产生可观的社会效 益与经济效益
参考文献金属粘合剂
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