THz-PCR技术在法医检测中展现应用前景

PCR（聚合酶链式反应）是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术，应用十分广泛，而THz(Tera Hertz,太赫兹)是波动频率单位之一，指频率在0.1~10 THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波。二者结合起来的THz-PCR是一种创新型的新技术，近期国科大温州研究院PI张峰老师课题组在美国工程技术-材料科学类期刊ACS Applied Materials & Interfaces杂志上发表了题为“THz-PCR Based on Resonant Coupling between Middle Infrared and DNA Carbonyl Vibrations”的文章，研究探讨了基于中红外线与DNA羰基振动共振耦合的THz-PCR。

背景介绍：

生物大分子的旋转和振动能级落在太赫兹（THz）波的能量范围内，而太赫兹波又可以通过共振耦合方式与生物分子相互作用。在过去的几十年里，THz技术已经发展起来，通过光谱成像来区分正常组织和癌症组织，例如，通过监测DNA甲基化的分子共振指纹图谱来早期诊断癌症细胞。在过去几年中，太赫兹（THz）的应用对生物医学、人工智能甚至军事发展等重要领域都产生了重大影响。由于THz能量远低于化学键活力，功率低于mW/cm2的THz电磁波在数十分钟的照射过程中不会对角膜组织、焦点细胞、视网膜神经节细胞、皮肤成纤维细胞和脱氧核糖核酸（DNA）造成破坏性伤害，这保证了THz照射的安全应用。作者研究团队的合作者使用53.53THz激光通过与离子通道中羰基的相干共振耦合来操纵钾通道，实现了神经信号的可逆无创调节。还有其他论文报道，35.2 THz的辐射可以与DNA碱基的振动共振，并引发氢键断裂，这反过来纠正了DNA杂交的错配率，提高了折纸结构的产率。为了了解太赫兹辐射对其他生命活动的量子效应，特别是那些最重要的生化反应，例如DNA复制，作者研究团队选择了53THz激光，以实现中红外线和DNA羰基之间的振动强耦合（VSC），并探究了它对体外DNA复制（如PCR反应）的影响。

实验方法：

准备好实验用的DNA和其它相关检测试剂、试剂盒等，然后进行PCR扩增反应，PCR实验在柏恒科技PCR仪上进行（Q3200，Bio-Gener）。PCR程序包括以下两个阶段：一阶段之前是95°C下30秒的预变性过程，然后是八个循环，每个循环包括95°C的变性过程5秒和62°C的退火过程20秒。此外，第二阶段为30个循环，每个循环包括特殊梯度温度和梯度时间的变性过程以及37°C下的退火和延伸过程20秒。整个阶段使用PCR仪（Q3200，Bio-Gener，图S1）进行THz辐照。

图S1.THz-PCR体系的实际照片。将含有PCR试剂溶液（20μL）的200μL PCR管安装到PCR仪中，无需关闭加热盖，并用53.53 THz激光照射。

法医检测应用：目标蛋白编码基因为SOX 21，检测采用THz PCR和常规PCR。首先将血染纸切成小块，浸泡处理后将上清液直接用作PCR检测的模板。整个阶段使用PCR仪（Q3200，Bio-Gener，图S1）进行THz照射，另一个样品以相同的方案进行，没有THz照射作为对照。实验结束后进行结果分析。

作者研究团队中用到的PCR仪来自柏恒科技，Q3200荧光定量PCR仪是柏恒科技创新研发的一款仪器产品，双槽设计，一机两用，产品功能强大。

实验结果：

使用聚合酶链反应（PCR）作为测量手段，研究团队发现THz照射可以将DNA双链体的变性温度降低约3°C，这允许在较低温度下进行PCR，促进长时间扩增反应而不损失酶保真度。与正常加热相比，THz照射可以显著减少DNA杂交，双链DNA（dsDNA）解链变得更容易和更快。同时，PCR的效率和目的DNA的产率都得到了提高。

基于上述研究，研究团队发现THz PCR作为一种创新的DNA扩增技术，具有超高的特异性和敏感性，并成功地证明了其在法医检测中的优势。柏恒科技Q3200 荧光PCR仪在研究中发挥重要作用。