法醫(yī)DNA檢測平臺的研究進展與比較研究

程　力

(太原警官職業(yè)學院實驗處，山西 太原 030032)

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法醫(yī)DNA檢測平臺的研究進展與比較研究

程力

(太原警官職業(yè)學院實驗處，山西 太原 030032)

摘要：現(xiàn)代科學技術帶動了DNA檢測技術在法醫(yī)領域的不斷發(fā)展.以目前世界上比較先進的三個DNA檢測平臺為例，探討法醫(yī)DNA檢測平臺的研究與應用.每項技術有其優(yōu)缺點，在實際的法醫(yī)DNA檢測中，要靈活地選用檢測平臺，以促進工作的順利開展.

關鍵詞：DNA檢測；生物特征；刑事證據(jù)；鑒定

近幾年來，中國社會刑事犯罪率不斷上升，造成極緊張的社會氛圍.加強刑事案件偵破手段，成為現(xiàn)在依法治國的重要內(nèi)容.DNA檢測技術作為一項能夠準確識別生物特征的技術，為法醫(yī)學鑒定提供了科學的依據(jù)，因此也成為現(xiàn)代最重要的刑事技術手段.

我國刑事偵破對DNA檢驗技術的應用是逐年遞增，截至2015年，公安機關在辦案實踐中，利用DNA檢測技術識別70余萬涉案人員，認定81萬余起各類刑事案件，另外鑒定被拐賣、失蹤兒童4900人.DNA檢測技術的引用，嚴厲打擊了刑事犯罪，極大維護社會穩(wěn)定.因此一直得到世界法醫(yī)界的重視.尤其是對法醫(yī)DNA檢測平臺研究與應用，各國都設立專門的研究組織與部門，縱向挖深DNA檢測技術.以美國為主的發(fā)達國家，不斷推出新的DNA檢測技術，比如新款ABI3500遺傳分析儀、采用微流控技術快速DNA檢測儀以及NGS新一代(二代、三代)測序平臺等.二代測試平臺已經(jīng)在發(fā)揮重大的法醫(yī)DNA檢驗作用.公安部在“十一五”中首次使用我國成功研發(fā)的首臺法醫(yī)DNA檢測平臺，打破了國外技術壟斷.隨后的“十二五”“十三五”期間，警察機關緊跟國際水平，引領我國法醫(yī)DNA檢測平臺研究與應用.

1GA118系列法醫(yī)DNA遺傳分析儀的研究發(fā)展

(1)在2012年左右，美國FBI CODIS把STR位點從 13個增加到20個，利用六色熒光光譜處理技術，提升了識別個體與親緣復雜關系的能力[1].基于新增的STR位點檢測，公安部法醫(yī)研究所也開始對GA118系列法醫(yī)DNA遺傳分析儀的光譜分析技術進行升級研究，校正空間、光譜，優(yōu)化STR數(shù)據(jù)的預處理與質(zhì)量評價流程.從五色增加到六色的技術算法系統(tǒng)，相應增加同個電泳通道能夠檢測的顏色.因此六色熒光屏技術對于DNA檢測技術的綜合發(fā)展具有重要意義，體現(xiàn)軟硬件與試劑耗材性能的良好結合.六色熒光光譜處理技術工作有四個環(huán)節(jié)：1)依據(jù)需要檢測樣本，選擇、設計具有六色試劑體系STR工作模型，規(guī)劃DNA檢測平臺階段程序的動作程序；2)參照六色試劑燃料情況，查找光譜分布矩陣，分析逆運算，并使用事前算法校矩陣；3)發(fā)送命令集，儀器硬件平臺接收后，對六色STR數(shù)據(jù)進行采集，并依據(jù)實時基線進行校正處理；4)對STR數(shù)據(jù)進行綜合檢測，全面分析處理文件信息、光校正信息、樣本信息、運行信息等，將含有六色試劑DNA數(shù)據(jù)信息以FID、ABIF的數(shù)據(jù)格式輸送出來.

依照上面步驟進行DNA 測試，最終得出，六色DNA熒光光譜中的數(shù)據(jù)信息，是可以被GA118系列法醫(yī)DNA遺傳分析儀準確采集.并通過光譜矩陣建模，精確分析STR熒光光譜.利用分析儀呈現(xiàn)出六色熒光光譜的情況，實現(xiàn)識別個體生物特征與復雜的親緣關系.

(2)DNA遺傳信息庫的規(guī)模不斷擴充龐大，DNA數(shù)據(jù)對于刑事偵查的作用也在不斷加大.一系列中高通道系列的DNA遺傳分析技術應運而生，PCR體系就是其中一例.PCR體系的初衷就是為減少在龐大的DNA數(shù)據(jù)庫中的檢測時間.為處理這項難題，公安部法醫(yī)研究所以16通道毛細管電泳DNA遺傳分析儀為技術基礎，創(chuàng)新研究24、96中高通道法醫(yī)DNA遺傳分析儀.如果說GA118系列的16A法醫(yī)DNA遺傳分析儀是技術與材料的綜合，24、96中高通道法醫(yī)DNA遺傳分析儀則是系統(tǒng)的綜合，引進激光誘導技術，構建熒光檢測系統(tǒng)，并且對進樣、恒溫、數(shù)據(jù)輸送與處理等系統(tǒng)，都進行一定的更新，整體性提高了遺傳分析儀技術.以GA118-16A為原型，24、96中高通道遺傳分析儀器，使用小體積、低耗能、壽命更長的固體激光器，淘汰了氬離子氣體激光器，提高激光傳輸系統(tǒng)的工作效率.熒光光譜檢測系統(tǒng)上，長波通濾光片具有大視野場角，準直孔徑更大，可以鏡頭成像，配備512*512制冷CCD，保證技術的均勻性，可以檢測寬光譜范圍熒光光譜；恒溫系統(tǒng)上，引進格柵與3D均勻循環(huán)恒溫技術，優(yōu)良創(chuàng)新風道設計，提高熱傳導與溫控系統(tǒng)的工作效率，實現(xiàn)了體積增大、靈敏度提高的系統(tǒng)目標；在STR數(shù)據(jù)軟件系統(tǒng)上，利用先進CCD驅(qū)動時序電路設計，采用嵌入式電路設計，完善CCD數(shù)據(jù)采集電路，強化采集與傳輸空間、數(shù)據(jù)的方法，對空間、光譜、STR數(shù)據(jù)采集算法進行更加嚴格地校正.因此，從整個系統(tǒng)上進行分析，24、96中高通道遺傳分析儀具有全面的改進，盡管現(xiàn)在這兩種DNA檢測平臺在法醫(yī)實踐中并未正式使用，但是24通道DNA遺傳分析儀已經(jīng)完成原樣試機，96DNA遺傳分析儀則正在進行系統(tǒng)調(diào)試.

(3)DNA遺傳分析儀只是在技術層面完成了DNA數(shù)據(jù)檢測工作，對于數(shù)據(jù)的分析，另外還有評判專家系統(tǒng).與GA118系列法醫(yī)DNA遺傳分析儀同步發(fā)展起來，DNA遺傳數(shù)據(jù)評判專家分析系統(tǒng)與其同軌而行，緊密相連，也是刑事偵查員分析DNA遺傳信息數(shù)據(jù)的平臺.DNA遺傳信息數(shù)據(jù)評判專家系統(tǒng)，直接得出DNA遺傳信息的結論，常用在法醫(yī)與鑒定親緣關系、染色體與DNA異常診斷、SNP分裂等方面.但是，我國DNA遺傳數(shù)據(jù)評判專家分析系統(tǒng)起步相對較晚，在國家“十一五”期間，公安部物證鑒定中心開始研究DNA分析技術，取得良好成就.

公安部法醫(yī)研究所加深研究六色試劑DNA數(shù)據(jù)分析技術，核心部分有：Ladder分型參照系建立方法、DNA分型質(zhì)量評價方法、SIZE內(nèi)標的定標方法與DNA分型質(zhì)量評價方法，分別取得重大的研究成果.以相關試劑體系為基礎，完善六色Ladder分型參照系，在技術上實現(xiàn)定長DNA片段，提升基因分型數(shù)據(jù)處理技術.

在六色試劑SIZE定標上，GA118系列遺傳分析儀建立了完整的六色光譜數(shù)據(jù)的Size基線調(diào)整、譜峰識別、標準譜峰序列匹配、SIZE定標、SIZE質(zhì)量評價流程；在Ladder分型參照系上，GA118系列遺傳分析儀基于Panel、Marker、Bin參考數(shù)據(jù)，重構了六色試劑體系Panel、Marker、Bin，實現(xiàn)了實際六色試劑體系的Ladder譜峰位置和參考Ladder位置的正確匹配；在DNA樣本分型上，GA118遺傳分析儀采用前面步驟生成的六色Ladder分型參照系，成功實現(xiàn)了9947標準品和實際DNA案件樣本的STR分型，在技術上實現(xiàn)六色熒光光譜試劑體系的DNA片段定長和基因分型數(shù)據(jù)處理.

2微流控快速DNA分析儀的研發(fā)

法學證據(jù)的搜集比較重視及時性與現(xiàn)場性，這促使發(fā)達國家研發(fā)新的DNA檢測平臺，以微流控技術為基礎研發(fā)的DNA檢測儀即是最好平臺.美國IntegenX公司研發(fā)的RapidHIT 200就是利用微流控研發(fā)出的具有代表性的DNA檢測儀器.

RapidHIT 200結合MOVe流體集成技術與流控芯片，更迅速地處理血拭子樣品與咽拭子.利用一次性的芯片匣，該系統(tǒng)可單次以對4-8個拭子樣品進行處理，在90分鐘內(nèi)生成CODIS兼容的結果.整機相對緊湊，重量約為81.5kg，尺寸為48cm×73cm×71cm.樣品細胞在芯片上進行裂解后，使用磁珠對其中的DNA進行提取和純化，完成STR位點擴增，最終產(chǎn)物在芯片外的毛細管進行電泳分離.

進行驗證測試時，美國 GE和Netbio公司合作的DNAScan系統(tǒng)測試結果，相比RapidHIT更加接近.BioChipSet匣不僅整合了樣品提取和擴增用的微流控芯片，也集成了毛細管電泳芯片.

對于快速DNA 檢測系統(tǒng)的設計，公安部也利用微流控技術加大對其研究，設計版塊主要有四個：樣品處理、分離、檢測、分析.利用微流控技術處理樣品，與原來DNA檢測系統(tǒng)大不相同，也是整個DNA檢測系統(tǒng)的核心部分.輸入系統(tǒng)樣本為拭子，快速裂解細胞、提取DNA、擴增位點、檢測分離，最后輸出STR位點的數(shù)據(jù)信息.選擇樣本數(shù)目在5至16個之間.既可以滿足實際需要，又能節(jié)約儀器成本.

處理模塊具備核心的微流控芯片，在設備配套上也比較齊全，包括氣壓、溫度控制系統(tǒng)與樣品儲存系統(tǒng).使用塑料芯片就可以，既方便加工，又可降低成本，常用的是聚丙烯、共聚物、環(huán)烯烴聚合物.芯片當中有液體與氣體管路，具有多層化，以氣路的正負電壓控制閥門開閉，實現(xiàn)流體控制技術.進行毛細血管電泳時，以高壓電源與溫控原件實現(xiàn)快速的溫度控制，制造緊湊的儀器體積環(huán)境，縮短分離時間.

拭子上的細胞經(jīng)過充分的裂解后，使用磁珠或者硅膠柱進行分離純化，洗脫后進行若干個STR位點的多重PCR擴增.芯片上的PCR擴增的體積通常不超過10μL，方便實現(xiàn)快速的變溫.同時選用快速的PCR酶，最終將傳統(tǒng)的超過2個小時的PCR反應縮短到30分鐘內(nèi).擴增產(chǎn)物在分離系統(tǒng)中進行毛細管電泳.

3NGS新一代DNA測序儀

在法醫(yī)學應用上，NGS新一代測序技術可謂大展手腳，在近幾年迅速發(fā)展起來，同時被法醫(yī)界稱為“深度測序技術”，“第二代測序技術”.

NGS新一代測序技術近幾年的應用領域非常廣，其擺脫傳統(tǒng)電泳的技術，具有高通量的技術特點.相比上一代，NGS新一代測序技術邊合成邊測試的工作方法，可以對DAN數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，避免操作時間過長出現(xiàn)過度變化的情形.其中，具有代表性的包括基于焦磷酸測序的454 測序技術(檢測化學發(fā)光) ，Ion Torrent測序技術(檢測微小的pH 變化)，基于連接酶測序的SOLiD技術和Complete Genomics技術，基于單分子聚合酶延伸過程檢測的Helicos技術 和PacBio技術以及目前占據(jù)最主要地位的基于熒光標記和可逆保護集團的聚合酶延伸的Illumina/Solexa技術[2].這些技術大大提高測序通量和速度，同時顯著降低了測序成本.這些技術不僅在醫(yī)療和生命科學研究得到了應用，也在法醫(yī)鑒定，農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)育種，現(xiàn)代生物育種等方面發(fā)揮了重要作用.

NGS新一代測序技術一直是法醫(yī)學領域關注的焦點.至2015年9月，相關的學術研究數(shù)量十分多，PubMed檢索的國際學術論文數(shù)量已經(jīng)達到200多篇.美國產(chǎn)業(yè)界一直非常重視對NGS新一代測序技術的研究，不斷對DNA檢測平臺進行創(chuàng)新，增長法醫(yī)試劑盒，增加DNA檢測的初始量，達到100pg～1ng，能夠檢測231個STR位點[3].

這項技術很好地適應偵查機關對刑事證據(jù)偵查的要求，在辨別與分析當事人DNA數(shù)據(jù)上及時便捷.因此法醫(yī)學領域的關注度非常高.許多DNA技術發(fā)明公司，也在不斷地加大對其研究與開發(fā)，發(fā)明出不同系統(tǒng)的檢測系統(tǒng)，不過也遇到了一些相應問題.然而，不論怎么說，NGS新一代測序技術代表著一個發(fā)展趨勢.

NGS新一代測序技術的不同系統(tǒng)各有優(yōu)劣，共同推動了基于NGS新一代測序技術在法醫(yī)學上的應用.這類NGS新一代測序平臺具備強大的DNA測序數(shù)據(jù)生產(chǎn)能力，采用多重測序的辦法提高DNA測序質(zhì)量，在法醫(yī)學應用上可給出更加豐富的DNA序列信息，在降解DNA分型、復雜混合樣本解析、復雜親緣關系鑒定、表型推斷等法醫(yī)DNA應用領域具備優(yōu)勢.同時，NGS新一代測序技術在法醫(yī)DNA領域廣泛應用還要面臨一些挑戰(zhàn)：1)基于NGS新一代測序技術的法醫(yī)DNA檢測平臺儀器、試劑耗材還非常昂貴，需要進一步降低成本；2)基于NGS新一代測序技術的法醫(yī)DNA檢測平臺產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常大，相關數(shù)據(jù)信息處理需要較強大的計算能力，存儲和管理需要更多的硬件支持[4].

4結語

法醫(yī)DNA檢測平臺在科技發(fā)展形勢中，肯定還會有新的突破.盡管目前sanger測序技術是目前法醫(yī)檢測平臺的黃金標準，代表現(xiàn)在國際最高水平，但是在未來法醫(yī)領域，STR位點數(shù)量會不斷增多，sanger測序技術同樣也會面臨挑戰(zhàn).因此，要促進法醫(yī)DNA檢測平臺不斷走向完善，更好地服務于刑事證據(jù)的鑒定識別，打擊刑事犯罪，發(fā)揮現(xiàn)代技術的社會治理功能.DNA檢測技術的進一步完善，也是需要相關技術人員與廣大社會公民的不懈努力.

參考文獻：

[1] Harris T D, Buzby P R, Babcock H, et al. Single-molecule DNA sequencing of a viral genome[J]. Science, 2008, (5872):106-109.

[2] Eid J, Fehr A, Gray J, et al. Real-time DNA sequencing from single polymerase molecules[J]. Science,2009,(5910):133-138.

[3] 邱格屏.走出DNA證據(jù)的誤區(qū)——對DNA證據(jù)“不可質(zhì)疑性”的質(zhì)疑[J].福建公安高等專科學校學報:社會公共安全研究， 2001,(5):12-15.

[4] 韓瑩,趙興春,張建,等.國產(chǎn)去離子甲酰胺在法醫(yī)DNA檢測中的探討[J].刑事技術,2010,(2):22-25.

(責任編校：晴川)

Progress and Comparative Study of Forensic DNA Testing Platforms

CHENG Li

(Department of Experiment, Taiyuan Police Vocational College, Taiyuan Shanxi 030032, China)

Abstract：Modern science and technology led to the continuous development of DNA testing technology in the forensic field. Taking three advanced testing platforms in the world as examples, the paper discussed the research and application of DNA testing platforms in the forensic field. Each technology has its advantages and disadvantages.In the actual forensic DNA testing, it is necessary to utilize these testing platforms in a flexible way, so as to promote the smooth development of the work.

Key Words：DNA testing; biological characteristics;criminal evidence; appraisal

中圖分類號:D918.9

文獻標識碼：A

文章編號：1008-4681(2016)02-0017-03

作者簡介：程力(1973— )，女，山西太原人，太原警官職業(yè)學院實驗處講師.研究方向：法醫(yī)DNA檢測.

收稿日期：2016-03-04