李英 王宇光 俞麗娟 李宇飛 公安部第一研究所

引言

精密儀器的研發(fā)與制造能力是國家高新技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，在刑事案件偵破中，DNA檢驗(yàn)、毒品理化分析、指紋假鈔識別等都離不開先進(jìn)科學(xué)儀器的支撐。高端精密儀器的研制一直是國產(chǎn)儀器的短板，也是發(fā)達(dá)國家對我國進(jìn)行技術(shù)限制的重點(diǎn)領(lǐng)域。為鼓勵國產(chǎn)儀器研發(fā)，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》明確將科學(xué)儀器創(chuàng)制列為優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略領(lǐng)域，科技部設(shè)立了重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)以提高我國科學(xué)儀器設(shè)備的自主創(chuàng)新能力和自我裝備水平[1]。公安部第一研究所自2008年承擔(dān)國家“十一五”科技支撐計劃項(xiàng)目“法醫(yī)DNA專用檢測平臺硬件關(guān)鍵技術(shù)研究”以來，一直致力于國產(chǎn)法醫(yī)DNA遺傳分析儀的研發(fā)推廣，歷經(jīng)十幾年發(fā)展形成了具有國際先進(jìn)技術(shù)水平的產(chǎn)品系列，克服了對單一國外技術(shù)的依賴，實(shí)現(xiàn)了法醫(yī)DNA檢驗(yàn)核心裝備的自主保障和安全可控[2]。本文通過梳理國產(chǎn)遺傳分析儀的研制及其在實(shí)戰(zhàn)中的改進(jìn)升級歷程，總結(jié)國產(chǎn)精密儀器研制和推廣過程中的關(guān)鍵問題和瓶頸，以期為警用技術(shù)裝備和精密儀器的國產(chǎn)化研制提供借鑒和方向。

一、法醫(yī)DNA遺傳分析儀的誕生及對我國的意義

基于毛細(xì)管電泳技術(shù)的DNA遺傳分析儀是當(dāng)前法醫(yī)DNA實(shí)驗(yàn)室的核心儀器，自1996年世界首臺單通道毛細(xì)管電泳遺傳分析儀ABI 310面世以來，已經(jīng)從單通道4色熒光技術(shù)發(fā)展到24通道6色熒光，在法庭科學(xué)DNA鑒定領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用并占有主導(dǎo)地位[2]，我國法醫(yī)DNA鑒定工作的開展長期依賴于國外儀器和試劑。為打破國外技術(shù)壟斷，公安部物證鑒定中心率先開展STR擴(kuò)增試劑的研究并最終研制出DNATyper15TM擴(kuò) 增試劑盒，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。此后，公安部第一研究所與公安部物證鑒定中心聯(lián)合承擔(dān)了國家“十一五”科技支撐計劃項(xiàng)目“法醫(yī)DNA專用檢測平臺硬件關(guān)鍵技術(shù)研究”，2010年項(xiàng)目組成功研制出我國首臺法醫(yī)DNA遺傳分析儀，命名為“GA118-16A型遺傳分析儀”[3]。GA118-16A型遺傳分析儀的研制成功補(bǔ)齊了我國在法醫(yī)DNA檢測儀器方面的短板，掌握了從儀器、試劑到配套軟件、耗材的全部核心技術(shù)并形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，徹底擺脫了對國外產(chǎn)品的依賴，是我國科學(xué)儀器領(lǐng)域取得的重大成就。

DNA檢驗(yàn)在公安機(jī)關(guān)偵查破案中發(fā)揮著重要作用，特別是近年來隨著我國治安形勢的好轉(zhuǎn)，大案要案數(shù)量明顯減少，普通盜搶騙案件卻有上升趨勢，此類案件由于犯罪嫌疑人反偵察意識的增強(qiáng)，視頻及技術(shù)偵查手段受限，現(xiàn)場脫落細(xì)胞的及時檢驗(yàn)成為破案的關(guān)鍵。我國公安機(jī)關(guān)DNA實(shí)驗(yàn)室多建在地市級，面對各區(qū)縣送檢的大量接觸DNA檢材無法做到及時檢驗(yàn)，而接觸DNA檢材對檢驗(yàn)時限要求很高，超過兩周后的檢出率會明顯降低，因此在案件高發(fā)的區(qū)縣級公安機(jī)關(guān)建立DNA實(shí)驗(yàn)室非常有必要，可以有效緩解DNA檢驗(yàn)不及時的問題。采用國外儀器試劑建立DNA實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成本、檢測成本和后期使用維護(hù)成本昂貴，普通區(qū)縣級公安機(jī)關(guān)難以承擔(dān)，GA118-16A型遺傳分析儀價格不到國外儀器的一半，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國外儀器同等技術(shù)水平，完全實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化替代，自推廣應(yīng)用以來，已在全國130多家DNA實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際案件的檢驗(yàn)，顯著提高了基層公安機(jī)關(guān)的破案效率，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

二、核心技術(shù)及同類比對

（一）核心技術(shù)

GA118-16A型遺傳分析儀工作原理如圖1所示[4]，充滿凝膠的16通道毛細(xì)管陣列置于恒溫環(huán)境中，通過電進(jìn)樣方式將擴(kuò)增后攜帶熒光染料、大小不同的DNA片段吸入毛細(xì)管，在高壓電場中進(jìn)行電泳，依靠凝膠的篩分能力將大小不同的DNA片段分離，熒光染料在毛細(xì)管檢測窗口處被激光激發(fā)，經(jīng)過準(zhǔn)直濾光、光柵分光、會聚成像到CCD上，數(shù)據(jù)采集軟件采集電泳過程中的各項(xiàng)參數(shù)及CCD信號形成原始數(shù)據(jù)文件，再經(jīng)過二級數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行結(jié)果分析。

GA118-16A型遺傳分析儀是結(jié)合我國法醫(yī)DNA實(shí)際檢測需求專門研制，采用16通道毛細(xì)管陣列，支持多達(dá)6色熒光數(shù)據(jù)采集，可實(shí)現(xiàn)24小時無人值守自動化運(yùn)行，主要包括如下核心技術(shù)：

1.正交激發(fā)

通過一系列反射鏡、半反半透鏡、波片、會聚透鏡等光學(xué)器件將一束激光分為能量均衡的上下兩路，聚焦到內(nèi)徑50m的16根毛細(xì)管陣列進(jìn)行熒光激發(fā)，保證16根毛細(xì)管得到峰形尖銳、峰高一致的拉曼峰；

2.微弱熒光采集

通過長波通截止濾光片、大相對孔徑消光差光學(xué)鏡頭、反射式光柵、制冷CCD組成的分光系統(tǒng)對激發(fā)的微弱熒光信號進(jìn)行采集，得到高信噪比的電信號；

3.精密溫度控制

對兩片半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行快速升降溫控制使電泳過程中恒溫箱內(nèi)部的溫度均勻性<1℃，溫度穩(wěn)定性<0.2℃；

4.嵌入式測控系統(tǒng)

采用多處理器嵌入式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對自動進(jìn)樣器、注膠泵、恒溫箱、激光器、高壓電源、CCD熒光采集系統(tǒng)等部件的實(shí)時監(jiān)控，與數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行通訊并接受上位機(jī)管理，完成儀器開機(jī)自檢、空間校正、光譜校正及樣品電泳等功能；

5.數(shù)據(jù)采集及處理算法

實(shí)現(xiàn)對CCD熒光數(shù)據(jù)的實(shí)時采集并對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去基線、峰識別、光譜解耦等核心算法處理，結(jié)合檢測樣本STR數(shù)據(jù)采集過程中的樣本信息、用戶信息、運(yùn)行參數(shù)、染料集、空間校正、光譜校正等信息生成原始數(shù)據(jù)文件并保存到本地數(shù)據(jù)庫[5]。

（二）同類比對

GA118-16A型遺傳分析儀與國外同類產(chǎn)品相比，主要有以下兩方面的區(qū)別：（1）GA118-16A采用氬離子氣體激光器，激發(fā)波長為488/514.5nm，國外同類儀器采用固體激光器，激發(fā)波長為505nm，二者的最大輸出功率均為25mW，在激發(fā)效率上無明顯差別，固體激光器體積更小、功耗更低、壽命更長；（2）檢測通量不同，GA118-16A采用16道毛細(xì)管陣列，單次運(yùn)行可檢測16個樣本，國外儀器有8通道和24通道兩種通量，其余技術(shù)指標(biāo)如檢測時間、分辨力、最大讀長、染料數(shù)量、檢測靈敏度等均與國外儀器相同。GA118-16A型遺傳分析儀的優(yōu)勢在于性價比高，能夠滿足經(jīng)費(fèi)不充足的區(qū)縣級公安機(jī)關(guān)的實(shí)際需求，同時采用全中文操作軟件并對界面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，簡單易學(xué)，特別適合新建DNA實(shí)驗(yàn)室人員使用。

三、發(fā)展與完善

法醫(yī)DNA遺傳分析儀涵蓋光、機(jī)、電、液、生化、算法等諸多前沿學(xué)科技術(shù)，具有極高的技術(shù)壁壘，需要長期的磨合改進(jìn)才能獲得儀器的高度穩(wěn)定性和可靠性。GA118-16A遺傳分析儀自研制成功之日起，一直通過實(shí)際應(yīng)用接受測試與檢驗(yàn)：在性能指標(biāo)方面，對儀器進(jìn)行了法醫(yī)學(xué)有效性驗(yàn)證[6]，測試了恒溫箱溫度的穩(wěn)定性、內(nèi)標(biāo)定長誤差、分型結(jié)果的準(zhǔn)確性及對不同檢材的適應(yīng)性；在與進(jìn)口儀器的比較方面，應(yīng)用案件中的血液、脫落細(xì)胞、唾液及混合樣本與進(jìn)口儀器進(jìn)行平行比對分析[7]，驗(yàn)證了GA118-16A對于不同檢材的分析能力，并提出了增加6色熒光分析能力的應(yīng)用需求；通過在高海拔地區(qū)213起案件的檢驗(yàn)，驗(yàn)證了儀器在高海拔復(fù)雜環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性[8]。

在大量應(yīng)用測試的基礎(chǔ)上，公安部第一研究所對GA118-16A型遺傳分析儀不斷改進(jìn)與完善，最新研制成功的GA118-24B型遺傳分析儀[9]，在零部件改進(jìn)、整機(jī)性能指標(biāo)提升、儀器可靠性和穩(wěn)定性的增強(qiáng)等方面均取得了明顯突破，進(jìn)一步提升了國產(chǎn)遺傳分析儀的技術(shù)水平。

（一）零部件改進(jìn)

GA118-24B型遺傳分析儀在16A型的基礎(chǔ)上，對多個零部件進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化：（1）采用單波長505nm固體激光器，與16A型的氬離子氣體激光器相比，在功耗、噪聲、功率及壽命等方面得到了顯著提升，如表1所示，其輸出的最大功率增加到50mW，是國外同類儀器最大輸出功率的2倍，為更大范圍的STR片段分析和測序應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；

（2）優(yōu)化了恒溫箱的設(shè)計，24B型恒溫箱半導(dǎo)體制冷片數(shù)量由16A型的2片增加到了4片，同時改進(jìn)了溫度控制算法，優(yōu)化了內(nèi)部空氣對流循環(huán)設(shè)計，將升溫時間（從室溫到60℃）從20min縮減為15min，內(nèi)部溫度的均勻性與穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提升，充分保證了每根毛細(xì)管電泳時溫度的一致性和更好的數(shù)據(jù)質(zhì)量；（3）取消了16A型的機(jī)械光閘，改用電子光閘作為數(shù)據(jù)采集時的激光快門，儀器運(yùn)行時噪聲明顯降低，電子光閘的壽命和故障率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于機(jī)械光閘；（4）采用了創(chuàng)新的光纖分光技術(shù)，避免了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中大量反射鏡、半反半透鏡、匯聚透鏡等的使用，在提升傳遞效率和激發(fā)效率的同時，減少了因鏡片灰塵和水汽凝結(jié)帶來的效率降低和頻繁的系統(tǒng)維護(hù)，同時使光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性得到明顯提升；（5）采用了更大面積的CCD圖像傳感器，圖像面積為12.288mm(H)×12.288mm(V)，512×512像素，與國外同類產(chǎn)品相比面積增加一倍，不僅具有較高的靈敏度和較寬的光譜采集范圍，同時可在熒光染料通道數(shù)量上進(jìn)一步拓展，具備了8色甚至9色熒光信號采集能力。

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（二）整機(jī)性能指標(biāo)提升

通過上述零部件的改進(jìn)，GA118-24B型遺傳分析儀的性能指標(biāo)得到明顯提升：（1）由于采用了更大面積的CCD，檢測通量由16道毛細(xì)管陣列升級為24道毛細(xì)管陣列，如圖2所示，單次運(yùn)行可同時分析24個樣品，在片段長度≤500bp時平均運(yùn)行時間35min，24小時檢測通量不低于936個樣品，可滿足各種DNA實(shí)驗(yàn)室需求；（2）整機(jī)體積更小，噪音、功耗更低，如上所述固體激光器相對于氣體激光器體積更小且無需風(fēng)冷散熱，功耗更低，24B型遺傳分析儀整機(jī)功耗由16A型的1500W降為500W且噪聲水平明顯降低；（3）檢測速度更快，由于恒溫箱升溫速度的提升，儀器單次運(yùn)行時間由45min減少為35min，提升了法醫(yī)DNA鑒定的工作效率；（4）支持更多染料通道的熒光數(shù)據(jù)采集，大面積CCD圖像傳感器使得GA118-24B遺傳分析儀具備了高于當(dāng)前國外儀器6色熒光數(shù)據(jù)采集的能力，目前已初步實(shí)現(xiàn)了8色熒光數(shù)據(jù)的采集和分析且可向更高的9色熒光、10色熒光采集拓展。

（三）可靠性和穩(wěn)定性的增強(qiáng)

GA118-24B遺傳分析儀完善了對電泳過程中各項(xiàng)參數(shù)如電泳電壓、電流、激光器功率、CCD溫度、注膠泵壓力等的全過程實(shí)時監(jiān)控，提高了儀器的故障處理能力和長期運(yùn)行的可靠性：（1）增加了電泳前的電流檢測功能，通過預(yù)加電壓得到的電流值判斷電泳回路有無氣泡，降低了因用戶未觀察到氣泡存在而導(dǎo)致的電泳失敗故障率；（2）采用固體激光器和光纖分光技術(shù)，如圖3所示，在減小整機(jī)體積的同時，GA118-24B遺傳分析儀光學(xué)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性得到極大提升，能夠適應(yīng)更為惡劣的工作環(huán)境，可進(jìn)一步應(yīng)用到車載移動DNA實(shí)驗(yàn)室，提升法醫(yī)DNA檢驗(yàn)的靈活性和機(jī)動性。

四、未來發(fā)展趨勢

歷經(jīng)十幾年的發(fā)展，國產(chǎn)DNA遺傳分析儀已在全國公安機(jī)關(guān)130多家DNA實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用并陸續(xù)出口到阿根廷、安哥拉、莫桑比克等多個國家，形成了GA118-16A、16B、24B等型號產(chǎn)品，產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)如檢測通量、分辨率、檢測靈敏度等均達(dá)到國外產(chǎn)品同等技術(shù)水平，核心部件實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，大幅度降低了使用維修成本，為我國DNA數(shù)據(jù)庫建設(shè)和法醫(yī)DNA檢測技術(shù)的普及應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

NGS新一代測序技術(shù)已經(jīng)開始在法醫(yī)DNA檢驗(yàn)領(lǐng)域初步應(yīng)用，在降解樣本、復(fù)雜混合樣本分析等方面具有一定的優(yōu)勢，但檢測成本昂貴、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜、與現(xiàn)有DNA數(shù)據(jù)庫難以兼容等因素仍是制約其在法醫(yī)學(xué)領(lǐng)域普及應(yīng)用的關(guān)鍵[10]，NGS新一代測序技術(shù)可以作為現(xiàn)有毛細(xì)管電泳技術(shù)的補(bǔ)充和完善，短時期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)完全替代，且面臨三代單分子測序技術(shù)的挑戰(zhàn)，二者在科研、醫(yī)療領(lǐng)域已經(jīng)開始初步應(yīng)用，在法醫(yī)DNA分析領(lǐng)域，毛細(xì)管電泳遺傳分析儀仍會在未來很長一段時期占據(jù)主流地位，并會伴隨新材料、新技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用快速發(fā)展，主要發(fā)展方向有以下幾個方面：

（一）儀器性能方面的繼續(xù)提升

為進(jìn)一步提高檢測通量，公安部第一研究所在研的48通道、96通道遺傳分析儀[5]，利用現(xiàn)有24通道儀器平臺，重新設(shè)計熒光激發(fā)系統(tǒng)和熒光光譜采集系統(tǒng)、恒溫箱控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集軟件和進(jìn)樣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更高通量的毛細(xì)管電泳檢測；在熒光光譜通道數(shù)量上進(jìn)一步拓展，開發(fā)基于8色及以上STR擴(kuò)增試劑盒的光譜校正和數(shù)據(jù)處理算法，實(shí)現(xiàn)更多熒光通道的數(shù)據(jù)采集分析；在檢測速度上進(jìn)一步提升，影響現(xiàn)有儀器檢測速度的是恒溫箱的升溫速度，采用半導(dǎo)體制冷片加熱從室溫升到60℃大約需要20min，約占整個檢測時間的一半左右，采用最新柔性電加熱器件如碳纖維、石墨烯等[11]，可以將恒溫箱升溫時間減少到2min以內(nèi)，整個檢測時間可從35min減少到20min。

（二）自動化水平的提升

目前遺傳分析儀生成的原始數(shù)據(jù)必須通過二級分析軟件進(jìn)行分析，需要人工干預(yù)并處理，未來的發(fā)展方向是整合數(shù)據(jù)采集軟件與分析軟件于一體，結(jié)合人工智能技術(shù)自動完成數(shù)據(jù)分析，在上樣前設(shè)定分析參數(shù)后自動分析結(jié)果，僅需人工最后審核即可。同時隨著實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)（LIMS）的快速發(fā)展，需要開發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)接口模塊將遺傳分析儀接入

LIMS，主要實(shí)現(xiàn)樣品表單導(dǎo)入、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、分析結(jié)果上傳、任務(wù)管理、用戶管理、質(zhì)控管理等功能，LIMS系統(tǒng)可通過相應(yīng)的模塊查看檢測任務(wù)、掌握任務(wù)執(zhí)行情況、跟蹤樣品檢測進(jìn)度、查看檢測結(jié)果、對樣品進(jìn)行全過程監(jiān)控，同時記錄實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)以便進(jìn)行問題溯源，提升實(shí)驗(yàn)室人員的工作質(zhì)量和效率以及實(shí)驗(yàn)室的管理水平[12]。

（三）一體化DNA快速檢驗(yàn)設(shè)備

整合法醫(yī)DNA檢驗(yàn)的提取、擴(kuò)增、檢測環(huán)節(jié)于一體，結(jié)合微流控芯片加工技術(shù)，研制一體化DNA快速檢驗(yàn)設(shè)備。目前僅有美國IntegenX公司的RapidHIT 200（8通道）和美國ANDE公司的DNAScan（6通道）兩款商業(yè)化產(chǎn)品，上述產(chǎn)品與傳統(tǒng)毛細(xì)管電泳儀相比，存在檢測成本高、通量低等缺點(diǎn)，難以進(jìn)行大范圍推廣應(yīng)用。公安部第一研究所自主研發(fā)了固體激光器結(jié)合光纖分光和微流控芯片加工技術(shù)[5]，為國產(chǎn)DNA快速檢驗(yàn)設(shè)備突破技術(shù)瓶頸，研制出高通量低成本的DNA快檢設(shè)備提速。DNA快速檢驗(yàn)設(shè)備對人員、環(huán)境等要求較低，在緊急重特大事故處理和快速檢測方面應(yīng)用前景廣泛，在研的國產(chǎn)快檢設(shè)備用時短、速度快、成本低，將進(jìn)一步降低DNA檢測技術(shù)門檻，使DNA檢測技術(shù)在更大范圍內(nèi)得到普及應(yīng)用。

（四）車載移動DNA實(shí)驗(yàn)室

國產(chǎn)儀器以固體激光器和分光光纖作為熒光激發(fā)和激光傳輸?shù)暮诵牟考?，能夠有效避免傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)因震動造成的光路偏移，通過在高原地區(qū)進(jìn)行國產(chǎn)核酸提取儀、擴(kuò)增儀及遺傳分析儀的200千米車載移動實(shí)驗(yàn)[13]，驗(yàn)證了采用國產(chǎn)設(shè)備設(shè)計車載DNA實(shí)驗(yàn)室的可行性。

五、結(jié)語

近年來我國高度重視精密儀器的創(chuàng)新發(fā)展，鼓勵核心儀器裝備的自主研發(fā)，面對起步晚、理論創(chuàng)新不足、核心零部件受制于人等困難，國產(chǎn)DNA遺傳分析儀經(jīng)過十幾年的持續(xù)發(fā)展，突破了種種困難，打破多項(xiàng)技術(shù)壟斷和封鎖，研發(fā)形成了諸如光纖傳輸、反射式光柵分光、熒光光譜預(yù)處理算法、嵌入式測控系統(tǒng)等核心技術(shù)，累計獲得40余項(xiàng)專利，保證了關(guān)鍵核心技術(shù)的自主可控，完成了從跟跑到并跑的質(zhì)變，走出了一條產(chǎn)、學(xué)、研、用緊密結(jié)合的自主創(chuàng)新之路。

國產(chǎn)DNA遺傳分析儀是公安部第一研究所貫徹落實(shí)公安部黨組“科技強(qiáng)警”戰(zhàn)略要求，是以科技創(chuàng)新服務(wù)實(shí)戰(zhàn)、支撐實(shí)戰(zhàn)的典范，自產(chǎn)品應(yīng)用以來，在打擊犯罪活動中效果顯著，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，公安部第一研究所將進(jìn)一步加大科研投入力度，緊密結(jié)合公安一線實(shí)際需求，持續(xù)不斷推出更多滿足實(shí)戰(zhàn)要求的新產(chǎn)品，促進(jìn)我國法醫(yī)DNA檢測技術(shù)的健康發(fā)展和普及應(yīng)用。