法医DNA检测平台的研究进展与比较研究

程　力

(太原警官职业学院实验处，山西 太原 030032)



法医DNA检测平台的研究进展与比较研究

程力

(太原警官职业学院实验处，山西 太原 030032)

摘要：现代科学技术带动了DNA检测技术在法医领域的不断发展.以目前世界上比较先进的三个DNA检测平台为例，探讨法医DNA检测平台的研究与应用.每项技术有其优缺点，在实际的法医DNA检测中，要灵活地选用检测平台，以促进工作的顺利开展.

关键词：DNA检测；生物特征；刑事证据；鉴定

近几年来，中国社会刑事犯罪率不断上升，造成极紧张的社会氛围.加强刑事案件侦破手段，成为现在依法治国的重要内容.DNA检测技术作为一项能够准确识别生物特征的技术，为法医学鉴定提供了科学的依据，因此也成为现代最重要的刑事技术手段.

我国刑事侦破对DNA检验技术的应用是逐年递增，截至2015年，公安机关在办案实践中，利用DNA检测技术识别70余万涉案人员，认定81万余起各类刑事案件，另外鉴定被拐卖、失踪儿童4900人.DNA检测技术的引用，严厉打击了刑事犯罪，极大维护社会稳定.因此一直得到世界法医界的重视.尤其是对法医DNA检测平台研究与应用，各国都设立专门的研究组织与部门，纵向挖深DNA检测技术.以美国为主的发达国家，不断推出新的DNA检测技术，比如新款ABI3500遗传分析仪、采用微流控技术快速DNA检测仪以及NGS新一代(二代、三代)测序平台等.二代测试平台已经在发挥重大的法医DNA检验作用.公安部在“十一五”中首次使用我国成功研发的首台法医DNA检测平台，打破了国外技术垄断.随后的“十二五”“十三五”期间，警察机关紧跟国际水平，引领我国法医DNA检测平台研究与应用.

1GA118系列法医DNA遗传分析仪的研究发展

(1)在2012年左右，美国FBI CODIS把STR位点从 13个增加到20个，利用六色荧光光谱处理技术，提升了识别个体与亲缘复杂关系的能力[1].基于新增的STR位点检测，公安部法医研究所也开始对GA118系列法医DNA遗传分析仪的光谱分析技术进行升级研究，校正空间、光谱，优化STR数据的预处理与质量评价流程.从五色增加到六色的技术算法系统，相应增加同个电泳通道能够检测的颜色.因此六色荧光屏技术对于DNA检测技术的综合发展具有重要意义，体现软硬件与试剂耗材性能的良好结合.六色荧光光谱处理技术工作有四个环节：1)依据需要检测样本，选择、设计具有六色试剂体系STR工作模型，规划DNA检测平台阶段程序的动作程序；2)参照六色试剂燃料情况，查找光谱分布矩阵，分析逆运算，并使用事前算法校矩阵；3)发送命令集，仪器硬件平台接收后，对六色STR数据进行采集，并依据实时基线进行校正处理；4)对STR数据进行综合检测，全面分析处理文件信息、光校正信息、样本信息、运行信息等，将含有六色试剂DNA数据信息以FID、ABIF的数据格式输送出来.

依照上面步骤进行DNA 测试，最终得出，六色DNA荧光光谱中的数据信息，是可以被GA118系列法医DNA遗传分析仪准确采集.并通过光谱矩阵建模，精确分析STR荧光光谱.利用分析仪呈现出六色荧光光谱的情况，实现识别个体生物特征与复杂的亲缘关系.

(2)DNA遗传信息库的规模不断扩充庞大，DNA数据对于刑事侦查的作用也在不断加大.一系列中高通道系列的DNA遗传分析技术应运而生，PCR体系就是其中一例.PCR体系的初衷就是为减少在庞大的DNA数据库中的检测时间.为处理这项难题，公安部法医研究所以16通道毛细管电泳DNA遗传分析仪为技术基础，创新研究24、96中高通道法医DNA遗传分析仪.如果说GA118系列的16A法医DNA遗传分析仪是技术与材料的综合，24、96中高通道法医DNA遗传分析仪则是系统的综合，引进激光诱导技术，构建荧光检测系统，并且对进样、恒温、数据输送与处理等系统，都进行一定的更新，整体性提高了遗传分析仪技术.以GA118-16A为原型，24、96中高通道遗传分析仪器，使用小体积、低耗能、寿命更长的固体激光器，淘汰了氩离子气体激光器，提高激光传输系统的工作效率.荧光光谱检测系统上，长波通滤光片具有大视野场角，准直孔径更大，可以镜头成像，配备512*512制冷CCD，保证技术的均匀性，可以检测宽光谱范围荧光光谱；恒温系统上，引进格栅与3D均匀循环恒温技术，优良创新风道设计，提高热传导与温控系统的工作效率，实现了体积增大、灵敏度提高的系统目标；在STR数据软件系统上，利用先进CCD驱动时序电路设计，采用嵌入式电路设计，完善CCD数据采集电路，强化采集与传输空间、数据的方法，对空间、光谱、STR数据采集算法进行更加严格地校正.因此，从整个系统上进行分析，24、96中高通道遗传分析仪具有全面的改进，尽管现在这两种DNA检测平台在法医实践中并未正式使用，但是24通道DNA遗传分析仪已经完成原样试机，96DNA遗传分析仪则正在进行系统调试.

(3)DNA遗传分析仪只是在技术层面完成了DNA数据检测工作，对于数据的分析，另外还有评判专家系统.与GA118系列法医DNA遗传分析仪同步发展起来，DNA遗传数据评判专家分析系统与其同轨而行，紧密相连，也是刑事侦查员分析DNA遗传信息数据的平台.DNA遗传信息数据评判专家系统，直接得出DNA遗传信息的结论，常用在法医与鉴定亲缘关系、染色体与DNA异常诊断、SNP分裂等方面.但是，我国DNA遗传数据评判专家分析系统起步相对较晚，在国家“十一五”期间，公安部物证鉴定中心开始研究DNA分析技术，取得良好成就.

公安部法医研究所加深研究六色试剂DNA数据分析技术，核心部分有：Ladder分型参照系建立方法、DNA分型质量评价方法、SIZE内标的定标方法与DNA分型质量评价方法，分别取得重大的研究成果.以相关试剂体系为基础，完善六色Ladder分型参照系，在技术上实现定长DNA片段，提升基因分型数据处理技术.

在六色试剂SIZE定标上，GA118系列遗传分析仪建立了完整的六色光谱数据的Size基线调整、谱峰识别、标准谱峰序列匹配、SIZE定标、SIZE质量评价流程；在Ladder分型参照系上，GA118系列遗传分析仪基于Panel、Marker、Bin参考数据，重构了六色试剂体系Panel、Marker、Bin，实现了实际六色试剂体系的Ladder谱峰位置和参考Ladder位置的正确匹配；在DNA样本分型上，GA118遗传分析仪采用前面步骤生成的六色Ladder分型参照系，成功实现了9947标准品和实际DNA案件样本的STR分型，在技术上实现六色荧光光谱试剂体系的DNA片段定长和基因分型数据处理.

2微流控快速DNA分析仪的研发

法学证据的搜集比较重视及时性与现场性，这促使发达国家研发新的DNA检测平台，以微流控技术为基础研发的DNA检测仪即是最好平台.美国IntegenX公司研发的RapidHIT 200就是利用微流控研发出的具有代表性的DNA检测仪器.

RapidHIT 200结合MOVe流体集成技术与流控芯片，更迅速地处理血拭子样品与咽拭子.利用一次性的芯片匣，该系统可单次以对4-8个拭子样品进行处理，在90分钟内生成CODIS兼容的结果.整机相对紧凑，重量约为81.5kg，尺寸为48cm×73cm×71cm.样品细胞在芯片上进行裂解后，使用磁珠对其中的DNA进行提取和纯化，完成STR位点扩增，最终产物在芯片外的毛细管进行电泳分离.

进行验证测试时，美国 GE和Netbio公司合作的DNAScan系统测试结果，相比RapidHIT更加接近.BioChipSet匣不仅整合了样品提取和扩增用的微流控芯片，也集成了毛细管电泳芯片.

对于快速DNA 检测系统的设计，公安部也利用微流控技术加大对其研究，设计版块主要有四个：样品处理、分离、检测、分析.利用微流控技术处理样品，与原来DNA检测系统大不相同，也是整个DNA检测系统的核心部分.输入系统样本为拭子，快速裂解细胞、提取DNA、扩增位点、检测分离，最后输出STR位点的数据信息.选择样本数目在5至16个之间.既可以满足实际需要，又能节约仪器成本.

处理模块具备核心的微流控芯片，在设备配套上也比较齐全，包括气压、温度控制系统与样品储存系统.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、环烯烃聚合物.芯片当中有液体与气体管路，具有多层化，以气路的正负电压控制阀门开闭，实现流体控制技术.进行毛细血管电泳时，以高压电源与温控原件实现快速的温度控制，制造紧凑的仪器体积环境，缩短分离时间.

拭子上的细胞经过充分的裂解后，使用磁珠或者硅胶柱进行分离纯化，洗脱后进行若干个STR位点的多重PCR扩增.芯片上的PCR扩增的体积通常不超过10μL，方便实现快速的变温.同时选用快速的PCR酶，最终将传统的超过2个小时的PCR反应缩短到30分钟内.扩增产物在分离系统中进行毛细管电泳.

3NGS新一代DNA测序仪

在法医学应用上，NGS新一代测序技术可谓大展手脚，在近几年迅速发展起来，同时被法医界称为“深度测序技术”，“第二代测序技术”.

NGS新一代测序技术近几年的应用领域非常广，其摆脱传统电泳的技术，具有高通量的技术特点.相比上一代，NGS新一代测序技术边合成边测试的工作方法，可以对DAN数据实时监测，避免操作时间过长出现过度变化的情形.其中，具有代表性的包括基于焦磷酸测序的454 测序技术(检测化学发光) ，Ion Torrent测序技术(检测微小的pH 变化)，基于连接酶测序的SOLiD技术和Complete Genomics技术，基于单分子聚合酶延伸过程检测的Helicos技术 和PacBio技术以及目前占据最主要地位的基于荧光标记和可逆保护集团的聚合酶延伸的Illumina/Solexa技术[2].这些技术大大提高测序通量和速度，同时显著降低了测序成本.这些技术不仅在医疗和生命科学研究得到了应用，也在法医鉴定，农业、畜牧业育种，现代生物育种等方面发挥了重要作用.

NGS新一代测序技术一直是法医学领域关注的焦点.至2015年9月，相关的学术研究数量十分多，PubMed检索的国际学术论文数量已经达到200多篇.美国产业界一直非常重视对NGS新一代测序技术的研究，不断对DNA检测平台进行创新，增长法医试剂盒，增加DNA检测的初始量，达到100pg～1ng，能够检测231个STR位点[3].

这项技术很好地适应侦查机关对刑事证据侦查的要求，在辨别与分析当事人DNA数据上及时便捷.因此法医学领域的关注度非常高.许多DNA技术发明公司，也在不断地加大对其研究与开发，发明出不同系统的检测系统，不过也遇到了一些相应问题.然而，不论怎么说，NGS新一代测序技术代表着一个发展趋势.

NGS新一代测序技术的不同系统各有优劣，共同推动了基于NGS新一代测序技术在法医学上的应用.这类NGS新一代测序平台具备强大的DNA测序数据生产能力，采用多重测序的办法提高DNA测序质量，在法医学应用上可给出更加丰富的DNA序列信息，在降解DNA分型、复杂混合样本解析、复杂亲缘关系鉴定、表型推断等法医DNA应用领域具备优势.同时，NGS新一代测序技术在法医DNA领域广泛应用还要面临一些挑战：1)基于NGS新一代测序技术的法医DNA检测平台仪器、试剂耗材还非常昂贵，需要进一步降低成本；2)基于NGS新一代测序技术的法医DNA检测平台产生的数据量非常大，相关数据信息处理需要较强大的计算能力，存储和管理需要更多的硬件支持[4].

4结语

法医DNA检测平台在科技发展形势中，肯定还会有新的突破.尽管目前sanger测序技术是目前法医检测平台的黄金标准，代表现在国际最高水平，但是在未来法医领域，STR位点数量会不断增多，sanger测序技术同样也会面临挑战.因此，要促进法医DNA检测平台不断走向完善，更好地服务于刑事证据的鉴定识别，打击刑事犯罪，发挥现代技术的社会治理功能.DNA检测技术的进一步完善，也是需要相关技术人员与广大社会公民的不懈努力.

参考文献：

[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证据的误区——对DNA证据“不可质疑性”的质疑[J].福建公安高等专科学校学报:社会公共安全研究， 2001,(5):12-15.

[4] 韩莹,赵兴春,张建,等.国产去离子甲酰胺在法医DNA检测中的探讨[J].刑事技术,2010,(2):22-25.

(责任编校：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

中图分类号:D918.9

文献标识码：A

文章编号：1008-4681(2016)02-0017-03

作者简介：程力(1973— )，女，山西太原人，太原警官职业学院实验处讲师.研究方向：法医DNA检测.

收稿日期：2016-03-04