法庭科学DNA检验技术装备建设与发展

金鑫，刘金杰，姜伯玮，赵兴春，叶健

（1.海南省公安厅刑警总队；2.北京市公安局刑警总队；3.公安部第一研究所；4.公安部物证鉴定中心）

法庭科学DNA检验技术装备建设与发展

金鑫1，刘金杰2，姜伯玮3，赵兴春4，叶健4

（1.海南省公安厅刑警总队；2.北京市公安局刑警总队；3.公安部第一研究所；4.公安部物证鉴定中心）

本文简要介绍了法庭科学DNA检验技术在我国的发展，技术检验过程对装备的需求等，从我国公安系统DNA技术装备现状和特点出发，提出了DNA检验技术装备建设与发展的方向。

DNA检验技术；装备；建设；发展

法庭科学DNA检验技术自20世纪80年代中期问世以来，在刑事、民事案件、大型灾难性事故及群体性突发事件中均发挥了巨大的作用。特别是近年来基于STR-PCR的荧光复合扩增检验技术，因其具有高效、快速、灵敏等多方面技术优势，在刑事案件侦查领域倍受关注并得到广泛应用，当前已成为提供法庭证据的主要技术之一。我国公安系统DNA检验技术研究紧跟国际先进水平，研究人员相继攻克了多项关键技术，研制出多种DNA检验技术装备并实现国产化，为打击各类刑事犯罪提供了大量证据和线索，发挥了突出作用。

近年来，我国刑侦领域与DNA技术相关的装备建设发展迅速，1990年，全国公安系统仅有一两家DNA实验室能够进行DNA技术检验，到2015年底，全国各级公安机关已建成DNA实验室510家，全部DNA实验室均具备利用DNA技术进行个体识别的能力，且所有实验室由公安内部网络相连接，可在公安系统DNA数据库内部实现DNA信息的全方位比对。截至2015年底，公安系统DNA数据库已经存储各类数据超过4000万条，年直接为各类案件比中嫌疑人14万余起。DNA实验室技术装备建设与发展直接促进了DNA技术在各类案件侦破中作用的发挥，但是，与实际公安工作对DNA检验的需求相比较，我国公安系统在硬件设备、技术人员、检验能力与水平等各方面均存在较大差距。特别在DNA检验技术装备建设方面，如何从装备保障角度促进我国DNA检验技术更好地为公安工作服务，尚存在着巨大的发展空间，需要充分挖掘潜力，实现装备保障的国产化战略，降低检验成本，从根本上保证我国DNA数据库建设顺利进行。

一、法庭科学DNA检验技术装备需求

DNA检验技术自诞生以来，先后经历了DNA指纹图技术、PCR技术、荧光STR-复合PCR技术三代技术发展。DNA指纹图技术作为第一代DNA检验技术曾被广泛应用于个体识别与亲权鉴定，但因该技术所需DNA样本量较大，操作繁琐，已基本被公安系统实验室放弃使用。第二代技术为PCR技术，该技术利用DNA体外复制特性和人类小卫星DNA重复序列数目差异导致的长度多态性进行个体区分。第三代技术是以PCR技术为基础STR检验技术，该技术针对利用人类STR位点进行荧光复合扩增，具有灵敏度高、多态性好、分辨力高等技术优势，因而获得了广泛应用，是目前法医DNA检验的主流技术[1]。STR检验技术主要分为DNA提取、PCR扩增、产物检测三个阶段。首先，技术人员在DNA提取阶段需要将DNA从生物检材或样本中提取出来，形成待扩增样本；扩增阶段的目的是将少量的样本利用DNA体外复制的特殊性质，人为创造复制条件，成百万倍地复制出特异DNA片段，达到检测所需要的浓度范围；检测阶段主要是将复制好的多个不同长度的DNA片段在相关仪器设备上进行电泳分离和荧光检测，并记录检测数据。经过上述三个阶段之后，DNA检验过程全部完成，剩下的是将检验获得的数据利用现代计算机技术进行分析与运算，获得检验结论[2]。

法庭科学DNA检验技术装备保障主要包括两类：一、仪器与设备；二、试剂与耗材。仪器与设备为搭建DNA检验平台提供硬件支持；而试剂与耗材为硬件平台正常运行提供消耗保障。DNA检验流程中每个阶段所需要的仪器设备和试剂耗材因工作目的和所开展的检验种类不同而各不相同，根据当前大部分DNA实验室所从事的检验项目和工作量，以及一段时间内DNA检验技术可能的发展来预测，一个进行DNA数据库建设与日常案件检验的DNA实验室常用的仪器设备和耗材以DNA检验流程划分，可分为：一、提取仪器与试剂耗材；二、扩增仪器与试剂耗材；三、检测仪器与试剂耗材等。

DNA检验实验室首先需要配备一系列通用的实验室设备，这些通用设备常配套置于各类医学研究实验室或常规分子生物学实验室等，如环境清洁与净化装置，仪器或耗材清洗装置，精密称量装置，纯水制备装置，试剂储藏设备，显微观察设备，浓度测定和定量装置、离心设备、控温设备等，这些仪器设备为整个DNA检验提供辅助服务，是完成DNA检验工作不可分割的一部分，是DNA检验工作得以顺利开展的重要保障。

DNA提取阶段常用的仪器设备有DNA自动提取仪（低通量）[3]，DNA提取自动化工作站（高通量）[4]，脱落细胞提取仪，生物物证发现仪，自动打孔机等，其中大型设备是DNA提取自动化工作站，是当前批量案件样本检验的重要仪器设备，可以大量快速处理待检样本，能够有效提高案件样本处理效率，降低办案人员的工作负荷。同时，在数据库建设过程中可用于扩增试剂的分装和转移。DNA自动提取仪主要定位用于低通量案件样本的自动化提取，仪器相对较小，通常配备专用试剂盒，使用灵活方便、消耗较低。提取过程中，常用的试剂耗材包括法医DNA提取、纯化试剂盒、各类专用提取转移耗材等。DNA提取是整个DNA检验操作的首个环节，决定着全部检验过程的成败，该环节所获得的DNA是后续一系列检验操作的物质基础。因此，大量的仪器设备与试剂耗材的研发均围绕着如何提高DNA提取效率展开。

DNA扩增过程中，需要应用到PCR扩增仪、DNA荧光复合扩增试剂盒，在进行数据库建设样本量较多时，还要配备自动分液装置，以极大提高扩增前试剂分液和扩增后样本加样效率。PCR扩增仪，近年来发展迅速，一系列新型PCR仪不断推出，如快速PCR仪（升降温速度提高）、模块布局更灵活的PCR仪等。值得一提的是，一些国产PCR仪厂家迅速发展壮大，这些PCR仪广泛用于各法医DNA实验室，对进口PCR仪冲击较大。DNA荧光复合扩增试剂是整个法医DNA检验过程中所涉及到消耗最大的部分。鉴于该类试剂的重要性，我国早在“十五”期间，就由公安部率先开展该类试剂的研究开发工作，并最终研制出国产DNA检验试剂盒，填补国内空白，打破国外产品的长期垄断[5,6]。在该国产化试剂的带动下，一系列国产品牌的DNA检验试剂盒相继推出，进而有效降低了检验成本，推动DNA检验技术快速向前发展。

在样本检测过程中，最重要的设备是遗传分析仪，该仪器应用毛细管电泳原理，在无胶筛分介质中将不同片段长度的DNA分离开，运用激光激发技术激发DNA片段所携带的荧光基团，获得荧光信号，通过CCD接收形成检测数据，与之相关的耗材主要有遗传分析仪在进行检测分析时所使用的凝胶、缓冲液、毛细管等[7]。与此同时，一些国外公司于近期发布了可满足八色荧光检测的遗传分析仪以及可进行样本快速检验的小型一体化设备。

此外， DNA检验过程还涉及到各类控制、分析与管理软件的使用，以进行数据整理和比对检索，其中包括成套的DNA实验室管理软件，DNA数据信号收集与处理软件，DNA数据分析软件，DNA数据高端处理软件，DNA数据库管理软件，样本管理软件等。

二、DNA检验技术装备发展现状及现存问题

经过20多年的不断发展，我国法庭科学DNA实验室的数量不断增加，相关专业科技人员队伍不断壮大，业务范围逐渐增大，检验科目不断增多，制定了科学合理的实验室建设标准，建立了严格规范的法庭科学DNA装备管理体系，完善了相关的法律法规及相关措施，正在向体系化、规范化和集成化发展。DNA实验室装备是开展DNA技术检验工作的基础，由于DNA技术在案件侦查和法庭取证过程中的重要地位和作用，建设DNA实验室开展DNA工作已成为各级公安机关向科技要警力的主要选择之一。DNA实验室建设表现出网络化、体系化发展趋势特点，公安部、各省厅、各市局、各县局均建立完备的法医DNA实验室，开展案件检验和数据库检验工作。这样的检验体系满足了不同层次公安部门的工作需求，既满足基层快速反应和为案件侦破及时提供信息的要求，也能开展疑难检材检验以及数据库样本检验等工作。

我国公安系统DNA实验室已经具备了年检验千万份样本的检验规模，能够有效应对日常案件和突发性案事件等的样本检验工作，在2009年发生的新疆“7.5”事件中，公安部物证鉴定中心在7天内完成了7000多份样本的检验和分析，当前，公安部物证鉴定中心已经达到日检验处理人员样本20000份的批量检验能力，代表了我国法庭科学DNA室在应急处置检验上的高水平。

目前能够开展高通量数据库建设的DNA实验室其主要的仪器设备包括：DNA提取自动化工作站（唾液卡）、DNA自动打孔仪、PCR扩增仪、高通量DNA遗传分析仪、高通量移液工作站、离心机以及保证操作空间洁净度的超净工作台等。这些仪器能够实现规模化DNA高通量快速检验，除了取决于主要仪器的性能外，如DNA遗传分析仪的通道数等，还取决于设备之间的衔接、人员分工与科学检验方法与流程的建立等一系列因素。

当然，相关DNA实验室在客观上具备了一定检验规模和能力的同时，与现实要求相比，还存在许多制约因素。各级公安系统DNA实验室，其采购的主要仪器设备尤其是大型仪器设备均由国外生产，这些仪器设备价格昂贵，仪器采购成本和维护成本居高不下，核心技术由国外公司掌握。DNA遗传分析仪是目前DNA实验室的核心关键设备，该仪器已经由最初的377型、310型、3130xl型升级到目前的3500型、3500xl型，仪器价格相当昂贵，该仪器仅由美国AB公司生产供应，是当前多数DNA实验室中的主流设备。在仪器设备由国外生产的同时，仪器设备所配套的主要试剂盒耗材也同样由国外公司生产供应，这些试剂和耗材同样价格昂贵，保质期短，并限制使用时间，着无疑大大提升了单个样本的检验成本，在一定程度上制约了DNA技术的推广和应用，客观上影响了案件侦查效率和技术作用的发挥。仪器设备和试剂消耗供应上的垄断还关系到DNA检验技术本身的战略安全，对国外设备、试剂及耗材的高度依赖，严重制约我国法医DNA检验技术的发展，产品供应完全受制于人。

大规模DNA数据库建设是最大限度发挥DNA检验技术作用的重要方向。目前，建设DNA数据库已成各级公安机关法庭科学DNA实验室的一项重要任务之一。随着样本检验任务量的逐年增加，各实验室年检验能力不断面临新的挑战。为了提高DNA样本检验处理能力，各DNA实验室需要不断进行设备的升级换代，多个DNA实验室甚至采购3730型遗传分析仪进行数据库样品检验工作，需要选择购置大规模样本处理设备提高各环节衔接的效率，同时进行数据库建设专用实验室升级改造等。

三、DNA检验技术装备研发进展与发展建议

DNA检验技术装备发展是在DNA检验技术本身发展基础上不断前进的，我国公安科技工作者在研究DNA检验技术的同时，也在进行DNA检验技术装备的研究，并取得了一定成效。

DNA检验试剂盒是DNA检验过程中的主要消耗试剂，公安部物证鉴定中心在“十五”期间攻克了多项荧光复合扩增检验试剂试剂制备关键技术并最终研制出国产DNATyper15试剂盒，后期相继研发出DNATyper19、DNATyper21等系列试剂盒，实现了大规模生产并应用于实际办案和数据库建设中[8]，打破了国外同类试剂在公安系统DNA实验室长期垄断的局面，填补该领域的研究空白，极大降低了试剂价格，同时也使国外试剂盒产品的价格大幅度下降，仅此一项，每年可为公安系统节省试剂采购经费数亿元，极大降低了检验成本，提高了我国公安系统试剂供应保障的稳定，推动我国法庭科学DNA检验能力的进一步提高。

在进行常染色STR试剂研制的同时，开展了Y-STR试剂盒研究，最终研制出DNATyperY26试剂盒，已应用于多起涉及家系排查的案件，为下一步Y-STR DNA数据库的建立与发展奠定了坚实的基础[9]。

针对DNA检验技术所需的仪器设备进行研制是装备技术发展的重要方向，鉴于遗传分析仪是开展DNA检验工作的核心和必备，每年都有巨额的经费投入用于购买这些关键检验设备。这些设备几乎全部依赖国外进口，昂贵的费用不仅严重制约了DNA检测技术在公安一线的推广应用，也限制了我国法医DNA检测技术的进一步发展。为了摆脱国外垄断，降低检验成本，进一步扩大DNA检验的应用范围，在国家“十一五”期间，公安部第一研究所成功研制出用于DNA检测的法医DNA遗传分析仪并应用于法医DNA检验实践[10-12]。目前，该产品通过测试并已经广泛应用于各法医DNA检验实践。该设备的产业化，极大降低装备购置成本，降低对国外产品的依赖。

在设备和耗材研制上，一些产品已经实现国产化生产，如DNA自动提取仪、PCR扩增仪、脱落细胞提取仪[13]、微量物证转移的EZ-tape装置[14]等，目前，已有相关研究机构进行快速DNA检验设备的研制与研究工作，取得了较大研究进展。

在软件开发上，我国自主研制的DNA数据库系统软件已经稳定运行多年，在公安系统侦查破案中发挥了非常重要的作用，数据收集软件和DNA数据分析软件也已实现了国产化，为下一步相关装备和试剂的研发打下了基础[15,16]。总之，我国公安系统DNA检验装备发展取得了丰硕的成果，实现了 DNA提取试剂、DNA检验试剂、DNA检验消耗材料的国产化与规模化生产，有效降低单个DNA样本的检验成本，保障试剂和耗材的持续供应，为国家法庭科学DNA检验工作提供技术支持和物质保障。

我国应进一步加大对DNA检验设备的研究和研制支持力度，提高科研产品的转化能力。装备研究要立足公安实战，具体研制装备过程可从已有研发基础并急需装备的仪器设备开始，如开展高通量DNA遗传分析仪和便携式快速DNA检验设备研究，可以有效解决DNA数据库建设过程中的规模化样本处理的瓶颈，提高样本处理能力，增强基层公安机关DNA实验室综合检验实力，满足突发案事件所需的规模化样本处理和快速检验排查要求。在公安部领导对DNA检验仪器设备国产化研究的持续关注下，要紧紧围绕提升公安实战能力这一目标，注重把握科学规律，紧跟科技发展步伐，瞄准公安实战中的重点难点开展科技攻关，研发出更多一线急需、实用的法庭科学DNA检验装备。注重加快成果转化，促进科研成果与实战对接，将最新、最好、最能满足实战需要的科研成果转化为一线民警手中的实用技术装备，为打击犯罪提供更加有效的手段和方法。

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Construction and Development of Forensic Science DNA Testing Technology and Equipment

Jin Xin1, Liu Jinjie2, Jiang Bowei3, Zhao Xingchun4, Ye Jian4
(1.Department of Criminal Investigation,Hainan Provincial Public Security Bureau,Hainan,China; 2.Department of Criminal Investigation,Beijing Public Security Bureau,Beijing,China; 3.The First Research Institute,Ministry of Public Security of P.R.C,Beijing,China; 4.Institute of Forensic Science,Ministry of Public Security of P.R.C,Beijing,China)

This paper has described the development of forensic science DNA testing technology in China as well as the technical equipment needs on inspection process ,proposed a future direction of construction and development on DNA testing technology, from the current situations and characteristics in China public security system.

DNA testing technology; equipment; constructio; development.

R34

A

10. 11967/ 2017150103

R34

A DOI：10. 11967/ 2017150103

金鑫，海南省公安厅刑警总队，职称：主检法医师，jinxin107@126.com