2014创新产品:史上最快实时定量PCR系统

【字体: 时间:2015年01月28日 来源:生物通

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  40个循环 < 10分钟,号称史上最快实时定量PCR系统的xxpress在生物通2014年十大创新产品评选中遇冷并不意外,因为太新,资料少。但生物通编辑力排众议将其列入十大创新产品之一,因为其创新之处确实令人眼前一亮,绝对值得往下看。

人类对“更快,更强”的追求,绝不仅限于比赛场上,实验室也不例外。

40个循环 < 10分钟,号称史上最快实时定量PCR系统的xxpress在生物通2014年十大创新产品评选中遇冷并不意外,因为太新,资料少。但生物通编辑力排众议将其列入十大创新产品之一,因为其创新之处确实令人眼前一亮,绝对值得往下看。

升降温速率,一向是各品牌热循环系统(PCR/qPCR仪)宣传战中的头牌参数,因其本职工作就是在变性/退火/延伸3个温度之间往复循环。升降温速率10℃/sec,xxpress固然很快,比主流品牌(最高升降温速度5-6℃/sec左右)确实快,为啥人家40个循环下来至少都要35-40多分钟,xxpress只要10分钟呢?再说咱还听过最快15℃/sec的呢,那个做40个qPCR循环至少还得25分钟,为啥xxpress只要10分钟呢?原来里面大有玄机!xxpress超高速循环主要因素,并非单纯因为升降温速率10℃/sec。

PCR/qPCR反应都是由升温变性,退火,延伸3个步骤循环组成。一般qPCR设计每步需要保持20-30秒或以上。以前一直就觉得奇怪,以最费时间的延伸步骤为例,qPCR扩增子通常就100多200bp大小,对于合成效率20-30秒/kb的Taq聚合酶来说5-6秒已经足够从头到尾合成一轮,多余的时间又不能干别的,为啥设计上要停留20-30秒呢?解链变性和退火这两步单纯热力学不涉及酶反应的,200bp不到的片段更是应该就几秒就够了,哪需要纠缠20-30秒那么久?原来——

PCR/qPCR一个循环周期时间取决于:
• 升降温速率
• 达到目标温度的温度过冲
• 稳定时间(传统Peltier系统的温度过冲的稳定时间约需要15-20sec。)
• 停留时间 (这才是反应真正需要的时间)

传统96孔/48孔热循环仪都有个“基座”,热循环的每个周期,Peltier产生的热量是通过热量梯度的层层传递,从发热板到金属基板,再到基座金属孔,再通过厚度至少达200um以上的样品管壁,才能传递到液体试剂的。这种内在的层层传递降低了热传递的效率。要加热得更快,就需要更大的热量梯度,温度准确性和热均一性就更差。

为解决这个难题,那可是各出奇招。曾记否,当年高端大气上档次的黄金基座/纯银基座?虽然银有着优异的导热性,可整个银基座质量过大,要改变整个基座温度所需耗费能量必然就更高,需时就长。传统Peltier系统的温度过冲的稳定时间约需要15-20sec。症结在此。

当遵循热力学法则的Peltier系统趋于接近热性能极限,平衡已经向另一边倾斜:降低热质量,升降温所需耗费的能量更少,加热或者降温更容易响应也更快。本来要加热降温的只是那么一点点体积的试剂么。

xxpress抛弃了基座。但保持了大家熟悉的24/48/96孔阵列模式。就像Nanodrop抛弃比色皿,彻底改写分光光度计。

xxpress使用样品板直接加热——200um厚的铝制xxplate板仅有几克重,它既是一次性使用样品板,本身又是一个复杂的多区域加热元件,电流流经xxplate时进行直接加热。xxplate内覆10μm厚的聚丙烯膜,液体样品与加热面只相隔这10μm厚的膜,热量可直接地传递到样品,这是提高样品加热准确性的关键因素。(等等,能不能用常规耗材96孔板?耗材得多贵?别急,后面算账给你看)

没有基座,只有又轻又薄的样品板直接加热内里微量的样品,总的热质量少得多了,升降温所需耗费的能量就少多了,加热或者降温当然更容易更快。在xxpress系统,每个循环的升降温过程中的温度过冲<0.5°C,稳定时间<0.5秒,几可忽略不计,单一个循环就可以节省数十秒到1分钟时间。

整个循环过程升降温速率10°C/秒,不仅仅是最大升降温速率10°C/秒

采用200μm厚、几克重的反应板作为电阻加热元件,形成极低电压电路回路,可以直接传递准确的热量。加上热质量超低,热传导效率高,整个循环过程升降温速率都能达到10°C/秒。

控温精度

xxpress有9个非接触式高精度红外传感器阵列,用于测量整块反应板的温度,业界唯一,无人能及。这种与英国国家物理实验室合作开发的温度测量和校准系统,将温度测量精度的重复性提高到±0.05°C。而传统的Peltier系统一般仅使用少数(2-3)的热电偶测量金属模块的温度。

xxpress在循环全程实时测量温度,根据温度响应,控制算法决定加热模式,和产生所需的热量。xxplate板通过不同的电流路径和不同的加热模式,可实现分区域加热控制,还有多区域控制多个独立的空气射流装置控制冷却,使得快速升降温而不影响温度的均一性。

这种热控制是快速动态的,控制算法以100次/秒频率调整加热模式。系统提供的温度准确性好于±0.1°C;温度均一性好于±0.3°C(测量针对反应板而非金属基座)。

立即索取xxpress定量PCR仪的资料或申请试用


温度过冲

前面提及基座的质量大和层层热传递效率低,使得Peltier系统的温度过冲的稳定时间约需15-20秒。在xxpress系统,每个循环的升降温过程中的温度过冲<0.5°C,稳定时间<0.5sec,几可忽略不计。因而在循环每一步都几乎无温度过冲调整,无需温度稳定时间,能大大缩短停留时间。每步骤节省15-20秒,每个循环可节省40多秒,40个循环下来就很可观了。你看,xxpress超高速循环并非单纯靠升降温速率高来实现。

温度均一性

xxpress系统在循环全程实时测量温度,所有样品的温度均一性在快速升降温时好于±0.8°C,静态温度好于±0.3°C。这样的控温精度,即使在升降温时确保所有样品相同的温度;确保样品之间,实验批次之间一致的和可比较的结果。而传统的Peltier系统的内在设计和温度测量方式,决定了其孔间差异和边缘效应,不必再啰嗦。

xxplate

铝制基板表面覆盖超薄的聚丙烯层,保证样品的完整性。
3种板型,24孔,54孔和96孔,孔与孔为标准间距,可以使用标准的移液系统。
无需更换任何硬件,即可更换使用不同板型。
可以将不同尺寸的孔(1μL-500μL)做在一块板上,也不会影响其性能

板型   样品量
24孔  5-40μL
54孔  5-15μL
96孔  1-5μL

消耗品太贵?XXplates专用耗材是比常规96孔板贵。铝制基板表面覆超薄膜,单板报价达到10美元多点(折扣?砍吧,你懂的)。比10来块钱的普通全塑板贵。不过因为反应体积缩小,能节约试剂,例如5μL体积相比20μL,试剂成本能削减75%,可达到比原来更节省的目的。他家网站还有个计算工具呢。

考虑一下:
1. 10分钟内就能完成一轮定量,别人1小时刚做1轮半,你都能做完5轮反应了,一台机器能顶人家好几台呢,这才是真正省了大头费用呢,一台机器可是几万美金。
2. 没有基座,更换不同板型是就不用换基座那么麻烦,更无需另外购买基座,一块基座得好几千呢;
3. 无需维修成本——要知道,基座可算是热循环仪里的“事故多发区”,维修工程师们最清楚了;花钱不算还耽误时间呢;
4. 没有边缘效应,xxplates每个孔都能安心用上,普通的96孔未必呢;还有缩小反应体积所节省的试剂费用呢!这样想,是不是其实更省钱?

其他你可能感兴趣的参考信息

荧光检测系统:最多5个荧光通道同时检测,适用于大多数染料和探针。

系统:xxpress是一个开放的平台,支持现有的所有实时PCR检测化学,包括DNA结合染料,水解探针,杂交探针,以及其他检测化学如分子信标和蝎子引物。

硬件:xxpress是完全独立的系统,使用触摸屏,内置计算机,不需外联。升降温速率可调,最高为10°C/sec。LED的寿命比仪器寿命长。除滤光片轮外,xxpress光学系统部件在运行时无移位。

软件:xxpress软件可以安装在任何类型和任何数量的计算机上,通过厂家随机提供的U盘安装。xxpress软件是多用户的,提供密码保护,xxpress运行文件很小(200-500 KB,40个循环),可以导出数据为多个*.CSV文件,可用于其他的分析软件。目前系统不支持扫描条形码。希望未来免费升级的软件包括这项应用。可实行远程的实验计划和结果分析,提高xxpress的利用率。

仪器价格和主流定量PCR仪价格相当。遗憾的是这机器目前不带HRM功能。不带梯度。另外还有要留意的,除了专用板,首次购买需同时购买专用封膜机和离心机。因为太新的了,暂时没啥文献可查,好在基因有限公司提供Demo样机,有兴趣的带样品可以去试用。

关于厂家背景,BJS公司建立于1945年,是一家英国的家族企业,提供高质量的精密电铸,电镀,银器(包括英国皇室使用的银器)和工业应用的精密电铸部件。1991以来,BJS一直是世界领先的银质热交换模块生产商,用于快速PCR仪,是第三代掌门人BJS主席Richard Lewis研发的。BJS公司在1996成立BJS 生物技术公司,创造发展超高速热循环技术并将其应用于PCR。BJS 生物技术公司已被选定为参加由英国首相办公室直接发起“创新英国”活动的公司之一。

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