20世紀(jì)90年代，全球多個研究實險室的科研人員投入了數(shù)百萬工時，繪制完成了第一個完整的人類基因組序列。從那時起，在基于多種創(chuàng)新方法的一系列自動化儀器的幫助下，個人 DNA 測序的成本和時間大幅降低了多個數(shù)量級。就某種程度而言，所有這些儀器實際都依賴于通常以激光為光源的熒光檢測。 　　

起初，市場對人類基因測序的需求并不大。而目前市場對這種應(yīng)用的需求迫切、增長迅速，有這樣幾個原因。商業(yè)化的族源分析現(xiàn)在成為了一個主要應(yīng)用領(lǐng)域。這種需求在美國尤其旺盛，因為美國有很大一部分人口是20 世紀(jì)來到這里的移民后代。他們中的許多人現(xiàn)在希望通過分析了解自己的地域沿襲狀況和族譜情況。 

在中國，產(chǎn)前基因篩查現(xiàn)在發(fā)展迅速。許多父母傾向于通過簡單的抽血來對母親的 DNA 進(jìn)行基因分析，而不再是采用從羊膜腔抽取羊水這種雖然低風(fēng)險但非零風(fēng)險的方法。這特別適合高齡產(chǎn)婦(> 40 歲)，因為她們的嬰兒可能面臨較高的出生缺陷風(fēng)險。測序也被作為一種法醫(yī)工具而廣泛使用。在許多國家/地區(qū)，任何被判有某種罪行的罪犯的 DNA 都會經(jīng)過分析并被存儲在國家數(shù)據(jù)庫中，通過對當(dāng)前犯罪活動甚至過去犯罪活動中檢測到的 DNA 進(jìn)行分析，然后與已有的 DNA 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對。事實證明，這對解決“懸案”以及為過去被誤判的人洗脫罪名方面極其有用。 　　

如前所述，目前多種基于激光熒光技術(shù)的方法被用于商業(yè)化的測序儀器中。Coherent相干公司獨有的光泵半導(dǎo)體激光器 (OPSL) 專利技術(shù)具有很多突出特性，使其非常適合用于測序中的熒光激發(fā)。 　　

與許多早期激光器不同，OPSL 技術(shù)具有靈活的功率擴(kuò)展性。這使得激光器的功率范圍可以從幾毫瓦擴(kuò)展到幾十瓦。對于適合基因測序的激光器而言，Sapphire系列是其中的代表。該系列于十多年前推出，是第一款提供藍(lán)光(488 nm 波長)的固態(tài)激光器，輸出功率達(dá)數(shù)十毫瓦?，F(xiàn)在其功率高達(dá) 500 mW、體型小巧、功耗低且傳導(dǎo)冷卻簡單。(相干公司近期宣布了該系列激光器出貨量業(yè)已突破50,000臺這一里程碑式的成就) 　　

圖 1.目前，大多數(shù) DNA 測序方法依賴于激光熒光技術(shù)，不同的熒光染料分別表示四種不同的核苷酸 (ACGT)。 　　

功率有什么重要意義?作為具有商業(yè)前景的領(lǐng)域，DNA 測序的發(fā)展有賴于檢測速度的大幅提升以及相應(yīng)檢測成本的大幅降低。速度提升主要是并行處理和自動化產(chǎn)生的結(jié)果;第一次人類基因組測序是按順序進(jìn)行的，而今天的技術(shù)可以做到同時對數(shù)千個較短的基因組片斷進(jìn)行測序。簡而言之，并行記錄數(shù)千個數(shù)據(jù)點實質(zhì)上意味著直接或間接地分散降低了激光功率。因此，要獲得可接受的信噪比且避免長時間的數(shù)據(jù)采集，就需要更高的激光功率。 　　

圖 2.OPSL 技術(shù)具有波長靈活性，可使用許多標(biāo)準(zhǔn)波長的激光，并可根據(jù)要求提供定制 OEM 波長。 　　

OPSL 技術(shù)的另一個重要特性是波長靈活性。氣體激光器和早期固態(tài)激光器僅限于原子物理學(xué)確定的固定頻率。而OPSL 是基于半導(dǎo)體芯片，其輸出波長可以在很寬的光譜范圍內(nèi)進(jìn)行定制：從紫外波長到近紅外波長。這一點很重要，因為測序取決于能否通過激光激發(fā)四種化學(xué)標(biāo)記(熒光染料)中的熒光，它們分別針對四種 DNA核苷酸 ACGT 中的一種。測序的精準(zhǔn)度取決于能否區(qū)分四種熒光染料，測序速度取決于能否高效激發(fā)它們。充分提高儀器效率意味著讓激發(fā)波長去匹配每個標(biāo)記的最大吸收峰，而不是嘗試反向匹配。相干公司的 OBIS 激光器可以提供20多種不同的波長，智能化、“即插即用”的標(biāo)準(zhǔn)配置，可實現(xiàn)儀器的快速集成和開發(fā)。此外，大多數(shù)OBIS激光器都提供自由空間或光纖偶合輸出選項，這進(jìn)一步簡化了它們在當(dāng)下和未來測序儀器中的使用。 

作者： 　　

姚建武，michael.yao@coherent.com 　　

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