技术探讨 | 如何定义台式测序仪

导语：最近朋友圈被DNBSEQ-E25的产品宣传视频刷屏了。一台就在你身边的测序仪，应该跟电脑/手机/智能手表这些消费类电子产品一样，成为居家必备或者说每个生命科学实验室必备。对比电脑的大小从国家级的“超算”到商用机、家用机，测序仪的外观、体积、占地大小也在不断发生变化。在已面市的测序仪之中，有跟三开门冰箱一样大小的DNBSEQ-T7，也有跟U盘大小的MinION，当然还有更多的测序仪选择了“桌面式”。在桌面式测序仪之中，再进一步地细分，也就是设备放在桌上有大有小的区别了，类似电脑的“台式机”“超薄台式机”和“轻便笔记本”的区别。那么，测序仪界的“台式机”和“笔记本”各自的代表机型是哪些呢？各自的发展历程和趋势如何看？

测序仪的体积大小其实与其所采用的技术原理高度相关，不同技术路线对碱基信号采集和读取的方式不同。常见的所谓“二代”“三代”的划分，可以按碱基信号采集单元拷贝数的选取方式来划分，二代技术的碱基信号采集单元多拷贝（对应待测文库分子的多拷贝集合，也就是大家熟悉的Cluster簇或DNB），三代技术的碱基信号采集单元单拷贝（单个待测核酸分子）。如果按碱基信号读取的方式是否需要依赖于复杂的光学系统来看，又可以将市面上的测序仪分为“依赖型”和“不依赖型”，对依赖型测序仪可以简称为“激发光测序仪”，对于不依赖型测序仪可以进一步细分为“自发光测序仪”和“不发光测序仪”。

“激发光测序仪”VS“自发光测序仪”

谁更能代言“台式机”

从测序生化原理上来看，激发光测序仪采用荧光修饰的方式标记合成的碱基，在测序过程中使用外界激发光源激发荧光并通过高分辨率光学系统拍照获取信号，光学系统相对于测序载片平面移动实现大范围的信号获取。而自发光测序仪，以DNBSEQ-E25（以下简称E25）为例，在生化反应中则采用了自发光模式，即：在测序过程中使用荧光素酶标记合成的碱基，与相对应的底物反应产生自发光信号进而完成碱基识别。从光的能量来源来看，激发光测序仪的荧光来源于外界激发，自发光测序仪实际上是将底物中储存的化学能转化为光子能量，这样对信号产生过程就无需再额外考虑避免高能量的激发光对待测模版可能造成的潜在损伤。

由于激发光测序仪的组件构成需要考虑光学系统，光学系统一般由相机、激发光源、自动对焦模块、光路控制系统、芯片平台（载台）和XYZ平台构成，体积庞大且昂贵；而自发光测序仪则只需要高度集成的半导体测序载片和微流控技术即可实现碱基信号的读取，这个过程还是以E25为例：

E25在信号采集过程中，使用集成在测序载片上的CMOS模块直接读取自发光信号，CMOS模块直接将自发光信号转换为电信号传输至测序仪主机。其中，集成在测序载片上的CMOS模块，与如今用于手机摄像头上的CMOS模块实际上功能上类似。随着技术的进步，手机摄像头像素越来越高，同理可用于测序载片的CMOS模块也具备通量成倍增长的提升空间。与激发光测序仪相比，激发、产生信号与捕获信号的两大功能模块不再是测序仪器的关键组成部分/限制瓶颈，而将核心元件聚焦至测序试剂、载片和耗材上，仪器主机因此可以做得非常小巧，对设备的安装和使用环境的要求也因此而获得降低。

此外，自发光测序仪的测序载片除了集成CMOS信号采集模块，还集成了多达二十余条的微流控孔道和旋转阀模块，测序试剂盒中不同种类的测序试剂与微流控孔道一一对应，通过旋转阀的转动实现不同流道与反应腔体的连通。当然，这其中也包括一条直通加样孔的开放式流道用来完成样本的直接加载，即：样本和测序试剂可直接进入测序载片的反应腔体，在载片上完成样本加载、碱基聚合、荧光素酶偶联、自发光产生以及可逆阻断基团的去除的全过程，这样自发光测序仪的设备硬件/机身设计相对激发光测序仪而言也更简洁、更轻便，并且在应用中完成上一次测序之后无需再额外清洗机身即可再次上样/连续上样。这一点对于病原微生物测序等应用来说，从物理上隔绝了连续运行时不同样本之间的交叉污染。

综上，如果仅以体积大小作为区分标准，自发光测序仪是当之无愧的测序仪“台式机之星”；而在激发光测序仪之中，即便是目前12小时下机48Gb的中小通量测序仪DNBSEQ-G99也要比E25更大一些、更重一些；但在不发光测序仪之中，即便是PromethION 48也还是会比一般的台式测序仪看上去更小一些的，这就是为什么我们更愿意把三代测序看作是“笔记本式测序仪之星”。

写在最后的话：通过一大段一大段的技术介绍，看上去我们不过是仅以体积大小作为区分标准对台式测序仪的定义进行了探讨，实际上在测序仪产品世界里类似台式机的商用款、家用款如何定义，以及类似笔记本电脑的“游戏本”、手机里的“拍照手机”“音乐手机”这些细分品类的诞生可能就蕴含其中。期待测序仪机型的多元化大发展早日到来。本文投稿作者为非利益相关者，作者个人观点仅供学习交流使用，不能保证所包含的产品信息或技术绝对正确，如有谬误之处，敬请批评指正。感谢试读专家“独当一面元某人”“热心市民小宝总”对本文的技术指导和支持。

一切都只是刚刚开始。