DNA合成仪

合成寡核苷酸的仪器

DNA合成仪，设计用于合成结构上类似DNA或RNA的寡核苷酸的自动化仪器。一般应用于固相合成法，每次将一个核苷酸加到所接长的寡核苷酸链上，加入每一个核苷酸都利用相同的化学反应与相应的嘌呤或嘧啶碱基衍生物作用。所用化学反应和操作细节随不同的仪器而改变，最广泛应用的方法是DNA合成的磷酸酰胺法。

结构和性能

试剂驱动系统

一般地，DNA 合成仪采用一定压力的惰性气体（氩气）或氮气及电磁阀组驱动液体试剂，也可采用氦气驱动试剂。某些合成仪采用slider block滑块系统及精密蠕动泵，可不采用气体为驱动系统。采用气体及电磁阀驱动液体试剂时，需首先将管路系统电磁阀前段，含试剂瓶组中压力加压到规定气压，通过合成管理软件或手动打开电磁阀（一般打开时间为数ms），即可驱动液体试剂到所需的合成柱中。

试剂和碱基瓶组

DNA合成仪一般需碱基瓶组及试剂瓶组。试剂瓶组一般最少为6个，含脱保护剂（Deb）、活化剂（act）、盖帽试剂A（capA）、盖帽试剂B(capB)、氧化剂（OXI）及洗脱乙腈（ACN），每种仪器一般都多设置1-2个试剂瓶位，用于特殊产物的合成。碱基瓶组一般最少为4个标准碱基（A/C/G/T）,同时搭配2-多个特殊碱基瓶位，用于荧光标记等合成。

压力管路及输送管路

DNA 合成仪的一般原则需要保持内外气体隔绝，因此无论试剂瓶、碱基瓶均需密封保持一定压力。所有压力管路均采用特氟龙导管，直径为1/16—1/8吋。每个瓶子都有一个氩气压力管道及输送管道进入瓶盖插塞，对于亚磷酰胺，1—8号瓶其压力管道也作为排气管。氩气管要保持在液体水平以上，而输送管却伸到瓶的底部。当阀门正确设置打开时，储液瓶上部空间由氩气加压，液体被推进输送管，流到其目的地。

亚磷酰胺瓶排气

除了加压外，亚磷酰胺瓶都是用压力排气管排气的。把亚磷酰胺放入仪器前，要用氩气排除空气使其净化。净化是通过输送管输送气体，当气体输送到瓶内时，空气经压力排气管排出。这是由瓶子更换步骤自动完成的。废液瓶是输送系统的低压侧，必须将出口与大气相通。要确保排气管通到通风柜。如果排气管阻塞，将会产生反压，试剂和溶剂的输送会受到抑制。

输送电磁阀

试剂输送系统包括两个试剂阀块(8碱基仪器有3个)及2个或4个柱阀块。阀块控制气体和化学试剂流入柱子及出口。除亚磷酰胺和四唑以外，试剂和溶剂都被同时输送到所有活化柱。当有多个活化柱时，对流速的细微变化，以自动调节每个柱子的输送次数来补偿。每一个5—端口柱阀块将流出物导入废液口、DMT收集口，或DNA收集瓶，它也控制用于除去或冲洗柱内和柱阀块内的试剂的氩气。

辅助真空

对于阀块的适当运行，关键是隔膜形成一个圆顶小空隙，每次电磁阀打开时，抽气泵为每个阀块提供了辅助真空，辅助真空在隔膜的螺线管一侧形成，使隔膜形成一圆顶空隙。

合成柱

起始结合在载体（一般为CPG）上的核苷酸是装在一次性的柱子中，除柱体外，还有2个固定过滤板和2个接头，所有的部件都由惰性材料制成。固定过滤板是多孑L性聚苯乙烯固定在两端盖子中。入口和出口都是母路厄氏(1uer)接头，与仪器的公路厄氏接头配对。柱子是对称的(没有顶端和底部、前后之分)，可以以任何方式与公路厄氏接头相连接。每一个柱子都用颜色编号，表示不同的起始核苷酸，以及有一个连续顺序号码。正常的流路是从底部进入，通过向上输送液体，使CPG颗粒上升并保持悬浮状态。溶剂和试剂的流速已经设置好，能使颗粒适当地混合。

路节流阀

试剂通过底部的luer接头，流到柱子，如果没拧上下面的一个luer接头，应会在一个圆柱形的玻璃流路节流阀上发现。试剂通过流路节流阀中一个很小的通道流到柱子。小量的试剂可以在流路节流阀中结晶，长期这样会造成流路阻塞。

废液和排气

大多数化学试剂输送的最终点是废液瓶，废液瓶是一个空立着的10L的聚苯乙烯容器，可放在合成仪附近的地板上或放在低于仪器的附近工作台上。排气管将废气导入适当的排气装置，如排烟罩

电导池

电导流动池是为了测定在每个DNA合成循环内释放的DMT阳离子的总电导而设计的。流动池是由一空隙隔开的两个电极组成，在空隙之间应用一小电压。DMT阳离子流过电导池时起电导作用。

电池

DNA合成仪一般带有锂电池，可以使用几年。当主电源断开时，所有的合成参数都被保留下来。这些参数包括储存的DNA序列，用户设定的循环、步骤和功能，以及瓶子使用资料等。如果正在合成中电源出现故障，合成将被中断，只有主电源恢复时合成才可重新开始。电池还保持合成仪内部的时钟计时。

控制器

控制器指导和初始合成仪的所有活动，它的主要部分是软件、微处理机、显示屏幕、键板及相关的电子部件。软件控制合成的所有必要操作并由微处理机来解释和执行。软件储存在一个可取出的存储卡中，这个存储卡插在仪器的背面。合成信息显示在液晶显示屏上，通过选择键板上的键可与仪器交流。软件是“菜单驱动”，通过按适当的键，可选择一项，给予指令。为了完成自动合成，软件应用一个包含一系列步骤的循环来完成全部化学反应。

操作步骤

以亚磷酰胺寡核苷酸合成为例介绍该类仪器的一般操作步骤。亚磷酰胺DNA合成的试剂有：保护碱基的5/—DMT，A、G、C、T亚磷酰胺单体，四唑偶联催化剂，乙酐，N—甲基咪唑封闭试剂，三氯乙酸(TCA)脱保护溶液，12氧化混合物，乙腈清洗溶剂，氨水切除溶液。使用步骤如下：

(1) 仔细检查合成仪上所有试剂瓶中的试剂量，必要时换掉试剂瓶，特别注意乙腈的量，因为该溶剂用量较大。

(2) 将标记好的清洁的收集瓶装在合成仪上。

(3) 将要合成的DNA序列输入合成仪。

(4) 检查选择的合成步骤是否正确。

(5) 选择结束方法：TritylOffAuto是仪器的原始状态，若打算以5，—DMT基团连接纯化寡核苷酸，将其转变为TritylOnAuto结束状态。

(6) 选择结束方法，一般为系统的原始状态。

(7) 在每个柱监视器的Username下，输入你所希望的保存名字。

(8) 以代码代替相应的DNA序列标记每一个收集瓶。

(9) 打印出每一个柱设置的详细资料。

(10) 检查打印出来的资料是否正确。

(11) 运行StartColumn步骤检查每一个柱的位置，确保合成仪上合成柱处于正确的位置。

(12) 检查连接在合成仪上的溶剂残留(废液瓶)是否充满。

(13) 如果分部收集器用来收集每个DMT脱保护步骤的流出物，确保试管充分清洁干净，并打开分部收集器，确保DMT废液管路通向分部收集器。

(14) 启动循环，运行开始程序清洗试剂管路，除去原来的试剂。

注意：TritylOnAuto表示在合成寡核苷酸的5’端核苷酸带有一个DMT，并将其从固相载体上切下来，储存在收集瓶中；TritylOffAuto表示在合成寡核苷酸的5，端核苷酸没有保护基团，将其从固相载体上切下来，储存在收集瓶中；TritylOnManual表示合成寡核苷酸的5’端核苷酸带有一个DMT，寡核苷酸没有从固相载体上切下来，而是保留在合成柱中；TritylOffManual表示在合成寡核苷酸的5，端核苷酸没有保护基团，寡核苷酸没有从固相载体上切下来，而是保留在合成柱中。

日常维护

1．瓶塞“O”形环

一月检查一次“O”形环，最少1年更换1次。将新的备用“O”形环与仪器上的相比较，如果在“O”形环上出现白色沉淀，用棉花蘸取乙腈，进行清洗。更换“O”形环的步骤如下：用止血钳夹住“O”形环，从槽中取下(或用牙签钩下)，注意不要损坏托住“O”形环的白色聚氟乙烯插塞(tefloninsert)；确保插塞上没有颗粒后，用手指将新“O”形环推进槽，进行压力实验。

2．储液瓶

瓶子都要放在亚磷酰胺及储液瓶位置上，并保持氩气压力以及管路清洁。

3．流路节流阀

为了防止阻塞，节流阀应该1个月清洗1次，清洗时，先在水中煮沸15min，然后再在甲醇中超声波清洗。

特点与性能

一、按照不同用途，DNA合成仪可分为实验室型，工业型和大规模合成三种主要类型。

1，实验室型：主要指合成通量较小，且单柱合成产物为10-1000nmol的DNA合成仪，一般为合成柱数低于48柱（含）的DNA合成仪，主要适用于化学生物学实验室，或某些刚起步的商业机构。

2，工业型

工业型合成仪,主要指合成通量大，且单柱合成产物为10-1000nmol的DNA合成仪。工业型合成仪常见的合成柱数为96柱、192柱，384柱或更多合成柱数的合成仪较为鲜见。主要适用于大型实验室，公用实验平台及商业合成机构。

该类型DNA合成仪较实验室型品牌相对较少。在欧洲，polygen 96柱合成工作站及384柱合成塔也是较常见的工业型合成仪之一。

3，大规模合成型

大规模合成型主要指单柱合成产物量可达数克，甚至数公斤的合成仪，主要用于原料药制备等科研或商业用途。

二、按试剂碱基添加方式分类，DNA合成仪可分为电磁阀气动驱动，蠕动泵驱动两种类型。

1，电磁阀气动驱动型：采用高于大气压的惰性气体（氩气，氮气或氦气）为碱基试剂溶液的驱动方式，通过微量电磁阀的开合添加试剂或碱基溶液。

2，采用蠕动泵驱动型：采用精密蠕动泵为碱基试剂溶液的驱动方式，通过蠕动泵驱动，滑块的相互滑动选择添加不同碱基试剂溶液。

三、按产物承载容器分，可分为需要一次性合成柱，无需一次性合成仪两类。

发展

当前DNA合成仪的主要生产厂商都致力于机器性能的完善和应用领域的开拓以及高效率、高产率的仪器的开发与研究。

台湾科学委员会“基因医药卫生科技尖端研究计划”中的基因生物技术组已经成功研发全世界第一台高密度复制DNA合成仪，可以同时合成384条不同DNA，每日可合成768条DNA，并可以配合聚合酶连锁反应装置，大量复制各种基因，不但节省时间，也可节省大量人力，这部机器能复制动物、人体、植物的基因甚至是防伪基因。

由于人们所需要的大部分核酸的碱基对数量远远超过DNA合成仪可以合成的最长核酸链的碱基对数量，因此还需要不断改善合成工艺才能得到较长的核酸分子。

为了能够在将来改变酶的结构，使其在工业上更有价值；改变蛋白质和多肽的结构，制备新药物；并开拓有关人类疾病和遗传调控的新领域，化学合成DNA在这一过程中将起关键性作用。根据不同化学方法研制的DNA合成仪也将不断涌现，能够突破现有核酸合成的碱基对数量限制，大量节省人力、物力、财力。

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