自今年一月以來，新冠疫情席卷全球。截至2020年5月12日，全世界212個國家和地區共報告確診病例數4,253,802人，其中死亡病例287,250人，死亡率接近7%（注1）。本次新冠疫情對社會經濟的沖擊是史無前例的。

隨著疫情相關信息的傳播，許多先前不為大眾所知的診斷行業專業名詞逐漸變得家喻戶曉，如核酸檢測、試劑盒、咽拭子、假陰性等等。

進行一次新冠病毒核酸檢測的操作步驟：簡言之，核酸檢測流程大體分為三步：

采樣。從人體的呼吸道或其他部位采集可能含有病毒的樣本。

提取。將病毒核酸從樣本中提取出來，與其他物質分離。

檢測。通過熒光定量PCR法檢測提取到的病毒含量。

磁珠既為核酸提取的必備工具之一，那么，何為磁珠？如何進行核酸提取？如何評估提取效果？

1.磁珠法核酸提取基本原理 

首先，磁珠是一類特殊的納微米材料，它們的尺寸通常在零點幾微米到幾微米之間，僅為一根頭發絲直徑的十幾分之一到幾十分之一，肉眼是無法觀測到單個磁珠的。

其次，它們具有超順磁性，在磁場中可以向一側迅速移動，聚集在一起，而去除磁場后又能夠迅速恢復到分散狀態。

最后，用于核酸提取的磁珠表面具有特定的性質，在某些條件下能夠將病毒核酸吸附在表面，在另一些條件下又能將病毒核酸從表面釋放下來，用于后續的檢測步驟。

（圖1：左：MS磁珠的TEM；中：MS磁珠的SEM；右：MS磁珠在管子里無磁鐵時分散和有磁鐵時向一側聚集的圖片；說明：納微核酸提取磁珠的電鏡圖片及其在磁場中的移動）

2.如何評估磁珠法提取核酸的效果？ 

筆者個人認為，可以按照PQR三原則法進行評價。

P指的是Purity（純度），具體而言就是磁珠提取后的核酸中含有多少非核酸類的雜質殘留，如蛋白、鹽、多糖等。該指標通常用吸光度比值（A260/A280和A260/A230）來衡量。

Q指的是Quality（質量），磁珠提取后的核酸尤其是較長的基因組核酸應保持其完整性，不應出現斷裂或降解等現象。該指標可通過簡單的凝膠電泳或者復雜一些的特定PCR及微流控芯片（如Agilent Bioanalyzer）進行評估。

R指的是Recovery（收率），磁珠提取過程應當盡量將所有的核酸都能從樣本中提取出來。高收率對于核酸檢測尤其是疾病早期檢測的靈敏度至關重要，在疾病早期，樣本中的病原體核酸含量通常較低，如果不能高效率地提取到所有核酸，那么很容易出現假陰性，導致漏檢。

3.磁珠如何與核酸結合，實現提取功能？ 

這就涉及到比較深入的生物化學知識。核酸作為一種生物大分子，之所以能夠在水溶液中穩定分散不沉淀，是由于三種非共價作用力的存在：（1）靜電相互作用（2）范德華力（3）氫鍵。

核酸分子具有多個磷酸基團，呈現高度負電性，分子間互相排斥從而避免發生團聚。此外，核酸分子在水溶液中通過氫鍵與范德華力結合了大量的水分子在其周圍，形成一個水化層，也阻止了分子間的聚集。因此，要使得核酸分子結合到磁珠表面，就必須削弱上述作用力，屏蔽溶液中的靜電斥力，同時破壞核酸分子表面的水化層，使其能夠與磁珠表面相接觸，進而產生吸附。

綜上所述，磁珠表面的性質對于核酸提取至關重要。

國內目前生產磁珠法核酸提取試劑盒的廠家大小百余家，所用的磁珠按照表面性質可分為以下三類：

1.硅羥基磁珠

這是一類使用最為廣泛的磁珠。使用硅羥基磁珠提取核酸時，通常需要高濃度的離液鹽（NaI、NaClO₄、GuHCl、GuSCN等）。高濃度的鹽離子能夠有效屏蔽溶液中的靜電斥力。同時，離液鹽離子還能競爭性地與磁珠表面以及核酸分子相結合，破壞二者表面原有的水化層，促進磁珠表面與核酸分子的吸附（氫鍵+范德華力）。由于常用的離液鹽如胍基離子對PCR有抑制作用，因此它們必須在后續的洗滌步驟中被去除，去除效果可通過吸光度比值進行監控。

（圖2：MS050硅羥基磁珠用于質粒DNA提取，說明：納微MS050硅羥基磁珠提取后的DNA完整性良好，超螺旋形式的質粒DNA最多）

（圖3：MS070硅羥基磁珠用于血清中游離DNA提取，說明：納微MS070硅羥基磁珠可以從血清中提取游離DNA（片段長度156 bp），PCR顯示平均提取效率可達85%）

2.羧基磁珠

這類磁珠除了能夠像硅羥基磁珠一樣在高濃度離液鹽環境中結合核酸分子之外，還能通過另一種特殊的機制與核酸分子結合。通過向溶液中加入一定濃度的PEG和NaCl，可以使得核酸分子從伸展的構象逐漸蜷縮成小球狀，其上的負電荷也大部分被屏蔽掉，促使核酸分子吸附到磁珠上。核酸分子的分子量越大，越傾向于發生這種從伸展線團向蜷縮小球的構象變化，因此，通過調節鹽溶液與核酸樣本的體積比，能夠實現較大分子量的核酸片段在羧基磁珠表面的優先吸附，達到所謂的片段篩選效應。

（圖4：MS050羧基磁珠用于片段篩選，說明：納微MS050羧基磁珠以DNA ladder為樣本，可以實現尺寸在100 – 1500 bp之間的左側篩選（去除小片段）和右側篩選（去除大片段））

3.氨基/咪唑基等正電荷磁珠

此類磁珠能夠方便地通過調節pH實現核酸分子在表面的可逆結合。不過，由于正電荷表面對核酸分子吸附過強，容易導致收率偏低，因此正電荷磁珠的使用反而不如硅羥基及羧基磁珠廣泛。

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