通常情況下,對定量DNA應用熒光或紫外-可見光譜。兩種方法各有優缺點,重要的是應考慮在整個分析中,包括上、下游工藝的方法。
對分子生物學家而言,DNA定量是一種重要而常規的技術。量化數據本身很少被當作實驗的最終結果,更常見的是將其作為生物源提取物和下游使用、分析之間的橋梁。定量是重要的,但是,由于生物系統始終存在的變化,因此導致提取的DNA存在差異:不僅在數量上有差異,而且也與從原始來源及提取方法本身的污染水平有關。錯誤的濃度測量,容易導致下游應用過度或不足;或者因污染物的存在,抑制下游的分析。
DNA定量最常用的兩種方法是紫外-可見吸收光譜法和熒光光譜法。對于純化的DNA,采用紫外可見分光光度計測定樣本在260nm的吸光度(A260)是應用最廣泛的技術,其優點為快速、易于實現。熒光法則需要使用熒光探針,如Hoechst或PicoGreen熒光染料,當這些染料與DNA結合時,可以發出熒光。因為兩種方法各具優點,因此在兩者之間進行選擇,應考慮工作流中的上游和下游步驟,再決定使用哪種技術進行檢測。
圖1. 使用納米微滴2000分光光度計進行微量測定。A)低濃度樣品,儀器自動選擇一個長光程;B)高濃度樣品,儀器會自動選擇最佳的短光程精度。
濃度范圍
熒光光譜和紫外光譜之間最重要的區別是可用濃度范圍。以比色皿為基礎的紫外-可見吸收光譜分光光度計,通常能夠在大約0.4~75ng/μl范圍內進行測量,而可變光程微量儀器如賽默飛世爾科技公司的微量紫外分光光度計NanoDrop 2000,不受固定光程比色皿的使用限制,可測量范圍達到15000ng/μl。大多數實驗室的樣品,通常都在這些濃度范圍之內。然而在某些情況下使用A260(如腫瘤活檢等醫學上的應用),則會因為濃度太低或樣本純度不夠,無法進行精確的定量。
在這種情況下,可使用熒光光譜法測定,如應用賽默飛的微量熒光分光光度計NanoDrop 3300,可量化0.05~2000pg/μl之間的DNA樣本。選擇分光光度計時,最重要的考慮因素也許是儀器的動態范圍(如圖1所示)。可能需要使用不同光程的比色皿或配件,進行多次測量,或分析多個稀釋樣品。這樣不僅浪費時間,也會對樣品造成浪費。除非樣本濃度是在配件的精確范圍之內,否則無法提供準確的數據。
污染物檢測
使用熒光分光儀,排除了污染物的檢測;而使用分光光度計,通過比較260nm、280nm和230nm處的吸光度,更有利于DNA樣品的純度評估。如A260/A280和A260/A230的比值,建立起了良好的“確定樣品純度的方法”,前者表示蛋白質的污染水平,后者表示潛在的碳水化合物污染或提取過程中攜帶的化學物質。
圖2. 純化的、未污染的DNA光譜(A),相同的DNA樣本含有胍(B)和(C)苯酚。通常可分別在230nm和260nm處觀察到光譜中的波谷和峰值波長的變化。
此外,對光譜形狀的檢查,尤其是波峰和波谷的波長可以進一步提供有關污染物的信息(如圖2所示)。一些污染物表現出特定的光譜特征,如苯酚,在270nm處有很強的吸收峰。通常在260nm處出現的一個強的吸收峰,移位到接近270nm處的一個更高的波峰——如果出現此種情況,容易診斷酚污染。
特異性
所有核苷酸的光吸收峰都為260nm,因此分光光度計一般無法對雙鏈DNA,單鏈DNA,RNA和未結合的核苷酸進行區分。為了精確地量化從生物樣品中提取的DNA,要求DNA不能包含其他的核酸,或必須使用熒光分光儀。許多市售的DNA提取試劑盒,對DNA是高度選擇性的,通常采用RNase酶去除RNA,并且通過適當的洗滌除去未結合的核苷酸。然而,一些DNA提取方法,特別是許多“自制”的方法,提取特異性較差,會導致出現DNA和RNA的混合物,在這種情況下,使用一個特定的熒光探針,無需進一步純化就可實現量化。
速度
由于應用的技術有所不同,DNA定量的速度差異也很大。雖然許多儀器制造商強調一次只能進行單一的測量,但這往往具有一定的誤導性。
考慮速度的同時,更應該考慮整個過程,包括很多步驟,如儀器的預熱和軟件的編制、上樣、制備稀釋樣品、測量時間、樣品清除、洗滌,數據輸出和濃度計算等。傳統的分光光度計通常需要預熱期,使用比色皿、稀釋和手工計算濃度,需要花費大量的時間。
圖3. NanoDrop 2000體積小巧,節省了實驗室的寶貴空間。
雖然后期研發的一些儀器不需要進行預熱,為了最大限度的節省時間,需使用如納米微滴用工具。A260的關鍵優勢在于,使用紫外可見分光光度計可以直接測量樣品。而應用熒光試劑,在測量前必須準備試劑,與樣品混合,隨后獲得的標準曲線,實際上增加了完成DNA定量所需的時間。
標準曲線
紫外可見光譜依賴于DNA的吸光度,可以直接進行測量,而不需要準備儀器或樣品。熒光分光光度計依賴于樣品所用的熒光,不同批次的熒光團、設備、培養時間或溫度,都會帶來一定的差異。若采用標準曲線,則可以去除這些差異,因此在樣品定量前,必須要測量標準曲線。
與標準曲線一樣,標準本身必須是可靠的,通常需準備一系列稀釋液。若降低標準,或樣品以任何方式被污染,或稀釋系列不是精心準備的,都將無法保證樣品量化結果的正確性。
小結
當然,紫外-可見吸收光譜和熒光光譜法二者的優點同時存在的情況還是有的,比如下一代測序方案需要采用這兩種技術去測量,以準確地量化DNA的特異性,以及通過檢測樣品光譜、評估污染物的存在。然而,對許多用戶來說,采用其中一種量化的技術就足夠了。刀御天元純度較高的樣品,紫外可見光譜法更為常用,主要是因為其速度和易用性;如果樣品濃度很低或在樣品中檢測到RNA,就需要把額外的時間和精力用于熒光測量。