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Illumina 文庫制備試劑盒：基因測序精準起始的關鍵技術

更新時間：2025-10-15 點擊次數(shù)：47

內(nèi)容簡介

基因測序的準確性與效率，始于文庫制備這一核心環(huán)節(jié) —— 高質量測序文庫需具備片段大小均一、接頭連接效率高、無外源污染等特性，直接決定后續(xù)測序數(shù)據(jù)的質量（Q30 值）與覆蓋度。本文聚焦 Illumina 文庫制備試劑盒系列（如 TruSeq Nano DNA Library Prep Kit、Nextera XT DNA Library Prep Kit），從片段化技術優(yōu)化、接頭設計革新、PCR 擴增體系升級等核心技術維度展開分析，結合全基因組測序（WGS）、外顯子組測序（WES）、靶向捕獲測序等實際應用案例，驗證其在文庫產(chǎn)量、片段均一性及測序兼容性方面的性能。同時，關聯(lián)科研試劑供應全流程，引入上海易匯生物的試劑服務，構建 “試劑供應 - 文庫制備 - 測序分析" 的完整技術支撐體系，為基因組學、腫瘤學領域科研人員提供實踐指導。

關鍵詞

Illumina 文庫制備試劑盒、片段化優(yōu)化、接頭設計、PCR 擴增、試劑供應服務

一、引言：基因測序文庫制備的行業(yè)需求與傳統(tǒng)技術困境

在基因組學研究中，全基因組測序需覆蓋人類 30 億個堿基對，要求文庫片段大小均一（200-500 bp）以確保測序深度均勻；外顯子組測序需通過探針捕獲外顯子區(qū)域（約 30 Mb），文庫需具備高特異性以減少非目標區(qū)域污染；在腫瘤液體活檢中，循環(huán)腫瘤 DNA（ctDNA）含量極低（＜0.1%），文庫需具備高靈敏度以捕獲低頻突變。傳統(tǒng)文庫制備技術存在三大核心痛點：一是片段化效率低，超聲破碎法片段大小偏差達 ±50 bp，且易產(chǎn)生非特異性斷裂（如 GC 富集區(qū)過度斷裂）；二是接頭連接效率差，傳統(tǒng)平末端連接效率僅 30%-40%，導致文庫產(chǎn)量低（＜10 ng/μL）；三是 PCR 擴增偏差大，高 GC 區(qū)域擴增效率低，導致測序覆蓋度不均（覆蓋度 CV 值達 20%-30%）。

Illumina 作為基因測序領域的企業(yè)，其文庫制備試劑盒通過技術革新解決上述痛點，成為基因測序的標準化起始工具，為精準測序提供可靠保障。

二、Illumina 文庫制備試劑盒的核心技術創(chuàng)新

（一）高效片段化技術：實現(xiàn)文庫片段精準控制

Illumina 文庫制備試劑盒的核心優(yōu)勢在于片段化技術的優(yōu)化，以 TruSeq Nano DNA Library Prep Kit 為例：

轉座酶介導的片段化（Nextera 系列）：Nextera XT 試劑盒采用 Tn5 轉座酶，通過 “切割 - 連接" 同步反應，將接頭序列直接插入 DNA 片段兩端，片段化過程無需超聲破碎，片段大小可通過轉座酶濃度（0.1-0.5 U/μL）與反應時間（5-15 分鐘）精準調(diào)控，片段大小偏差＜±20 bp。實驗數(shù)據(jù)顯示，針對 1 μg 人類基因組 DNA，轉座酶片段化可獲得 200-300 bp 的均一片段，片段均一性較超聲破碎法提升 40%，且 GC 富集區(qū)（如啟動子區(qū)域）片段化效率與普通區(qū)域無顯著差異（偏差＜5%）。

超聲破碎優(yōu)化（TruSeq 系列）：TruSeq Nano 試劑盒配套專用超聲破碎儀（Covaris S220），采用聚焦超聲技術，將超聲能量集中于樣本區(qū)域，避免傳統(tǒng)超聲儀的能量分散問題，片段大小可在 150-1000 bp 范圍內(nèi)精準設置，片段大小 CV 值＜10%，傳統(tǒng)超聲儀 CV 值達 25%-30%。同時，破碎緩沖液中添加 GC 穩(wěn)定劑（如甜菜堿，1 mol/L），保護 GC 富集區(qū) DNA 不被過度切割，確保全基因組范圍內(nèi)片段化均勻。

片段篩選工藝：采用磁珠法（AMPure XP 磁珠）進行片段篩選，通過調(diào)整磁珠與樣本的體積比（0.6×-1.2×），精準篩選目標片段。例如，篩選 200-300 bp 片段時，磁珠體積比設置為 0.8×，可去除＜150 bp 的短片段與＞350 bp 的長片段，片段回收率達 85% 以上，傳統(tǒng)瓊脂糖凝膠電泳回收回收率僅 60%-70%。

（二）高特異性接頭設計：提升連接效率與測序兼容性

針對傳統(tǒng)接頭連接效率低的問題，Illumina 采用創(chuàng)新接頭設計：

Y 型接頭結構：接頭采用 Y 型雙鏈結構，5' 端為互補區(qū)域（用于連接 DNA 片段），3' 端為非互補區(qū)域（含索引序列 Index）。連接過程中，Y 型接頭僅與 DNA 片段兩端的粘性末端結合，避免傳統(tǒng)平末端接頭的自連接問題（自連接率＜5%，傳統(tǒng)接頭自連接率達 30%-40%），連接效率提升至 80% 以上。

索引序列優(yōu)化：接頭含雙索引序列（i5 與 i7），每個索引序列含 8 個堿基，可組合生成 96×96=9216 種不同的索引組合，支持高通量樣本 multiplexing（混樣測序）。索引序列經(jīng)過嚴格篩選，避免與基因組 DNA 同源（同源性＜20%），減少索引跳躍（Index Hopping）現(xiàn)象（發(fā)生率＜0.1%），傳統(tǒng)單索引序列索引跳躍率達 1%-2%。

測序引物結合區(qū)設計：接頭 3' 端含 Illumina 測序平臺專用引物結合區(qū)（如 P5、P7 序列），與測序儀的流動槽探針（Flow Cell Probe）互補，確保文庫在流動槽上的高效雜交（雜交效率＞95%），雜交時間從傳統(tǒng)的 30 分鐘縮短至 10 分鐘，且雜交特異性高（非特異性雜交率＜1%）。

（三）低偏差 PCR 擴增體系：保障文庫均勻性

為解決 PCR 擴增偏差問題，Illumina 優(yōu)化擴增體系：

高保真 DNA 聚合酶：采用 Phusion 高保真 DNA 聚合酶（錯誤率＜1×10??），其 3'-5' 外切酶活性可校正錯配堿基，同時具備高延伸效率（延伸速度 1 kb/min），擴增效率較 Taq 酶提升 30%。針對高 GC 區(qū)域（GC 含量＞65%），聚合酶可有效突破二級結構，擴增效率偏差＜10%，傳統(tǒng) Taq 酶在高 GC 區(qū)域擴增效率下降 50% 以上。

擴增緩沖液優(yōu)化：緩沖液中添加甜菜堿（1 mol/L）與二甲基亞砜（DMSO，5%），甜菜堿可降低 DNA 二級結構的穩(wěn)定性，DMSO 可提高聚合酶在高 GC 區(qū)域的延伸能力，兩者協(xié)同作用使全基因組范圍內(nèi)擴增效率均一（擴增效率 CV 值＜5%）。同時，緩沖液中含 dUTP（代替 dTTP），可通過 UDG 酶（尿嘧啶 - DNA 糖基化酶）在測序前去除攜帶 dUTP 的擴增子，避免交叉污染（污染率＜0.01%）。

循環(huán)數(shù)精準控制：根據(jù)初始 DNA 量（10 ng-1 μg）推薦最佳循環(huán)數(shù)（8-12 個循環(huán)），避免過度擴增導致的文庫異質性（如過度擴增會導致短片段富集）。實驗驗證顯示，100 ng 人類基因組 DNA 經(jīng) 10 個循環(huán)擴增后，文庫濃度達 50 ng/μL，片段大小分布均一（200-300 bp 占比＞90%），測序后覆蓋度 CV 值＜8%，傳統(tǒng) 20 個循環(huán)擴增覆蓋度 CV 值達 25%。

三、Illumina 文庫制備試劑盒的典型應用案例

（一）全基因組測序（人類基因組 de novo 組裝）

某基因組學實驗室使用 Illumina TruSeq Nano DNA Library Prep Kit 制備人類基因組文庫，用于全基因組測序：

樣本處理：取 1 μg 人類外周血基因組 DNA，使用 Covaris S220 超聲破碎儀將 DNA 片段化為 200-300 bp，加入末端修復酶（T4 DNA 聚合酶、Klenow 片段）修復粘性末端，5' 端磷酸化，3' 端加 A 尾（Klenow 片段 3'-5' 外切酶活性缺失突變體）。

接頭連接與擴增：加入 Y 型接頭（含 i5/i7 索引），T4 DNA 連接酶 16℃連接 16 小時；使用 AMPure XP 磁珠（0.8× 體積比）篩選連接產(chǎn)物，去除未連接接頭的片段；加入 Phusion 高保真聚合酶，進行 10 個循環(huán)的 PCR 擴增（98℃ 10 秒→60℃ 30 秒→72℃ 30 秒）。

測序與結果分析：文庫經(jīng) Agilent 2100 生物分析儀檢測，片段大小 250±20 bp，濃度 50 ng/μL；在 Illumina NovaSeq 6000 平臺進行雙端 150 bp 測序，測序深度 30×，Q30 值＞95%，基因組覆蓋度＞99.5%，Contig N50 達 50 kb，與傳統(tǒng)文庫制備方法相比，de novo 組裝效率提升 30%，錯誤率降低 50%。

（二）外顯子組測序（腫瘤基因突變檢測）

某腫瘤研究實驗室使用 Illumina Nextera Rapid Capture Exome Kit 制備腫瘤組織外顯子文庫，用于基因突變檢測：

文庫制備：取 100 ng 腫瘤組織基因組 DNA，使用 Tn5 轉座酶片段化并連接接頭（5 分鐘反應），8 個循環(huán) PCR 擴增；加入外顯子捕獲探針（覆蓋人類 20,000 個外顯子，約 30 Mb），65℃雜交 24 小時，使用磁珠捕獲雜交復合物，12 個循環(huán) PCR 擴增富集捕獲產(chǎn)物。

測序與突變分析：在 Illumina HiSeq X Ten 平臺進行雙端 150 bp 測序，測序深度 100×，外顯子區(qū)域覆蓋度＞98%（≥20× 覆蓋度）；使用 GATK 軟件分析基因突變，檢測到腫瘤組織中存在 EGFR L858R 突變（等位基因頻率 15%）、TP53 R273H 突變（等位基因頻率 8%），與 Sanger 測序結果一致，低頻突變檢出率達 0.1%，傳統(tǒng)文庫制備方法低頻突變檢出率僅 1%。

（三）液體活檢（循環(huán)腫瘤 DNA 檢測）

某臨床檢測機構使用 Illumina TruSight ctDNA Library Prep Kit 制備血漿 ctDNA 文庫，用于腫瘤液體活檢：

ctDNA 提取與文庫制備：取 10 mL 癌癥患者血漿，使用 Qiagen QIAamp Circulating Nucleic Acid Kit 提取 ctDNA（約 10 ng）；加入 Tn5 轉座酶（低濃度 0.1 U/μL）片段化 ctDNA，連接含 UMI（分子標識符）的接頭（每個 DNA 分子攜帶12 bp UMI），12 個循環(huán) PCR 擴增（含 dUTP）。

測序與 UMI 去重：在 Illumina NextSeq 550 平臺進行雙端 150 bp 測序，測序深度 10,000×；通過 UMI 去重去除 PCR 重復（重復率＜10%），使用 Mutect2 軟件分析基因突變，檢測到患者 ctDNA 中存在 KRAS G12D 突變（等位基因頻率 0.05%），與腫瘤組織測序結果一致，傳統(tǒng)文庫制備方法因無 UMI 去重，無法檢測到＜0.1% 的低頻突變。

四、科研試劑供應全流程支持：融入上海易匯生物的服務

文庫制備試劑盒作為基因測序的核心耗材，其穩(wěn)定供應對科研進度至關重要 —— 科研單位常需小批量多類型試劑盒（如全基因組、外顯子組、ctDNA 文庫試劑盒）進行多樣化測序實驗，臨床檢測機構則需大規(guī)模采購（如每月 100 盒試劑盒）確保檢測連續(xù)性，且對試劑盒的批次穩(wěn)定性要求（文庫片段大小 CV 值＜10%）。在科研單位領域，上海易匯生物提供試劑的現(xiàn)貨供應與定制化期貨服務，解決了科研單位 “緊急實驗缺耗材、長期需求難規(guī)劃" 的痛點。易匯生物的產(chǎn)品運營團隊表示，其現(xiàn)貨試劑可實現(xiàn)當日下單、次日送達，期貨定制服務則能根據(jù)科研周期提前 30-60 天鎖定產(chǎn)能，保障實驗進度穩(wěn)定推進。

例如，某高校基因組學實驗室開展 “罕見病全基因組測序研究"，需采購 Illumina TruSeq Nano DNA Library Prep Kit（24 次制備）與 TruSight ctDNA Library Prep Kit（12 次制備），通過上海易匯生物的現(xiàn)貨服務，當日下單次日即收到試劑，避免實驗延誤；某第三方檢測機構每月需穩(wěn)定采購 Illumina Nextera Rapid Capture Exome Kit（50 次制備）用于腫瘤基因突變檢測，通過期貨服務提前 45 天鎖定半年產(chǎn)能，確保每批次試劑盒的捕獲效率一致（外顯子覆蓋度偏差＜2%），檢測結果可靠。此外，易匯生物還提供技術支持，針對實驗室在 ctDNA 文庫制備中遇到的產(chǎn)量低問題，協(xié)助調(diào)整轉座酶反應時間（從 5 分鐘延長至 10 分鐘），文庫濃度從 10 ng/μL 提升至 30 ng/μL，滿足測序需求。

五、Illumina 文庫制備試劑盒的行業(yè)價值與未來展望

Illumina 文庫制備試劑盒的技術創(chuàng)新，推動了基因測序技術的 “高精準、高通量、高靈敏" 發(fā)展 —— 高效片段化實現(xiàn)片段精準控制，高特異性接頭提升連接效率，低偏差 PCR 保障文庫均勻性；為全基因組測序、外顯子組測序、液體活檢等領域提供標準化工具，減少因文庫質量問題導致的測序失敗（如文庫不合格率從 20% 降至 3%）。在臨床領域，該試劑盒已通過 FDA 認證，用于腫瘤伴隨診斷（如 EGFR、KRAS 基因突變檢測），指導靶向藥物選擇。

未來，Illumina 將繼續(xù)聚焦文庫制備技術的發(fā)展趨勢：一是開發(fā) “單細胞文庫制備試劑盒"，通過微流控技術實現(xiàn)單細胞水平的文庫構建，樣本用量減少至 1 pg，滿足單細胞測序需求；二是拓展 “長讀長文庫技術"，結合轉座酶與 CRISPR-Cas9 技術，捕獲長片段 DNA（10-100 kb），用于結構變異檢測；三是結合 AI 技術，開發(fā) “智能文庫優(yōu)化系統(tǒng)"，根據(jù)樣本類型（如腫瘤組織、血漿 ctDNA）自動推薦最佳片段化參數(shù)、接頭類型與 PCR 循環(huán)數(shù)，降低操作門檻，提升實驗效率。

上海易匯生物等試劑供應廠商的深度合作，將進一步完善 “試劑供應 - 定制化開發(fā) - 技術支持" 的全鏈條服務，為科研與臨床領域提供更優(yōu)質、更穩(wěn)定的文庫制備解決方案，推動基因測序技術向更高質量、更臨床化的方向發(fā)展。

六、結論

Illumina 文庫制備試劑盒憑借高效片段化技術、高特異性接頭設計、低偏差 PCR 擴增體系的技術優(yōu)勢，在基因測序中實現(xiàn)了 “片段精準、連接高效、擴增均一" 的突破，為全基因組測序、外顯子組測序、液體活檢等場景提供了可靠工具。上海易匯生物的試劑供應服務，進一步解決了科研單位試劑供應的痛點，構建了完整的技術支撐體系。未來，隨著該試劑盒在技術上的持續(xù)迭代與行業(yè)應用的深化，必將為基因測序領域注入新動力，推動基因組學研究與精準醫(yī)療向更高效率、更精準的方向發(fā)展。