磁珠的構成

一般磁珠由三層構成，最里面是聚苯乙烯，外面包裹一層磁性物質四氧化三鐵，最外面再包一層官能基團修飾的高分子材料，上面偶聯不同的官能團。不同功能的磁珠，偶聯的官能團不同，純化核酸用的一般是羧基（-COOH）。

磁珠結構示意圖

當然不僅磁珠應用在核酸制備上，在化學發光、細胞分選、蛋白純化等應用磁珠依然是大顯身手，是因為不同的官能基團，或者偶聯其他，如蛋白抗體等。

磁珠吸附DNA的原理

NGS上用的最多還是貝克曼的XP磁珠。這種羧化磁珠比羥基磁珠產量更高，非特異性結合更少。(Solid-phase reversible immobilization，SPRI）：

（1）反應體系中，較高濃度的 PEG 和 NaCl 導致 DNA 分子水化層脫去，DNA膠體熱力學穩定性破壞，構象也隨之改變，DNA分子發生聚集沉淀，帶負電荷的磷酸基團大量暴漏在外面；

（2）帶電荷的磷酸基團通過 Na^+^與羧基形成“離子橋”，使得 DNA 被特異吸附到帶羧基的磁珠表面。（該過程是可逆的，在適當條件下，結合的 DNA 分子可以被洗脫回收）

DNA吸附原理圖

純化磁珠進行 “片段分選” 的原理

磁珠雙選很大程度依賴于PEG：PEG作為一種分子擁擠試劑，達到一定的濃度時，奪取了一定的水，溶液環境變化，會使較大DNA的結構變緊湊，發生坍塌性的轉變而凝聚。不同長度的DNA構象穩定性不同，在遵循熱力學規律的情況下，溶液環境與分子擁擠試劑的濃度有很大的關系。即在特定的溶液中，當PEG濃度達到某一臨界值時，就會發現一定大小以上的DNA分子構象非連續的發生凝聚。

（1） DNA越長 ：表面裸露出來帶負電的磷酸基團越多，整條分子帶的負電就更強，更容易吸附到磁珠，只需要較低濃度的PEG和NaCl，就可以回收（需要加入的磁珠體積更小）。

（2） DNA越短 ：就需要更高濃度的PEG和NaCl，將其表面的水化層破壞得更徹底，裸露出來足夠多帶負電的磷酸基團，才能被磁珠吸附住，從而回收回來（需要加入的磁珠體積更大）。

磁珠純化圖

此外，體系中的PEG還可以增加溶液的粘稠度，讓磁珠保持懸浮不容易沉聚，在DNA binding過程中更充分與DNA接觸，同時PEG也不易造成蛋白變性和非特異性吸附。但是PEG的DNA沉聚效果容易收到pH、溫度等的影響，溫度過低PEG也不易與水完全互溶，所以磁珠一般都要求室溫平衡后再用，其儲存buffer里也會加一些低濃度的pH穩定劑，如Tris-HCl等。

酒精清洗及DNA洗脫

酒精清洗 ：第一，DNA在這個濃度的酒精里溶解度很低；第二，DNA這個時候是聚集狀態，磁珠剛好提供一個聚集的奇點，讓DNA沉聚在其周圍，所以絕大部分DNA不會掉下來。但酒精濃度很重要，一般都要求新鮮配制。濃度太低，鹽離子可以清洗得更干凈，但是體系中過多的水會將部分DNA從磁珠上溶解下來，造成DNA損失，DNA的回收率可能會收到影響。濃度越高，體系中水越少，清洗鹽離子的能力減弱，可能會使鹽離子清洗不干凈，但DNA的溶解度小，回收率高；

DNA洗脫 ：酒精清理后，先需要晾干磁珠上殘留的酒精，以防影響下游實驗。（注意晾干時磁珠表面無光澤即可，過度干燥，體系失水過多，會導致磁珠DNA進一步聚集，最終DNA很難回溶到水中，影響回收率）晾干后加入水或者TE buffer，這時體系中已經沒有鈉離子和PEG，無法形成電橋結構，帶負電的DNA和磁珠之間相排斥，水重新包裹DNA形成水化層，使其從磁珠上洗脫下來，溶解到溶液中。