Ion Torrent
Ion Torrent 是全球首款商业化的基于半导体芯片技术的二代测序 (NGS) 平台，由 Jonathan Rothberg 团队发明，现归属于 Thermo Fisher Scientific（赛默飞世尔）。与 Illumina 和 PacBio 等依赖光学信号（荧光）的测序技术本质不同，Ion Torrent 摒弃了复杂的光学系统（激光、相机、酶标），通过密布于芯片上的 ISFET（离子敏场效应晶体管）传感器，直接检测 DNA 聚合过程中释放的 氢离子 ($H^+$) 引起的 pH 值变化来判读碱基序列。这一“将化学信号转化为数字信号”的机制，赋予了其测序速度快、仪器成本低的优势，但均聚物 (Homopolymer) 测序误差是其主要的固有缺陷。
原理解析：当生物学遇上摩尔定律
Ion Torrent 的核心理念是将测序视为一种“pH 计”的测量过程。其芯片结构类似于数码相机的 CMOS 传感器，但底层的像素点不是感光二极管，而是对离子敏感的 ISFET。
- 1. 生化反应： 当 DNA 聚合酶将一个核苷酸（dNTP）添加到生长链的 3' 末端时，会形成一个磷酸二酯键，并释放出一个焦磷酸基团（PPi）和一个氢离子 ($H^+$)。
$$ \text{DNA}_n + \text{dNTP} \rightarrow \text{DNA}_{n+1} + \text{PPi} + H^+ $$ - 2. 信号检测： 芯片上的微孔（Well）底部是 ISFET 传感器。释放的 $H^+$ 导致微孔内的 pH 值发生微小变化（通常 $\Delta pH \approx 0.02$），这一化学信号被 ISFET 瞬间转化为电压信号 $\Delta V$。
- 3. 序列判读： 测序仪按顺序依次向流动池中通入 A、C、G、T 四种 dNTP。如果电压发生跳变，说明有碱基掺入；如果没有变化，说明不匹配。
技术瓶颈：均聚物的噩梦
Ion Torrent 最大的技术挑战在于处理均聚物 (Homopolymer)，即连续相同的碱基序列（如 AAAAA）。
| 现象 | 信号表现 | 结果 |
|---|---|---|
| 单碱基 (A) | 产生标准电压脉冲 (1x Voltage)。 | 准确读出 "A"。 |
| 双碱基 (AA) | 一次性掺入两个 A，释放两倍 $H^+$，产生 2x 电压。 | 准确读出 "AA"。 |
| 长均聚物 (AAAAAA) | 信号强度线性增加，但信噪比下降。 | 难以区分 6个A 和 7个A 的电压微小差异。导致插入/缺失错误 (Indel)。 |
对比： Illumina 使用可逆终止子，强制每次只延伸一个碱基，因此不存在均聚物问题；而 Ion Torrent 使用天然 dNTP，无法物理阻断连续延伸。
临床应用：唯快不破
尽管存在 Indel 缺陷，Ion Torrent 在临床特定领域（特别是肿瘤伴随诊断）仍占有一席之地：
● 速度极快： 由于没有光学扫描和复杂的化学循环，测序时间仅需 2-4 小时（Illumina 通常需 20+ 小时）。这对急需用药指导的晚期癌症患者至关重要。
● Oncomine 解决方案： Thermo Fisher 围绕 Ion Torrent 打造了强大的 Oncomine 试剂盒生态，是 FDA 批准的首个 NGS 伴随诊断产品，广泛用于检测 EGFR, BRAF, ALK 等靶点。
● 样本量灵活： 芯片通量设计灵活，更适合医院内部（In-hospital）的小批量样本检测，无需凑样。
学术参考文献 [Academic Review]
[1] Rothberg JM, et al. (2011). An integrated semiconductor device enabling non-optical genome sequencing. Nature.
[点评]：Ion Torrent 的奠基之作。Jonathan Rothberg 继 454 测序后再次登上 Nature 封面，证明了半导体技术与生物学的完美融合。
[2] Merriman B, et al. (2012). Progress in Ion Torrent semiconductor chip based sequencing. Electrophoresis.
[点评]：详细讨论了 Ion Torrent 芯片的迭代升级（从 314 到 318 芯片），以及针对均聚物误差的算法改进。
[3] Loman NJ, et al. (2012). Performance comparison of benchtop high-throughput sequencing platforms. Nature Biotechnology.
[点评]：早期的第三方评测，对比了 MiSeq (Illumina) 和 PGM (Ion Torrent)，指出了 Ion Torrent 在 Indel 错误率上的劣势和在速度上的优势。