DNA 萃取（DNA extraction/isolation）是分子生物學的奠基技術，自 Friedrich Miescher 1869 年首次從膿液白血球分離「nuclein」以來，技術已發展出針對不同樣本、不同下游應用的多種方法學。本節涵蓋核心原理、現代高通量方法與特殊樣本挑戰。
選擇性沉澱的理論基礎
DNA 在水中以高度水合的多陰離子形式存在（每個磷酸基團負電）。陽離子（Na⁺）中和負電後，加入有機溶劑（乙醇、異丙醇）使溶液介電常數下降，靜電遮蔽減弱，DNA 鏈間磷酸基相互作用增強形成聚集體沉澱。沉澱效率受離子強度、pH、溫度、有機溶劑類型影響。NaOAc（pH 5.2）較常用於 PCR 產物沉澱；NaCl 適用於高分子量 gDNA；LiCl 高濃度可選擇性沉澱 RNA 而非 DNA（用於蛋白質純化中的核酸去除）。
Phenol-chloroform 萃取的化學機理
苯酚（pH ~8 for DNA, pH ~4 for RNA）使蛋白質變性，疏水區暴露，遷入有機相；DNA 留在水相。氯仿增強相分離並去除殘留苯酚。Isoamyl alcohol（24:1 with chloroform）防泡沫。儘管效果優異，苯酚毒性與廢液處理成本使其在常規應用中被 column-based 方法取代。
Silica-based 純化的機制
Guanidinium thiocyanate（chaotropic）破壞水分子的氫鍵網絡，使 DNA 與 silica（SiO₂）表面的 Si-O⁻ 經由橋接的金屬陽離子（或質子化形式）結合。低鹽 elution 解除此結合釋放 DNA。此方法形成今日多數商業套組基礎（QIAGEN spin column, Roche, Promega, Macherey-Nagel）。
磁珠技術（SPRI: Solid-Phase Reversible Immobilization）
DeAngelis et al.（1995）發明：氧化矽包覆的順磁性微珠在 PEG/NaCl 沉澱條件下結合 DNA，磁鐵分離後低鹽溶離。優點：可調 PEG 濃度進行大小選擇（size selection），ratio 0.6× 保留 >500 bp，1.0× 保留 >100 bp。NGS 文庫製備、cleanup 必備工具。AMPure XP、HighPrep 為商業代表。
特殊樣本挑戰
- FFPE 組織：福馬林固定造成 DNA-蛋白質交聯與胞嘧啶脫胺，需長時間 proteinase K 消化、高溫去交聯，仍會有 C>T 假突變（影響低頻 mutation calling）
- 古 DNA（aDNA）：嚴重片段化（<100 bp）、化學損傷（深層去胺）、外源 DNA 汙染。需專用 cleanroom、UDG 修補酶（Uracil-DNA Glycosylase 去除損傷胞嘧啶）、加母系線粒體富集策略
- 單細胞 DNA：起始量極低（~6 pg），需 whole genome amplification（MDA、MALBAC、PicoPLEX）但會引入 allele dropout 與不均勻擴增偏差
- 環境 eDNA：水、土壤中游離 DNA 含 PCR inhibitors（腐植酸、富里酸），需特殊 column 或多次 cleanup
- 高 GC 樣本（細菌）：需特殊 lysis（lysozyme + SDS + 高溫）打破 GC-rich 細胞壁
- 植物 DNA：CTAB 萃取對抗多醣與多酚干擾（β-mercaptoethanol 抑制酚氧化）
長片段 DNA 萃取
Nanopore、PacBio 第三代定序需要 >50 kb 完整片段。技術要點：避免劇烈渦旋與 pipetting、寬口 tip、超低速磁珠回收、agar plug 嵌入細胞後溶解（Bionano）。Phenol-chloroform 配合慢速旋轉至今仍是最高分子量黃金標準。
品質控制與下游兼容性
A260/A280 = 1.8 ± 0.1 為純 DNA，<1.7 可能殘留蛋白質。A260/A230 = 2.0-2.2 反映 phenol、guanidinium、carbohydrate 殘留。Qubit dsDNA 螢光（PicoGreen 結合雙股 DNA）較 UV 法準確。電泳判斷完整性與分子量分布。對於下游 NGS，TapeStation/BioAnalyzer 提供 DIN（DNA integrity number）量化分數。
ethical and legal considerations
人類 DNA 萃取涉及 IRB 倫理審查、informed consent、HIPAA 個資保護。直接消費基因檢測（23andMe、AncestryDNA）的家屬隱私涉及法醫資料庫的法律邊界，2018 Golden State Killer 案件首次大規模使用 GEDmatch 公開資料庫進行 forensic genealogy。