什么是PCR？

聚合酶鏈反應(PCR polymerase chain reaction)技術是一種完美的體外無限擴增核酸的技術。首先將DNA模板、引物(primer)、Taq酶、緩沖液、dNTP(A、T、C、G四種堿基)等混合均勻，加熱至一定溫度（94℃)使模板失去活性，雙鏈解離，形成單鏈DNA，這個過程稱之為DNA的變性(melting or denaturation)；然后降溫至一定溫度(55℃)，使引物和DNA模板復性，兩者發生特異性結合，此階段稱之為退火(annealing)；最后再加熱到一定的溫度(72℃)，使Taq酶活性達到最大，在Tap多聚酶的作用下,以dNTP為原料,以引物為復制的起點,合成新鏈，此過程稱之為延伸(extension)。這三個階段可概括為：高溫變性——低溫退火——中溫延伸。如此重復改變反應溫度,即高溫變性、低溫退火和中溫延伸三個階段為一個循環，每一次循環使特異區段的基因拷貝數放大一倍，一般樣品是經過30次循環，最終使基因放大了數百萬倍。將擴增產物進行電泳,經溴化乙錠染色,在紫外燈照射下肉眼能見到擴增特異區段的DNA帶。

PCR微流控芯片的優勢

第一代PCR是PE-Cetus公司的熱循環儀。第二代是靜態的微反應槽PCR芯片(micro chamber PCR chip)。第三代PCR技術是PCR微流控芯片。 

下面我們從反應體積大小,循環時間的長短等幾個方面對這三類PCR技術做個比較。 

通過表1的對比,我們可以看出PCR微流控芯片較前兩種技術的優勢是:在保證一定擴增效率的前提下,反應體積可變,樣品的輸入和輸出是連續的,反應從靜態變為動態;反應時間縮短。

PCR微流控芯片的分類

PCR微流控裝置主要可分為反應池內固定擴增式PCR(Chamber stationary PCR microfluidics),連續流動式PCR(Continuous-flow PCR microfluidics)和熱對流驅動PCR(Thermal convection-driven PCR microfluidics)三種形式。

 1. 反應池內固定擴增式PCR 

是傳統PCR擴增的微型化,其反應速度仍然受PCR反應體系的熱容、反應池襯底材料的熱容、加熱器以及傳感器的熱容等因素制約,因此需要對PCR系統的熱容優化以便縮短反應時間和減少能量消耗。 

一種反應池內固定擴增式PCR示意圖 

2. 連續流動式PCR   

DNA樣品和反應試劑連續流動經過三個不同的恒溫帶,從而達到DNA片段熱循環擴增的目的,該方法由于不需要反復地加熱或冷卻PCR裝置,加熱-冷卻速度一般不受PCR裝置系統的熱容所限制,反應速度較快。

一種連續流動式PCR示意圖

3. 熱對流驅動PCR 

是基于Rayleigh-Be?nard對流原理。這種裝置不需要借助外   熱對流驅動PCR力只需要浮力就能驅動PCR試劑流經不同的溫度區，跟前兩種相比，這種芯片制造簡單，價格低廉，而且具有更快的溫度傳導速度，更易于集成。

一種熱對流驅動PCR示意圖