2001年2月12日，中、美、日、德、法、英等國(guó)科學(xué)家和美國(guó)賽萊拉公司公布了人類基因組圖譜和初步分析結(jié)果。這是人類對(duì)自身奧秘的探索史上一個(gè)重要的里程碑。研究結(jié)果顯示，人類 99.99%的基因是相同的，僅萬(wàn)分之一的不同基因造就了個(gè)體間豐富的差異。了解這種差異對(duì)于基礎(chǔ)生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等方面研究都具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

在基因研究中，聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)( Polymerase chain reaction，PCR)是一種常用手段。PCR技術(shù)最先由 Mullis 等在1985 年發(fā)明，并獲得了1993 年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。PCR的過程包括 3 個(gè)步驟: 變性、退火、延伸，需要在高低中 3 個(gè)不同的溫度( 高溫變性: 90℃～95℃，低溫退火: 55℃～60℃; 中溫延伸: 70℃～72℃) 下進(jìn)行。除了反應(yīng)區(qū)域溫度的調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)中還涉及到反應(yīng)物、酶、DNA 模板溶液體積的精準(zhǔn)測(cè)量，反應(yīng)體系的混合，溶液的驅(qū)動(dòng)和控制等。傳統(tǒng)的PCR儀器中的反應(yīng)是通過樣品槽–反應(yīng)管–樣品之間的熱傳遞實(shí)現(xiàn)的，存在反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、反應(yīng)體積大、能量消耗多、易產(chǎn)生副產(chǎn)物、不便于集成與攜帶等缺陷。

微流控( Microfluidics) 是一門在μm～mm尺度下研究流體的處理與操控的技術(shù)，集成化的微流控芯片還可以將采樣、稀釋、反應(yīng)、分離、檢測(cè)、分析等多個(gè)步驟融為一體，已廣泛用于化學(xué)、生物等各領(lǐng)域。利用微流控芯片，傳統(tǒng) PCR儀存在的各種問題都有了解決的可能。例如:微小的反應(yīng)體系可以使熱傳遞更迅速，顯著提高擴(kuò)增速度，同時(shí)避免非特異性擴(kuò)增，提高反應(yīng)效率;全封閉的體系可以減少頻繁的手工操作引入的樣本污染和溶液損失;系統(tǒng)微型便攜，利于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)等。

一、微流控 PCR芯片

用于制作微流控芯片的材料有硅、玻璃、石英、金屬和有機(jī)聚合物如環(huán)氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚碳酸酯(PC)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。其中,硅和玻璃具有良好的化學(xué)惰性和熱穩(wěn)定性,與硅相比,玻璃的機(jī)械強(qiáng)度更高,是制作PCR芯片的主要材料。 PDMS生物相容性好,可塑性強(qiáng), 并且PDMS表面與很多材料表面都有很好的親和力,易于實(shí)現(xiàn)可逆封裝,可以用于制作生化分析器 件。 但是PDMS的導(dǎo)熱系數(shù)小,散熱性差等特性在某些情況下不利于 PCR 反應(yīng)的進(jìn)行,可以與熱傳導(dǎo)性能好的玻璃形成混合芯片結(jié)構(gòu),同時(shí)改善PCR芯片的散熱和光學(xué)性能。

根據(jù)芯片的結(jié)構(gòu)差異可將PCR芯片分為靜止 PCR與動(dòng)態(tài) PCR，或微池型PCR( Microchamber PCR，MC-PCR) 與連續(xù)流動(dòng) PCR( Continuous-Flow PCR，CF-PCR) 。

微池型 PCR的特點(diǎn)在于，反應(yīng)體系不流動(dòng)，通過芯片整體升溫降溫的循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)反應(yīng); 連續(xù)流動(dòng)PCR則由反應(yīng)液體循環(huán)流過不同溫區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增。在連續(xù)流動(dòng)型 PCR芯片中，反應(yīng)溶液沿著微通道在3個(gè)固定的溫度區(qū)連續(xù)流動(dòng)，3個(gè)溫度分別對(duì)應(yīng)高溫變性區(qū)、低溫退火區(qū)和中溫延伸區(qū)，在每個(gè)溫區(qū)的流動(dòng)時(shí)間和速度決定了反應(yīng)時(shí)間。每流過3 個(gè)溫區(qū)為一次循環(huán)， PCR溶液按照所需的循環(huán)數(shù)依次流動(dòng)，最后完成整個(gè)擴(kuò)增反應(yīng)。

1.微池型 PCR芯片

微池型 PCR芯片是傳統(tǒng) PCR的微型化，有單反應(yīng)池，液滴虛擬微池及微池陣列3 種設(shè)計(jì)。單反應(yīng)池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，1993 年由 Northrup 等首次報(bào)道，他們?cè)诠杌|(zhì)上刻蝕出空腔，加入 50 μL反應(yīng)液進(jìn)行PCR擴(kuò)增。Giordano 等在2001 年采用聚酰亞胺材料制作單池 PCR芯片(如圖1A 所示) ，利用紅外加熱，在4 min 內(nèi)完成了對(duì)長(zhǎng)度為500 bp 的 DNA 片段的擴(kuò)增。Neuzil 等采取以礦物油包裹 PCR溶液的方式，形成了液滴虛擬微池來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)增(如圖 1B 所示) ，可以有效減少反應(yīng)溶液的揮發(fā)，他們?cè)O(shè)計(jì)的芯片能夠快速地升溫降溫，最后通過融解曲線分析和毛細(xì)管電泳兩種方法檢驗(yàn)純度。微池陣列是在單反應(yīng)池的基礎(chǔ)上增加反應(yīng)通量得到。Matsubara 等在一塊長(zhǎng)3英寸、寬1英寸的 硅片上刻蝕了1248 個(gè)微孔，每個(gè)微孔容積為50 nL( 如圖 1C 所示) 。PCR反應(yīng)液用點(diǎn)樣儀加入每個(gè)微池，再用石蠟油密封。Cai 等則是將 PCR反應(yīng)液通入芯片中，進(jìn)行預(yù)載入，之后通過芯片多層之間的滑動(dòng)使溶液進(jìn)入微室陣列中，最后分別進(jìn)行擴(kuò)增與成像，免去了頻繁加樣的繁瑣操作。微池型 PCR的關(guān)鍵在于體系溫度的快速切換，需要優(yōu)化儀器的溫度控制來(lái)縮短循環(huán)時(shí)間，其次因?yàn)榉磻?yīng)體積微小，需要精密的加樣儀器或是利用微流控芯片結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高通量。

圖1微池型 PCR芯片: (A) 單反應(yīng)池 PCR芯片，(B) 液滴虛擬微池 PCR芯片， (C) 微池陣列 PCR芯片

2.蛇形通道 PCR芯片

蛇形通道PCR芯片由Kopp 等在1998年首次提出，蛇形通道 PCR芯片的經(jīng)典形狀是平行式(如圖2A所示) ，隨后 Schaerli 等在 2009 年開發(fā)出了輻射式排布的蛇形通道芯片，同時(shí)結(jié)合了液滴技術(shù)，將納升級(jí)的 PCR反應(yīng)液包裹在油相之中，沿著通道在溫區(qū)間循環(huán)。Jiang 等在 2014 年同樣設(shè)計(jì)了一款輻射式通道的芯片(圖2B)，利用太陽(yáng)能加熱，并通過智能手機(jī)裝載的熒光檢測(cè)器檢測(cè)反應(yīng)的進(jìn)行。這種芯片的溫區(qū)一般以高溫–中溫–低溫的形式排布，加熱元件有Cu、Pt、Al等金屬或是ITO (indium tin oxide，銦錫氧化物) 電極等，為了提高芯片的溫度控制效率和3個(gè)溫區(qū)的精確控制，芯片還與溫度傳感器集成，并且通過熱隔離槽來(lái)降低溫區(qū)間的熱交換。雖然在一些特別的模板和引物條件下，PCR反應(yīng)中的退火和延伸溫度可以一致，只需兩個(gè)溫區(qū)就可以進(jìn)行 PCR擴(kuò)增，但是3個(gè)溫區(qū) PCR芯片適用性更廣。然而3個(gè)溫區(qū)芯片存在的一個(gè)問題是，高溫區(qū)解鏈產(chǎn)物在經(jīng)過中溫延伸區(qū)時(shí)可能會(huì)與 DNA 模板或互補(bǔ)鏈配對(duì)重新回到雙鏈狀態(tài)導(dǎo)致退火失敗，降低擴(kuò)增效率。而更改溫區(qū)的排布會(huì)使得芯片的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。

圖2蛇形通道型 PCR芯片:(A) 平行通道 PCR芯片，(B) 輻射通道 PCR芯片

3.螺旋通道 PCR芯片

螺旋通道PCR芯片可以有效解決溫區(qū)布局的問題。在這類芯片中，3個(gè)溫區(qū)以扇形排布，反應(yīng)溶液沿著通道盤旋流動(dòng)，依次經(jīng)過高低中3個(gè)溫區(qū)。DNA 的高溫變性產(chǎn)物直接進(jìn)入低溫退火區(qū)，避免了在延伸區(qū)雙鏈復(fù)性的可能，提高擴(kuò)增效率。螺旋通道 PCR芯片有平面式與圓柱式兩種，Hashimoto 等研制的 PCR芯片就是平面結(jié)構(gòu)( 如圖3A 所示) ，他們?cè)O(shè)計(jì)的芯片分左右兩個(gè)區(qū)域。他們利用這款芯片對(duì)反應(yīng)液流速進(jìn)行了探索，最終可以分別在1.7和3.2 min內(nèi)完成500 bp 及997 bp 的DNA片段的20次循環(huán)擴(kuò)增與檢測(cè)。Park 等將一條長(zhǎng)3.5 m 的彈性石英管在有3個(gè)溫區(qū)的圓柱加熱器上螺旋式纏繞33 周，實(shí)現(xiàn)了 PCR擴(kuò)增。隨后 Dorfman 等也研制了類似的 PCR設(shè)備(如圖3B 所示) ，他們利用不混溶的氟化溶劑將反應(yīng)液分隔成液滴的形式，借助對(duì)界面性質(zhì)的優(yōu)化控制使得相鄰液滴不會(huì)相互污染，以達(dá)到高通量的目的。Shu 等采用空氣對(duì)液體片段進(jìn)行隔離，發(fā)展了一種在螺旋通道微流控裝置上進(jìn)行的高通量快速核酸擴(kuò)增方法，可以在一個(gè)液滴里同時(shí)擴(kuò)增4 種病原菌的靶基因，對(duì)實(shí)驗(yàn)中涉及的4 種病原菌的基因組同時(shí)檢測(cè)的靈敏度可以達(dá)到100 copies/μL。

相比而言，平面式結(jié)構(gòu)緊湊但每個(gè)循環(huán)的長(zhǎng)度不一致，圓柱式體積比較大但是每個(gè)循環(huán)長(zhǎng)度一致，流體控制較為簡(jiǎn)便。蛇形通道與螺旋通道 PCR芯片的共同特點(diǎn)是，PCR的循環(huán)次數(shù)和時(shí)間受到整個(gè)通道的長(zhǎng)度和流體速度的限制，一旦芯片結(jié)構(gòu)固定，循環(huán)次數(shù)也相對(duì)固定。

圖3螺旋通道型 PCR裝置: ( A) 平面螺旋通道 PCR 裝置，( B) 圓柱螺旋通道 PCR裝置

4.振蕩式PCR芯片

振蕩式PCR是近年來(lái)隨著微流控技術(shù)不斷發(fā)展衍生的新方法。在振蕩式裝置中，循環(huán)次數(shù)不會(huì)受微通道長(zhǎng)短限制。振蕩式PCR裝置由反應(yīng)微通道、流體驅(qū)動(dòng)器及加熱器組成。PCR溶液在驅(qū)動(dòng)器的控制下在溫區(qū)間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，循環(huán)次數(shù)可以隨意調(diào)節(jié)，在各個(gè)溫區(qū)的反應(yīng)時(shí)間也可以通過改變各溫區(qū)的長(zhǎng)度和流動(dòng)速度來(lái)優(yōu)化(見圖4) 。Wang 等將1 μL PCR反應(yīng)液以液滴的形式注入微通道中，反應(yīng)液液滴兩端以石蠟油封裝，通過雙向蠕動(dòng)泵的控制使液滴在 3 個(gè)溫區(qū)中循環(huán)，可以在15 min 內(nèi)完成對(duì)人乳頭瘤細(xì)菌 DNA 的擴(kuò)增。隨后，其他研究者們也設(shè)計(jì)了類似的芯片對(duì)黑色素瘤相關(guān)的酪氨酸酶基因，沙門氏菌、大腸桿菌、李斯特菌等以及食物來(lái)源的病原體的 DNA 進(jìn)行了檢測(cè)。

振蕩式 PCR芯片與蛇形通道式 PCR芯片有個(gè)共同點(diǎn)是，PCR反應(yīng)溶液在循環(huán)過程中不得不在高溫變性后穿過延伸區(qū)，才能來(lái)到退火區(qū)，但是通過流體驅(qū)動(dòng)器的調(diào)節(jié)，可以盡量縮短這段過程的時(shí)間，避免DNA雙鏈復(fù)性。

圖4 振蕩型 PCR裝置

5.閉環(huán)式PCR芯片

閉環(huán)式 PCR芯片的原理與平面螺旋式 PCR芯片類似，同樣是通過驅(qū)動(dòng) PCR溶液在平面內(nèi)的環(huán)形通道內(nèi)循環(huán)流過3個(gè)溫區(qū)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)增反應(yīng)。反應(yīng)溶液依次經(jīng)過高低中3個(gè)溫區(qū)，避免了 DNA 復(fù)性影響擴(kuò)增效率。根據(jù)驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)的原理可以分為溫差環(huán)流、對(duì)流驅(qū)動(dòng)和外力(如浮力、磁力、壓力等) 驅(qū)動(dòng)的閉環(huán) PCR。與螺旋式 PCR不同的是，閉環(huán)式 PCR每個(gè)循環(huán)都是在同一個(gè)環(huán)形通道中進(jìn)行，因此每次循環(huán)的長(zhǎng)度是一致的，芯片體積小，利于集成化和平行化高通量擴(kuò)增。Krishnan 等首次開發(fā)了一種利用雷諾–貝納爾( RayleighBenard) 自然對(duì)流驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行的 PCR設(shè)備(如圖5A 所示) ，PCR反應(yīng)液在61℃和97℃的密閉空間內(nèi)往復(fù)流動(dòng)， DNA 的擴(kuò)增效率會(huì)受到雷諾數(shù)(Ra) 和密閉腔體的高度與直徑的比值( h/d) 的影響。Sun等將多個(gè)閉環(huán)通道合并在一塊芯片內(nèi)(如圖 5B 所示) ，利用中心的磁鐵同時(shí)對(duì)四重閉環(huán)內(nèi)的磁性流體進(jìn)行操縱，磁性流體繼而推動(dòng)反應(yīng)液在環(huán)內(nèi)流動(dòng)，循環(huán)通過3個(gè)溫區(qū)。Xu 等通過 ITO 電極加熱控制3 個(gè)溫區(qū)的溫度，采用壓縮氮?dú)庾鳛轵?qū)動(dòng)力，氣體的釋放由開關(guān)控制，反應(yīng)液在通道內(nèi)的移動(dòng)同時(shí)需要微閥的配合(如圖5C 所示) 。在這種設(shè)計(jì)的 PCR芯片中，反應(yīng)時(shí)間、循環(huán)次數(shù)、反應(yīng)溫度都是可以根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置的，大大提高了芯片的適用性。

圖5 閉環(huán)型 PCR設(shè)備: (A) 雷諾-貝納爾對(duì)流驅(qū)動(dòng)式閉環(huán) PCR 裝置; (B) 磁流體驅(qū)動(dòng)式閉環(huán) PCR裝置;(C) 壓力驅(qū)動(dòng)式閉環(huán) PCR 裝置

二、芯片 PCR 產(chǎn)物的檢測(cè)與分析

在只具有擴(kuò)增功能的 PCR芯片中，反應(yīng)完成后，擴(kuò)增產(chǎn)物一般采用離線的凝膠電泳、毛細(xì)管電泳等分離檢測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證，這與傳統(tǒng) PCR儀相比并沒有優(yōu)勢(shì)，在線的檢測(cè)方法在提高檢測(cè)通量、減少交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)等方面更具有前景，因此發(fā)展功能集成化的芯片也是研究者追求的方向。

毛細(xì)管電泳法

毛細(xì)管電泳(Capillary electrophoresis，CE) 的原理是擴(kuò)增產(chǎn)物在進(jìn)入檢測(cè)通道前，先通過嵌入型染料進(jìn)行標(biāo)記，隨后在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下遷移運(yùn)動(dòng)，因不同片段長(zhǎng)度的 DNA 分子遷移速度不同而被分離。檢測(cè)器有紫外、熒光等。將 PCR與毛細(xì)管電泳結(jié)合最早是由 Mathies 課題組在1996 年提出，他們將硅片PCR芯片與玻璃毛細(xì)管電泳芯片通過環(huán)氧樹脂連接在起一次， PCR擴(kuò)增后的產(chǎn)物經(jīng)芯片的十字交叉口注入分離通道進(jìn)行電泳。他們隨后又利用類似的方法對(duì)人類基因組 DNA 進(jìn)行擴(kuò)增并且可以對(duì)性別進(jìn)行鑒定;之后還對(duì)病原微生物的 DNA 進(jìn)行了檢測(cè)，檢出限可以低至2～3個(gè)細(xì)菌。近年來(lái)，PCR與CE的結(jié)合也逐漸朝著集成化的方向發(fā)展。毛細(xì)管電泳因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分析迅速，是最常用的分離檢測(cè)方法，然而它的缺陷在于只能分辨 DNA 序列的大小而無(wú)法區(qū)分 DNA 序列的不同。

熒光檢測(cè)法

熒光檢測(cè)法也是目前微流控 PCR芯片中常用的檢測(cè)方法之一。研究者將芯片與熒光成像系統(tǒng)結(jié)合，不但可以在終點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)物檢測(cè)，還可以借助熒光探針和芯片結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)的進(jìn)行過程。熒光終點(diǎn)檢測(cè)一般用于判斷 PCR的成功與否或進(jìn)行半定量分析，但是實(shí)時(shí)熒光檢測(cè)則可以通過循環(huán)閾值的方法進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析。然而循環(huán)閾值定量方法會(huì)受到擴(kuò)增效率的影響，Vogelstein 等在1999 年提出了數(shù)字PCR( digital PCR) 的概念，通過將樣本分配到成百上千個(gè)反應(yīng)單元中，每個(gè)單元只包含一個(gè)或多個(gè)拷貝的DNA分子，在每個(gè)反應(yīng)單元中分別進(jìn)行PCR擴(kuò)增，擴(kuò)增結(jié)束后對(duì)各個(gè)單元的熒光信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，最終獲得定量結(jié)果。反應(yīng)單元越多，數(shù)字PCR的結(jié)果越準(zhǔn)確，且不會(huì)受到擴(kuò)增效率的影響。微池型 PCR芯片與熒光檢測(cè)相結(jié)合，進(jìn)行數(shù)字PCR是目前的研究熱點(diǎn)之一。

在線熒光檢測(cè)除終點(diǎn)檢測(cè)、實(shí)時(shí)檢測(cè)，還包括熒光融解曲線分析。這是一種可以與實(shí)時(shí)熒光 PCR有機(jī)結(jié)合的檢測(cè)技術(shù)，在 PCR結(jié)束后，利用現(xiàn)有的溫度梯度，從退火溫度緩慢升溫至變性溫度即可完成，具有靈敏、準(zhǔn)確，且可以防止污染的優(yōu)點(diǎn)。Crews 課題組采用這種分析技術(shù)，在 20 min內(nèi)完成了對(duì)人類唾液中的 DNA 的擴(kuò)增與唾液來(lái)源的性別確認(rèn)。

電化學(xué)方法

電化學(xué)方法是一種通過對(duì)電極的功能化修飾( 如固定探針、酶、適配體等) ，特異性地捕捉目標(biāo)擴(kuò)增產(chǎn)物，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)(電壓、電流、電阻) 的檢測(cè)手段，具有靈敏性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且可以通過微加工技術(shù)集成在微流控芯片上，因此最近也被發(fā)展用于 PCR產(chǎn)物檢測(cè)。Fang等將蛇形通道 PCR芯片與電化學(xué)檢測(cè)相結(jié)合，在退火溫區(qū)集成了三電極陣列，對(duì)每個(gè)循環(huán)進(jìn)行實(shí)時(shí)的產(chǎn)物檢測(cè)。電化學(xué)方法中所用到的探針可以是特定序列的一段核酸多聚物，通過與目標(biāo)產(chǎn)物的特異性結(jié)合產(chǎn)生電信號(hào)的改變，因此電化學(xué)方法可以在一定程度上分辨產(chǎn)物的核酸序列。

DNA 雜交微陣列

DNA 雜交微陣列是針對(duì)特定序列產(chǎn)物的一種檢測(cè)手段，可以對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物序列進(jìn)行分析。通 過精細(xì)的微加工技術(shù)，可以將 PCR芯片與固定有大量寡核苷酸探針的微陣列相結(jié)合，PCR產(chǎn)物與探針完全互補(bǔ)，二者結(jié)合后則會(huì)產(chǎn)生熒光圖樣，通過這些熒光圖樣就可以獲得擴(kuò)增產(chǎn)物的序列信息。研究者們通過 DNA 雜交微陣列的方法在低豐度的 DNA 突變檢測(cè)、流感病毒檢測(cè)、 HIV 病毒基因分型等方面進(jìn)行了探索。

三、微流控 PCR芯片分析應(yīng)用實(shí)例

隨著微機(jī)電加工技術(shù)（MEMS）的快速發(fā)展，微流控 PCR芯片也在向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、功能集成化、便攜式、一次性的方向發(fā)展，目前已有不少文獻(xiàn)報(bào)道了可以在線完成完整的生物樣本分離與分析的裝置，為生物學(xué)和醫(yī)藥學(xué)等學(xué)科的研究帶來(lái)了很多應(yīng)用價(jià)值。

Sciancalepore 等在2011 年構(gòu)建了一款振蕩型 PCR芯片，也是第一款巢式 PCR芯片。芯片由PDMS與玻璃基質(zhì)兩層鍵合而成，PDMS中包裹有一根玻璃毛細(xì)管，作為 PCR反應(yīng)的通道。毛細(xì)管中填充了硅化試劑玻璃基質(zhì)表面通過電子束蒸發(fā)沉積的方式設(shè)置了3個(gè)鈦/鉛復(fù)合電極，作為微加熱器，并與溫度傳感器結(jié)合，分別控制 PCR過程中需要的3個(gè)溫度，升/降溫速度可以達(dá)到16℃/s。反應(yīng)液滴通過毛細(xì)管兩端的流體泵控制，在3個(gè)溫區(qū)間循環(huán)。巢式 PCR的特點(diǎn)在于引物包括內(nèi)外兩套，外引物完成第一次 PCR后的產(chǎn)物作為內(nèi)引物的模板，進(jìn)行第二次 PCR。這種擴(kuò)增方式的特異性和靈敏性都明顯高于普通的PCR。利用這款巢式PCR芯片在55 min 內(nèi)完成對(duì)酪氨酸激酶基因的擴(kuò)增，可以用于惡性黑色素瘤的診斷，比傳統(tǒng) PCR儀的速度提高了4 倍。

Tian 等提出了一款利用負(fù)壓協(xié)助完成 DNA 純化和數(shù)字 PCR檢測(cè)的微流控芯片。芯片分為 DNA純化區(qū)與數(shù)字PCR區(qū)，以磁珠吸附生物樣品裂解液中的DNA，并在磁鐵的幫助下固定在純化區(qū)， 經(jīng)過兩步清洗后，從磁珠上洗脫，與PCR試劑混合，再借助負(fù)壓使溶液流入PCR區(qū)的微孔陣列中后，用硅油與未凝固的PDMS 混合物沖走多余的樣品，在溫度循環(huán)的過程中，未固化的PDMS 混合物也會(huì)逐漸凝固，起到封鎖進(jìn)樣通道的作用。氣壓控制通道則注入水，使PCR區(qū)域保持濕潤(rùn)，避免試劑的蒸發(fā)。擴(kuò)增完成后，通過對(duì)每個(gè)微孔中熒光強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)以及樣品的稀釋倍數(shù)可以對(duì)樣品濃度進(jìn)行定量。數(shù)字 PCR的關(guān)鍵在于需要將樣品溶液分配至成百上千個(gè)單獨(dú)的反應(yīng)孔中，使每個(gè)孔里只含有1～2個(gè) DNA 模板或是沒有，這款芯片利用了 PDMS 的透氣性，在芯片外用注射器抽吸，使空腔內(nèi)形成負(fù)壓，從而完成了樣品溶液的分配，擺脫了對(duì)自動(dòng)加樣器的依賴。

微流控 PCR芯片的形式從最初單個(gè)微池或是簡(jiǎn)單的蛇形通道逐漸變得越來(lái)越豐富，并且在微閥、微泵等功能元件的組合下，功能也越來(lái)越完善，研究者們的思維也在逐步地?cái)U(kuò)展，出現(xiàn)了許多巧妙的設(shè)計(jì)。但是芯片的結(jié)構(gòu)并非越復(fù)雜越好，繁瑣的流體操作會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，也會(huì)對(duì)芯片制作帶來(lái)麻煩，因此在完成實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡那疤嵯拢M量簡(jiǎn)化芯片結(jié)構(gòu)才是重點(diǎn)。

目前， PCR芯片在流體操作方面已經(jīng)基本由機(jī)械化自動(dòng)化的流體泵來(lái)完成，為了擺脫對(duì)流體泵的依賴，也有研究者提出了一些利用材料的表面張力自驅(qū)動(dòng)的芯片，在樣品制備方面也出現(xiàn)了不少可以直接利用功能結(jié)構(gòu)在線提取和純化的芯片，然而在在線檢測(cè)方面仍舊有待改進(jìn)。熒光檢測(cè)是最為便捷和靈敏的檢測(cè)手段，但是需要依賴于昂貴的光學(xué)儀器和攝像設(shè)備，毛細(xì)管電泳與凝膠電泳則相對(duì)廉價(jià)但是受到精度和靈敏度的限制，離線檢測(cè)耗時(shí)耗力又易引入污染。所以，發(fā)展一種能夠在線檢測(cè)，且低成本、高速度、高通量的檢測(cè)方法，是今后的研究重點(diǎn)，可以向電化學(xué)生物傳感器的方向考慮。

我們相信在更為精細(xì)的微機(jī)電加工、更為準(zhǔn)確的溫度與流體控制、更為靈敏的數(shù)碼影像分析下，微流控芯片的制作會(huì)越來(lái)越精巧，PCR的操作會(huì)更高效和便捷，基因分析的結(jié)果會(huì)更穩(wěn)定和豐富?；谖⒘骺匦酒耐怀鰞?yōu)點(diǎn)和人們對(duì)新技術(shù)新方法的需求，微流控 PCR芯片將在今后的基因研究中逐漸占據(jù)一席之地。

微流控 PCR芯片的形式從最初單個(gè)微池或是簡(jiǎn)單的蛇形通道逐漸變得越來(lái)越豐富，并且在微閥、微泵等功能元件的組合下，功能也越來(lái)越完善，研究者們的思維也在逐步地?cái)U(kuò)展，出現(xiàn)了許多巧妙的設(shè)計(jì)。但是芯片的結(jié)構(gòu)并非越復(fù)雜越好，繁瑣的流體操作會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，也會(huì)對(duì)芯片制作帶來(lái)麻煩，因此在完成實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡那疤嵯拢M量簡(jiǎn)化芯片結(jié)構(gòu)才是重點(diǎn)。

目前， PCR芯片在流體操作方面已經(jīng)基本由機(jī)械化自動(dòng)化的流體泵來(lái)完成，為了擺脫對(duì)流體泵的依賴，也有研究者提出了一些利用材料的表面張力自驅(qū)動(dòng)的芯片，在樣品制備方面也出現(xiàn)了不少可以直接利用功能結(jié)構(gòu)在線提取和純化的芯片，然而在在線檢測(cè)方面仍舊有待改進(jìn)。熒光檢測(cè)是最為便捷和靈敏的檢測(cè)手段，但是需要依賴于昂貴的光學(xué)儀器和攝像設(shè)備，毛細(xì)管電泳與凝膠電泳則相對(duì)廉價(jià)但是受到精度和靈敏度的限制，離線檢測(cè)耗時(shí)耗力又易引入污染。所以，發(fā)展一種能夠在線檢測(cè)，且低成本、高速度、高通量的檢測(cè)方法，是今后的研究重點(diǎn)，可以向電化學(xué)生物傳感器的方向考慮。

我們相信在更為精細(xì)的微機(jī)電加工、更為準(zhǔn)確的溫度與流體控制、更為靈敏的數(shù)碼影像分析下，微流控芯片的制作會(huì)越來(lái)越精巧，PCR的操作會(huì)更高效和便捷，基因分析的結(jié)果會(huì)更穩(wěn)定和豐富?；谖⒘骺匦酒耐怀鰞?yōu)點(diǎn)和人們對(duì)新技術(shù)新方法的需求，微流控 PCR芯片將在今后的基因研究中逐漸占據(jù)一席之地。

微流控 PCR芯片的形式從最初單個(gè)微池或是簡(jiǎn)單的蛇形通道逐漸變得越來(lái)越豐富，并且在微閥、微泵等功能元件的組合下，功能也越來(lái)越完善，研究者們的思維也在逐步地?cái)U(kuò)展，出現(xiàn)了許多巧妙的設(shè)計(jì)。但是芯片的結(jié)構(gòu)并非越復(fù)雜越好，繁瑣的流體操作會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，也會(huì)對(duì)芯片制作帶來(lái)麻煩，因此在完成實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡那疤嵯?，盡量簡(jiǎn)化芯片結(jié)構(gòu)才是重點(diǎn)。

四、總結(jié)與展望

目前， PCR芯片在流體操作方面已經(jīng)基本由機(jī)械化自動(dòng)化的流體泵來(lái)完成，為了擺脫對(duì)流體泵的依賴，也有研究者提出了一些利用材料的表面張力自驅(qū)動(dòng)的芯片，在樣品制備方面也出現(xiàn)了不少可以直接利用功能結(jié)構(gòu)在線提取和純化的芯片，然而在在線檢測(cè)方面仍舊有待改進(jìn)。熒光檢測(cè)是最為便捷和靈敏的檢測(cè)手段，但是需要依賴于昂貴的光學(xué)儀器和攝像設(shè)備，毛細(xì)管電泳與凝膠電泳則相對(duì)廉價(jià)但是受到精度和靈敏度的限制，離線檢測(cè)耗時(shí)耗力又易引入污染。所以，發(fā)展一種能夠在線檢測(cè)，且低成本、高速度、高通量的檢測(cè)方法，是今后的研究重點(diǎn)，可以向電化學(xué)生物傳感器的方向考慮。

我們相信在更為精細(xì)的微機(jī)電加工、更為準(zhǔn)確的溫度與流體控制、更為靈敏的數(shù)碼影像分析下，微流控芯片的制作會(huì)越來(lái)越精巧，PCR的操作會(huì)更高效和便捷，基因分析的結(jié)果會(huì)更穩(wěn)定和豐富?；谖⒘骺匦酒耐怀鰞?yōu)點(diǎn)和人們對(duì)新技術(shù)新方法的需求，微流控 PCR芯片將在今后的基因研究中逐漸占據(jù)一席之地。

內(nèi)容來(lái)源：何啟迪黃丹萍黃冠陳纘光《微流控 PCR芯片的研究進(jìn)展》（轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除）