PCR微流控芯片的优势以及分类

什么是PCR？

聚合酶链反应(PCR polymerase chain reaction)技术是一种完美的体外无限扩增核酸的技术。首先将DNA模板、引物(primer)、Taq酶、缓冲液、dNTP(A、T、C、G四种碱基)等混合均匀，加热至一定温度（94℃)使模板失去活性，双链解离，形成单链DNA，这个过程称之为DNA的变性(melting or denaturation)；然后降温至一定温度(55℃)，使引物和DNA模板复性，两者发生特异性结合，此阶段称之为退火(annealing)；最后再加热到一定的温度(72℃)，使Taq酶活性达到最大，在Tap多聚酶的作用下,以dNTP为原料,以引物为复制的起点,合成新链，此过程称之为延伸(extension)。这三个阶段可概括为：高温变性——低温退火——中温延伸。如此重复改变反应温度,即高温变性、低温退火和中温延伸三个阶段为一个循环，每一次循环使特异区段的基因拷贝数放大一倍，一般样品是经过30次循环，最终使基因放大了数百万倍。将扩增产物进行电泳,经溴化乙锭染色,在紫外灯照射下肉眼能见到扩增特异区段的DNA带。

PCR微流控芯片的优势

第一代PCR是PE-Cetus公司的热循环仪。第二代是静态的微反应槽PCR芯片(micro chamber PCR chip)。第三代PCR技术是PCR微流控芯片。 

下面我们从反应体积大小,循环时间的长短等几个方面对这三类PCR技术做个比较。 

通过表1的对比,我们可以看出PCR微流控芯片较前两种技术的优势是:在保证一定扩增效率的前提下,反应体积可变,样品的输入和输出是连续的,反应从静态变为动态;反应时间缩短。

PCR微流控芯片的分类

PCR微流控装置主要可分为反应池内固定扩增式PCR(Chamber stationary PCR microfluidics),连续流动式PCR(Continuous-flow PCR microfluidics)和热对流驱动PCR(Thermal convection-driven PCR microfluidics)三种形式。

 1. 反应池内固定扩增式PCR 

是传统PCR扩增的微型化,其反应速度仍然受PCR反应体系的热容、反应池衬底材料的热容、加热器以及传感器的热容等因素制约,因此需要对PCR系统的热容优化以便缩短反应时间和减少能量消耗。 

一种反应池内固定扩增式PCR示意图 

2. 连续流动式PCR   

DNA样品和反应试剂连续流动经过三个不同的恒温带,从而达到DNA片段热循环扩增的目的,该方法由于不需要反复地加热或冷却PCR装置,加热-冷却速度一般不受PCR装置系统的热容所限制,反应速度较快。

一种连续流动式PCR示意图

3. 热对流驱动PCR 

是基于Rayleigh-Be?nard对流原理。这种装置不需要借助外   热对流驱动PCR力只需要浮力就能驱动PCR试剂流经不同的温度区，跟前两种相比，这种芯片制造简单，价格低廉，而且具有更快的温度传导速度，更易于集成。

一种热对流驱动PCR示意图