用于核酸扩增的微流控PCR热循环仪

聚合酶链式反应（PCR）在核酸扩增检测中至关重要，广泛应用于传染病检测、肿瘤筛查和食品安全检测等许多应用；然而，大多数PCR设备的加热和冷却速率效率低下，这大大限制了它们在医院急诊、机场和海关等特殊情况下的应用。科研人员提出了一种温度控制策略即微流控PCR热循环仪，通过在多个温度区之间切换微流控芯片并过度增加温度区和溶液之间的温差，显著提高溶液温度的斜坡率。结果表明，溶液温度的上升速率在一定范围内是温差的线性函数，温差越大，上升速率越快。核酸检测（NAT）因其高灵敏度和良好的特异性而成为病原微生物检测的金标准；它被用于许多应用，如传染病检测、肿瘤筛查、法医鉴定、基因组计划、食品安全检测和环境监测。例如，识别新冠肺炎感染的主要标准是NAT的结果。核酸扩增（NAA）是NAT中的一个重要步骤，能够在一段时间内大规模扩增核酸分子。聚合酶链式反应（PCR）是临床实践中最常用的NAA技术，通常包括预变性、变性、退火和延伸阶段；PCR仪器（也称为热循环仪）为这一过程提供了适当的温度条件。许多研究人员对快速热循环仪进行了更深入的研究，能够用低热容量反应器和微流体实现更快温度变化的小型化PCR仪器越来越受欢迎。

目前热循环仪的实施可分为三种主要类型：热对流、固定微室和流道类型。热对流型用于NAA，通过在反应器中的不同区域之间诱导溶液热对流，这可以允许更快的温度变化，但溶液不能保持稳定和长期的恒温，因此扩增效率值得怀疑。固定微室型是将溶液固定在一个微小的腔室中，并由加热器加热和冷却。固定式微室型的检测灵敏度可以得到有效保证，但传统的基于珀尔帖的加热方法无法实现快速PCR，因为温度变化需要很长时间，并且在临床应用中可能具有有限的潜力。

因此，深入分析影响升温速率的因素，开发具有临床应用潜力的超快热循环仪具有重要价值。本研究提出了一种温度控制策略，通过在多个温度区之间切换反应器并过度增加温度区和溶液之间的温差，显著提高溶液的升温速率；因此，科研人员设计了一种超快热循环仪，其中包含溶液的微流控芯片在三个具有特殊设置的恒温区之间循环，结合了固定微室和流道类型热循环仪的优点，为PCR提供了超快、准确和稳定的温度条件。首先，我们基于传热理论对影响溶液升温速率的关键因素进行了建模和分析，并基于相关计算数据设计和构建了一个测试平台；其次，科研人员使用温度超调策略探索了斜坡率的变化；最后，科研人员对热循环仪进行了热循环性能测试，并对真实生物样本（人巨细胞病毒，HCMV）进行了PCR检测。

在这项研究中，科研人员提出了一种温度控制策略，通过在多个温度区之间切换微流控芯片并过度增加温度区和溶液之间的温差，显著提高溶液的升温速率；因此，科研人员设计了一种超快热循环仪。实验结果表明，溶液温度的斜率在一定范围内是温差的线性函数，温差越大，斜率越快。

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