基因（遺傳因子）是產(chǎn)生一條多肽鏈或功能RNA所需的全部核苷酸序列。基因支持著生命的基本構(gòu)造和性能。儲(chǔ)存著生命的種族、血型、孕育、生長(zhǎng)、凋亡等過(guò)程的全部信息。PCR技術(shù)是基因研究的重要手段之一，但傳統(tǒng)PCR技術(shù)存在反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、能量消耗大、不便于集成與攜帶等缺陷，微流控技術(shù)與PCR結(jié)合可以有效縮小反應(yīng)體系，提高反應(yīng)效率，且易于集成化與微型化。

本文采用【圖解】的方式，講解微流控PCR芯片的分類(lèi)，原理以及應(yīng)用。幫助大家了解認(rèn)識(shí)微流控PCR芯片技術(shù)，并在各自研究領(lǐng)域應(yīng)用微流控PCR技術(shù)。

什么是PCR

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（英文：Polymerase chain reaction，縮寫(xiě)：PCR），是一種分子生物學(xué)技術(shù)，用于擴(kuò)增特定的DNA片段，這種方法可在生物體外進(jìn)行，不必依賴(lài)大腸桿菌或酵母菌等生物體。PCR過(guò)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。

微流控PCR芯片

Kopp設(shè)計(jì)的世界上第一款微流控PCR裝置

微流控PCR芯片，是基于微流控技術(shù)的PCR反應(yīng)裝置。微流控裝置體積小巧，樣本需求小，成本低，利于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)；并且具有小的熱質(zhì)，低的熱慣性和快速的熱傳遞，以及巨大的比表面積，可以顯著提高擴(kuò)增速度。同時(shí)，具有高度集成性，全封閉性，可以減少手工操作，有效避免樣本污染。

微流控PCR芯片分類(lèi)

空間型：流體在微通道運(yùn)動(dòng)，溫度區(qū)域固定

時(shí)間型：流體在微通道不動(dòng)，通道內(nèi)溫度變化

LAMP芯片: 恒溫?cái)U(kuò)增，擴(kuò)增過(guò)程無(wú)需溫度變化

數(shù)字PCR：核酸分子絕對(duì)定量技術(shù)。將樣品稀釋到單分子水平，并平均分配到幾十至幾萬(wàn)個(gè)單元中進(jìn)行反應(yīng)，在擴(kuò)增結(jié)束后對(duì)每個(gè)反應(yīng)單元的熒光信號(hào)進(jìn)行采集，最后通過(guò)直接計(jì)數(shù)或泊松分布公式計(jì)算得到樣品的原始濃度或含量。

微流控PCR空間型-蛇形式

采用三塊銅片作為加熱器的蛇形微流控PCR芯片

微流控PCR空間型-輻射式

一種由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的便攜式PCR裝置，采用輻射式圓盤(pán)作為PCR芯片，圓盤(pán)的徑向三個(gè)區(qū)域溫度不同。擴(kuò)增數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)狡桨咫娔X進(jìn)行分析。

微流控PCR空間型-螺旋式

Park 等將一條長(zhǎng)3.5m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。其中a為變性區(qū)，b為退火區(qū)，c為延伸區(qū)，d為絕熱區(qū)。

微流控PCR空間型-振蕩式

微流體通道內(nèi)的振蕩液滴示意圖。樣品液滴在三個(gè)不同的加熱器之間振蕩移動(dòng)，用于變性（a），退火（b）和延伸（c），第二個(gè)PCR循環(huán)（d-f）

微流控PCR空間型-閉環(huán)式

Sun 團(tuán)隊(duì)將多個(gè)閉環(huán)通道合并在一塊芯片內(nèi)，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(guò) 3 個(gè)溫區(qū)。

微流控PCR時(shí)間型-集成式

Manage等制作的集成式微流控PCR芯片，可以對(duì)全血樣本檢測(cè)處理。與PCR腔室相鄰的是微流控閥，可以泵送流體。擴(kuò)增完成后，該裝置可以使用毛細(xì)管電泳分離PCR產(chǎn)物。

微流控PCR時(shí)間型-離心式

左圖為存儲(chǔ)試劑的微流控盤(pán)片（GeneSlice）和右圖兼容轉(zhuǎn)子架（Rotor），可以容納四個(gè)微流控盤(pán)片運(yùn)行。GeneSlice包括樣品預(yù)擴(kuò)增室，用于轉(zhuǎn)移預(yù)擴(kuò)增產(chǎn)物的毛細(xì)管虹吸閥，用于樣品等分結(jié)構(gòu)室，等分結(jié)構(gòu)將多余的液體引導(dǎo)到廢物室，用于壓力均衡的通氣孔膜覆蓋。所有需要的試劑都以?xún)龈苫蝻L(fēng)干形式預(yù)先儲(chǔ)存。

微流控LAMP芯片

Fang等采用PDMS和玻璃制成的微流控LAMP芯片，用于多種基因分析。該芯片由10個(gè)微腔體，以及相互連接的微通道構(gòu)成。

微流控?cái)?shù)字PCR芯片

Song等設(shè)計(jì)的具有蛇形通道的數(shù)字PCR芯片，該芯片包括反應(yīng)室和分支通道。a，第一步樣品（紅色染料）流過(guò)真空的PDMS裝置；b，反應(yīng)室充滿(mǎn)樣品；c，試用油流過(guò)微通道；d，將樣品分成單個(gè)體積。形成的獨(dú)立的腔室，經(jīng)過(guò)擴(kuò)增后，通過(guò)數(shù)字處理方式，對(duì)擴(kuò)增結(jié)果進(jìn)行分析。

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