PCR 芯片技术 --纪念 Kary Mullis 获得诺奖 30 周年

PCR 仪器发展的趋势之一变得更加微型化， PCR 芯片就是在这种趋势下诞生的。PCR 芯片就是在微型的载体上进行 PCR 反应，是微型化的 PCR 仪。芯片 PCR 不仅节省了大量反应试剂因此降低了实验成本，还有助于提高反应速度。下面就让我们回顾下 PCR 芯片的发展历史：

早在 1994 年 Peter Wilding 等人就通过在硅表面蚀刻的三维小室放入 PCR 反应物，然后通过半导体加热制冷片控制温度，扩增出了 PCR 产物。虽然当时实验效果不如使用成品化的 PCR 仪效果好，但他们预言 PCR 芯片将来一定会扮演重要的角色。

随后，Adam T. Woolley 等人将基于硅片小室的 PCR 扩增和基于毛细管电泳（CE）的芯片成功耦合起来，PCR 反应的加热和冷却速率可以分别达到 10℃/s 和 5℃/s。借助高速（<120s）毛细管电泳可直接分离和分析扩增产物，而无需经过传统的凝胶电泳分析。Woolley 指出若以后可以将样品制备也整合到 PCR 芯片中，可加速人类基因组工程的进展。

Martin U. Kopp 等人则创造性的采用连续流 PCR 芯片。不同于在基于硅片小室的 PCR 芯片和成品化的 PCR 仪上采用的固定反应液位置，周期改变外部温度的反应方式，Martin U. Kopp 等人采用「时空转换」的思路，使反应液在毛细管中依赖静水压，不断地连续流过芯片上的三个独立的不同温度区（95℃ 变性，60℃ 退火，77℃ 延伸）。不像固定反应液位置的方式反应液温度变化要受到仪器固有加热和冷却速率的影响，采用新的方式使温度变化只受把反应液转移到下一个温度区所用时间的影响，因此反应液加热和冷却的时间可小于 100ms。

Krishnan M 等人则利用瑞利-贝纳尔（Rayleigh-Benard）对流原理设计了一种热对流 PCR 芯片。在形成的高温（97℃）到低温（61℃）的温度梯度的对流场（convective flow field）中，利用热对流效应 (thermally driven convective flows) 驱动腔体内的反应液连续流过与变性、退火和延伸反应相对应的温度区域。

参考文献：

Agrawal N (2006) Design and characterization of convective thermal cyclers for high-speed dna analysis. Doctor's Thesis, Texas A&M University, TX

Bejat Y D (2001) Micro-chip design, numberical simulation and micro-PIV diagnostics for DNA assays. Master's Thesis, Louisiana State University, Baton Rouge, LA

Kopp M U., de Mello A J., Manz A (1998) Chemical amplification: continous-flow PCR on a chip. Science 280:1046-1048

Krishnan M, Ugaz V M, Burns M A (2002) PCR in a Rayleigh-Bernard convection cell. Science 298:793

Wilding P, Shoffner M A., Kricka L J. (1994) PCR in a silicon microstructure. Clin Chem 40/9:1815-1818

Mitchell M (2002) Design and microfabrication of a molded polycarbonate continuous flow polymerase chain reaction device. Master's Thesis, Louisiana State University, Baton Rouge, LA

Woolley A T., Hadley D., Landre P., deMello A J., Mathies R A., Northrup M. A (1996) Functional integration of PCR amplification and capillary electrophoresis in a microfabricated DNA analysis device. Anal Chem 68:4081-4086