中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所傳感技術國家重點實驗室李昕欣/徐鐵剛團隊在高精度數(shù)字PCR系統(tǒng)研制方面取得重要進展，研制出依賴液相高壓環(huán)境使用PDMS薄膜芯片實現(xiàn)高性能數(shù)字PCR系統(tǒng)。相關成果以“Overcoming bubble formation in polydimethylsiloxane-made PCR chips: mechanism and elimination with high-pressure liquid seal”為題發(fā)表在學術期刊《Microsystems & Nanoengineering》上。

該文章被雜志社評選為Featured文章，并在國際學術宣傳平臺“Newswise”以“New PCR chip design: high-pressure liquid seal solves bubble problem”為題進行了高度評價。新聞評論說：“這一突破的意義遠遠超出了實驗室的范疇，這項創(chuàng)新能推動具有成本效益的一次性 PCR 芯片的開發(fā)，在臨床醫(yī)療領域可依靠有限資源獲得最先進的診斷結果。技術簡單高效，有望加速微流控 PCR 技術與臨床實踐和研究的結合，推進精準醫(yī)療的發(fā)展?！?/p>

數(shù)字PCR是近年來迅速崛起的單分子水平的精準基因定量分析技術。數(shù)字PCR通過微流控芯片技術同步進行數(shù)萬個等體積的、獨立的PCR反應，然后統(tǒng)計陽性反應比例，根據(jù)泊松分布原理計算被測樣品中目標分子的絕對數(shù)量。該技術判定不需要標準曲線，比目前廣泛應用的定量PCR產品更加精準可靠，是定量PCR技術理想的迭代更新產品?，F(xiàn)有的商業(yè)化數(shù)字PCR系統(tǒng)容易出現(xiàn)由氣泡造成的體積誤差，而且需要密封殼和微閥等復雜結構來防止PCR溶液蒸發(fā)及氣泡擴大，導致反應速度慢、成本高、操作復雜，致使應用仍主要局限于科研領域。

研究團隊闡明了PDMS芯片在PCR過程中產生氣泡的機制，發(fā)現(xiàn)高溫時水的飽和蒸氣壓過高才是引起芯片在PCR反應過程中產生氣泡的主要原因，會導致氣泡體積劇增6.4倍，遠遠超過早期研究者曾經關注的0.2倍體積的熱膨脹。氣泡擴增會把PCR溶液擠出反應單元，不但毀掉自身反應單元還會給其它反應單元造成交叉污染。PDMS芯片在熱循環(huán)時伴隨著水的氣化-液化循環(huán)，導致高溫時水蒸氣從反應溶液體系中不斷釋放到芯片PDMS材料的納米孔體系中，進一步蒸發(fā)到外部空氣中。低溫時芯片外部的冷空氣通過納米孔介導被不斷吸入到芯片材料內，并進入反應腔室。二者共同作用形成水蒸氣增強的“呼吸”現(xiàn)象，加速了PCR溶液的蒸發(fā)，導致PCR失敗。

水蒸氣對 PCR 過程中氣泡形成的影響（溫度：25-95 °C，壓力：101.325 kPa）。（a）水的飽和蒸汽壓曲線。（b）熱膨脹僅導致氣體體積略有增加（黑線），而水蒸氣的平衡效應導致等溫膨脹體積大幅度增大（紅線）。（c）PCR 過程中脫氣PDMS 產生的氣泡體積計算值。（d）從水中溶解的空氣溢出后形成的飽和水蒸氣體積。（e）氣泡形成的可能機制，涉及熱膨脹 、PDMS 和 PCR 溶液中空氣的溢出和水蒸氣平衡。

團隊應用此理論開發(fā)出基于液相高壓反應平臺的無閥非密封PDMS薄膜數(shù)字PCR系統(tǒng)：高溫時，PDMS芯片納米孔內部氣體受熱后壓強升高，但是無法突破外部水環(huán)境的高壓；低溫時，水環(huán)境阻止了外部氣體倒吸入PDMS芯片，杜絕氣泡的形成。該系統(tǒng)中，儀器實現(xiàn)高壓液相環(huán)境以阻止氣泡產生和PCR溶液水損失；一次性PDMS芯片實現(xiàn)PCR芯片的樣品填充和數(shù)字化分離。由于不需要密封殼，簡化了PDMS芯片制造工藝，使芯片成本大幅下降；由于即不需要開關閥門也不需要密封芯片的樣品進出口，簡化了芯片操作，在保持高準確度的前提下提高了檢測速度，實現(xiàn)高效PCR擴增。與市場上現(xiàn)有的數(shù)字PCR系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)優(yōu)勢顯著，具備良好的產業(yè)化前景，有望應用于安全防護、疾控中心、重癥監(jiān)護室、門急診、海關、生物制藥等多個領域。

左上：結構簡單的裸露PDMS芯片及其數(shù)字化結果；左下：常壓氣相環(huán)境下芯片由于氣泡以及蒸發(fā)導致反應失敗；右邊：高壓液相反應示意以及PCR反應結果。