技術變革：超速光電PCR技術

　　最近，加州大學伯克利分校的生物工程學家，開發出一種新技術，通過用一種光開關，加速遺傳學樣本的加熱和冷卻，有望使PCR這種實驗室主力工具更便宜、更方便，并將其速度提高很多倍。

　　研究人員在七月三十一日的Nature子刊《Light: Science & Application》描述了這種渦輪增壓熱循環，其顯著擴大了聚合酶鏈反應（PCR）試驗的臨床和研究應用，可在幾分鐘而不是一個小時或更多的時間內得出結果。相關研究結果：2014最受歡迎的PCR方法相關論文。

　　PCR檢測——擴增一段DNA序列的單拷貝以產生數千到數百萬個拷貝，在基因組學應用中已經變得很重要，從克隆研究到法醫分析到親子鑒定。PCR技術被用于遺傳性和傳染性疾病的早期診斷，并用于木乃伊和猛犸象古DNA樣本的分析。

　　1993年，Kary Mullis和Michael Smith因為發明了PCR試驗，獲得了當年的諾貝爾化學獎，自那以后，PCR對現代科學的巨大沖擊已經是公認的。

　　使用發光二極管（LEDs），加州大學伯克利分校的研究人員能夠加熱金薄膜和DNA溶液界面處的電子。他們能夠以每秒55度的速度加熱反應溶液。冷卻速度同樣令人印象深刻，每秒鐘大約43.9度。

　　本研究資深作者、生物工程教授Luke Lee說：“PCR技術是強大的，它已被廣泛應用于許多領域，但是，現有的PCR系統是比較慢的。通常是在實驗室完成的，因為用于這一實驗的常規加熱器，需要大功率，并且是昂貴的。研究人員往往需要一個小時或更長的時間來完成每一次測試，因此將其用于點護理診斷是不實用的。我們的系統可以在幾分鐘內產生結果。”

　　傳統PCR試驗的速度較慢，是因為它需要時間來加熱和冷卻DNA溶液。PCR檢測需要重復的溫度變化——在三個不同溫度平均進行30次熱循環，才能擴增出基因序列，這個過程涉及打斷雙鏈DNA，并將匹配引物與單鏈結合。隨著每個冷熱周期，DNA樣品的量加倍。

　　為了加快這種熱循環的步伐，Lee和他的研究團隊利用等離子體，或光和自由電子在一塊金屬表面的相互作用。當暴露在光線下的時候，自由電子會很興奮并開始振蕩，從而產生熱量。一旦光被關閉，振蕩和加熱就會停止。

　　事實證明，金因其離子體光熱加熱，是一種受歡迎的金屬，由于它能如此有效地吸收光。它還有利于生物系統的惰性，因此，可以用于生物醫學應用。

　　在他們的實驗中，研究人員使用了120納米厚的金薄膜，或者大約一種狂犬病病毒的寬度。將金沉積在一個具有微流體井的塑料芯片上，將包含有DNA樣本的PCR混合液保持在微流體井中。

　　光源是一組現成的LED，定位于PCR井的下方。藍色LED的峰值波長為450納米，被調整到獲得最有效的光熱轉換。

　　研究人員能夠在不到五分鐘的時間里，從131度到203度（華氏）進行30個循環。

　　他們測試了光子PCR體系對樣品進行擴增的能力，發現其結果與傳統的PCR試驗結果吻合的較好。

　　Lee說：“這個光子PCR系統快速、敏感，且低成本。它可以被整合到一種超快的基因組診斷芯片中，我們正在進行研發。因為這項技術可產生點的測試結果，所以我們可以將其用于許多各種各樣的設置，從非洲農村到醫院急診室。”