据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术国家重点实验室徐铁钢副研究员和李昕欣研究员等在Nature系列期刊Microsystems & Nanoengineering期刊上发表最新的数字聚合酶链反应（PCR）技术研究成果，研制出操作简单、成本低但是准确度高的数字PCR芯片。
该项研究的论文题目为基于PDMS材料的PCR芯片中气泡形成机制和高压水环境阻泡技术（Overcoming bubble formation in polydimethylsiloxane-made PCR chips: mechanism and elimination with high-pressure liquid seal），论文作者为高式沅、徐铁刚、吴蕾、朱晓玥、王雪凤、蹇晓红、李昕欣。
数字PCR是能够精确到单分子水平的绝对核酸检测技术，是国际垄断公司竞争焦点。聚二甲基硅氧烷（PDMS）能够制作精确到纳米级别的微结构，不仅具有生物相容性好、成本低、易于制造等特点，还允许气体通过，实现反应单元无死角的盲端填充，有利于进行反应体积准确的PCR检测。在Science期刊上，斯坦福大学的Quake等人于2002年发表了PDMS微腔室阵列芯片，2006年底该系统被Fluidigm公司产业化。此后PDMS材料成为PCR芯片研究热点。然而，在热反应过程中，PDMS芯片存在两个严重的问题即中出现气泡和样品水分损失。几十年来，科学家们一直在探索气泡形成的机理，但是一直没有清晰的结论。实践上，通过在PDMS芯片上集成阀门、密封壳等多种方法减少气泡出现和水分损失，导致芯片腔室结构复杂，需要Parylene等密封材料，因此制造工艺复杂，成本高。进行PCR反应时，进出样口还需要密封或插管接泵，在小尺寸芯片上实施操作尤其繁琐困难。因此，业界普遍认为PDMS材料PCR芯片产业化前景黯淡。
该论文厘清气泡形成机制，发现水在高温时饱和蒸气压升高才是PDMS芯片在PCR反应过程中产生气泡的主要原因，会导致气泡体积增加约6.4倍，而单纯的热膨胀只能使气泡体积增加约0.2倍。PDMS芯片在热循环时伴随着水气化、液化循环，导致芯片外冷空气被不断吸入芯片内，水蒸气则不断喷出，发生了水蒸气增强的“呼吸”现象，加速了PCR溶液的蒸发。
热膨胀、水蒸气加强共同导致PDMS芯片中的气泡形成机制
PDMS芯片中的“呼吸”现象：（a）PCR温度变化过程中呼出其体量与吸入气体量；（b）不同PCR循环数时反应腔液体损失情况
研究人员基于此发明了水相反应环境并且升高压力彻底阻止产生气泡的方法。高温时，PDMS芯片介孔内部气体受热后压强升高，但是无法突破外部水环境的高压；低温时，水环境阻止了外部气体倒吸入PDMS芯片，杜绝气泡的形成。
左上：结构简单的裸露PDMS芯片及其数字化结果；左下：常压气相环境下芯片由于气泡以及蒸发导致反应失败；右边：高压液相反应示意以及PCR反应结果。
该研究项目的仪器平台和芯片各司其职，仪器实现高压液相环境以阻止气泡产生和PCR溶液水损失；一次性PDMS芯片实现PCR芯片的样品填充和数字化分离。裸露PDMS芯片制造工艺简单，芯片成本大幅下降；操作流程简便，进样速度快；在保持高准确度的前提下加快检测速度实现高效PCR反应。与现有的数字PCR系统相比优势显著，该裸露PDMS数字PCR芯片具备良好的产业化前景，有望应用于疾控中心、重症监护室、门急诊、海关、生物制药等多个领域。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41378-024-00725-1
延伸阅读：
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
《DNA测序技术及市场-2022版》
《分子诊断技术与市场趋势-2020版》
