聚合酶链式反应检测在医学和生物学研究领域有着广泛的应用。然而在过去，此类检测由于耗电量高且检测结果交付速度缓慢，因而只能在实验室中进行。加州大学伯克利分校的研究人员开发出了一种基于 LED （发光二极管）的新型聚合酶链式反应系统，此系统操作简便且结果交付速度较快，可被用于即时检测。
即时检测：集便利性与快速结果交付于一体
实验室检测结果有助于临床医生在对患者的病情有更深层次的认识，进而为患者制定最佳的治疗方法。然而，从检测开始到获取检测结果期间，往往需要一段等待时间——短则几小时，长则几天。由于临床医生在对患者的病情进行评估之前必须获得检测结果，所以这一等待期很可能会延误患者的治疗。
近年来，医疗行业从传统的实验室检测开始向快速的即时检测进行转变。即时检测是指那些操作简便、可迅速交付检测结果、便于进行一系列设置，且无使用场合（家中、医院都可以）限制的检测方法。随着患者自己在其健康管理中扮演的角色愈加重要，这些检测手段加快了临床医生的决策过程，有助于他们更迅速地制定出治疗方案。正如美国国立卫生研究院在 2010 年报告中指出的那样，加速检测过程不仅可以大幅提升医疗效率，还可以解决不同患者健康状况差异带来的问题。
一种简单的血糖检测方法。图像由 Karl101 自行拍摄，通过Wikimedia Commons共享。
那么如今有哪些即时检测已经成为现实了呢？血糖检测、妊娠检测、食物病原体筛查以及胆固醇筛查就是一些常见的例子。随着科技的不断进步，即时检测已成为越来越多的实验室进行临床测试的可行性选择。聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，简称 PCR）实验便是一个例子。
聚合酶链式反应实验的发展
聚合酶链式反应是一种通过复制小片段 DNA 来生成满足分析需求的 DNA 序列的技术。这种 DNA 扩增方法依赖于热循环。将特定的 DNA 片段暴露于加热和冷却的重复循环，其分子大小便会以指数级扩增。
聚合酶链式反应技术最早可追溯到 H. Gobind Khorana 和 Kjell Kleppe 于 1966 年发布的研究成果。他们认为可以通过某个过程对 DNA 进行修复复制，即可以通过两个引物（短核酸序列）及 DNA 聚合酶（通过合成核苷酸来创建 DNA 分子的一种酶）将一个小的合成 DNA 分子复制成同样的两个，接着再复制成四个。
美国生化学家 Kary Mullis 以上述的初步研究作为基础对混合物进行了重复加热循环。他发现，DNA 序列可以通过这个循环过程被快速复制，且数量会随着时间的推移而激增。几年之后，一种具有热稳定性的 DNA 聚合酶 —Taq 聚合酶被从这一过程中分离了出来。这种 DNA 聚合酶可自动在热循环仪中完成整个反应过程，使得增殖过程不再需要连续操作。
上图：聚合酶链式反应试管。图像由 Madprime 自行拍摄，通过Wikimedia Commons共享。下图：将 PCR 试管放入热循环仪中。图像由 Karl Mumm 自行拍摄，通过Wikimedia Commons共享。
聚合酶链式反应过程可以分解为以下步骤：
- 将目标 DNA 分子曝露于高温中，从而使双链 DNA 分子分离为两条单链——这一过程被称为 DNA变性。DNA 分子须分离为单链才可进行复制。
- 降低反应温度，使引物退火并匹配初始 DNA 链的序列。随后，DNA 聚合酶将与退火引物结合。
- DNA 聚合酶以单链 DNA 分子与引物作为模板合成了一条新的 DNA 链。这一扩增过程将呈指数级增长。
PCR 检测已被广泛应用于医学及生物领域，其中包括 DNA 克隆、基因指纹识别、传染病检测与诊断。此类检测通常耗时约一小时，实验中使用的加热器不仅造价昂贵且耗电量巨大。因此，PCR 检测在过去的一段时间在并未被应用于即时检测。然而，一项最新的设计带来了此项技术新进展。
基于 LED 的设计拓宽了 PCR 实验的应用范围
加州大学伯克利分校的研究人员将目光转向了LED 的力量，希望以此提高传统 PCR 测试的速度。在他们的实验中，研究人员将金沉积于具有微流壁的塑料芯片上形成薄膜。这些位于 LED 之下的微流壁被用于支撑 PCR 混合物和 DNA 样本。作为研究的一部分，研究人员使用 COMSOL Multiphysics 进行电磁仿真，以确定几何尺寸和材料参数。
将 LED 放置于适当的位置，位于镀金薄膜与 DNA 溶液界面中的电子便可被成功加热。这种现象可以用表面等离子体光子学进行解释，此理论可描述金属表面光与自由电子之间的相互作用。曝露于光线下的自由电子被激发并开始振荡，从而产生热量。当灯光关闭时，自由电子停止振荡且不再产生热量。
研究人员发现他们的等离子体 PCR 系统有助于加速热循环过程，可以在几分钟内生成检测结果。将他们的设计与传统 PCR 检测进行比较，研究人员发现这两种方法都能很好地扩增 DNA 样本。除了操作简单、成本低廉、快速交付检测结果等优势，这一基于 LED 的系统还可以在实验室之外的各种环境中进行 PCR 检测。
扩展阅读
- 刊载于Berkeley News的文章： “Heating and cooling with light leads to ultrafast DNA diagnostics“
- 刊载于Light: Science & Applications的文章： “Ultrafast photonic PCR“
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