技术变革：5分钟完成PCR！

　　最近，加州大学伯克利分校的生物工程学家，开发出一种新技术，通过用一种光开关，加速遗传学样本的加热和冷却，有望使PCR这种实验室主力工具更便宜、更方便，并将其速度提高很多倍。相关研究结果发表在七月三十一日的Nature子刊《Light: Science & Application》。

　　

生物通报道：最近，加州大学伯克利分校的生物工程学家，开发出一种新技术，通过用一种光开关，加速遗传学样本的加热和冷却，有望使PCR这种实验室主力工具更便宜、更方便，并将其速度提高很多倍。

研究人员在七月三十一日的Nature子刊《Light: Science & Application》描述了这种涡轮增压热循环，其显著扩大了聚合酶链反应（PCR）试验的临床和研究应用，可在几分钟而不是一个小时或更多的时间内得出结果。相关研究结果：2014最受欢迎的PCR方法相关论文。

PCR检测——扩增一段DNA序列的单拷贝以产生数千到数百万个拷贝，在基因组学应用中已经变得很重要，从克隆研究到法医分析到亲子鉴定。PCR技术被用于遗传性和传染性疾病的早期诊断，并用于木乃伊和猛犸象古DNA样本的分析。

1993年，Kary Mullis和Michael Smith因为发明了PCR试验，获得了当年的诺贝尔化学奖，自那以后，PCR对现代科学的巨大冲击已经是公认的。

使用发光二极管（LEDs），加州大学伯克利分校的研究人员能够加热金薄膜和DNA溶液界面处的电子。他们能够以每秒55度的速度加热反应溶液。冷却速度同样令人印象深刻，每秒钟大约43.9度。

本研究资深作者、生物工程教授Luke Lee说：“PCR技术是强大的，它已被广泛应用于许多领域，但是，现有的PCR系统是比较慢的。通常是在实验室完成的，因为用于这一实验的常规加热器，需要大功率，并且是昂贵的。研究人员往往需要一个小时或更长的时间来完成每一次测试，因此将其用于点护理诊断是不实用的。我们的系统可以在几分钟内产生结果。”

传统PCR试验的速度较慢，是因为它需要时间来加热和冷却DNA溶液。PCR检测需要重复的温度变化——在三个不同温度平均进行30次热循环，才能扩增出基因序列，这个过程涉及打断双链DNA，并将匹配引物与单链结合。随着每个冷热周期，DNA样品的量加倍。

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为了加快这种热循环的步伐，Lee和他的研究团队利用等离子体，或光和自由电子在一块金属表面的相互作用。当暴露在光线下的时候，自由电子会很兴奋并开始振荡，从而产生热量。一旦光被关闭，振荡和加热就会停止。

事实证明，金因其离子体光热加热，是一种受欢迎的金属，由于它能如此有效地吸收光。它还有利于生物系统的惰性，因此，可以用于生物医学应用。

在他们的实验中，研究人员使用了120纳米厚的金薄膜，或者大约一种狂犬病病毒的宽度。将金沉积在一个具有微流体井的塑料芯片上，将包含有DNA样本的PCR混合液保持在微流体井中。

光源是一组现成的LED，定位于PCR井的下方。蓝色LED的峰值波长为450纳米，被调整到获得最有效的光热转换。

研究人员能够在不到五分钟的时间里，从131度到203度（华氏）进行30个循环。

他们测试了光子PCR体系对样品进行扩增的能力，发现其结果与传统的PCR试验结果吻合的较好。

Lee说：“这个光子PCR系统快速、敏感，且低成本。它可以被整合到一种超快的基因组诊断芯片中，我们正在进行研发。因为这项技术可产生点的测试结果，所以我们可以将其用于许多各种各样的设置，从非洲农村到医院急诊室。”

（生物通：王英）

注：《Light: Science & Applications》是由长春光机所主办、与自然出版集团（Nature Publishing Group,简称NPG）合作出版的中国第一本开放获取的光学期刊，2014年它获得了自创刊以来的首个影响因子：8.476，在JCR收录的82种光学类期刊中排名第四位。

生物通推荐原文摘要：
Ultrafast photonic PCR
Abstract: Nucleic acid amplification and quantification via polymerase chain reaction (PCR) is one of the most sensitive and powerful tools for clinical laboratories, precision medicine, personalized medicine, agricultural science, forensic science and environmental science. Ultrafast multiplex PCR, characterized by low power consumption, compact size and simple operation, is ideal for timely diagnosis at the point-of-care (POC). Although several fast/ultrafast PCR methods have been proposed, the use of a simple and robust PCR thermal cycler remains challenging for POC testing. Here, we present an ultrafast photonic PCR method using plasmonic photothermal light-to-heat conversion via photon–electron–phonon coupling. We demonstrate an efficient photonic heat converter using a thin gold (Au) film due to its plasmon-assisted high optical absorption (approximately 65% at 450 nm, the peak wavelength of heat source light-emitting diodes (LEDs)). The plasmon-excited Au film is capable of rapidly heating the surrounding solution to over 150 °C within 3 min. Using this method, ultrafast thermal cycling (30 cycles; heating and cooling rate of 12.79±0.93 °C s−1 and 6.6±0.29 °C s−1, respectively) from 55 °C (temperature of annealing) to 95 °C (temperature of denaturation) is accomplished within 5 min. Using photonic PCR thermal cycles, we demonstrate here successful nucleic acid (λ-DNA) amplification. Our simple, robust and low cost approach to ultrafast PCR using an efficient photonic-based heating procedure could be generally integrated into a variety of devices or procedures, including on-chip thermal lysis and heating for isothermal amplifications.