独特的PCR反应管

PCR作为分子诊断检测中的经典方法，对其试剂、耗材和仪器的改进，无不凝聚了研发人员的智慧。其中，耗材作为试剂反应体系的承载，在结构上又需要与仪器相匹配，可以说是试剂与仪器的衔接者，但其重要性往往易被人忽略。就PCR反应管而言，通用的规格有单管、8联管和96孔PCR板，但为了提升试剂性能，增强使用体验感，PCR反应管也可有其它独特的设计改进。

一、赛沛的SmartCycler反应管

1.介绍

SmartCycler是赛沛原先为加快PCR反应速度、降低污染开发的一款核酸扩增和检测系统，并配合该系统，同步研发了一种专用PCR反应管，即SmartCycler反应管，该反应管便是后来“小蓝盒”背部的那个扩增检测芯片。

赛沛“小蓝盒”作为行业内的标杆性产品，其别具一格、极具前瞻性的设计，一直为大家所称道。从其仪器结构模块化、实验流程一体化，到试剂冻干保护，都有很多细节供业内人员参考学习。

2.特点

SmartCycler反应管在结构设计上不同于常规PCR管，首先，其反应腔室采用具有延展性可耐高温的薄层塑料，并设计为向外凸出的结构，以提高比表面积，同时使得反应管表面与温控模块紧密贴合，由此提高对温度的响应速度；其次，反应腔室的光路入射面和反射面之间的相互配合，使得荧光沿特定路线传递，确保最佳的荧光信号采集；另外，盖子的多层密封设计，可防止扩增产物泄露造成污染。

SmartCycler反应管的独特设计，作为赛沛的核心技术之一，最后整合至测试盒中，实现了从样品制备到核酸扩增检测的一体化流程，配合其GeneXpert系统，使得检测更加方便快速。

二、对流PCR的毛细反应管

1.介绍

对流PCR(ConvectionPCR, cPCR)是一种在封闭空间中，利用加热形成的温度梯度，使得液体具有密度差而产生对流，从而驱动体系在反应容器内流经不同温度区域，由此实现变性、退火、延伸步骤，完成PCR的循环扩增过程。毛细PCR反应管便是基于对流PCR而设计的反应管。

2.特点

对流PCR反应管为细长型结构，当其底部处于高温加热时，反应管温度由下至上呈梯度递减，同时底部液体因受热而密度降低，在浮力驱动下往反应管上方运动，液体上升过程中温度逐渐降低，密度增大，到达反应管顶部后，再在自身重力作用下开始下沉，直至到达底部高温区，由此形成循环往复运动，液体也在循环运动的过程中，经历高温-低温区域，从而完成PCR的变性、退火和延伸步骤。

利用狭长的毛细反应管，结合其最适的管径和高度，控制对流的时间和散热速率，可实现在一个恒定热源下，使反应体系在单个反应管内完成PCR全过程，省去了控温系统反复升降温的过程，显著缩短反应时间，仪器也可做得更加轻便耐用。

三、RotorGene的4联管

1.介绍

QIAGEN公司的RotorGene Q是一款离心式空气浴实时荧光定量PCR仪，其降温可通过快速置换反应仓内的空气流实现。置于反应仓内的PCR管在运行时处于匀速旋转状态，此时空气不断高速流动，使得样品在快速的升降温过程中，始终处于高度一致的温度下，反应过程也就更加均一可控，可消除管和管之间的差异和边缘效应。4联管是RotorGene的匹配反应管，其与常规8联管不仅仅是反应管孔数的差异，其在形状结构上也有区别。

2.特点

RotorGene的反应腔室为离心式圆盘状，4联管设计便于弯曲成弧度装载于转盘上，同时盖子上端的狭长扁平状设计，也易于人工操作。反应管总体上虽为细长的柱状结构，但仪器在运行时，样品处于高速旋转状态，即使加样时液体挂壁，也可在仪器启动后被离心至管底，因此加样后可直接上机检测，无需离心操作。

四、总结

PCR反应管的基本功能是确保试剂反应体系正常工作，并防止产物泄露污染，在此之外，若进一步改进，PCR反应管则可结合体系或仪器特点，加快反应速度，甚至提升灵敏度。

赛沛的SmartCycler反应管是为提升反应速率设计的，其管子结构相对复杂，如果仅仅将其作为一个独立的耗材，从生产成本和使用便捷性上考虑，其优势并不明显，但当SmartCycler反应管整合至一体化检测盒时，其巧妙的设计理念便能体现出来，也更加提升了反应效率。毛细反应管是为实现对流PCR而设计的，利用其狭长形状实现温度分区，从而降低仪器对控温系统的要求，简化仪器设计。RotorGene的4联管则是为配合离心式PCR仪而设计的，反应管的形状便于装载至圆盘托架上，总体上是为适配仪器结构而设计的耗材。综合以上情况，合理的反应管设计，可提升体系的反应效率，或实现特殊的反应步骤，也可为匹配仪器结构而设计。

虽然PCR反应管是核酸扩增检测的主要耗材，但很少有厂家会花大量心思去设计优化耗材。然而，细节也往往体现在耗材里。特别是对于目前一体化的分子诊断流水线或分子POCT产品，耗材的设计将更加重要。不管是仪器的机械运动，还是试剂的流体驱动，均需在耗材的配合下完成。仪器是基础，试剂是根本，良好的耗材则可以让它们锦上添花。

对于全自动一体化仪器，如何让一个耗材承载从样本处理到核酸扩增再到信号检测的全过程，值得IVD企业开发团队好好思考。

参考资料

[1]Miao G , Zhang L , Zhang J , et al. Free Convective PCR: From Principle Study to Commercial Applications-A Critical Review[J]. Analytica Chimica Acta, 2020, 1108.

[2]Ying-Hong L , Yi-Jia L , Tsai-De C , et al. Development of a TaqMan Probe-Based Insulated Isothermal Polymerase Chain Reaction (iiPCR) Assay for Detection of Fusarium oxysporum f. sp. cubense Race 4[J]. Plos One, 2016, 11(7).

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