聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）技术是实现将低浓度的DNA样品进行化学放大扩增的过程，该方法在数小时内可使几个拷贝的模板序列甚至一个DNA分子扩增107~108倍，操作简便，现已广泛应用到分子生物学研究的各个领域，其核心是DNA的半保留复制。

PCR技术主要分为三个阶段：

（1）DNA变性。在92~97℃下加热双链结构的DNA样品，使链间的氢键发生断裂，分解为两条单链的分子。

（2）退火。迅速降低温度到55~65℃，此时单链DNA与引物按照碱基配对的原则互补结合。

（3）延伸。把温度升到72℃左右进行DNA的延伸反应。

每一循环经过变性、退火和延伸，DNA含量即增加一倍。在PCR反应中，温度的变化对DNA复制效率起着决定性作用：升温、降温过程越快，反应所需时间越短。

Visby家庭自检卡盒的扩增模块便是“PCR微流控芯片”，更准确的应该称为连续流PCR微流控芯片，借助于“空间与时间转换”的方式，通过驱动混合试样通过不同的温度区来实现反应过程。

“Visby家庭自检卡盒的成功，无不得益于微流控技术的使用。”

微流控芯片的热容小，比表面积大，传热效率相比宏观PCR装置高很多，因此能利用快速升温降温过程，实现DNA的快速放大，其优势不仅可以节约样品消耗量，而且有利于提高检测的效率及检测的灵敏度，实现便携化检测。

所有反应都需要在液体环境下完成，并且涉及温度的精确控制，因此微尺度的流动问题及传热问题在PCR系统中显得格外重要（需要指出的是，除了三步PCR反应，也存在两步反应，即可将退火和延伸合并为一步，Visb家庭自检卡盒就是两步反应）。

PCR微流控芯片按照结构的不同可分为微室PCR（micro-chamber PCR）和连续流PCR（continuous-PCR）两种基本模式。两者的不同之处在于：

（1）微室PCR温度的变化发生在固定容积内，温度变化是通过外界进行动态控制；

（2）连续流PCR通过液体流过具有不同温度分布的位置来实现温度的被动切换。

优点：具有较小的体积，易于实现多功能集成。

缺点：在冷却速率方面受制于芯片本身的热容，同时微室PCR微流控芯片在结构上有较大的“死体积”，微流控芯片清洗困难，通常仅可使用一次，不适合连续性进行多个试剂的扩增反应。

优点：连续流PCR微流控芯片借助于“空间与时间转换”的方式，通过驱动混合试样通过不同的温度区来实现反应过程。由于连续流PCR微流控芯片主要依靠微通道实现反应，有比较小的流体“死体积”，运用适当的介质缓冲液进行间隔和冲洗，可以避免不同试样间的交叉污染，使连续流PCR微流控芯片可以实现多个试样连续进样和批量化处理，因而具有“在线（on-site）化学放大器”的功能。

缺点：连续流PCR微流控芯片的不足之处在于，扩增的次数取决于通三个温区的次数，一旦流道设计方案确定，这个循环不能再改变。

一些新兴的技术可以克服上述两种系统的不足，例如，研究证实，可在微室PCR微流控芯片的液体介质中加入金属纳米粒子，同构微波对金属粒子加热，从而对整个流体介质进行加热，具有加热效率高，控制方式灵活的特点。

微流控PCR器件的温度控制方法多样。Krishnan等设计了利用瑞利-伯纳德对流效应的微尺度PCR反应器，其结构如下图所示。

基于瑞利-伯纳德对流效应的微尺度PCR反应器

该装置在微反应器底部用热板加热到97℃，顶部采用水冷板保持61℃，由于温度差在微反应器内将产生浮力对流，在特定条件下能形成稳定的瑞利-伯纳德对流，溶液中的DNA分子和其他反应组分随着流动在97℃和61℃温度之间循环运动，从而完成DNA的两步PCR扩增。此装置可以通过改变中间反应容器的几何尺寸来改变流动模式。

Hu等利用PCR扩增溶液电导率高的特性，通过不同强度电场产生不同的焦耳热，实现了微通道中的温度控制，从而完成DNA的PCR扩增。

参考文献：

[1] Guoqing Hu, Qing Xiang, Rachel Fu, Bo Xu, Roberto Venditti, Dongqing Li. (2006). Electrokinetically controlled real-time polymerase chain reaction in microchannel using Joule heating effect. Analytica Chimica Acta, 557, 146-151.

[2] Madhavi Krishnan, Victor M. Ugaz, Mark A. Burns. (2002). PCR in a Rayleigh-Benard Convection Cell. Science, 298, 793.