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从PCR技术看光电子技术在当前防疫战中的作用

光纤在线编辑部  2020-02-10 21:19:13 自我撰写 文章热度:

2/10/2020,在微信朋友圈里,来自Fiberguide的老朋友张强说起因为防疫的需求,最近他们公司的产品在PCR里应用很好。 什么是PCR?为什么和光纤产品挂上钩?我请张强同学给做了一点科普,写下来给更多的朋友看看。

PCR是Polymerase Chain Reaction(聚合酶连锁反应)的简写。PCR技术是一种用于扩增特定DNA片段的分子生物学技术,基本原理是在反应室中模拟细胞内的DNA复制,即人为创造核酸半保留复制条件,使目的DNA在细胞外完成扩增的过程。根据百度百科,PCR是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术,它可看作是生物体外的特殊DNA复制。PCR的最大特点是能将微量的DNA大幅增加。因此,无论是化石中的古生物、历史人物的残骸,还是几十年前凶杀案中凶手所遗留的毛发、皮肤或血液,只要能分离出一丁点的DNA,就能用PCR加以放大,进行比对。PCR技术最早在1983年由美国人Kary Mullis提出设想,并在1985年发展出最早的技术方案。到如今2013年,PCR已发展到第三代技术。

PCR的工作原理:第一,利用高温破坏氢键的原理,将双股DNA分开成两个单股DNA;第二,藉由加入的两种可以专一辨识该DNA的小片段DNA分子(称之为引子),在合适的温度下与原DNA形成键结;第三,在特定温度下适量的DNA,引子,polymerase,dNTP、ATP等相互作用后,分别由两引子端点延长此DNA;第四,以上三过程合并记为一个轮回,藉由调整轮回的重复次数便可以扩大两引子间的DNA片段。以上说法对于非生物专业人士大概不好理解。但是有一点大约可以明白,PCR的工作原理依托的是一个温控设备。温度控制在里面起到了关键作用。

PCR技术是广义的分子生物诊断技术的一种。分子生物诊断包括核酸检测和生物芯片两大类,前者包括PCR,核酸测序,分子杂交,核酸质谱;后者包括基因芯片与微流控芯片。这里面微流控技术与硅光芯片技术关系很紧密。不提这个,继续说PCR。通过PCR技术进行分子诊断的流程如下:核酸提取——核酸扩增——核酸检测。按照靶标数量划分,PCR技术平台通常可分为qPCR和ddPCR。美国PE(Perkin Elmer)公司1995年研制出来实时荧光定量PCR(qPCR)技术。该技术是在常规PCR基础上加入荧光标记探针来实现其定量功能的,与普通PCR相比,实时定量PCR具有许多优点:利用荧光信号的变化实时检测PCR扩增反应中每一个循环扩增产物量的变化,最终对起始模板的定量分析。ddPCR(数字PCR)在传统的PCR扩增前将一个大的反应体系进行微滴化处理。在此过程中,样品被稀释至单分子水平,并被平均分配到这几万个反应体系中,每个微滴中不含或者含有至少一个待检测的核酸靶分子,这样也相当于变相的对靶基因进行富集。

最早做出PCR技术的Mullis工作的公司是一家名叫Cetus的小公司。1985年,Cetus与PE公司成立合资的PE-Cetus公司推广PCR技术,并在1988年研发出世界第一台PCR仪。1991年,Roche公司(罗式)以3亿美元从Cetus收购了PCR的开发权,成立专门的Roche分子系统公司推广这一技术。于是在PCR领域又出现第二家公司。1993年,PE收购Applied Biosystems公司(ABI),后来又进行分拆。PCR业务被纳入分拆出的ABI公司。后来ABI又被Thermofisher赛默飞公司收购,形成今天的PCR两大巨头赛默飞与罗式。除了这两大巨头,1988年,还有一家叫做MJ Research的公司发布了一款基于半导体帕尔贴效应PCR仪PTC-100并赢得广泛的声誉。后来由于在专利战中失利,MJ Research被Bio-rad伯乐公司收购。这家公司在第三代的数字PCR领域拥有领先实力。2017年,罗氏原有的大部分PCR专利过期,引来PCR领域的新一轮竞争。国内厂商方面,涌现出新羿、锐讯、领航基因、永诺生物、小海龟等一批公司。

           鸣谢上海NB公司张智提供PCR原理图
写了这么多,还是没有提到PCR和光学技术的关系。下面给出的PCR的示意图可以很清楚地看到PCR技术是如何地依赖光学技术,更具体来说也就是光谱检测技术。背后的核心光器件除了激光器,光纤,还有就是各种光学透镜,开关等。

在防疫工作中,红外测温仪作为最常见的光电子产品被广为人知,但是光电子技术所扮演的角色不仅如此。以PCR为例,它是当前防疫工作中关键的病毒核酸检测的重要手段。光学光电子技术正是PCR背后实现的基础。就如同因疫情带来的云视频业务爆发的背后是光纤网络和宽带技术一样。

我们说,光电子技术是21世纪国民经济的重要基础技术。在眼下声势浩大的防疫战中,我们再次见证了这一点。在紧张的防疫工作中,我们也看到厦门三优,东莞蓝光,广州名扬等许多企业积极为防疫提供相关的光电产品。谢谢他们,也期待这次疫情成为光通信企业更多开拓非通信市场,医疗光电市场的新契机。
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