2014创新产品：史上最快实时定量PCR系统

Faster than Faster：qPCR 40个循环 < 10分钟

人类对“更快，更强”的追求，绝不仅限于比赛场上，实验室也不例外。

40个循环 < 10分钟，号称史上最快实时定量PCR系统的xxpress在生物通2014年十大创新产品评选中遇冷并不意外，因为太新，资料少。但生物通编辑力排众议将其列入十大创新产品之一，因为其创新之处确实令人眼前一亮，绝对值得往下看。

升降温速率，一向是各品牌热循环系统（PCR/qPCR仪）宣传战中的头牌参数，因其本职工作就是在变性/退火/延伸3个温度之间往复循环。升降温速率10℃/sec，xxpress固然很快，比主流品牌（最高升降温速度5-6℃/sec左右）确实快，为啥人家40个循环下来至少都要35-40多分钟，xxpress只要10分钟呢？再说咱还听过最快15℃/sec的呢，那个做40个qPCR循环至少还得25分钟，为啥xxpress只要10分钟呢？原来里面大有玄机！xxpress超高速循环主要因素，并非单纯因为升降温速率10℃/sec。

PCR/qPCR反应都是由升温变性，退火，延伸3个步骤循环组成。一般qPCR设计每步需要保持20-30秒或以上。以前一直就觉得奇怪，以最费时间的延伸步骤为例，qPCR扩增子通常就100多200bp大小，对于合成效率20-30秒/kb的Taq聚合酶来说5-6秒已经足够从头到尾合成一轮，多余的时间又不能干别的，为啥设计上要停留20-30秒呢？解链变性和退火这两步单纯热力学不涉及酶反应的，200bp不到的片段更是应该就几秒就够了，哪需要纠缠20-30秒那么久？原来——

PCR/qPCR一个循环周期时间取决于：
• 升降温速率
• 达到目标温度的温度过冲
• 稳定时间（传统Peltier系统的温度过冲的稳定时间约需要15－20sec。）
• 停留时间 （这才是反应真正需要的时间）

传统96孔/48孔热循环仪都有个“基座”，热循环的每个周期，Peltier产生的热量是通过热量梯度的层层传递，从发热板到金属基板，再到基座金属孔，再通过厚度至少达200um以上的样品管壁，才能传递到液体试剂的。这种内在的层层传递降低了热传递的效率。要加热得更快，就需要更大的热量梯度，温度准确性和热均一性就更差。

为解决这个难题，那可是各出奇招。曾记否，当年高端大气上档次的黄金基座/纯银基座？虽然银有着优异的导热性，可整个银基座质量过大，要改变整个基座温度所需耗费能量必然就更高，需时就长。传统Peltier系统的温度过冲的稳定时间约需要15－20sec。症结在此。

当遵循热力学法则的Peltier系统趋于接近热性能极限，平衡已经向另一边倾斜：降低热质量，升降温所需耗费的能量更少，加热或者降温更容易响应也更快。本来要加热降温的只是那么一点点体积的试剂么。

xxpress抛弃了基座。但保持了大家熟悉的24/48/96孔阵列模式。就像Nanodrop抛弃比色皿，彻底改写分光光度计。

xxpress使用样品板直接加热——200um厚的铝制xxplate板仅有几克重，它既是一次性使用样品板，本身又是一个复杂的多区域加热元件，电流流经xxplate时进行直接加热。xxplate内覆10μm厚的聚丙烯膜，液体样品与加热面只相隔这10μm厚的膜，热量可直接地传递到样品，这是提高样品加热准确性的关键因素。（等等，能不能用常规耗材96孔板？耗材得多贵？别急，后面算账给你看）

没有基座，只有又轻又薄的样品板直接加热内里微量的样品，总的热质量少得多了，升降温所需耗费的能量就少多了，加热或者降温当然更容易更快。在xxpress系统，每个循环的升降温过程中的温度过冲<0.5°C，稳定时间<0.5秒，几可忽略不计，单一个循环就可以节省数十秒到1分钟时间。

整个循环过程升降温速率10°C/秒，不仅仅是最大升降温速率10°C/秒

采用200μm厚、几克重的反应板作为电阻加热元件，形成极低电压电路回路，可以直接传递准确的热量。加上热质量超低，热传导效率高，整个循环过程升降温速率都能达到10°C/秒。

控温精度

xxpress有9个非接触式高精度红外传感器阵列，用于测量整块反应板的温度，业界唯一，无人能及。这种与英国国家物理实验室合作开发的温度测量和校准系统，将温度测量精度的重复性提高到±0.05°C。而传统的Peltier系统一般仅使用少数（2-3）的热电偶测量金属模块的温度。

xxpress在循环全程实时测量温度，根据温度响应，控制算法决定加热模式，和产生所需的热量。xxplate板通过不同的电流路径和不同的加热模式，可实现分区域加热控制，还有多区域控制多个独立的空气射流装置控制冷却，使得快速升降温而不影响温度的均一性。

这种热控制是快速动态的，控制算法以100次/秒频率调整加热模式。系统提供的温度准确性好于±0.1°C；温度均一性好于±0.3°C（测量针对反应板而非金属基座）。

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温度过冲

前面提及基座的质量大和层层热传递效率低，使得Peltier系统的温度过冲的稳定时间约需15－20秒。在xxpress系统，每个循环的升降温过程中的温度过冲<0.5°C，稳定时间<0.5sec，几可忽略不计。因而在循环每一步都几乎无温度过冲调整，无需温度稳定时间，能大大缩短停留时间。每步骤节省15-20秒，每个循环可节省40多秒，40个循环下来就很可观了。你看，xxpress超高速循环并非单纯靠升降温速率高来实现。

温度均一性

xxpress系统在循环全程实时测量温度，所有样品的温度均一性在快速升降温时好于±0.8°C，静态温度好于±0.3°C。这样的控温精度，即使在升降温时确保所有样品相同的温度；确保样品之间，实验批次之间一致的和可比较的结果。而传统的Peltier系统的内在设计和温度测量方式，决定了其孔间差异和边缘效应，不必再啰嗦。

xxplate

铝制基板表面覆盖超薄的聚丙烯层，保证样品的完整性。
3种板型，24孔，54孔和96孔，孔与孔为标准间距，可以使用标准的移液系统。
无需更换任何硬件，即可更换使用不同板型。
可以将不同尺寸的孔（1μL－500μL）做在一块板上，也不会影响其性能

板型   样品量
24孔  5-40μL
54孔  5-15μL
96孔  1-5μL

消耗品太贵？XXplates专用耗材是比常规96孔板贵。铝制基板表面覆超薄膜，单板报价达到10美元多点（折扣？砍吧，你懂的）。比10来块钱的普通全塑板贵。不过因为反应体积缩小，能节约试剂，例如5μL体积相比20μL，试剂成本能削减75%，可达到比原来更节省的目的。他家网站还有个计算工具呢。

考虑一下：
1. 10分钟内就能完成一轮定量，别人1小时刚做1轮半，你都能做完5轮反应了，一台机器能顶人家好几台呢，这才是真正省了大头费用呢，一台机器可是几万美金。
2. 没有基座，更换不同板型是就不用换基座那么麻烦，更无需另外购买基座，一块基座得好几千呢；
3. 无需维修成本——要知道，基座可算是热循环仪里的“事故多发区”，维修工程师们最清楚了；花钱不算还耽误时间呢；
4. 没有边缘效应，xxplates每个孔都能安心用上，普通的96孔未必呢；还有缩小反应体积所节省的试剂费用呢！这样想，是不是其实更省钱？

其他你可能感兴趣的参考信息

荧光检测系统：最多5个荧光通道同时检测，适用于大多数染料和探针。

系统：xxpress是一个开放的平台，支持现有的所有实时PCR检测化学，包括DNA结合染料，水解探针，杂交探针，以及其他检测化学如分子信标和蝎子引物。

硬件：xxpress是完全独立的系统，使用触摸屏，内置计算机，不需外联。升降温速率可调，最高为10°C/sec。LED的寿命比仪器寿命长。除滤光片轮外，xxpress光学系统部件在运行时无移位。

软件：xxpress软件可以安装在任何类型和任何数量的计算机上，通过厂家随机提供的U盘安装。xxpress软件是多用户的，提供密码保护，xxpress运行文件很小（200－500 KB，40个循环），可以导出数据为多个*.CSV文件，可用于其他的分析软件。目前系统不支持扫描条形码。希望未来免费升级的软件包括这项应用。可实行远程的实验计划和结果分析，提高xxpress的利用率。

仪器价格和主流定量PCR仪价格相当。遗憾的是这机器目前不带HRM功能。不带梯度。另外还有要留意的，除了专用板，首次购买需同时购买专用封膜机和离心机。因为太新的了，暂时没啥文献可查，好在基因有限公司提供Demo样机，有兴趣的带样品可以去试用。

关于厂家背景，BJS公司建立于1945年，是一家英国的家族企业，提供高质量的精密电铸，电镀，银器（包括英国皇室使用的银器）和工业应用的精密电铸部件。1991以来，BJS一直是世界领先的银质热交换模块生产商，用于快速PCR仪，是第三代掌门人BJS主席Richard Lewis研发的。BJS公司在1996成立BJS 生物技术公司，创造发展超高速热循环技术并将其应用于PCR。BJS 生物技术公司已被选定为参加由英国首相办公室直接发起“创新英国”活动的公司之一。

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