纳米复合 PCR 反应器：提升即时检测核酸效率的新突破

《Journal of Nanobiotechnology》：Nanocomposite-based PCR reactors to enhance thermal rate and fluorescence intensity in hand-held qPCR device

为解决即时检测（PoCT）中光子定量聚合酶链反应（qPCR）的问题，研究人员开发 TiO2-PDMS 纳米复合 PCR 反应器，提升检测效率。

　　在病毒肆虐的当下，快速且精准地诊断病毒感染性疾病显得尤为重要。像流感、新冠等病毒引发的疾病，若不能及时确诊，就难以进行有针对性的治疗，从而延误病情。在众多诊断方法中，定量聚合酶链反应（qPCR）凭借其高灵敏度、高特异性和高准确性，成为了分子诊断领域的 “黄金标准”。然而，传统的 qPCR 技术存在一些局限性，在即时检测（PoCT）方面，难以同时满足成本、尺寸、速度和灵敏度等多方面的要求。例如，基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的 PCR 反应器虽然具有生物相容性好等优点，但热导率低，会导致热量分布不均匀，影响检测效率；而且其制作时间较长，也限制了 PoCT 的应用。为了突破这些瓶颈，来自韩国成均馆大学（Sungkyunkwan University）的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Journal of Nanobiotechnology》上，为病毒感染性疾病的检测带来了新的希望。

研究人员为了实现更高效的核酸检测，主要采用了以下关键技术方法：一是制备了 TiO₂-PDMS 纳米复合材料，通过优化催化剂浓度等条件，实现了室温下 8 分钟快速固化，用于制作 PCR 反应器；二是搭建了便携式光热 PCR 装置，利用近红外发光二极管（LED）和基于 PID 的闭环控制系统实现温度调控，并通过荧光显微镜相机检测荧光信号。

下面来看看具体的研究结果：

1. TiO₂-PDMS 反应器的表征：通过光学显微镜、场发射扫描电子显微镜、能量色散光谱、原子力显微镜、拉曼光谱和 UV-Vis 吸收光谱等多种手段对合成的 TiO₂-PDMS 纳米复合材料进行表征。结果显示，TiO₂纳米颗粒均匀分散在 PDMS 中，且随着 TiO₂含量增加，表面粗糙度增大，拉曼峰强度增强，UV-Vis 吸收增加，同时未发现 TiO₂-PDMS 反应器与 PCR 探针之间存在严重的重叠问题。
2. TiO₂-PDMS 反应器的热性能：利用激光闪光分析（LFA）和差示扫描量热仪（DSC）测量反应器的热扩散率和比热容，计算不同组成的 TiO₂-PDMS 纳米复合材料的热导率。实验和模拟结果表明，添加 TiO₂纳米颗粒可提高热导率，加快冷却速率，0.25wt% TiO₂-PDMS 纳米复合反应器的目标基因扩增时间比原始 PDMS 反应器快约 100 秒。
3. TiO₂-PDMS PCR 反应器中的 DNA 扩增：比较不同 TiO₂含量的 PDMS 反应器在光热 qPCR 中的荧光强度，发现 TiO₂纳米颗粒可增强荧光信号。优化 TiO₂组成至 0.25wt%，通过凝胶电泳验证无特异性扩增，且该反应器的荧光信号比原始 PDMS 反应器更亮，循环阈值（C_t）值降低约 2 倍 ，能定量低至 10 copies/μL 的核酸。

在研究结论与讨论部分，研究人员开发的 TiO₂-PDMS 纳米复合 PCR 反应器，显著提升了光热 qPCR 在 PoCT 中的性能，既提高了热循环效率，又增强了荧光信号强度。该反应器可快速制作，有效缩短了检测时间，同时提高了检测灵敏度。尽管在速度提升方面还有一定的空间，但为实现更快的 PCR 循环提供了新的思路。这种简单的制备方法有利于 PCR 反应器的大规模生产，为快速、灵敏且经济高效的 PoCT-like PCR 技术发展做出了重要贡献，尤其在病毒感染性疾病的分子诊断领域具有广阔的应用前景。它或许能让病毒检测更加便捷、高效，在未来的疫情防控等方面发挥重要作用。