從PCR技術看光電子技術在當前防疫戰中的作用

2/10/2020，在微信朋友圈裡，來自Fiberguide的老朋友張強說起因為防疫的需求，最近他們公司的產品在PCR裡應用很好。 什麼是PCR？為什麼和光纖產品掛上鉤？我請張強同學給做了一點科普，寫下來給更多的朋友看看。

PCR是Polymerase Chain Reaction（聚合酶連鎖反應）的簡寫。PCR技術是一種用於擴增特定DNA片段的分子生物學技術，基本原理是在反應室中模擬細胞內的DNA複製，即人為創造核酸半保留複製條件，使目的DNA在細胞外完成擴增的過程。根據百度百科，PCR是一種用於放大擴增特定的DNA片段的分子生物學技術，它可看作是生物體外的特殊DNA複製。PCR的最大特點是能將微量的DNA大幅增加。因此，無論是化石中的古生物、歷史人物的殘骸，還是幾十年前兇殺案中兇手所遺留的毛髮、皮膚或血液，只要能分離出一丁點的DNA，就能用PCR加以放大，進行比對。PCR技術最早在1983年由美國人Kary Mullis提出設想，並在1985年發展出最早的技術方案。到如今2013年，PCR已發展到第三代技術。

PCR的工作原理：第一，利用高溫破壞氫鍵的原理，將雙股DNA分開成兩個單股DNA；第二，藉由加入的兩種可以專一辨識該DNA的小片段DNA分子（稱之為引子），在合適的溫度下與原DNA形成鍵結；第三，在特定溫度下適量的DNA，引子，polymerase，dNTP、ATP等相互作用後，分別由兩引子端點延長此DNA；第四，以上三過程合併記為一個輪迴，藉由調整輪迴的重複次數便可以擴大兩引子間的DNA片段。以上說法對於非生物專業人士大概不好理解。但是有一點大約可以明白，PCR的工作原理依託的是一個溫控設備。溫度控制在裡面起到了關鍵作用。

PCR技術是廣義的分子生物診斷技術的一種。分子生物診斷包括核酸檢測和生物晶片兩大類，前者包括PCR，核酸測序，分子雜交，核酸質譜；後者包括基因晶片與微流控晶片。這裡面微流控技術與矽光晶片技術關係很緊密。不提這個，繼續說PCR。通過PCR技術進行分子診斷的流程如下：核酸提取——核酸擴增——核酸檢測。按照靶標數量劃分，PCR技術平臺通常可分為qPCR和ddPCR。美國PE(Perkin Elmer)公司1995年研製出來實時螢光定量PCR(qPCR)技術。該技術是在常規PCR基礎上加入螢光標記探針來實現其定量功能的，與普通PCR相比，實時定量PCR具有許多優點：利用螢光信號的變化實時檢測PCR擴增反應中每一個循環擴增產物量的變化，最終對起始模板的定量分析。ddPCR(數字PCR)在傳統的PCR擴增前將一個大的反應體系進行微滴化處理。在此過程中，樣品被稀釋至單分子水平，並被平均分配到這幾萬個反應體系中，每個微滴中不含或者含有至少一個待檢測的核酸靶分子，這樣也相當於變相的對靶基因進行富集。

最早做出PCR技術的Mullis工作的公司是一家名叫Cetus的小公司。1985年，Cetus與PE公司成立合資的PE-Cetus公司推廣PCR技術，並在1988年研發出世界第一臺PCR儀。1991年，Roche公司（羅式）以3億美元從Cetus收購了PCR的開發權，成立專門的Roche分子系統公司推廣這一技術。於是在PCR領域又出現第二家公司。1993年，PE收購Applied Biosystems公司（ABI），後來又進行分拆。PCR業務被納入分拆出的ABI公司。後來ABI又被Thermofisher賽默飛公司收購，形成今天的PCR兩大巨頭賽默飛與羅式。除了這兩大巨頭，1988年，還有一家叫做MJ Research的公司發布了一款基於半導體帕爾貼效應PCR儀PTC-100並贏得廣泛的聲譽。後來由於在專利戰中失利，MJ Research被Bio-rad伯樂公司收購。這家公司在第三代的數字PCR領域擁有領先實力。2017年，羅氏原有的大部分PCR專利過期，引來PCR領域的新一輪競爭。國內廠商方面，湧現出新羿、銳訊、領航基因、永諾生物、小海龜等一批公司。

           鳴謝上海NB公司張智提供PCR原理圖

寫了這麼多，還是沒有提到PCR和光學技術的關係。下面給出的PCR的示意圖可以很清楚地看到PCR技術是如何地依賴光學技術，更具體來說也就是光譜檢測技術。背後的核心光器件除了雷射器，光纖，還有就是各種光學透鏡，開關等。

在防疫工作中，紅外測溫儀作為最常見的光電子產品被廣為人知，但是光電子技術所扮演的角色不僅如此。以PCR為例，它是當前防疫工作中關鍵的病毒核酸檢測的重要手段。光學光電子技術正是PCR背後實現的基礎。就如同因疫情帶來的雲視頻業務爆發的背後是光纖網絡和寬帶技術一樣。

我們說，光電子技術是21世紀國民經濟的重要基礎技術。在眼下聲勢浩大的防疫戰中，我們再次見證了這一點。在緊張的防疫工作中，我們也看到廈門三優，東莞藍光，廣州名揚等許多企業積極為防疫提供相關的光電產品。謝謝他們，也期待這次疫情成為光通信企業更多開拓非通信市場，醫療光電市場的新契機。