中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术国家重点实验室李昕欣/徐铁刚团队在高精度数字PCR系统研制方面取得重要进展，研制出依赖液相高压环境使用PDMS薄膜芯片实现高性能数字PCR系统。相关成果以“Overcoming bubble formation in polydimethylsiloxane-made PCR chips: mechanism and elimination with high-pressure liquid seal”为题发表在学术期刊《Microsystems & Nanoengineering》上（https://www.nature.com/articles/s41378-024-00725-1）。

该文章被杂志社评选为Featured文章，并在国际学术宣传平台“Newswise”以“New PCR chip design: high-pressure liquid seal solves bubble problem”为题进行了高度评价。新闻评论说：“这一突破的意义远远超出了实验室的范畴，这项创新能推动具有成本效益的一次性 PCR 芯片的开发，在临床医疗领域可依靠有限资源获得最先进的诊断结果。技术简单高效，有望加速微流控 PCR 技术与临床实践和研究的结合，推进精准医疗的发展。”（https://www.newswise.com/articles/new-pcr-chip-design-high-pressure-liquid-seal-solves-bubble-problem）。

数字PCR是近年来迅速崛起的单分子水平的精准基因定量分析技术。数字PCR通过微流控芯片技术同步进行数万个等体积的、独立的PCR反应，然后统计阳性反应比例，根据泊松分布原理计算被测样品中目标分子的绝对数量。该技术判定不需要标准曲线，比目前广泛应用的定量PCR产品更加精准可靠，是定量PCR技术理想的迭代更新产品。现有的商业化数字PCR系统容易出现由气泡造成的体积误差，而且需要密封壳和微阀等复杂结构来防止PCR溶液蒸发及气泡扩大，导致反应速度慢、成本高、操作复杂，致使应用仍主要局限于科研领域。

研究团队阐明了PDMS芯片在PCR过程中产生气泡的机制，发现高温时水的饱和蒸气压过高才是引起芯片在PCR反应过程中产生气泡的主要原因，会导致气泡体积剧增6.4倍，远远超过早期研究者曾经关注的0.2倍体积的热膨胀。气泡扩增会把PCR溶液挤出反应单元，不但毁掉自身反应单元还会给其它反应单元造成交叉污染。PDMS芯片在热循环时伴随着水的气化-液化循环，导致高温时水蒸气从反应溶液体系中不断释放到芯片PDMS材料的纳米孔体系中，进一步蒸发到外部空气中。低温时芯片外部的冷空气通过纳米孔介导被不断吸入到芯片材料内，并进入反应腔室。二者共同作用形成水蒸气增强的“呼吸”现象，加速了PCR溶液的蒸发，导致PCR失败。

水蒸气对 PCR 过程中气泡形成的影响（温度：25-95 °C，压力：101.325 kPa）。（a）水的饱和蒸汽压曲线。（b）热膨胀仅导致气体体积略有增加（黑线），而水蒸气的平衡效应导致等温膨胀体积大幅度增大（红线）。（c）PCR 过程中脱气PDMS 产生的气泡体积计算值。（d）从水中溶解的空气溢出后形成的饱和水蒸气体积。（e）气泡形成的可能机制，涉及热膨胀 、PDMS 和 PCR 溶液中空气的溢出和水蒸气平衡。

团队应用此理论开发出基于液相高压反应平台的无阀非密封PDMS薄膜数字PCR系统：高温时，PDMS芯片纳米孔内部气体受热后压强升高，但是无法突破外部水环境的高压；低温时，水环境阻止了外部气体倒吸入PDMS芯片，杜绝气泡的形成。该系统中，仪器实现高压液相环境以阻止气泡产生和PCR溶液水损失；一次性PDMS芯片实现PCR芯片的样品填充和数字化分离。由于不需要密封壳，简化了PDMS芯片制造工艺，使芯片成本大幅下降；由于即不需要开关阀门也不需要密封芯片的样品进出口，简化了芯片操作，在保持高准确度的前提下提高了检测速度，实现高效PCR扩增。与市场上现有的数字PCR系统相比，该系统优势显著，具备良好的产业化前景，有望应用于安全防护、疾控中心、重症监护室、门急诊、海关、生物制药等多个领域。

左上：结构简单的裸露PDMS芯片及其数字化结果；左下：常压气相环境下芯片由于气泡以及蒸发导致反应失败；右边：高压液相反应示意以及PCR反应结果。