聚合酶鏈式反應（polymerase chain reaction，簡稱 PCR）檢測在醫學和生物學研究領域有著廣泛的應用。然而在過去，此類檢測由于耗電量高且檢測結果交付速度緩慢，因而只能在實驗室中進行。加州大學伯克利分校的研究人員開發出了一種基于 LED（發光二極管）的新型聚合酶鏈式反應系統，此系統操作簡便且結果交付速度較快，可被用于即時檢測。
即時檢測：集便利性與快速結果交付于一體
實驗室檢測結果有助于臨床醫生對患者的病情有更深層次的認識，進而為患者制定最佳的治療方法。然而，從檢測開始到獲取檢測結果期間，往往需要一段等待時間——短則幾小時，長則幾天。由于臨床醫生在對患者的病情進行評估之前必須獲得檢測結果，所以這一等待期很可能會延誤患者的治療。
近年來，醫療行業從傳統的實驗室檢測開始向快速的即時檢測進行轉變。即時檢測是指那些操作簡便、可迅速交付檢測結果、便于進行一系列設置，且無使用場合限制（家中、醫院都可以）的檢測方法。隨著患者自己在其健康管理中扮演的角色愈加重要，這些檢測手段加快了臨床醫生的決策過程，有助于他們更迅速地制定出治療方案。正如美國國立衛生研究院在 2010 年報告中指出的那樣，加速檢測過程不僅可以大幅提升醫療效率，還可以解決不同患者健康狀況差異帶來的問題。
一種簡單的血糖檢測方法。圖像由 Karl101 自行拍攝，通過 Wikimedia Commons 共享。
那么如今有哪些即時檢測已經成為現實了呢？血糖檢測、妊娠檢測、食物病原體篩查以及膽固醇篩查就是一些常見的例子。隨著科技的不斷進步，即時檢測已成為越來越多的實驗室進行臨床測試的可行性選擇。聚合酶鏈式反應實驗便是一個例子。
聚合酶鏈式反應實驗的發展
聚合酶鏈式反應是一種通過復制小片段 DNA 來生成滿足分析需求的 DNA 序列的技術。這種 DNA 擴增方法依賴于熱循環。將特定的 DNA 片段暴露于加熱和冷卻的重復循環，其分子大小便會以指數級擴增。
聚合酶鏈式反應技術最早可追溯到 H. Gobind Khorana 和 Kjell Kleppe 于 1966 年發布的研究成果。他們認為可以通過某個過程對 DNA 進行修復復制，即可以通過兩個引物（短核酸序列）及 DNA 聚合酶（通過合成核苷酸來創建 DNA 分子的一種酶）將一個小的合成 DNA 分子復制成同樣的兩個，接著再復制成四個。
美國生化學家 Kary Mullis 以上述的初步研究作為基礎，對混合物進行了重復加熱循環。他發現，DNA 序列可以通過這個循環過程被快速復制，且數量會隨著時間的推移而激增。幾年之后，一種具有熱穩定性的 DNA 聚合酶——Taq 聚合酶被從這一過程中分離了出來。這種 DNA 聚合酶可自動在熱循環儀中完成整個反應過程，使得增殖過程不再需要連續操作。
上圖：聚合酶鏈式反應試管。圖像由 Madprime 自行拍攝，通過 Wikimedia Commons 共享。下圖：將 PCR 試管放入熱循環儀中。圖像由 Karl Mumm 自行拍攝，通過 Wikimedia Commons 共享。
聚合酶鏈式反應過程可以分解為以下步驟：
將目標 DNA 分子曝露于高溫中，從而使雙鏈 DNA 分子分離為兩條單鏈——這一過程被稱為 DNA 變性。DNA 分子須分離為單鏈才可進行復制。
降低反應溫度，使引物退火并匹配初始 DNA 鏈的序列。隨后，DNA 聚合酶將與退火引物結合。
DNA 聚合酶以單鏈 DNA 分子與引物作為模板合成了一條新的 DNA 鏈。這一擴增過程將呈指數級增長。
PCR 檢測已被廣泛應用于醫學及生物領域，其中包括 DNA 克隆、基因指紋識別、傳染病檢測與診斷。此類檢測通常耗時約一小時，實驗中使用的加熱器不僅造價昂貴且耗電量巨大。因此，PCR 檢測在過去的一段時間內并未被應用于即時檢測。然而，一項最新的設計帶來了此項技術新進展。
基于 LED 的設計拓寬了 PCR 實驗的應用范圍
加州大學伯克利分校的研究人員將目光轉向了 LED 的力量，希望以此提高傳統 PCR 測試的速度。在他們的實驗中，研究人員將金沉積于具有微流壁的塑料芯片上形成薄膜。這些位于 LED 之下的微流壁被用于支撐 PCR 混合物和 DNA 樣本。作為研究的一部分，研究人員使用 COMSOL Multiphysics 進行電磁仿真，以確定幾何尺寸和材料參數。
將 LED 放置于適當的位置，位于鍍金薄膜與 DNA 溶液界面中的電子便可被成功加熱。這種現象可以用表面等離子體光子學進行解釋，此理論可描述金屬表面光與自由電子之間的相互作用。曝露于光線下的自由電子被激發并開始振蕩，從而產生熱量。當燈光關閉時，自由電子停止振蕩且不再產生熱量。
研究人員發現他們的等離子體 PCR 系統有助于加速熱循環過程，可以在幾分鐘內生成檢測結果。將他們的設計與傳統 PCR 檢測進行比較，研究人員發現這兩種方法都能很好地擴增 DNA 樣本。除了操作簡單、成本低廉、快速交付檢測結果等優勢，這一基于 LED 的系統還可以在實驗室之外的各種環境中進行 PCR 檢測。
