基于数字声流控技术的快速温控芯片PCR系统研发及其在即时检测中的应用

本文创新性地开发了一种基于数字声流控（digital acoustofluidics）的快速PCR系统，通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）环固定微滴，结合声热效应（acoustic thermal）与声流效应（acoustic stream）实现9.4°C/s的升降温速率。该系统在0.75W低功耗下57分钟完成40个PCR循环，扩增效率达97.23%，检测限低至0.5 ng/mL，为即时检测（POCT）和现场核酸快检提供了突破性解决方案。

　　

Highlight

本研究基于标准数字声流控系统构建PCR平台，通过声流效应与声热效应的协同作用实现超快速流体控温（图1a）。数值模拟与红外热成像实验证实，微滴温度分布受声流和粘性耗散效应双重影响，通过微滴振荡可改善温度均匀性。提出石蜡油封装微滴方案抑制加热过程中的体积损失，最终采用甘油微滴在室温（25°C）和<1W低功耗下实现小鼠Actin基因的芯片扩增（图1d）。

Operation principles for digital acoustofluidic PCR

当表面声波（SAW）以泄漏波（LSAW）形式传入微滴时，会触发声流效应（acoustic stream）和声热效应（acoustic thermal）。前者常用于颗粒捕获（如J. Li等2024年研究）和分选（Wu等2017年），后者通过粘性耗散实现微滴内部快速升温。我们通过添加甘油调节粘度，使微滴在0.75W功率下以9.4°C/s速率升温至98°C，同时保持PCR所需温度循环稳定性。

Conclusion

该数字声流控快速PCR平台创新性地采用时域温场调控策略。凝胶电泳和标准qPCR验证显示，系统可在57分钟内检测0.5 ng/μL样本，扩增效率优于传统PCR。该技术为复杂环境下的即时分子诊断（如传染病防控）提供了便携式解决方案。