行业资深人士的洞察：PCR技术在中国的过往和未来

本文作者：超鹏

酶链式反应扩增技术，英文Polymerase Chain Reaction，简称PCR。该科技的问世，已近40年。过去40年，在PCR技术的帮助下，人类战胜和克服了一个个疾病和瘟疫。比如2003年的SARS，之后的MERS，以及Ebola，直到现在的COVID-19。

过去一个世纪里，美国作为科技最发达的国家，在PCR技术的应用和推广方面做出了极大的贡献。从世界范围来看，核心PCR技术公司如ABI、BioRad、罗氏以及欧洲Eppendorf等产品在稳定性、可靠性和准确性方面确实独树一帜，几乎没有其他企业可与之匹敌。

今天此文将探讨并分享PCR科技的发展、前景以及其关键技术。

“师夷长技以制夷” 国产PCR仪发展血泪史

中国生物科技的发展，一直在追随美国，遵循“师夷长技以制夷”的策略。

你身边的生物医药学硕士、博士专家们，他们努力钻研科学的学习历程中，是否都是以西方先进设备作为研究工具，通过这样的实验工具，完成了自己的毕业论文，或者发表了科学文章？多年之后，当他们开始创业的时候，首先想到的是采用西方先进的设备工具为自己所用。所以从上世纪90年代到本世纪的开篇，国外的PCR设备席卷整个中国市场。

时代洪流滚滚向前，不可阻挡。很多有识之士，看到这一点之后，开始钻研并反向设计PCR设备。他们大都是资深的PCR使用者，或者生物技术行业从业人员，甚至很多原来是欧美企业在中国的代理商或分销商。经过20年的发展，国产PCR设备已经初具规模和影响力。整体来看国内PCR设备的发展大致经历了三个阶段，即初识阶段，酝酿阶段和成熟阶段。

第一阶段为1990年到2000年的初识阶段。在此期间，美国设备在中国的代理商专心致志做代理。据一位行业公司老总所言，那时每年只要卖出一台PCR仪，其所得利润，等于绝大多数老百姓辛苦一年的收入。在此期间，这些代理商们也学习到了PCR设备的功能、成本、用户群体及客户能接受的价格。

第二阶段为2000年到2016年的酝酿阶段。很多原来的代理商看到其中商机，大胆尝试， 初步完成反向设计。比如杭州、上海、珠海几家国内PCR仪厂商，他们就是第一批成功国产化，并吃到热豆腐的人。这个阶段仪器销售数量不大，国内品牌每年能出3000台已经是非常好的业绩了！但由于利润巨大，所以众多厂商依旧在坚持。以96孔荧光定量PCR为例，那时成本大约10万，可销售到30万一台。尽管如此，国产设备价格仍远低于进口品牌价格（60~100万元左右）。此外，国内代理商收获了无形的收益，那就是经验的积累。这些代理商知道了为何国产与进口的性能品质有区别，并在以后的设计中更加精细的模仿。

PCR市场群雄逐鹿 谁会笑到十年之后？

第三阶段，即2016年到2025年的成熟阶段。2020年初爆发的COVID-19疫情给PCR产业的发展起到极大的助推作用。从一开始的不超过10家PCR厂商，到现在已经出现不下于80家企业进入PCR市场，雄心勃勃，都意欲有所作为。

原来在PCR第二阶段积累的经验和技术，在此次疫情期间发挥了极大地作用。新冠疫情的扩散，使得此类设备的需求扩大了10倍以上。为应对国内疫情，国外原有存量进口设备，早已不堪重负，此时国外厂商并不能迅速提高产能，如市场所期望那样大规模的发货到中国。因为世界各地都有疫情，他们的订单骤增，他们也会优先满足欧美国家市场需求。这便给了国内PCR厂商一个黄金的机会，在2020年2月份到2020年6月份，国内绝大多数PCR厂商，他们的订单相较去年同期都增加了至少3倍以上。即便如此，市场空缺依旧庞大。

与此同时，仍不断有很多新的PCR玩家入场，并且很快推出样机。卫计委为了满足全民普筛的要求，放松了发放证书的门槛，至少是大大放松了发放临时证书的门槛。使得很多新的入场者得以在市场上锤炼，并快速的收集自己产品的缺陷加以改正优化升级，并再次投入市场。在这种情况下，国产PCR仪进步很快，造就了目前PCR市场群雄逐鹿，百花齐放的局面。10年之后，我们再回头来看，也许有一半玩家会烟消云散，改辙转行，但是我们坚信一定会有众多国产优质PCR企业存活下来，并成为中国PCR行业的中流砥柱。那时国产PCR行业的占有率在国内将达到75%以上，在国际上，将达到50%的市场份额。

由此可见，通过过去二十年的积累，荧光定量PCR 检测设备的技术已非空中楼阁，不可探摸了。而数字PCR将会是未来5年发展的方向，很多新兴企业，瞄准这个细分领域，期待弯道超车。

变温速度为制约PCR性能的致命瓶颈

目前场上主流的PCR，无论是荧光定量PCR，还是数字PCR，主要包括四大功能模块：变温模块、光学模块、运动模块和控制算法模块。其中运动模块和控制算法模块相对简单，很多PCR因为没有自动运行的运移动部件，甚至不会涉及到运动模块。光学模块，目前大都是使用顶部扫描，并使用侧方位光纤发射和接受光学信号，从而进行识别。

这四大功能模块中最难，也最容易被用户直观感受到设备优劣和效率的就是变温模块。变温模块反应了温度上升以及下降的速度，直接影响了用户的使用体验。升/降温速度越快，则测试周期越短，测试效率越高。

目前世界上一流的PCR 公司都选用美国Marlow公司生产的变温芯片。该芯片俗称半导体制冷片，英文名是 Thermoelectric cooler，直译就是热电冷却器，简称TEC。

从使用寿命上讲，Marlow公司的芯片具有良好的可靠性，通常可以达到40~50万个冷热循环（50oC-95oC-50oC），基本上可以满足客户使用3~5年的寿命期望。Marlow公司的芯片通常可以使平均升温速度达到5-6oC，平均降温速度可以达到3~5oC。（注意这里一定是平均速度而非瞬间速度，瞬间速度有时可以达到20度每秒以上，但是它不具备参考意义。）这样的一个平均升降温速度，大体上是业界能达到的比较理想的水平。凡是有公司声称他们的平均升降温速度可以做到7~8oC的时候，此时你需要在自己脑海里闪过一个问号。

目前反应池平均5~6度/秒的变温速度已经成为了制约PCR性能的一个瓶颈。那么怎么办？没有更好的办法了吗？

答案是“有的”。

目前冠冷科技的新技术，可以使升温速度平均做到14oC/秒以上，降温速度平均达到9oC/秒以上。此外还可以做到达100万次的冷热循环(25oC~95oC~25oC)。

冠冷科技PCR变温科技源自于欧洲的技术方案。下面是实测数据曲线。

同样是使用半导体制冷技术，为何该技术与众不同？

我们先通过两幅图，来看看两者技术的差异。

由此可见，这个新的温度升降技术大大减少了热阻，同时还有如下优点：

尺寸精致，功率更大。尺寸从最小9-9，功率密度30~40W/cm2

使用铝板封装，这样不再使用陶瓷基板。用性能良好的绝缘传热胶，把铝板与TEC核心部件连接起来。因为PCR工作台一般也是铝材，两者的结合，会有相同的冷热延展或收缩性，相较于陶瓷与铝材的贴合时受冷热的变形不一致，所以其可靠性更好

在这种设计下，传热效果比传统陶瓷更快，均匀性也更好

也可以把传统的铝制工作台与TEC集成在一起

目前的可靠性测试，已经达到了100万次的冷热循环(25oC~95oC~25oC)

使用3M防水处理。除冷热面外，其他区域全部防水绝缘

金属表面可以加工成任何你需要的形状，从而做成一个整体式的TEC，TEC就是PCR反应池，反应池就是一个TEC。综上所述，你可以很容易得出一个结论，那就是这个技术可靠，快速，其非常适合于便携式的PCR，或者核酸POCT。

工作面可任意加工，无需在冷面做二次安装。

与TEC集成一体的单瓶POCT专用反应池。

与TEC集成一体的4瓶模组， 2组串联可组成标准8联管。

如果您希望提升目前的PCR升降温速度，或者开发一款快速的PCR仪或者核酸POCT，那么这个技术你不妨一试。

关于冠冷科技

专业的TEC技术方案提供商以及热电制冷器问题解决者，尤其在PCR以及POCT的热电应用方面有非常丰富的积累，与世界一流的PCR厂商有十多年的合作及经验。过去3年来， 为十余家国产PCR仪厂商提供了优质服务。