Ion‐Mediated Polymerase Chain Reactions Performed with an Electronically Driven Microfluidic Device

Abstract

The polymerase chain reaction (PCR) is a powerful method for exponentially amplifying very low amounts of target DNA from genetic, clinical, and forensic samples. However, the heating and cooling steps in PCR largely hamper the miniaturization of thermocyclers for on-site detection of pathogens and point-of-care tests. Herein, we devise an ion-mediated PCR (IM-PCR) strategy by exploiting ion-induced DNA denaturation/renaturation cycles. DNA duplexes are effectively denatured in alkaline solutions; whereas, the denatured single-stranded DNA strands readily reform duplexes at neutral pH. By using an integrated microchip that can programmably control the solution pH simply switching the potential in a range of several hundred millivolts, we can trigger IM-PCR at a constant temperature. Analogously to thermal cycling, 30 cycles of pH-induced denaturation/renaturation were used to amplify protein DNA fragments as confirmed by DNA sequencing. We anticipate that this portable, low-cost, and scalable IM-PCR holds great promise for widespread biological, clinical, and environmental applications.

Programmable High‐Speed and Hyper‐Efficiency DNA Signal Magnifier

“…Isothermal exponential amplification techniques, such as nuclease‐assisted strand displacement amplification, [ 1 , 2 , 3 ] rolling circle amplification, [ 4 , 5 , 6 ] loop‐mediated isothermal amplification (LAMP), [ 7 , 8 , 9 , 10 ] have been developed as alternatives to polymerase chain reaction [ 11 , 12 ] for the elimination of the large and expensive thermal cyclers, achieving comparable amplification yields. However, these methods are also suffered from complexity, time‐consumption, high‐cost, and lower efficiency further leading to the disability in clinical analysis.…”

Exponential Isothermal Amplification of Nucleic Acids and Assays for Proteins, Cells, Small Molecules, and Enzyme Activities: An EXPAR Example

“…Chemically amplifying nucleic acids in test tubes has remarkably improved the detection of nucleic acids over the past 30 years,a se vident by the successful utilization of the polymerase chain reaction (PCR) in research and clinical laboratories. [1][2][3] PCR is able to exponentially amplify nucleic acid targets,achieving an amplification of over 10 7 -fold within 1-2 h. Each cycle of PCR involves denaturation of doublestranded DNA( dsDNA) to yield two single-stranded DNA (ssDNA) templates,a nnealing of ap rimer to each ssDNA template,a nd extension/elongation catalyzed by aD NA polymerase.Thus,PCR reaction temperatures are repeatedly changed from ah igh temperature (e.g.9 4-98 8 8C) for denaturation to lower temperatures for annealing (e.g.50-65 8 8C) and enzymatic extension/elongation (e.g. 72 8 8C).…”

Die exponentielle isotherme Amplifikation von Nukleinsäuren und Assays zur Detektion von Proteinen, Zellen, kleinen Molekülen und Enzymaktivitäten: Anwendungen für EXPAR

“…[1][2][3] Die PCR ermçglicht die exponentielle Amplifikation von Nukleinsäure-Zielsequenzen auf das 10 7 -fache innerhalb von 1-2h.J eder einzelne PCR-Zyklus enthält die Schritte der Denaturierung der doppelsträngigen DNA( dsDNA), um zwei einzelsträngige DNA-Template (ssDNA) zu erhalten, die Anlagerung eines Primers an jedes ssDNA-Templat sowie die Strangverlängerung (Elongation), die von einer DNA-Polymerase katalysiert wird. [1][2][3] Die PCR ermçglicht die exponentielle Amplifikation von Nukleinsäure-Zielsequenzen auf das 10 7 -fache innerhalb von 1-2h.J eder einzelne PCR-Zyklus enthält die Schritte der Denaturierung der doppelsträngigen DNA( dsDNA), um zwei einzelsträngige DNA-Template (ssDNA) zu erhalten, die Anlagerung eines Primers an jedes ssDNA-Templat sowie die Strangverlängerung (Elongation), die von einer DNA-Polymerase katalysiert wird.…”

“…Innerhalb der letzten 30 Jahre hat das chemische Amplifizieren von Nukleinsäuren im Reagenzgefäßd ie Detektion von Nukleinsäuren entscheidend verbessert, was der erfolgreiche Einzug der Polymerasenkettenreaktion (PCR) sowohl in die Forschung als auch in klinische Labore belegt. [1][2][3] Die PCR ermçglicht die exponentielle Amplifikation von Nukleinsäure-Zielsequenzen auf das 10 7 -fache innerhalb von 1-2h.J eder einzelne PCR-Zyklus enthält die Schritte der Denaturierung der doppelsträngigen DNA( dsDNA), um zwei einzelsträngige DNA-Template (ssDNA) zu erhalten, die Anlagerung eines Primers an jedes ssDNA-Templat sowie die Strangverlängerung (Elongation), die von einer DNA-Polymerase katalysiert wird. Zur Abfolge der einzelnen Schritte werden die Reaktionstemperaturen der PCR periodisch verändert.…”