此时，我们或许会疑惑电源与PCR有何关联，但实际上，电源行业和最新的数字电源技术极大地提升了PCR过程的效率和精度。在揭晓其原理之前，让我们先回顾一下这一切的起源。
解读双螺旋结构：
我们都曾在学校里学过人类的遗传物质——脱氧核糖核酸（DNA）。DNA包含了生物体发育、生长、生存和繁殖所需的所有遗传信息和指令。DNA最初由被誉为“遗传学之父”的格雷戈尔·孟德尔于1866年发现。科学家们花费了多年时间才破解DNA的秘密密码，并探索出如何才能最好地利用DNA造福人类。
图 01：DNA 双螺旋结构（图片由美国国家人类基因组研究所提供）
1953年，詹姆斯·杜威·沃森和弗朗西斯·哈里·康普顿·克里克发表了关于DNA双螺旋结构的发现，这标志着DNA研究取得了里程碑式的进展。DNA双螺旋结构扭曲成我们常见的梯状结构（图1）。他们的研究成果于1962年荣获诺贝尔生理学或医学奖，他们与莫里斯·休·弗雷德里克·威尔金斯共同分享了这一奖项，以表彰他们在核酸分子结构及其在生物体信息传递中的重要性方面的发现。.
DNA的组成就像字母表中的字母一样。当它们按照特定的顺序组合在一起时，就形成了单词、句子和故事。阅读并理解这本“书”的内容需要大量的研究，直到2022年3月，科学家们才最终绘制出第一张完整的人类基因组图谱，它由超过30亿个碱基对组成。这很难用图像来形容，但如果用更具体的比喻来说，它相当于一本百万页的书：睡前需要读很多遍。.
人类基因组测序的完成得益于众多技术创新。例如，牛津纳米孔DNA测序法一次可以测序多达一百万个DNA碱基对，尽管存在一些误差；而PacBio HiFi DNA测序法一次可以读取两万个碱基对，准确率高达99.9%。这些都是卓越的成就，但如果没有先驱发明家的发现，这一切都不可能实现。.
图02 Kary Banks Mullis博士
了解 DNA 一直是非常重要的研究领域，也是破译 DNA 的工具箱不断发展的过程；这是每个生物化学家的梦想，值得一提的是 Kary Banks Mullis，他在 1983 年发明了 PCR，这有助于推动研究并加快对 DNA 的深入理解（图 02）。.
DNA复制机诞生了
。是都市传说还是现实？据说，1983年，卡里·班克斯·穆利斯博士在从旧金山湾区驱车前往他在门多西诺的小屋途中，如同加州天空中的一道闪电，灵光一闪，构想出一种定位特定DNA片段并合成大量副本的方法。当时，穆利斯就职于Cetus公司，致力于将他的构想转化为实际操作。
历经诸多波折，穆利斯于1987年向《自然》杂志投稿了题为《酶学方法》的文章，这篇文章开启了聚合酶链式反应（PCR）的研发之路。1993年，他因发明聚合酶链式反应（PCR）而荣获诺贝尔化学奖。穆利斯于1983年构思的这项技术，被认为是20世纪最伟大的科学技术之一。.
图 03：PRC 的过程和周期（图片由美国国立人类基因组研究所提供）
什么是PCR？它是如何工作的？
聚合酶链式反应（简称PCR）是一种实验室技术，可以快速扩增数百万甚至数十亿个特定的DNA片段，以便进行更深入的研究。PCR利用称为引物的短合成DNA片段来选择要扩增的基因组片段，然后进行多轮DNA合成以扩增该片段（图03）。这一过程需要将样品置于试管中，并进行非常精确的热循环——而这正是食物与DNA相遇的地方！
该过程包含多个步骤，但其中三个步骤最为关键（变性、退火、延伸），并且需要重复多次以复制DNA片段（图4）。我们在此不赘述细节，仅将这三个关键步骤概括如下：
第一步——变性
将试管中的样品加热至至少94°C。加热会破坏原始DNA样品中的氢键，并将DNA分离成单链。
第二步——退火：
将温度降低至比引物熔解温度低约5°C，即50至60°C之间，使DNA引物和DNA聚合酶能够与加热分离的单链DNA结合。此时，加入的混合溶液中的核苷酸（A、T、C、G）将与加热过程中分离的单链DNA配对。
第三步——延伸。
接下来，将温度升高至72°C，开始延伸过程。片段连接后，形成一条新的互补DNA链。原始样本分子的每条单链都形成一个新的、复制的双链DNA分子。序列完成后，再次升高温度，开始新的循环。
步骤一至三重复30至40次，自动重复加热和冷却循环。每次加热/冷却循环都会复制DNA序列。最终，可获得数百万份原始样本的拷贝。.
第四步——最终延伸和储存。
最终延伸步骤对于确保所有PCR产物正确合成至关重要，通常在72°C下进行10分钟。最后，应将温度降至4°C以储存PCR产物，直至进行分析。
根据最终目标、时间或所需准确度的不同，通常会采用该过程的各种变体，例如定量实时 PCR (qPCR)、逆转录 PCR (RT-PCR)、定量逆转录 PCR (RT-qPCR)、数字 PCR (dPCR)、数字液滴 PCR (ddPCR) 和微流控 PCR。.
图 05：典型的实验室 PCR 设备（PRBX/ Natatravel/Shutterstock）
高效PCR所需的电源：
许多医疗应用需要温度控制，例如新生儿培养箱、溶血血液加温以及实验室培养箱。这些应用大多需要精确的温度调节，因此大多数具有输出电压控制功能的医用电源都适用。然而，PCR设备（图5）由于其特定的热循环需要高精度和重复序列，因此需要专用的电源解决方案。这些系统通常采用模块化设计，将电源和控制系统集成到PCR热控制回路中。
如图 4 所示，热循环周期很短，加热元件需要在四分钟内完成温度调节，依次经历 +95°C 高温、+50°C 低温、+72°C 平台温度，然后再回到 +95°C。该循环重复 30 到 40 次，精度非常高。.
热循环仪中产生和控制温度的方法有很多种，但许多都使用珀尔帖元件。珀尔帖效应的主要应用是冷却，但也可用于加热或温度控制。它还可以与其他加热元件结合使用，然后通过控制滞后效应来冷却热循环室。.
图06：通过数字输入（例如 PMBus (PRBX)）进行数字控制和监控的传统电源
PCR热循环仪制造商开发了高度复杂的算法，以精确调节和控制温度水平。随着数字电源和能量控制与管理技术的引入，将热循环仪的CPU与开关级连接起来，并通过PMBus等数字接口控制电压和电流，从而为加热/冷却元件供电，变得更加容易（图06）。.
在某些情况下，PWM 信号由热循环仪控制器生成，并注入到电源开关级，以严格控制参数而无需额外的步骤（图 07）。.
由于功率级与热控制回路高度集成，它经常成为热控制回路的一部分，功率设计人员必须与程序员密切合作，才能对特定需求提供最优化的响应时间，这非常有趣，实际上与设计功率解决方案时更传统的工作方式截然不同。.
总之，
从1983年Kary Banks Mullis博士发现PCR技术，到如今广泛应用于数十亿份样本中SARS-CoV-2病毒的检测，PCR技术在医学研究和公共卫生领域发挥了至关重要的作用。同时，对于电力电子工程师而言，这也是一个极具吸引力的领域，他们可以与医疗行业紧密合作，设计电源解决方案（图8），开发出具有高度可编程性和系统集成性的专用电源。
谁说电源供应领域很无聊？
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参考资料：
Powerbox (PRBX)：
https://www.prbx.com/
卡里·班克斯·穆利斯博士
https://www.karymullis.com/
人类基因组的完整序列
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj6987
美国国家人类基因组研究所
https://www.genome.gov/
欲了解更多信息
，请访问 www.prbx.com。
联系市场营销和传播总监 Patrick Le Fèvre，
电话：+46 (0)158 703 00。
参考编号：PRBX-A-051-ES
作者简介：
Patrick Le Fèvre，Powerbox市场营销与传播总监，是一位拥有40年电力电子行业经验的资深营销专家和资深工程师。他曾积极推动数字能源等新技术的商业化，并致力于降低能耗的技术创新。Le Fèvre在众多国际领先的电力电子会议上撰写并发表了大量白皮书和文章，这些内容已被全球媒体转载超过450次。此外，他还积极参与各类环保论坛，分享他在清洁能源领域的经验和知识。Patrick
Le Fèvre，
Powerbox市场营销与传播总监
