2025年12月31日，广州国家实验室徐强团队在Cell Reports Physical Science发表题为“Flowthrough thermal regulation enables ultrafast real-time PCR”的研究论文。该研究开发了一种基于动态水流热调节的超快实时定量PCR系统，通过硬件结构与控制算法的协同创新，突破了传统PCR技术在热循环速率上的瓶颈，呼吸道病原体快速检测的临床迫切需求及构建国产化、高性能的核酸检测生态提供了关键技术支撑。
实时定量PCR技术作为分子诊断的“金标准”，其广泛应用长期受限于冗长的热循环时间（通常需1.5至4小时）。目前的快速加热策略（如电阻加热、光热加热）往往难以在低成本的前提下同时兼顾大面积热均匀性与高通量需求，这极大地限制了其在时间敏感型应用（如即时检测POCT）及大规模筛查场景中的普及。
在本研究中，研究团队设计了一种全新的动态水流热调节系统。该系统利用柔性薄膜载体与动态水流的直接耦合，极大地降低了界面热阻，实现了极速传热；同时，采用双向逆流设计攻克了大面积扩增区域的温差难题，显著提升了反应体系内的温度均一性。此外，为了解决流体传输延迟带来的温控滞后挑战，研究团队创新性地引入了前馈预测控制算法，并依托硬件在环仿真技术实现了算法的快速开发与迭代，成功利用低成本的开关电磁阀实现了高精度的温度控制，有效解决了传统反馈控制中的温度过冲与欠冲问题。
实验结果表明，该系统在10分钟内即可完成45个标准热循环，其加热（60°C至95°C）与冷却（95°C至60°C）的响应时间分别缩短至约3.7秒和0.7秒，显著优于同类系统。在针对肺炎支原体的生物学验证中，该设备展现了卓越的定量性能，检测灵敏度达到 10 copies/μL，扩增效率为96.8%，且线性相关系数R²大于0.99。
本研究提出的技术方案实现了速度、精度与低成本的统一。该系统不仅显著缩短了核酸检测的样本周转时间，为实现“即时即地，随到随检”的POCT诊断模式提供了强有力的技术支撑，同时也为应对突发公共卫生事件的大规模快速筛查提供了经济可行的通用解决方案。
广州国家实验室联合培养博士生陈伟栋为本文第一作者，广州国家实验室徐强研究员与孙宝策高级工程师为共同通讯作者。该研究得到了广州国家实验室专项项目的大力支持。
实时定量PCR技术作为分子诊断的“金标准”，其广泛应用长期受限于冗长的热循环时间（通常需1.5至4小时）。目前的快速加热策略（如电阻加热、光热加热）往往难以在低成本的前提下同时兼顾大面积热均匀性与高通量需求，这极大地限制了其在时间敏感型应用（如即时检测POCT）及大规模筛查场景中的普及。
在本研究中，研究团队设计了一种全新的动态水流热调节系统。该系统利用柔性薄膜载体与动态水流的直接耦合，极大地降低了界面热阻，实现了极速传热；同时，采用双向逆流设计攻克了大面积扩增区域的温差难题，显著提升了反应体系内的温度均一性。此外，为了解决流体传输延迟带来的温控滞后挑战，研究团队创新性地引入了前馈预测控制算法，并依托硬件在环仿真技术实现了算法的快速开发与迭代，成功利用低成本的开关电磁阀实现了高精度的温度控制，有效解决了传统反馈控制中的温度过冲与欠冲问题。
实验结果表明，该系统在10分钟内即可完成45个标准热循环，其加热（60°C至95°C）与冷却（95°C至60°C）的响应时间分别缩短至约3.7秒和0.7秒，显著优于同类系统。在针对肺炎支原体的生物学验证中，该设备展现了卓越的定量性能，检测灵敏度达到 10 copies/μL，扩增效率为96.8%，且线性相关系数R²大于0.99。
本研究提出的技术方案实现了速度、精度与低成本的统一。该系统不仅显著缩短了核酸检测的样本周转时间，为实现“即时即地，随到随检”的POCT诊断模式提供了强有力的技术支撑，同时也为应对突发公共卫生事件的大规模快速筛查提供了经济可行的通用解决方案。
广州国家实验室联合培养博士生陈伟栋为本文第一作者，广州国家实验室徐强研究员与孙宝策高级工程师为共同通讯作者。该研究得到了广州国家实验室专项项目的大力支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2025.103052
图1 基于动态水流热调节与前馈控制算法的超快qPCR系统
