基于PCR的分子診斷是通過引物介導特異性擴增目的基因以檢測內源性（遺傳或變異）或外源性（病原體）目的基因的存在與否，進而對疾病的診斷和治療提供信息和決策依據。
其主要的應用場景有傳染病的診斷，血篩，腫瘤早期輔助診斷，腫瘤的分子分型，遺傳病的診斷，產前診斷，組織分型等。
其中在傳染病的診斷和血篩方面，基于PCR的分子診斷能縮短診斷的“窗口期”，并且可以定量對病原體進行檢測。
相比于傳統的免疫診斷方式而言，有不可替代的優勢。基于PCR的分子診斷往往是醫院對傳染病診斷的“金標準”。
在血篩方面，有數據表明，美國90％以上輸血傳播HIV和HBV以及75％以上輸血HCV的危險性均來自“窗口期”感染獻血。
在我國，2015 年 2 月，衛計委和財政部聯合印發《關于做好血站核酸檢測工作的通知》: 全面推進血站核酸檢測工作，確保 2015 年血站核酸檢測覆蓋全國并優先選擇國產核酸檢測系統及試劑。
圖1. HIV早期診斷，檢測RNA含量的分子診斷大大縮短了診斷的“窗口期”
基于PCR的分子診斷分為三步：
核酸的提取和純化；
核酸在引物約束下特異性地PCR擴增；
擴增產物的檢測。
在實時熒光定量PCR里，往往PCR擴增和擴增的產物的檢測是同時進行的。在醫院的臨床應用中，往往為了避免交叉污染，往往需要試劑準備、標本制備和PCR擴增檢測三個獨立的實驗區。
圖2.基于PCR的分子診斷的一般流程
在第一步的核酸提取和純化工程中，一般采用的是磁珠法或者硅膠膜法。兩個方法的實質都是用二氧化硅顆粒來吸附DNA分子，只不過磁珠法是將二氧化硅顆粒預先固定在磁珠表面，而硅膠膜法是將二氧化硅顆粒均勻固定在兩層半透膜之間。
圖3.實驗室基于磁珠的核酸提取方法
在PCR擴增中，核心是溫控。主要因為PCR一般需要變性，退火，延伸三個階段，每個階段對應需要不同的溫度。
在實際應用中，往往可以采取兩種方式來實現溫度的切換：
直接溫控，對反應腔進行加熱或者降溫；
預先設置三個處在不同位置的溫區，讓反應腔在三個溫區之間進行空間上的切換。
實際產業化中，往往使用的是直接溫控法，即直接升溫降溫。
熒光檢測往往是和PCR擴增同時進行的，以實現實時定量的效果。在實際應用中，可以使用不同波段的熒光標記探針來進行熒光定量，從而實現多通道的檢測。
圖4. PCR流程以及其相應的典型溫度
由于基于PCR的分子診斷的人工操作需要三個實驗區，過程費時并且需要專業人員進行操作，整個過程由于人的參與帶來許多不可控的因素，所以臨床對于全自動的需求高漲。
這一塊有幾個明星產品：
賽沛（Cepheid）的GeneXpert PCR分析儀
(參考《分子診斷精品之一 GeneXpert PCR分析儀》)
BioFire的filmArray
(參考《分子診斷精品之二 FilmArray多重PCR分析儀》)
IQuum的Liat PCR System
(分子診斷精品之三以后會寫...)
AtlasGenetics的io
這幾個明星產品的孵化公司中，前三家均被巨頭收購，第四家也備受投資機構追捧。
2016年9月，賽沛被丹納赫以40億美元收購；
2013年9月，BioFire被生物梅里埃以4.5億美元收購；
2014年4月，IQuum 被羅氏以4.5億美元收購；
2016年底，萬孚生物以約1.25億人民幣投資Atlas Genetics，獲得14.95%的股權。
競爭激烈和受歡迎程度由此可見一斑。值得注意的是，這四個產品都是基于微流控的分子診斷產品。
另外，國內的博暉創新也于2017年發布了一款微流控全自動核酸檢測系統。
目前來看，在基于PCR分子診斷的全自動化上，微流控技術具有非常大的優勢。下面我們來重點從技術角度來解析這幾款基于微流控的明星產品。
生物梅里埃FilmArray
這款產品的一大特色是它能實現比較高的并行檢測，而且它采用了巢式PCR技術，使用兩對引物擴增，第二對引物結合在第一次擴增的產物的內部，這樣增強了PCR擴增的特異性，降低了誤擴率。
圖5. FilmArray的微流控芯片結構
羅氏cobas Liat
這個產品采用非傳統的微流控芯片結構。整個芯片類似于試管形狀，檢測管包含所有檢測試劑并已分裝入每一個獨立區段，將所有核酸檢測程序融為一體。其中包含試劑準備、樣本富集、抑制物清除、核酸提取及實時熒光定量檢測。分析儀通過對檢測管壓力推動，將樣本從不同區段通過，最后通過溫控進行PCR擴增。
Atlas Genetics的io system
微流控芯片內部跟傳統的一樣，采用的在相應腔室施加正壓或者負壓來操控微流體的流動，以實現整個檢測的流程。但是，這個產品在檢測方面采用了電化學檢測。
其電化學檢測的原理大概為：
先不對稱PCR，產生大量單鏈DNA;
然后單鏈PCR產物與電化學物質的探針結合，生成雙鏈DNA;
雙鏈DNA產物會被核酸外切酶消化，從而釋放出被標記的電化學物質;
最終通過電壓掃描判讀結果。
圖6. 博暉創新的微流控全自動核酸檢測系統（HPV）
博暉創新的微流控全自動核酸檢測系統：這個產品的微流控芯片也是通過在相應的腔室施加正壓或者負壓來驅動微流體在芯片中的流動。在此基礎上，這個產品結合了機械手臂的優勢，進一步降低了單次檢測的成本。
此外，2016年來自德國弗萊堡大學的研究團隊發表了一套基于離心微流控的分子診斷系統。作為系統的核心，其微流控芯片里做到了試劑的預存儲，核酸提取純化，PCR擴增的全部集成。
圖7. Stumpf, F, et al. Lab on A Chip. (2016)
試劑預先存儲在棒狀的鋁箔里，通過不同的離心力來實現試劑的順序加載；
然后，芯片下方的固定的磁鐵完成對芯片里的磁珠的吸附；
轉動微流控芯片，芯片下方的磁鐵會帶著磁珠去往相鄰的腔室，從而實現了DNA的提取過程；
提取后的DNA將會等體積的分配到八個PCR反應腔室，每個腔室里分別對應四種熒光通道。這樣理論上可以實現單樣本32指標的檢測。