新冠病毒(du)感(gan)染人體(ti)之后(hou)，首先會(hui)在呼(hu)吸道系統中進(jin)行繁殖，因此可以通過檢(jian)測(ce)痰液、鼻咽拭子中的病毒(du)核酸判斷人體(ti)是否感(gan)染病毒(du)。核酸檢(jian)測(ce)陽性(xing)是新型冠狀病毒(du)感(gan)染確診的金標準(zhun)。

核酸檢測的工作原理：

所有生物除朊病(bing)毒(du)(du)(du)(du)(du)外都(dou)含有核(he)(he)酸，核(he)(he)酸包(bao)括脫氧核(he)(he)糖核(he)(he)酸（DNA）和核(he)(he)糖核(he)(he)酸（RNA），新型冠(guan)(guan)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)病(bing)毒(du)(du)(du)(du)(du)是一種僅含有RNA的(de)病(bing)毒(du)(du)(du)(du)(du)，病(bing)毒(du)(du)(du)(du)(du)中特(te)異(yi)性(xing)RNA序(xu)列(lie)是區分該病(bing)毒(du)(du)(du)(du)(du)與(yu)(yu)其它病(bing)原體的(de)標志物。通過(guo)對(dui)新型冠(guan)(guan)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)病(bing)毒(du)(du)(du)(du)(du)全基(ji)因(yin)組(zu)序(xu)列(lie)的(de)解析，并通過(guo)與(yu)(yu)其它物種的(de)基(ji)因(yin)組(zu)序(xu)列(lie)對(dui)比，發現了新型冠(guan)(guan)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)病(bing)毒(du)(du)(du)(du)(du)中的(de)特(te)異(yi)核(he)(he)酸序(xu)列(lie)。如果(guo)在患者樣本中檢測到新型冠(guan)(guan)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)病(bing)毒(du)(du)(du)(du)(du)的(de)特(te)異(yi)核(he)(he)酸序(xu)列(lie)，則該患者可能被新型冠(guan)(guan)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)病(bing)毒(du)(du)(du)(du)(du)感染。

檢測新型冠狀病毒特異序列的方法最常見的是熒光定量PCR（聚合酶鏈式反應）。因(yin)(yin)PCR反(fan)應(ying)(ying)模(mo)(mo)板僅為(wei)DNA,因(yin)(yin)此在進行PCR反(fan)應(ying)(ying)前，應(ying)(ying)將(jiang)新型(xing)冠(guan)狀病(bing)毒(du)核(he)酸(suan)(suan)(suan)（RNA）逆轉錄為(wei)DNA.在PCR反(fan)應(ying)(ying)體(ti)系中，包含一(yi)對特(te)異(yi)性引(yin)物以及一(yi)個Taqman探(tan)(tan)針(zhen)(zhen)，該探(tan)(tan)針(zhen)(zhen)為(wei)一(yi)段特(te)異(yi)性寡核(he)苷酸(suan)(suan)(suan)序(xu)列，兩端(duan)分(fen)別標記了報(bao)告(gao)熒光(guang)(guang)基(ji)團(tuan)(tuan)和淬(cui)滅熒光(guang)(guang)基(ji)團(tuan)(tuan)。探(tan)(tan)針(zhen)(zhen)完整時，報(bao)告(gao)基(ji)團(tuan)(tuan)發(fa)射的(de)(de)熒光(guang)(guang)信號被(bei)淬(cui)滅基(ji)團(tuan)(tuan)吸(xi)收；如(ru)反(fan)應(ying)(ying)體(ti)系存(cun)在靶序(xu)列，PCR反(fan)應(ying)(ying)時探(tan)(tan)針(zhen)(zhen)與模(mo)(mo)板結合(he)，DNA聚合(he)酶沿模(mo)(mo)板利用酶的(de)(de)外切酶活性將(jiang)探(tan)(tan)針(zhen)(zhen)酶切降解(jie)，報(bao)告(gao)基(ji)團(tuan)(tuan)與淬(cui)滅基(ji)團(tuan)(tuan)分(fen)離，發(fa)出熒光(guang)(guang)。每擴增一(yi)條DNA鏈，就有一(yi)個熒光(guang)(guang)分(fen)子產生。熒光(guang)(guang)定量PCR儀能夠監測(ce)出熒光(guang)(guang)到達預先設定閾值(zhi)的(de)(de)循環數(shu)（Ct值(zhi)）與病(bing)毒(du)核(he)酸(suan)(suan)(suan)濃度有關，病(bing)毒(du)核(he)酸(suan)(suan)(suan)濃度越高， Ct值(zhi)越小。

目前，隨著技術的進步及傳感病的患病率的增高，即時醫療分子診斷（PoC）受到市場重用，此次新冠肺炎疫情中亦如此。PoC可(ke)以幫助(zhu)醫生在(zai)患者(zhe)(zhe)首次(ci)就診時快速做出診斷和治療決策(ce)，患者(zhe)(zhe)無(wu)需等待數天(tian)即能獲知檢測結果，從而(er)提高了醫療水平。本文將簡要(yao)介(jie)紹這種核酸檢測方(fang)法(fa)，并詳細介(jie)紹此(ci)類儀(yi)器(qi)主要(yao)模塊中的(de)一些實際應用器(qi)件(jian)。

核酸檢測需要用到哪些傳感器？

從更高的層面來說，生物(wu)樣本可能不具有足(zu)夠的目標DNA導致無法通(tong)過光(guang)學熒光(guang)手(shou)段檢測。因此，在Poc中，需要(yao)經(jing)過DNA擴(kuo)增（克隆(long)/復制）后才(cai)能進行分(fen)析。兩種主要(yao)的擴(kuo)增技術為聚合酶(mei)鏈反應（PCR）和環介導等溫擴(kuo)增（LAMP）。

PCR和LAMP擴增技術需要利用一些加熱和冷卻元件。PCR擴(kuo)增技術(shu)需(xu)要使用熱電冷卻(que)器（TEC），TEC通過(guo)(guo)三個獨立(li)的溫(wen)度(du)條件(jian)變化進行熱循環(huan)，包(bao)括(kuo)將(jiang)樣本加熱至95°C,冷卻(que)至50°C-56°C,以及保持(chi)在72°C恒定溫(wen)度(du)下(xia)。重復此循環(huan)過(guo)(guo)程可以產生數十億個DNA拷貝。在LAMP擴(kuo)增過(guo)(guo)程中(zhong)，加熱和冷卻(que)元件(jian)將(jiang)樣本保持(chi)在60°C-65°C的恒定溫(wen)度(du)下(xia)。避免熱循環(huan)有助(zhu)于(yu)加快這(zhe)一(yi)反應，但需(xu)要一(yi)組(zu)更(geng)高級的引物(wu)。

圖2所示為PoC分子診斷分析儀的傳感器前端/TEC單元的示意圖，其基于TIDDC112電流輸入模數轉換器（ADC）以及TI電流驅動器、精密放大器和溫度傳感器。

TEC單元的正常運行需要具備高水平的溫度精度，以監測核酸擴增過程所需的加熱和冷卻。TMP117數字傳感器在-40°C至100°C的(de)溫度范圍內可(ke)實現±0.1°C的(de)典型精度以及±0.2°C的(de)最(zui)大精度。該器件具有集(ji)成的(de)16位(wei)ADC,可(ke)通過(guo)I2C或SMBus與數字(zi)元件通信(xin)。TMP117專(zhuan)為電池(chi)供電的(de)系統而設計，在關機(ji)時具有150 nA的(de)靜態電流消耗，并且每1Hz轉(zhuan)換周期(qi)只需(xu)要3.5μA。

TPS54201提供(gong)恒定電(dian)流（1.5A）驅動(dong)DRV8873來運(yun)行高效的加熱和冷卻(que)元件，從(cong)而(er)驅動(dong)TEC。DRV8873由(you)四(si)個N溝道(dao)MOSFET組成(cheng)，它們以高達10A的峰值電(dian)流雙向驅動(dong)電(dian)機，并(bing)具有集成(cheng)電(dian)流感應(ying)等功能，無需(xu)兩(liang)個外部(bu)并(bing)聯電(dian)阻，從(cong)而(er)節(jie)省了材料成(cheng)本(ben)和空間。

當擴增發生時，針對病原體標簽序列的熒光標簽會被光源激發；單個光電二極管或一組光電二極管能夠檢測到熒光。信(xin)號水平會隨著擴增(zeng)時(shi)間(jian)或(huo)周期(qi)而變化，從(cong)而指示樣(yang)本中(zhong)特(te)定病原體的(de)初(chu)始濃度。在擴增(zeng)過程的(de)早(zao)期(qi)階段(duan)，僅(jin)用樣(yang)本中(zhong)的(de)幾個目標DNA片(pian)段(duan)就可以檢測出(chu)這(zhe)種信(xin)號水平，進一步縮短了獲得陽性結果（鑒定出(chu)目標基(ji)因組物質）所需的(de)時(shi)間(jian)。DDC112系(xi)列器件可以對(dui)1到256個二極管的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流進行采樣(yang)，并將電(dian)(dian)(dian)(dian)流放大(da)器和ADC集成到一個電(dian)(dian)(dian)(dian)路中(zhong)。這(zhe)些器件具(ju)有非常低(di)(di)的(de)輸入參(can)考噪聲（在均方根鐵磁安培范圍內）、低(di)(di)輸入偏置(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)流（0.1 pA）以及(ji)具(ju)有高達24位(wei)分辨率的(de)高線性度ADC。

本文參考來源：EDN電(dian)子技(ji)術設計；作者：Connor Connaughton，Eduardo Bartolome