新(xin)冠(guan)病(bing)毒感(gan)染(ran)人(ren)體之后，首先會(hui)在呼(hu)吸道系統中進行(xing)繁殖，因此可以通過檢(jian)測(ce)(ce)痰液、鼻咽(yan)拭子(zi)中的(de)病(bing)毒核酸判斷人(ren)體是否感(gan)染(ran)病(bing)毒。核酸檢(jian)測(ce)(ce)陽性是新(xin)型冠(guan)狀病(bing)毒感(gan)染(ran)確診的(de)金標準。

核酸檢測的工作原理：

所有(you)(you)生物(wu)(wu)除朊病(bing)毒(du)(du)(du)外都含有(you)(you)核(he)(he)(he)酸(suan)(suan)，核(he)(he)(he)酸(suan)(suan)包括脫(tuo)氧(yang)核(he)(he)(he)糖核(he)(he)(he)酸(suan)(suan)（DNA）和核(he)(he)(he)糖核(he)(he)(he)酸(suan)(suan)（RNA），新(xin)(xin)型冠(guan)狀病(bing)毒(du)(du)(du)是一種僅含有(you)(you)RNA的病(bing)毒(du)(du)(du)，病(bing)毒(du)(du)(du)中(zhong)特(te)異(yi)性RNA序列(lie)(lie)是區分該病(bing)毒(du)(du)(du)與其它病(bing)原體(ti)的標志物(wu)(wu)。通過對新(xin)(xin)型冠(guan)狀病(bing)毒(du)(du)(du)全基(ji)因組序列(lie)(lie)的解析，并通過與其它物(wu)(wu)種的基(ji)因組序列(lie)(lie)對比，發現(xian)了新(xin)(xin)型冠(guan)狀病(bing)毒(du)(du)(du)中(zhong)的特(te)異(yi)核(he)(he)(he)酸(suan)(suan)序列(lie)(lie)。如果(guo)在患者(zhe)樣(yang)本中(zhong)檢測到(dao)新(xin)(xin)型冠(guan)狀病(bing)毒(du)(du)(du)的特(te)異(yi)核(he)(he)(he)酸(suan)(suan)序列(lie)(lie)，則該患者(zhe)可能被新(xin)(xin)型冠(guan)狀病(bing)毒(du)(du)(du)感染(ran)。

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PCR反應(ying)模板僅為(wei)(wei)DNA,因此在進行(xing)PCR反應(ying)前，應(ying)將(jiang)新型冠狀病(bing)(bing)毒(du)核酸(suan)（RNA）逆轉錄為(wei)(wei)DNA.在PCR反應(ying)體系中，包含一(yi)(yi)(yi)對特異性(xing)引(yin)物以及(ji)一(yi)(yi)(yi)個Taqman探針(zhen)，該探針(zhen)為(wei)(wei)一(yi)(yi)(yi)段特異性(xing)寡(gua)核苷酸(suan)序列(lie)(lie)，兩端分(fen)別標記(ji)了報告熒(ying)光(guang)(guang)(guang)基(ji)(ji)團(tuan)(tuan)和淬(cui)滅熒(ying)光(guang)(guang)(guang)基(ji)(ji)團(tuan)(tuan)。探針(zhen)完整(zheng)時，報告基(ji)(ji)團(tuan)(tuan)發射的熒(ying)光(guang)(guang)(guang)信號被淬(cui)滅基(ji)(ji)團(tuan)(tuan)吸收(shou)；如反應(ying)體系存在靶序列(lie)(lie)，PCR反應(ying)時探針(zhen)與模板結合，DNA聚合酶沿模板利用酶的外切酶活性(xing)將(jiang)探針(zhen)酶切降解，報告基(ji)(ji)團(tuan)(tuan)與淬(cui)滅基(ji)(ji)團(tuan)(tuan)分(fen)離，發出熒(ying)光(guang)(guang)(guang)。每擴增一(yi)(yi)(yi)條DNA鏈，就有一(yi)(yi)(yi)個熒(ying)光(guang)(guang)(guang)分(fen)子產生(sheng)。熒(ying)光(guang)(guang)(guang)定量PCR儀能夠(gou)監測(ce)出熒(ying)光(guang)(guang)(guang)到(dao)達預先設定閾值(zhi)的循環數（Ct值(zhi)）與病(bing)(bing)毒(du)核酸(suan)濃(nong)度有關，病(bing)(bing)毒(du)核酸(suan)濃(nong)度越高(gao)， 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可以幫(bang)助醫(yi)生在患者(zhe)首次就(jiu)診(zhen)時快速(su)做(zuo)出診(zhen)斷和治療(liao)決策(ce)，患者(zhe)無需等待數天(tian)即(ji)能獲知檢測結(jie)果(guo)，從而提高(gao)了醫(yi)療(liao)水平。本文將簡要介(jie)(jie)紹(shao)(shao)這種(zhong)核(he)酸檢測方法，并詳(xiang)細介(jie)(jie)紹(shao)(shao)此類儀器主要模塊中(zhong)的(de)一些實際應用器件。

核酸檢測需要用到哪些傳感器？

從更(geng)高的層面(mian)來說(shuo)，生物(wu)樣(yang)本可能不具有足夠的目(mu)標DNA導致無法通過光學熒光手段檢測(ce)。因(yin)此，在(zai)Poc中(zhong)，需要經(jing)過DNA擴(kuo)增(zeng)（克(ke)隆/復(fu)制）后(hou)才能進行(xing)分析。兩(liang)種主要的擴(kuo)增(zeng)技術為(wei)聚合酶鏈反應（PCR）和環介導等溫擴(kuo)增(zeng)（LAMP）。

PCR和LAMP擴增技術需要利用一些加熱和冷卻元件。PCR擴增(zeng)技(ji)術(shu)需(xu)要使用熱(re)(re)電冷(leng)卻(que)器（TEC），TEC通過三個獨立的溫度條件變化進行(xing)熱(re)(re)循環(huan)，包括將樣(yang)本(ben)加(jia)熱(re)(re)至95°C,冷(leng)卻(que)至50°C-56°C,以(yi)及保(bao)持在72°C恒定(ding)溫度下(xia)。重復此循環(huan)過程(cheng)可以(yi)產生數十億個DNA拷貝。在LAMP擴增(zeng)過程(cheng)中，加(jia)熱(re)(re)和冷(leng)卻(que)元件將樣(yang)本(ben)保(bao)持在60°C-65°C的恒定(ding)溫度下(xia)。避免熱(re)(re)循環(huan)有助于加(jia)快(kuai)這(zhe)一(yi)反應(ying)，但需(xu)要一(yi)組更(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(zai)-40°C至100°C的(de)(de)溫度(du)范圍內可(ke)(ke)實現±0.1°C的(de)(de)典型精度(du)以及±0.2°C的(de)(de)最大(da)精度(du)。該(gai)器件具有集成的(de)(de)16位ADC,可(ke)(ke)通過I2C或SMBus與數字元件通信。TMP117專為電(dian)池供電(dian)的(de)(de)系統而設(she)計，在(zai)關機時具有150 nA的(de)(de)靜(jing)態電(dian)流消(xiao)耗，并且(qie)每1Hz轉換周期只需(xu)要3.5μA。

TPS54201提供(gong)恒定電(dian)流(liu)（1.5A）驅(qu)動DRV8873來運行高(gao)效(xiao)的(de)加熱(re)和冷卻元(yuan)件，從(cong)而驅(qu)動TEC。DRV8873由四個N溝道MOSFET組成，它們以高(gao)達10A的(de)峰值電(dian)流(liu)雙向驅(qu)動電(dian)機(ji)，并具有(you)集成電(dian)流(liu)感應等功能，無需(xu)兩個外部并聯(lian)電(dian)阻，從(cong)而節省了材料成本和空(kong)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(hao)水平(ping)(ping)會(hui)隨著擴(kuo)增時間(jian)或周期而變化，從而指(zhi)示樣(yang)(yang)本(ben)中特定病(bing)原體的(de)(de)初始濃度。在擴(kuo)增過程的(de)(de)早(zao)期階段，僅(jin)用樣(yang)(yang)本(ben)中的(de)(de)幾個目標(biao)DNA片段就可(ke)以檢測(ce)出這(zhe)種信(xin)號(hao)水平(ping)(ping)，進一步縮短了獲得(de)陽(yang)性結果（鑒(jian)定出目標(biao)基因組物質）所需的(de)(de)時間(jian)。DDC112系列器件(jian)可(ke)以對1到(dao)256個二極(ji)管的(de)(de)電(dian)流(liu)進行采樣(yang)(yang)，并將電(dian)流(liu)放(fang)大器和ADC集成到(dao)一個電(dian)路中。這(zhe)些(xie)器件(jian)具有(you)非常低(di)的(de)(de)輸(shu)入參考噪聲（在均方(fang)根(gen)鐵磁安培范圍內）、低(di)輸(shu)入偏置電(dian)流(liu)（0.1 pA）以及具有(you)高(gao)達24位分辨(bian)率的(de)(de)高(gao)線性度ADC。

本文參考(kao)來源：EDN電子技術設計；作者：Connor Connaughton，Eduardo Bartolome