新冠病毒感染人體之后，首先會(huì)在呼吸道系統(tǒng)中進(jìn)行繁殖，因此可以通過檢測痰液、鼻咽拭子中的病毒核酸判斷人體是否感染病毒。核酸檢測陽性是新型冠狀病毒感染確診的金標(biāo)準(zhǔn)。

核酸檢測的工作原理：

所有生物除朊病毒外都含有核酸，核酸包括脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），新型冠狀病毒是一種僅含有RNA的病毒，病毒中特異性RNA序列是區(qū)分該病毒與其它病原體的標(biāo)志物。通過對(duì)新型冠狀病毒全基因組序列的解析，并通過與其它物種的基因組序列對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了新型冠狀病毒中的特異核酸序列。如果在患者樣本中檢測到新型冠狀病毒的特異核酸序列，則該患者可能被新型冠狀病毒感染。

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?zhǔn)椒磻?yīng)）。因PCR反應(yīng)模板僅為DNA,因此在進(jìn)行PCR反應(yīng)前，應(yīng)將新型冠狀病毒核酸（RNA）逆轉(zhuǎn)錄為DNA.在PCR反應(yīng)體系中，包含一對(duì)特異性引物以及一個(gè)Taqman探針，該探針為一段特異性寡核苷酸序列，兩端分別標(biāo)記了報(bào)告熒光基團(tuán)和淬滅熒光基團(tuán)。探針完整時(shí)，報(bào)告基團(tuán)發(fā)射的熒光信號(hào)被淬滅基團(tuán)吸收；如反應(yīng)體系存在靶序列，PCR反應(yīng)時(shí)探針與模板結(jié)合，DNA聚合酶沿模板利用酶的外切酶活性將探針酶切降解，報(bào)告基團(tuán)與淬滅基團(tuán)分離，發(fā)出熒光。每擴(kuò)增一條DNA鏈，就有一個(gè)熒光分子產(chǎn)生。熒光定量PCR儀能夠監(jiān)測出熒光到達(dá)預(yù)先設(shè)定閾值的循環(huán)數(shù)（Ct值）與病毒核酸濃度有關(guān)，病毒核酸濃度越高， Ct值越小。

目前，隨著技術(shù)的進(jìn)步及傳感病的患病率的增高，即時(shí)醫(yī)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可以幫助醫(yī)生在患者首次就診時(shí)快速做出診斷和治療決策，患者無需等待數(shù)天即能獲知檢測結(jié)果，從而提高了醫(yī)療水平。本文將簡要介紹這種核酸檢測方法，并詳細(xì)介紹此類儀器主要模塊中的一些實(shí)際應(yīng)用器件。

核酸檢測需要用到哪些傳感器？

從更高的層面來說，生物樣本可能不具有足夠的目標(biāo)DNA導(dǎo)致無法通過光學(xué)熒光手段檢測。因此，在Poc中，需要經(jīng)過DNA擴(kuò)增（克隆/復(fù)制）后才能進(jìn)行分析。兩種主要的擴(kuò)增技術(shù)為聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）和環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增（LAMP）。

PCR和LAMP擴(kuò)增技術(shù)需要利用一些加熱和冷卻元件。PCR擴(kuò)增技術(shù)需要使用熱電冷卻器（TEC），TEC通過三個(gè)獨(dú)立的溫度條件變化進(jìn)行熱循環(huán)，包括將樣本加熱至95°C,冷卻至50°C-56°C,以及保持在72°C恒定溫度下。重復(fù)此循環(huán)過程可以產(chǎn)生數(shù)十億個(gè)DNA拷貝。在LAMP擴(kuò)增過程中，加熱和冷卻元件將樣本保持在60°C-65°C的恒定溫度下。避免熱循環(huán)有助于加快這一反應(yīng)，但需要一組更高級(jí)的引物。

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(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）以及TI電流驅(qū)動(dòng)器、精密放大器和溫度傳感器。

TEC單元的正常運(yùn)行需要具備高水平的溫度精度，以監(jiān)測核酸擴(kuò)增過程所需的加熱和冷卻。TMP117數(shù)字傳感器在-40°C至100°C的溫度范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)±0.1°C的典型精度以及±0.2°C的最大精度。該器件具有集成的16位ADC,可通過I2C或SMBus與數(shù)字元件通信。TMP117專為電池供電的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，在關(guān)機(jī)時(shí)具有150 nA的靜態(tài)電流消耗，并且每1Hz轉(zhuǎn)換周期只需要3.5μA。

TPS54201提供恒定電流（1.5A）驅(qū)動(dòng)DRV8873來運(yùn)行高效的加熱和冷卻元件，從而驅(qū)動(dòng)TEC。DRV8873由四個(gè)N溝道MOSFET組成，它們以高達(dá)10A的峰值電流雙向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并具有集成電流感應(yīng)等功能，無需兩個(gè)外部并聯(lián)電阻，從而節(jié)省了材料成本和空間。

當(dāng)擴(kuò)增發(fā)生時(shí)，針對(duì)病原體標(biāo)簽序列的熒光標(biāo)簽會(huì)被光源激發(fā)；單個(gè)光電二極管或一組光電二極管能夠檢測到熒光。信號(hào)水平會(huì)隨著擴(kuò)增時(shí)間或周期而變化，從而指示樣本中特定病原體的初始濃度。在擴(kuò)增過程的早期階段，僅用樣本中的幾個(gè)目標(biāo)DNA片段就可以檢測出這種信號(hào)水平，進(jìn)一步縮短了獲得陽性結(jié)果（鑒定出目標(biāo)基因組物質(zhì)）所需的時(shí)間。DDC112系列器件可以對(duì)1到256個(gè)二極管的電流進(jìn)行采樣，并將電流放大器和ADC集成到一個(gè)電路中。這些器件具有非常低的輸入?yún)⒖荚肼暎ㄔ诰礁F磁安培范圍內(nèi)）、低輸入偏置電流（0.1 pA）以及具有高達(dá)24位分辨率的高線性度ADC。

本文參考來源：EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì)；作者：Connor Connaughton，Eduardo Bartolome