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新冠病毒感染人體之后，首先會在呼吸道系統(tǒng)中進行繁殖，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準。
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志物。通過對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（聚合酶鏈式反應）。因PCR反應模板僅為DNA,因此在進行PCR反應前，應將新型冠狀病毒核酸（RNA）逆轉(zhuǎn)錄為DNA.在PCR反應體系中，包含一對特異性引物以及一個Taqman探針，該探針為一段特異性寡核苷酸序列，兩端分別標記了報告熒光基團和淬滅熒光基團。探針完整時，報告基團發(fā)射的熒光信號被淬滅基團吸收；如反應體系存在靶序列，PCR反應時探針與模板結(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，報告基團與淬滅基團分離，發(fā)出熒光。每擴增一條DNA鏈，就有一個熒光分子產(chǎn)生。熒光定量PCR儀能夠監(jiān)測出熒光到達預先設定閾值的循環(huán)數(shù)（Ct值）與病毒核酸濃度有關，病毒核酸濃度越高， Ct值越小。
目前，隨著技術的進步及傳感病的患病率的增高，即時醫(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，并詳細介紹此類儀器主要模塊中的一些實際應用器件。
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DNA導致無法通過光學熒光手段檢測。因此，在Poc中，需要經(jīng)過DNA擴增（克隆/復制）后才能進行分析。兩種主要的擴增技術為聚合酶鏈反應（PCR）和環(huán)介導等溫擴增（LAMP）。
PCR和LAMP擴增技術需要利用一些加熱和冷卻元件。PCR擴增技術需要使用熱電冷卻器（TEC），TEC通過三個獨立的溫度條件變化進行熱循環(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。重復此循環(huán)過程可以產(chǎn)生數(shù)十億個DNA拷貝。在LAMP擴增過程中，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，但需要一組更高級的引物。
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(jiān)測核酸擴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)而設計，在關機時具有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DRV8873來運行高效的加熱和冷卻元件，從而驅(qū)動TEC。DRV8873由四個N溝道MOSFET組成，它們以高達10A的峰值電流雙向驅(qū)動電機，并具有集成電流感應等功能，無需兩個外部并聯(lián)電阻，從而節(jié)省了材料成本和空間。
當擴增發(fā)生時，針對病原體標簽序列的熒光標簽會被光源激發(fā)；單個光電二極管或一組光電二極管能夠檢測到熒光。信號水平會隨著擴增時間或周期而變化，從而指示樣本中特定病原體的初始濃度。在擴增過程的早期階段，僅用樣本中的幾個目標DNA片段就可以檢測出這種信號水平，進一步縮短了獲得陽性結(jié)果（鑒定出目標基因組物質(zhì)）所需的時間。DDC112系列器件可以對1到256個二極管的電流進行采樣，并將電流放大器和ADC集成到一個電路中。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24位分辨率的高線性度ADC。
本文參考來源：EDN電子技術設計；作者：Connor Connaughton，Eduardo Bartolome
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