新冠病毒感染人体之后,首先会在呼吸道系统中进行繁殖,因此可以通过检测痰液、鼻咽拭子中的病毒核酸判断人体是否感染病毒。核酸检测阳性是新型冠状病毒感染确诊的金标准。
核酸检测的工作原理:
所有生物除朊病毒外都含有核酸,核酸包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA),新型冠状病毒是一种仅含有RNA的病毒,病毒中特异性RNA序列是区分该病毒与其它病原体的标志物。通过对新型冠状病毒全基因组序列的解析,并通过与其它物种的基因组序列对比,发现了新型冠状病毒中的特异核酸序列。如果在患者样本中检测到新型冠状病毒的特异核酸序列,则该患者可能被新型冠状病毒感染。
检测新型冠状病毒特异序列的方法最常见的是荧光定量PCR(聚合酶链式反应)。因PCR反应模板仅为DNA,因此在进行PCR反应前,应将新型冠状病毒核酸(RNA)逆转录为DNA.在PCR反应体系中,包含一对特异性引物以及一个Taqman探针,该探针为一段特异性寡核苷酸序列,两端分别标记了报告荧光基团和淬灭荧光基团。探针完整时,报告基团发射的荧光信号被淬灭基团吸收;如反应体系存在靶序列,PCR反应时探针与模板结合,DNA聚合酶沿模板利用酶的外切酶活性将探针酶切降解,报告基团与淬灭基团分离,发出荧光。每扩增一条DNA链,就有一个荧光分子产生。荧光定量PCR仪能够监测出荧光到达预先设定阈值的循环数(Ct值)与病毒核酸浓度有关,病毒核酸浓度越高, Ct值越小。
目前,随着技术的进步及传感病的患病率的增高,即时医疗分子诊断(PoC)受到市场重用,此次新冠肺炎疫情中亦如此。PoC可以帮助医生在患者首次就诊时快速做出诊断和治疗决策,患者无需等待数天即能获知检测结果,从而提高了医疗水平。本文将简要介绍这种核酸检测方法,并详细介绍此类仪器主要模块中的一些实际应用器件。
核酸检测需要用到哪些传感器?
从更高的层面来说,生物样本可能不具有足够的目标DNA导致无法通过光学荧光手段检测。因此,在Poc中,需要经过DNA扩增(克隆/复制)后才能进行分析。两种主要的扩增技术为聚合酶链反应(PCR)和环介导等温扩增(LAMP)。
PCR和LAMP扩增技术需要利用一些加热和冷却元件。PCR扩增技术需要使用热电冷却器(TEC),TEC通过三个独立的温度条件变化进行热循环,包括将样本加热至95°C,冷却至50°C-56°C,以及保持在72°C恒定温度下。重复此循环过程可以产生数十亿个DNA拷贝。在LAMP扩增过程中,加热和冷却元件将样本保持在60°C-65°C的恒定温度下。避免热循环有助于加快这一反应,但需要一组更高级的引物。
图2所示为PoC分子诊断分析仪的传感器前端/TEC单元的示意图,其基于TIDDC112电流输入模数转换器(ADC)以及TI电流驱动器、精密放大器和温度传感器。
TEC单元的正常运行需要具备高水平的温度精度,以监测核酸扩增过程所需的加热和冷却。TMP117数字传感器在-40°C至100°C的温度范围内可实现±0.1°C的典型精度以及±0.2°C的最大精度。该器件具有集成的16位ADC,可通过I2C或SMBus与数字元件通信。TMP117专为电池供电的系统而设计,在关机时具有150 nA的静态电流消耗,并且每1Hz转换周期只需要3.5μA。
TPS54201提供恒定电流(1.5A)驱动DRV8873来运行高效的加热和冷却元件,从而驱动TEC。DRV8873由四个N沟道MOSFET组成,它们以高达10A的峰值电流双向驱动电机,并具有集成电流感应等功能,无需两个外部并联电阻,从而节省了材料成本和空间。
当扩增发生时,针对病原体标签序列的荧光标签会被光源激发;单个光电二极管或一组光电二极管能够检测到荧光。信号水平会随着扩增时间或周期而变化,从而指示样本中特定病原体的初始浓度。在扩增过程的早期阶段,仅用样本中的几个目标DNA片段就可以检测出这种信号水平,进一步缩短了获得阳性结果(鉴定出目标基因组物质)所需的时间。DDC112系列器件可以对1到256个二极管的电流进行采样,并将电流放大器和ADC集成到一个电路中。这些器件具有非常低的输入参考噪声(在均方根铁磁安培范围内)、低输入偏置电流(0.1 pA)以及具有高达24位分辨率的高线性度ADC。
本文参考来源:EDN电子技术设计;作者:Connor Connaughton,Eduardo Bartolome