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