利用分子检测技术帮助医生更快、更准确地进行患者诊断

作者：Connor Connaughton（Eduardo Bartolome是该技术文章的合著者。）

即时医疗分子诊断（PoC）的市场增长主要由以下因素推动：传染病的高患病率；对个性化医疗的认识和接受程度不断提升； 随着分子技术的进步，诊断结果的准确性和便携性提高。PoC分子诊断技术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，患者无需等待数天才能获知检测结果，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。

图1：PoC分子诊断分析仪工作流程简图

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，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。

图2：PoC分子诊断分析仪的传感器前端系统框图

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。如需了解更多信息，请参考以下应用指南。

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。

此类检测涉及的复杂性跨越多个科学领域，本文在此不做深入探讨。但尽管如此，我们希望本文能够在您为仪器设计选择比较关键的电子器件时提供帮助。