數(shù)明小講堂 | 新冠核酸檢測之PCR技術(shù)

疫情防控

科學(xué)防疫 數(shù)明有“芯”

當(dāng)前上海正處于抗新型冠狀病毒肺炎疫情防控的關(guān)鍵階段，在這個沒有硝煙的戰(zhàn)場上，及時快速地篩查新冠感染者并及時進行隔離是阻止新冠病毒肆意蔓延的最有效且唯一的手段。核酸檢測是目前篩查新冠感染者最精準(zhǔn)、有效、低成本的技術(shù)方式。

什么是PCR？

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase Chain Reaction), 簡稱PCR, 又稱多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，是一項利用DNA雙鏈復(fù)制的原理，在生物體外復(fù)制特定DNA片段的核酸合成技術(shù)。透過這項技術(shù)，可在短時間內(nèi)大量擴增目的基因，而不必依賴大腸桿菌或酵母菌等生物體。

PCR擴增的三個基本步驟

（1）變性：模板DNA經(jīng)加熱至94℃左右并保持一定時間后，基于DNA半保留復(fù)制原理，還有堿基互補配對原則，即復(fù)制的過程中雙鏈DNA會解鏈，由雙鏈變成單鏈，為下輪反應(yīng)做準(zhǔn)備；

（2）退火：模板DNA經(jīng)加熱變性成單鏈后，溫度降至55℃左右，引物與模板DNA單鏈的互補序列配對結(jié)合；

（3）延伸：溫度再升至72℃左右，在DNA聚合酶的作用下，把游離的dNTP按照堿基互補配對原則結(jié)合到單鏈上，形成一條由舊鏈和新鏈雜合成的新的雙鏈DNA。

PCR擴增原理：變形-退火-延伸溫度循環(huán)

理論上，經(jīng)過上面步驟，目標(biāo)DNA濃度可增加一倍。重復(fù)循環(huán)上述過程，可獲得更多的“半保留復(fù)制鏈”，而形成的新鏈又可成為下次循環(huán)的模板。每完成一個循環(huán)需2～4分鐘， 僅需2～3小時就能將目標(biāo)DNA擴增放大幾百萬倍。

全自動核酸提純及實時熒光PCR分析系統(tǒng)

經(jīng)過以上分析，我們就可以理解為什么核酸檢測結(jié)果最快能在幾個小時內(nèi)出結(jié)果。

實時熒光PCR定量分析       

PCR擴增儀溫度控制指標(biāo)主要有：溫度的準(zhǔn)確性、均勻性、以及升降溫速度。

1. 溫度的準(zhǔn)確性：是指樣品孔溫度與設(shè)定溫度的一致性，它直接關(guān)系到實驗的成敗。因而對PCR擴增儀而言溫度控制就意味著產(chǎn)品質(zhì)量。

2. 溫度的均勻性：是指樣品孔間的溫度差異，它關(guān)系到在不同樣品孔進行反應(yīng)結(jié)果的一致性。

3. 升降溫速度：更快的升降溫速度，可以有效縮短反應(yīng)時間和可能的非特異性結(jié)合、反應(yīng)的時間，從而提高PCR反應(yīng)特異性。

相較于傳統(tǒng)的相對穩(wěn)定耐用的機械式，新的半導(dǎo)體溫控技術(shù)——TEC溫度控制技術(shù)具有升降溫更快速的優(yōu)勢，已經(jīng)成為PCR擴增儀的首選溫度控制技術(shù)。

半導(dǎo)體制冷器 (Thermo Electric Cooler，簡稱 TEC) 是利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)制成的。如圖下所示，帕爾帖效應(yīng)是指當(dāng)直流電流通過兩種半導(dǎo)體材料組成的電偶時，其一端吸熱，一端放熱的現(xiàn)象。TEC 包括一些 P 型和 N 型對（組），它們通過電極連在一起，并且夾在兩個陶瓷電極之間，當(dāng)有電流從 TEC 流過時，電流產(chǎn)生的熱量會從 TEC 的 一側(cè)傳到另一側(cè)，在 TEC 上產(chǎn)生″熱″側(cè)和″冷″側(cè)，這就是 TEC 的加熱與致冷原理。 

帕爾帖效應(yīng)，PN 節(jié)以及熱流動示意圖

PCR擴增儀一般具有兩種溫控模式，即模塊溫控模式（Block-control）和反應(yīng)管溫控模式（tube-control）。管內(nèi)樣品的溫度無法與溫控模塊同時達到預(yù)設(shè)溫度，特別是PCR反應(yīng)中的孵育過程一般為30秒或更短，如果采用只有模塊溫控模式的話，反應(yīng)混合物孵育的時間與程序設(shè)定的時間會有相當(dāng)大的差距。為了達到反應(yīng)管內(nèi)部溫度精確控制，需采用反應(yīng)管控制模模式，通過溫度控制算法進行參數(shù)標(biāo)定和補償，確保反應(yīng)混合物按照程序設(shè)定的時間維持預(yù)設(shè)溫度。

科技戰(zhàn)“疫”，數(shù)明在行動

面對近期香港、深圳、上海等地奧密克戎的快速擴散，核酸檢測能力在數(shù)量和速度方面都面臨著極大的考驗。數(shù)明半導(dǎo)體積極發(fā)揮了科技技術(shù)方面的優(yōu)勢，組織技術(shù)專家研究PCR擴增技術(shù)的優(yōu)化解決方案，以功率器件門極驅(qū)動芯片和TEC控制器為著力點，優(yōu)先保障芯片供應(yīng)和交付，與客戶一起助力抗疫，共克時艱。

數(shù)明半導(dǎo)體自研的20V-600V耐壓全系列的低邊、半橋、三相半橋等功率管門極驅(qū)動芯片（SLM2103S、SLM2136等）可用于驅(qū)動TEC，協(xié)助PCR擴增儀器客戶快速、方便地完成系統(tǒng)設(shè)計，在當(dāng)前半導(dǎo)體供應(yīng)短缺時期，可以滿足客戶設(shè)計方案的快速變更、驗證與量產(chǎn)。

600V耐壓半橋功率器件驅(qū)動芯片工作示意圖

600V耐壓三相半橋功率器件驅(qū)動芯片工作示意圖

數(shù)明半導(dǎo)體的單芯片TEC控制器產(chǎn)品——SLM8833/8834/8835 集成了TEC驅(qū)動電路、低溫飄高精度溫度誤差放大器及環(huán)路補償電路、溫度設(shè)定與傳感電路，采用高效的單電感架構(gòu)，實現(xiàn)更緊湊、更高的轉(zhuǎn)換效率及更低的噪聲；其中功率級集成了超低阻抗的MOSFET，損耗更低壽命更久；同時匹配模擬PID與數(shù)字PID兩種溫控模式，以滿足客戶PCR擴增儀的小型化創(chuàng)新設(shè)計需求。

由SLM8834 構(gòu)成的 TEC 系統(tǒng)框圖

模擬PID溫控器模式 

數(shù)字PID溫控模式