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作者：Connor Connaughton，德州儀器（Eduardo Bartolome是該技術(shù)文章的合著(zhù)者。） 即時(shí)醫療分子診斷（PoC）的市場(chǎng)增長(cháng)主要由以下因素推動(dòng)：傳染病的高患病率；對個(gè)性化醫療的認識和接受程度不斷提升； 隨著(zhù)分子技術(shù)的進(jìn)步，診斷結果的準確性和便攜性提高。PoC分子診斷技術(shù)可以幫助醫生在患者首次就診時(shí)快速做出診斷和治療決策，患者無(wú)需等待數天才能獲知檢測結果，從而提高了醫療水平。本文將簡(jiǎn)要介紹這種檢測方法，并詳細介紹此類(lèi)儀器主要模塊中的一些實(shí)際應用器件。 
圖1：PoC分子診斷分析儀工作流程簡(jiǎn)圖 從更高的層面來(lái)說(shuō)，生物樣本可能不具有足夠的目標DNA導致無(wú)法通過(guò)光學(xué)熒光手段檢測。因此，需要經(jīng)過(guò)DNA擴增（克隆/復制）后才能進(jìn)行分析。兩種主要的擴增技術(shù)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(shù)需要利用一些加熱和冷卻元件。PCR擴增技術(shù)需要使用熱電冷卻器（TEC），TEC通過(guò)三個(gè)獨立的溫度條件變化進(jìn)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(guò)程可以產(chǎn)生數十億個(gè)DNA拷貝。在LAMP擴增過(guò)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電流輸入模數轉換器（ADC）以及TI電流驅動(dòng)器、精密放大器和溫度傳感器。
圖2：PoC分子診斷分析儀的傳感器前端系統框圖 TEC單元的正常運行需要具備高水平的溫度精度，以監測核酸擴增過(guò)程所需的加熱和冷卻。TMP117數字傳感器在-40°C至100°C的溫度范圍內可實(shí)現±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(guò)I2C或SMBus與數字元件通信。TMP117專(zhuān)為電池供電的系統而設計，在關(guān)機時(shí)具有150 nA的靜態(tài)電流消耗，并且每1Hz轉換周期只需要3.5μA。 TPS54201提供恒定電流（1.5A）驅動(dòng)DRV8873來(lái)運行高效的加熱和冷卻元件，從而驅動(dòng)TEC。 DRV8873由四個(gè)N溝道MOSFET組成，它們以高達10A的峰值電流雙向驅動(dòng)電機，并具有集成電流感應等功能，無(wú)需兩個(gè)外部并聯(lián)電阻，從而節省了材料成本和空間。如需了解更多信息，請參考以下應用指南。 當擴增發(fā)生時(shí)，針對病原體標簽序列的熒光標簽會(huì )被光源激發(fā)；單個(gè)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(huì )隨著(zhù)擴增時(shí)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(guò)程的早期階段，僅用樣本中的幾個(gè)目標DNA片段就可以檢測出這種信號水平，進(jìn)一步縮短了獲得陽(yáng)性結果（鑒定出目標基因組物質(zhì)）所需的時(shí)間。DDC112系列器件可以對1到256個(gè)二極管的電流進(jìn)行采樣，并將電流放大器和ADC集成到一個(gè)電路中。這些器件具有非常低的輸入參考噪聲（在均方根鐵磁安培范圍內）、低輸入偏置電流（0.1 pA）以及具有高達24位分辨率的高線(xiàn)性度ADC。 此類(lèi)檢測涉及的復雜性跨越多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域，本文在此不做深入探討。但盡管如此，我們希望本文能夠在您為儀器設計選擇比較關(guān)鍵的電子器件時(shí)提供幫助。 |
