數明小講堂 | 新冠核酸檢測之PCR技術

2022-04-07

數明小講堂 | 新冠核酸檢測之PCR技術

疫情防控

科學防疫數明有“芯”

當前上海正處于抗新型冠狀病毒肺炎疫情防控的關鍵階段，在這個沒有硝煙的戰場上，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、有效、低成本的技術方式。

什么是PCR？

聚合酶鏈式反應(Polymerase Chain Reaction), 簡稱PCR, 又稱多聚酶鏈式反應，是一項利用DNA雙鏈復制的原理，在生物體外復制特定DNA片段的核酸合成技術。透過這項技術，可在短時間內大量擴增目的基因，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經加熱至94℃左右并保持一定時間后，基于DNA半保留復制原理，還有堿基互補配對原則，即復制的過程中雙鏈DNA會解鏈，由雙鏈變成單鏈，為下輪反應做準備；

（2）退火：模板DNA經加熱變性成單鏈后，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

理論上，經過上面步驟，目標DNA濃度可增加一倍。重復循環上述過程，可獲得更多的“半保留復制鏈”，而形成的新鏈又可成為下次循環的模板。每完成一個循環需2～4分鐘，僅需2～3小時就能將目標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

經過以上分析，我們就可以理解為什么核酸檢測結果最快能在幾個小時內出結果。

實時熒光PCR定量分析

PCR擴增儀溫度控制指標主要有：溫度的準確性、均勻性、以及升降溫速度。

1. 溫度的準確性：是指樣品孔溫度與設定溫度的一致性，它直接關系到實驗的成敗。因而對PCR擴增儀而言溫度控制就意味著產品質量。

2. 溫度的均勻性：是指樣品孔間的溫度差異，它關系到在不同樣品孔進行反應結果的一致性。

3. 升降溫速度：更快的升降溫速度，可以有效縮短反應時間和可能的非特異性結合、反應的時間，從而提高PCR反應特異性。

相較于傳統的相對穩定耐用的機械式，新的半導體溫控技術——TEC溫度控制技術具有升降溫更快速的優勢，已經成為PCR擴增儀的首選溫度控制技術。

半導體制冷器 (Thermo Electric Cooler，簡稱 TEC) 是利用半導體材料的帕爾貼效應制成的。如圖下所示，帕爾帖效應是指當直流電流通過兩種半導體材料組成的電偶時，其一端吸熱，一端放熱的現象。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，當有電流從 TEC 流過時，電流產生的熱量會從 TEC 的一側傳到另一側，在 TEC 上產生″熱″側和″冷″側，這就是 TEC 的加熱與致冷原理。

帕爾帖效應，PN 節以及熱流動示意圖

PCR擴增儀一般具有兩種溫控模式，即模塊溫控模式（Block-control）和反應管溫控模式（tube-control）。管內樣品的溫度無法與溫控模塊同時達到預設溫度，特別是PCR反應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，反應混合物孵育的時間與程序設定的時間會有相當大的差距。為了達到反應管內部溫度精確控制，需采用反應管控制模模式，通過溫度控制算法進行參數標定和補償，確保反應混合物按照程序設定的時間維持預設溫度。

科技戰“疫”，數明在行動

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

數明半導體自研的20V-600V耐壓全系列的低邊、半橋、三相半橋等功率管門極驅動芯片（SLM2103S、SLM2136等）可用于驅動TEC，協助PCR擴增儀器客戶快速、方便地完成系統設計，在當前半導體供應短缺時期，可以滿足客戶設計方案的快速變更、驗證與量產。

600V耐壓半橋功率器件驅動芯片工作示意圖

600V耐壓三相半橋功率器件驅動芯片工作示意圖

數明半導體的單芯片TEC控制器產品——SLM8833/8834/8835 集成了TEC驅動電路、低溫飄高精度溫度誤差放大器及環路補償電路、溫度設定與傳感電路，采用高效的單電感架構，實現更緊湊、更高的轉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與數字PID兩種溫控模式，以滿足客戶PCR擴增儀的小型化創新設計需求。