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作者：Connor Connaughton，德州儀器（Eduardo Bartolome是該技術文章的合著者。） 即時醫療分子診斷（PoC）的市場增長主要由以下因素推動：傳染病的高患病率；對個性化醫療的認識和接受程度不斷提升； 隨著分子技術的進步，診斷結果的準確性和便攜性提高。PoC分子診斷技術可以幫助醫生在患者首次就診時快速做出診斷和治療決策，患者無需等待數天才能獲知檢測結果，從而提高了醫療水平。本文將簡要介紹這種檢測方法，并詳細介紹此類儀器主要模塊中的一些實際應用器件。 
圖1：PoC分子診斷分析儀工作流程簡圖 從更高的層面來說，生物樣本可能不具有足夠的目標DNA導致無法通過光學熒光手段檢測。因此，需要經過DNA擴增（克隆/復制）后才能進行分析。兩種主要的擴增技術為聚合酶鏈反應（PCR）和環介導等溫擴增（LAMP）。 PCR和LAMP擴增技術需要利用一些加熱和冷卻元件。PCR擴增技術需要使用熱電冷卻器（TEC），TEC通過三個獨立的溫度條件變化進行熱循環，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。重復此循環過程可以產生數十億個DNA拷貝。在LAMP擴增過程中，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I2C或SMBus與數字元件通信。TMP117專為電池供電的系統而設計，在關機時具有150 nA的靜態電流消耗，并且每1Hz轉換周期只需要3.5μA。 TPS54201提供恒定電流（1.5A）驅動DRV8873來運行高效的加熱和冷卻元件，從而驅動TEC。 DRV8873由四個N溝道MOSFET組成，它們以高達10A的峰值電流雙向驅動電機，并具有集成電流感應等功能，無需兩個外部并聯電阻，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。 當擴增發生時，針對病原體標簽序列的熒光標簽會被光源激發；單個光電二極管或一組光電二極管能夠檢測到熒光。信號水平會隨著擴增時間或周期而變化，從而指示樣本中特定病原體的初始濃度。在擴增過程的早期階段，僅用樣本中的幾個目標DNA片段就可以檢測出這種信號水平，進一步縮短了獲得陽性結果（鑒定出目標基因組物質）所需的時間。DDC112系列器件可以對1到256個二極管的電流進行采樣，并將電流放大器和ADC集成到一個電路中。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位分辨率的高線性度ADC。 此類檢測涉及的復雜性跨越多個科學領域，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鍵的電子器件時提供幫助。 |
