FG电子和数明小(xiǎo)讲堂 | 新冠核(hé)酸检测之PCR技术
疫情防控
科学防疫 数(shù)明有(yǒu)“芯”
当前上海(hǎi)正处于抗新(xīn)型冠状病毒(dú)肺炎疫情防控(kòng)的关键阶段(duàn),在(zài)这个没有硝烟的战(zhàn)场(chǎng)上,及(jí)时(shí)快速地筛查新冠感染者并及时进行隔(gé)离是阻止新冠病毒肆(sì)意蔓延(yán)的最有效且唯一的手段。核酸检测是目前筛查(chá)新冠(guàn)感(gǎn)染者最精准、有(yǒu)效、低成本的技术方式。
什么是PCR?
聚合酶(méi)链式反应(Polymerase Chain Reaction), 简称PCR, 又(yòu)称多聚酶链(liàn)式反应,是一项利(lì)用DNA双链复制的原理,在生物(wù)体外复制特定DNA片段的核(hé)酸合成技术。透(tòu)过这(zhè)项技术(shù),可在短时间(jiān)内大量扩增(zēng)目的基因,而不必依赖(lài)大肠杆(gǎn)菌或酵母菌等生物体。
PCR扩增的三个基本步骤
(1)变性:模(mó)板DNA经加热至94℃左右(yòu)并保持一定(dìng)时间后(hòu),基于DNA半保(bǎo)留复制原理,还有碱基互(hù)补配(pèi)对原则,即复制的过程中双链DNA会解链,由双链变成(chéng)单链,为下轮(lún)反应做准备;
(2)退火:模(mó)板(bǎn)DNA经加热变性成单链后,温度(dù)降至55℃左右,引物(wù)与(yǔ)模板DNA单链的互补序列配对结合;
(3)延伸:温度再升至72℃左右,在(zài)DNA聚合酶的作(zuò)用下(xià),把游(yóu)离的dNTP按照碱基互补配(pèi)对原则结合到(dào)单链上,形成一条由旧(jiù)链和(hé)新链杂合成的新的双链DNA。
PCR扩增原理:变形-退(tuì)火-延伸(shēn)温度(dù)循环(huán)
理论上,经过上面步骤,目标DNA浓度可增加一倍。重复循环上述过(guò)程,可获得(dé)更多的“半保留复制链”,而形成的新(xīn)链又可成为(wéi)下次循环的模板。每完成一个循环需2~4分钟, 仅需2~3小时就能将目标(biāo)DNA扩增放大几百(bǎi)万倍。
全自动核酸提纯及实(shí)时荧光PCR分(fèn)析系统
经(jīng)过以上分析,我们就可以理解为什么核酸检测结果最快能(néng)在几个小时内出结(jié)果。
实时荧光PCR定量分(fèn)析(xī)
PCR扩增仪温度控制(zhì)指标主要有:温度的准确性、均匀性(xìng)、以及(jí)升降温速度。
1. 温度的准确性:是指样品孔温度与设定温度的一致(zhì)性,它(tā)直接关系到实验的(de)成败(bài)。因而对(duì)PCR扩增仪而言温度控制就意味着产品质(zhì)量。
2. 温度(dù)的(de)均(jun1)匀性:是指样(yàng)品孔间的温度差异,它关(guān)系到在不同样品(pǐn)孔进行反应(yīng)结(jié)果的一致性。
3. 升降温速度:更(gèng)快的升降温(wēn)速度,可以有(yǒu)效缩(suō)短(duǎn)反(fǎn)应时(shí)间和可(kě)能的非特异性结合、反应的时间(jiān),从而提高PCR反应特异性(xìng)。
相较(jiào)于传统的(de)相(xiàng)对稳定(dìng)耐(nài)用(yòng)的机械式,新的半导体温控技(jì)术——TEC温度控制技术具(jù)有(yǒu)升降温(wēn)更快速的优势,已经成为PCR扩增仪的首(shǒu)选(xuǎn)温度控制技术。
半导体制(zhì)冷器 (Thermo Electric Cooler,简(jiǎn)称 TEC) 是利用半导体(tǐ)材料(liào)的帕尔(ěr)贴效应制成的。如图下所示,帕尔(ěr)帖(tiē)效应是指当直流(liú)电流(liú)通过两种半导体材(cái)料组成(chéng)的电偶(ǒu)时(shí),其一端(duān)吸热(rè),一端放热的现象。TEC 包括(kuò)一些(xiē) P 型和(hé) N 型对(组),它们通过电(diàn)极连在(zài)一起(qǐ),并(bìng)且夹在两个陶瓷电(diàn)极之间(jiān),当有电流从 TEC 流过(guò)时,电流产生的热量会从 TEC 的 一侧传到另一侧,在 TEC 上产生″热″侧和″冷″侧,这就是(shì) TEC 的(de)加热与(yǔ)致(zhì)冷原(yuán)理。
帕尔帖效应,PN 节(jiē)以及(jí)热流动示意图
PCR扩增仪一(yī)般(bān)具有两种温控(kòng)模式(shì),即(jí)模块温控模式(shì)(Block-control)和反应管(guǎn)温控模式(shì)(tube-control)。管内样品的温(wēn)度无法(fǎ)与温控模块同时(shí)达到预设(shè)温(wēn)度,特别是(shì)PCR反应中的(de)孵育过程一(yī)般为(wéi)30秒或更短,如果采(cǎi)用(yòng)只有模块温控模(mó)式的话(huà),反(fǎn)应(yīng)混合物孵育的时间与程序(xù)设(shè)定的时(shí)间会有相当大的差距(jù)。为了(le)达到反应管内(nèi)部温度精确(què)控制,需采用(yòng)反应管控制模模式,通过温度(dù)控制算法进行参数标定和(hé)补偿,确(què)保反应(yīng)混合物按照程序(xù)设定的时间维持(chí)预设温度。
科技战(zhàn)“疫”,FG电子和数明在(zài)行动(dòng)
面对近期香港(gǎng)、深圳(zhèn)、上(shàng)海(hǎi)等地奥密克戎的快(kuài)速扩散,核酸检测(cè)能力在数量和速度(dù)方(fāng)面都面(miàn)临着极大的考验。FG电子和数明半(bàn)导体(tǐ)积极发(fā)挥(huī)了科技技(jì)术方面的(de)优势,组织技术(shù)专(zhuān)家研究PCR扩增技术的优化解决方案,以功率(lǜ)器件(jiàn)门极驱动(dòng)芯片和(hé)TEC控制器(qì)为(wéi)着力点(diǎn),优先保障芯(xīn)片供应(yīng)和交(jiāo)付,与客户(hù)一起助力抗疫,共克时艰。
FG电子和数明(míng)半导体自研的20V-600V耐压全(quán)系列(liè)的低边、半桥、三相半(bàn)桥等功率(lǜ)管门极驱动芯(xīn)片(SLM2103S、SLM2136等)可用于驱(qū)动TEC,协(xié)助PCR扩增仪器客户快速、方便地完成系统设计(jì),在当前半导(dǎo)体供应短(duǎn)缺(quē)时期(qī),可以满(mǎn)足客户设计方案的(de)快速变更(gèng)、验证与量产。
600V耐压半桥(qiáo)功率器件驱动芯片工作示意图
600V耐压三(sān)相半桥功率(lǜ)器件驱动芯(xīn)片工作示(shì)意图(tú)
FG电子和数明半导体的单芯片TEC控制(zhì)器产品——SLM8833/8834/8835 集(jí)成了TEC驱动电路、低温飘(piāo)高(gāo)精度温度误差(chà)放大器(qì)及环路补偿电(diàn)路、温(wēn)度(dù)设定(dìng)与(yǔ)传感电路(lù),采用高效的单(dān)电感(gǎn)架构,实现更紧凑、更高的转换效率及更低的(de)噪声(shēng);其中功率级集(jí)成了(le)超低(dī)阻抗的MOSFET,损耗更低(dī)寿(shòu)命更久;同时匹配模拟PID与数字PID两(liǎng)种温(wēn)控模式,以满足客户PCR扩增仪的小型化创新(xīn)设计需求。
由(yóu)SLM8834 构成的 TEC 系统框图
模拟PID温控器模式
数字PID温控模式