即時(shí)醫(yī)療分子診斷（PoC）的市場(chǎng)增長主要由以下因素推動(dòng)：傳染病的高患病率；對(duì)個(gè)性化醫(yī)療的認(rèn)識(shí)和接受程度不斷提升； 隨著分子技術(shù)的進(jìn)步，診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性和便攜性提高。PoC分子診斷技術(shù)可以幫助醫(yī)生在患者首次就診時(shí)快速做出診斷和治療決策，患者無需等待數(shù)天才能獲知檢測(cè)結(jié)果，從而提高了醫(yī)療水平。本文將簡(jiǎn)要介紹這種檢測(cè)方法，并詳細(xì)介紹此類儀器主要模塊中的一些實(shí)際應(yīng)用器件。
圖1：PoC分子診斷分析儀工作流程簡(jiǎn)圖
從更高的層面來說，生物樣本可能不具有足夠的目標(biāo)DNA導(dǎo)致無法通過光學(xué)熒光手段檢測(cè)。因此，需要經(jīng)過DNA擴(kuò)增（克隆/復(fù)制）后才能進(jìn)行分析。兩種主要的擴(kuò)增技術(shù)為聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）和環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增（LAMP）。
PCR和LAMP擴(kuò)增技術(shù)需要利用一些加熱和冷卻元件。PCR擴(kuò)增技術(shù)需要使用熱電冷卻器（TEC），TEC通過三個(gè)獨(dú)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(fù)此循環(huán)過程可以產(chǎn)生數(shù)十億個(gè)DNA拷貝。在LAMP擴(kuò)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(huán)有助于加快這一反應(yīng)，但需要一組更高級(jí)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(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）以及TI電流驅(qū)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(tǒng)框圖
TEC單元的正常運(yùn)行需要具備高水平的溫度精度，以監(jiān)測(cè)核酸擴(kuò)增過程所需的加熱和冷卻。TMP117 數(shù)字傳感器在-40°C至100°C的溫度范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)±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(shù)字元件通信。TMP117專為電池供電的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，在關(guān)機(jī)時(shí)具有150 nA的靜態(tài)電流消耗，并且每1Hz轉(zhuǎn)換周期只需要3.5μA。
TPS54201 提供恒定電流（1.5A）驅(qū)動(dòng)DRV8873來運(yùn)行高效的加熱和冷卻元件，從而驅(qū)動(dòng)TEC。 DRV8873 由四個(gè)N溝道MOSFET組成，它們以高達(dá)10A的峰值電流雙向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并具有集成電流感應(yīng)等功能，無需兩個(gè)外部并聯(lián)電阻，從而節(jié)省了材料成本和空間。如需了解更多信息，請(qǐng)參考以下應(yīng)用指南 。
當(dāng)擴(kuò)增發(fā)生時(shí)，針對(duì)病原體標(biāo)簽序列的熒光標(biāo)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(cè)到熒光。信號(hào)水平會(huì)隨著擴(kuò)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(kuò)增過程的早期階段，僅用樣本中的幾個(gè)目標(biāo)DNA片段就可以檢測(cè)出這種信號(hào)水平，進(jìn)一步縮短了獲得陽性結(jié)果（鑒定出目標(biāo)基因組物質(zhì)）所需的時(shí)間。DDC112 系列器件可以對(duì)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?yún)⒖荚肼暎ㄔ诰礁F磁安培范圍內(nèi)）、低輸入偏置電流（0.1 pA）以及具有高達(dá)24位分辨率的高線性度ADC。
此類檢測(cè)涉及的復(fù)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(shè)計(jì)選擇比較關(guān)鍵的電子器件時(shí)提供幫助。