當(dāng)前上海正處于抗新型冠狀病毒肺炎疫情防控的關(guān)鍵階段，在這個(gè)沒(méi)有硝煙的戰(zhàn)場(chǎng)上，及時(shí)快速地篩查新冠感染者并及時(shí)進(jìn)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(cè)是目前篩查新冠感染者最精準(zhǔn)、有效、低成本的技術(shù)方式。

什么是PCR？

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase Chain Reaction), 簡(jiǎn)稱(chēng)PCR, 又稱(chēng)多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，是一項(xiàng)利用DNA雙鏈復(fù)制的原理，在生物體外復(fù)制特定DNA片段的核酸合成技術(shù)。透過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，可在短時(shí)間內(nèi)大量擴(kuò)增目的基因，而不必依賴(lài)大腸桿菌或酵母菌等生物體。

PCR擴(kuò)增的三個(gè)基本步驟

（1）變性：模板DNA經(jīng)加熱至94℃左右并保持一定時(shí)間后，基于DNA半保留復(fù)制原理，還有堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，即復(fù)制的過(guò)程中雙鏈DNA會(huì)解鏈，由雙鏈變成單鏈，為下輪反應(yīng)做準(zhǔn)備；

（2）退火：模板DNA經(jīng)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(bǔ)序列配對(duì)結(jié)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(bǔ)配對(duì)原則結(jié)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(kuò)增原理：變形-退火-延伸溫度循環(huán)

理論上，經(jīng)過(guò)上面步驟，目標(biāo)DNA濃度可增加一倍。重復(fù)循環(huán)上述過(guò)程，可獲得更多的“半保留復(fù)制鏈”，而形成的新鏈又可成為下次循環(huán)的模板。每完成一個(gè)循環(huán)需2～4分鐘， 僅需2～3小時(shí)就能將目標(biāo)DNA擴(kuò)增放大幾百萬(wàn)倍。

全自動(dòng)核酸提純及實(shí)時(shí)熒光PCR分析系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)以上分析，我們就可以理解為什么核酸檢測(cè)結(jié)果最快能在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)出結(jié)果。

實(shí)時(shí)熒光PCR定量分析

PCR擴(kuò)增儀溫度控制指標(biāo)主要有：溫度的準(zhǔn)確性、均勻性、以及升降溫速度。

1.溫度的準(zhǔn)確性：是指樣品孔溫度與設(shè)定溫度的一致性，它直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)的成敗。因而對(duì)PCR擴(kuò)增儀而言溫度控制就意味著產(chǎn)品質(zhì)量。

2.溫度的均勻性：是指樣品孔間的溫度差異，它關(guān)系到在不同樣品孔進(jìn)行反應(yīng)結(jié)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(yīng)時(shí)間和可能的非特異性結(jié)合、反應(yīng)的時(shí)間，從而提高PCR反應(yīng)特異性。

相較于傳統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定耐用的機(jī)械式，新的半導(dǎo)體溫控技術(shù)——TEC溫度控制技術(shù)具有升降溫更快速的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為PCR擴(kuò)增儀的首選溫度控制技術(shù)。

半導(dǎo)體制冷器 (Thermo Electric Cooler，簡(jiǎn)稱(chēng) TEC) 是利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)制成的。如圖下所示，帕爾帖效應(yīng)是指當(dāng)直流電流通過(guò)兩種半導(dǎo)體材料組成的電偶時(shí)，其一端吸熱，一端放熱的現(xiàn)象。TEC 包括一些 P 型和 N 型對(duì)（組），它們通過(guò)電極連在一起，并且?jiàn)A在兩個(gè)陶瓷電極之間，當(dāng)有電流從 TEC 流過(guò)時(shí)，電流產(chǎn)生的熱量會(huì)從 TEC 的 一側(cè)傳到另一側(cè)，在 TEC 上產(chǎn)生″熱″側(cè)和″冷″側(cè)，這就是 TEC 的加熱與致冷原理。

帕爾帖效應(yīng)，PN 節(jié)以及熱流動(dòng)示意圖

PCR擴(kuò)增儀一般具有兩種溫控模式，即模塊溫控模式（Block-control）和反應(yīng)管溫控模式（tube-control）。管內(nèi)樣品的溫度無(wú)法與溫控模塊同時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，特別是PCR反應(yīng)中的孵育過(guò)程一般為30秒或更短，如果采用只有模塊溫控模式的話(huà)，反應(yīng)混合物孵育的時(shí)間與程序設(shè)定的時(shí)間會(huì)有相當(dāng)大的差距。為了達(dá)到反應(yīng)管內(nèi)部溫度精確控制，需采用反應(yīng)管控制模模式，通過(guò)溫度控制算法進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定和補(bǔ)償，確保反應(yīng)混合物按照程序設(shè)定的時(shí)間維持預(yù)設(shè)溫度。

科技戰(zhàn)“疫”，數(shù)明在行動(dòng)

面對(duì)近期香港、深圳、上海等地奧密克戎的快速擴(kuò)散，核酸檢測(cè)能力在數(shù)量和速度方面都面臨著極大的考驗(yàn)。數(shù)明半導(dǎo)體積極發(fā)揮了科技技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，組織技術(shù)專(zhuān)家研究PCR擴(kuò)增技術(shù)的優(yōu)化解決方案，以功率器件門(mén)極驅(qū)動(dòng)芯片和TEC控制器為著力點(diǎn)，優(yōu)先保障芯片供應(yīng)和交付，與客戶(hù)一起助力抗疫，共克時(shí)艱。

數(shù)明半導(dǎo)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(mén)極驅(qū)動(dòng)芯片（SLM2103S、SLM2136等）可用于驅(qū)動(dòng)TEC，協(xié)助PCR擴(kuò)增儀器客戶(hù)快速、方便地完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在當(dāng)前半導(dǎo)體供應(yīng)短缺時(shí)期，可以滿(mǎn)足客戶(hù)設(shè)計(jì)方案的快速變更、驗(yàn)證與量產(chǎn)。

600V耐壓半橋功率器件驅(qū)動(dòng)芯片 工作示意圖

600V耐壓三相半橋功率器件驅(qū)動(dòng)芯片 工作示意圖

數(shù)明半導(dǎo)體的單芯片TEC控制器產(chǎn)品——SLM8833/8834/8835 集成了TEC驅(qū)動(dòng)電路、低溫飄高精度溫度誤差放大器及環(huán)路補(bǔ)償電路、溫度設(shè)定與傳感電路，采用高效的單電感架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更緊湊、更高的轉(zhuǎn)換效率及更低的噪聲；其中功率級(jí)集成了超低阻抗的MOSFET，損耗更低壽命更久；同時(shí)匹配模擬PID與數(shù)字PID兩種溫控模式，以滿(mǎn)足客戶(hù)PCR擴(kuò)增儀的小型化創(chuàng)新設(shè)計(jì)需求。

由SLM8834 構(gòu)成的 TEC 系統(tǒng)框圖

模擬PID溫控器模式

數(shù)字PID溫控模式