完美体育和数明小讲堂 | 新冠核酸检测之PCR技术

疫情防控

科（kē）学防（fáng）疫 数（shù）明有（yǒu）“芯”

当前（qián）上（shàng）海（hǎi）正（zhèng）处于抗（kàng）新型冠（guàn）状病毒肺（fèi）炎疫情防控的关（guān）键（jiàn）阶段，在这个没有硝烟的战场上，及时快（kuài）速地筛查新（xīn）冠感染者并（bìng）及时进（jìn）行隔离是阻止新冠病毒肆意蔓延的最有效且唯一的（de）手段。核（hé）酸检测是目前筛查新冠感染者最精准（zhǔn）、有（yǒu）效、低成（chéng）本的技术方式。

什么（me）是PCR？

聚合酶链式反（fǎn）应(Polymerase Chain Reaction), 简称（chēng）PCR, 又称多聚（jù）酶（méi）链（liàn）式反应，是一项利用DNA双链复制（zhì）的原理，在生（shēng）物体（tǐ）外复制（zhì）特（tè）定DNA片段的核酸合成技（jì）术。透过这（zhè）项（xiàng）技术，可（kě）在短时间内大量扩增目的（de）基（jī）因，而不必依赖大肠杆菌或（huò）酵母（mǔ）菌等（děng）生物体（tǐ）。

PCR扩增的三（sān）个基本步骤

（1）变性：模（mó）板DNA经加（jiā）热至（zhì）94℃左右并保持一定（dìng）时（shí）间后，基于（yú）DNA半保（bǎo）留复制原（yuán）理，还有碱基互（hù）补配对原则，即复制的过程中双链DNA会解链，由双（shuāng）链变成单链，为下（xià）轮反应（yīng）做准备；

（2）退火：模（mó）板DNA经（jīng）加（jiā）热变性成单链后，温度（dù）降至55℃左右，引物与（yǔ）模板DNA单（dān）链的（de）互补序列配对结合（hé）；

（3）延（yán）伸（shēn）：温（wēn）度再升至72℃左右，在DNA聚合酶的作用（yòng）下（xià），把游离的（de）dNTP按照碱基（jī）互（hù）补配对原（yuán）则结合到单链上，形成一条由旧链和新（xīn）链杂合成的新的双链（liàn）DNA。

PCR扩增原（yuán）理：变形-退火-延伸（shēn）温度循环

理论上，经过上面步骤，目标DNA浓度可增（zēng）加一倍。重复循环（huán）上述过程，可获得更多的“半保留复制（zhì）链”，而（ér）形成的新（xīn）链又可成为下（xià）次循环的（de）模板。每（měi）完成一个循环需2～4分钟， 仅（jǐn）需2～3小时（shí）就能将目标DNA扩增放（fàng）大几百（bǎi）万倍。

全自动核酸提纯及实时荧光PCR分析（xī）系统

经过以上（shàng）分析，我们就（jiù）可以理解为什么核（hé）酸检（jiǎn）测结（jié）果最快（kuài）能（néng）在几个小时（shí）内（nèi）出（chū）结果。

实时荧光PCR定量分析       

PCR扩增仪温度（dù）控制指标主要有：温度的准确性、均匀性、以（yǐ）及升降（jiàng）温速度。

1. 温度（dù）的准确性：是（shì）指样品孔温度与设定温度（dù）的一致性，它直接关系到实验的成（chéng）败。因而对PCR扩增仪而言（yán）温度控（kòng）制就意味着（zhe）产（chǎn）品质量（liàng）。

2. 温度（dù）的均匀性：是指样品孔（kǒng）间的温（wēn）度差异，它关系到在不同（tóng）样（yàng）品孔进行反应结果（guǒ）的（de）一致（zhì）性。

3. 升降温速度：更快的升降温速度，可（kě）以有（yǒu）效缩短（duǎn）反（fǎn）应时间和可（kě）能的非特（tè）异性结合、反应的时间，从（cóng）而提高PCR反（fǎn）应特异性。

相较于传统（tǒng）的相对稳定耐用的机械式，新的半导体温（wēn）控技术（shù）——TEC温度（dù）控制技（jì）术（shù）具有升降温（wēn）更快（kuài）速（sù）的优势，已（yǐ）经成为PCR扩增仪的首（shǒu）选温度控制技术。

半导体制冷器（qì） (Thermo Electric Cooler，简称 TEC) 是利用半导体（tǐ）材料的帕尔贴效应制成的。如图下所示，帕尔（ěr）帖效应是（shì）指当（dāng）直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热（rè），一端放热的现（xiàn）象。TEC 包括一些 P 型和 N 型对（组），它们通（tōng）过电极连在一起，并（bìng）且夹在两个陶瓷电极之间（jiān），当有电（diàn）流从 TEC 流过（guò）时，电流产（chǎn）生的热量（liàng）会从 TEC 的 一侧传到另一侧，在（zài） TEC 上产生″热（rè）″侧和″冷″侧，这就是 TEC 的加热与致冷原理。 

帕尔（ěr）帖效应，PN 节（jiē）以及（jí）热流动示意（yì）图

PCR扩（kuò）增仪（yí）一般具有（yǒu）两种温控模式，即模块温控模式（Block-control）和反应管温控模（mó）式（tube-control）。管内样品的温度（dù）无法与（yǔ）温（wēn）控模块同时达到预（yù）设温度，特（tè）别是（shì）PCR反应中（zhōng）的孵育过程（chéng）一般为30秒或更短，如果采用（yòng）只（zhī）有模块温控模式的话，反应混合（hé）物孵（fū）育的时间（jiān）与程序设定（dìng）的时间（jiān）会有相当大的差距。为了达到反应管内（nèi）部温度精确（què）控制（zhì），需（xū）采（cǎi）用反应管控制模模式，通过温（wēn）度控制算法（fǎ）进行参数标定（dìng）和补偿，确保反应混合物按照程序设定的时间维持预设（shè）温度。

科技战“疫”，完美体育和数明在行动

面对近期香（xiāng）港（gǎng）、深圳、上（shàng）海等地（dì）奥（ào）密（mì）克（kè）戎的（de）快速（sù）扩散，核酸检测能（néng）力在数量和速度方面都面（miàn）临着极大的考验（yàn）。完美体育和数明半导体积极发挥了科技技术方（fāng）面的（de）优势，组织技（jì）术专家研究PCR扩增技（jì）术的优化解决方案，以（yǐ）功率器件门（mén）极驱动芯片和TEC控制器为着力点，优（yōu）先保障芯片供应和（hé）交（jiāo）付，与客户一起助力抗疫，共克时（shí）艰。

完美体育和数明（míng）半导体自研的20V-600V耐压全系列的低边、半桥（qiáo）、三相半桥等功率管门极驱动芯片（SLM2103S、SLM2136等）可用于（yú）驱动TEC，协助PCR扩（kuò）增仪器（qì）客（kè）户快速、方便（biàn）地完成系统设计，在当前半导体供应短（duǎn）缺时期，可（kě）以满足客户设计方案的快速变更、验证与量产。

600V耐（nài）压半桥（qiáo）功率器件驱动（dòng）芯（xīn）片工作（zuò）示意图

600V耐压（yā）三相半桥功率器件驱动芯片工（gōng）作示意图

数（shù）明半（bàn）导体的单芯片TEC控制器产品——SLM8833/8834/8835 集成了（le）TEC驱动（dòng）电路、低（dī）温飘（piāo）高精度温（wēn）度误差放大器及（jí）环路补偿电路、温度设定与传感（gǎn）电路，采用高效的单电感（gǎn）架构，实现更紧凑（còu）、更高（gāo）的转换效率及更低的噪声；其（qí）中功率级（jí）集（jí）成（chéng）了超低阻抗（kàng）的MOSFET，损耗更低寿命（mìng）更久（jiǔ）；同时匹配模（mó）拟PID与数字PID两种温控模式，以（yǐ）满足客户PCR扩增（zēng）仪的小型化（huà）创新设计需求。

由SLM8834 构（gòu）成的 TEC 系统框图

模拟PID温控器（qì）模式 

数字PID温（wēn）控模式