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电池电路板之MEMS技术投入新冠肺炎的战疫中

2020年06月01日11:09 电子技术设计

美国食品药物管理局(US Food and Drug Administration; FDA)紧急授权加州Cepheid公司销售一种快速筛检导致新型冠状肺炎(Covid-19)病毒SARS-CoV-2的新方法。Cepheid由Kurt Petersen、Allen Northrup和其他五个人于1996年创立,由于商业化基于微流体芯片的聚合酶链反应(PCR)分析设备,而在MEMS领域颇负盛名。但这并不是Cepheid第一次迅速响应这一类细菌或病毒等生物威胁。电池电路板小编还了解到,在2001年美国发生炭疽热(anthrax)恐怖攻击之后,Cepheid率先为美国邮政(U.S. Postal Service)提供了炭疽杆菌快筛能力,至今仍在使用中。

  当今所有Covid-19检测方案的核心都是实时反转录聚合酶链反应(RT-PCR)分析技术。简单来说,实时RT-PCR利用热循环扩增患者拭抹样本中的DNA,然后透过荧光光学检测来搜寻病毒的特定基因组。

这项测试首先需要了解病毒的基因组;中国科学家于2020年1月10日首次公开发表了SARS-CoV-全基因组测序的关键工作。在确定了该病毒的基因组后,以德国为主导的一支研究小组仅花了7天时间就发表了用于测试患者样本的第一项方案,目前已由世界卫生组织(World Health OrganizaTIon;WHO)加以采用。现在还有其他可能更快速也更经济的病毒检测方法也在研究中,例如抗体检测或CRISPR-Cas13测试等。

  传统的PCR设备需要数小时才能完成热循环并取得结果。此外,由于患者拭抹样本中潜在的病毒量较低以及扩增DNA的固有限制,传统的PCR方法可能会导致大量假阴性反应。为了对抗传染性疾病爆发,必须既快速又准确地在患者等待的几分钟内完成筛检,以防止阳性患者被漏检,而对于其他人造成不必要的风险。

  MEMS技术为PCR带来了两项重要优点:缩减尺寸以及整合微流体。MEMS加热器和反应室的热质量很小,因此可显著加快热-冷循环,并在数分钟内迅速得到结果。电路板厂发现,这种用于样本和试剂处理的微流体整合实现了大规模应用的新技术,例如数字PCR (dPCR)。

  数字PCR方法利用微流体信道将患者的样本分成多个微孔数组或微滴乳状液(称为液滴数字PCR或ddPCR)等多个单独的样本。然后再将这些微量样本进行平行PCR处理,使其聚合后产生样本中目标分子总数。这种样本的微观平行处理显著提高了检测下限,从而提高了测试结果的准确性。

MEMS技术投入新冠肺炎的战疫中

  用于数字PCR的微流控室数组(来源:CombinaTI)

  近来在湖北自然科学基金会(Hubei Natural Science FoundaTIon)赞助的一项研究()中,证实了采用基于MEMS和微流体的PCR工具与技术来检测SARS-CoV-2,比传统的PCR方法更具优势。在这项研究中,液滴数字PCR (ddPCR)和传统PCR一并用于测试患者样本。这项发表于今年3月6日的初步研究结果(尚待进一步的临床试验证实)显示,ddPCR的SARS-CoV-2检测阈值比传统PCR阈值低500倍。这一结果意味着,在患者样本中病毒载量可能较低的情况下,ddPCR比传统PCR更有可能准确筛检出阳性患者。

  MEMS PCR芯片的开发始于1990年代初。美国劳伦斯利佛摩国家实验室(Lawrence Livermore NaTIonal Laboratory;LLNL)由Allen Northrup领军的研究小组于1993年发表了第一个基于硅的PCR芯片相关论文,该芯片后来也在1996年授权给Cepheid。过去几十年来,有关如何使用MEMS材料和方法制造新颖PCR芯片,以及由硅、玻璃甚至塑料基材制成微型整体分析系统(uTAS)的研究一直在持续进行中。

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