中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

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2021年9月1-3日 | 上海世博展览馆2&4号馆

医学诊断技术的“控温”新武器:红外温度传感器在生化反应中的应用

2021-03-31

从“望闻问切”到“生物化学”,医学从未停止过进步的脚步。作为1903年才被承认的独立学科,生物化学的出现得以让我们从化学的角度,通过对生物的新陈代谢、遗传基因、以及细胞等物质的研究,去探寻人体的奥秘。

生化反应其本质也是一种化学反应,可以理解为反应物之间发生能量足够大的碰撞。要想发生反应,反应物之间必须频繁碰撞,而且还需要足够大的能量(活化能)。此外,温度也是影响反应的关键因素,因为温度升高在本质上会加快粒子的运动速度,从而增加碰撞的频率和能量。


当然除了温度,其他因素也会影响生化反应本身。压力、表面积(例如,细粉与块状材料的差异)和反应物浓度都会影响碰撞频率,但催化剂不同,它通过降低反应活化能来起作用。不过在很多情况下,严格的温度控制是一些生化反应能否成功发挥价值的关键因素之一。如在这次新冠肺炎疫情中发挥重要作用的核酸检测,其绝大部分检测方式采用的都是荧光定量PCR(聚合酶链式反应)。

PCR技术的控温之“道”

PCR 的作用是扩增(复制)DNA,反应期间会存在很多变体,但三个基本步骤不变。首先是“变性”这个高温 (94~98 °C) 步骤,期间 DNA 双螺旋结构会在化学剪切力作用下发生氢键断裂,变成两个单链 DNA 模板分子。下一步是退火 (50~65 °C),期间 DNA 引物分子会选择性地与两个 DNA 模板相结合。如果没有精确地控制温度,引物可能就不会以正确的选择性方式结合或根本无法结合。 最后一步是延伸(通常为 72 °C),反应溶液中的核苷酸(构成 DNA/RNA 的小分子有机物)会与模板和引物发生反应,生成双链分子。最终,一个 DNA 分子就变成了两个双链 DNA 分子。


我们可以重复这个过程,由于反应原料会在每个步骤中翻倍,我们会在 40 个循环后得到 2 的 40 次方个分子,即 1,099,511,627,776 个分子。在有了如此大量的分子之后,我们就可以通过其他方法来做进一步检测。

PCR 的应用最广泛的一项是检测感染。病毒或细菌等病原体在DNA/RNA 经扩增之后,可以在患者样品中检测出来。这一应用在新冠疫情的影响下蓬勃发展,PCR 技术还可以用来检测很多其他致病物。

生化反应的“宠儿”:红外温度传感器

很多生化反应过程在医学诊断中得以运用,PCR 只是其中一例。为了让对温度敏感的生化反应能够更快地发生,我们用到了“热循环仪”。热循环仪配备一个或多个带孔的加热板,孔中可以插入装有反应物的管子。

热循环仪的目的是让这些管子进入预定的温度程序,能够实现快速、准确的温度循环。一些模型支持控制加热板的温度梯度,以使不同的样品能够处在不同的温度下。这一功能主要用于研究阶段,旨在优化温度循环的某些关键步骤。

在测试过程中,样品经常被替换,这使得制造商很难通过直接接触的方法可靠地测量管子。严格控制温度循环取决于精确的传感器输入,这就是红外温度传感器的作用所在。它们实现了非接触式温度测量,与接触式温度计相比,这是一个巨大的优势。

此外,通过避免直接接触,大大降低了标本间交叉污染的风险。

Melexis的传感器芯片产品

Melexis的传感器芯片(例如MLX90614)在出厂前会经过校准,直接集成到热循环仪中即可使用。视野选择范围宽泛,可提高设计自由度。选择小视野可以扩大传感器与样品之间的距离。

他们推出的创新型产品包括 SMD封装的 传感器芯片 (MLX90632),采用 3mm x 3mm x 1mm DFN 封装的完整解决方案,集成了传感器元件、信号处理元件、数字接口和光学元件,可以简便快捷地集成到各类空间受限的应用中,便于打造更小、更轻的便携式诊断设备。此外,小型化的传感器芯片还有助于构建传感矩阵,从而实现多点温度控制。

MLX90632 是一款微型 SMD 温度计 IC,可实现高精度非接触式温度测量,在热特性动态变化的环境以及空间受限的情况下作用尤为显著。MLX90632 基于 Melexis 领先的远红外 (FIR) 技术,利用所有物体都会释放热辐射的特点。小型远红外传感器通常对热扰动较为敏感,但 MLX90632 可通过复杂的补偿算法减轻热扰动的影响,达到较高的热稳定性。

目前,医学诊断检测正迅速转变,过去需要送样到专门的医学实验室并花几周时间才能等到结果,而现在已经可以在现场进行检测。现在,诊断过程几乎就在病人身边进行,结果在几小时内就能得到,而不需要等待数天。在这场势不可挡的转变中,红外温度传感器起着至关重要的作用,只是有待普及。通过使用红外温度传感器,我们能够更严格地控制温度,进一步调整生化反应过程,从而实现更快速、更准确且更可靠的诊断。

文章及图片来源:作者:Joris Roels 荣格工业资源网