体外诊断设备开发：浅析PCR仪设计

ITL创新器械开发

分子诊断是帮助医护人员进行诊断和做出决策的关键技术。研究者将实验室测试与分子生物学相结合，以提高检测微生物病原体和分析患者基因的速度和准确性。分子诊断技术可以快速执行基因检测工作，分离DNA链并快速复制数百万次，甚至数十亿次，为医生提供做出正确诊断和治疗决策所必需的基本信息。

聚合酶链反应（PCR）是分子诊断中常用的一种技术，它将单个DNA拷贝或几条DNA链放大多个数量级，生成数十万份特定DNA序列。这种方法依赖于热循环，包括重复加热和冷却DNA熔化和DNA酶促复制反应的循环。PCR实验需要大量的热循环步骤来产生数千条DNA序列以进行分析。

热循环

通常，PCR由一系列20到40次重复的温度变化组成，称为循环，每次循环使DNA拷贝加倍。在大约40个循环中，可以生成大约10亿个DNA拷贝，以生成足够的生物标记物，其可以通过光学测量系统高精度识别。循环之前通常在高温（95°C）下进行单一温度步骤，分离DNA，然后冷却至50至65°C之间的熔融温度，生物标记物将与DNA结合，最后将温度提高到72℃，以便对DNA的拷贝进行检测。每个阶段的设定点温度和时间长度取决于基于生物标记物附着于DNA程度的各种参数。

PCR在特殊分子诊断装置中进行的，也称为热循环仪。在热循环仪中，每个工艺温度的加热和冷却时间需要精确的温度控制，需要极快的升温速率，以最大限度地缩短扩增的总持续时间。控制侧由控温模块组成，以放置样品孔。整个热模块只能允许最小的温度梯度，以最大限度地降低整个样品孔的温度过冲，这对于使用多孔的自动PCR仪来说是一个挑战。

PCR仪主要有三种类型：传统的、实时的和定量的。 在90年代设计的传统PCR仪准确性差、灵敏度低，而且在测试之后才能获得结果。实时PCR仪允许技术人员在测试过程中查看结果，为定量提供最精确的数据。实时PCR使 POCT检测成为可能，在较短的时间内向患者提供结果。POC测试确保患者随时随地获得最有效和最高效的医疗护理。定量分析，即数字PCR，样本扩增后，对阳性和阴性反应的数目进行精确计数，直接获得样品的拷贝数，可以进行比实时PCR更精确的分析。

随着热循环仪应用的普及，以及使用需求的提高，研究人员一直在探索在不牺牲速度、易用性或可重复性的条件下，如何设计经济高效的热循仪。那么设计热循环仪时，有哪些因素需要考虑呢：

速度：PCR通过快速加热和冷却样品至不同温度来分离DNA链，结合引物，并构建新的DNA。大多数热循仪的目标是尽可能快地从一个温度转换到另一个温度，这有助于防止靶外效应，影响PCR实验的成功。目前大多数PCR系统用热电模块（TEM-thermoelectric module）进行快速控温。与其他类型的热循环装置相比，热电模块的优点是精确的温度控制，紧凑、更快的升温速率和效率，但是由于其体积的限制，对于产品便携性要求高的客户，则需要考虑其他的温控方式。

界面：为了让热循环仪正确地执行DNA扩增，使用者需要输入循环参数——温度、时间和循环次数。目前市面上PCR仪器的用户界面多种多样， 有些带有小屏幕的按钮界面，有些带有独立平板电脑进行编程，还有些使用触摸屏界面。用户界面在用户可用性方面起着至关重要的作用，如何设计用户界面（UI），在兼顾实用性，易用性的同时又能减少失误操作并保持美观是需要开发人员进行研究探讨的部分。

样本通量：市面上的PCR仪检测通量小到16个多到384个， 在对PCR仪进行设计时，不应该一味的追求高通量，因为高通量可能意味着高成本和高复杂度。设计人员需要考虑目标市场的使用情况，如果只是针对一般研究市场， 96孔就足够了， 但是如果需要面向新药靶点和疾病标记的市场则可设计更高通量。 当然样本通量的不足也可通过提高热循环速率来弥补。

光源和检测器：荧光定量PCR的设计势必涉及到激发光源和检测器的选择，主流的光源有卤素灯／单色LED／白光LED滤光片分光等，检测器有CCD成像/PMT检测等。各种设计都有优缺点，卤素灯寿命短且光源能量不稳定，单色LED在多通道设备上需要的光源多，白光LED经过滤光片分光后单色光能量低，荧光激发效果降低；CCD成像快但检测96孔之间有光程差和光密度差，存在边缘效应，设备挪动以后相机可能发生位移，需要校正；PMT检测一般是逐孔检测，每个通道对应一个检测器，数量多而复杂。因此在选择光源和检测器时需要兼顾生产成本，设备检测稳定性以及后期维护成本。

设计热循环仪的挑战

常规的PCR仪在目前市场上已经非常普遍， 大部分的设计难题已经被攻克。但是当将PCR仪整合到即时分子诊断仪器时，则会带来一些新的挑战，如尽可能小的加热模块，可提供快速和可重复循环的控制系统设计、允许不同检测芯片位置的机制设计以及温控界面设计，确保高效和可重复的热传递接口设计，还需要设计有多个PCR室，以便能够分析多个样品和标准品。

选择合适的设计和制造合作伙伴有助于在快速发展的分子诊断行业中获得更有利的竞争因素，更好地实现产品的商业价值。

ITL是生命科学和体外诊断技术和产品的创新者，专注于分子诊断、POCT、化学发光等技术，在激烈的市场环境下，其长达40多年的产品化经验能够根据客户和市场需求，灵活运用创新技术，凭借其在集成工程设计能力、生物化学等领域的坚实基础、从设计到制造的全流程专业知识、广泛的成功经验以及全球制造能力，为客户提供定制化的仪器开发和设计服务，致力于实现高质量的成功交付。

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