革命性传感器PixelSensor在聚合酶链反应 (PCR) 中的应用

概述

近几年来，在检验医学和临床领域，point-of-care-testing (POCT) 成为一个比较热门的词汇。它最早出现在美国，意思是在发病或者发生事件的地点进行诊断、监控和治疗，能快速地获得检验结果并及时做出正确的处理。POCT的发展使得紧凑型光学和检测技术的需求不断增加。高度集成的多光谱传感器充分满足了这个需求，显著降低了整体仪器的复杂性、体积和成本。与采集全谱信息的光谱仪不同，多光谱传感器仅采集最感兴趣的波长数据。通过将滤光和检测集成到多达8个通道的单片探测器上，PIXELTEQ公司突破性的PixelSensor^TM多光谱传感器可以在指甲般大小的尺寸上实现更高的多光谱检测效率。

PixelSensor^TM多光谱传感器

手持式Point-of-Care-Testing仪器

POCT使用的仪器是体外诊断的一种新的产品形式，也就是将要检测的项目，整合在一种可以携带的仪器中，使医生能快速地获得检验结果，从而达到改善治疗过程的目的。通常，疾病检查是在医院的中央实验室进行，单一项目的检查虽然成本较低，但是无法及时得到检验结果，针对性的治疗就不能立即开始，同时还受检验地点的限制。POCT的出现，可以说是填补了快速诊断的空隙。时至今日，POCT的检查范围在扩大，对某些项目的检验已从获得定性结果到获得定量参数，其结果的精确性和可靠性不仅能媲美中央实验室，而且非专业人员也可以操作。因此获得了巨大的发展，在当今的检验医学领域占有一席之地。

要想成为实验室检测的有效替代物或补足物，POCT仪器需要满足尺寸小，成本低，反应快，产品坚固的特点。与此同时，也需要保持准确和灵活的特性，用以检测不同检定试剂盒中的多种荧光团。结合微流体，微光学和先进反应化学技术，创造出更小的便携式或手持式仪器，以实现在患者床边或现场进行快速检测。

相对于传统的切换式滤光器，多光谱传感器具有明显的空间优势。其紧凑的尺寸可以同时检测多个波长带的光，并能有效降低成本。每个单独的传感器元件可直接过滤掉不用的波段，只检测特定的波段，也无需使用带通和二向色滤波器对波长进行分离，从而节省了大量空间。通过对传感器元件组合搭配，可以同时对多个不同频带进行分析。PixelSensor^TM将带通滤波器直接镀在每个光电二极管的表面，构建出效率更高，更坚固的传感器。

传统的切换式滤光器

PixelSensor^TM 同步光谱采集

PixelSensor^TM的光技术

大多数的多波长传感器是通过单个的光电二极管加滤光片来构建每个通道的，而PixelSensor^TM采用的是独特的表面镀膜技术，可减少光学器件造成的损耗，以及准直不良造成的误差，从而提升光学效率和可靠性。获得ZL的微图案化滤光器被沉积到光电二极管的表面，然后将其切割并重新组合成二维阵列。选择特定的光电二极管测试相应的光谱带。最多可以将8个检测元件（通道）集成在9X9 mm尺寸的LLC封装芯片中。每个通道可以定制设计，以过滤特定的VIS-NIR波长。

PixelSensor™ 原理图

20针LCC封装版本的pixelsensor专为低噪声和快速响应应用设计，可以表面贴装或基座安装。套装版的产品，包含电路板、软件和收光器件，可用于可行性验证和原型设计。用户也索取电路板的设计信息，为整个系统的开发提供参考，从而缩短上市时间。

PixelSensor™拓展包以及附件

PixelSensor™ 软件

减小分子诊断设备尺寸-手持式PCR将引领潮流

聚合酶链反应（PCR）是POCT应用中受益于多光谱传感的一个主要例子。在聚合酶链反应（PCR）中，一个样品中感兴趣的DNA片段被复制数百万次，标记物的信号被大大增强，从而实现用少量血液和组织便可进行病毒和疾病检测。

PCR是一种高度特异、准确和快速的DNA扩增技术，通常被称为DNA“复制”。PCR在1985年被Cetus公司的Kary Mullis发明，这项发明也被授予1993年诺贝尔化学奖。PCR的出现对发展基因组测序领域至关重要。PCR过程中的每个热循环通过3个步骤将DNA的量加倍：靶DNA链变性，引物分子退火至变性DNA，并通过聚合酶反应延长靶链。通过多次重复，该过程实现了靶DNA序列的指数扩张。

20世纪90年代定时或定量PCR (qPCR)^v 的出现，通过在同一仪器中同时进行DNA自动检测和DNA扩增，进一步促进了分子诊断的发展。在扩增过程结束后，qPCR不是进行电泳，而是在热循环开始之前，对所需DNA序列特异的荧光标记进行整合。该扩增反应可被实时监测，荧光信号与靶DNA的量成正比。靶DNA最初出现的越多，扩增越快发生，这样使得qPCR不仅可以检测到所需DNA序列的存在，而且可以检测其在样品内的初始浓度。这在评估患者体内的病毒或微生物负荷方面是非常有价值的，使得医师可以衡量治疗的有效性，提供基本诊断及针对性的药物。

PCR扩增的DNA

实时聚合酶链反应（qPCR）

微流体，测试化学和仪器设计的共同发展，使厂家能开发出更小的便携式的qPCR仪器。该类仪器可用于POCT分子诊断，并将周期时间从几小时大大减少到几分钟。随着工程师们不断减少仪器的尺寸和简化光学设计，他们寻求精度相当，但更为紧凑的滤光型光学系统。他们还需要特异性来分别检测多个荧光团，如在探针和高分子化学改进中出现的多重测定。 通过渗入多个荧光团，每个荧光团被标记为特定的DNA序列。并且由于其具有自身的关键检测波长，多重测定可以同时检测和诊断多种传染病和病原体靶标。PixelSensor^TM的高度灵活性，可以通过组合搭配定制多个独立通道，使光学工程师能够以单一、紧凑、经济的方式满足当前和未来的性能需求。从基本的2或4色手持系统到更复杂而紧凑的、多达8个通道的台式仪器，PixelSensor^TM带给qPCR光学检测灵活扩展的平台。

小结论也会带来大影响

紧凑型和手持式PCR仪器将为医生开辟一个全新的世界，复杂的分子诊断不仅可以在办公室、家里进行，甚至可以在偏远地区的移动诊所而非传统实验室进行。这不仅会实现更快的诊断和治疗，而且还会增加分子诊断的使用来评估治疗效果并改善患者的病情。

随着这个新领域的不断发展，它需要可灵活扩展，体积更小的检测核心，为多样化的检测提供准确的答案。PixelSensor^TM正是这样一种检测器 – 具有多达8个可定制的检测通道，紧凑坚固。产品具有很好的灵活性，从滤光片到通道数，从封装类型到电子部件，都可以自行选择，给设计工程师带来了极大的便利性。

想了解更多相关信息，请联系海洋光学工程师 4006232690