核酸檢測里的芯片

自2020年新冠疫情爆發(fā)以來，疫情在爆發(fā)與被控制間反復橫跳，無論是在社區(qū)、醫(yī)院，都能看到人們在核酸檢測采樣點前排成長龍，被醫(yī)生捅嗓子的“痛苦面具”場景。國家統(tǒng)計局顯示，2021年末全國共有11937家醫(yī)療衛(wèi)生機構提供新型冠狀病毒核酸檢測服務，總檢測能力達到4168萬份/天，如果換成社區(qū)的“10混1”檢測方法，意味著中國每天能檢測4億多人，可以說，核酸檢測已經(jīng)成了人們生活中的一部分。

我國核酸檢測市場增速飛快，2019年，全球核酸檢測市場規(guī)模達85億美元，中國占18%，約106億人民幣，到了2022年，中國的核酸檢測市場規(guī)模預計將達到146億元。各類新型核酸檢測儀器也如雨后春筍般被研發(fā)出來，例如被鐘南山院士成為“輕騎兵”的全集成新冠病毒核酸檢測移動實驗室，外觀上只是一輛黃色的小客車，但卻能集核酸提取、核酸采樣、核酸擴增、核酸檢測與一體，45分鐘即可出結果，成了春晚、冬奧會現(xiàn)場的防疫利器。

這款車使用了微流控芯片技術，而在核酸檢測的過程中，還有許多其他芯片在發(fā)揮作用，如基因芯片、傳感器、電壓元件等等。

除了核酸檢測之外，還有抗原檢測和抗體檢測等方法可以檢驗新冠病毒，前幾日，部分藥店和網(wǎng)購平臺就上架了一些抗原檢測試劑盒，供居民在家自測，但只有核酸檢測才是檢驗新冠病毒的“金標準”，也與芯片關系最大。閱讀這篇文章，你會了解：

1.  什么是核酸檢測？

2.  產(chǎn)業(yè)鏈是怎樣的？

3.  里面用到了哪些芯片？

01 、什么是核酸檢測？核酸檢測產(chǎn)業(yè)鏈是怎樣的？

在核酸檢測之前，首先要了解一個詞“體外診斷（IVD）”，主要有四種檢測方法：生化診斷、免疫診斷、分子診斷、床旁檢測。簡單來說，體外診斷就是把人體的血液、體液、組織等樣本用機器進行檢測，根據(jù)檢測結果判斷出我們是否得病，因此體外診斷也被稱為“醫(yī)生的眼睛”，這個過程聽起來是不是很像核酸檢測？沒錯，核酸檢測就是分子診斷的一種。

核酸檢測的主要步驟分為：核酸采樣、核酸提取、核酸擴增、核酸檢測，核酸采樣可以理解為我們在醫(yī)院、社區(qū)被捅鼻子、捅嗓子的過程，主要是為了采集我們的體液樣本，核酸提取就是通過核酸提取儀里的等儀器磁珠、磁棒提取出樣本里的核酸（DNA、RNA），核酸擴增就是通過PCR儀等儀器將核酸進行擴增、診斷，最后再由診斷儀器將結果進行比對，判斷我們是否感染。

在疫情之前，核酸檢測就已經(jīng)有廣泛的應用，如艾滋病病毒、乙肝病毒、丙肝病毒、甲型禽流感病毒等。全國衛(wèi)生產(chǎn)業(yè)企業(yè)管理協(xié)會醫(yī)學檢驗產(chǎn)業(yè)分會會長宋海波表示，過去受條件限制，分子診斷基本上都在大醫(yī)院。主要是因為分子診斷有三大痛點：實驗室貴、設備貴、工作人員上崗要求嚴苛。而疫情來臨后，我國核酸檢測機構迅速發(fā)展，國家統(tǒng)計局顯示，2021年末全國共有11937家醫(yī)療衛(wèi)生機構提供新型冠狀病毒核酸檢測服務。因此宋海波認為：“現(xiàn)在實驗室建立了、儀器設備有了，那開展更多檢測項目就不應該有問題。”

核酸檢測方法主要有PCR法、恒溫擴增法、基因測序法等。在1983年，美國科學家凱利·穆利斯發(fā)明了PCR(聚合酶鏈式反應)，由于由于PCR操作簡單、靈敏度高，因此應用最廣，可以說PCR法是最成熟的分子診斷或者說核酸檢測技術。

恒溫擴增法和PCR的區(qū)別就是在核酸擴增是保持溫度恒定，可以一次性檢測多種病原體，具有集成能力強、檢測時間短、試劑耗量低等特點。但目前PCR通過在技術上的不斷革新， 檢測準確度更高，因此PCR仍然是核酸檢測的最優(yōu)選擇。而其余方法只有少數(shù)企業(yè)投入生產(chǎn)，應用較少。

核酸檢測產(chǎn)業(yè)鏈

傳統(tǒng)的核酸檢測產(chǎn)業(yè)鏈由上游的原材料供應商（菲鵬生物、諾唯贊等）、診斷儀器商（羅氏、illumina、貝瑞、達安基因、華大基因、德國Qiagen、韓國Bioneer、賽默飛世爾等）、中游的試劑生產(chǎn)商（華大基因、明德生物、邁克生物等）、下游的需求端（醫(yī)院、第三方檢測機構等）構成。

從上游原材料端來看，國內能提供上游原材料的廠商較少，主要是由羅氏等國外企業(yè)壟斷。而核酸檢測儀器方面，在疫情爆發(fā)后，核酸檢測市場迅速增速，許多位于產(chǎn)業(yè)鏈中游的試劑生產(chǎn)商也已經(jīng)開始了核酸檢測儀器的研發(fā)和生產(chǎn)，分子診斷儀器主要包括核酸提取儀、PCR擴增儀、核酸分子雜交儀、基因芯片儀、基因測序儀等。

核酸提取儀方面，國內儀器在通量、處理時間方面普遍優(yōu)于國外儀器，且價格更為實惠，國內的核酸提取儀一般在幾十萬左右，而國外的核酸提取儀價格在大幾十萬左右。PCR擴增儀方面，國內廠家儀器普遍價格更低，性能也能達到外資品牌的水平，核酸分子雜交儀和基因芯片儀目前也已全部實現(xiàn)國產(chǎn)化。而基因測序儀方面，過去主要由illumina、賽默飛、羅氏等國外廠商壟斷，但近年來，我國也有許多產(chǎn)品獲得國家食品藥品監(jiān)督管理總局批準，如華大基因、貝瑞等公司的基因測序儀。

目前我國已有多家企業(yè)進入產(chǎn)業(yè)鏈上游，如達安基因、圣湘生物、之江生物、碩世生物、凱普生物、明德生物等廠商官網(wǎng)的產(chǎn)品中心具有不同數(shù)量、種類的檢測儀器。

而近年來，因為核酸檢測需求不斷增加，出現(xiàn)了很多核酸檢測一體儀，國外如美國賽沛的GeneXpert Dx 分子診斷系統(tǒng)、羅氏的全自動新冠病毒檢測儀等，國內如圣湘的核酸檢測分析儀、仁度的全自動核酸檢測分析系統(tǒng)、萬孚生物的全自動核酸檢測分析系統(tǒng)等，都盡力打破核酸檢測應用場景的限制，將核酸檢測中多臺儀器的功能集成在一臺機器里，由此可見，目前核酸檢測上游的產(chǎn)品格局也在發(fā)生改變。

從中游的試劑端來看，1990年代中后期，國內一些企業(yè)抓住代理羅氏等企業(yè)進口PCR儀器的機會，開發(fā)相配套的核酸檢測試劑產(chǎn)品，很早就實現(xiàn)了核酸檢測試劑的國產(chǎn)化。數(shù)據(jù)顯示，達安基因在2021年5月份產(chǎn)能就已經(jīng)達到日產(chǎn)100萬人份，以76.3億元的營收位列2021年國內分子診斷企業(yè)第一名，后面是圣湘生物45.05億，之江生物20.21億，明德生物（前三季度）19.38億，碩世生物21.72億。

從下游來看，羅氏、丹納赫、西門子醫(yī)療、雅培四大外資巨頭通過試劑、儀器一體化封閉模式投放市場，壟斷了如三甲醫(yī)院等高端市場。而中國本土體外診斷設備企業(yè)也開始技術追趕，在二級醫(yī)院以及基層醫(yī)院、第三方獨立實驗室等領域搶占市場。

來源：頭豹

以圣湘生物為例，在2015年-2019年間，圣湘生物的PCR相關儀器只銷售了不到1000臺，但在2020年一年，就銷售了6000多臺，疫情起了很大的增速作用。綜合來看，核酸檢測產(chǎn)業(yè)鏈，已經(jīng)在悄悄發(fā)生變化，我國分子診斷行業(yè)市場格局也已基本成型。

02 、檢測各環(huán)節(jié)用到了哪些芯片？

前文提到過，核酸檢測的流程主要包括核酸采樣、核酸提取、核酸擴增、核酸檢測四步，需要用到芯片的步驟主要在核酸提取和核酸擴增方面，核酸擴增方面主要應用的是微流控芯片、電流驅動器、溫度傳感器等，對應的分子診斷儀器有PCR擴增儀、恒溫擴增微流控芯片核酸分析儀等。核酸提取方面，主要應用的芯片有wifi芯片、電源管理芯片等，對應的是核酸提取儀等儀器。

PCR擴增儀中的PCR微流控芯片，就是通過微流控技術將PCR技術集成在芯片上，根據(jù)一次實驗所檢測樣品的數(shù)量，可以將PCR芯片分為低通量和高通量，低通量PCR芯片檢測數(shù)量有限，而高通量可以同時檢測成百上千個樣品。代表廠商有賽默飛、羅氏等。目前PCR芯片技術已經(jīng)廣泛應用于生物技術、疾病檢測和臨床醫(yī)學等多個領域。

恒溫擴增微流控芯片核酸分析儀的原理是將恒溫擴增技術和微流控芯片技術相結合，將樣品在恒溫（41度）條件下進行擴增，再使用特異性熒光探針進行實時熒光檢測結果。在2020年疫情初期，鐘南山院士就在新冠肺炎多學科論壇上宣布，中國已經(jīng)開發(fā)出一種新冠肺炎核酸檢測方法（恒溫擴增芯片法），可區(qū)分新冠肺炎與A、B型流感。

便攜式快捷核酸檢測卡盒也使用了微流控芯片技術，將試劑、擴增設備、檢測裝置集成在一個火柴盒大小的密封卡盒里自動完成核酸檢測，四川大學華西醫(yī)院院長介紹：“它就像一個打火機一樣大小，檢測后40分鐘之內就能夠出結果，非常便捷。”但目前該產(chǎn)品正在申報階段，尚未上市銷售。

家用新冠自測系統(tǒng)由天津大學的張雁和美國哈佛大學等科研機構共同研發(fā)，該產(chǎn)品使用微流控芯片技術，最快可以在5分鐘內檢測出結果，并以直觀的顯色對比提供肉眼可見的結果，但其檢測準確度仍比不上正確的核酸檢測，目前該系統(tǒng)正處于研發(fā)階段，并未上市銷售。

除以上微流控芯片技術外，還有基因芯片法檢測新冠肺炎病毒。基因芯片的原型是80年代中期提出的，即通過與一組已知序列的核酸探針雜交進行核酸序列測定的方法，對應的儀器有基因芯片儀等，但目前該方法應用較少，主流的核酸檢測方法仍是PCR法。

基因芯片，來源：寰基集團

有博主分析過核酸擴增儀器，發(fā)現(xiàn)儀器在進行PCR擴增的過程中，需要用到熱電冷卻器調整溫度、其中會用到LED驅動器、電流驅動器、運算放大器、溫度傳感器等元器件。

可以看出，其中用到了TI的TLV9061運算放大器，該芯片主要應用于電動自行車、煙霧探測器、電機控制、冰箱、筆記本電腦、傳感器信號調節(jié)、電源模塊等領域，目前該芯片的價格約為20元左右。

在儀器的加熱冷卻單元，還用到了TI的傳感器TMP117、LED驅動器TPS54201和電機驅動器DRV8873，其中TMP117主要應用于電子溫度計、無線環(huán)境傳感器、恒溫器、汽車類測試設備、燃氣表和熱量計等領域。而TPS54201主要應用于可調節(jié)晝/夜視的 IR LED、LED 顯示和照明等領域。DRV8873主要應用于H 橋電機驅動器、汽車、用于輸出電流檢測的電流鏡、可配置控制接口等領域，在核酸檢測疫情中主要應用于H橋電機驅動器，和TPS54201、TMP117共同組成加熱和冷卻系統(tǒng)。

還有控制電流輸入的數(shù)模轉換器DDC112和串聯(lián)電壓基準元件REF3040，REF3040主要應用于溫度和壓力發(fā)送器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、醫(yī)療設備等領域。TI官網(wǎng)顯示，除DDC112顯示有貨外，TLV9061、TMP117、TPS54201、DRV8873、REF3040等系列元件多處于缺貨狀態(tài)。

除此之外，還有新聞顯示，歐姆龍發(fā)布的傳感器EESX1081，也已應用到核酸擴增儀中，主要用于檢測核酸檢測儀內有無試管及試管位置是否擺放正確。

而在核酸提取儀中也需要用到很多芯片，某品牌的96通道全自動核酸提取儀說明書顯示，其中的網(wǎng)絡通訊、遠程控制、電源等功能均需要芯片才能實現(xiàn)。

來源：網(wǎng)絡

網(wǎng)絡通訊的無線wifi功能和app遠程監(jiān)測儀器的功能，都需要用到wifi芯片，代表廠商有博通、高通、美滿科技、TI、瑞昱等。電源需要用到的電源管理芯片，代表廠商有TI、高通、ADI等。

03 、結語

國內疫情反復、香港至內地的快遞停運，前端時間，芯片更是困在深圳、堵在香港（詳情可查閱文末推薦閱讀），雖然目前華強北市場已經(jīng)部分解封，深圳的芯片已經(jīng)脫困，但奮戰(zhàn)在一線的IC人和半導體產(chǎn)業(yè)鏈下游的終端廠商依然提心吊膽，被疫情折磨得有苦難言。

每天和我們打交道的芯片，在疫情防控中立下了汗馬功勞。無論是生物芯片還是微流控芯片，都在醫(yī)學、生命科學等多個領域有著很大的貢獻。在《醫(yī)藥生物技術“十五”及2015年規(guī)劃》所列十五個關鍵技術項目中，就有八個項目要使用生物芯片，微流控芯片技術更是被福布斯評為影響人類未來的15件最重要的發(fā)明之一。而與我們生活息息相關的各種產(chǎn)品，大到飛機、高鐵，小到PC、手機、遙控器、U盤……都離不開芯片的影子。

參考資料：

【1】體外診斷設備研究——試劑儀器一體化成行業(yè)新趨勢，頭豹，2019

【2】探尋生命原始奧秘，分子診斷亟待爆發(fā)，廣證恒生，2016

【3】核酸檢測需要用到哪些儀器及傳感器等器件，電子技術設計，2020

【4】“成都造”核酸檢測儀即將面市，在家就能測核酸！揭秘背后的故事，蓉城政事，2022

【5】核酸檢測產(chǎn)業(yè)鏈深度梳理，塔堅研究，2021