核酸检测里的芯片

来源:芯世相发布时间:2022-03-231046浏览

自2020年新冠疫情爆发以来，疫情在爆发与被控制间反复横跳，无论是在社区、医院，都能看到人们在核酸检测采样点前排成长龙，被医生捅嗓子的“痛苦面具”场景。国家统计局显示，2021年末全国共有11937家医疗卫生机构提供新型冠状病毒核酸检测服务，总检测能力达到4168万份/天，如果换成社区的“10混1”检测方法，意味着中国每天能检测4亿多人，可以说，核酸检测已经成了人们生活中的一部分。

我国核酸检测市场增速飞快，2019年，全球核酸检测市场规模达85亿美元，中国占18%，约106亿人民币，到了2022年，中国的核酸检测市场规模预计将达到146亿元。各类新型核酸检测仪器也如雨后春笋般被研发出来，例如被钟南山院士成为“轻骑兵”的全集成新冠病毒核酸检测移动实验室，外观上只是一辆黄色的小客车，但却能集核酸提取、核酸采样、核酸扩增、核酸检测与一体，45分钟即可出结果，成了春晚、冬奥会现场的防疫利器。

这款车使用了微流控芯片技术，而在核酸检测的过程中，还有许多其他芯片在发挥作用，如基因芯片、传感器、电压元件等等。

除了核酸检测之外，还有抗原检测和抗体检测等方法可以检验新冠病毒，前几日，部分药店和网购平台就上架了一些抗原检测试剂盒，供居民在家自测，但只有核酸检测才是检验新冠病毒的“金标准”，也与芯片关系最大。阅读这篇文章，你会了解：

1. 什么是核酸检测？

2. 产业链是怎样的？

3. 里面用到了哪些芯片？

什么是核酸检测？

核酸检测产业链是怎样的？

在核酸检测之前，首先要了解一个词“体外诊断（IVD）”，主要有四种检测方法：生化诊断、免疫诊断、分子诊断、床旁检测。简单来说，体外诊断就是把人体的血液、体液、组织等样本用机器进行检测，根据检测结果判断出我们是否得病，因此体外诊断也被称为“医生的眼睛”，这个过程听起来是不是很像核酸检测？没错，核酸检测就是分子诊断的一种。

核酸检测的主要步骤分为：核酸采样、核酸提取、核酸扩增、核酸检测，核酸采样可以理解为我们在医院、社区被捅鼻子、捅嗓子的过程，主要是为了采集我们的体液样本，核酸提取就是通过核酸提取仪里的等仪器磁珠、磁棒提取出样本里的核酸（DNA、RNA），核酸扩增就是通过PCR仪等仪器将核酸进行扩增、诊断，最后再由诊断仪器将结果进行比对，判断我们是否感染。
在疫情之前，核酸检测就已经有广泛的应用，如艾滋病病毒、乙肝病毒、丙肝病毒、甲型禽流感病毒等。全国卫生产业企业管理协会医学检验产业分会会长宋海波表示，过去受条件限制，分子诊断基本上都在大医院。主要是因为分子诊断有三大痛点：实验室贵、设备贵、工作人员上岗要求严苛。而疫情来临后，我国核酸检测机构迅速发展，国家统计局显示，2021年末全国共有11937家医疗卫生机构提供新型冠状病毒核酸检测服务。因此宋海波认为：“现在实验室建立了、仪器设备有了，那开展更多检测项目就不应该有问题。”
核酸检测方法主要有PCR法、恒温扩增法、基因测序法等。在1983年，美国科学家凯利·穆利斯发明了PCR(聚合酶链式反应)，由于由于PCR操作简单、灵敏度高，因此应用最广，可以说PCR法是最成熟的分子诊断或者说核酸检测技术。
恒温扩增法和PCR的区别就是在核酸扩增是保持温度恒定，可以一次性检测多种病原体，具有集成能力强、检测时间短、试剂耗量低等特点。但目前PCR通过在技术上的不断革新，检测准确度更高，因此PCR仍然是核酸检测的最优选择。而其余方法只有少数企业投入生产，应用较少。
核酸检测产业链

传统的核酸检测产业链由上游的原材料供应商（菲鹏生物、诺唯赞等）、诊断仪器商（罗氏、illumina、贝瑞、达安基因、华大基因、德国Qiagen、韩国Bioneer、赛默飞世尔等）、中游的试剂生产商（华大基因、明德生物、迈克生物等）、下游的需求端（医院、第三方检测机构等）构成。

来源：塔坚研究

从上游原材料端来看，国内能提供上游原材料的厂商较少，主要是由罗氏等国外企业垄断。而核酸检测仪器方面，在疫情爆发后，核酸检测市场迅速增速，许多位于产业链中游的试剂生产商也已经开始了核酸检测仪器的研发和生产，分子诊断仪器主要包括核酸提取仪、PCR扩增仪、核酸分子杂交仪、基因芯片仪、基因测序仪等。

核酸提取仪方面，国内仪器在通量、处理时间方面普遍优于国外仪器，且价格更为实惠，国内的核酸提取仪一般在几十万左右，而国外的核酸提取仪价格在大几十万左右。PCR扩增仪方面，国内厂家仪器普遍价格更低，性能也能达到外资品牌的水平，核酸分子杂交仪和基因芯片仪目前也已全部实现国产化。而基因测序仪方面，过去主要由illumina、赛默飞、罗氏等国外厂商垄断，但近年来，我国也有许多产品获得国家食品药品监督管理总局批准，如华大基因、贝瑞等公司的基因测序仪。
目前我国已有多家企业进入产业链上游，如达安基因、圣湘生物、之江生物、硕世生物、凯普生物、明德生物等厂商官网的产品中心具有不同数量、种类的检测仪器。

而近年来，因为核酸检测需求不断增加，出现了很多核酸检测一体仪，国外如美国赛沛的GeneXpert Dx 分子诊断系统、罗氏的全自动新冠病毒检测仪等，国内如圣湘的核酸检测分析仪、仁度的全自动核酸检测分析系统、万孚生物的全自动核酸检测分析系统等，都尽力打破核酸检测应用场景的限制，将核酸检测中多台仪器的功能集成在一台机器里，由此可见，目前核酸检测上游的产品格局也在发生改变。

从中游的试剂端来看，1990年代中后期，国内一些企业抓住代理罗氏等企业进口PCR仪器的机会，开发相配套的核酸检测试剂产品，很早就实现了核酸检测试剂的国产化。数据显示，达安基因在2021年5月份产能就已经达到日产100万人份，以76.3亿元的营收位列2021年国内分子诊断企业第一名，后面是圣湘生物45.05亿，之江生物20.21亿，明德生物（前三季度）19.38亿，硕世生物21.72亿。
从下游来看，罗氏、丹纳赫、西门子医疗、雅培四大外资巨头通过试剂、仪器一体化封闭模式投放市场，垄断了如三甲医院等高端市场。而中国本土体外诊断设备企业也开始技术追赶，在二级医院以及基层医院、第三方独立实验室等领域抢占市场。

来源：头豹

以圣湘生物为例，在2015年-2019年间，圣湘生物的PCR相关仪器只销售了不到1000台，但在2020年一年，就销售了6000多台，疫情起了很大的增速作用。综合来看，核酸检测产业链，已经在悄悄发生变化，我国分子诊断行业市场格局也已基本成型。

检测各环节用到了哪些芯片？

前文提到过，核酸检测的流程主要包括核酸采样、核酸提取、核酸扩增、核酸检测四步，需要用到芯片的步骤主要在核酸提取和核酸扩增方面，核酸扩增方面主要应用的是微流控芯片、电流驱动器、温度传感器等，对应的分子诊断仪器有PCR扩增仪、恒温扩增微流控芯片核酸分析仪等。核酸提取方面，主要应用的芯片有wifi芯片、电源管理芯片等，对应的是核酸提取仪等仪器。
PCR扩增仪中的PCR微流控芯片，就是通过微流控技术将PCR技术集成在芯片上，根据一次实验所检测样品的数量，可以将PCR芯片分为低通量和高通量，低通量PCR芯片检测数量有限，而高通量可以同时检测成百上千个样品。代表厂商有赛默飞、罗氏等。目前PCR芯片技术已经广泛应用于生物技术、疾病检测和临床医学等多个领域。

恒温扩增微流控芯片核酸分析仪的原理是将恒温扩增技术和微流控芯片技术相结合，将样品在恒温（41度）条件下进行扩增，再使用特异性荧光探针进行实时荧光检测结果。在2020年疫情初期，钟南山院士就在新冠肺炎多学科论坛上宣布，中国已经开发出一种新冠肺炎核酸检测方法（恒温扩增芯片法），可区分新冠肺炎与A、B型流感。

便携式快捷核酸检测卡盒也使用了微流控芯片技术，将试剂、扩增设备、检测装置集成在一个火柴盒大小的密封卡盒里自动完成核酸检测，四川大学华西医院院长介绍：“它就像一个打火机一样大小，检测后40分钟之内就能够出结果，非常便捷。”但目前该产品正在申报阶段，尚未上市销售。

家用新冠自测系统由天津大学的张雁和美国哈佛大学等科研机构共同研发，该产品使用微流控芯片技术，最快可以在5分钟内检测出结果，并以直观的显色对比提供肉眼可见的结果，但其检测准确度仍比不上正确的核酸检测，目前该系统正处于研发阶段，并未上市销售。

除以上微流控芯片技术外，还有基因芯片法检测新冠肺炎病毒。基因芯片的原型是80年代中期提出的，即通过与一组已知序列的核酸探针杂交进行核酸序列测定的方法，对应的仪器有基因芯片仪等，但目前该方法应用较少，主流的核酸检测方法仍是PCR法。

基因芯片，来源：寰基集团

有博主分析过核酸扩增仪器，发现仪器在进行PCR扩增的过程中，需要用到热电冷却器调整温度、其中会用到LED驱动器、电流驱动器、运算放大器、温度传感器等元器件。

来源：电子技术设计

可以看出，其中用到了TI的TLV9061运算放大器，该芯片主要应用于电动自行车、烟雾探测器、电机控制、冰箱、笔记本电脑、传感器信号调节、电源模块等领域，目前该芯片的价格约为20元左右。
在仪器的加热冷却单元，还用到了TI的传感器TMP117、LED驱动器TPS54201和电机驱动器DRV8873，其中TMP117主要应用于电子温度计、无线环境传感器、恒温器、汽车类测试设备、燃气表和热量计等领域。而TPS54201主要应用于可调节昼/夜视的 IR LED、LED 显示和照明等领域。DRV8873主要应用于H 桥电机驱动器、汽车、用于输出电流检测的电流镜、可配置控制接口等领域，在核酸检测疫情中主要应用于H桥电机驱动器，和TPS54201、TMP117共同组成加热和冷却系统。
还有控制电流输入的数模转换器DDC112和串联电压基准元件REF3040，REF3040主要应用于温度和压力发送器、数据采集系统、医疗设备等领域。TI官网显示，除DDC112显示有货外，TLV9061、TMP117、TPS54201、DRV8873、REF3040等系列元件多处于缺货状态。
除此之外，还有新闻显示，欧姆龙发布的传感器EESX1081，也已应用到核酸扩增仪中，主要用于检测核酸检测仪内有无试管及试管位置是否摆放正确。

而在核酸提取仪中也需要用到很多芯片，某品牌的96通道全自动核酸提取仪说明书显示，其中的网络通讯、远程控制、电源等功能均需要芯片才能实现。

来源：网络

网络通讯的无线wifi功能和app远程监测仪器的功能，都需要用到wifi芯片，代表厂商有博通、高通、美满科技、TI、瑞昱等。电源需要用到的电源管理芯片，代表厂商有TI、高通、ADI等。

结语

国内疫情反复、香港至内地的快递停运，前端时间，芯片更是困在深圳、堵在香港（详情可查阅文末推荐阅读），虽然目前华强北市场已经部分解封，深圳的芯片已经脱困，但奋战在一线的IC人和半导体产业链下游的终端厂商依然提心吊胆，被疫情折磨得有苦难言。

每天和我们打交道的芯片，在疫情防控中立下了汗马功劳。无论是生物芯片还是微流控芯片，都在医学、生命科学等多个领域有着很大的贡献。在《医药生物技术“十五”及2015年规划》所列十五个关键技术项目中，就有八个项目要使用生物芯片，微流控芯片技术更是被福布斯评为影响人类未来的15件最重要的发明之一。而与我们生活息息相关的各种产品，大到飞机、高铁，小到PC、手机、遥控器、U盘……都离不开芯片的影子。

参考资料：

【1】体外诊断设备研究——试剂仪器一体化成行业新趋势，头豹，2019

【2】探寻生命原始奥秘，分子诊断亟待爆发，广证恒生，2016

【3】核酸检测需要用到哪些仪器及传感器等器件，电子技术设计，2020

【4】“成都造”核酸检测仪即将面市，在家就能测核酸！揭秘背后的故事，蓉城政事，2022

【5】核酸检测产业链深度梳理，塔坚研究，2021

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