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什么带给我们对抗疫情的勇气？

不是梁静茹给的勇气，也不是神给的恩赐

是千千万万的医务人员，是万万千千的一线抗疫战士

以及，我们人类自己双手创造的科技，这些科技给了我们勇气和底气

今天，你将看到隐藏在这些抗疫科技背后的黑科技——传感器，测核酸、测体温都要靠它，它才是抗疫战士手中的尖刃。

赶在死神之前发现你

昨日新增本土确诊233例无症状322例

山东新增本土确诊31例无症状144例

吉林省新增本土确诊46例无症状29例

……

自从新冠疫情后，每日热点新闻上，总会时不时出现这些数字，扯动我们的心神。

新冠疫情，成为2020年至今，不下线的热点新闻。

人类的焦虑，是对未知的恐惧。在新冠疫情爆发之初，武汉封城，有多少人感染了新冠肺炎？有多少人没感染新冠肺炎？你感染了新冠肺炎吗？身边的人感染了新冠肺炎吗？

面对这些问题，大家都没有答案，这是一份未知的试卷，做这份试卷我们给出最好的解答就是：封城，快速筛查。

怎么在死神之前找到那个感染了新冠肺炎病毒的人，进行有效治疗，杜绝再次传播，避免死神的镰刀伸向更多人，成为疫情以来最关键的问题。

新冠肺炎怎么被防控？现在我们已经形成了两道防线：体温测量；核酸检测。

然而体温怎么检测，核酸怎么检测，靠什么去感知这些信息？

这个传感器，筑起抗疫第一道防线

某靓仔感染了新冠肺炎，走在大街上，忽然想进大商场里面买杯奶茶喝，经过门口时忽然被保安拦下了，因为体温过高。

哪里显示体温过高？因为门口安装了红外热成像仪，能够在一秒内检测到人的体温，并在屏幕上展示出来。

▲某国产红外热像仪效果

新冠肺炎的典型特征之一，就是“高温发热”。因此，在这个非常时期，如果有人体温异常，那么就是“高风险人群”。

尤其是在人员密集的商场、超市等公共场所，对大量人群的常态化体温监测，已被证实是有效的抗疫措施。

这里，红外热像仪的核心，是一颗红外线传感器。

传感器比传统更精准

在讲这颗红外线传感器前，我们有必要了解在传感器没出现之前，我们怎么检测人的体温，可以提前告诉你的是：传感器比传统测量更精准。

检测人的体温，最早的方法是通过水银体温计。

这种体温计最早可以追溯到1867年，托马斯·艾尔伯特（Thomas  Albutt）爵士发明了第一台用于测量人体温度的便携式医用温度计，是现代医学史上最重要的医疗仪器之一。

这个原始的体温计至今仍在使用，但因为汞（水银）的毒性，2020年国家药监局综合司关于履行《关于汞的水俣公约》有关事项的通知，“自2026年1月1日起，全面禁止生产含汞体温计和含汞血压计产品。”这意味着，水银体温计即将推出历史舞台。

某种意义上来看，水银体温计其实就是一种传感器，但不具备转换输出能力，需要用人眼去观察。

用前甩一甩，用时在腋窝下藏5分钟，是很多人对水银体温计的印象，因此，水银体温计测体温比较慢。

水银体温计使用了一百多年，可以说见证了现代医学的发展。但在电子体温计、红外体温计等现代体温计陆续登场，就迅速取代了水银体温计，成为现代医学测量体温的主流。

譬如耳温枪可以直接测量耳内骨膜的温度，这是最接近支配人体恒温的“定点”构造——大脑下视丘的地方，是人体温度的中心点，这点传统体温计就无法测量。而且快速、准确。

所有现代测温仪器的核心器件，都是温度、红外线等传感器！

各种数据表明，使用传感器的现代体温计，其精度、误差都好于传统体温计，且更快速。根据三甲医院的临床实验证明：

复旦大学附属儿科医院、天津市第一中心医院都曾经使用某电子体温计与水银体温计进行对比实验，结果发现二者在精准性方面无显著差异。证明了电子体温计与水银温度计一样具备高精准度。而且据了解，参与实验的某电子体温计精准度可达到0.1度，便于对体温做更细致、精确的观察。

这个时候用正好！

水银体温计、电子体温计等体温计，需要跟人体接触，才能测量温度，而红外体温计依据被测对象与探测器间的红外辐射换热测量人体温度的原理，不需与人体直接接触，仅需1~2秒即可完成测量。

快速、非接触测温，让红外传感器成为抗疫第一道防线的核心。

红外测温原理，简单点说，就类似我们人眼看到的可见光，光越亮我们会感觉越刺眼，温度越高的物体，辐射的红外线也就越高，在红外传感器“眼”里，就会越亮，这样根据对应的函数关系，就可以算出相对的温度。

▲额温枪结构

与红外体温计类似的，还有红外体温计PLUS——红外热成像仪。在我们之前的内容《总算明白了，现代战争，打的都是传感器》中，我们知道红外热成像仪在战争中有着许多用处，譬如制导、用于夜视等。

在工业上，热像仪可以探查哪些地方发生故障，因为故障处往往伴随着温度升高等异常。在医学上，面对新冠肺炎疫情、流感等疾病，热成像仪可以快速判断人群中是否有发热现象，再进行针对性的排查，与其他测温方式相比，热成像仪有着量的优势

通过在地铁、商场等人流量密集的地方，安装热成像仪，能够快速排查发热人员，堪比为我们安上一颗感知温度的眼睛，体温高的高风险人员无所遁形！

▲地铁站红外测温仪工作效果

一般来说，红外热线仪由镜头、热传感器、处理电子器件和一个机械外壳组成。镜头将红外能量聚集到传感器上。传感器有各种像素配置，从80×60到1280×1024像素等等。这就是热像仪的分辨率。

目前，使用非制冷焦平面阵列（FPA）设计的传感器是热像仪的主流。国内的安防监控巨头，海康威视、大华科技，以及高德红外、睿创微纳等传感器厂商，均有相关的红外传感器产品。

▲红外热线仪核心结构

核酸检测，离不开这个传感器

抗疫，筛选体温过高的人员只是第一步，然而现在新冠病毒变异越来越多，从Alpha、Beta、Gamma和Delta到现在的奥密克戎，新冠病毒的传播能力也越来越强，而且奥密克戎也不会是新冠病毒的最后一个变异毒株。

因此，我们要在死神之前，发现那个感染了新冠肺炎的人，进行正确的治疗，同时也避免更多的人受到感染。

本次深圳来势汹汹的新冠疫情，就是来自香港等境外的入境人员的传播，属于奥密克戎的进化体：

“在我们还没有完全了解奥密克戎变异株的特性之时，又出现了一个比奥密克戎传染性更强也更危险的新变种，这种病毒被命名为奥密克戎BA.2亚型变异株，这次深圳疫情就是由奥密克戎变异毒株BA.2导致的。”深圳市第三人民医院党委书记刘磊表示，根据疫情数据测算，奥密克戎亚变体BA.2毒株比奥密克戎原始毒株BA.1的传染性又增加了30%。奥密克戎已经在全球出现了新的发病、死亡高峰。

▲深圳疫情区域进行全民核酸检测

新的病毒更加隐秘，如何能尽快锁定这些感染的人呢？

答案只有一个，那就是尽快对区域内的人员，进行新冠肺炎核酸检测，这也是确诊新冠肺炎最准确的方法。

根据《中国科学报》的内容报道：

针对核酸检测，机械制造及自动化专家、中国工程院院士、西安交通大学教授蒋庄德及其团队发表了他们的看法，“核酸检测效果不仅取决于高质量的试剂盒，还有一样十分关键的检测设备——实时荧光定量聚合酶链式反应（PCR）核酸检测仪器，而后者的重要性往往被大家所忽视。”蒋庄德告诉《中国科学报》，实时荧光定量PCR检测仪的特异性、敏感性、稳定性高，有助于早诊断、早治疗。核酸检测的准确率离不开高质量的试剂盒与其相互匹配的高端仪器。

核酸检测离不开荧光定量PCR检测仪器和它背后的传感器！

核酸检测流程123

在告诉你这个传感器为什么这么重要之前，我们先要了解核酸检测的背后流程。

核酸检测我们都做了很多，医护人员使用长面棍深入咽喉或者鼻腔提取分泌物做检测。

我们被“捅”完就离开了，但核酸检测的流程才刚刚开始，让我们来看看核酸检测有哪些步骤：

新冠核酸检测的整个流程包括以下“三部曲”：运送——检测——报告，其中检测环节又包括：试剂准备——接收录入——提取核酸——PCR扩增——分析结果，共五个步骤。

在这里，检测环节的核心，就是围绕着荧光定量PCR仪转，利用荧光定量PCR仪进行扩增、检测等操作，最后将结果输出报告。荧光定量PCR 分析是现今最为重要的分子生物学检测手段，可以快速识别现场环境中的病原，分析灵敏度远远超过其他检测手段，是目前判断各种传染病感染与否的“金标准”。

▲某国产实时荧光定量PCR仪（qPCR）外观

小编简单说下检测的核心流程：

①反转录，提取核酸后，因为新冠病毒是RNA病毒，需要将提取的RNA核酸反转录为DNA

②进行PCR（聚合酶链式反应）扩增，这是针对DNA进行的倍增操作，简单来说就是将DNA 1变2，2变4，4变……直到达到合适的检测阀值的过程。在这个过程中，需要反复进行升温降温操作，使DNA不断扩增，同时植入探针。

③进行荧光检测，通过PCR仪的荧光检测系统，检测荧光是否达到阀值，即是否“阳”性

④输出结果。

这就是新冠病毒核酸检测的原理——荧光定量PCR检测，具体还是有亿点点复杂，感兴趣的可看下面的视频：

看不看到新冠病毒，就靠这颗传感器了

到这里，我们已经清楚了核酸检测的核心，关键就在于，怎么标记新冠病毒以及怎么“看到”这些标记物，一切准备工作都为这两步做铺垫。

这就是核酸检测中最核心的设备——荧光定量PCR仪的作用，PCR仪主要由两大组成部分：PCR扩增系统和荧光检测系统，PCR系统用于扩增、标记病毒，荧光检测系统让我们能够“看到”这些病毒。

PCR扩增系统部分的工作原理我们在上文已经讲了，接下来我们看看怎么“看到”这些被荧光标记的病毒。

下图是PCR荧光检测系统的组成部分，主要部件有激发光源和发射光检测器。通过发射光检测器捕获对应的荧光反射光，获取图像。

这里，发射光检测器是一个统称，就是我们看到荧光标志物的关键，常见的器件有光电倍增管（PMT）和CCD/CMOS图像传感器芯片。

没有这两种传感器，我们就无法看到标志物的荧光情况，用眼睛去看吗？

光电倍增管是一种利用光电效应的光电传感器，是一种电子管器件，成本比CCD/CMOS传感器低，但性能上也弱一点，可以简单理解为不够“清晰”，一般用在中低端的PCR仪器上。

▲光电倍增管

CCD/CMOS图像传感器应该很多人都听说过，对，就是你现在手机上的摄像头，现在手机上的摄像头基本都是CMOS图像传感器。

相比CCD图像传感器，CMOS在体积和功耗上有优势一些，但两者画质上没有明显的优劣。这两种图像传感器一般用在中高端的PCR仪器上。

▲CCD/CMOS图像传感器芯片

这写传感器通过感知荧光反应的光信号，输出数值曲线，我们前面所做的步骤，都是为了得到这条曲线，以用来最终检测样本是否含有新冠病毒。

▲PCR仪输出结果

可见，光电传感器是PCR检测仪的核心，是新冠肺炎核酸检测的核心传感器。

还有这个传感器在PCR仪器中发挥重要作用

除了光电倍增管（PMT）和CCD/CMOS图像传感器，还有一种传感器在PCR中发挥举足轻重的作用，那就是温度传感器。

大家有没有发现PCR扩增过程中，有一个重要，耗时很长，且需要反复进行的关键步骤？那就是：不断的升温、降温，通过这个过程促进DNA的扩增。

▲PCR扩增过程温度控制阶段：95C，55-65C，72C

这个温度要非常的准确，且不能错误，温度对DNA生物特性有至关重要的影响。怎么控制这个温度？这里需要用到温度传感器，而且是多个温度传感器组合成的传感器阵列。

以目前主流的96孔PCR仪器为例，可以同时对96个样本进行操作，里面配置了多个半导体片进行升降温，这里也是体现PCR仪器价格贵不贵的地方之一：

昂贵的PCR仪器每个半导体片都配有一个温度传感器，进行温度补偿，而便宜的PCR仪器往往好几个半导体片共用一个温度传感器，因此温度补偿精度和效率就大大降低了。

▲某国产PCR仪宣传资料

真有事，还得靠国产！

通过上文的分析，我们知道在抗疫中，无论是体温检测，还是核酸检测，传感器在其中都起到支柱性的作用。

根据2022年2月28日公布的《中华人民共和国2021年国民经济和社会发展统计公报》显示，截止2021年底，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！

如此一个庞大的检测数量，才是我国执行“动态清零”政策的根本保证！充足的体温检测设备，充足的核酸检测设备，是我们能够达到如此成功的抗疫效果的依靠。靠的是我国强大的制造业，靠的是我们无数的国产厂家。

譬如上海微技术工业研究院（简称“工研院”），是中国科学院上海微系统与信息技术研究所的所属单位，拥有我国首条8英寸MEMS生产线，一直站在我国传感器研发的前沿。相关介绍可看《2022中国33条MEMS传感器芯片产线大盘点（全网最全）》和《中国传感器最强科研天团！19所研究院所信息汇总》内容。

工研院自主研发的热电堆红外温度传感器性能与国外同类产品相当，是我国最先打破国外垄断的红外温度传感器产品，在自己的国内首条8寸MEMS生产线上实现规模生产，产量达13万颗/天，性价比、供货期都远好于国外产品，是国内倍尔康、科仪等国内一流医疗器械厂商。

除了国产温度传感器，国产PCR仪器也在这次疫情中发挥了至关重要的作用，根据《中国科学报》的报道：

机械制造及自动化专家、中国工程院院士、西安交通大学教授蒋庄德与彭年才教授团队，历时10年，研制出具有自主知识产权的国产新型实时荧光定量PCR仪，并实现产业化生产，打破了我国此类高端仪器设备完全依赖进口的局面。10年前国产实时荧光定量PCR仪的市场份额为0，目前，PCR仪器的国产化率已达到30%-40%。

抗疫背后，许许多多国产厂商拿出了国产方案，依靠中国强大的工业生产能力，才能在短时间内铸造坚固的防线！

更多更快的检测方法被发现

快速、灵敏地检测新冠病毒，对于新冠疫情的治疗和防控有着重大意义。

随着全球各地的研究，更多、跟灵敏的新冠病毒检测方法被发现，传感器在这里扮演了重要的作用。

通过传感器与物联网、可穿戴设备等方式的结合，有望在楼宇建筑、公共交通、个人穿戴服饰等地方，实现检测和预防病毒扩散。

除此之外，呼吸机、心电图机、监护仪……等等医疗设备，无处不看到传感器的身影，离开传感器的感知能力，这些设备都将无法正常运作。

结语

没有传感器这个小东西，我们很多大物件都做不出来，不能使用！

我国能够实现“动态清零”，是基于我国国情的选择，是因为我们有如此强大的制造业。如果我们的温度传感器，我们的光电传感器，我们的PCR仪，全部都需要进口，自己没有一点生产能力，还能做到动态清零吗？外国友人不给你涨价就偷笑了。

我国光学奠基人王大珩先生有个著名的论断：传感器是工业的基石、性能的关键和发展的瓶颈。如今更能体会这番话的含义。传感器虽小，却不能丢，至少要保证关键传感器在关系到国计民生的重大事件时能够被生产出来。

管中窥豹，现在，知道为什么传感器这么重要吗？

致敬所有抗疫人员！