CN100514244C - 微流体温控装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种微流体温控装置，包括芯片、固定架、导热块以及致动器。芯片具有反应室，用以放置微流体，而微流体可通过芯片加热而升温，以达到所需的反应温度。其中，在降温操作时间内，导热块可通过致动器的推动而接触芯片，使芯片上的热量以热传导方式带走，达到快速降温的目的。此外，在升温操作时间内，导热块与芯片不接触，使芯片内的微流体能快速升温，以快速达到微流体所需的反应温度。

Description

微流体温控装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种温控装置，且特别涉及一种微流体温控装置及其方法。

背景技术

聚合酶链反应(Polymerase Chain Reaction，简称PCR)是利用微量的脱氧核糖核酸(简称DNA)聚合酶，在芯片或试管内进行专一性的连锁反应，使其一段基因被复制为原来的一百亿至一千亿倍，以利于快速检测特定的病源核酸或疾病基因。DNA的基因为双螺旋结构，而DNA在复制时，其中两条双螺旋以氢键结合的互补链必须先行分开，才能作为各自复制的单螺旋，而打开DNA双螺旋的最简单方法就是加热，在高温下双股的DNA会分离成单股，而温度降低后，互补的两条DNA聚合链又可以恢复成双股。聚合酶链反应则是将DNA聚合酶放入芯片的反应室中或加热的试管中，并精确控制反应室的温度以及反应时间的周期，以使特定的片段基因在此循环周期内不断快速复制。

此外，传统的PCR芯片将极少量的试剂密封在反应室中，并在反应室附近设置加热器与温度传感器，以利于回授控制反应室的温度。请参照图1，其为公知的利用散热器散热的一种微流体温控装置的示意图。为使PCR芯片100具有更快的降温时间，散热器110设置有平行排列的散热鳍片112，以使PCR芯片100上的热量以热传导的方式散热。此外，散热鳍片112上还可设置风扇120，而风扇120所产生的对流可将热量带走，达到PCR芯片100快速降温的目的。

然而，高热质的散热器110固定在PCR芯片100上，在升温操作时间内，加热器所产生的热量却被散热器110大量吸收，而PCR芯片100实际所得到的热量大幅减少。由于散热器110固定在PCR心片100上，使得PCR芯片100升温的速度因而减慢，影响整个温控的时程。

发明内容

本发明的目的就是提供一种微流体温控装置，通过动态接触温控来缩短整个温控时程。

本发明的另一目的是提供一种微流体的温控方法，通过动态接触温控来缩短整个温控时程。

本发明提出一种微流体温控装置，包括芯片、固定架、导热块以及致动器。芯片具有反应室，用以放置微流体，而固定架用以固持芯片或导热块。此外，导热块对应于芯片，而致动器可推动芯片或导热块，使芯片及导热块产生相对运动，其中致动器在降温操作时间内使导热块与芯片相接触，且于升温操作时间内使导热块与芯片不接触。

依照本发明一实施例所述的微流体温控装置，还包括开关，当开关呈开启状态时，致动器推动导热块接触芯片，而当开关呈关闭状态时，致动器反向工作而使导热块远离芯片。其中，开关例如为继电器或晶体管开关。

依照本发明的较佳实施例所述，芯片还可包括加热器及/或温度传感器。加热器例如是电阻丝加热器，用以加热微流体，而温度传感器例如是热阻式温度传感器，用以测量微流体的温度变化。

本发明又提出一种微流体的温控方法，包括下列步骤：首先，提供具有反应室的芯片，并将微流体注入反应室中。接着，加热芯片至反应温度。令导热块于降温操作时间内接触芯片。之后，令导热块于升温操作时间内不接触芯片。

依照本发明的较佳实施例所述，其中导热块于降温操作时间内例如以致动器推动而接触芯片，接着在升温操作时间内再以致动器移动导热块，使其离开芯片。

本发明的微流体温控装置因采用导热块接触芯片来降温，使微流体能在很短的时间内下降到预定的温度，但在升温操作时间内，导热块与芯片不接触，故芯片中的微流体得以快速升温，以加快整个温控时程。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为公知的利用散热器导热的一种微流体温控装置的示意图。

图2为本发明一较佳实施例的一种微流体温控装置的示意图。

图3为本发明的微流体温控装置的导热块于升温操作时间内的位置示意图。

图4为图3的导热块于降温操作时间内的工作示意图。

图5为应用本发明的微流体温控装置来进行聚合酶链反应(PCR)的温控曲线图。

图6为公知的以散热器导热并以风扇热对流的温控曲线图。

主要元件标记说明

100：PCR芯片

110：散热器

112：散热鳍片

120：风扇

200：芯片

202：反应室

204：微流体

210：计算机

212：固定架

220：加热器

230：温度传感器

240：电源供应器

250：致动器

252：推杆

260：导热块

具体实施方式

图2为本发明一较佳实施例的一种微流体温控装置的简易示意图。请先参照图2，微流体温控装置的芯片200可配合计算机210的自动化控制来架构一套自动化温控系统。计算机210具有自动化过程控制硬件或软件，可依设定的温度条件来启动或关闭加热器220，用以加热芯片200内的微流体至预定的温度，而微流体仅有数十微升，因此加热极为容易。此外，计算机210亦可接收温度传感器230所输出的信号，来回授控制芯片200的温度。另外，微流体温控装置的芯片200还可配合电源供应器240所提供的电压调变信号，来回驱动致动器250，以使导热块260与芯片200产生相对运动。其中，在升温操作时间内，致动器250可移动导热块260或芯片200，使导热块260与芯片200不接触，如图3所示。在降温操作时间内，致动器250可推动导热块260或芯片200，使导热块260与芯片200相接触，如图4所示。

请参照图3，其为本发明的微流体温控装置的导热块于升温操作时间内的位置示意图。导热块260例如是铜、铝等高热导系数的金属，而导热块260在升温操作时间内不接触芯片200，以使密封于芯片200的反应室202内的微流体204能快速加热到反应的温度。在本实施例中，电阻丝加热器或其它加热器(图中未表示)可设置于芯片200上，使反应室202内的微流体204均匀加温至反应温度。其中，芯片200例如夹持于固定架212上，而导热块260例如固定于致动器250的推杆252上，并相距芯片200一段距离。当然，本发明对于芯片200的固定方式、固定架212的形状、致动器250的驱动方式以及导热块260的材质、尺寸并不作任何限制。在另一实施例中，导热块260夹持在固定架212上，而芯片200固定于致动器250上的方式亦可具体实施。

请参照图4，其为图3的导热块于降温操作时间内的工作示意图。由于芯片200其热质小于金属材质的导热块260，因此当导热块260通过致动器250的推动而接触芯片200时，导热块260会吸收大部分的热量，以使芯片200通过热传导的方式快速降温。相对于公知技术采用固定散热器于芯片上的方式会影响芯片的升温速度，本发明采用动态接触芯片200则具有更佳的升温/降温控制，在升温操作时间内，仅需加热芯片200(芯片200与导热块260分离)，故芯片200的升温速度加快，而在降温操作时间内，芯片200与导热块260接触，故芯片200的降温速度同样加快。由于升温/降温速度是影响温控时程的最大因素，因此在反复操作的循环周期中将大幅缩短整个温控时程，提高生化反应的效率。

在生物芯片的用途上，用来精确控制微流体的温度以快速检测特定的病源核酸或疾病基因的聚合酶链反应(PCR)或以高温打破微流体内的细胞以检测细胞内的蛋白质以及DNA等物质，或其它领域中需快速升降温的耐久测试等等，均可采用上述动态接触的温控装置具体实施。其中，致动器250可采用电磁铁致动器或记忆合金致动器来回驱动芯片200或导热块260，以使芯片200与导热块260产生相对运动。此外，致动器250亦可采用液压驱动、气压驱动、超声波驱动或是其它致动器(图中未表示)的操作来控制导热块260前进或后退。举例而言，致动器250可通过开关(图中未表示)来启动前进或后退的信号，当开关呈开启状态时，致动器250推动导热块260接触芯片200，而当开关呈关闭状态时，致动器250反向工作而使导热块260不接触芯片200。开关的种类可包括继电器、晶体管或其它形态的开关。

请参照图5，其为应用本发明的微流体温控装置来进行聚合酶链反应(PCR)的温控曲线图。反应时间设为X轴，而微流体的温度设为Y轴，其中实线代表一个周期内PCR反应的温度以及相对应的时间的设定值，而虚线代表由热电耦温度传感器或其它传感器所测得的芯片的反应室温度。值得注意的是，在升温操作时间(A～B区间)内，芯片内反应室的温度以加热器从59度快速加热至90度左右，而在降温操作时间(B～C区间)内，芯片通过接触导热块而使反应室的温度由90度快速下降至54度左右，每秒约可下降摄氏19度左右。因此，以上述动态接触温控的方式反复进行30个周期的PCR反应，使得特定的片段基因快速复制至检测定量所需的时间可缩短至25分钟左右，大幅缩短整个生化反应的时间。

请同时参照图5及图6，其中图6为公知的以散热器导热并以风扇热对流的温控曲线图，如虚线所示，在降温操作时间(B1～C1区间)内，温度传感器所测得的芯片反应室的温度由94度下降至54度左右，每秒仅约下降摄氏3.25度左右，明显小于本发明的降温速度。

综上所述，本发明的微流体温控装置因采用导热块接触芯片来降温，使微流体能在很短的时间内下降到预定的温度，但在升温操作时间内，导热块与芯片不接触，故芯片中的微流体得以快速升温，以加快整个温控时程。因此，整个生化反应的效率明显提高。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与改进，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (14)

1.一种微流体温控装置，其特征是：将所述微流体温控装置使用于聚合酶链反应中，所述聚合酶链反应具有循环周期，且所述循环周期具有降温操作时间与升温操作时间，所述微流体温控装置包括：

芯片，具有反应室，用以放置微流体；

导热块，对应于该芯片；

固定架，用以固持该芯片或该导热块；以及

致动器，可推动该芯片或该导热块，使该芯片与该导热块产生相对运动，该致动器适于在所述降温操作时间内使该导热块与该芯片相接触、以使所述微流体快速降温而到达第一反应温度，且于所述升温操作时间内使该导热块与该芯片不接触、以使所述微流体快速升温而到达第二反应温度。

2.根据权利要求1所述的微流体温控装置，其特征是还包括开关，当该开关呈开启状态时，该致动器推动该导热块接触该芯片，而当该开关呈关闭状态时，该致动器动作而令该导热块远离该芯片。

3.根据权利要求2所述的微流体温控装置，其特征是该开关为继电器或晶体管开关。

4.根据权利要求1所述的微流体温控装置，其特征是该致动器还包括推杆，连接于该导热块。

5.根据权利要求1所述的微流体温控装置，其特征是该致动器为电磁铁致动器或记忆合金致动器。

6.根据权利要求1所述的微流体温控装置，其特征是该致动器为液压致动器、气压致动器或超声波致动器。

7.根据权利要求1所述的微流体温控装置，其特征是该导热块的材质包括铜或铝。

8.根据权利要求1所述的微流体温控装置，其特征是该芯片还包括加热器，设置于该反应室附近。

9.根据权利要求8所述的微流体温控装置，其特征是该加热器包括电阻丝加热器。

10.根据权利要求1所述的微流体温控装置，其特征是该芯片还包括温度传感器，设置于该反应室附近。

11.根据权利要求10所述的微流体温控装置，其特征是该温度传感器包括热阻式温度传感器。

12.一种微流体的温控方法，其特征是：将所述微流体的温控方法使用于聚合酶链反应中，所述聚合酶链反应具有循环周期，且所述循环周期具有降温操作时间与升温操作时间，所述微流体的温控方法包括：

提供芯片，该芯片具有反应室；

将微流体注入该反应室中；

加热该芯片至反应温度；

令导热块于所述降温操作时间内接触该芯片、以使所述微流体快速降温而到达第一反应温度；以及

令该导热块于所述升温操作时间内不接触该芯片、以使所述微流体快速升温而到达第二反应温度。

13.根据权利要求12所述的微流体的温控方法，其特征是令该导热块接触该芯片的方式包括以致动器推动该导热块或该芯片，使该导热块与该芯片相接触。

14.根据权利要求12所述的微流体的温控方法，其特征是令该导热块不接触该芯片的方式包括以致动器移动该导热块或该芯片，使该导热块与该芯片不接触。

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