CN100518923C

CN100518923C - 自封式高温生化反应装置及其方法

Info

Publication number: CN100518923C
Application number: CNB2006100013755A
Authority: CN
Inventors: 黄建志; 王美雅
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2006-01-19
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2026-01-19
Also published as: CN101003010A

Abstract

本发明提供一种自封式高温生化反应装置及其方法。本发明的自封式高温生化反应装置包含一微流管道，是具有一主流道腔体、一入口次流道及一出口次流道。该主流道腔体的一入口端及一出口端分别连通于该入口次流道及该出口次流道，并且该入口次流道及该出口次流道的内径是小于该主流道腔体内径。本发明方法是通过生化反应过程中控制主流道腔体与该等次流道的温度梯度，使在高温反应时微流体本身成为自封材料，以封住该等次流道开口，以使微流体在高温生化反应时不会大量挥发而影响生化反应。

Description

自封式高温生化反应装置及其方法

技术领域

本发明是有关于一种高温生化反应装置及其方法，特别是有关于一种以反应液体本身做为自封材料(self-sealing material)的高温生化反应装置及其方法。

背景技术

生化反应常需要在高于室温下长时间操作，且由于反应试剂量少，故当反应试剂液体发生挥发、气化或沸腾时，其反应试剂组成会产生剧烈的变化，而影响反应的进行或实验的结果。聚合酵素连锁反应(PCR，ploymerase chain reaction)是凯利.慕利斯(Kary Mullis)于1985年提出的一种温控循环式(Thermalcycle type)DNA复制方法，是利用DNA合成酵素，在体外或试管内进行DNA专一性的连锁复制。PCR是一种可将极微量的基因放大至可供鉴定的基因量的现代技术，其可应用于对遗传疾病、肿瘤癌症的诊断及评估，另外亦可应用于对病毒或细菌感染的诊断。PCR原理为将反应试剂经由三个不同的温度变化阶段，使一段双股DNA复制成两段双股DNA。前述三个不同的温度变化阶段为一个周期，而相同的周期一再重复(30次以上)，使得原来的特定DNA片段以2的指数量连锁复制。PCR反应常需要在高于室温的温度下长时间操作，而微流体芯片的液体量常为数微升(μL)，虽易于加热使反应温度快速达到所需温度，但因反应液体量少，挥发现象成为重要变因，少量的挥发量即易造成PCR反应试剂成份百分比改变，甚至干涸，使其反应失败。在生化反应中，尤其使用体积量较小的反应试剂，必须防止反应试剂挥发、气化或沸腾，以避免反应试剂的成分比例改变。

柏克莱(Berkeley)教授马修斯(Mathies)等人，在2000年的传感器与驱动器期刋(Sensors and Actuators B 63 P138-146，2000)中提出一种针对生化反应芯片所设计的特殊阀门，如图6所示，其阀门设置在反应腔的两个出口，以气压推动o-ring，再以o-ring压住反应腔的开口。因有气压加压至o-ring，因此在PCR过程中反应腔内的压力大于外界的大气压力，而使反应腔内的液体在PCR过程中不与大气接触，但此种设计整体机构复杂，并且不容易控制操作。

韩国D.S.Yoon等人在2002年的微机电期刋(J.Micromech.Microeng.12.2002，P813-823)提出以o-ring加压将微流体芯片开口封住，以防止管道内液体与空气接触。此方法需在芯片上设置额外的夹治具以放置螺丝等类的接合工具，而以接合工具所产生的压力使o-ring与芯片密合接触，以在反应腔开口压制生化反应过程中所产生的压力。此阀门设计虽不需控制阀门的开关，但拆装过程繁复，并且在过程中反应腔内的压力也大于外界大气压力，使得液体取出不易。

另美国专利第6,664,044号提出一种防止挥发的PCR方法(Method for Conducting PCR Protected from Evaporation)，其中反应试剂的体积为以喷墨打印机喷出单一液珠的大小，其密封方法为在液珠大小的反应试剂上布上一层油。此油的挥发温度高于反应试剂，以防止反应试剂与外界空气大量接触。在PCR过程中此方法使得反应试剂的压力与外界大气压力相同，但油水混合的状况下，在后续操作前，仍需先进行人工的油水分离动作，以将试剂取出。

有鉴于上述问题，一种简易且有效的自封式高温生化反应装置与其方法即因应产生。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种自封式高温生化反应装置及其方法，其是在生化反应过程中控制微流管道反应区与周围环境的温度梯度，使反应液体可自行封住微流管道开口，防止反应液体在高温生化反应时挥发，以利于进行生化反应。

本发明的另一目的是提供一种自封式高温生化反应装置及其方法，其是利用反应液体本身封住微流管道开口，而不需采用额外的封口构件，有利于终产物的取出及降低制造成本。

为达上述目的，本发明提供一种自封式高温生化反应装置，其包括一微流管道，是具有一主流道腔体、一入口次流道及一出口次流道，其中该主流道腔体的一入口端及一出口端分别连通于该入口次流道及该出口次流道，并且该入口次流道及该出口次流道的内径是小于该主流道腔体内径。当反应试剂装填于该微流管道进行生化反应过程，控制该主流道腔体的温度高于该等次流道的温度，以使该反应试剂于该入口次流道及该出口次流道自行封口，进而防止该主流道腔体内的反应试剂挥发，而有利于生化反应的进行。

另一方面，本发明提供一种自封式高温生化反应封口方法，其包括：提供一微流体芯片，该微流体芯片具有一主流道腔体、一入口次流道及一出口次流道，该主流道腔体的一入口端及一出口端分别连通于该入口次流道及该出口次流道，其中该入口次流道及该出口次流道的内径小于该主流道腔体内径；将反应试剂流体引入该入口次流道、该主流道腔体及该出口次流道；侦测该主流道腔体温度，据以产生一回授信号；及根据该回授信号，输出一控制信号，以控制该主流道腔体温度达一反应温度，该反应温度是高于该主流道腔体的周围温度，以便使该反应试剂流体于该入口次流道及该出口次流道内自行封口。

本发明的自封式高温生化反应装置构造简单，其使用反应试剂流体本身做为封口材料，不需要额外的封口构件，可降低制造成本。再者，本发明自封式高温生化反应装置及其封口方法操作简单，易于实施，具有经济价值。

附图说明

图1A是本发明自封式高温生化反应装置的第一具体实施例的上视示意图；

图1B是图1A的剖面示意图；

图2A是本发明自封式高温生化反应装置的第二具体实施例的上视示意图；

图2B是图2A的剖面示意图；

图3是本发明微流体芯片的反应腔进行PCR反应的温度记录图；

图4是本发明微流体芯片进行PCR反应的表面温度分布图；

图5是本发明装置的PCR反应结果分析图；及

图6是传统芯片的阀门结构示意图。

主要部分的代表符号：

1----自封式高温生化反应装置

2----微流体芯片

4----加热器

5----温度感应器

10---第一基板

20---第二基板

30---微流道区

31，31’---主流道腔体

32---入口次流道

33---出口次流道

34---主流道腔体入口端 35---主流道腔体出口端

36---入口次流道入口端 37---出口次流道出口端

具体实施方式

本发明的自封式高温生化反应装置是采用特殊的微管道设计与温度梯度的控制，使部分反应液体作为自封口的材料，以便使反应液体在高温生化反应时不会大量挥发而影响生化反应。此外，本发明可使封口问题单纯化，可免除油水分离的复杂处理问题或是胶带粘贴的机械动作，可提高微流体芯片的可操作性与自动化的可能性。更具体而言，本发明是将加热器所造成的温度梯度与微管道的大小适当搭配，使微管道中的反应试剂大部分位于主反应温度区，而少量反应试剂位于低温不挥发区，以做为封口材料。

本发明的自封式高温生化反应装置及其方法将通过由以下具体实施例配合所附图式，予以详细说明如下。

图1A是本发明自封式高温生化反应装置的第一具体实施例的上视示意图及图1B是其剖面示意图。参图1A，在第一具体实施例中，本发明的自封式高温生化反应装置1包括一微流体芯片2、一加热器4及一温度感应器5。该微流体芯片2具有一第一基板10及一第二基板20，该第一基板10上设有一经过设计的微流道区30，该微流道区30具有一主流道腔体31、一入口次流道32及一出口次流道33。该主流道腔体31是设计成单一腔体，而该入口次流道32及该出口次流道33是呈弯曲管状。该入口次流道32及该出口次流道33亦可设计呈直线状。该主流道腔体31的体积是大于该入口次流道32及该出口次流道33的体积，该主流道腔体31的内截面积也大于该入口次流道32及该出口次流道33的内截面积。再者，该入口次流道32及该出口次流道33的体积必需大于该主流道腔体31因热膨胀所增加的体积。该主流道腔体31具有一主流道腔体入口端34及一主流道腔体出口端35，该主流道腔体入口端34及该主流道腔体出口端35分别连接该入口次流道32与该出口次流道33。该第二基板20是设于该第一基板10的上方，以便使该微流道区30成为封闭流道区，并且该第二基板20具有一微流道入口36及一微流道出口37，该微流道入口36及该微流道出口37分别连通该入口次流道32及该出口次流道33。该加热器4为可产生热能的发热装置，例如可为电阻丝发热器、红外线发热器或是致冷器的热端，该加热器4是对应该主流道腔体31设于该第一基板10下方，以控制该主流道腔体31的温度。该温度感应器5是结合于该加热器4，而设于该第一基板10下方，该温度感应器5可使用电阻温度传感器(RTD，Resistance TemperatureDetector)、热电耦型或红外线型，用以感测主流道腔体31的温度，以及回授信号给系统进行回授控制，以便使控制该加热器4使得主流道腔体31的温度为反应所需的温度。

图2A是本发明自封式高温生化反应装置的第二具体实施例的上视示意图及图2B是其剖面示意图，其与第一具体实施例的差异处仅在于将该主流道腔体31’设计成多重弯曲管道状，并且该入口次流道32及该出口次流道33的内径是小于该多重弯曲管道的内径。此外，该主流道腔体31’的体积是大于该入口次流道32及该出口次流道33的体积，该入口次流道32及该出口次流道33的体积也必需大于该主流道腔体31因热膨胀所增加的体积。此外，本发明该加热器4与该主流道腔体31的配置关系可视需要来决定，该加热器4可设于该主流道腔体31的上方或下方，以利于加热该主流道腔体31为考量。

以本发明自封式高温生化反应装置进行PCR反应为例，是将反应试剂流体经由该入口次流道32的入口端36引入该入口次流道32、该主流道腔体31及该出口次流道33。在本发明中，该微流体芯片2的该第一基板10及该第二基板20的材质可为玻璃、硅基材、硅胶材质或高分子聚合物等可供反应试剂反应时使用的材质。

当开始进行PCR反应时，是利用该温度感应器5感测该主流道腔体31的温度，并回授信号至系统(计算机或控制芯片)进行控制运算。在本发明中是透过计算机使用PID(Proportional-Integral-Differential)逻辑运算控制，根据该温度感应器5感测该主流道腔体31的温度，以产生一回授信号给该加热器4，以通过由该加热器4控制该主流道腔体31达到所需要的反应温度，而该主流道腔体31的周围环境温度仍保持接近室温。换句话说，当PID回授控制信号给该加热器4时，该加热器4可提供热能给该主流道腔体31，以使该主流道腔体31达到需要的实验温度。反的亦然，当超过需要的实验温度，PID亦回授控制信号给该加热器4，以停止加热。此外，此实验的温度需求为一个温度梯度分布的状况，其中该微流体芯片2只有在主流道腔体31达到PCR反应需要的高温，但该入口次流道31与该出口次流道32的温度较低接近室温，如图4所显示的该微流体芯片2的表面温度图，可明显看出本发明装置可达到高度精准的温度控制。再者，图3是使用本发明的该微流体芯片2进行PCR反应时，该主流道腔体31的温度记录图。该温度记录图显示该PCR反应所需的操作温度条件为94℃维持15秒、56℃维持30秒、72℃维持30秒，而在此温度条件下，反复操作30次。

当反应试剂流体于该主流道腔体31内进行PCR反应时，该主流道腔体31是达到PCR反应温度，而该入口次流道32与该出口次流道33的温度是接近室温，并且该入口次流道32及该出口次流道33的微流道内径较小，而使得该入口次流道32及该出口次流道33内的反应试剂流体成为自封材料，可封住该入口次流道32及该出口次流道33的开口端，进而防止该主流道腔体31内的反应试剂流体挥发，而有利于进行PCR反应。

请参阅图5，是显示本发明自封式高温生化反应装置应用于PCR反应时，DNA放大后由Agilent 2100分析后所得到的数据，其显示使用本发明自封式高温生化反应装置可顺利完成PCR反应。再者，使用本发明装置进行PCR反应其反应时间少于1小时，是较传统芯片的反应时间缩短，并且合成量为传统芯片合成量的1.5倍。

本发明装置进行生化反应时，该主流道腔体31的压力与大气压力相等，且在该入口次流道32及该出口次流道33内的反应试剂与该主流道腔体31内的反应试剂在生化反应过程几乎不进行交换或流动，因此该主流道腔体31内的试剂成分组成并不会大量变化，进而影响生化反应的结果。故本发明提出一种简单的装置及操作方法以解决在高温生化反应时反应试剂挥发的问题。本发明装置不需其它夹治具以闭锁反应腔，也不需额外的液体防止反应试剂与空气接触。本发明装置具有较低的制造成本，适于大量生产。

以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述的申请专利范围内。

Claims

1.一种自封式高温生化反应装置，其特征在于包括：

一微流管道，具有一主流道腔体、一入口次流道及一出口次流道，其中该主流道腔体的一入口端及一出口端分别连通于该入口次流道及该出口次流道，并且该入口次流道及该出口次流道的内径小于该主流道腔体内径，当反应试剂装填于该微流管道进行生化反应过程，该反应试剂于该入口次流道及该出口次流道自行封口。

2.如权利要求1所述的自封式高温生化反应装置，其特征在于，所述该主流道腔体为一单一腔体或一多重弯曲管道。

3.如权利要求1所述的自封式高温生化反应装置，其特征在于，包含一加热器，其设于该主流道腔体上方或下方，以控制该主流道腔体的温度。

4.如权利要求3所述的自封式高温生化反应装置，其特征在于，包含一温度感应器，其结合于该加热器，以感测该主流道腔体的温度。

5.如权利要求1所述的自封式高温生化反应装置，其特征在于，所述该入口次流道及该出口次流道呈直线或弯曲管道状。

6.如权利要求2所述的自封式高温生化反应装置，其特征在于，所述该入口次流道及该出口次流道呈直线或弯曲管道状。

7.一种自封式高温生化反应装置，其特征在于，包括：

一第一基板，该第一基板的一第一表面形成一微流管道区，该微流管道区具有一主流道腔体、一入口次流道及一出口次流道，其中该主流道腔体的一入口端及一出口端分别连通于该入口次流道及该出口次流道，并且该入口次流道及该出口次流道的内径小于该主流道腔体内径；

一加热器，对应该主流道腔体而设于该第一基板的一第二表面上方；及

一第二基板，设于该第一基板的该第一表面上方，以便该微流管道区成为封闭流道区，并且该第二基板具有一入口及一出口分别连通该入口次流道及该出口次流道；

其中当反应试剂装填于该微流管道区进行生化反应过程，该反应试剂会于该入口次流道及该出口次流道自行封口

8.如权利要求7所述的自封式高温生化反应装置，其特征在于，包含一温度感应器，其结合于该加热器，以感测该主流道腔体的温度。

9.如权利要求7所述的自封式高温生化反应装置，其特征在于，所述该主流道腔体为一单一腔体或一多重弯曲管道。

10.如权利要求7所述的自封式高温生化反应装置，其特征在于，所述该入口次流道及该出口次流道呈直线或弯曲管道状。

11.如权利要求9所述的自封式高温生化反应装置，其特征在于，所述该入口次流道及该出口次流道呈直线或弯曲管道状。

12.一种自封式高温生化反应封口方法，其特征在于，包括：

提供一微流体芯片，该微流体芯片具有一主流道腔体、一入口次流道及一出口次流道，该主流道腔体的一入口端及一出口端分别连通于该入口次流道及该出口次流道，其中该入口次流道及该出口次流道的内径小于该主流道腔体内径；

将反应试剂流体引入该入口次流道、该主流道腔体及该出口次流道；

侦测该主流道腔体温度，据以产生一回授信号；及

根据该回授信号，输出一控制信号，以控制该主流道腔体温度达一反应温度，以便使该反应试剂流体于该入口次流道及该出口次流道内自行封口。

13.如权利要求12所述的自封式高温生化反应封口方法，其特征在于，所述该主流道腔体为一单一腔体或一多重弯曲管道。

14.如权利要求12所述的自封式高温生化反应封口方法，其特征在于，所述该入口次流道及该出口次流道呈直线或弯曲管道状。

15.如权利要求13所述的自封式高温生化反应封口方法，其特征在于，所述该入口次流道及该出口次流道呈直线或弯曲管道状。