CN102021114B - 聚合酵素连锁反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种聚合酵素连锁反应器。聚合酵素连锁反应器包括一承载件、一加热装置、一第一致冷装置以及一温度控制装置。其中，承载件用以承载至少一反应溶液；加热装置用于提高所述反应溶液的温度，加热装置包括一壳体、至少一碳纳米管结构以及一电极对，碳纳米管结构及电极对容置于壳体中，电极对与碳纳米管结构电性连接；第一致冷装置用于降低所述反应溶液的温度；温度控制装置与加热装置以及第一致冷装置电性连接，控制加热装置以及第一致冷装置的作动。

Description

聚合酵素连锁反应器

技术领域

本发明涉及一种聚合酵素连锁反应器。

背景技术

聚合酵素连锁反应（polymerase chain reaction,PCR）为一项广泛应用于生物科技（例如基因研究）以及医学检测领域中的技术的一。其是利用一温度循环反应来扩增放大一生物样品中的标的核酸片段，例如脱氧核醣核酸（deoxyribonucleic acid,DNA）片段。

一般来说，PCR是藉由一聚合酵素连锁反应器连续执行加热以及降温循环来执行核酸片段的放大，除了作为模板（template）的标的核酸片段外，此反应通常还需要一对引子（primer）、聚合酵素（polymerase）及脱氧核苷酸三磷酸（deoxyribonucleotide triphosphate,dNTP）等作为反应的原料。PCR反应主要包含三个步骤：变性（denaturation）、黏合（annealing）以及延伸（extension）；详细来说，聚合酵素连锁反应器加热达到一第一温度使核酸片段变性解开双股结构为单股，之后降温至一第二温度使引子黏合于核酸片段上，再加热达到一第三温度提供聚合酵素反应，在聚合酵素的作用下，以dNTP作为复制核酸片段的原料，而合成一与标的核酸片段互补的新序列，此三步骤作为一温度循环，重复反应多次后，即可将标的核酸片段放大到可以侦测的量。

承上所述，由于PCR反应需要反复地对生物样品进行升温以及降温步骤，因此温度转换的效率高低，决定了反应时间的快慢，此外，反应温度的准确性亦决定了PCR反应的成功与否。

习知聚合酵素连锁反应器中的加热装置通常采用电阻加热、Peltier加热或是辐射加热等方式，然而，所述加热方式由于元件的热容较大，因此升温降温的速率较慢，导致反应的时间过长；此外，反应的能量多消耗在让生物样品降温的过程，致使能量转换的利用率低。

有鉴于此，如何提供一种有效率地变化反应温度的聚合酵素连锁反应器，实为现今的重要课题的一。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种有效率地变化反应温度的聚合酵素连锁反应器。

一种聚合酵素连锁反应器，其包括一承载件、一加热装置、一第一致冷装置以及一温度控制装置。其中，承载件用以承载至少一反应溶液；加热装置连结于承载件，加热装置包括至少一碳纳米管结构以及一电极对，电极对与碳纳米管结构电性连接；第一致冷装置连结于承载件；温度控制装置与加热装置以及第一致冷装置电性连接，控制加热装置以及第一致冷装置的作动。

与现有技术相比较，聚合酵素连锁反应器的加热装置是利用碳纳米管结构执行反应溶液的升温，由于碳纳米管结构每单位面积具有较小的热容（小于1.7×10-6焦耳每平方米开尔文），在电极对通电下，碳纳米管结构能够在较短的时间内达到预设的反应温度，而当电极对不通电下，碳纳米管结构亦利用小热容的特性达到快速降温，由此聚合酵素连锁反应器可有效率地变化反应温度，提高能量转换的利用率。

附图说明

图1是本技术方案较佳实施例的一种聚合酵素连锁反应器的示意图。

图2是本技术方案较佳实施例的加热装置容置于一壳体的立体示意图。

图3是本技术方案较佳实施例的一种加热装置的示意图。

图4是本技术方案较佳实施例的碳纳米管膜的扫描式电显照片。

图5是本技术方案较佳实施例的一种碳纳米管膜的制备示意图。

图6是本技术方案较佳实施例的辗压制得的碳纳米管膜的扫描式电显照片。

图7是本技术方案较佳实施例的絮化处理制得的碳纳米管膜的扫描式电显照片。

图8是本技术方案较佳实施例的另一种加热装置的示意图。

图9与图10是本技术方案较佳实施例的碳纳米管线的示意图。

图11是本技术方案较佳实施例的碳纳米管线的扫描式电显照片。

图12是本技术方案较佳实施例的另一种聚合酵素连锁反应器的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明实施例的聚合酵素连锁反应器。

请参照图1所示，本发明提供一种聚合酵素连锁反应器1，其包括一承载件11、一加热装置12、一第一致冷装置13以及一温度控制装置14。在本实施例中，所述第一致冷装置13、加热装置12与承载件11依序迭置，且所述温度控制装置14电性连接于所述加热装置12与所述第一致冷装置13。然而，所述承载件11、加热装置12与第一致冷装置13的配置关并不仅限于此，所述加热装置12与所述第一致冷装置13只要可藉由热传导加热所述承载件11或是致使所述承载件11冷却的配置皆可应用于本实施例所述聚合酵素连锁反应器1。

所述承载件11承载至少一反应溶液2，详细来说，所述承载件11的表面凹设至少一容置空间，所述反应溶液2装载于一反应试管3中，将所述反应试管3容置于所述容置空间中，所述反应溶液2则可藉由接触传导将能量（例如热能）由所述承载件11导入或是藉由所述承载件11散逸，因此所述反应试管的材质选择是具有良好的热导性。所述反应溶液2包含有一标的核酸片段（nucleic acid fragment），所述标的核酸片段包含有预被复制放大的基因序列；一引子对，其可黏合于所述标的核酸片段且界定出所述标的核酸片段预被放大的区域，所述引子对具有与所述标的核酸片段互补的基因序列；一聚合酵素（polymerase）用以催化复制反应而产出新的复制产物；脱氧核苷酸三磷酸（dNTP）作为标的核酸片段复制的原料来源；以及反应离子，提供活化以及稳定聚合酵素的活性以及复制反应所需。

在本实施例中，所述承载件11可为一承载盘，用以承载复数个反应溶液2，于此，所述承载件11具有复数个容置空间供所述多个反应溶液2设置。所述承载盘11亦具有良好的热传导性，用以提供一反应环境可准确地传导反应温度给所述复数个反应溶液。

所述加热装置12热连结于所述承载件11，当在PCR反应中预对所述等反应溶液2加热时，所述加热装置12用以加热所述承载件11至一预设温度。请参考图2与图3所示，所述加热装置12包括一壳体22、至少一碳纳米管结构121以及一电极对122，所述碳纳米管结构121以及所述电极对122容置于所述壳体22中，所述电极对122与所述碳纳米管结构121电性连接，当对所述电极对122导通输入一电流时，所述碳纳米管结构121即可藉由电热方式将介质（例如空气）加热并传导至所述承载体11达到所述预设温度，由于空气的比热非常小，因此藉由此电热方式，可在非常短的时间内将其加热到预定的反应温度，且由于气体的对流换热是一种高效的传热方式，所述碳纳米管结构121所产生的大量热量可有效率地传递给所述复数个反应溶液2。

在本实施例中，所述加热装置12包括复数个碳纳米管结构，所述复数个碳纳米管结构121相互平行设置于所述壳体中，且依据气流方向，所述复数个碳纳米管结构121平行于气流风向设置，在本实施例中，所述气流方向意指空气由所述第一致冷装置13进入吹向所述承载件11的方向，因此，所述复数个碳纳米管结构121实质上平行于所述气流方向设置。然而，所述等碳纳米管结构121的设置数量并不限制，可依据实际状况设置不同数量的碳纳米管结构121来达到预定的加热效果。

在本实施例中，所述电极对122设置于所述碳纳米管结构121上且相互间隔设置，以避免所述加热装置在作动时发生短路现象。所述电极对122的材料可为金属、合金、铟锡氧化物、锑锡氧化物、导电银胶、导电聚合物或导电性碳纳米管。其中，金属为钯、铯、铝、铜、钨、钼、金、钛、钕或其任意组合的合金。

所述碳纳米管结构121包含复数个均匀分布的碳纳米管（carbonnanotube），所述等碳纳米管可形成一碳纳米管膜（如图4所示）或一碳纳米管线（如图11所示），而由至少一碳纳米管膜或是复数个碳纳米管线组成所述碳纳米管结构121。

其中，请参考图4与图5所示，所述碳纳米管膜121a可由拉伸一碳纳米管阵列制得，于此，所述碳纳米管膜121a包括复数个碳纳米管，且所述等碳纳米管的端部沿一方向相互连接；具体地，所述等碳纳米管首尾相连且沿拉伸方向延伸，相接的所述复数个碳纳米管之间是通过凡得瓦尔力（vander Waals force）连接形成。

在本实施例中，所述碳纳米管阵列采用气相沉积法在4英寸的基底上生长获得，因此拉伸而获得的所述碳纳米管膜121a的长度与宽度与所述碳纳米管阵列所生长的基底的尺寸有关。在本实施例中，由拉伸所获得的所述碳纳米管膜121a的宽度可约为0.1公厘~10公分，且厚度可约为10奈米~100微米。

当所述碳纳米管结构121包括单层的碳纳米管膜121a时，所述碳纳米管膜121a可设置于一基板124上，由所述基板124支撑（如图3所示），所述基板124的材质可依据实际需求选择硬性绝缘材料（例如：陶瓷、玻璃、石英等）或是柔性材料（例如：柔性纤维），举例来说，所述基板124可为一陶瓷板状基板。在本实施例中，所述电极对122间隔设置且所述碳纳米管膜121a沿所述电极对122的一电极向另一电极铺设，即所述碳纳米管膜121a中首尾相连的所述等碳纳米管的轴向由一电极向另一电极方向延伸，由此方式的设置可获取较大的电流通过，而提高加热效率。

再者，所述加热装置12更可包括一反射层(图未示)，设置于所述壳体22的内壁面，用来反射所述碳纳米管膜121a所产生的热量，使所述碳纳米管结构121所产生的热量集中且减少散逸，进一步提高加热的效率。所述反射层的材料可为一白色绝缘材料，如：金属氧化物、金属盐或陶瓷等，本实施例中，所述反射层为三氧化二铝（Al3O2），其可通过溅射或其它方法形成于所述壳体22的内壁面。

当所述碳纳米管结构121包括多层的碳纳米管膜121a时，所述等碳纳米管膜121a交互迭置，而形成自支撑结构。在本实施例中，所述等碳纳米管膜121a可以一角度相互迭置，即各相邻的碳纳米管膜121a的间呈一交叉角度α，且0度≤α≤90度。在本实施例中，所述碳纳米管结构121包括两层碳纳米管膜121a，且相互交叉迭置组成，然而，所述碳纳米管膜121a的层数以及迭置的交叉角度不以此为限。

此外，请参考图6所示，所述碳纳米管膜121a亦可由辗压一碳纳米管阵列制得，于此，所述碳纳米管膜121a中的所述等碳纳米管经由辗压而与膜的一表面呈一夹角β，且0度≤β≤15度。在本实施例中，所述等碳纳米管被辗压后与所述碳纳米管膜121a的一表面呈平行。依据辗压方向的不同，所述碳纳米管膜121a中的所述等碳纳米管具有不同的排列形式；当沿不同方向碾压时，所述等碳纳米管沿不同方向择优取向排列，而当沿同一方向碾压时，所述等碳纳米管大致沿一方向排列。又，辗压制得的所述碳纳米管膜121a厚度与碳纳米管阵列的高度以及碾压的压力有关，在本实施例中，所述碳纳米管膜121a的厚度范围可为1微米~1公厘。

又，所述碳纳米管膜121a可藉由一碳纳米管阵列作为原料并经过絮化处理后制得（如图7所示），于此，所述碳纳米管膜121a的所述等碳纳米管相互缠绕，并亦通过凡得瓦尔力相互吸引缠绕而形成一网络状结构，即所述碳纳米管膜121a中的所述等碳纳米管缠绕排列形成复数个微孔结构，各微孔的孔径小于50微米，且所述絮化处理的碳纳米管膜121a的厚度范围为1微米~2公厘。

承上所述，由于上述不同方法制备的所述碳纳米管膜121a的热响应速度与其的厚度有关，即在相同面积的情况下，所述碳纳米管结构121的厚度越大，热响应速度越慢；反之，所述碳纳米管结构121的厚度越小，热响应速度越快。在本实施例中，所述碳纳米管结构121的厚度范围为100纳米~5毫米，而为达到较佳的加热效果，最佳地，所述复数各碳纳米管膜121a所组成的所述碳纳米管结构121的厚度约为0.2微米。

又，由辗压以及絮化处理所制得的所述碳纳米管膜121a，其的所述等碳纳米管呈部份彼此交迭或是缠绕，且通过凡得瓦尔力相互吸引连结，因此使得所述碳纳米管膜121a具有良好的柔韧性，可以弯曲折迭成任意形状而不破裂，亦即使形成的所述碳纳米管结构121不限于特定形状，而可适用于曲面结构，从而增加了所述碳纳米管结构121的应用性。

请参照图8至图11所示，在本实施例中，所述碳纳米管结构121’亦可由复数个碳纳米管线121b所构成，各所述碳纳米管线121b由复数个碳纳米管组成一束状结构（如图9所示）或是一绞线结构（如图10所示），所述束状结构所述复数个碳纳米管沿所述碳纳米管线121b的轴向上相互平行连结，其通过有机溶剂处理由所述碳纳米管阵列拉取所产生的所述碳纳米管膜121a（如图5所示），或者通过直接拉取较窄宽度的所述碳纳米管阵列来获得；而所述绞线结构所述复数个碳纳米管沿所述碳纳米管线121b的轴向上螺旋缠绕，其通过对所述束状结构的碳纳米管线121b施加一机械外力扭转而获得，或者通过对由所述碳纳米管阵列拉取所产生的所述碳纳米管膜121a施加一机械外力扭转而获得。其中，所述碳纳米管线121b的直径范围为20微米~2毫米，在本实施例中，所述碳纳米管线121b为绞线结构，且直径约为50微米。

所述等碳纳米管线121b相互平行排列设置而形成所述碳纳米管结构121’，在本实施例中，相邻两个平行的碳纳米管线121b的间的距离为0微米~30微米，优选地，各碳纳米管线121b可以约20微米的间距间隔设置。另外，所述复数个碳纳米管线121b亦可交叉排列设置或编织成网状结构形成所述碳纳米管结构，然而，所述复数个碳纳米管线121b的交叉角度不限。于此，所述复数个碳纳米管线121b沿所述电极对122其中的一电极往另一电极延设，以确保流经所述复数个碳纳米管线121b的电流最大。

所述第一致冷装置13可为一气冷装置，其包括一风扇，当所述聚合酵素连锁反应器1需执行降低反应温度时，所述加热装置12停止作动，此时，所述第一致冷装置13藉由所述风扇运转输送外部空气经过所述加热装置12后吹向所述承载件11，以将所述反应溶液2的温度降低至所需温度。另外，如图1所示，本实施例的所述聚合酵素连锁反应器1更可包括一第一整流件15设置于所述承载件11与所述加热装置12之间，用以导流所述风扇吹向所述承载件11的空气，以达到快速降温的功用。于此，由于所述加热装置12中所述复数个碳纳米管结构121、121’实质上平行所述气流方向设置，因此所述复数个碳纳米管结构121、121’可避免被所述第一致冷装置13作动时所带动的气流破坏。

请参阅图12所示，所述聚合酵素连锁反应器1更可包括一第二致冷装置16，其设置于所述加热装置12与所述承载件11的间，在本实施例中，所述第二致冷装置16举例来说可以为一半导体致冷装置或是一压缩机致冷装置。在所述反应器1致冷的过程中，当所述第一致冷装置13致冷的速度仍无法达到需求时，所述第二致冷装置16可在此情况下启动，以更进一步协助降温达到预定的反应温度。于此，所述聚合酵素连锁反应器1更可包括一第二整流件17设置于所述第二致冷装置16与所述承载件11之间，用以导正气流使气流趋于稳定，而增加气流的均匀性。

此外，为保持所述聚合酵素连锁反应器1反应环境的洁净度，在所述聚合酵素连锁反应器1的入风处，即所述第一致冷装置13的入风口处可设置一过滤装置18以过滤进入的空气；又，所述聚合酵素连锁反应器1可包括一盖体19，设置于所述承载件11之上，且覆盖所述承载件11上的所述反应溶液2，以避免外部环境的灰尘或是病菌进入所述反应器1内部阻碍反应的进行。

综上所述，依据本发明的聚合酵素连锁反应器，其的加热装置利用碳纳米管结构执行反应溶液的升温，由于碳纳米管结构每单位面积具有较小的热容（小于1.7×10^-6焦耳每平方米开尔文），在电极对通电下，碳纳米管结构能够在较短的时间内达到预设的反应温度，而当电极对不通电下，碳纳米管结构亦利用小热容的特性达到快速降温，由此聚合酵素连锁反应器可有效率地变化反应温度，提高能量转换的利用率。此外，碳纳米管结构为一平面结构可提高反应溶液加热温度的均匀性，增加反应的成功率。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围的内。

Claims (15)

1.一种聚合酵素连锁反应器，包括：

一承载件，其承载至少一反应溶液；

一加热装置，其通过电热方式将空气介质加热并传导至该承载件以提高所述反应溶液的温度，所述加热装置包括一壳体、至少一碳纳米管结构以及一电极对，其中所述碳纳米管结构及所述电极对容置于所述壳体中，所述电极对与所述碳纳米管结构电性连接；

一第一致冷装置，其用于降低所述反应溶液的温度；以及

一温度控制装置，其与所述加热装置及所述第一致冷装置电性连接，控制所述加热装置以及所述第一致冷装置之作动。

2.如权利要求1所述的聚合酵素连锁反应器，其特征在于，所述第一致冷装置、所述加热装置与所述承载件依序迭置。

3.如权利要求2所述的聚合酵素连锁反应器，其特征在于，更包括一第一整流件，其设置于所述承载件与所述加热装置之间。

4.如权利要求2所述的聚合酵素连锁反应器，其特征在于，更包括一第二致冷装置，其设置于所述加热装置与所述承载件之间。

5.如权利要求4所述的聚合酵素连锁反应器，其特征在于，更包括一第二整流件设置于所述第二致冷装置与所述承载件之间。

6.如权利要求1所述的聚合酵素连锁反应器，其特征在于，所述加热装置包括复数个碳纳米管结构，所述复数个碳纳米管结构相互平行设置。

7.如权利要求6所述的聚合酵素连锁反应器，其特征在于，所述第一致冷装置产生一气流，所述复数个碳纳米管结构实质上平行所述气流设置。

8.如权利要求1所述的聚合酵素连锁反应器，其特征在于，所述碳纳米管结构包括至少一碳纳米管膜或复数个碳纳米管线。

9.如权利要求8所述的聚合酵素连锁反应器，其特征在于，所述碳纳米管膜包括复数个碳纳米管，所述复数个碳纳米管之端部沿一方向相互连接。

10.如权利要求8所述的聚合酵素连锁反应器，其特征在于，所述碳纳米管膜包括复数个碳纳米管，所述复数个碳纳米管与所述碳纳米管膜之一表面形成一夹角，其中所述夹角大于等于0度且小于等于15度。

11.如权利要求8所述的聚合酵素连锁反应器，其特征在于，所述碳纳米管膜包括复数个相互缠绕的碳纳米管。

12.如权利要求8所述的聚合酵素连锁反应器，其特征在于，所述碳纳米管结构包括相互平行设置的复数个碳纳米管线。

13.如权利要求8所述的聚合酵素连锁反应器，其特征在于，所述碳纳米管线包括复数个碳纳米管，所述复数个碳纳米管沿所述碳纳米管线之轴向相互平行连结形成一束状结构。

14.如权利要求8所述的聚合酵素连锁反应器，其特征在于，所述碳纳米管线包括复数个碳纳米管，所述复数个碳纳米管沿所述碳纳米管线之轴向螺旋缠绕形成一绞线结构。

15.如权利要求1所述的聚合酵素连锁反应器，其特征在于，所述碳纳米管结构之厚度范围为100纳米至5毫米。

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