CN103421688B - 聚合酶连锁反应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种聚合酶连锁反应装置，用以执行逆转录反应(RT)与热对流聚合酶连锁反应(cPCR)，包括一上温控单元、一中间温控单元与一下温控单元。中间温控单元用以对容置在一反应容器中的一反应混合物进行温控，使得反应混合物具有进行一逆转录反应所需的一温度。中间温控单元配置在上温控单元与下温控单元之间。上温控单元与下温控单元是用以同时对容置在反应容器中的反应混合物进行温控，以使反应混合物具有进行一热对流聚合酶连锁反应所需的一温度梯度与对流情况。

Description

聚合酶连锁反应装置
技术领域
本发明涉及一种聚合酶连锁反应(PCR)装置。
背景技术
聚合酶连锁反应(POLYMERASE CHAIN REACTION;PCR)是一种分子生物学技术，用于扩增特定的DNA片段。聚合酶连锁反应一般需要对反应混合物，在2个或3个温度之间，进行重复的热循环步骤。
逆转录聚合酶连锁反应(REVERSE TRANSCRIPTASE-POLYMERASECHAIN REACTION;RT-PCR)是将RNA链逆转录成为互补DNA(此即为逆转录反应)，再以此作为模板进行聚合酶连锁反应来复制扩增DNA(此即为聚合酶连锁反应)。通过此种反应，生化检验以及检体取样的速度与精确度大幅增加。聚合酶连锁反应中的其中一种是热对流聚合酶连锁反应(convectively-driven polymerase chain reaction;cPCR)，其是对反应混合物产生热对流式热循环，而使得反应混合物反应扩增。
然而，一般逆转录热对流聚合酶连锁反应(RT-cPCR)需要在不同、分开的装置中分别进行。这不仅会降低反应效率。而且可能会因为多次开关装置造成污染问题，产生伪阳性(false positive)结果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚合酶连锁反应(PCR)装置。可以在该PCR装置对一样品执行逆转录反应与热对流聚合酶连锁反应。
根据本发明，提供一种PCR装置，用于执行逆转录反应(RT)与热对流聚合酶连锁反应(cPCR)，包括一上温控单元、一中间温控单元与一下温控单元。中间温控单元用以对容置在一反应容器中的一反应混合物进行温控，使得反应混合物具有进行一逆转录反应所需的一温度。中间温控单元配置在上温控单元与下温控单元之间。上温控单元与下温控单元是用以同时对容置在反应容器中的反应混合物进行温控，以使反应混合物具有进行一热对流聚合酶连锁反应所需的一温度梯度与对流情况。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：
附图说明
图1绘示根据一实施例的聚合酶连锁反应(PCR)装置；
图2绘示根据再一实施例的PCR装置；
图3为根据又一实施例的利用本案PCR装置执行逆转录反应(RT)与热对流聚合酶连锁反应(cPCR)的胶体电泳分析结果。
符号说明
100～聚合酶连锁反应装置；
102～上温控单元；
104～中间温控单元；
106～下温控单元；
108～间隙；
110～反应容器；
112～凹槽；
114～反应混合物；
116～上表面；
118～支撑板；
120～侧壁；
122～螺母；
124～螺旋杆；
126～侧壁；
128～光学视窗；
130～发光源；
132～光学感测器；
A1、A2、A3～面积。
具体实施方式
请参照图1，本案的一实施例揭示一聚合酶连锁反应(PCR)装置100，用于执行逆转录反应(reverse transcriptase reaction;RT)与热对流聚合酶连锁反应(convectively-driven polymerase chain reaction;cPCR)。PCR装置100包含一上温控单元102、一中间温控单元104与一下温控单元106。中间温控单元104介于上温控单元102与下温控单元106之间。
上温控单元102、中间温控单元104与下温控单元106可根据实际需求，分别独立地设计成具有加热功能及/或散热功能。在一实施例中，上温控单元102、中间温控单元104与下温控单元106可使用热传导性佳的材料，如铝、铝合金、铜、红铜等。举例来说，加热功能可以(例如利用电热能、磁热能等产生的)热传导；(例如利用空气、流体热能等产生的)热传导、热对流；或(例如利用红外线热能、碳素管热能、激光热能等产生的)热辐射方式；或上述方法的组合使上温控单元102、中间温控单元104与下温控单元106蓄热。散热功能可使用散热鳍片、风扇、致冷芯片、热管、平板热管等任意组合达成。上温控单元102、中间温控单元104与下温控单元106可具有薄膜形态、块状形态、或其他形态。举例来说，上温控单元102、中间温控单元104与下温控单元106可包括薄膜电阻加热器，或设置在金属或合金块体的帕耳帖元件(Peltier element)。上温控单元102、中间温控单元104与下温控单元106是独立地利用任意的温度感测器例如热电耦(thermal couple)等来感测温度。
上温控单元102、中间温控单元104与下温控单元106是以间隙108彼此隔开。上温控单元102、中间温控单元104与下温控单元106是彼此热绝缘，其中热绝缘的效果可通过调变间隙108的尺寸及/或填充间隙108的材质等因子达成。间隙108可以真空、气体或绝缘固体填充。气体可包括空气等。绝缘固体可任意配置在上温控单元102、中间温控单元104与下温控单元106之间相互面对的表面上，材质可包括低热传导性的例如电木、塑胶、铁氟龙(teflon)、聚氨酯(polyurethane)、或其他合适的材料，例如应用于印刷电路板的材料等。
在一实施例中，上温控单元102、中间温控单元104与下温控单元106是设计成具有能够容纳反应容器110例如试管等的凹槽112。凹槽112可具有任意的形状。凹槽112可具有任何高宽比，例如小于或等于10。凹槽112可设计成横向剖面具有与反应容器110相似的形状与尺寸，以使上温控单元102、中间温控单元104与下温控单元106能够贴近反应容器110，而能与反应容器110之间有效率地传递热能，减少能量损耗。反应容器110的材质可包括塑胶、石英玻璃、陶瓷与金属等。
在实施例中，上温控单元102、中间温控单元104与下温控单元106对凹槽112的温控面积比例是适当地设计，以便对在反应容器110中的反应混合物114有效率地执行聚合酶连锁反应。举例来说，上温控单元102对凹槽112下部分的温控面积A1：中间温控单元104对凹槽112中间部分的温控面积A2：下温控单元106对凹槽112下部分的温控面积A3为3～5:10～13:3～5。当凹槽112具有固定不变的横剖面面积时，温控面积A1、A2、A3的比例也等同于高度的比例。容置在反应容器110中的反应混合物114的体积可为5μl～150μl，例如75μl。本发明并不限于上述尺寸，而可视实际情况设计成其他合适的尺寸。反应混合物114含有进行逆转录反应与热对流聚合酶连锁反应所需的一般试剂、化合物等。
请参照图1，在欲进行逆转录反应时，中间温控单元104可移动至贴近反应容器110及凹槽112，以对容置在反应容器110中的反应混合物114进行温控，使反应容器110中的反应混合物114能具有逆转录反应所需的一温度，且该温度可以达到均一(isothermal)，而得以进行逆转录反应。在一实施例中，逆转录反应可仅通过设定中间温控单元104达成，因此中间温控单元104是视为逆转录反应单元，而上温控单元102与下温控单元106是停止运作，换句话说，上温控单元102及下温控单元106不会执行加热及散热功能。举例来说，用作发热源的中间温控单元104其温度是固定设定在逆转录反应所需的40℃～60℃其中之一，例如45℃。
请参照图1，中间温控单元104在逆转录反应完毕之后，开始执行热对流聚合酶连锁反应之际或之前，可以用作调控散热(或致冷)单元，也可以移动远离自反应容器110/凹槽112。
请参照图1，在一实施例中，上温控单元102与下温控单元106是用以同时对容置在反应容器110中的反应混合物114进行温控，以使反应混合物114具有进行热对流聚合酶连锁反应所需的一温度梯度与对流情况。在一实施例中，下温控单元106是设定在高温(例如95℃～98℃，例如95℃)且用作发热源单元，上温控单元102是设定在相对于下温控单元106的低温(例如45℃至75℃，例如60℃、65℃)且用作散热(或致冷)单元，使得反应混合物114能具有由下至上升高的温度梯度，而得以进行热对流聚合酶连锁反应。举例来说，当上温控单元102与下温控单元106是分别设定在固定的温度值时，反应混合物114能得到恒定的温度梯度与对流情况。在一实施例中，上温控单元102是用以监控对应于上温控单元102的反应混合物114的上表面116的温度，因此可视为界面温度控制单元。
在另一实施例中，举例来说，上温控单元102、下温控单元106与中间温控单元104是也可同时设定在逆转录反应所需的温度，以执行逆转录反应；在逆转录反应进行完毕后，上温控单元102与下温控单元106是直接(亦即没有进行降温)从逆转录反应的温度改变设定成热对流聚合酶连锁反应的温度，以进行热对流聚合酶连锁反应，因此整体反应的时间短、效率高。
本发明PCR装置100实现在单一个装置设备中进行逆转录反应与热对流聚合酶连锁反应两者。操作方式简单。此外，能够避免在不同装置间移动反应混合物114可能发生的污染问题、或试剂破坏的问题，提高检测的准确性。逆转录反应与热对流聚合酶连锁反应可以非常短的间隔时间接续反应，因此可以缩减整个反应的总花费时间，提升检测速率。聚合酶连锁反应装置100设计简单，可设计成具有小的体积，甚至是可携带式的定点照护(point-of-care)装置，并且成本低。
请参照图2，其绘示根据一实施例的PCR装置100。其中是旋转支撑板118的侧壁120侧的螺母122，来改变螺旋杆124在支撑板118的侧壁126侧的长度，由此控制固定在螺旋杆124一端上的上温控单元102、中间温控单元104的位置。在此实施例中，即可通过此机构设计来使中间温控单元进行移动。
本案的PCR装置100也可以进一步整合real-time PCR所用的即时侦测单元及元件，以使本PCR装置100具有RT-PCR、cPCR、real-time PCR三合一的设计。
请参照图2，以举例说明本案的PCR装置100也可以进一步整合real-timePCR所用的即时侦测单元及元件的一作法，但整合方式不作此例限制。下温控单元106可设计成具有透明的光学视窗128，例如穿孔或透镜等，来达成即时侦测(real-time monitoring)。举例来说，光学视窗128使得下方的发光源130例如发光二极管所射出的光线，能穿过反应容器110中含有荧光染剂(例如Sybr Green)的反应混合物114，并射入光学感测器132包括例如CCD、CMOS相机/影像感测器，通过侦测到的光强度等信号来即时判断聚合酶连锁反应的程度。可以采用移动方式，依序撷取影像；也可采用固定方式，定点撷取影像。发光源130与下温控单元106之间可设置一滤光片。光学感测器132与上温控单元102之间可设置一滤光片。
在其他实施例中，侦测装置可依其他适当方式设计。举例来说，发光源(未显示)是设置在上温控单元102的上方侧，光学感测器(未显示)是设置在下温控单元106的下方侧。在其他设计中，上温控单元102与中间温控单元104也可设计成具有透明的光学视窗(未显示)。
聚合酶连锁反应装置100可根据实际需求(例如执行其他模式的反应)，适当地调变操作方法与设计。举例来说，可设计成多反应容器110例如多试管的阵列式架构，以提高检测的整体速率。上温控单元102、中间温控单元104与下温控单元106可分别独立地设计成可移动式的温控单元。可利用滑块、电磁铁、及/或其他合适的机械设计例如弹簧来移动上温控单元102、中间温控单元104与下温控单元106。聚合酶连锁反应装置100并不限于应用至对流式聚合酶连锁反应，也可应用于恒温环型扩增(isothermalamplification)反应，或其他形态的反应。
请参照图3，以本案PCR装置，对人类β-actin mRNA进行逆转录反应(RT)与热对流聚合酶连锁反应(cPCR)，其所得的胶体电泳图，可验证本装置诉求（可于单一系统/装置执行RT及cPCR反应）。
于一实施例中，其中PCR装置100包含一上温控单元102、一中间温控单元104与一下温控单元106，可以实施成多管(例如阵列式)的架构。
综上所述，虽然已结合以上较佳实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种聚合酶连锁反应(PCR)装置，用以执行逆转录反应(RT)与热对流聚合酶连锁反应(ccPCR)，包括：
中间温控单元，用以对容置在一反应容器中的一反应混合物进行温控，使得该反应混合物具有进行一逆转录反应所需的一温度；
上温控单元；
下温控单元，其中该中间温控单元配置在该上温控单元与该下温控单元之间，该上温控单元与该下温控单元是用以同时对容置在该反应容器中的该反应混合物进行温控，以使该反应混合物具有进行一热对流聚合酶连锁反应所需的一温度梯度与对流情况，当中间温控单元作用时，其该上温控单元与该下温控单元是停止运作或是与该中间温控单元设定为相同温度；以及
凹槽，用以容置在该反应容器，其中该上温控单元对该凹槽的温控面积：该中间温控单元对该凹槽的温控面积：该下温控单元对该凹槽的温控面积为3～5:10～13:3～5。
2.如权利要求1所述的PCR装置，其中该上温控单元、该中间温控单元与该下温控单元是以一间隙彼此隔开。
3.如权利要求2所述的PCR装置，其中该间隙是以一材质填充。
4.如权利要求3所述的PCR装置，其中填充该间隙的该材质包括真空、气体、电木、塑胶。
5.如权利要求3所述的PCR装置，其中填充该间隙的该材质包括铁氟龙或聚氨酯。
6.如权利要求1所述的PCR装置，其中该上温控单元、该中间温控单元与该下温控单元是配置在单一个腔室中。
7.如权利要求1所述的PCR装置，其中该中间温控单元是可移动式的温控单元。
8.如权利要求1所述的PCR装置，其中该下温控单元为发热源单元，而该上温控单元为散热单元，以使在进行该热对流聚合酶连锁反应时，该反应混合物是具有由下至上升高的该温度梯度。
9.如权利要求1所述的PCR装置，其中该中间温控单元停止逆转录用后，该下温控单元接续进行加热升温作用，而上温控单元也启动散热作用，以维持一定温度梯度而稳定其热对流以进行该热对流聚合酶连锁反应。
10.如权利要求1所述的PCR装置，进一步包含一即时侦测单元，该即时侦测单元至少包括一发光源与一光学感测器，其中该发光源与该光学感测器的配置是依据该发光源所射出的光线能在穿过反应容器中的反应混合物之后射入该光学感测器。
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