CN106795555A - 聚合酶连锁反应的仪器与方法 - Google Patents
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Abstract
在一聚合酶连锁反应中扩增一反应混和物中的目标核酸序列的方法或仪器。该方法包括将反应混合物和可吸收电磁波频率的粒子接触，该粒子可由一种材料所形成，该种材料可为一种过渡金属，或一种过渡金属氧化物或一种过渡金属氢氧化物，或一种有掺杂过渡金属或过渡金属氧化物的第三族金属的氮化物、磷化物或砷化物，或一种有掺杂过渡金属、过渡金属氧化物或过渡金属氢氧化物的二氧化硅；以频率约为200kHz至500THz的电磁波照射可吸收电磁波的粒子以扩增目标核酸序列。其特征在于，该第三族金属可为铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)，且该过渡金属可为锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)。
Description
交叉参考
本申请要求2014年09月02日提交的美国临时申请No.62/044413的权益，其内容通过引用并入本文。
技术领域
本揭露与聚合酶连锁反应(polymerase chain reaction,PCR)扩增核酸序列的方法有关。更明确地，本揭露与利用电磁波并结合具有过渡金属材料的电磁波(electromagnetic radiation,EMR)频率吸收粒子做为聚合酶连锁反应扩增核酸序列的产热源有关。
背景技术
聚合酶连锁反应是一种能由单一或多个目标DNA模版(template)合成多套单个或多个DNA片段的技术。传统的聚合酶连锁反应过程是基于由Thermus aquaticus菌(Taq)所萃取出对热稳定的DNA聚合酶发展而来，该酵素能够在具有四种DNA碱基─腺嘌呤(adenine)、胸腺嘧啶(thymine)、胞嘧啶(cytosine)、鸟嘌呤(guanine)，和一对DNA引子(primer)的一混合物中，针对一指定的DNA单股(given strand)合成一互补股(complimentary strand)。该混合物被加热以将DNA双螺旋结构分离为包含目标DNA序列的单股，随后令该混合物冷却，使该引子与位于分离单股上的互补序列杂交，Taq聚合酶并延长引子成为新的互补股。如此重复的加热和冷却循环能指数放大该目标DNA，每一新形成的双股螺旋结构可成为两个新的模版分子以供后续合成。
典型的聚合酶连锁反应温度设定包括：(1)在95℃持续15～30秒，使DNA变性(denaturation)；(2)与引子在适当的黏合(annealing)温度杂交(hybridization)，持续30秒～60秒；(3)在72℃延展(elongation)或延长(extension)已杂交的引子一段时间，这段时间的长短是依待扩增DNA分子的长度来决定，一般来说大约是30秒～60秒。该变性和杂交的步骤几乎是在一瞬间发生，然而，在传统聚合酶连锁反应仪器中若使用金属加温组件或水作为温度平衡的用，其温度变化的速率大概是1℃/秒。由于在聚合酶连锁反应中尚须加热和冷却DNA分子的外的物质，因此仅靠上述的传统温度循环设计是不足的。
附图说明
本说明将可由以下的叙述配合附图被更佳地理解，其中：
图1揭示符合本揭露的一种示意性小型聚合酶连锁反应装置的结构，及其与一使用者装置的互动关系。
图2揭示符合本揭露的一种示意性小型聚合酶连锁反应装置与图1所显示的使用者装置间的接口。
图3A显示符合本揭露的四氧化三铁(Fe3O4)奈米粒子于太拉赫兹(terahertz)波长的电磁波吸收频率谱段。
图3B显示符合本揭露的四氧化三铁(Fe3O4)奈米粒子于1.3MHz的电磁波吸收频率谱段。
图4A为本揭露的实施例1.1中，粒子随时间进程的温度变化。
图4B显示符合本揭露的实施例1.1中，粒子在聚合酶连锁反应循环中温度上升的速率。
图4C显示符合本揭露的实施例1.1中，粒子在聚合酶连锁反应循环中温度下降的速率。
图5A显示符合本揭露的各种奈米粒子随时间进程的温度变化，该奈米粒子在反应溶液中的浓度为1,250百万分率(parts per million；ppm)。
图5B显示符合本揭露的各种奈米粒子随时间进程的温度变化，该奈米粒子在反应溶液中的浓度为2,500百万分率(ppm)。
图6显示符合本揭露的聚合酶连锁反应实验结果。
主要元件符号说明
具体实施方式
以下结合图例所提供的详细描述旨在作为对实施例的描述，并不代表为该实施例仅有的构造或利用形式。该描述阐述了该实施例的功能，和该实施例构造与操作的步骤顺序。然而，相同或等同的功能和操作顺序可以通过不同的实施例实现。
聚合酶连锁反应的实验程序主要与加热至指定温度有关，该加热过程不但冗长且耗能。在本揭露中，藉由使用电磁波和能吸收电磁波且具有过渡金属材料的粒子作为产热源，就可提升聚合酶连锁反应中的反应混合物的温度，该增温速率约为13℃/秒～15℃/秒，进而使聚合酶连锁反应以更快且更具能源效率的方式在一种微型装置中执行。另外，迅速由一温度转变到另一温度也可确保样本(目标DNA序列)仅在中介温度中有极短停留时间，使该聚合酶连锁反应扩增的DNA分子有最佳的纯度和真实性。
本揭露主要涉及一种以聚合酶连锁反应扩增一种反应混合物中的一核酸序列的方法。该方法包含将该反应混合物和粒子接触，该粒子包含一种材料，该种材料包含一种过渡金属(transition metal)、一种第三族金属(Group III metal)的氮化物(arsenide)掺杂过渡金属(doped with transition metal)、一种第三族金属的磷化物(phosphide)掺杂过渡金属或一种第三族金属的砷化物(arsenide)掺杂过渡金属、或二氧化硅(silicondioxide)掺杂过渡金属。该方法可进一步包含以电磁波照射该种粒子，且该电磁波频率为约200kHz(kilohertz)～500THz(terahertz)，如此该目标核酸序列可被此方法扩增。该种第三族金属可为铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)的任一种。该种过渡金属可为锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)的任一种。该种反应混合物在聚合酶连锁反应中的温度上升速率约为13℃/秒～15℃/秒，而温度下降速率约为6℃/秒～7℃/秒。
本揭露更进一步地涉及一种以聚合酶连锁反应扩增一种反应混合物中的一核酸序列的方法。该方法包含将该种反应混合物和粒子接触，该种粒子包含一种材料，该种材料包含一种过渡金属氧化物(transition metal oxide)、一种过渡金属氢氧化物(transition metal hydroxide)、一种第三族金属化合物掺杂过渡金属(Group III metalcompound doped with the transition metal)、一种二氧化硅掺杂过渡金属氧化物(silicon dioxide doped with the transition metal oxide)、或者一种二氧化硅掺杂过渡金属氢氧化物(silicon dioxide doped with the transition metal hydroxide)。该种方法可更进一步包含以电磁波照射该种粒子，且该电磁波频率为约200kHz～500THz，该目标核酸序列可被此机制扩增。该种过渡金属、该种过渡金属氧化物或该种过渡金属氢氧化物的一部或全部可由锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)组成。该种反应混合物在该种聚合酶连锁反应中的温度上升速率约为13℃/秒～15℃/秒，而温度下降速率约为6℃/秒～7℃/秒。根据本揭露的一个或多个实施例，该种过渡金属氧化物或该种过渡金属氢氧化物可为下列任一种或多种化合物：氧化亚铁(FeO)、氧化铁(Fe2O3)、四氧化三铁(Fe3O4)、氧(氢氧)化铁(FeO(OH))、氢氧化亚铁(Fe(OH)2)、氢氧化铁(Fe(OH)3)、一氧化锰(MnO)、四氧化三锰(Mn3O4)、三氧化二锰(Mn2O3)、氧(氢氧)化锰(MnO(OH))、二氧化锰(MnO2)、一氧化钴(CoO)、氧(氢氧)化钴(CoO(OH))、四氧化三钴(Co3O4)或一氧化铜(CuO)。根据本揭露的一个或多个实施例，该种粒子可为下列任一种或多种化合物：氧化亚铁(FeO)、氧化铁(Fe2O3)或四氧化三铁(Fe3O4)。
根据本揭露的一个或多个实施例，该种第三族金属的氮化物、磷化物或砷化物掺杂的过渡金属或金属离子包括但不限于氮化镓(GaN；gallium nitride))掺杂锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)；氮化铝(AlN；aluminium nitride))掺杂锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)，或上述金属的离子；磷化铟(InP；indium phosphide)掺杂铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)，或上述金属的离子；砷化镓(GaAs；gallium arsenide)掺杂铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)，或上述金属的离子；以及砷化铟(InAs；indium arsenide)掺杂铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)，或上述金属的离子。
照射该种粒子的步骤包含：增加该种反应混合物的温度至一第一温度范围以使DNA变性，典型地来说约为80℃～105℃，持续约0.5分钟～1分钟；增加该种反应混合物的温度至一第二温度范围以使引子黏合，典型地来说约为35℃～65℃，持续约0.5分钟～1分钟使一对引子可与该已变性的目标核酸序列杂交；且增加该种反应混合物温度至一第三温度范围以活化聚合酶活性，典型地来说约为40℃～80℃，持续约0.5分钟～5分钟，持续时间依需扩增的目标序列长度而定，由此目标核酸可由该延展合成方式被扩增。
在一些实施例中，该种粒子会在该反应混合物中和该目标核酸直接混合，且在该种反应混合物中的每一粒子具有一流体动力学直径(hydrodynamic diameter)为约100～800奈米(nm；1nm为10-9m)。
在其他实施例中，该种反应混合物被容置于由该种粒子所构成的容器中，该种粒子包含一种过渡金属材料。例如，在一个或多个实施例中，该种粒子所形成的一或多个薄膜(films)、涂层(coatings)或如上述该种粒子的层状物(layers)可被置于该种容器的一表面上。该一或多个薄膜、涂层或层状物可由一层或多层上述的该粒子所构成。
该一或多个薄膜、涂层或层状物可被单独制造且覆盖于该种容器上。例如，具该种粒子的薄膜可在一基质或载体中形成，且可以使用任一热层压技术(hot lamination)、冷层压技术(cold lamination)或溶剂层压技术(solvent lamination)覆盖于该种容器的一表面上。具有通常技艺者将可了解任何将一或多个薄膜、涂层或层状物与该种容器表面产生强附着性的方法是必要的，以避免该种容器表面的该一或多个薄膜、涂层或层状物脱落或剥落。
该一或多个薄膜、涂层或层状物可直接形成于该种容器上。该一或多个薄膜、涂层或层状物可以以下任一种方法直接形成于该种容器上：化学气相沈积(CVD)、物理气相沈积(physical vapor deposition)、喷雾涂层、涂刷、浸泡涂层(dip coating)、或其他任何适合的方法。具有通常技艺者将可了解任何将该一或多个薄膜、涂层或层状物与该种容器表面产生强附着性的方法是必要的，以避免该种容器表面的该一或多个薄膜、涂层或层状物脱落或剥落。
从而，本揭露也提供了一种装置，可在该种反应混合物中扩增目标核酸序列。该种装置包括一种管状物或容器放置处，或一种反应容器，以上组件被设定为可使该种反应混合物与本揭露中的该种粒子直接或间接接触；一种电磁波产生组件被设定为可发出频率为200kHz～600THz的辐射，该种辐射被导引至该种样本放置处或该种反应容器以照射到该种粒子；以及一种微处理器与该种样本放置处或该种反应容器耦合，一种风扇，和该种电磁波产生组件协同可使该种反应混合物的温度升高或降低，其升温的速率为13℃/秒～15℃/秒，其降温的速率为6℃/秒～7℃/秒。
如前所述，该产生的电磁波频率可在200kHz～600THz的间。此外，该电磁波频率也可在100THz～600THz的间，或200THz至500THz的间，或300THz至400THz的间。
如前所述，该种装置包含一种反应容器以容置该种反应混合物；且一种温度传感器和该种反应容器耦合，以侦测该种反应混合物的温度。该种装置可进一步包含一种电磁波产生组件。该种装置可更进一步的包含一种温度控制回路以控制该种温度传感器。另外，该种装置可包含一种控制回路，该种控制回路被设定为可调整该种电磁波产生组件所产生的电磁波频率及电磁波振幅大小。在至少一个实施例中，该种装置也可包含一种微处理器耦合至该种温度控制回路与该种加热控制回路。该种微处理器可被设定为增加该种反应混合物的温度至一第一温度范围大约为80～105℃并持续约0.5分钟～1分钟以使该目标核酸序列变性。该种微处理器可进一步地被设定为增加该种反应混合物的温度至一第二温度范围大约为35～65℃并持续约0.5分钟～1分钟，以使一对DNA引子和该变性的目标核酸序列杂交。该种微处理器可被设定为增加该种反应混合物的温度至一第三温度范围大约为40～80℃并持续约0.5分钟～1分钟，该第三温度的该持续时间由该目标核酸序列的长度而定，该第三温度可以延展合成反应，扩增该目标核酸序列。
该种装置可进一步的包含一无线通信回路，例如蓝芽 或WIFITM回路以利用该种装置传送和接收信息，与该种使用者输入设备进行无线通信。
根据本揭露的至少一实施例，该装置尺寸至少为约300cm3～500cm3。
本揭露的其中一面向，即为提供一种在一种反应混合物中以聚合酶连锁反应扩增一种目标核酸序列的方法。该种方法包括将该种反应混合物和可吸收电磁波频率的粒子接触，该种粒子由一种材料所形成，该种材料可为一种过渡金属或一种第三族金属氮化物、磷化物或砷化物掺杂过渡金属或过渡金属离子，该种材质也可为二氧化硅掺杂过渡金属。该种方法可进一步地包含以该电磁波照射该可吸收电磁波频率的粒子，该电磁波频率具有一大约为200kHz～500THz的频率以扩增该种目标核酸序列。该种第三族金属可为铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)的任一种。该种过渡金属金属可为锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)的任一种，且该种过渡金属离子可为锰(Mn)离子、铁(Fe)离子、钴(Co)离子或铜(Cu)离子的任一种。该种反应混合物在该聚合酶连锁反应的温度升高速率约为13℃/秒～15℃/秒，温度下降速率大约为6℃/秒～7℃/秒。
本揭露的另一面向，即为提供一种在一种反应混合物中以聚合酶连锁反应扩增一种目标核酸序列的方法。该种方法包括将该种反应混合物和可吸收电磁波频率的粒子接触，该种粒子由一种材料所形成，该种材料可为一种过渡金属氧化物或一种过渡金属氢氧化物、一种二氧化硅掺杂过渡金属氧化物或一种二氧化硅掺杂过渡金属氢氧化物；且以该电磁波照射该可吸收电磁波频率的粒子，该电磁波频率具有一大约为200kHz～500THz的频率以扩增该种目标核酸序列。该种过渡金属氧化物或该种过渡金属氢氧化物可包含锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)的任一种。该种反应混合物在该聚合酶连锁反应的温度升高速率约为13℃/秒～15℃/秒，温度下降速率大约为6℃/秒～7℃/秒。
一般来说，任何可以吸收电磁波并且释放热能(例如由光或电磁波频率)至周边环境的粒子都可以在本揭露中的方法作为产热源。
该种粒子可为一种过渡金属氧化物或一种过渡金属氢氧化物可包括，但不限于：氧化亚铁(FeO)、氧化铁(Fe2O3)、四氧化三铁(Fe3O4)、氧(氢氧)化铁(FeO(OH))、氢氧化亚铁(Fe(OH)2)、氢氧化铁(Fe(OH)3)、一氧化锰(MnO)、四氧化三锰(Mn3O4)、三氧化二锰(Mn2O3)、氧(氢氧)化锰(MnO(OH))、二氧化锰(MnO2)、一氧化钴(CoO)、氧(氢氧)化钴(CoO(OH))、四氧化三钴(Co3O4)或一氧化铜(CuO)。在至少一种实施例中，该种粒子包含氧化亚铁(FeO)、氧化铁(Fe2O3)或四氧化三铁(Fe3O4)。
该种粒子可为一种第三族金属氮化物、一种第三族金属磷化物、一种第三族金属砷化物掺杂过渡金属或过渡金属离子，该种粒子可包括，但不限于：氮化镓(GaN)掺杂锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)或以上过渡金属的离子，或氮化铝(AlN)掺杂锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)或以上过渡金属的离子；磷化铝(AlP)掺杂铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)；磷化铟(InP)掺杂铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)或以上过渡金属的离子，或砷化镓(GaAs)掺杂铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)或以上过渡金属的离子；以及砷化铟(InAs)掺杂铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)或以上过渡金属的离子。
每一种粒子可具备类似或独特的能量转换性质。根据本揭露的实施例，该种可吸收电磁波的粒子为铁氧化物(iron oxide)粒子，该种铁氧化物粒子可选自氧化亚铁(FeO)、氧化铁(Fe2O3)或四氧化三铁(Fe3O4)。在至少一实施例中，本揭露的该种铁氧化物粒子针对300THz～400THz的电磁波频率，特别是371THz的电磁波频率，展现出强烈的吸收性质。在另一实施例中，该种铁氧化物粒子针对200kHz～2MHz(megahertz)的电磁波频率，特别是1.3MHz的电磁波频率，展现出强烈的吸收性质。由于本揭露中该种铁氧化物粒子的高热能转换效率，该种粒子被该电磁波照射后的温度可以以13℃/秒～15℃/秒的速率上升。另外，该种铁氧化物粒子在该电磁波产生组件被关掉时其温度可以以6℃/秒～7℃/秒的速率快速降温。
本揭露的该种铁氧化物粒子的直径可以为约10奈米(nm)～1,200奈米(nm)；也可为约50奈米(nm)～1,000奈米(nm)；也可为80奈米(nm)～800奈米(nm)。在一实施例中，该种铁氧化物粒子的两种制备成品可分别有不同的大小。
其中一种该种铁氧化物粒子的制备方式可造成尺寸相对小的粒子，每一粒子的直径约为60奈米(nm)～150奈米(nm)，其直径可为60奈米(nm)、70奈米(nm)、80奈米(nm)、90奈米(nm)、100奈米(nm)、110奈米(nm)、120奈米(nm)、130奈米(nm)、140奈米(nm)或150奈米(nm)；此外，该种粒子直径也可为约80奈米(nm)～120奈米(nm)，其直径可为80奈米(nm)、90奈米(nm)、100奈米(nm)、110奈米(nm)或120奈米(nm)；此外，该种粒子直径也可为约100奈米(nm)。若该种粒子直径在60奈米(nm)～150奈米(nm)的间，则该种粒子有较佳的粒子分散性，该种较佳的粒子分散性可导致该种粒子在溶液、薄膜、或层状物中具有可吸收电磁波所需的磁性。
另一种该种铁氧化物粒子的制备方式则会造成尺寸相对大的粒子，每一粒子的直径约为200奈米(nm)～1,200奈米(nm)，其直径可为200奈米(nm)、300奈米(nm)、400奈米(nm)、500奈米(nm)、600奈米(nm)、700奈米(nm)、800奈米(nm)、900奈米(nm)、1,000奈米(nm)、1,100奈米(nm)或1,200奈米(nm)；另外，该种粒子直径也可为约400奈米(nm)～1,000奈米(nm)，其直径可为400奈米(nm)、500奈米(nm)、600奈米(nm)、700奈米(nm)、800奈米(nm)、900奈米(nm)或1,000奈米(nm)；此外，该种粒子直径也可为约800奈米(nm)。若该种粒子直径在200奈米(nm)～1,200奈米(nm)的间，则该种粒子和直径范围60奈米(nm)～150奈米(nm)的粒子相比，于溶剂中有较佳的磁性和较差的分散性。
根据本揭露的实施例，本揭露的该铁氧化物粒子无论其大小皆展现出良好的能量转换性，尺寸大的铁氧化物粒子可以展现较佳的能量转换性以使一聚合酶连锁反应的反应混合物的温度在15秒内达到约100℃。一种使用该种铁氧化物粒子在一聚合酶连锁反应中作为热源的方式，为直接加入足量的该种铁氧化物粒子至该聚合酶连锁反应的反应混合物中，随后如往常般执行聚合酶连锁反应。
另外，本揭露的该种铁氧化物粒子也可形成前述的容器以用来直接或间接地容置该种聚合酶连锁反应的反应混合物。此处的「直接」意即将该种反应混合物装载到由具有本揭露的该种铁氧化物粒子的材料所形成的容器中。此处的「间接」意即将该种反应混合物先行装载至另一容器中(例如一离心管)，再置于具有本揭露的该种铁氧化物粒子的材料所形成的容器中。在至少一实施例中，本揭露的该种铁氧化物粒子可形成一种微流体生物芯片反应室，其中该种反应混合物可被直接装载或附着于该种反应室中。在另一实施例中，本揭露的该种铁氧化物粒子可形成一种薄膜，该种薄膜上有许多的反应点，每一该反应点上具有一种聚合酶连锁反应的反应混合物，每一该聚合酶连锁反应可同时在该薄膜上执行。
图1为本揭露中可执行上述聚合酶连锁反应的一实施装置100的示意图。在该实施例中，该装置100被一使用者输入设备102(例如：一种可携式电话、桌面计算机、平板计算机，或其他类似装置)中的一应用程序所无线控制。该装置100的尺寸大约可小于或等于9cm(长)x 8cm(宽)x 5cm(高)。
图2显示图1中一小型聚合酶连锁反应装置与该使用者装置的间的一示意接口。为启动一聚合酶连锁反应实验程序，该将被扩增的目标DNA、所需反应物(例如：Taq聚合酶、四种可被扩增的核酸碱基、以及缓冲溶液)以及本揭露的该种粒子装载到一反应管或容器中(例如一离心管)，其再被放置进一反应管或一容器固定座124中，该容器固定座124再放置进一反应容器126中。另外，该目标DNA和所需的反应物也可以直接装载进该反应容器126中，该反应容器126是由具有本揭露的该铁氧化物粒子的材料所形成。
一聚合酶连锁反应使用者可以在一应用程序中输入所有聚合酶连锁反应必要的参数(例如反应温度及持续时间)以启动实验程序，该应用程序可被安装在一手持装置中，例如图1所示的该使用者输入设备102可为一可携式电话。该使用者输入的信息随后由该使用者输入设备102送至一无线通信回路118。一微处理器114自该无线通信回路118接收到必要参数时，随即调整一温度控制回路112和一加热控制回路116以指示一电磁波产生组件132产生适合的电磁波频率执行该参数，且指示一温度传感器122以启动该聚合酶连锁反应。具体地来说，自该电磁波产生组件132所发出的该电磁波频率指向该容器固定座124所容置的该反应管或容器，或该反应容器126，由此升高该聚合酶连锁反应的温度至一指定温度。该电磁波频率应符合位于该容器固定座124或该反应容器126中该反应混合物中该种粒子的能量转换特性。例如，若在该聚合酶连锁反应中使用本揭露的该铁氧化物粒子，则可以采用大约为371THz的电磁波频率。
该反应混合物是否达到其指定温度是由该温度传感器122所量测并决定，该温度传感器122是透过该微处理器114被该温度控制回路112控制。在该聚合酶连锁反应到达该指定温度且已维持一段指定时间后，该微处理器114会控制加热控制回路116以指示该电磁波产生组件132停止产生该电磁波频率；而该温度传感器122会启动一风扇128以避免该反应混合物过热，或启动一冷却循环。换句话说，在该加热循环中，依据该聚合酶连锁反应程序所需的加热速率，该微处理器114协调该加热控制回路116和温度控制回路112，以分别指示该电磁波产生组件132是否产生电磁波，和该风扇128是否需启动。相似地，在该冷却循环中，该微处理器114协调该加热控制回路116和温度控制回路112，以分别指示该电磁波产生组件132是否停止产生电磁波，和该风扇128是否需启动。由于该频率的电磁波和本揭露的该粒子的组合可以作为热源，该聚合酶连锁反应的反应混合物的温度可以以13℃/秒～15℃/秒的速率上升，或以6℃/秒～7℃/秒的速率下降，以具备能源效率和时效的方式完成加热循环和冷却循环。
至少一实施例中，长度为279bps(base pairs)的目标DNA的一个扩增循环可在60秒内被完成，此循环若在传统的聚合酶连锁反应装置中一般来说需要至少180秒。
本质上来说，藉由使用一电磁波频率及一可吸收电磁波频率的粒子，本方法和/或装置可显着的减少传统聚合酶连锁反应时间达67％，使DNA片段的扩增在更具时效和能源效率的情况下被完成，且不会影响到所扩增DNA分子的纯度和真实度。进一步地，本装置尺寸小，体积不超过500cm3，且可被遥控启动。因此，本装置减少了聚合酶连锁反应使用者需实际操作装置以启动反应的需求。
奈米粒子的激发机制并不受限于任何特定理论，且目前被认为可由以下叙述所支持。以奈米粒子中的铁氧化物奈米粒子为例，该种铁氧化物奈米粒子可作为一具有预先设定频率的辐射源的照射目标。该辐射源具备足够能量，以激发一铁原子的内层轨域(orbital or shell)上的电子至更高能的未填满轨域。如此及造成一金属离子的内层轨域缺乏一电子。上述的电子组态不稳定，该位于更高能轨域的电子会落入半满轨域中。该电子落入半满轨域的状态将会散发出能量，该能量可能会以热能形式出现。
可供选择地，奈米粒子的激发机制并不受限于任何特定理论，且目前被认为可由以下叙述所支持。以奈米粒子中的铁氧化物奈米粒子为例，该种铁氧化物奈米粒子可作为一具有预先设定频率的幅射源的照射目标。该幅射可被该奈米粒子的原子所吸收，且不会将该原子离子化。相反地，该被吸收的幅射会激发该奈米粒子中分子键结震动增加，并产生热且释放至该种奈米粒子周边。
以下实施例将针对本揭露有更具体的叙述，该实施例的目的在于展示而不在于限制本揭露的内容。
实施例
方法与材料
聚合酶连锁反应的反应混合物。该反应混合物包括以下：5picomoles(pmol；1pmol＝10-12mole)的引子(SEQ ID NO:1,5’-gcgaaagtcctggttgagctgag-3’、SEQ ID NO:2,5’-aacccaaggcccatgcataca-3’)，1μg(1μg＝10-9kg)DNA模版、DNA聚合酶、聚合酶缓冲溶液、胎牛血清(BSA)、核苷酸、以及去离子水。反应容积总共为20μL(1μL＝10-6L)。
聚合酶连锁反应实验程序。该聚合酶连锁反应是根据以下温度设定：(1)变性：95℃，15秒～30秒；(2)与引子杂交：56℃，15秒～30秒；(3)延展或延伸杂交的引子：72℃，15秒～30秒。
实施例1粒子的制备与定性
1.1氧化铁(Fe3O4)粒子的制备
简要而言，将氯化铁(FeCl2)50mM共10毫升(mL)、均苯三酸(trimesic acid)25mM共4.5毫升(mL)、柠檬酸(citrate)共0.15g、氢氧化钠(NaOH)18mg、二亚胺(N2H2)共100μL和明胶(gelatin)混合并放置在155℃下反应12小时。由以上反应所制备出的四氧化三铁(Fe3O4)奈米粒子由穿透式电子显微镜(Transmission Electron Microscopy；TEM)和扫描式电子显微镜(Scanning Electron Microscopy；SEM)判断其大小及形状。由以上反应制备出相对较小和较大的四氧化三铁(Fe3O4)奈米粒子的平均直径，分别约为103±43奈米(nm)和大约828±559奈米(nm)。
由以上反应制备出的四氧化三铁(Fe3O4)粒子被发现可吸收两个不同频率范围的电磁波，其中的一位于THz范围(图3A，其最大吸收值位于371THz)，另一位于MHz(megahertz)范围(图3B，1.3MHz)。该四氧化三铁(Fe3O4)粒子接着被371THz的电磁波频率所照射，并用于常用的聚合酶连锁反应的加热及冷却循环，该加热及冷却循环温度变化的时间显示于图4A，其中实施例1.1中粒子的加热和冷却速率显示于图4B和图4C中。实施例1.1中的粒子的一平均加热速率为13.93±0.65℃/秒(图4B)，以及一平均冷却速率为6.39±0.50℃/秒(图4C)。
使用同样实验参数，重复执行实验后，实施例1.1中的粒子展现出一加热速率最大值14.7℃/秒、一加热速率最小值13.0℃/秒、一加热速率的中位数值为13.9℃/秒、一加热速率的第一个四分位数值为13.3℃/秒，以及一加热速率的第三个四分位数值为14.5℃/秒(见图4B)。
使用同样实验参数，重复执行实验后，实施例1.1中的粒子展现出一冷却速率最大值7.24℃/秒、一冷却速率最小值5.084℃/秒、一冷却速率的中位数值为6.17℃/秒、一冷却速率的第一个四分位数值为5.95℃/秒，以及一冷却速率的地三个四分位数值为6.80℃/秒(见图4C)。
1.2金奈米粒子的制备
金奈米棒(Au nanorods)的制备与定性方法和实施例1.1中所述的方法类似。金奈米棒的合成方法类似于由B.Nikkobakht和M.A.El-Sayed于2003年所提出的方法(B.Nikoobakht and M.A.El-Sayed,Chem.Mater.2003,15,1957-1962.)。简要而言，一体积共为12μL的种子溶液(seed solution)，该溶液由0.2M、5毫升(mL)的十六烷基三甲基溴化铵(hexadecyltrimethylammoniumbromide；CTAB)和0.0005M、5毫升(mL)的四氯金酸(HAuCl4)配置而成，该种子溶液加入一体积共为10毫升(mL)的生长溶液(growthsolution)，该生长溶液包含0.2M、5毫升(mL)的CTAB和0.004M、5毫升(mL)的硝酸银(AgNO3)。该反应保持在室温状态。该生成金奈米棒的尺寸由穿透式电子显微镜(TEM)所判断。每一制备出的金奈米棒的长度约为45奈米(nm)，宽度约为10奈米(nm)。
1.3实施例1.1的粒子、实施例1.2粒子及奈米碳管(carbon nanotubes；CNTs)的光热性质(photo-thermal)的鉴定
在此实施例中，实施例1.1的奈米粒子的光热性质将与其他粒子进行比较，包括实施例1.2的金奈米棒和奈米碳管(CNTs；由Golden Innovation Business Co.,Ltd.Taiwan提供)。将不同浓度的粒子(1,250百万分率(ppm)或2,500百万分率(ppm))以250、500或1,000毫瓦(mW；milliwatts)的发光二极管(LEDs)发出的电磁波照射，同时记录随时间进程的温度变化，实验结果显示于图5A和图5B。
当被一电磁波频率产生组件产生的电磁波照射时(250毫瓦(mW)，371THz)，四氧化三铁(Fe3O4)粒子、金奈米棒和奈米碳管的温度被发现为略高于室温(大约为29℃)(见图5A)。而当该电磁波频率产生组件产生的电磁波提升至500毫瓦(mW)时，小尺寸四氧化三铁(Fe3O4)粒子(直径约为50奈米(nm)至200奈米(nm))和金奈米棒的温度上升至大约60℃，奈米碳管的温度上升至大约65℃，而大尺寸四氧化三铁(Fe3O4)粒子(直径约为250奈米(nm)至1,400奈米(nm))的温度上升至大约79℃。而当功率提升至1,000毫瓦(mW)时，小尺寸四氧化三铁(Fe3O4)粒子和金奈米棒的温度上升至大约85℃，奈米碳管的温度上升至大约110℃，大尺寸四氧化三铁(Fe3O4)粒子的温度上升至120℃。整体而言，每一种粒子的温度和该电磁波频率产生组件产生的电磁波功率的提升成正比；且在三种粒子中，四氧化三铁(Fe3O4)粒子，特别是该大尺寸四氧化三铁(Fe3O4)粒子具有最佳的能量转换性质。
类似的实验结果也可于各粒子的浓度为2,500百万分率(ppm)时被观测到(见图5B)。
实施例2使用实施例1.1的四氧化三铁(Fe3O4)粒子执行的聚合酶连锁反应
2.1包含实施例1.1的四氧化三铁(Fe3O4)粒子的聚合酶连锁反应的反应混合物
在本实施例中，浓度为1,000百万分率(ppm)的实施例1.1的四氧化三铁(Fe3O4)粒子在一反应管中直接和聚合酶连锁反应的反应混合物混合，该反应管随后被设定为执行聚合酶连锁反应循环：(1)以功率为700毫瓦(mW)的一雷射二极管所发出的371THz电磁波照射该反应管，直到该反应管温度到达95℃，接着转为功率500毫瓦(mW)照射15秒～30秒；(2)启动风扇系统以降低该反应管温度直到该反应管温度达56℃，接着转由250毫瓦(mW)功率照射维持15秒～30秒；(3)以371THz电磁波再次照射该管直到该管温度达到72℃，并维持15秒～30秒。重复30次该聚合酶连锁反应循环，且以电泳侦测该反应所扩增的产物(图6，第4栏)。以一长度为100bps的YEA Ladder DNA Marker II(Yeastern Biotech Co.,Ltd.，型号Cat.No.FYD009-1ML)作为对照(图6，第一栏)。
上述的程序再与传统聚合酶连锁反应程序相比(图6，第5栏)。该传统实验程序所述如下：(1)具有一DNA样本的反应混合物被加热到95℃以使该DNA样本变性；(2)重复30个该变性循环，每一循环维持95℃并持续30秒；(3)在56℃和与该相应的DNA引子杂交并持续30秒；(4)以72℃延展该已杂交的引子，并持续30秒；(5)最后一附加延展的步骤于72℃执行，并持续10分钟以形成显示于图6第5栏的最终产物。
2.2聚合酶连锁反应于实施例1.1的四氧化三铁(Fe3O4)粒子所形成的容器中执行
在此实施例中，聚合酶连锁反应的反应混合物将置于包含实施例1.1的四氧化三铁(Fe3O4)粒子的材料所构成的一容器，以此执行此聚合酶连锁反应循环。该聚合酶连锁反应循环的启动与上述实验步骤相同。
以上示意和描述仅为本发明的优选实施方式。虽然本发明的许多特点和优点以及本发明结构和功能的细节已经在前面的描述中陈述，所公开的内容仅是说明性的，相关细节被可以改变，如物质的形状、尺寸和本发明原理允许范畴内各步骤的顺序，一直涵盖到权利要求中所用术语在广义含义上确立的最大程度。
揭露声明
叙述1：一种聚合酶链锁反应扩增核酸序列的方法，该方法包含：将复数粒子在一反应容器中和一种反应混合物接触，该种反应混合物包含目标核酸，该复数粒子包含一种过渡金属材料；以频率约为200kHz～500THz的电磁波照射该复数粒子。
叙述2：如叙述1所述的方法，其中该种过渡金属材料包含一种过渡金属、一种过渡金属氧化物、一种过渡金属氢氧化物、一种第三族金属化合物掺杂过渡金属或过渡金属离子、一种二氧化硅掺杂过渡金属、一种二氧化硅掺杂过渡金属氧化物、或一种二氧化硅掺杂过渡金属氢氧化物。
叙述3：如叙述1或叙述2的任一叙述所述的方法，其中该种反应混合物在该种聚合酶链锁反应中的温度上升速率约为13℃/秒～15℃/秒。
叙述4：如叙述1到叙述3的任一叙述所述的方法，其中该种反应混和物在该种聚合酶链锁反应中的温度下降速率约为6℃/秒～7℃/秒。
叙述5：如叙述2到叙述4的任一叙述所述的方法，其中该种第三族金属化合物可为一种氮化物、一种磷化物或一种砷化物的任一种，且该种第三族金属可为铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)的任一种。
叙述6：如叙述1到叙述5的任一叙述所述的方法，其中该种过渡金属材料包含一种或多种过渡金属氧化物和过渡金属氢氧化物的组合。
叙述7：如叙述1到叙述6的任一叙述所述的方法，其中该种过渡金属材料包含以下一种或多种化合物：氧化亚铁(FeO)、氧化铁(Fe2O3)、四氧化三铁(Fe3O4)、氧(氢氧)化铁(FeO(OH))、氢氧化亚铁(Fe(OH)2)、氢氧化铁(Fe(OH)3)、一氧化锰(MnO)、四氧化三锰(Mn3O4)、三氧化二锰(Mn2O3)、氧(氢氧)化锰(MnO(OH))、二氧化锰(MnO2)、一氧化钴(CoO)、氧(氢氧)化钴(CoO(OH))、四氧化三钴(Co3O4)或一氧化铜(CuO)。
叙述8：如叙述2到叙述6的任一叙述所述的方法，其中该种过渡金属可为锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)的任一种。
叙述9：如叙述1到叙述8的任一叙述所述的方法，其中该复数粒子中至少有一个粒子的流体动力学直径约为10奈米(nm)～1,200奈米(nm)。
叙述10：如叙述1到叙述8的任一叙述所述的方法，其中该复数粒子中至少有一个粒子的流体动力学直径约为200奈米(nm)～1,200奈米(nm)。
叙述11：如叙述1到叙述8的任一叙述所述的方法，其中该复数粒子中至少有一个粒子的流体动力学直径约为60奈米(nm)～150奈米(nm)。
叙述12：如叙述1到叙述11的任一叙述所述的方法，其中以电磁波照射该复数粒子的过程包含增加该种反应混合物的温度至一第一温度范围至大约为80℃～105℃，并持续约0.5分钟～1分钟，以使该目标DNA变性；增加该种反应混合物的温度至一第二温度范围至大约为35℃～65℃，并持续约0.5分钟～1分钟，以使一对引子和该变性的目标DNA杂交；增加该种反应混合物的温度至一第三温度范围至大约为40℃～80℃，并持续约0.5分钟～1分钟，以延展合成方式扩增该目标核酸序列。
叙述13：一种用于聚合酶链锁反应扩增目标核酸序列的仪器，该种仪器包含：一种微处理器被设定为通信耦合至一种使用者输入设备，并由该种使用者输入设备接收指令，且该种微处理器执行该接收的指令；一种反应容器和该种微处理器通信耦合并容置聚合酶链锁反应中的试剂和复数粒子；一种温度传感器通信耦合至该种反应容器和该种微处理器；一种电磁波产生组件通信耦合至该种微处理器并被设定为可导引一电磁波至该种反应容器，其中该复数粒子包含一种过渡金属材料。
叙述14：如叙述13所述的仪器，其中该种电磁波产生组件被设定为可产生100THz至600THz的频率范围的电磁波。
叙述15：如叙述13所述的仪器，其中该种电磁波产生组件被设定为可产生300THz～400THz的频率范围的电磁波。
叙述16：如叙述13所述的仪器，其中该种电磁波产生组件被设定为可产生1MHz～2MHz的频率范围的电磁波。
叙述17：如叙述13到叙述16的任一叙述所述的仪器，更进一步包含：一种温度控制回路以控制该种反应容器外壳的该种温度传感器；一种加热控制回路以调整由该种电磁波产生组件所产生的该电磁波的频率强度，其中该种微处理器耦合至该种温度控制回路及该种加热控制回路。
叙述18：如叙述17所述的仪器，其中该种微处理器被设定为增加该种反应混合物的温度至一第一温度范围至大约为80℃～105℃，并持续约0.5分钟～1分钟，以使该目标DNA变性；增加该种反应混合物的温度至一第二温度范围大约为35℃～65℃，并持续约0.5分钟～1分钟，以使一对引子和该变性的目标DNA杂交；增加该种反应混合物的温度至一第三温度范围大约为40℃～80℃，并持续约0.5分钟～5分钟，以延展合成方式扩增该目标核酸序列。
叙述19：如叙述13到叙述18的任一叙述所述的仪器，更进一步包含一种无线通信回路以和该种使用者输入设备进行无线通信。
叙述20：如叙述13到叙述19的任一叙述所述的仪器，其中该种过渡金属材料包含一种过渡金属、一种过渡金属氧化物、一种过渡金属氢氧化物、一种第三族金属化合物掺杂过渡金属或过渡金属离子、一种二氧化硅掺杂过渡金属、一种二氧化硅掺杂过渡金属氧化物、或者一种二氧化硅掺杂过渡金属氢氧化物。
叙述21：如叙述13到叙述20的任一叙述所述的仪器，其中该过渡金属材料包含以下一种或多种化合物：氧化亚铁(FeO)、氧化铁(Fe2O3)、四氧化三铁(Fe3O4)、氧(氢氧)化铁(FeO(OH))、氢氧化亚铁(Fe(OH)2)、氢氧化铁(Fe(OH)3)、一氧化锰(MnO)、四氧化三锰(Mn3O4)、三氧化二锰(Mn2O3)、氧(氢氧)化锰(MnO(OH))、二氧化锰(MnO2)、一氧化钴(CoO)、氧(氢氧)化钴(CoO(OH))、四氧化三钴(Co3O4)或一氧化铜(CuO)。
叙述22：如叙述20所述的仪器，其中该种第三族金属化合物可为一种氮化物、一种磷化物或一种砷化物的任一种，且该种第三族金属可为铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)的任一种。
叙述23：如叙述13到叙述22的任一叙述所述的仪器，其中该种过渡金属材料包含一种或多种过渡金属氧化物和过渡金属氢氧化物的组合。
叙述24：如叙述13到叙述23的任一叙述所述的仪器，其中该种过渡金属可为锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)的任一种。
叙述25：如叙述13到叙述24的任一叙述所述的仪器，其中该复数粒子中至少有一个粒子的流体动力学直径约为10奈米(nm)～1,200奈米(nm)。
叙述26：如叙述13到叙述24的任一叙述所述的仪器，其中该复数粒子中至少有一个粒子的流体动力学直径约为200奈米(nm)～1,200奈米(nm)。
叙述27：如叙述13到叙述24的任一叙述所述的仪器，其中该复数粒子中至少有一个粒子的流体动力学直径约为60奈米(nm)～150奈米(nm)。
叙述28：如叙述13到叙述27的任一叙述所述的仪器，其中该种使用者输入设备可选自一种可携式电话、一种笔记本计算机、和一种平板计算机其中之一。
叙述29：如叙述13到叙述28的任一叙述所述的仪器，其中该种仪器的体积不大于500cm3。
叙述30：一种聚合酶连锁反应容器，该种容器包含一层或多层薄膜、涂层或复数奈米粒子层，该种薄膜、该种涂层或该种复数奈米粒子层包含一种过渡金属材料于该种容器的表面。
叙述31：如叙述30所述的容器，其中该种过渡金属材料包含一种过渡金属、一种过渡金属氧化物、一种过渡金属氢氧化物、一种第三族金属化合物掺杂过渡金属或过渡金属离子、一种二氧化硅掺杂过渡金属、一种二氧化硅掺杂过渡金属氧化物、或者一种二氧化硅掺杂过渡金属氢氧化物。
叙述32：如叙述30到叙述31的任一叙述所述的容器，其中该过渡金属材料包含以下一种或多种化合物：氧化亚铁(FeO)、氧化铁(Fe2O3)、四氧化三铁(Fe3O4)、氧(氢氧)化铁(FeO(OH))、氢氧化亚铁(Fe(OH)2)、氢氧化铁(Fe(OH)3)、一氧化锰(MnO)、四氧化三锰(Mn3O4)、三氧化二锰(Mn2O3)、氧(氢氧)化锰(MnO(OH))、二氧化锰(MnO2)、一氧化钴(CoO)、氧(氢氧)化钴(CoO(OH))、四氧化三钴(Co3O4)或一氧化铜(CuO)。
叙述33：如叙述31所述的容器，其中该种第三族金属化合物可为一种氮化物、一种磷化物或一种砷化物的任一种，且该种第三族金属可为铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)的任一种。
叙述34：如叙述30到叙述33的任一叙述所述的容器，其中该种过渡金属可为锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)的任一种。
叙述35：如叙述30到叙述35的任一叙述所述的容器，其中该种奈米粒子包含一种或多种过渡金属氧化物和过渡金属氢氧化物的组合。
叙述36：如叙述30到叙述35的任一叙述所述的容器，其中该复数粒子中至少有一个粒子的流体动力直径约为10奈米(nm)～1,200奈米(nm)。
叙述37：如叙述30到叙述35的任一叙述所述的容器，其中该复数粒子中至少有一个粒子的流体动力直径约为200奈米(nm)～1,200奈米(nm)。
叙述38：如叙述30到叙述35的任一叙述所述的容器，其中该复数粒子中至少有一个粒子的流体动力直径约为60奈米(nm)～150奈米(nm)。
叙述43：一种微流体生物芯片，其中该种微流体生物芯片包含叙述30到叙述38的任一叙述所述的容器。
叙述44：一种受电磁波(EMR)照射后会在聚合酶连锁反应仪器中产热的奈米粒子，该电磁波的频率范围大约在300THz～400THz间，该奈米粒子具有一流体力学直径约为50奈米(nm)～200奈米(nm)，其中该奈米粒子包含一种过渡金属氧化物或一种过渡金属氢氧化物。
本揭露前述的组合物和方法已说明并揭示目的描述。其并不在于穷尽或将本揭露限制于目前所揭示组合物和方法，且显然地，许多修改和变化是可能的基于前述教示而来。优选和描述这些实施例是为最佳说明本揭露的原理及其实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够已最佳方式并适当的修改来利用本揭露的特定用途。本揭露的范围由所附的权利要求及其均等限定。
Claims (40)
1.一种以聚合酶连锁反应扩增一核酸序列的方法，该方法包含：
将包含目标核酸的一反应混合物与包含一种过渡金属材料的复数粒子于一反应容器内接触；及
以频率约为200kHz～500THz的电磁波照射该复数粒子。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该种过渡金属材料包含一种过渡金属(transition metal)、一种过渡金属氧化物(transition metal oxide)、一种过渡金属氢氧化物(transition metal hydroxide)、一种第三族金属化合物掺杂过渡金属(Group IIImetal compound doped with the transition metal)、一种二氧化硅掺杂过渡金属氧化物(silicon dioxide doped with the transition metal oxide)、或一种二氧化硅掺杂过渡金属氢氧化物(silicon dioxide doped with the transition metal hydroxide)。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该种第三族金属化合物(Group III metalcompound)为一种氮化物(nitride)、一种磷化物(phosphide)或一种砷化物(arsenide)的任一种，且该种第三族金属为铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)的任一种。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该种过渡金属包含锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)的任一种。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该反应混合物在该聚合酶连锁反应中的温度上升速率约为13℃/秒～15℃/秒。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该反应混合物在该聚合酶连锁反应中的温度下降速率约为6℃/秒～7℃/秒。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该种过渡金属材料包含一种或多种过渡金属氧化物(transition metal oxide)和过渡金属氢氧化物(transition metal hydroxide)的组合。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该种过渡金属材料包含下列任一种或多种化合物：氧化亚铁(FeO)、氧化铁(Fe2O3)、四氧化三铁(Fe3O4)、氧(氢氧)化铁(FeO(OH))、氢氧化亚铁(Fe(OH)2)、氢氧化铁(Fe(OH)3)、一氧化锰(MnO)、四氧化三锰(Mn3O4)、三氧化二锰(Mn2O3)、氧(氢氧)化锰(MnO(OH))、二氧化锰(MnO2)、一氧化钴(CoO)、氧(氢氧)化钴(CoO(OH))、四氧化三钴(Co3O4)或一氧化铜(CuO)。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该复数粒子中至少有一个粒子的流体动力直径(hydrodynamic diameter)约为10奈米(nm)～1,200奈米(nm)。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该复数粒子中至少有一个粒子的流体动力直径(hydrodynamic diameter)约为200奈米(nm)～1,200奈米(nm)。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该复数粒子中至少有一个粒子的流体动力直径(hydrodynamic diameter)约为60奈米(nm)～150奈米(nm)。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，照射该复数粒子包含：
增加该反应混合物的温度至一第一温度范围约80℃～105℃，并持续约0.5分钟～1分钟，使该目标DNA变性(denature)；
增加该反应混合物的温度至一第二温度范围约35℃～65℃，并持续约0.5分钟～1分钟，使一对引子与变性的该目标DNA杂交(hybridize)；
增加该反应混合物的温度至一第三温度范围约40℃～80℃，并持续约0.5分钟～5分钟，以延展合成方式(elongation synthesis)扩增该目标核酸序列。
13.一种用于聚合酶连锁反应扩增目标核酸序列的仪器，该仪器包含：
一种微处理器被设定为通信耦合至一种使用者输入设备，并由该种使用者输入设备接收指令，且该种微处理器执行该接收指令；
一种反应容器与该种微处理器通信耦合并容置聚合酶连锁反应中的试剂和复数粒子；
一种温度传感器通信耦合至该种反应容器和该种微处理器；及
一种电磁波产生组件通信耦合至该种微处理器并被设定为可导引该种电磁波至该种反应容器，
其特征在于，该复数粒子包含一种过渡金属材料。
14.如权利要求13所述的仪器，其特征在于，该种电磁波产生组件被设定为可产生100THz～600THz的频率范围的电磁波。
15.如权利要求13所述的仪器，其特征在于，该种电磁波产生组件被设定为可产生300THz～400THz的频率范围的电磁波。
16.如权利要求13所述的仪器，其特征在于，该种电磁波产生组件被设定为可产生1MHz～2MHz的频率范围的电磁波。
17.如权利要求13所述的仪器，进一步包含：
一种温度控制回路以控制反应壳体的该种温度传感器；及
一种加热控制回路以调整由该种电磁波产生组件所产生的该频率电磁波的强度，
其特征在于，该种微处理器耦合至该种温度控制回路及该种加热控制回路。
18.如权利要求17所述的仪器，其特征在于，该种微处理器被设定为：
增加该种反应混合物的温度至一第一温度范围约80℃～105℃，并持续约0.5分钟～1分钟，使该目标DNA变性(denature)；
增加该种反应混合物的温度至一第二温度范围约35℃～65℃，并持续约0.5分钟～1分钟，使一对引子与变性的该目标DNA杂交(hybridize)；
增加该种反应混合物的温度至一第三温度范围约40℃～80℃，并持续约0.5分钟～5分钟，以延展合成方式(elongation synthesis)扩增该目标核酸序列。
19.如权利要求13所述的仪器，进一步包含一种无线通信回路以和该种使用者输入设备进行无线通信。
20.如权利要求13所述的仪器，其特征在于，该种过渡金属材料包含一种过渡金属(transition metal)、一种过渡金属氧化物(transition metal oxide)、一种过渡金属氢氧化物(transition metal hydroxide)、一种第三族金属化合物掺杂过渡金属(Group IIImetal compound doped with the transition metal)、一种二氧化硅掺杂过渡金属氧化物(silicon dioxide doped with the transition metal oxide)、或者一种二氧化硅掺杂过渡金属氢氧化物(silicon dioxide doped with the transition metalhydroxide)。
21.如权利要求20所述的仪器，其特征在于，该种第三族金属化合物(Group III metalcompound)可为一种氮化物(nitride)、一种磷化物(phosphide)或一种砷化物(arsenide)的任一种，且该种第三族金属可为铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)的任一种。
22.如权利要求20所述的仪器，其特征在于，该种过渡金属材料可为锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)的任一种。
23.如权利要求13所述的仪器，其特征在于，该复数粒子包含一种或多种过渡金属氧化物(transition metal oxide)和过渡金属氢氧化物(transition metal hydroxide)的组合。
24.如权利要求13所述的仪器，其特征在于，该种过渡金属材料包含一种或多种氧化亚铁(FeO)、氧化铁(Fe2O3)、四氧化三铁(Fe3O4)、氧(氢氧)化铁(FeO(OH))、氢氧化亚铁(Fe(OH)2)、氢氧化铁(Fe(OH)3)、一氧化锰(MnO)、四氧化三锰(Mn3O4)、三氧化二锰(Mn2O3)、氧(氢氧)化锰(MnO(OH))、二氧化锰(MnO2)、一氧化钴(CoO)、氧(氢氧)化钴(CoO(OH))、四氧化三钴(Co3O4)或一氧化铜(CuO)。
25.如权利要求13所述的仪器，其特征在于，该复数粒子中至少有一个粒子的流体动力学直径(hydrodynamic diameter)约为10奈米(nm)～1,200奈米(nm)。
26.如权利要求13所述的仪器，其特征在于，该复数粒子中至少有一个粒子的流体动力学直径(hydrodynamic diameter)约为200奈米(nm)～1,200奈米(nm)。
27.如权利要求13所述的仪器，其特征在于，该复数粒子中至少有一个粒子的流体动力学直径(hydrodynamic diameter)约为60奈米(nm)～150奈米(nm)。
28.如权利要求13所述的仪器，其特征在于，该种使用者输入设备可选自一种可携式电话、一种笔记型计算机、和一种平板计算机。
29.如权利要求13所述的仪器，其特征在于，该种仪器的体积不大于500cm3。
30.一种聚合酶连锁反应容器，该种聚合酶连锁反应容器包含一层或多层薄膜、涂层或复数个奈米粒子层，该薄膜、该涂层或该复数个奈米粒子层包含一种过渡金属材料于该种聚合酶连锁反应容器的表面。
31.如权利要求30所述的容器，其特征在于，该种过渡金属材料包含一种过渡金属(transition metal)、一种过渡金属氧化物(transition metal oxide)、一种过渡金属氢氧化物(transition metal hydroxide)、一种第三族金属化合物掺杂过渡金属(Group IIImetal compound doped with the transition metal)、一种二氧化硅掺杂过渡金属氧化物(silicon dioxide doped with the transition metal oxide)、或一种二氧化硅掺杂过渡金属氢氧化物(silicon dioxide doped with the transition metal hydroxide)。
32.如权利要求31所述的容器，其特征在于，该种第三族金属化合物(Group III metalcompound)可为一种氮化物(nitride)、一种磷化物(phosphide)或一种砷化物(arsenide)的任一种，且该种第三族金属可为铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)的任一种。
33.如权利要求31所述的容器，其特征在于，该种过渡金属材料可为锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)的任一种。
34.如权利要求30所述的容器，其特征在于，该种奈米粒子包含一种或多种过渡金属氧化物(transition metal oxide)和过渡金属氢氧化物(transition metal hydroxide)的组合。
35.如权利要求30所述的容器，其特征在于，该种过渡金属材料包含下列任一种或多种化合物：氧化亚铁(FeO)、氧化铁(Fe2O3)、四氧化三铁(Fe3O4)、氧(氢氧)化铁(FeO(OH))、氢氧化亚铁(Fe(OH)2)、氢氧化铁(Fe(OH)3)、一氧化锰(MnO)、四氧化三锰(Mn3O4)、三氧化二锰(Mn2O3)、氧(氢氧)化锰(MnO(OH))、二氧化锰(MnO2)、一氧化钴(CoO)、氧(氢氧)化钴(CoO(OH))、四氧化三钴(Co3O4)或一氧化铜(CuO)。
36.如权利要求30所述的容器，其特征在于，该复数个奈米粒子中至少有一个粒子的流体动力学直径(hydrodynamic diameter)约为10奈米(nm)～1,200奈米(nm)。
37.如权利要求30所述的容器，其特征在于，该复数个奈米粒子中至少有一个粒子的流体动力学直径(hydrodynamic diameter)约为200奈米(nm)～1,200奈米(nm)。
38.如权利要求30所述的容器，其特征在于，该复数个奈米粒子中至少有一个粒子的流体动力学直径(hydrodynamic diameter)约为60奈米(nm)～150奈米(nm)。
39.一种微流体生物芯片，其特征在于，该种微流体生物芯片包含如权利要求30所述的容器。
40.一种受电磁波照射后会在聚合酶连锁反应仪器中产热的奈米粒子，该电磁波的频率范围大约在300THz～400THz间，该种奈米粒子具有一流体动力学直径(hydrodynamicdiameter)约为50奈米(nm)～200奈米(nm)，其特征在于，该种奈米粒子包含一种过渡金属氧化物(transition metal oxide)或一种过渡金属氢氧化物(transition metalhydroxide)。
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