CN107964507A - 热对流聚合酶连锁反应装置及其光学检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种热对流聚合酶连锁反应装置及其光学检测方法。该热对流聚合酶连锁反应(convective Polymerase Chain reaction，cPCR)装置，包括：一管柱(tube)、一温控单元、至少一光源以及一感测器。管柱包括用以承载反应液体的腔体。反应液体具有由液面起算至腔体的底部的液体高度。温控单元邻接于管柱，用以对反应液体进行温控。至少一光源提供光线穿过管柱由底部起算大于二分之一液体高度的入射部进入反应液体，以激发反应液体发出荧光。感测器邻接于管柱，用以感测荧光。其中，光线的一入射方向与管柱的长轴形成一非平角。

Description

热对流聚合酶连锁反应装置及其光学检测方法
技术领域
本发明涉及一种聚合酶连锁反应(Polymerase Chain reaction；PCR)装置及其检测方法。特别是涉及一种热对流聚合酶连锁反应(convective Polymerase Chainreaction，cPCR)装置及其光学检测方法。
背景技术
聚合酶连锁反应是一种分子生物学技术，用于扩增特定的去氧核醣核酸(Deoxyribonucleic Acid，DNA)或核糖核酸(Ribonucleic acid，RNA)片段。典型的聚合酶连锁反应装置是采用热循环机(thermocycler)的反复加热和冷却来进行重复热循环步骤，经过金属块将热能逐渐传导(thermal conduction)至反应试管内，以使去氧核醣核酸或核醣核酸片段在不同温度下产生变性(95℃)、黏合(45℃-65℃)及延伸(72℃)三种不同的温度循环。然而，传统采用多层次间接加热方式进行热循环步骤的方式，不仅耗时且机台体积庞大，大幅降低检测效率以及其应用范围。
热对流聚合酶连锁反应是一种采用热对流原理，对盛装反应液体的反应容器直接加热，使反应液体产生温度梯度，造成热对流现象。可以使反应液体在对流过程中不断改变温度，随着反应液体对流而回圈来完成核酸的扩增，缩短传统方法变换温度所需的时间，并且具有结构简单与成本低廉的优点。目前所采用的热对流聚合酶连锁反应装置，是以塑胶或玻璃等材质的毛细管作为反应容器，并以放在试管底部下的发光源激发管内的荧光试剂以产生荧光信号，通过检测器感测荧光信号达到监控聚合酶连锁反应的目的。
然而由于反应液体包含生物检体(例如生物体的全血)，其成份相当复杂。且在反应操作时，反应液体的内容物(例如蛋白质、血球等等)多数会沉积在毛细管管底，造成激发光路上的干扰和阻碍，使得光线无法顺利通过管底去激发管内的荧光试剂，荧光信号无法被管侧的检测器感测到，严重影响聚合酶连锁反应的控制品质。
因此，有需要提供一种先进的热对流聚合酶连锁反应装置及其光学检测方法，来解决现有技术所面临的问题。
发明内容
本发明中的一实施例是在提供一种热对流聚合酶连锁反应装置。此热对流聚合酶连锁反应装置包括：一管柱(tube)、一温控单元、至少一光源以及一感测器。管柱包括用以承载反应液体的腔体。反应液体具有由液面起算至腔体的底部的液体高度。温控单元邻接于管柱，用以对反应液体进行温控。至少一光源提供光线穿过管柱由底部起算大于二分之一液体高度的入射部进入反应液体，以激发反应液体发出荧光。感测器邻接于管柱，用以感测荧光。其中，光线的一入射方向与管柱的长轴形成一非平角。
本发明的另一个实施例是提供一种热对流聚合酶连锁反应装置的光学检测方法。此光学检测方法包括下述步骤：首先提供一个管柱，此管柱包括一个用以承载反应液体的腔体，此反应液体具有由液面起算至腔体的底部的液体高度。接着，提供光线穿过管柱由底部起算大于二分之一液体高度的入射部而进入反应液体，以激发反应液体发出荧光。再以邻接于管柱的感测器来感测荧光。其中，光线的一入射方向与管柱的长轴形成一非平角。
根据上述，本发明的实施例是公开一种热对流聚合酶连锁反应装置及其光学检测方法。通过灵活调配感测器与光线入射至热对流聚合酶连锁反应腔体的相对位置，来使感测器接收到的反应荧光信号极大化，并且解决现有技术将光源设置于反应腔体底部，造成感测器光路干扰和阻碍的问题。同时，通过调整腔体、感测器与光线入射角度可使热对流聚合酶连锁反应装置的空间应用更具有效率，达到体积小型化的目的。
附图说明
为了对本发明的上述实施例及其他目的、特征和优点能更明显易懂，特举数个实施例，并配合所附附图，作详细说明如下:
图1A是根据本发明的一实施例所绘示的一种热对流聚合酶连锁反应装置的部分结构透视图；
图1B是根据图1A所绘示的热对流聚合酶连锁反应装置部分结构侧视图；
图2是根据本发明的另一实施例所绘示的一种热对流聚合酶连锁反应装置的部分结构侧视图。
图3A至图3D是分别采用不同角度的光源对包含有全血样品以及内容为纯水的两种反应液体进行热对流聚合酶连锁反应后，感测器测量所得的荧光强度。
符号说明
100、200：热对流聚合酶连锁反应装置
101：管柱 101a：腔体
101b：腔体底部 101c：上盖
101d：管柱的长轴 101e：刻度
102：温控单元 102a：凹槽
103、107、108、109：光源
103a、107a、108a、109a：光线
104、204：感测器 104a、204a：光接收方向
105：反应液体 105a：液面
106A、106B、106C：入射部
110：滤光片
301、302、303、304、304、305、306、307、308：曲线
U：液体高度
θ1、θ2、θ3、θ4、θ5：角度
具体实施方式
本发明所公开的实施例是有关于一种热对流聚合酶连锁反应装置及其光学检测方法，可解决现有热对流聚合酶连锁反应装置的感测器光路受到干扰和阻碍的问题，并且达到将热对流聚合酶连锁反应装置的体积小型化的目的。为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，特举数个实施例，并配合所附附图详细描述如下。
但必须注意的是，这些特定的实施案例与方法仅是例示，并非用以限定本发明。本发明仍可采用其他特征、元件、方法及参数来加以实施。实施例的提出，仅是用以例示本发明的技术特征，并非用以限定本发明的权利要求。该技术领域中具有通常知识者，将可根据以下发明的描述，在不脱离本发明的精神范围内，作均等的修饰与变化。在不同实施例与附图之中，相同的元件，将以相同的元件符号加以表示。
请参照图1A和图1B，图1A是根据本发明的一实施例所绘示的一种热对流聚合酶连锁反应装置100的部分结构透视图。图1B是根据图1A所绘示的热对流聚合酶连锁反应装置100部分结构侧视图。热对流聚合酶连锁反应装置100至少包括：一个管柱101、一个温控单元102一个光源103以及一个感测器104。
在本发明的一些实施例之中，管柱101可以是一种塑胶或玻璃等材质所构成，具有透光性的长形式管，例如毛细管(capillary)。其中，管柱101包括一个用来承载反应液体105的腔体101a。被承载于腔体101a中的反应液体105，具有由液面105a起算至腔体101a的底部101b的液体高度U。
温控单元102邻接于管柱101，用以对反应液体105进行温控。在本发明的一些实施例之中，温控单元102设计成具有能够容纳管柱101的加热块，其外型为一凹槽102a。凹槽102a具有与管柱101相似的形状与尺寸，以使温控单元102能够贴近管柱101，而能有效率地传递热能，减少能量损耗。
在本实施例中，温控单元102包含一个金属加热块，紧包住由塑胶毛细管所构成的管柱101的底部，能将热量传递至塑胶毛细管内的反应液体105，并使管柱101的底部维持摄氏90度。管柱101的上盖101c可以是开放式的，可以将管柱101的顶部维持于摄氏50度。因此形成下热上冷的温度梯度，使管柱101内反应液体105中的去氧核醣核酸或核糖核酸经过不断地温度循环而放大。
光源103可以是一种发光二极管(Light Emitting Diode，LED)管芯、卤素灯、氚气灯、氙气灯、激光源或上述的任意组合，用来提供具有特殊色光的光线103a，穿过管柱101由腔体101a的腔体底部101b起算大于二分之一液体高度(1/2U)的入射部106A进入反应液体105，以激发反应液体105发出荧光。要说的是，由于反应液体105会根据生物检体种类的不同，而产生不同程度的沉淀物，为了避免腔体底部101b沉淀物的干扰，故建议光源103的入射部106A配置于腔体底部101b起算大于二分之一液体高度(1/2U)，即荧光产物分布较多之处，方能得到良好的检测效果。
在本发明的一实施例之中，光源103可以是一种单一色光发光二极管管芯，用来提供具有波长范围实质介于600纳米至750纳米之间的红色光线、波长范围实质介于500纳米至570纳米的绿色光线或波长范围实质介于420纳米至500纳米的蓝色光线。在本发明的另一实施例之中，光源103可以是一种白光发光二极管管芯，且光源103与管柱101之间设有一个滤光片110，可滤除光源103发出的白光的部分波长而允许特定波长的光线通过滤光片110和管柱101而进入反应液体105之中。可通过选择(更换)不同滤光片110的方式，来达到以单一光源103提供不同色光的光线103a的目的。
在本发明的一些实施例中，光源103相对于管柱101腔体101a的位置，可以依据反应液体105的液面105a加以调整。但在本实施例中，以置入管柱101的腔体101a内的反应液体105为固定容积，且液面105a与刻度101e等高为例。因此，反应液体105的液面105a以及光源103相对于管柱101腔体101a的位置，可以相对固定于管柱101的一特定刻度101e。
感测器104邻接于管柱101，用以检测并感应反应液体105受到光线103a激发所发出的荧光。在本发明的一实施例之中，感测器104可以包括光电二极管(photodiode)，用来将接收到的荧光强度转换成电流或者电压信号。在本发明的另一实施例之中，感测器104可以包括光纤，用来将所接收的荧光信号传送至对流聚合酶连锁反应装置100内部或外部的光电转换装置，再进行后续的信号处理。
其中，感测器104是相对于光源103和管柱101而设置。在本发明的一实施例之中，感测器104具有一光接收方向104a与光线103a的入射方向(如箭号所示)夹有一个实质介于60°至180°的角度，此外，感测器104的光接收方向104a与管柱101的长轴101d的夹角不为平角。光源103提供的光线103a的入射方向与管柱101的长轴101d形成的夹角θ3不为平角。
例如，在本实施例之中，感测器104的光接收方向104a与光线103a的入射方向所形成的角度θ1实质为120°；感测器104的光接收方向104a与管柱101的长轴101d所形成的角度θ2实质为90°；光线103a的入射方向与管柱101的长轴101d所形成的角度θ3实质为30°；且光线103a的入射方向、感测器104的光接收方向104a以及管柱101的长轴101d三者位于同一平面。
在本发明的一些实施例之中，热对流聚合酶连锁反应装置100还可包括其他光源，例如光源107和108，可分别提供与光线103a相同或不同波长的光线107a和108a。在本实施例之中，光源107所提供的光线107a，穿过管柱101由腔体101a的腔体底部101b起算大于二分之一液体高度(1/2U)的入射部106B进入反应液体105。光源108所提供的光线108a，穿过管柱101由腔体101a的腔体底部101b起算大于二分之一液体高度(1/2U)的入射部106C进入反应液体105。要注意的是，在本实施例中，光线108a的入射方向、感测器104的光接收方向104a以及管柱101的长轴101d三者是两两相互垂直且不在同一平面上。详细来说，感测器104的光接收方向104a与光线108a的入射方向实质垂直；且光线108a的入射方向与管柱101的长轴101d实质垂直。
在一实施例中，感测器104的光接收方向104a、管柱101的长轴101d以及光线103a和107a的入射方向四者位于同一平面。感测器104的光接收方向104a与光线107a的入射方向所形成的角度θ4实质为60°；光线107a的入射方向与管柱101的长轴101d所形成的角度实质为30°。
值得注意的是，感测器104、管柱101以及光源103、107和108的相对位置并不以此为限。例如，在本发明的另一些实施例中，感测器204的光接收方向104a和管柱101的长轴101d可以夹一个非直角。请参照图2，图2是根据本发明的一实施例所绘示的一种热对流聚合酶连锁反应装置200的部分结构侧视图。其中，热对流聚合酶连锁反应装置200的结构大至与热对流聚合酶连锁反应装置100相似，差别在于热对流聚合酶连锁反应装置200包括光源109，且感测器204的光接收方向204a和管柱101的长轴101d形成一个实质为60°的夹角θ5。在本实施例中，感测器204的光接收方向204a、管柱101的长轴101d以及光线109a的入射方向三者位于同一平面；且感测器204的光接收方向204a与光线109a的入射方向垂直。
后续，分别采用图1A、图1B和图2所绘示的不同角度的光源103、107、108和109，对包含有全血样品以及内容为纯水的两种反应液体105进行热对流聚合酶连锁反应，并以感测器104测量其荧光强度，以验证热对流聚合酶连锁反应装置100的光学检测效果。
请参照图3A至图3D。图3A所绘示的曲线301和302分别代表采用光源103对包含有全血样品以及内容为纯水的两种反应液体105进行热对流聚合酶连锁反应后，感测器104测量所得的荧光强度。图3B所绘示的曲线303和304分别代表采用光源107对包含有全血样品以及内容为纯水的两种反应液体105进行热对流聚合酶连锁反应后，感测器104测量所得的荧光强度。图3C所绘示的曲线305和306分别代表采用光源108对包含有全血样品以及内容为纯水的两种反应液体105进行热对流聚合酶连锁反应后，感测器104测量所得的荧光强度。图3D所绘示的曲线307和308分别代表采用光源109对包含有全血样品以及内容为纯水的两种反应液体105进行热对流聚合酶连锁反应后，感测器104测量所得的荧光强度。
由图3A、图3B、图3C和图3D的检测结果可以看出，采用具有不同入射方向的光源103、107、108和109对包含有全血样品以及内容为纯水的两种反应液体105进行热对流聚合酶连锁反应之后，感测器104测量包含全血样品的反应液体105所得的荧光信号(如曲线301、303、305、307所绘示)可以与测量纯水反应液体105所得的荧光信号(如曲线302、304、306、308所绘示)明显产生区隔。因此，在扣除纯水的荧光信号背景值之后，仍可清楚得到实际聚合酶连锁反应的荧光信号，显示利用感测器与光线入射至热对流聚合酶连锁反应腔体的相对位置的调整，可解决现有技术因反应液体中的生物检体沉积所造成的感测光路干扰和阻碍的问题。
根据上述，本发明的实施例是公开一种热对流聚合酶连锁反应装置及其光学检测方法。通过灵活调配感测器与光线入射至热对流聚合酶连锁反应腔体的相对位置，来使感测器接收到的反应荧光信号极大化，并且解决现有技术将光源设置于反应腔体底部，造成感测器光路干扰和阻碍的问题。同时，通过调整腔体、感测器与光线入射角度可使热对流聚合酶连锁反应装置的空间应用更具有效率，达到体积小型化的目的。
虽然结合以上较佳实施例公开了本说明书，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)

1.一种热对流聚合酶连锁反应装置，包括：
管柱，包括腔体，用以承载一反应液体，该反应液体具有由一液面起算至该腔体的底部的液体高度；
温控单元，邻接于该管柱，用以对该反应液体进行温控；
至少一光源，提供一光线，穿过该管柱由该底部起算大于二分之一该液体高度的一入射部而进入该反应液体，以激发该反应液体发出一荧光；以及
感测器，邻接于该管柱，用以感测该荧光；
其中，该光线的一入射方向与该管柱的一长轴形成一夹角，该夹角不为平角。
2.如权利要求1所述的热对流聚合酶连锁反应装置，还包括滤光片，设置于该至少一光源与该管柱之间，可滤除该光线的部分波长而允许特定波长的该光线穿过该入射部进入该反应液体。
3.如权利要求1所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其中该感测器具有一光接收方向与该光线的该入射方向夹有实质介于60°至180°的一角度。
4.如权利要求3所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其中该管柱的该长轴、该光接收方向和该光线的该入射方向三者位于同一平面。
5.如权利要求3所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其中该管柱的该长轴、该光接收方向和该光线的该入射方向三者不共平面。
6.如权利要求5所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其中该管柱的该长轴、该光接收方向和该光线的该入射方向三者是两两相互垂直。
7.如权利要求3所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其中该管柱的该长轴与该光接收方向的夹角不为平角。
8.如权利要求7所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其中该光接收方向与该光线的该入射方向垂直。
9.一种热对流聚合酶连锁反应装置的光学检测方法，包括：
提供一管柱，包括腔体，用以承载一反应液体，该反应液体具有由一液面起算至该腔体的一底部的一液体高度；
提供一光线，穿过该管柱由该底部起算大于二分之一该液体高度的一入射部而进入该反应液体，以激发该反应液体发出一荧光；以及
提供一感测器，邻接于该管柱，用以接收该荧光；
其中，该光线的一入射方向与该管柱的一长轴形成一夹角，该夹角不为平角。
10.如权利要求9所述的热对流聚合酶连锁反应装置的光学检测方法，其中该感测器具有一光接收方向与该光线的该入射方向夹有实质介于60°至180°的一角度。
CN201611249427.0A 2016-10-18 2016-12-29 热对流聚合酶连锁反应装置及其光学检测方法 Active CN107964507B (zh)

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