CN114381361A - 光活化装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于活力PCR的光活化装置及其控制方法，包括光源、滤光片、漫射光学元件、反射结构、及散热装置。光源提供具特定波长的光束，供照射生物样品进行光活化。滤光片反射来自于光源的红外光以降低热辐射。漫射光学元件均匀化穿过滤光片的光束。反射结构设置于生物样品的周围，反射穿过漫射光学元件的光束以强化均光效果。散热装置邻设于光源，对光活化装置进行散热。借此，光源提供的光束先穿过滤光片再穿过漫射光学元件，并经反射结构的反射，使得生物样品得到均匀的照光，以提升光活化效率，并由滤光片及反射结构阻挡热辐射，以避免损害生物样品。

Description

光活化装置及其控制方法

技术领域

本案是关于一种光活化装置及其控制方法，尤指一种用于活力PCR(viabilitypolymerase chain reaction(viability PCR)，又称v-PCR或vPCR)的光活化装置及其控制方法。

背景技术

活力PCR(viability PCR，又称v-PCR或vPCR)是聚合酶连锁反应(polymerasechain reaction，PCR)的进化技术，活力PCR是使用特定的嵌入光反应试剂(intercalatingphoto-reactive reagents)，或称光活化染料(photoactive dyes)，对样品进行简单的预处理，由于光反应试剂会选择性地进入细胞膜受损的死细胞，且在照射可见光后与核酸共价交联而抑制核酸扩增，因此只有来自活细胞的核酸能被PCR检测出来。然而，目前市场上的活力PCR存在以下问题。

第一个问题是照光不均匀。现有技术的光学结构无法为每个生物样品提供均匀的照光，使得管件内的生物样品光活化不均匀。不均匀的照光也会导致一些生物样品的光活化效率不佳。高功率光源会导致生物样品的局部热传递，这可能会降低活力PCR的光活化作用。

第二个问题是曝光时间长。目前市场上现有系统的最短曝光时间为10-30分钟。由于光源积累的热量，较长的光活化时间可能会破坏生物样品。

因此，实有需要提供用于活力PCR的特殊光活化系统，以解决现有技术遭遇的上述问题。

发明内容

本案实施例的目的在于提供一种用于活力PCR的光活化装置，使生物样品可均匀照光并降低照光时间。

本案实施例的另一目的在于提供一种用于活力PCR的光活化装置，其可隔绝热对流或热辐射以避免损害生物样品。

为达上述目的，本案实施例提供一种用于活力PCR的光活化装置，包括光源、滤光片、漫射光学元件、反射结构、及散热装置。光源架构于提供具特定波长的光束，供照射于生物样品以进行光活化。滤光片设置于光源的光径下游，架构于反射来自于光源的红外光以降低热辐射。漫射光学元件设置于滤光片的光径下游，架构于均匀化穿过滤光片的光束。反射结构设置于生物样品的周围，架构于反射穿过漫射光学元件的光束以强化均光效果。散热装置邻设于光源，架构于对光活化装置进行散热。借此，光源提供的光束先穿过滤光片再穿过漫射光学元件，并经反射结构的反射，使得生物样品得到均匀的照光，以提升光活化效率，并由滤光片及反射结构阻挡热辐射，以避免损害生物样品。

在一实施例中，光源包括发光二极管电路板、卤素灯、二极管激光器、或通孔发光二极管。

在一实施例中，滤光片包括热镜或低通滤波器。

在一实施例中，漫射光学元件包括漫射光学膜、光整形漫射器、漫射板、毛玻璃、动态漫射器、或液体或液晶散斑减少器。

在一实施例中，漫射光学元件的偏角大于60°半高宽。

在一实施例中，反射结构为包围生物样品的壳体，且壳体的内壁上贴附高反射材料，高反射材料包括反射膜、高度抛光镜面、及反射涂层的至少其中之一或其组合。

在一实施例中，光活化装置还包括样品托盘，供多个容置生物样品的样品管承载于其上，其中反射结构对应设置于样品托盘的下方，以将多个样品管包围于其中。

在一实施例中，样品托盘的底面贴附高反射材料，高反射材料包括反射膜、高度抛光镜面、及反射涂层的至少其中之一或其组合。

在一实施例中，散热装置包括主动散热装置及被动散热装置，主动散热装置包括冷却风扇，被动散热装置包括散热鳍片。

在一实施例中，光活化装置还包括电源供应器，架构于供电给光源及散热装置。

在一实施例中，光活化装置还包括控制模块，架构于控制光源的强度、光源的曝光时间、以及光活化装置的温度。

为达上述目的，本案实施例更提供一种前述光活化装置的控制方法，包括步骤：将与光活化染料预混合的生物样品分配到样品管中，并将样品管放置在光活化装置的样品托盘中；关闭光活化装置的上盖，并利用定时器设定光活化所需时间；以及开启光活化装置，以启动光源及散热装置开始光活化过程。

附图说明

图1显示用于活力PCR的光活化系统。

图2显示上盖移除的光活化装置。

图3显示光活化装置的立体图。

图4显示图3光活化装置于A-A切面的剖面图。

图5显示光活化装置的部分内部结构示意图。

图6显示另一实施例的光活化装置的剖面图。

图7A及图7B显示光活化装置内的光束路径。

图8显示光活化装置中六个样品管的吸光量。

图9显示光活化装置中不同样品管中的光功率。

图10显示光活化装置中生物样品的温度。

图11显示活力PCR的分析。

图12显示活力PCR的另一分析。

其中，附图标记说明如下：

1：手动可调电源

2：高功率电阻器组件

3：光活化装置

31：光源

32：滤光片

33：漫射光学元件

34：反射结构

35：散热装置

351：主动散热装置

352：被动散热装置

36：电源供应器

37：控制模块

4：触控面板

5：通气孔

6：样品托盘

7：样品管

具体实施方式

体现本案特征与优点的一些实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图式在本质上为说明之用，而非用以限制本案。

本案实施例提供一种用于活力PCR的光活化系统。由于活力PCR利用光活化染料进入细胞膜受损的死细胞，且在照射可见光后与核酸共价交联而抑制核酸扩增，使得只有来自活细胞的核酸能被PCR检测出来，因此须在光活化装置中先进行光活化反应，再于PCR仪器中进行扩增及检测。

图1显示用于活力PCR的光活化系统，此系统包括一手动可调电源1、一高功率电阻器组件2、以及一光活化装置3，其中手动可调电源1及高功率电阻器组件2可提供光活化装置3所需的电源。在一实施例中，光活化装置3上设有触控面板4，且可配置定时器及电流控制器。此外，在光活化装置3外壳的侧面及底面设有通气孔5，可供散热用。

在另一实施例中，亦可将电源供应器及相关控制模块整合在光活化装置3中，使得光活化装置3成为能独立运作的设备。

图2显示上盖移除的光活化装置，以示意样品容置于光活化装置内的方式。如图2所示，光活化装置3具有可拆式样品托盘6，样品托盘6上设有多个安装孔，供多个容置生物样品的样品管(PCR管)7承载于其上，使生物样品可在光活化装置3中均匀照光以进行光活化。在一实施例中，安装孔设置为至少一排，例如图2所示为两排，但不限于此，亦可以其他方式配置。在一实施例中，安装孔的直径略小于样品管7的盖子的直径，以便样品管7可以插入安装孔并承载在样品托盘6上。此外，样品托盘6上可标示安装孔的编号，以利样品辨识及流程管控。

根据本案实施例的构想，用于活力PCR的光活化装置最主要达成的功效在于使生物样品可均匀照光并降低照光时间，以及可隔绝热对流或热辐射以避免损害生物样品。因此，本案实施例的生物样品是放置在隔热的壳体内，使得生物样品的温度不会受到热空气对流及高功率光源热辐射的影响。

根据本案实施例的构想，用于活力PCR的光活化装置主要包括光源、光学组件、冷却模块和控制模块，其中光源提供特定波长的光照射生物样品以进行光活化，光学组件用于使光束均匀以实现均匀照光且隔绝热辐射，冷却模块包括散热装置，用于维持生物样品的温度并防止降解，控制模块则用于控制光强度、光源曝光时间、以及设备的温度。

以下将配合图3至图5说明本案光活化装置的示范实施例，其中，图3显示光活化装置的立体图，图4显示图3光活化装置于A-A切面的剖面图，图5显示光活化装置的部分内部结构示意图。如图所示，光活化装置3主要包括光源31、滤光片32、漫射光学元件(diffusingoptics)33、反射结构34、以及散热装置35。

光源31架构于提供特定波长的光束，供照射于生物样品以进行光活化。在一实施例中，光源31包括至少一个发光二极管(LED)的配置，例如可为发光二极管电路板(LEDPCB)，其是为高功率表面粘着发光二极管阵列(SMD LED array)，波长范围为460至490nm，可与活力PCR的光活化染料反应。LED的配置可以是符合生物样品位置的矩形阵列，其中LED是排列为多个行及多个列，但不以此为限。当然，本案的光源不限于LED PCB，亦可采用光谱范围包括所需可见光光谱的其他类型光源，例如卤素灯、二极管激光器(diode laser)、通孔发光二极管(through-hole LED)、或其他面光源。

滤光片32设置于光源31的光径下游，架构于反射来自于光源31的红外光以降低热辐射。更具体而言，在一实施例中，滤光片32是选择性地让来自光源31且波长范围在400至800nm之间的特定光束穿过，且阻挡并反射红外光，以降低来自高功率光源的热辐射，避免损害生物样品。在一实施例中，滤光片32包括热镜(hot mirror)或低通滤波器(low passfilter)。

漫射光学元件33设置于滤光片32的光径下游，架构于均匀化穿过滤光片32的光束，亦即使从光源31发射并穿过滤光片32的光束均匀分布。在一实施例中，漫射光学元件33包括漫射光学膜(diffusing optical film)，其具有随机微观特征(randomlymicroscopic features)，可使光束均匀。当然，本案的漫射光学元件不限于漫射光学膜，亦可采用其他类型的漫射光学元件，例如光整形漫射器(light shaping diffuser)、漫射板(diffuser plates)、毛玻璃(ground glass)、动态漫射器(dynamic diffuser)、或是液体或液晶散斑减少器(liquid or liquid crystal speckle reducer)。漫射光学元件的优选偏角(deviation angle)是圆形且大于60°半高宽(full width at half maximum，FWHM)。

反射结构34设置于生物样品的周围，架构于反射穿过漫射光学元件33的光束，以强化均光效果。更具体而言，反射结构34是包围生物样品的壳体，且在反射结构34的内壁上贴附高反射材料，可增强光学散射，以在光活化过程中进一步均匀化光束，使生物样品可以充分利用反射结构34内部的散射光，提高光活化效率。在一实施例中，高反射材料包括反射膜(reflective film)，但不以此为限，亦可采用其他种类的材料，例如高度抛光镜面或反射涂层，也可为前述高反射材料的组合。

在一实施例中，反射结构34是由四个侧壁所构成的壳体，对应设置于样品托盘6的下方，以将容置生物样品的样品管7包围于其中，使光束在反射结构34内反射，实现生物样品的均匀照光。在一实施例中，样品托盘6的底面同样贴附高反射材料，例如反射膜、高度抛光镜面、及反射涂层的至少其中之一或其组合。换言之，样品管7的底部为出光面，而样品管7的周围四面及顶面共五个表面皆为反射面，故可强化均光效果。此外，反射结构34也可隔绝外部的热对流或热辐射，避免内部的生物样品受到损害。

在图4及图5所示实施例中，反射结构34的底部与漫射光学元件33之间尚有一间隙。而在另一实施例中，如图6所示，反射结构34的底部可直接抵顶于漫射光学元件33与滤光片32所形成的光学结构，亦即反射结构34与样品托盘6的底面、以及漫射光学元件33与滤光片32所形成的光学结构共同定义出一封闭壳体，使生物样品容置于封闭壳体内进行光活化过程，且隔绝外部的热对流或热辐射。

散热装置35邻设于光源31，例如图4及图5所示，散热装置35是设置于光源31的下方，且架构于对光活化装置进行散热，尤其是冷却由高功率光源所产生的热，以进一步降低光活化装置的温度，避免生物样品受到损害。散热装置35包括主动散热装置351及被动散热装置352，举例来说，被动式散热装置352设置在光源31下方，而主动散热装置351设置在被动散热装置352下方，这样的配置方式可提高散热效率，使光活化装置均匀地降温。

在一实施例中，主动散热装置351包括冷却风扇，且被动散热装置352包括散热鳍片，但不以此为限，亦可采用其他种类的温度控制装置，例如热电致冷器(thermoelectriccooler)或热管(thermal pipe)等。

因此，通过光活化装置3内各组件的配置，光源31所提供特定波长的光束会先穿过滤光片32再穿过漫射光学元件33而进入反射结构34，并经反射结构34的反射，使得在反射结构34内的不同生物样品都能得到均匀的照光，以提升光活化效率，并由滤光片32及反射结构34阻挡热辐射，再辅以散热装置35的冷却作用，可降低光活化装置3的温度，避免生物样品受到损害。

在一实施例中，光活化装置3还包括电源供应器36，架构于供电给光源31及主动散热装置351。在另一实施例中，光活化装置3还包括控制模块37，架构于控制光源强度、光源曝光时间、以及光活化装置的温度。

图7A及图7B显示光活化装置内的光束路径。以6x 2排列的12个样品管为例来说明，图7A显示长边的六个样品管受光情形，图7B则显示短边的两个样品管受光情形。如图所示，从光源31发出的特定波长的光束首先穿过滤光片32，然后穿过漫射光学元件33，再进入反射结构34的壳体内部，以对样品管7内的生物样品进行光活化。反射结构34内壁面及样品托盘6底面的反射膜会收集和反射散射光以增加光活化的光学效率。

图8显示光活化装置中六个样品管的吸光量。从图8可看出，六个样品管的吸光量相当接近，显示本案的实施例的光活化装置可以在光活化过程中均匀照射每个生物样品(Δt)和每管中不同的样品高度(Δh)，亦即本案的实施例的光活化装置能够使位在不同位置的生物样品都能均匀照光，以有效进行每个生物样品的光活化。

图9显示光活化装置中不同样品管中的光功率。从图9可看出，不同位置的样品管测得的光功率最大偏差约在13％左右，相较于市售装置有多达200％的偏差而言，本案的一实施例的光活化装置确实为每个生物样品提供相当均匀的照光，可有效进行每个生物样品的光活化。

图10显示光活化装置中生物样品的温度，其是由热传感器所监测。从图10可看出，在光活化过程中，生物样品的温度在30分钟时仍能保持在37℃以下，显示本案的实施例的光活化装置可有效散热，且避免生物样品受到高功率光源的热辐射所影响。

图11显示活力PCR的分析，其中病毒样品是于本案的一实施例的光活化装置进行2分钟光活化后，再于qPCR系统中扩增。从图11扩增曲线可看出，相较于未经光活化的样品，经光活化的样品的扩增被延迟(Cq值较大)，显示有效的光活化可清楚地从生物样品中区分活细胞及死细胞。此外，于本案的实施例的光活化装置进行2分钟照光，即足以有效进行光活化。

图12显示活力PCR的另一分析，其中病毒样品为HCoV-229E，且同样于本案的一实施例的光活化装置进行2分钟光活化后，再于qPCR系统中扩增。从图12扩增曲线可看出，当通过加热(例如加热至75℃)使活的(感染性)病毒失活时，大多数细胞会死亡，故在染料处理及光活化后，会导致扩增延迟。而在失活229E纯化对照、感染性229E纯化对照、及经过染料处理但未进行光活化的失活229E中，则可得到正常扩增。因此，经本案实施例的光活化装置进行有效光活化后，有助于活力PCR区分活细胞及死细胞，进而检测病毒的感染力。

另一方面，本案实施例更提供一种光活化装置的控制方法。首先，将与光活化染料预混合的生物样品分配到样品管中，并将样品管放置在样品托盘的安装孔中。然后关闭光活化装置的上盖，并利用定时器设定光活化所需时间。随后，开启光活化装置，以启动光源及散热装置开始光活化过程。定时器计时结束后，光源将关闭，散热装置则继续运作，直到光活化装置的内部温度达到室温。在光活化过程中，如果光活化装置的内部温度超过可接受的温度，光活化装置会发出警告信号，并终止光活化过程。

综上所述，本案实施例提供了一种光活化装置及其控制方法，是利用光学、热学、电学、及控制领域的新颖设计来提高光活化效率。光活化装置可以在光活化过程中均匀照射每个生物样品的每个位置。光源的特定间距与排列，以及滤光片与漫射光学元件的应用，更有助于实现均匀照明，不仅降低了功耗，还避免了可能损害生物样品的局部温度升高。与现有技术相比，本案实施例的光活化装置使用较少的光源，提高了光学性能，且减少了光活化时间，因此具有较佳的效率。光活化装置有助于消除死细胞核酸所造成的假阳性效应，从而辅助qPCR系统的准确诊断。独立的光活化装置还包括定时器及光源的温度控制与电流控制。使用者也无须记住复杂的操作过程即可进行光活化，因此非常人性化。此外，本案设计考虑了很多方面，包括光学元件的设计与材料特性、散热结构设计、光源的机构布局、以及装置的电路控制，因此提升了本案光活化装置的最佳性能。

纵使本发明已由上述实施例详细叙述而可由熟悉本技艺人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附权利要求所欲保护者。

Claims (16)

1.一种用于活力PCR的光活化装置，包括：

一光源，架构于提供一具特定波长的光束，供照射于一生物样品以进行光活化；

一滤光片，设置于该光源的光径下游，架构于反射来自于该光源的红外光以降低热辐射；

一漫射光学元件，设置于该滤光片的光径下游，架构于均匀化穿过该滤光片的该光束；

一反射结构，设置于该生物样品的周围，架构于反射穿过该漫射光学元件的该光束以强化均光效果；以及

一散热装置，邻设于该光源，架构于对该光活化装置进行散热；

借此，该光源提供的该光束先穿过该滤光片再穿过该漫射光学元件，并经该反射结构的反射，使得该生物样品得到均匀的照光，以提升光活化效率，并由该滤光片及该反射结构阻挡热辐射，以避免损害该生物样品。

2.如权利要求1所述的用于活力PCR的光活化装置，其中该光源包括一发光二极管电路板、一卤素灯、一二极管激光器、或一通孔发光二极管。

3.如权利要求1所述的用于活力PCR的光活化装置，其中该滤光片包括一热镜或一低通滤波器。

4.如权利要求1所述的用于活力PCR的光活化装置，其中该漫射光学元件包括一漫射光学膜、一光整形漫射器、一漫射板、一毛玻璃、一动态漫射器、或一液体或液晶散斑减少器。

5.如权利要求1所述的用于活力PCR的光活化装置，其中该漫射光学元件的一偏角大于60°半高宽。

6.如权利要求1所述的用于活力PCR的光活化装置，其中该反射结构为一包围该生物样品的壳体，且该壳体的内壁上贴附一高反射材料。

7.如权利要求6所述的用于活力PCR的光活化装置，其中该高反射材料包括一反射膜、一高度抛光镜面、及一反射涂层的至少其中之一或其组合。

8.如权利要求6所述的用于活力PCR的光活化装置，还包括一样品托盘，供多个容置该生物样品的样品管承载于其上，其中该反射结构对应设置于该样品托盘的下方，以将该多个样品管包围于其中。

9.如权利要求8所述的用于活力PCR的光活化装置，其中该样品托盘的一底面贴附一高反射材料。

10.如权利要求9所述的用于活力PCR的光活化装置，其中该高反射材料包括一反射膜、一高度抛光镜面、及一反射涂层的至少其中之一或其组合。

11.如权利要求1所述的用于活力PCR的光活化装置，其中该散热装置包括一主动散热装置及一被动散热装置。

12.如权利要求11所述的用于活力PCR的光活化装置，其中该主动散热装置包括一冷却风扇。

13.如权利要求11所述的用于活力PCR的光活化装置，其中该被动散热装置包括一散热鳍片。

14.如权利要求1所述的用于活力PCR的光活化装置，还包括一电源供应器，架构于供电给该光源及该散热装置。

15.如权利要求1所述的用于活力PCR的光活化装置，还包括一控制模块，架构于控制该光源的强度、该光源的曝光时间、以及该光活化装置的温度。

16.一种如权利要求1所述的用于活力PCR的光活化装置的控制方法，包括步骤：

将与一光活化染料预混合的该生物样品分配到一样品管中，并将该样品管放置在该光活化装置的一样品托盘中；

关闭该光活化装置的一上盖，并利用一定时器设定光活化所需时间；以及

开启该光活化装置，以启动该光源及该散热装置开始光活化过程。

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