TW201323608A - 可攜式核酸序列擴增裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係揭露一種可攜式核酸序列擴增裝置，用於藉由熱對流聚合酶連鎖反應擴增核酸片段，主要包含電源、定溫加熱單元及承載座，其中，定溫加熱單元係根據電源所提供之輸出電壓而對應產生加熱溫度，承載座係與定溫加熱單元連接並加熱承載部上之容置部中的樣本容器，進而使樣本容器中的核酸片段進行熱對流之聚合酶鏈鎖反應；因此，本發明係具有裝置小型化、方便攜帶、操作簡單等優點，利用單一定溫熱源進行熱對流聚合酶連鎖反應，而不需要習知技術中用於達成聚合酶連鎖反應中溫度循環所必要之溫度控制器。

Description

可攜式核酸序列擴增裝置

本發明係關於一種可攜式核酸序列擴增裝置，尤指一種小型化、方便攜帶且操作簡單之可攜式核酸序列擴增裝置。

聚合酶連鎖反應(Polymerase chain reaction，PCR)技術係為已成熟並廣泛運用到各種臨床醫療、疾病檢測、農業改良、鑑定科學等方面之生物技術，其係將包含有標的DNA(Target DNA)與PCR反應試劑(主要包含DNA聚合酶、dATP、dCTP、dGTP、dTTP及與標的DNA序列互補之3’端的序列之寡核苷酸引子等)樣本溶液進行下列依序且重複之三步驟的溫度循環：(1)DNA高溫變性(denaturation)，以90~96℃的高溫使雙股的標的DNA裂解成單股DNA；(2)引子黏合作用(annealing)，將溫度降至50~60℃，使得引子(primer)與其互補的單股DNA配對黏合；(3)引子延伸作用(extension)，升溫到72℃，利用耐熱性(thermostable)的聚合酵素從引子黏合處開始進行有方向性(5’→3’)的聚合作用，進而延伸成一條完整的互補DNA片段。

由於聚合酶連鎖反應需經歷上述三步驟的溫度循環，習知的聚合酶連鎖反應儀器需搭配具有精準溫度控制的溫度循環儀(hermocycler)來進行，藉由自動化控制溫度升降及維持溫度的時間長短，並利用制冷晶片以熱傳導方式加熱儀器內部的金屬塊，以使金屬塊溫度的改變間接加熱或冷卻放置於金屬塊中的聚丙烯PCR反應管形成升降溫的溫度循環，PCR反應管內的樣本溶液進行擴增該標的DNA之聚合酶連鎖反應，其中，完成一次核酸擴增反應需耗費2~3小時。另一習知聚合酶連鎖反應儀器係以空氣循環機(air cycler)利用金屬線圈(wire coil)加熱腔體空氣，並引入環境冷空氣來進行降溫，藉由循環空氣形成三步驟的溫度循環來加熱玻璃毛細管，使其內部PCR反應試劑發生反應，而由於空氣熱容量(heat capacity)低，加上玻璃毛細管熱傳導係數較高，因此可大幅降低升降溫時間，可使整個核酸擴增反應約1小時完成。

然而，上述習知的聚合酶連鎖反應儀器係由於需要用於實施該三步驟的溫度循環之溫度控制器，導致價格高昂、裝置結構複雜且體積龐大等缺點，並且，由於升降溫時加熱媒介(金屬塊或腔體內之空氣)與樣本溶液之間的達熱平衡時間之限制，而使得核酸擴增反應的總時間無法進一步降低。

因此，為解決上述由於溫度控制因素所造成之問題，而有一種應用流體熱對流效應之聚合酶連鎖反應的技術被提出，其係將DNA片段與PCR反應試劑的樣本溶液容納於樣本容器中，該樣本容器之尺寸與形狀必須為可使其內部之樣本溶液可形成穩定並均勻之熱對流循環的狀態，以使樣本溶液中產生流體的熱對流效應而經歷不同的溫度循環，達成符合熱對流聚合酶連鎖反應之溫度循環條件，進而使DNA片段與PCR反應試劑完成核酸擴增反應，故可藉由提供固定溫度的熱源來達成，而減少升降溫之溫度循環的機制與結構，並省去DNA片段與PCR反應試劑於升降溫過程中熱平衡所需的時間。然而，目前應用熱對流之聚合酶連鎖反應的裝置係利用至少二定溫熱源來形成至少二溫度區域，以造成流體熱對流所需之溫差而循環流動，故需要提供多個熱源供應器或以一熱源供應器配合其他溫度控制器來達成；此外，習知的熱源供應器(例如利用加熱片、加熱棒、加熱線圈等熱源供應裝置)為了維持固定的溫度，必須加裝散熱或冷卻結構以避免熱量累積而影響定溫的維持；因此，現有習知應用熱對流之聚合酶連鎖反應裝置的構造仍無法簡化且成本高昂。

另一方面，由於上述習知技術中裝置體積龐大、結構複雜及高成本等缺點，故以聚合酶連鎖反應擴增核酸序列的應用係限於實驗室或醫療中心的大量篩檢當中，而無法滿足個人醫療、居家照護或現場檢測等用於小量檢測、方便攜帶且操作簡單之需求。

本發明之一目的係提出一種可攜式核酸序列擴增裝置，其係具有裝置小型化、方便攜帶、操作簡單等優點，利用單一定溫熱源以進行熱對流聚合酶連鎖反應，而不需要習知技術中用於達成PCR溫度循環所必要之溫度控制器。

為達上述之發明目的，本發明係提供一種可攜式核酸序列擴增裝置，用於藉由熱對流聚合酶連鎖反應擴增一核酸片段，包含：一電源，係提供一輸出電壓；一定溫加熱單元，係與該電源電性連接，並根據該輸出電壓對應產生一加熱溫度；以及一承載座，係與該定溫加熱單元連接並具有一容置部，該容置部係用於接觸一樣本容器表面之一被加熱區，該樣本容器係用於容納具有該核酸片段之樣本溶液。

上述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中該定溫加熱單元係包含一正溫度係數熱敏電阻。

上述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中該加熱溫度係介於95-99℃之間。

上述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中該樣本容器係為圓管形之一毛細管；並且，該容置部係可為一凹槽，該凹槽係對應於該毛細管之底部形狀，以使該被加熱區包含該樣本容器之底部表面的全部；或者，該容置部係為一凹孔，以使該被加熱區形成環狀加熱該樣本容器之側面或底部表面的一部分；此外，該毛細管之內徑係介於0.6-5.0 mm。

上述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中該承載座係由金屬所製成。

上述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中該電源係為鋰電池，並且，該輸出電壓係為3.7伏特。

上述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中進一步包含一控制電路，其係串聯於該電源與該定溫加熱單元之間，該控制電路係具有一電源開關；其中，該控制電路係可進一步具有一可變電阻，用以調整提供至該定溫加熱單元之輸出電壓；或者，該控制電路係可進一步具有一切換開關及一電阻，該切換開關係用於切換該電阻與該控制電路形成通路，以使該輸出電壓通過該電阻而產生壓降。

上述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中進一步包含一殼體，用於容置該電源、該定溫加熱單元及該承載座。

上述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中該樣本溶液之總體積為75μl。

因此，本發明之可攜式核酸序列擴增裝置，其係藉由定溫加熱單元提供單一定溫熱源以進行熱對流聚合酶連鎖反應，而無須具備用於達成PCR溫度循環所必要之溫度控制器，同時，本發明之可攜式核酸序列擴增裝置係用於例如居家照護、個人保健之小樣本量增生，故定溫加熱單元所需之加熱面積小，而可具備加熱穩定、便於攜帶、操作簡單、耗電量低等功效，此外，由於省去溫度控制器等外加裝置及採用結構簡單之定溫加熱單元，故更可大幅降低製造成本。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：請參照第1圖及第2圖，其係為本發明第一實施例之可攜式核酸序列擴增裝置的示意圖及部分示意圖。本發明第一實施例之可攜式核酸序列擴增裝置1係用於藉由熱對流聚合酶連鎖反應擴增核酸片段，主要包含：電源10、定溫加熱單元20及承載座30，其中，電源10係提供一輸出電壓；定溫加熱單元20係與電源10電性連接，並根據該輸出電壓對應產生一加熱溫度；承載座30係與定溫加熱單元20連接並具有容置部31，容置部31係用於接觸樣本容器40表面之被加熱區41，該樣本容器40係用於容納具有該核酸片段之樣本容液100；並且，可攜式核酸序列擴增裝置1係可進一步具有殼體60，用於容置電源10、定溫加熱單元20及承載座30於其中。

因此，本發明第一實施例之可攜式核酸序列擴增裝置1係將含有核酸片段及PCR反應試劑的樣本溶液100容納於樣本容器40內，再將樣本容器40放置於承載座30之容置部31中，而樣本容器40之表面與容置部31接觸的區域係定義為被加熱區41，故當定溫加熱單元20運作並以該加熱溫度加熱該承載座30時，被加熱區41係為樣本容器40上形成相對高溫的區域，使當中的樣本溶液100由初始的靜止流體狀態被加熱而產生熱對流循環現象，以進行熱對流之聚合酶連鎖反應，即樣本溶液100係由於熱對流循環而經歷不同之溫度，並使其中之核酸片段於一段時間內依序發生及重複變性反應、煉合反應及延伸反應三步驟，進而達成核酸片段的擴增；據此，本發明第一實施例之可攜式核酸序列擴增裝置1運作時，可藉由定溫加熱單元20對應於電源10所提供之輸出電壓而產生加熱溫度來加熱承載座30，並藉由容置部31將樣本容器40的被加熱區41維持在穩定之溫度，而使樣本容器40中的樣本溶液100形成穩定的熱對流循環並持續一段時間，進而完成聚合酶連鎖反應。

本發明第一實施例之可攜式核酸序列擴增裝置1中，定溫加熱單元20係包含一正溫度係數熱敏電阻(positive temperature coefficient thermistor，PTC thermistor)，其係為一種通電時具有自發熱特性之材料，其本身之電阻值係隨溫度升高而增加，而當正溫度係數熱敏電阻本身之溫度超過一定的溫度時，其電阻值將隨溫度的升高成階躍性的增加並使流通之電流迅速下降，故可造成正溫度係數熱敏電阻表面而穩定維持一定溫；如圖所示，電源10以正、負電源電性連接於正溫度係數熱敏電阻表面之電極，當電源10穩定地提供特定的輸出電壓時，正溫度係數熱敏電阻由於電流熱效應而使本身溫度上升，且達到對應該特定的輸出電壓之特定溫度值並維持所供電的期間，以作為加熱溫度；其中，正溫度係數熱敏電阻所維持之特定溫度值係與電源10所提供之輸出電壓相關，故可藉由調整電源10之輸出電壓的量值而改變正溫度係數熱敏電阻所維持之特定溫度值，而達成不同之加熱溫度；此外，於本實施例中係以圓板狀之陶瓷正溫度係數熱敏電阻作為示例說明，其直徑為8mm、厚度為2.5mm、最高工作溫度120℃及常溫下電阻值為14Ω，如第3圖所示，其係於本實施例中正溫度係數熱敏電阻根據電源10供應不同量值之輸出電壓而可達成對應之特定溫度值，當電源10所提供之輸出電壓為3.7伏特時，正溫度係數熱敏電阻可達成97.1℃之加熱溫度並維持30分鐘以上，以進行本實施例之熱對流聚合酶連鎖反應；另外，正溫度係數熱敏電阻之形狀及規格係不限於本實施例中之示例，其係可為其他符合本發明可攜式目的及溫度需求之形狀及規格，例如，該加熱溫度係介於95-99°C之間，始可成功進行熱對流之聚合酶連鎖反應。

於本實施例中，樣本容器40係為圓管形之毛細管，其內徑係可介於0.6-5.0 mm，於本實施例中係採用高度為32 mm、內徑為2.3 mm、外徑3.2mm之玻璃毛細管作為示例，其係使容納於其中之75μl之樣本溶液100可形成穩定的熱對流循環，藉以達成核酸片段之聚合酶連鎖反應；其中，容置部31係形成於承載座20表面之一凹槽，該凹槽係對應於該毛細管之底部形狀，以使被加熱區41包含樣本容器40之底部表面的全部，而加熱樣本容器40之整個底部。

於本實施例中，承載座20係由導熱性良好之金屬所製成，其係可例如為鋁、鋁合金、鐵、鋼、銅等材料，藉以使定溫加熱單元20與承載座20之間可快速達成熱平衡。

於本實施例中，電源10係為鋰電池，其係可提供3.7伏特之輸出電壓至定溫加熱單元20；並且，電源10係較佳為二次性鋰電池，其係可提供穩定的輸出電壓，並具有能量密度高、輸出功率大、放電電壓平緩、自放電率極低及充放電循環可達500次以上等優點，更可達成可攜式之目的。此外，可攜式核酸序列擴增裝置1係可進一步包含控制電路50，其係串聯於電源10與定溫加熱單元20之間，控制電路50係具有電源開關51，用於控制電源10與定溫加熱單元20之間形成通路或斷路。

因此，由本發明第一實施例之可攜式核酸序列擴增裝置1係採用正溫度係數熱敏電阻作為定溫加熱單元20、以鋰電池作為電源10，加上小體積之玻璃毛細管，而可達成整體裝置的體積小型化、利於攜帶且方便使用的目的。

請參照第4圖及第5圖，其係為本發明第二實施例之可攜式核酸序列擴增裝置的示意圖及剖面示意圖。不同於上述第一實施例之處在於，第二實施例之可攜式核酸序列擴增裝置中，容置部31’係形成於承載座20表面之一凹孔，該凹孔係貫穿承載座20，並具有對應於該毛細管之底部的環狀部份而形成環狀的曲面，以使該被加熱區41’形成環狀加熱該樣本容器之底部表面的一部分；或者，該凹孔係可為具有對應於該毛細管之側面而形成環狀圍繞的內表面，以使該被加熱區形成環狀加熱該樣本容器鄰近底部之側面(圖未示)；而於本實施例中，定溫加熱單元20’可採用具有中間圓孔之正溫度係數熱敏電阻。

請參照第6圖，其係為本發明第三實施例之可攜式核酸序列擴增裝置進一步包含控制電路的示意圖。於本實施例中，控制電路50係具有一可變電阻52，用以調整提供至定溫加熱單元20之輸出電壓，藉以獲得所需之加熱溫度。

請參照第7圖，其係為本發明第四實施例之可攜式核酸序列擴增裝置進一步包含控制電路的示意圖。於本實施例中，控制電路50係具有一切換開關53及一電阻54，該切換開關53係用於切換電阻54與該控制電路50形成通路，以使該輸出電壓通過電阻54而產生壓降，因此，可藉由控制電路50使固定規格之電源10所輸出之輸出電壓產生壓降後再提供至定溫加熱單元20，以使定溫加熱單元20根據壓降後之輸出電壓的量值而對應產生加熱溫度。

因此，藉由上述第三實施例或第四實施例之可攜式核酸序列擴增裝置係可藉由控制單元50控制定溫加熱單元20的加熱溫度，而可具備可調之加熱溫度來定溫加熱承載座及樣本溶液，故可進行例如為RNA之核酸片段的擴增時其反轉錄階段所需之溫度，而使本發明之可攜式核酸序列擴增裝置具備更廣泛的應用性。

因此，本發明之可攜式核酸序列擴增裝置，其係藉由定溫加熱單元提供單一定溫熱源以進行熱對流聚合酶連鎖反應，而無須具備用於達成PCR溫度循環所必要之溫度控制器，同時，本發明之可攜式核酸序列擴增裝置係用於例如居家照護、個人保健之小樣本量增生，故定溫加熱單元所需之加熱面積小，而可具備加熱穩定、便於攜帶、操作簡單、耗電量低等功效，此外，由於不需要溫度控制器等外加裝置及採用結構簡單之定溫加熱單元，故更可大幅降低製造成本。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

1．．．可攜式核酸序列擴增裝置

10．．．電源

20．．．定溫加熱單元

20’．．．定溫加熱單元

30．．．承載座

31．．．容置部

31’．．．容置部

40．．．樣本容器

41．．．被加熱區

41’．．．被加熱區

50．．．控制電路

51．．．電源開關

52．．．可變電阻

53．．．切換開關

54．．．電阻

60．．．殼體

100．．．樣本容液

第1圖為本發明第一實施例之可攜式核酸序列擴增裝置的示意圖。

第2圖為本發明第一實施例之可攜式核酸序列擴增裝置的部分示意圖。

第3圖係顯示本發明第一實施例中正溫度係數熱敏電阻根據電源供應不同量值之輸出電壓而可達成對應之特定溫度值的示意圖。

第4圖為本發明第二實施例之可攜式核酸序列擴增裝置的示意圖。

第5圖為本發明第二實施例之可攜式核酸序列擴增裝置的剖面示意圖。

第6圖係為本發明第三實施例之可攜式核酸序列擴增裝置進一步包含控制電路的示意圖。

第7圖係為本發明第四實施例之可攜式核酸序列擴增裝置進一步包含控制電路的示意圖。

1．．．可攜式核酸序列擴增裝置

10．．．電源

20．．．定溫加熱單元

30．．．承載座

31．．．容置部

40．．．樣本容器

50．．．控制電路

51．．．電源開關

60．．．殼體

100．．．樣本容液

Claims (15)

1. 一種可攜式核酸序列擴增裝置，用於藉由熱對流聚合酶連鎖反應擴增一核酸片段，包含：一電源，係提供一輸出電壓；一定溫加熱單元，係與該電源電性連接，並根據該輸出電壓對應產生一加熱溫度；以及一承載座，係與該定溫加熱單元連接並具有一容置部，該容置部係用於接觸一樣本容器表面之一被加熱區，該樣本容器係用於容納具有該核酸片段之樣本溶液。
2. 如申請專利範圍第1項所述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中該定溫加熱單元係包含一正溫度係數熱敏電阻。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中該加熱溫度係介於95-99℃之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中該樣本容器係為圓管形之一毛細管。
5. 如申請專利範圍第4項所述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中該容置部係為一凹槽，該凹槽係對應於該毛細管之底部形狀，以使該被加熱區包含該樣本容器之底部表面的全部。
6. 如申請專利範圍第4項所述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中該容置部係為一凹孔，以使該被加熱區形成環狀加熱該樣本容器之側面或底部表面的一部分。
7. 如申請專利範圍第4項所述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中該毛細管之內徑係介於0.6-5.0 mm。
8. 如申請專利範圍第1項所述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中該承載座係由金屬所製成。
9. 如申請專利範圍第1項所述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中該電源係為鋰電池。
10. 如申請專利範圍第9項所述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中該輸出電壓係為3.7伏特。
11. 如申請專利範圍第1項所述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中進一步包含一控制電路，其係串聯於該電源與該定溫加熱單元之間，該控制電路係具有一電源開關。
12. 如申請專利範圍第11項所述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中該控制電路係進一步具有一可變電阻，用以調整提供至該定溫加熱單元之輸出電壓。
13. 如申請專利範圍第11項所述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中該控制電路係進一步具有一切換開關及一電阻，該切換開關係用於切換該電阻與該控制電路形成通路，以使該輸出電壓通過該電阻而產生壓降。
14. 如申請專利範圍第1項所述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中進一步包含一殼體，用於容置該電源、該定溫加熱單元及該承載座。
15. 如申請專利範圍第1項所述之可攜式核酸序列擴增裝置，其中該樣本溶液之總體積為75μl。