TW201339308A - 核酸序列擴增檢測裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係揭露一種核酸序列擴增檢測裝置，用於提供樣本溶液中之核酸片段進行擴增反應，主要包含反應單元、承載單元、定溫加熱單元、光學偵測單元、隔離單元、控制單元及處理單元，定溫加熱單元係連接承載單元以提供反應單元被定溫加熱，光學偵測單元係具有激發光源及光學感測器，用以偵測樣本溶液中的螢光染劑之放射光並產生感測訊號至處理單元，以計算分析樣本溶液之定量結果；故本發明係可達成核酸序列擴增及定量分析，而藉由定溫熱源進行熱對流聚合酶連鎖反應，可省去習知技術中用於聚合酶連鎖反應之反覆溫度循環所必要之複雜機構。

Description

核酸序列擴增檢測裝置

本發明係關於一種核酸序列擴增檢測裝置，應用於藉由熱對流聚合酶鏈鎖反應對樣本溶液中之核酸片段進行擴增與定量分析。

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(thermocycler)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核酸序列擴增檢測裝置，其可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。

本發明之另一目的係提出一種核酸序列擴增檢測裝置，其可具有不同光路徑之配置，進而提供不同激發光源與光學感測器配置方式的核酸序列擴增檢測裝置。

本發明之再一目的係提出一種核酸序列擴增檢測裝置，其可藉由處理單元來分析並計算光學偵測單元所送出之感測訊號，而達成核酸擴增結果定量分析之功效。

為達上述之發明目的，本發明係提供一種核酸序列擴增檢測裝置，應用於對一樣本溶液中之核酸片段進行熱對流聚合酶連鎖反應，該樣本溶液中係添加有核酸螢光染劑，該核酸序列擴增檢測裝置包含：一反應單元，具有複數樣本容置部，各該樣本容置部用於裝填該樣本溶液；一承載單元，係設置於該反應單元之底部，並具有用於對各該樣本容置部傳熱之複數承載部；一定溫加熱單元，係具有一加熱器及一溫度控制器，該加熱器係連接於該承載單元，該溫度控制器係控制該加熱器維持加熱溫度；一光學偵測單元，係具有至少一激發光源及複數光學感測器，該激發光源提供激發光至各該樣本容置部，各該光學感測器係用於感測該核酸螢光染劑所產生之放射光並對應產生複數感測訊號，其中，該激發光源與各該樣本容置部之間係具有一激發光路徑，各該光學感測器與各該樣本容置部之間係具有一放射光路徑；一隔離單元，係設置於各該樣本容置部之間，用於區隔該等樣本容置部所產生之放射光；一控制單元，係電性連接於該光學偵測單元，用於控制該光學偵測單元之光學參數；一處理單元，係電性連接於該光學偵測單元，用於接收並記錄該等感測訊號，並根據該等感測訊號計算分析各該樣本溶液中之核酸片段。

上述之核酸序列擴增檢測裝置中，各該承載部係穿設有一通道，該激發光源係設置於該承載單元下方以使各該激發光路徑通過各該通道。

上述之核酸序列擴增檢測裝置中，該等光學感測器係設置於該反應單元上方，各該放射光路徑係平行於各該激發光路徑。

上述之核酸序列擴增檢測裝置中，該等光學感測器係設置於該反應單元鄰側，各該放射光路徑係垂直於各該激發光路徑。

上述之核酸序列擴增檢測裝置中，該激發光源與各該光學感測器係分別設置於該樣本容置部鄰側，各該放射光路徑與各該激發光路徑之間係具有一夾角，該夾角係藉於20度至160度之間；較佳地是，該夾角係藉於40度至140度之間。

上述之核酸序列擴增檢測裝置中，該定溫加熱單元係進一步包含散熱風扇及散熱鰭片，該散熱風扇係電性連接該溫度控制器。

上述之核酸序列擴增檢測裝置中，該加熱器係為加熱柱或加熱片。

上述之核酸序列擴增檢測裝置中，該加熱器係為熱電冷卻器(thermoelectric cooler)，該承載單元係連接於該熱電冷卻器之加熱面。

上述之核酸序列擴增檢測裝置中，該光學偵測單元係進一步包含一激發光濾光器及一放射光濾光器，該激發光濾光器係設置於該激發光路徑中，該放射光濾光器係設置於該放射光路徑中。

上述之核酸序列擴增檢測裝置中，該激發光源係為發光二極體(LED)。

上述之核酸序列擴增檢測裝置中，該光學感測器為電荷耦合元件(CCD，Charge-coupled Device)或顏色感測器(Color sensor)。

上述之核酸序列擴增檢測裝置中，光學參數包含該激發光源之激發光強度、該光學感測器感測該放射光之曝光時間、該光學感測器感測該放射光之總時間、該光學感測器產生該等感測訊號之間的間隔時間或該光學感測器產生該等感測訊號的次數。

上述之核酸序列擴增檢測裝置中，各該樣本容置部係為圓管形之一玻璃毛細管；其中，各該樣本容置部係具有2.3mm之內徑及0.45之壁面厚度，且該樣本溶液之總體積為50~100μl。

上述之核酸序列擴增檢測裝置中，各該樣本容置部中之樣本溶液的高度與各該樣本容置部之內徑的比值係為6~9。

上述之核酸序列擴增檢測裝置中，其進一步包含一顯示單元，其係電性連接該處理單元，用於顯示該處理單元所計算分析之結果，其中，該顯示單元係可包含顯示螢幕及指示燈號的至少其中之一者。

上述之核酸序列擴增檢測裝置中，其進一步包含一操作單元，其係電性連接該定溫加熱單元與該控制單元，該操作單元係具有一使用者介面，用於讓使用者操作控制該定溫加熱單元與該控制單元；顯示單元係電性連接該處理單元及該操作單元，用於顯示該處理單元所計算分析之結果及一操作介面。

因此，本發明之核酸序列擴增檢測裝置係可藉由提供定溫加熱的方式來進行熱對流聚合酶鏈鎖反應，且不需要習知核酸擴增反應裝置所必要之熱循環控制機制，而可簡化內部結構、降低硬體成本，而可利於小型化、個人化且低廉普及的檢測裝置，進而使核酸檢測裝置實現於個人醫療及居家照護之應用。

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，並且，於各實施例與圖式中，類似之元件符號係參照相同或近似之技術內容，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核酸序列擴增檢測裝置的示意圖及部分示意圖。本發明第一實施例之核酸序列擴增檢測裝置100係用於對一樣本溶液1中之核酸片段進行熱對流聚合酶連鎖反應，該樣本溶液1中係添加有核酸螢光染劑(DNA binding dye)，核酸螢光染劑係為一種只會與雙股螺旋DNA結合的螢光染劑，並在特定波長之激發光的照射下放射螢光，而隨著聚合酶連鎖反應的進行，樣本溶液1中的雙股螺旋DNA逐漸地增加，進而使樣本溶液1所產生的放射光強度逐漸增強。

本發明第一實施例之核酸序列擴增裝置100主要包含：反應單元110、承載單元120、定溫加熱單元130、光學偵測單元140、隔離單元150、控制單元160及處理單元170，其中，反應單元110係具有複數樣本容置部111，樣本容置部111用於裝填樣本溶液1；承載單元120係設置於反應單元110之底部，並具有用於對每一樣本容置部111傳熱之複數承載部121；定溫加熱單元130係具有加熱器131及溫度控制器132，加熱器131係連接於承載單元120，溫度控制器係控制加熱器131維持加熱溫度；光學偵測單元140係具有至少一激發光源141及複數光學感測器142，激發光源141提供激發光至每一樣本容置部111，光學感測器142係用於感測核酸螢光染劑所產生之放射光並對應產生複數感測訊號，其中，激發光源141與每一樣本容置部111之間各具有一激發光路徑A1，每一光學感測器142與每一樣本容置部111之間各具有一放射光路徑B1；隔離單元150係設置於每一樣本容置部111之間，用於區隔該等樣本容置部111所產生之放射光；控制單元160係電性連接於光學偵測單元140，用於控制光學偵測單140元之光學參數；處理單元170係電性連接於光學偵測單元140，用於接收並記錄感測訊號，並根據感測訊號計算分析每一樣本溶液1中之核酸片段。

於本發明第一實施例中，承載單元120係可例如為鋁塊等導熱性良好之金屬，承載部121係例如為鋁塊表面之凹槽結構，用於對每一樣本容置部111傳熱，並且，承載部121係穿設有通道122，激發光源141係設置於承載單元120下方以使激發光路A1徑通過通道122；並且，光學感測器142係設置於反應單元110上方，每一光學感測器142係與每一樣本容置部111逐一對應，用以分別偵測每一樣本容置部111中的樣本溶液1所產生之放射光；特別參照於第2圖所示，本發明第一實施例之光學偵測單元140中，每一放射光路徑B1係平行於每一激發光路徑A1，即激發光源141所發出的激發光係由每一樣本容置部111的底部進入其中，並通過樣本容置部111中的樣本溶液1，使樣本溶液1中的核酸螢光染劑產生放射光至樣本容置部111上方的光學感測器142。

此外，承載單元120係不限於鋁塊，其係可由任何導熱性良好之材料所製成，例如為鋁合金、鐵、鋼、銅等材料，藉以使定溫加熱單元130之加熱器131與承載單元120之間可快速達成熱平衡。

於本發明第一實施例中，定溫加熱單元130係進一步包含散熱風扇133及散熱鰭片134，散熱風扇133係電性連接該溫度控制器132，用以藉由溫度控制器132控制該加熱器131而維持特定的加熱溫度，藉以提供熱對流聚合酶鏈鎖反應所需要之定溫加熱；其中，溫度控制器132係具有溫度感測元件與控制元件，溫度感測元件例如為熱電偶、控制元件例如為PID控制器，藉由溫度感測元件感測加熱器131及/或承載單元120之溫度，並與預設之特定溫度進行比較，再藉由控制元件控制加熱器131之加熱功率，及/或控制散熱風扇之運轉功率以進行強制散熱，藉此維持特定的加熱溫度。

本發明第一實施例之定溫加熱單元130中，加熱器131係為加熱柱，其係可埋設於示例為鋁塊的承載單元120中，藉以使承載單元120之承載部121傳熱至該樣本容置部111，以提供樣本容置部111中的樣本溶液1進行熱對流聚合酶反應所需之定溫熱源；然而，該加熱器131的種類係不限於此，其係可為加熱片或熱電冷卻器(thermoelectric cooler)等可提供所需溫度之加熱器。

於本發明第一實施例中，激發光源141所提供之激發光波長係根據核酸螢光染劑所適用之激發光波長，舉例而言，核酸螢光染劑SYBR Green I所適用之激發光波長約為480nm，且其放射光波長約為530nm，因此，本發明第一實施例之光學偵測單元140中進一步包含激發光濾光器143，其係設置於激發光路徑A1中，即激發光濾光器143係設置於激發光源141之前，用以使提供至樣本容置部111的激發光之波長限制在所需之特定範圍中；同時，為了光學偵測的敏感度，光學偵測單元140中進一步包含一放射光濾光器144，其係設置於放射光路徑B1中，即放射光濾光器144係設置於光學感測器142之前，用以將光學感測器142所偵測到的放射光波長限制在所需之特定範圍中，可濾除其他環境雜光訊號的影響，藉此提高光學偵測之敏感度。

於本發明第一實施例及圖式中，激發光源141係以發光二極體(LED)作為示例，然係不限於此，凡可對應該核酸螢光染劑所需之激發光波長範圍之光源均可應用於本發明之中；此外，本發明第一實施例之光學感測器142係以顏色感測器(color sensor)作為示例，然係不限於此，凡其感測波長可包含核酸螢光染劑之放射光波長範圍之光學感測元件均可應用於本發明之中，例如電荷耦合元件(CCD，Charge-coupled Device)等。

於本發明第一實施例中，控制單元160係電性連接於光學偵測單元140，用於控制光學偵測單140元之光學參數，其中，光學參數包含該激發光源141之激發光強度、該光學感測器142感測該放射光之曝光時間、該光學感測器142感測該放射光之總時間、該光學感測器142產生該等感測訊號之間的間隔時間或該光學感測器142產生該等感測訊號的次數等，用以根據需求來調整每一次檢測之光學參數及取樣數量。

於本發明第一實施例中，樣本容置部111係示例為圓管形之玻璃毛細管，其具有2.3 mm之內徑及0.45之壁面厚度，以將總體積為50~100μl之樣本溶液1裝填於樣本容置部111中，較佳的是，以總體積為75μl之樣本溶液1裝填於樣本容置部111中，而可藉由於底部定溫加熱而形成穩定的液體熱對流循環，使得樣本溶液1中的核酸片段與化學試劑隨著液體熱對流循環而經歷聚合酶鏈鎖反應所需之三溫度循環，藉以達成核酸片段之擴增反應；此外，圓管形之玻璃毛細管之尺寸與該樣本容液之總體積係不限於此，只要該樣本容置部之尺寸可使裝填於其中的樣本溶液1於底部定溫加熱下而形生穩定熱對流循環，進而達成核酸序列之聚合酶鏈鎖反應，均應屬於本發明申請專利範圍之範疇中；較佳地是，本發明之核酸序列擴增檢測裝置中，各該樣本容置部中之樣本溶液的高度與各該樣本容置部之內徑的比值係為6~9，舉例而言，該樣本容置部之內徑係為1.6 mm、外徑係為4 mm，且該樣本溶液之總體積係20~50μl；或者，該樣本容置部之內徑係為1.8 mm、外徑係為3 mm，且該樣本溶液之總體積係30~70μl；又，該樣本容置部之內徑係為3 mm、外徑係為4 mm，且該樣本溶液之總體積係150~200μl；因此，當該樣本溶液填於該樣本容置部中並藉由定溫加熱單元形成底部定溫加熱時，而可產生穩定熱對流循環，進而達成核酸序列之聚合酶鏈鎖反應。

樣本容置部111係不限於圓管形之玻璃毛細管，其係可為其他能達成熱對流聚合酶鏈鎖反應的容器尺寸，並具有可使激發光與放射光穿透傳遞之部分或全部的區域，舉例而言，樣本容置部111係可為具有複數管狀凹槽的片體，每一管狀凹槽上對應樣本溶液1的位置係具有透明的部份或全部，並且各管狀凹槽間形成有隔離單元150以避免其光學路徑彼此干涉，以使複數組樣本溶液1可分別裝填於管狀凹槽中而利用本發明來進行核酸序列擴增檢測。

除此之外，本發明第一實施例之核酸序列擴增檢測裝置100可進一步包含顯示單元180，其係電性連接該處理單元170，用於顯示該處理單元170所計算分析之結果，該顯示單元180係可為顯示螢幕及指示燈號，以便於使用者得知所分析的結果；此外，本發明第一實施例之核酸序列擴增檢測裝置100可進一步包含操作單元190，其係電性連接該定溫加熱單元130與該控制單元160，該操作單元係具有一使用者介面，用於讓使用者操作控制該定溫加熱單元130與該控制單元160，以對應需求改變系統運作的加熱參數或光學參數；其中，顯示單元180係可電性連接於處理單元170及操作單元190，用於顯示處理單元170所計算分析之結果或便於使用者輸入之一操作介面。

因此，本發明第一實施例之核酸序列擴增檢測裝置100係將含有核酸片段及PCR反應試劑的樣本溶液1容納於樣本容置部111內，再將樣本容置部111放置於承載單元120之承載部121上，而使承載部121對樣本容置部121傳熱，故當定溫加熱單元130運作並以特定加熱溫度加熱該承載部121時，被承載部121係為樣本容置部121上形成相對高溫的區域，使當中的樣本溶液1由初始的靜止流體狀態被加熱而產生熱對流循環現象，以進行熱對流聚合酶連鎖反應，即樣本溶液1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核酸序列擴增檢測裝置100運作時，可藉由定溫加熱單元130之加熱器產生加熱溫度來加熱承載單元120，並藉由承載部121與樣本容置部111之間維持特定且穩定之溫度，而使樣本容置部111中的樣本溶液1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。

接著，隨著反應時間增加，該樣本溶液1中的核酸片段擴增放大，即可被核酸螢光染劑結合之雙股螺旋DNA增加，故該樣本溶液1在反應期間的放射光係隨時間逐漸增加，光學感測器142係感測樣本溶液1被激發光源141之照射下所產生之放射光，且對應產生感測訊號至處理單元170，並進一步由處理單元170所接收並紀錄，之後，處理單元170係根據該等感測訊號計算分析各該樣本溶液1中之核酸片段，以完成核酸序列擴增之定量分析檢測。

請參照第3圖及第4圖，其係為本發明第二實施例之核酸序列擴增檢測裝置的示意圖及部分示意圖。本發明第二實施例之核酸序列擴增裝置200主要包含：反應單元210、承載單元220、定溫加熱單元230、光學偵測單元240、隔離單元250、控制單元260及處理單元270。

本發明第二實施例中，反應單元210係具有複數樣本容置部211，樣本容置部211用於裝填樣本溶液1；承載單元220係設置於反應單元210之底部，並具有用於對每一樣本容置部211傳熱之複數承載部221；定溫加熱單元230係具有加熱器231及溫度控制器232，加熱器231係連接於承載單元220，溫度控制器係控制加熱器231維持加熱溫度；光學偵測單元240係具有至少一激發光源241及複數光學感測器242，激發光源241提供激發光至每一樣本容置部211，光學感測器242係用於感測核酸螢光染劑所產生之放射光並對應產生複數感測訊號，其中，激發光源241與每一樣本容置部211之間各具有一激發光路徑A2，每一光學感測器242與每一樣本容置部211之間各具有一放射光路徑B2；隔離單元250係設置於每一樣本容置部211之間，用於區隔該等樣本容置部211所產生之放射光；控制單元260係電性連接於光學偵測單元240，用於控制光學偵測單240元之光學參數；處理單元270係電性連接於光學偵測單元240，用於接收並記錄感測訊號，並根據感測訊號計算分析每一樣本溶液1中之核酸片段。

於本發明第二實施例之承載單元220中，承載部221係穿設有通道222，激發光源241係設置於承載單元220下方以使激發光路徑A2通過通道222；如第4圖所示，光學感測器242係設置於反應單元210鄰側，每一樣本容置部111中之樣本溶液1的放射240中進一步包含激發光濾光器243，其係設置於激發光路徑A2中，即激發光濾光器243係設置於激發光源241之前，用以使提供至樣本容置部211的激發光之波長限制在所需之特定範圍中；同時，為了光學偵測的敏感度，光學偵測單元240中進一步包含放射光濾光器244，其係設置於放射光路徑B2中，即放射光濾光器244係設置於光學感測器242之前，用以將光學感測器242所偵測到的放射光波長限制在所需之特定範圍中，可濾除其他環境雜光訊號的影響，藉此提高光學偵測之敏感度。

於本發明第二實施例之定溫加熱單元230中，加熱器231係為熱電冷卻器(thermoelectric cooler)，承載單元220係連接於熱電冷卻器之加熱面；並且，定溫加熱單元230係具有散熱風扇233及散熱鰭片234，散熱風扇233係電性連接溫度控制器232，用以藉由溫度控制器232控制散熱風扇233的運轉功率，而使連接於加熱器231之承載單元220維持於特定溫度，同時，可輔助裝置內部之散熱以使環境溫度穩定；本實施例及圖式中係以三個散熱風扇233作為示意之用，其位置係可依實際機構設計來配置，而不限於圖式所示例。

此外，本發明第二實施例之核酸序列擴增檢測裝置200亦可進一步設置顯示單元及/或操作單元等其他附加特徵，其係近似上述第一實施例所示例，在此係不贅述。

請參照第5圖及第6圖，其係為本發明第三實施例之核酸序列擴增檢測裝置的示意圖及部分示意圖。本發明第三實施例之核酸序列擴增裝置300主要包含：反應單元310、承載單元320、定溫加熱單元330、光學偵測單元340、隔離單元350、控制單元360及處理單元370。

本發明第三實施例中，反應單元310係具有樣本容置部311，樣本容置部311用於裝填樣本溶液1；承載單元320係設置於反應單元310之底部，並具有用於對每一樣本容置部311傳熱之複數承載部321；定溫加熱單元330係具有加熱器331及溫度控制器332，加熱器331係連接於承載單元320，溫度控制器係控制加熱器331維持加熱溫度；光學偵測單元340係具有激發光源341及光學感測器342，激發光源341提供激發光至樣本容置部311，光學感測器342係用於感測核酸螢光染劑所產生之放射光並對應產生複數感測訊號，其中，激發光源341與樣本容置部311之間各具有激發光路徑A3，光學感測器342與樣本容置部311之間各具有放射光路徑B3；隔離單元350係設置於每一樣本容置部311之間，用於區隔樣本容置部311所產生之放射光；控制單元360係電性連接於光學偵測單元340，用於控制光學偵測單340元之光學參數；處理單元370係電性連接於光學偵測單元340，用於接收並記錄感測訊號，並根據感測訊號計算分析樣本溶液1中之核酸片段。

如第5圖及第6圖所示，激發光源341與光學感測器342係分別設置於該反應單元310鄰側，放射光路徑B3與激發光路徑A3之間係具有夾角θ，夾角θ係藉於20度至160度之間；具體而言，激發光源341與光學感測器342係可藉由支撐結構或直接設置於隔離單元350上而位於樣本容置部311的鄰側，而使激發光源341對樣本容置部311提供激發光(激發光路徑A3)，樣本容置部311中的樣本溶液由激發光照射後係產生放射光至光學感測器342中(放射光路徑B3)；其中，為減少激發光對光學感測器342的影響，放射光路徑B3與激發光路徑A3之間係具有20度至160度之間之夾角θ，較佳地是，夾角θ係藉於40度至140度之間，圖式中係以135度之夾角θ作為示例，其係由於激發光源341非正對於光學感測器342，而減少激發光直接影響光學感測器342的情形。

此外，本發明第三實施例之核酸序列擴增檢測裝置300中可進一步設置顯示單元380及/或操作單元390等其他附加特徵，其係近似上述第一實施例所示例，在此係不贅述。

請參照第7圖，其係為應用本發明第一實施例之核酸序列擴增檢測裝置進行核酸擴增反應期間，處理單元所接收並紀錄之感測訊號的曲線圖，光學偵測單元之光學參數控制係為：光學感測器感測該放射光之總時間為1800秒、光學感測器產生感測訊號之間的間隔時間為10秒及曝光時間為1000毫秒下進行；如圖中所示，橫軸(X軸)代表時間(秒)，縱軸(Y軸)代表感測訊號強度，其中，不同符號之資料曲線係代表不同樣本溶液進行核酸序列擴增的結果，感測訊號強度係對應於每一樣本溶液所產生之放射光強度，而對應於樣本溶液中的核酸序列進行聚合酶鏈鎖反應增生後雙股螺旋DNA之數量；以曲線a作為示例說明，反應之初曲線a之感測訊號強度係相對為低並維持一段時間，而隨反應時間的增加，感測訊號強度逐漸增強，並於反應結束時達到一飽和狀態，代表核酸序列之擴增反應完成；而藉由處理單元獲得每一樣本溶液之感測訊號之曲線圖後，即可進行曲線匹配之定量分析，而可獲得核酸序列之起始濃度。

因此，本發明之核酸序列擴增檢測裝置係可藉由提供定溫加熱的方式來進行熱對流聚合酶鏈鎖反應，且不需要習知核酸擴增反應裝置所必要之熱循環控制機制，而可簡化內部結構、降低硬體成本，而可利於小型化、個人化且低廉普及的檢測裝置，進而使核酸檢測裝置實現於個人醫療及居家照護之應用。

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．．．樣本溶液

100．．．核酸序列擴增檢測裝置

110．．．反應單元

111．．．樣本容置部

120．．．承載單元

121．．．承載部

122．．．通道

130．．．定溫加熱單元

131．．．加熱器

132．．．溫度控制器

133．．．散熱風扇

134．．．散熱鰭片

140．．．光學偵測單元

141．．．激發光源

142．．．光學感測器

143．．．激發光濾光器

144．．．放射光濾光器

150．．．隔離單元

160．．．控制單元

170．．．處理單元

180．．．顯示單元

190．．．操作單元

A1．．．激發光路徑

B1．．．放射光路徑

200．．．核酸序列擴增裝置

210．．．反應單元

211．．．樣本容置部

220．．．承載單元

221．．．承載部

222．．．通道

230．．．定溫加熱單元

231．．．加熱器

232．．．溫度控制器

233．．．散熱風扇

234．．．散熱鰭片

240．．．光學偵測單元

241．．．激發光源

242．．．光學感測器

243．．．激發光濾光器

244．．．放射光濾光器

250．．．隔離單元

260．．．控制單元

270．．．處理單元

A2．．．激發光路徑

B2．．．放射光路徑

300．．．核酸序列擴增裝置

310．．．反應單元

311．．．樣本容置部

320．．．承載單元

321．．．承載部

330．．．定溫加熱單元

331．．．加熱器

332．．．溫度控制器

340．．．光學偵測單元

341．．．激發光源

342．．．光學感測器

350．．．隔離單元

360．．．控制單元

370．．．處理單元

380．．．顯示單元

390．．．操作單元

A3．．．激發光路徑

B3．．放射光路徑

θ．．．夾角

第1圖係為本發明第一實施例之核酸序列擴增檢測裝置的示意圖。

第2圖係說明本發明第一實施例之核酸序列擴增檢測裝置光路徑的示意圖。

第3圖係為本發明第二實施例之核酸序列擴增檢測裝置的示意圖。

第4圖係說明本發明第二實施例之核酸序列擴增檢測裝置光路徑的示意圖。

第5圖係為本發明第三實施例之核酸序列擴增檢測裝置的示意圖。

第6圖係說明本發明第三實施例之核酸序列擴增檢測裝置光路徑的示意圖。

第7圖係為利用本發明第一實施例之核酸序列擴增檢測裝置進行核酸擴增反應之期間處理單元所記錄之感測訊號的曲線圖。

1．．．樣本溶液

100．．．核酸序列擴增檢測裝置

111．．．樣本容置部

120．．．承載單元

121．．．承載部

122．．．通道

131．．．加熱器

132．．．溫度控制器

133．．．散熱風扇

134．．．散熱鰭片

141．．．激發光源

142．．．光學感測器

143．．．激發光濾光器

144．．．放射光濾光器

150．．．隔離單元

160．．．控制單元

170．．．處理單元

180．．．顯示單元

190．．．操作單元

Claims (20)

1. 一種核酸序列擴增檢測裝置，用於提供一樣本溶液中之核酸片段進行熱對流聚合酶連鎖反應，該樣本溶液中係添加有核酸螢光染劑，該核酸序列擴增檢測裝置包含：一反應單元，具有複數樣本容置部，各該樣本容置部用於裝填該樣本溶液；一承載單元，係設置於該反應單元之底部，並具有用於對各該樣本容置部傳熱之複數承載部；一定溫加熱單元，係具有一加熱器及一溫度控制器，該加熱器係連接於該承載單元，該溫度控制器係控制該加熱器維持加熱溫度；一光學偵測單元，係具有至少一激發光源及複數光學感測器，該激發光源提供激發光至各該樣本容置部，各該光學感測器係用於感測該核酸螢光染劑所產生之放射光並對應產生複數感測訊號，其中，該激發光源與各該樣本容置部之間係具有一激發光路徑，各該光學感測器與各該樣本容置部之間係具有一放射光路徑；一隔離單元，係設置於各該樣本容置部之間，用於區隔該等樣本容置部所產生之放射光；一控制單元，係電性連接於該光學偵測單元，用於控制該光學偵測單元之光學參數；以及一處理單元，係電性連接於該光學偵測單元，用於接收並記錄該等感測訊號，並根據該等感測訊號計算分析各該樣本溶液中之核酸片段。
2. 如申請專利範圍第1項所述之核酸序列擴增檢測裝置，其中各該承載部係穿設有一通道，該激發光源係設置於該承載單元下方以使各該激發光路徑通過各該通道。
3. 如申請專利範圍第2項所述之核酸序列擴增檢測裝置，其中該等光學感測器係設置於該反應單元上方，各該放射光路徑係平行於各該激發光路徑。
4. 如申請專利範圍第2項所述之核酸序列擴增檢測裝置，其中該等光學感測器係設置於該反應單元鄰側，各該放射光路徑係垂直於各該激發光路徑。
5. 如申請專利範圍第1項所述之核酸序列擴增檢測裝置，其中該激發光源與各該光學感測器係分別設置於該樣本容置部鄰側，各該放射光路徑與各該激發光路徑之間係具有一夾角，該夾角係藉於20度至160度之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述之核酸序列擴增檢測裝置，其中該夾角係藉於40度至140度之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之核酸序列擴增檢測裝置，其中該定溫加熱單元係進一步包含散熱風扇及散熱鰭片，該散熱風扇係電性連接該溫度控制器。
8. 如申請專利範圍第1項所述之核酸序列擴增檢測裝置，其中該加熱器係為加熱柱或加熱片。
9. 如申請專利範圍第1項所述之核酸序列擴增檢測裝置，其中該加熱器係為熱電冷卻器(thermoelectric cooler)，該承載單元係連接於該熱電冷卻器之加熱面。
10. 如申請專利範圍第1項所述之核酸序列擴增檢測裝置，其中該光學偵測單元係進一步包含一激發光濾光器及一放射光濾光器，該激發光濾光器係設置於該激發光路徑中，該放射光濾光器係設置於該放射光路徑中。
11. 如申請專利範圍第10項所述之核酸序列擴增檢測裝置，其中該激發光源係為發光二極體(LED)。
12. 如申請專利範圍第10項所述之核酸序列擴增檢測裝置，其中該光學感測器為電荷耦合元件(CCD，Charge-coupled Device)或顏色感測器(Color sensor)。
13. 如申請專利範圍第1項所述之核酸序列擴增檢測裝置，其中光學參數包含該激發光源之激發光強度、該光學感測器感測該放射光之曝光時間、該光學感測器感測該放射光之總時間、該光學感測器產生該等感測訊號之間的間隔時間及該光學感測器產生該等感測訊號的次數的至少其中之一者。
14. 如申請專利範圍第1項所述之核酸序列擴增檢測裝置，其中各該樣本容置部係為圓管形之一玻璃毛細管。
15. 如申請專利範圍第14項所述之核酸序列擴增檢測裝置，其中各該樣本容置部係具有2.3mm之內徑及0.45之壁面厚度，且該樣本溶液之總體積係為50~100μl。
16. 如申請專利範圍第14項所述之核酸序列擴增檢測裝置，其中各該樣本容置部中之樣本溶液的高度與各該樣本容置部之內徑的比值係為6~9。
17. 如申請專利範圍第1項所述之核酸序列擴增檢測裝置，其進一步包含一顯示單元，其係電性連接該處理單元，用於顯示該處理單元所計算分析之結果。
18. 如申請專利範圍第17項所述之核酸序列擴增檢測裝置，其中該顯示單元係包含顯示螢幕及指示燈號的至少其中之一者。
19. 如申請專利範圍第1項所述之核酸序列擴增檢測裝置，其進一步包含一操作單元，其係電性連接該定溫加熱單元與該控制單元，該操作單元係具有一使用者介面，用於讓使用者操作控制該定溫加熱單元與該控制單元。
20. 如申請專利範圍第19項所述之核酸序列擴增檢測裝置，其進一步包含一顯示單元，其係電性連接該處理單元及該操作單元，用於顯示該處理單元所計算分析之結果及一操作介面。