TW201629201A - 穩定熱對流聚合酶連鎖反應流場之方法及其熱對流聚合酶連鎖反應裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種穩定熱對流聚合酶連鎖反應流場之方法，至少包含下述步驟：提供一試管，填充聚合酶連鎖反應溶液於試管中，加熱試管之底部，使聚合酶連鎖反應溶液底部至頂部呈漸減之溫度梯度以誘發熱對流之形成，以及傾斜試管使其具有一相對於鉛垂線之傾斜角度，因此提高聚合酶連鎖反應溶液之熱對流流場呈穩定單一迴圈流動的機率，藉此提升熱對流聚合酶連鎖反應效果的一致性。本發明另提供一種利用上述穩定熱對流聚合酶連鎖反應流場之方法之熱對流聚合酶連鎖反應裝置。

Description

穩定熱對流聚合酶連鎖反應流場之 方法及其熱對流聚合酶連鎖反應裝置

本發明是有關一種熱對流聚合酶連鎖反應之方法及其裝置，特別是有關一種穩定熱對流聚合酶連鎖反應流場之方法及其裝置。

聚合酶連鎖反應為一種用於擴增特定的DNA片段的分子生物學技術，目前已被廣泛地運用在醫學和生物學研究及臨床檢測。聚合酶連鎖反應過程需要三個主要且循環的步驟：變性反應(denaturation)、引子黏合反應(annealing reaction)和延長反應(extension reaction)，其分別需要不同的溫度。在典型的聚合酶連鎖反應，變性反應因需將雙股螺旋DNA解離成單股DNA，溫度介於90℃至98℃之間。引子黏合反應溫度係根據所用引子的Tm值(melting temperature)適當調整，通常介於35℃至65℃之間。而若聚合酶連鎖反應 使用最常用的熱穩定DNA聚合酶，延長反應溫度則介於70℃至75℃之間。

傳統市售的聚合酶連鎖反應裝置多為利用熱傳 導方式控制聚合酶連鎖反應樣本溫度的熱循環聚合酶連鎖反應裝置。係將含有聚合酶連鎖反應樣本之反應容器利用珀耳帖(Peltier)加熱與冷卻方法，以達成溫度改變。然而，熱循環聚合酶連鎖反應因需花費額外的時間及能源去加熱及冷卻聚合酶連鎖反應樣本以外的物質，並非有效率之程序。且由於裝置本身精密的特性，因此熱循環聚合酶連鎖反應裝置通常十分昂貴。

熱對流聚合酶連鎖反應方法是將裝有聚合酶連 鎖反應溶液的容器底部加熱，利用熱對流完成帶聚合酶連鎖反應樣品經過不同溫度區域，完成聚合酶連鎖反應。當針對裝有聚合酶連鎖反應溶液的試管底部加熱時，由於上方表面較冷的液體比重較高會因重力向下移動；下方受熱的液體則因比重較低會向上移動，自然形成液體的循環。當較熱的液體流動至表面時，又會因環境的散熱而變冷，較冷的液體流動至底部時會因受熱而變熱，所以此一循環可以一直持續下去，進而形成溫度梯度，使變性反應、引子黏合反應和延長反應在聚合酶連鎖反應溶液的不同區域可依序且重複地發生。

於熱對流聚合酶連鎖反應中，理想的熱對流流場 為從聚合酶連鎖反應溶液底部至聚合酶連鎖反應溶液頂部呈單一迴圈流動。然而試管垂直於地面的放置方式，由於上下端溫度梯度與所產生之對應驅動力不同，導致上下端流速不同， 因此除能以單一迴圈流動外，容易產生兩迴圈流動或多迴圈流動，此時試管內聚合酶連鎖反應溶液只能在某一溫度區間之迴圈流動，無法經過完整的溫度區間，因而造成相同聚合酶連鎖反應成份在不同試管中進行的熱對流聚合酶連鎖反應效果並不一致。

因此，本發明提供一種穩定熱對流聚合酶連鎖反應流場之方法及其熱對流聚合酶連鎖反應裝置，可以提高熱對流聚合酶連鎖反應流場呈單一迴圈循環的機率，以提升相同聚合酶連鎖反應成份在不同試管中進行的熱對流聚合酶連鎖反應效果的一致性。

本發明之一態樣之一實施方式是在提供一種穩定熱對流聚合酶連鎖反應流場之方法，包含下列步驟：提供一試管。將聚合酶連鎖反應溶液填充於試管中。加熱試管之底部，使聚合酶連鎖反應溶液底部至頂部呈漸減之溫度梯度以誘發熱對流之形成。傾斜試管使試管具有一相對於鉛垂線之傾斜角度，因此造成聚合酶連鎖反應溶液之熱對流流場為單一迴圈循環，藉此使聚合酶連鎖反應溶液之不同區域依序並重複地發生變性反應(denaturation)、引子黏合反應(annealing reaction)和延長反應(extension reaction)，其中傾斜角度介於1°至89°之間。

本發明之另一態樣之一實施方式是在提供一種熱對流聚合酶連鎖反應裝置，用以穩定熱對流流場，熱對流 聚合酶連鎖反應裝置包含試管、支持架、熱源以及角度調整裝置。其中試管係用以盛裝一聚合酶連鎖反應溶液。支持架係用以定位試管。熱源設置於支持架下方，以供對聚合酶連鎖反應溶液進行加熱。角度調整裝置連接於支持架，以控制試管具有相對於鉛垂線之傾斜角度，使聚合酶連鎖反應溶液之熱對流流場單一迴圈循環。

根據本發明之另一態樣之一實施方式之第一實 施例，試管的平均內半徑為0.3mm至5mm，平均長度為5mm至45mm。

根據本發明之另一態樣之一實施方式之第二實 施例，試管的平均內半徑為0.5mm至3mm，平均長度為25mm至45mm。

根據本發明之另一態樣之一實施方式之第三實 施例，試管之材料具生物可相容性且具至少120℃抗熱性，可為聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚碸(PSF)、聚醚碸(PES)或玻璃。

根據本發明之另一態樣之一實施方式之第四實施例，熱源可為水浴加熱器、乾浴加熱器或油浴加熱器。

根據本發明之另一態樣之一實施方式之第五實施例，角度調整裝置可為步進馬達、齒輪馬達或設置於支持架上之斜面以供試管傾斜放置。

根據本發明之另一態樣之一實施方式之又第六實施例，角度調整裝置包含基座、樞轉件和抵件。基座係供 支持架放置並於預定位置形成一穿孔，樞轉件樞設於穿孔，並以樞轉件將抵件固定於基座並維持轉動後之角度。

本發明之另一態樣之另一實施方式是在提供一 種熱對流聚合酶連鎖反應裝置，用以穩定熱對流流場，熱對流聚合酶連鎖反應裝置。熱對流聚合酶連鎖反應裝置包含試管、試管架及熱源。其中試管係用以盛裝一聚合酶連鎖反應溶液。支持架係用以定位試管，並具有相對於鉛垂線之一傾斜角度。熱源設置於支持架下方，以供對聚合酶連鎖反應溶液進行加熱。

根據本發明之另一態樣之另一實施方式之第一 實施例，試管的平均內半徑為0.3mm至5mm，平均長度為5mm至45mm。

根據本發明之另一態樣之另一實施方式之第二 實施例，試管的平均內半徑為0.5mm至3mm，平均長度為25mm至45mm。

根據本發明之另一態樣之另一實施方式之第三 實施例，試管之材料具生物可相容性且具至少120℃抗熱性，可為聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚碸(PSF)、聚醚碸(PES)或玻璃。

根據本發明之另一態樣之另一實施方式之第四 實施例，支持架相對於鉛垂線之一傾斜角度介於1°至89°之間。

根據本發明之另一態樣之另一實施方式之第五 實施例，熱源可為水浴加熱器、乾浴加熱器或油浴加熱器。

藉此，本發明之穩定熱對流聚合酶連鎖反應流 場之方法及其熱對流聚合酶連鎖反應裝置，因試管與鉛垂線具有傾斜角度，使傾向留在上方較熱的液體向上流動，傾向留在下方的較冷液體向下流動，因而試管中聚合酶連鎖反應溶液的流場是一致的，提高熱對流聚合酶連鎖反應流場為單一迴圈循環的機率，使熱對流循環穩定，可以依序且重複地於聚合酶連鎖反應溶液之不同區域發生變性反應、引子黏合反應和延長反應，使聚合酶連鎖反應完全，以提升相同聚合酶連鎖反應成份在不同試管中進行的熱對流聚合酶連鎖反應效果的一致性。以改善當試管呈垂直狀態時，因聚合酶連鎖反應溶液底部和聚合酶連鎖反應溶液頂部的溫度梯度不同造成的流速不同，除了單一迴圈流動外，還可能產生兩迴圈流動或多迴圈流動，因而造成相同聚合酶連鎖反應溶液在不同試管中進行的熱對流聚合酶連鎖反應效果不一致的狀況。

上述發明內容旨在提供本揭示內容的簡化摘要， 以使閱讀者對本揭示內容具備基本的理解。此發明內容並非本揭示內容的完整概述，且其用意並非在指出本發明實施例的重要/關鍵元件或界定本發明的範圍。

100‧‧‧穩定熱對流聚合酶連鎖反應流場之方法

110、120、130、140‧‧‧步驟

200‧‧‧熱對流聚合酶連鎖反應裝置

300‧‧‧試管

310‧‧‧聚合酶連鎖反應溶液

400‧‧‧支持架

500‧‧‧角度調整裝置

600‧‧‧加熱座

610‧‧‧熱源

700‧‧‧導熱座

710‧‧‧絕熱座

800‧‧‧動力裝置

900‧‧‧光感測裝置

910‧‧‧發光模組

920‧‧‧光纖

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖為依照本發明一實施方式之穩定熱對流聚合酶連鎖反應流場之方法的步驟流程圖； 第2A圖為依照本發明一實施方式之一實施例之試管呈垂直狀態的理想熱對流流場示意圖；第2B圖為依照本發明一實施方式之一實施例之試管呈垂直狀態的實際熱對流流場示意圖；第2C圖為依照本發明一實施方式之另一實施例之試管呈傾斜狀態的熱對流流場示意圖；第3A圖至第3F圖為依照本發明一實施方式之試管於不同傾斜角度之熱對流流場電腦模擬圖；第4A圖為依照本發明一實施方式之一實施例之試管呈垂直狀態進行熱對流聚合酶連鎖反應之螢光訊號圖；第4B圖為依照本發明另一實施例之試管呈垂直狀態進行熱對流聚合酶連鎖反應之螢光訊號圖；第5A圖為依照本發明一實施例之試管傾斜20°進行熱對流聚合酶連鎖反應之螢光訊號圖；第5B圖為依照本發明另一實施例之試管傾斜20°進行熱對流聚合酶連鎖反應之螢光訊號圖；第6圖為依照本發明另一實施方式之一實施例之熱對流聚合酶連鎖反應裝置之立體圖；第7圖為第6圖中熱對流聚合酶連鎖反應裝置沿A-A剖線之剖視圖；第8圖為第6圖中熱對流聚合酶連鎖反應裝置之調整試管傾斜角度之動作示意圖；第9圖為依照本發明另一實施方式之另一實施例之熱對流聚合酶連鎖反應裝置之剖視圖；以及 第10圖為依照本發明再一實施方式之熱對流聚合酶連鎖反應裝置之剖視圖。

<穩定熱對流聚合酶連鎖反應流場之方法>

請參照第1圖，其係依照本發明一實施方式之穩定熱對流聚合酶連鎖反應流場之方法100的步驟流程圖。第1圖中，穩定熱對流聚合酶連鎖反應流場之方法100包含步驟110、步驟120、步驟130與步驟140。

步驟110是提供一試管300，用以盛裝聚合酶連鎖反應溶液310，其中試管300的平均內半徑為0.3mm至5mm，平均長度為5mm至45mm；試管300的平均內半徑和長度更佳為平均內半徑為0.5mm至3mm，平均長度為25mm至45mm。

步驟120是將聚合酶連鎖反應溶液310填充於試管300中，其中聚合酶連鎖反應溶液310包含欲擴增之標的核酸序列的模板DNA、去氧核醣核酸聚合酶(DNA polymerase)、去氧腺苷三磷酸(dATP)、去氧胞苷三磷酸(dCTP)、去氧鳥苷三磷酸(dGTP)、去氧胸苷三磷酸(dTTP)、至少1對擴增標的核酸序列之引子對及緩衝溶液。其中引子對為1個具有互補標的核酸序列之5'端序列的正向引子和1個具有互補標的核酸序列之3'端序列的反向引子。聚合酶連鎖反應溶液310更包含螢光反應物質，螢光反應物質可為螢光染劑或螢光探針。螢光染劑可為SYBR Green I 或SYTO-9，其係與DNA結合為非專一性偵測。螢光探針可為TaqMan probe或Molecular Beacon，其具有互補標的核酸序列的一段序列，並在探針的5`端標記上螢光基團，3`端標記上相應的淬滅基團，為目標專一性偵測。

步驟130是加熱試管300之底部，以熱源610加 熱試管300之底部至聚合酶連鎖反應變性反應所需的溫度，一般聚合酶連鎖反應變性反應所需的溫度介於90℃至98℃之間。使聚合酶連鎖反應溶液310之底部至頂部呈漸減之溫度梯度，以誘發熱對流之形成。其中熱源610為具有控溫構件之簡單加熱裝置，可為乾浴加熱器、水浴加熱器或油浴加熱器。

步驟140是傾斜試管300使試管300具有一相 對於鉛垂線之傾斜角度，因此提高聚合酶連鎖反應溶液310之熱對流流場呈單一迴圈流動的機率，使聚合酶連鎖反應溶液310之底部、頂部、中段形成不同的溫度區段，藉此使聚合酶連鎖反應溶液310之不同區域依序地發生變性反應、引子黏合反應和延長反應，並藉由熱對流的循環而使變性反應、引子黏合反應和延長反應可以重複地發生，使標的核酸序列擴增至所需的數量以完成聚合酶連鎖反應，且於相同的反應條件下，於不同試管300之間具一致的熱對流聚合酶連鎖反應效果。其中傾斜角度介於1°至89°之間。

請參照第2A圖至第2C圖，第2A圖為依照本發 明一實施例之試管300呈垂直狀態的理想熱對流流場示意圖；第2B圖為依照本發明一實施例之試管300呈垂直狀態的 實際熱對流流場示意圖；第2C圖為依照本發明一實施例之試管300呈傾斜狀態的熱對流流場示意圖。如第2A圖所示，理想的熱對流流場為熱對流呈單一迴圈流動，但當試管300呈垂直狀態放置時，會因試管300內的聚合酶連鎖反應溶液310底部和聚合酶連鎖反應溶液310頂部的溫度梯度不同造成的流速不同，除了單一迴圈流動外，還有可能產生如第2B圖所示兩迴圈流動或多迴圈流動，造成試管300內聚合酶連鎖反應溶液310未能達到原本設計的反應溫度區段，而使聚合酶連鎖反應效率不佳。但如第2C圖所示，傾斜試管300後，使試管300內傾向留在上方較熱的液體向上流動，傾向留在下方的較冷液體向下流動，因而試管300中聚合酶連鎖反應溶液的流場是一致的，熱對流聚合酶連鎖反應流場為單一迴圈循環，故可穩定熱對流聚合酶連鎖反應流場。

請參照第3A圖至第3F圖及下表一，第3A圖至第 3F圖為試管300於不同傾斜角度之熱對流流場電腦模擬圖，所試驗的試管300長度為35mm，試管300內半徑為1.65mm，試驗的溶液為水。下表一為試管300於不同傾斜角度時熱對流的流場類型及最大流速。

結果顯示，當試管300的長度為35mm、試管300 的內半徑為1.65mm及試驗的溶液為水的試驗條件下，當試管300呈垂直狀態(傾斜角度為0°)時，熱對流流場為試管300之中段及頂部的兩迴圈流動，試管300之底部則呈現隨機且混亂的自然對流。當試管300之傾斜角度為2°時，熱對流流場為試管300之底部、中段及頂部的三迴圈循環流動。當試管300之傾斜角度為4°及大於4°時，試管300之熱對流流場為單一迴圈流動，係為自試管300之底部至頂部的穩定循環，且當試管300之傾斜角度為8°至90°時，熱對流流場為穩定的單一迴圈流動的循環，故可知當使試管300具有一相對於鉛垂線之傾斜角度時，可將會形成兩迴圈流動或多迴圈流動的流場，於相同的試管300長度和試管300內半徑及相同液體的條件下，調整為穩定的單一迴圈流動。在熱對流最大流速方面，當試管300之傾斜角度介於2°至18°之間，隨 著傾斜角度的增加，最大流速持續增加，但在20°時開始減少。

然而上述之試驗條件係為了凸顯本發明之穩定 熱對流聚合酶連鎖反應流場之方法，可藉由調整試管300相對於鉛垂線之傾斜角度以穩定熱對流聚合酶連鎖反應流場為單一迴圈流動，故使用於傾斜角度小(0°至4°)時，流場會呈現兩迴圈流動或多迴圈流動的試驗條件。在其它實施例中可藉由調整試管300的長度、試管300的內半徑或聚合酶連鎖反應溶液310的黏度，達到聚合酶連鎖反應流場於傾斜角度小時亦為單一迴圈流動。其中若欲增加聚合酶連鎖反應溶液310的黏度，可於聚合酶連鎖反應溶液310中添加非反應性液態物質，適當的物質可為任何非反應的有機或無機物質，如甘油、NP-40、Tween 20、EDTA、DMSO、甲醯胺、甜菜鹼或明膠。

為證實應用本發明之穩定熱對流聚合酶連鎖反 應流場之方法可提升相同聚合酶連鎖反應溶液310在不同試管300中進行的熱對流聚合酶連鎖反應效果的一致性，本試驗以兩臺不同的熱對流聚合酶連鎖反應裝置200(裝置一和裝置二)進行聚合酶連鎖反應，所試驗的試管300長度為35mm，試管300內半徑為1.65mm，試驗的聚合酶連鎖反應溶液310包含欲擴增之標的核酸序列的模板DNA、互補於標的核酸序列之5'端的正向引子、互補於標的核酸序列之3'端的反向引子、螢光探針、去氧腺苷三磷酸(dATP)、去氧胞苷三磷酸(dCTP)、去氧鳥苷三磷酸(dGTP)、去氧胸苷三磷酸 (dTTP)、去氧核醣核酸聚合酶和緩衝液，最後加入滅菌之二次去離子水，調整總體積為50μl，反應條件為底部加熱95℃ 50分鐘即可得到反應結果，每臺熱對流聚合酶連鎖反應裝置200測試的試管300數目為8管。

請參照第4A圖、第4B圖及下表二，第4A圖為 裝置一之試管300呈垂直狀態進行熱對流聚合酶連鎖反應之螢光訊號圖；第4B圖為裝置二之試管300呈垂直狀態進行熱對流聚合酶連鎖反應之螢光訊號圖。下表二為裝置一和裝置二中8管試管300達到螢光訊號閾值的平均時間和標準差。

結果顯示，當試管300呈垂直狀態時，不論是 裝置一或裝置二，皆出現8管試管300達到螢光訊號閾值的時間不同的狀況，而計算裝置一和裝置二中8管試管300達到螢光訊號閾值的平均時間，標準差分別高達2.5和2.3，這樣的結果顯示此條件下相同聚合酶連鎖反應溶液310在不同試管300中進行的熱對流聚合酶連鎖反應效果不一致。

請再參照的5A圖、第5B圖和下表三，第5A圖 為裝置一之試管傾斜20°進行熱對流聚合酶連鎖反應之螢光訊號圖；第5B圖為裝置二之試管傾斜20°進行熱對流聚合酶 連鎖反應之螢光訊號圖。表三為裝置一和裝置二中8管試管300達到螢光訊號閾值的平均時間和標準差。

結果顯示，不論是裝置一或裝置二，以相同的 試驗條件進行聚合酶連鎖反應，將試管300傾斜20°後，8管試管300達到螢光訊號閾值的時間由本來的差異大趨於變為差異小，而在計算裝置一和裝置二中8管試管300訊號達到螢光訊號閾值的平均時間，標準差分別降為0.8和1.0，證實本發明之穩定熱對流聚合酶連鎖反應流場之方法可提升相同聚合酶連鎖反應溶液310於不同試管300中進行的熱對流聚合酶連鎖反應效果的一致性。

<熱對流聚合酶連鎖反應裝置>

請參照第6圖至第8圖，為依照本發明另一實施 方式之熱對流聚合酶連鎖反應裝置200之一實施例。第4圖為熱對流聚合酶連鎖反應裝置200之立體圖；第5圖為第4圖中熱對流聚合酶連鎖反應裝置200沿A-A剖線之剖視圖；第6圖為熱對流聚合酶連鎖反應裝置200之調整試管300傾斜角度之動作示意圖。

熱對流聚合酶連鎖反應裝置200主要包含試管 300、支持架400、熱源610以及角度調整裝置500。試管300係用以盛裝一聚合酶連鎖反應溶液310。試管300之材料具 生物可相容性且具至少120℃抗熱性，其可為聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚碸(PSF)、聚醚碸(PES)或玻璃。為使試管300穩固地定位，熱對流聚合酶連鎖反應裝置200具有支持架400，支持架400具有至少1個容置空間用以供試管300插置，容置空間的形狀係與試管300之互補，使試管300放置於容置空間時，不會相對於支持架400移動。熱源610設置於支持架400下方，使試管300之底部埋置於熱源610中，以供對聚合酶連鎖反應溶液310進行加熱，並可藉由不同介質將熱源610的熱能傳遞至試管300。 熱源610由高導熱性的金屬所製成，例如銅或銀，另熱源610可為乾浴加熱器、水浴加熱器或油浴加熱器。角度調整裝置500連接於支持架400，角度調整裝置500可為步進馬達或齒輪馬達，帶動支持架400調整角度，以控制試管300具有相對於鉛垂線之傾斜角度，提高聚合酶連鎖反應溶液310之熱對流流場呈單一迴圈流動的循環的機率。

熱對流聚合酶連鎖反應裝置200更可包含加熱 座600、導熱座700、絕熱座710。絕熱座710中具有一容置空間，用以供試管300穿置。加熱座600設置於支持架400下方，具有一熱源610，加熱座600一端穿設於絕熱座710中，用以接觸試管300之底部。絕熱座710由低導熱性材質所製成，可為塑膠或陶瓷，以避免熱源610加熱試管300時不必要的熱能流失。而為加強試管300之中段及頂部之散熱，設置導熱座700於絕熱座710上方，導熱座700具有一容置空間，用以供試管300穿置，導熱座700係由易散熱材質所製成，如鋁合金或銅 合金等金屬，使進行聚合酶連鎖反應時，試管300之中段及頂部中聚合酶連鎖反應溶液310的熱能透過周圍空氣傳遞至導熱座700迅速散熱，使聚合酶連鎖反應溶液310在向上對流時逐漸降低溫度，於試管300之頂部時可降至適合引子黏合反應之溫度，約介於35℃至65℃之間。而向下對流時逐漸增加溫度，於試管300之中段時可升至適合延長反應之溫度，約介於70℃至75℃之間。並藉由穩定且反覆循環對流，使聚合酶連鎖反應不斷進行。

熱對流聚合酶連鎖反應裝置200更可包含光感 測裝置900、發光模組910及光纖920，使熱對流聚合酶連鎖反應裝置200可適用於進行即時聚合酶連鎖反應(real-time PCR)及不開蓋偵測。發光模組910位於絕熱座710下方，發光模組910可發出特定波長的光照射試管300中的聚合酶連鎖反應溶液310，並激發聚合酶連鎖反應溶液310中聚合酶連鎖反應產物發出螢光訊號，再由光纖920及光感測裝置900偵測聚合酶連鎖反應溶液310中的螢光相對強度，即可追蹤聚合酶連鎖反應溶液310中的產物的相對量。

熱對流聚合酶連鎖反應裝置200更可包含動力 裝置800，動力裝置800與加熱座600連接，可控制熱源610的移動。當動力裝置800移動熱源610接觸試管300底部時，熱源610加熱試管300，當動力裝置800移動熱源610脫離試管300底部時，熱源610停止加熱試管300。

請參照第9圖，為本發明另一實施方式之熱對流 聚合酶連鎖反應裝置200之另一實施例之剖視圖。熱對流聚 合酶連鎖反應裝置200主要包含試管300、支持架400、熱源610以及角度調整裝置500。試管300係用以盛裝一聚合酶連鎖反應溶液310。為使試管300穩固地定位，熱對流聚合酶連鎖反應裝置200具有支持架400，支持架400具有至少1個容置空間用以供試管300插置，容置空間的形狀係與試管300之互補，使試管300放置於容置空間時，不會相對於支持架400移動。熱源610設置於支持架400下方，使試管300之底部埋置於熱源610中，以供對聚合酶連鎖反應溶液310進行加熱，並可藉由不同介質將熱源610的熱能傳遞至試管300。為使試管300相對於鉛垂線具有一傾斜角度，角度調整裝置500一斜板，其設置於熱對流聚合酶連鎖反應裝置200底部，以使熱對流聚合酶連鎖反應裝置200相對於鉛垂線具有一傾斜角度，進而使試管300固定於一傾斜角度，以提高聚合酶連鎖反應溶液310之熱對流流場呈單一迴圈流動的循環的機率。

本發明之另一實施方式之熱對流聚合酶連鎖反 應裝置200之其他實施例，為使試管300固定於一傾斜角度，角度調整裝置500包含基座(未圖式)、樞轉件(未圖式)及抵件(未圖式)。基座係供支持架400放置且於預定位置形成一穿孔(未圖式)，抵件係以樞轉件固定於基座並維持轉動後之角度，而樞轉件係樞設於穿孔。角度調整裝置500亦可為設置於支持架400上之一斜面(未圖式)，以供試管300傾斜放置。角度調整裝置500亦可為一機械手臂(未圖式)，以控除試管300之傾斜角度。上述方式外，為使試管300傾斜放置， 亦可利用手持供夾持試管300之試管夾(未圖式)，並以手動操作方式另試管300產生傾斜，以達上述相同目的。

請再參照第10圖，為依照本發明再一實施方式 之熱對流聚合酶連鎖反應裝置200之一實施例之剖視圖。

熱對流聚合酶連鎖反應裝置200包含試管 300、支持架400及熱源610。試管300係用以盛裝聚合酶連鎖反應溶液310。試管300之材料具生物可相容性且具至少120℃抗熱性，其可為聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚碸(PSF)、聚醚碸(PES)或玻璃。為使試管300穩固地定位，熱對流聚合酶連鎖反應裝置200具有支持架400，支持架400具有至少1個容置空間用以供試管300插置，容置空間的形狀係與試管300之互補，使試管300放置於容置空間時，不會相對於支持架400移動。熱源610設置於支持架400下方，使試管300之底部埋置於熱源610中，以供對聚合酶連鎖反應溶液310進行加熱，並可藉由不同介質將熱源610的熱能傳遞至試管300。熱源610由高導熱性的金屬所製成，例如銅或銀，另熱源610可為乾浴加熱器、水浴加熱器或油浴加熱器。其中支持架400具有相對於鉛垂線之一傾斜角度，可使試管300放置於支持架400中時，具有相對於鉛垂線之傾斜角度，提高聚合酶連鎖反應溶液310之熱對流流場呈單一迴圈流動的循環的機率。

根據上述，本發明之穩定熱對流聚合酶連鎖反 應流場之方法及其熱對流聚合酶連鎖反應裝置，可以藉由試管與鉛垂線具有傾斜角度，提高熱對流聚合酶連鎖反應流場 呈一單一迴圈流動循環的機率，再藉由利用試管最適管徑與高度的設計，巧妙的控制對流的時間與散熱的速率，形成適合聚合酶連鎖反應的環境，因熱對流循環穩定，可以依序且重複地於聚合酶連鎖反應溶液之不同區域發生變性反應、引子黏合反應和延長反應，使聚合酶連鎖反應效率提高，使標的核酸序列擴增至所需的數量，提升相同聚合酶連鎖反應成份在不同試管中進行的熱對流聚合酶連鎖反應效果的一致性。以改善當試管呈垂直狀態時，因聚合酶連鎖反應溶液底部和聚合酶連鎖反應溶液頂部的溫度梯度不同造成的流速不同，除了單一迴圈流動外，還可能產生兩迴圈流動或多迴圈流動，因而造成相同聚合酶連鎖反應溶液在不同試管中進行的熱對流聚合酶連鎖反應效果不一致的狀況。

本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

300‧‧‧試管

310‧‧‧聚合酶連鎖反應溶液

Claims (22)

1. 一種穩定熱對流聚合酶連鎖反應流場之方法，包含：提供一試管；填充一聚合酶連鎖反應溶液於該試管中；加熱該試管之底部，使該聚合酶連鎖反應溶液底部至頂部呈漸減之溫度梯度以誘發熱對流之形成；以及傾斜該試管使其具有一相對於鉛垂線之傾斜角度，因此造成該聚合酶連鎖反應溶液之熱對流流場呈單一迴圈流動，藉此使該聚合酶連鎖反應溶液之不同區域依序並重複地發生變性反應(denaturation)、引子黏合反應(annealing reaction)和延長反應(extension reaction)，其中該傾斜角度介於1°至89°之間。
2. 一種熱對流聚合酶連鎖反應裝置，用以穩定熱對流流場，該熱對流聚合酶連鎖反應裝置包含：一試管，用以盛裝一聚合酶連鎖反應溶液；一支持架，用以定位該試管；一熱源，設置於該支持架下方，該熱源以供對該聚合酶連鎖反應溶液進行加熱；以及一角度調整裝置，連接於該支持架，以控制該試管具有一相對於鉛垂線之傾斜角度，使該聚合酶連鎖反應溶液之熱對流流場呈單一迴圈流動。
3. 如申請專利範圍第2項所述之熱對流聚合酶連鎖反應裝置，其中該試管的平均內半徑為0.3mm至5mm，平均長度為5mm至45mm。
4. 如申請專利範圍第2項所述之熱對流聚合酶連鎖反應裝置，其中該試管的平均內半徑為0.5mm至3mm，平均長度為25mm至45mm。
5. 如申請專利範圍第2項所述之熱對流聚合酶連鎖反應裝置，其中該試管之材料具生物可相容性且具至少120℃抗熱性。
6. 如申請專利範圍第5項所述之熱對流聚合酶連鎖反應裝置，其中該試管之材料為聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚碸(PSF)、聚醚碸(PES)或玻璃。
7. 如申請專利範圍第2項所述之熱對流聚合酶連鎖反應裝置，其中該熱源為水浴加熱器。
8. 如申請專利範圍第2項所述之熱對流聚合酶連鎖反應裝置，其中該熱源為乾浴加熱器。
9. 如申請專利範圍第2項所述之熱對流聚合酶連鎖反應裝置，其中該熱源為油浴加熱器。
10. 如申請專利範圍第2項所述之熱對流聚合酶連鎖反應裝置，其中該角度調整裝置為一步進馬達或一齒輪馬達。
11. 如申請專利範圍第2項所述之熱對流聚合酶連鎖反應裝置，其中該角度調整裝置包含：一基座，該基座係供該支持架放置且於預定位置形成一穿孔；一樞轉件，該樞轉件係樞設於該穿孔；以及一抵件，以該樞轉件固定於該基座並維持轉動後之角度。
12. 如申請專利範圍第2項所述之熱對流聚合酶連鎖反應裝置，其中該角度調整裝置為設置於該支持架上之一斜面，以供該試管傾斜放置。
13. 如申請專利範圍第2項所述之熱對流聚合酶連鎖反應裝置，其中該角度調整裝置為一斜板，其設置於該熱對流聚合酶連鎖反應裝置之底部。
14. 一種熱對流聚合酶連鎖反應裝置，用以穩定熱對流流場，該熱對流聚合酶連鎖反應裝置包含：一試管，用以盛裝一聚合酶連鎖反應溶液； 一支持架，用以定位該試管，具有相對於鉛垂線之一傾斜角度，使該聚合酶連鎖反應溶液之熱對流流場呈單一迴圈流動；以及一熱源，設置於該支持架下方，該熱源以供對該聚合酶連鎖反應溶液進行加熱。
15. 如申請專利範圍第14項所述之熱對流聚合酶連鎖反應裝置，其中該試管的平均內半徑為0.3mm至5mm，平均長度為5mm至45mm。
16. 如申請專利範圍第14項所述之熱對流聚合酶連鎖反應裝置，其中該試管的平均內半徑為0.5mm至3mm，平均長度為25mm至45mm。
17. 如申請專利範圍第14項所述之熱對流聚合酶連鎖反應裝置，其中該試管之材料具生物可相容性且具至少120℃抗熱性。
18. 如申請專利範圍第17項所述之熱對流聚合酶連鎖反應裝置，其中該試管之材料為聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚碸(PSF)、聚醚碸(PES)或玻璃。
19. 如申請專利範圍第14項所述之熱對流聚合酶連鎖反應裝置，其中該傾斜角度介於1°至89°之間。
20. 如申請專利範圍第14項所述之熱對流聚合酶連鎖反應裝置，其中該熱源為水浴加熱器。
21. 如申請專利範圍第14項所述之熱對流聚合酶連鎖反應裝置，其中該熱源為乾浴加熱器。
22. 如申請專利範圍第14項所述之熱對流聚合酶連鎖反應裝置，其中該熱源為油浴加熱器。