TW202037915A - 熱循環系統 - Google Patents

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Abstract

本案係關於一種熱循環系統，用於處理生物樣本以便進行檢測。熱循環系統包括腔室、光子系統以及冷卻裝置。腔室係用以容置生物樣本。光子系統包括發光單元，發光單元係用以照射生物樣本，以迅速地加熱生物樣本。冷卻裝置貼附於腔室外以冷卻腔室內之生物樣本。其中，生物樣本係連續地被冷卻裝置冷卻，且發光單元係根據熱循環數據資料來選擇性啟動或關閉。藉此，可實現超快速熱循環以及準確的溫度控制。

Description

熱循環系統
本案係關於一種熱循環系統，尤指一種應用於聚合酶鏈反應之熱循環系統。
近來，對定量聚合酶鏈反應（qPCR）市場中快速周轉時間的需求變得迫切。來自不同領域的定量聚合酶鏈反應系統的最終用戶，例如醫院、研究機構或農村地區的診所等，都期望能盡快獲得測試結果。醫生需要獲得報告以辨別患者可能罹患的傳染病，需要及時治療以挽救他們的生命。
在農村地區或發展中國家，超快速定量聚合酶鏈反應將是在幾分鐘內而非幾天內提供體外診斷報告的解決方案。然而，超快定量聚合酶鏈反應系統的瓶頸之一是聚合酶鏈反應擴增的熱循環速度。用於聚合酶鏈反應擴增的熱循環技術不僅需要滿足極速加熱和冷卻速率的要求，還需要在聚合酶鏈反應擴增過程中，在不同溫度階段提供精確且穩定的工作溫度。
上述應用的熱循環技術不能滿足聚合酶鏈反應擴增的要求。近年來，業界已發展各種熱循環技術並應用於定量聚合酶鏈反應擴增，但是這些技術仍具有不同的缺點，例如熱循環速度慢、體積龐大且系統笨重，以及溫度控制不精確等。
故此，如何發展一種能解決習知技術缺點，且具有適合各應用之優點的熱循環系統，實為目前迫切且尚待解決的問題。
本案之主要目的為提供一種熱循環系統，俾解決並改善前述先前技術之問題與缺點。
本案之另一目的為提供一種熱循環系統，由於生物樣本係連續地被冷卻裝置冷卻，且發光單元係根據熱循環數據資料來選擇性啟動或關閉以加熱生物樣本，可實現超快速熱循環。此外，熱循環系統小巧輕盈，且可達到準確的溫度控制之功效。
本案之另一目的為提供一種熱循環系統，藉由使用光導引單元以及與腔室匹配的輸出端，可實現均勻加熱。
為達上述目的，本案之一較佳實施態樣為提供一種熱循環系統，用於處理一生物樣本以便進行檢測，該熱循環系統包括：一腔室，以容置該生物樣本；一光子系統，包括：一發光單元，用以照射該生物樣本，以迅速地加熱該生物樣本；以及一冷卻裝置，貼附於該腔室外，用以冷卻該腔室內之該生物樣本；其中，該生物樣本係連續地被該冷卻裝置冷卻，且該發光單元係根據一熱循環數據資料來選擇性啟動或關閉。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。
請參閱第1圖及第5圖，其中第1圖係顯示本案一實施例之一熱循環系統之結構示意圖，第5圖係顯示本案一實施例之一熱循環系統之架構示意圖。如第1圖及第5圖所示，本案之熱循環系統係用於處理生物樣本以便進行檢測，且熱循環系統較佳係用於使用定量聚合酶鏈反應(qPCR)的生物檢測，但不以此為限。熱循環系統包括腔室1、光子系統2以及冷卻裝置3。光子系統2包括發光單元21。發光單元21用以照射生物樣本，以迅速地加熱被腔室1容收之生物樣本。冷卻裝置3貼附於腔室1外，以冷卻腔室1內之生物樣本。生物樣本係連續地被冷卻裝置3冷卻，且發光單元21係根據熱循環數據資料(Thermal Cycling Profile)來選擇性啟動(Enable)或關閉(Disable)。在此熱循環系統之光子系統2之結構下，生物樣本的40個自攝氏60度至攝氏95度的熱循環係於二分鐘內被實現。而在現有技術中，生物樣本的40個熱循環需要費時30至50分鐘。也就是說，本案實現了超快速熱循環。 此外，由於結構簡單，熱循環系統體積小，重量輕。
在一些實施例中，根據熱循環數據資料，發光單元21係選擇性啟動以加熱該生物樣本至一第一預設溫度，例如攝氏95度，以進行變性(Denaturation)，且當發光單元21選擇性關閉，生物樣本係被冷卻裝置3冷卻至一第二預設溫度，例如攝氏60或65度，以進行黏合(Annealing)。
具體地，發光單元21不限於紅外雷射單元，且發光單元21發出之光之一波長的範圍介於700至900奈米，較佳為808±3奈米。發光單元21的最大功率為30瓦。可替換地，發光單元21可以是雷射發光二極體、鎢燈或鹵素燈，但不以此為限。
在一些實施例中，光自發光單元21被發射至一光路徑。光子系統2進一步包括設置在光路徑上的光導引單元22。光導引單元22具有輸出端221。腔室1於光路徑上係設置於光導引單元22的後面，用於接收或容收生物樣本。 由發光單元21發出的光係通過光導引單元22的輸出端221被引導到腔室1，且腔室1與輸出端221相匹配。光子系統2進一步包括聚光光學組23，聚光光學組23於光路徑上係設置於發光單元21及光導引單元22之間，用於匯聚光並增強光學特性。 此外，聚光光學組23可以是聚光器、濾光器或聚焦透鏡，但不以此為限。
在一些實施例中，光導引單元22為均化器。均化器較佳為楔形，且由發光單元21發出的光從面積為2.5mm × 2.5mm（即6.25平方毫米）的光束被放大且均勻化成面積為5mm × 5mm（即25平方毫米）的方形光束。當然，其他種類的近紅外透明窗口材料如石英、氟化鎂(MgF2 )及氟化鋰(LiF)亦可用作均化器。特別地，光導引單元22是楔形均化器，其面積從靠近發光單元21的一側漸增至靠近腔室1的另一側。輸出端221的面積大於或等於方形光束的面積。腔室1的一尺寸及一形狀係與輸出端221相匹配，從而實現均勻的加熱。
請參閱第1圖、第2A圖及第2B圖。其中，第2A圖係顯示本案一實施例之一腔室之爆炸視圖，第2B圖係顯示第2A圖所示之腔室之組合視圖。如第1圖至第2B圖所示，本案之腔室1包括保護板11及本體12，且保護板11係設置於輸出端221及本體12之間。保護板11可為厚度介於0.5至1毫米之玻璃板，但不以此為限。保護板11的材料可以是近紅外透明窗口材料如石英、氟化鎂(MgF2 )及氟化鋰(LiF)。本體12可為但不限於一導熱聚合物，且可以是以電腦數值控制工具機(CNC)機械加工或射出成型(Injection molding)製成。
在一實施例中，本體12之面內導熱係數(In-plane thermal conductivity)為至少每公尺每凱氏溫度24瓦(W/mK)，且本體12之直通導熱係數(Through-plane thermal conductivity)為至少每公尺每凱氏溫度4.5瓦(W/mK)，其中W為瓦特，為熱功率單位，m為公尺，為長度單位，且K為凱氏溫度，為絕對溫度單位。另一方面，本體12之顏色必須為黑色，以吸收紅外線。
在一些實施例中，本體12具有複數個連通通道121及凹槽122，複數個連通通道121係與凹槽122流體連通，且凹槽122及複數個連通通道121係被保護板11覆蓋。較佳地，保護板11和本體12與生物樣本相容，以避免在加熱和冷卻過程中破壞生物樣本。在一些實施例中，保護板11較佳為光學地透明的，使得紅外光可以通過而沒有能量損失。
請再參閱第1圖。如第1圖所示，冷卻裝置3包括至少一主動冷卻器31及至少一被動冷卻器32，且主動冷卻器31與被動冷卻器32係彼此相連接。
在一實施例中，主動冷卻器31為一熱電冷卻器、一冷卻風扇、一鼓風機或一強制液體冷卻劑。在一實施例中，被動冷卻器32為一散熱器、一熱散布器、一熱管或一熱介面材料，但不以此為限。
請參閱第3圖，其中第3圖係顯示由本案熱循環系統之一實施例實現的熱循環之測試結果的溫度-時間圖。如第3圖所示，生物樣本的40個自攝氏60度至攝氏95度的熱循環係於二分鐘（120秒）內被實現。於此測試中，生物樣本的體積是25至37.8微升（μL）。加熱速率大約為每秒攝氏20度，且冷卻速率大約為每秒攝氏30度。系列一標示出選用紅外雷射作為發光單元。系列二標示出生物樣本。
請參閱第4圖，其中第4圖係顯示由本案熱循環系統之另一實施例實現的熱循環之另一測試結果的溫度-時間圖。如第4圖所示，為了進行精確的溫度控制，本發明的熱循環系統在熱循環過程中的變性和黏合階段精確地控制一保持溫度於攝氏1度以內。 它避免了周圍環境溫度的波動，穩定了生物樣本的聚合酶鏈反應（PCR）擴增過程。 在此測試中，保持時間為300秒，保持溫度為攝氏95度。 保持溫度在120秒內僅在攝氏95±1度內波動。為了使熱循環穩定，變性時間和黏合時間各自被設定為5秒。 40個循環的總時間約為25.67分鐘。在此測試中，實現了精確的溫度控制。
在一些實施例中，熱循環數據資料的細節包括以下步驟：(a)以一加熱率加熱生物樣本至一第一預設溫度；(b)維持第一預設溫度一起始保持時間；(c)以一冷卻率冷卻生物樣本至一第二預設溫度；(d)維持第二預設溫度一第二保持時間；(e)以加熱率加熱生物樣本至第一預設溫度；(f)維持第一預設溫度一第一保持時間；以及(g)以預先決定的循環次數重複執行步驟(c)至步驟(f)。
在一些實施例中，熱循環數據資料可根據需求配置P、I、D控制。 換句話說，參數例如：PID控制、保持時間、雷射輸出功率、採樣時間、保持溫度、升降溫速率，溫度變化，循環次數，冷卻單元輸入功率……等，皆可依需求配置調整。
請再參閱第1圖及第5圖。如第1圖及第5圖所示，根據本案一實施例之熱循環系統200係進一步包括感測器4及溫度控制單元5。感測器4係與電腦相連接，以監控生物樣本之即時溫度以及發光單元21的輸出功率。溫度控制單元5係與發光單元21及冷卻裝置3相連接，且發光單元21及冷卻裝置3係根據熱循環數據資料與感測器4感測到的即時溫度及輸出功率，受溫度控制單元5控制。
在一實施例中，溫度控制單元5包括至少一個熱電偶、紅外傳感器或照相機。
綜上所述，本案提供一種熱循環系統，由於生物樣本係連續地被冷卻裝置冷卻，且發光單元係根據熱循環數據資料來選擇性啟動或關閉以加熱生物樣本，可實現超快速熱循環。此外，熱循環系統小巧輕盈，且可達到準確的溫度控制之功效。同時，藉由使用光導引單元以及與腔室匹配的輸出端，可實現均勻加熱。
縱使本發明已由上述之實施例詳細敘述而可由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
1:腔室 11:保護板 12:本體 121:連通通道 122:凹槽 2:光子系統 21:發光單元 22:光導引單元 221:輸出端 23:聚光光學組 3:冷卻裝置 31:主動冷卻器 32:被動冷卻器 4:感測器 5:溫度控制單元 200:熱循環系統
第1圖係顯示本案一實施例之一熱循環系統之結構示意圖。 第2A圖係顯示本案一實施例之一腔室之爆炸視圖。 第2B圖係顯示第2A圖所示之腔室之組合視圖。 第3圖係顯示由本案熱循環系統之一實施例實現的熱循環之測試結果的溫度-時間圖。 第4圖係顯示由本案熱循環系統之另一實施例實現的熱循環之另一測試結果的溫度-時間圖。 第5圖係顯示本案一實施例之一熱循環系統之架構示意圖。
1:腔室
11:保護板
12:本體
21:發光單元
22:光導引單元
221:輸出端
23:聚光光學組
3:冷卻裝置
31:主動冷卻器
32:被動冷卻器

Claims (21)

  1. 一種熱循環系統，用於處理一生物樣本以便進行檢測，該熱循環系統包括： 一腔室，以容置該生物樣本； 一光子系統，包括： 一發光單元，用以照射該生物樣本，以迅速地加熱該生物樣本；以及 一冷卻裝置，貼附於該腔室外，用以冷卻該腔室內之該生物樣本； 其中，該生物樣本係連續地被該冷卻裝置冷卻，且該發光單元係根據一熱循環數據資料來選擇性啟動或關閉。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之熱循環系統，其中根據該熱循環數據資料，該發光單元係選擇性啟動以加熱該生物樣本至一第一預設溫度，且當該發光單元選擇性關閉，該生物樣本係被該冷卻裝置冷卻至一第二預設溫度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之熱循環系統，更包括一感測器及一溫度控制單元，其中該感測器係與一電腦相連接，以監控該生物樣本之一即時溫度以及該發光單元的一輸出功率，該溫度控制單元係與該發光單元及該冷卻裝置相連接，且該發光單元及該冷卻裝置係根據該熱循環數據資料與該感測器感測到的該即時溫度及該輸出功率，受該溫度控制單元控制。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之熱循環系統，其中該發光單元為一紅外雷射單元，且該發光單元發出之光之一波長的範圍介於700至900奈米。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之熱循環系統，其中該發光單元為一雷射發光二極體、一鎢燈或一鹵素燈。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之熱循環系統，其中該光係自該發光單元被發射至一光路徑，該光子系統更包括一光導引單元，該光導引單元設置於該光路徑且具有一輸出端，該腔室於該光路徑上係設置於該光導引單元之後，該光受導引經過該輸出端至該腔室，且該腔室係與該輸出端相匹配。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之熱循環系統，其中該光子系統更包括一聚光光學組，且該聚光光學組於該光路徑上係設置於該發光單元及該光導引單元之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之熱循環系統，其中該聚光光學組為一聚光器或一聚焦透鏡。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之熱循環系統，其中該光導引單元為一均化器。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之熱循環系統，其中該均化器為楔形，且由該發光單元發出的該光從面積為2.5mm × 2.5mm的光束被放大且均勻化成面積為5mm × 5mm的方形光束。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之熱循環系統，其中該輸出端之面積係大於或等於該方形光束的面積，且該腔室的一尺寸及一形狀係與該輸出端相匹配。
  12. 如申請專利範圍第6項所述之熱循環系統，其中該腔室包括一保護板及一本體，且該保護板係設置於該輸出端及該本體之間。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之熱循環系統，其中該保護板為厚度介於0.5至1毫米之一玻璃板，且該本體為一導熱聚合物。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之熱循環系統，其中該本體之面內導熱係數為至少每公尺每凱氏溫度24瓦(W/mK)，且該本體之直通導熱係數為至少每公尺每凱氏溫度4.5瓦(W/mK)。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之熱循環系統，其中該本體之一顏色為黑色，以吸收紅外線。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之熱循環系統，其中該本體具有一凹槽及複數個連通通道，該複數個連通通道係與凹槽流體連通，且該凹槽及該複數個連通通道係被該保護板覆蓋。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之熱循環系統，其中該生物樣本的40個自攝氏60度至攝氏95度的熱循環係於二分鐘內被實現。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之熱循環系統，其中該冷卻裝置包括至少一主動冷卻器及至少一被動冷卻器。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之熱循環系統，其中該被動冷卻器為一散熱器、一熱散布器、一熱管或一熱介面材料。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之熱循環系統，其中該主動冷卻器為一熱電冷卻器、一冷卻風扇、一鼓風機或一強制液體冷卻劑。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之熱循環系統，其中該熱循環系統係用於使用定量聚合酶鏈反應(qPCR)的生物檢測。
TW108128814A 2019-04-01 2019-08-13 熱循環系統 TWI773914B (zh)

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