TW202225396A - 聚合酶連鎖反應檢測設備及其溫度檢測方法 - Google Patents

聚合酶連鎖反應檢測設備及其溫度檢測方法 Download PDF

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Abstract

一種檢測設備，用於PCR檢測，包括一承載結構及一溫度檢測模組。承載結構用於承載一試管，試管係用以容置一試劑及一檢體。溫度檢測模組設置於該承載結構上，包括一熱傳遞介質及一溫度感測器。熱傳遞介質的熱容量大致等於一預設值，以與試劑的熱容量相匹配。溫度感測器用於感測熱傳遞介質的溫度。此外，一種用於此檢測設備的溫度檢測方法亦被提及。

Description

聚合酶連鎖反應檢測設備及其溫度檢測方法
本發明是有關於一種檢測設備，且特別是有關於一種生物檢測設備。
聚合酶連鎖反應（Polymerase chain reaction，PCR），又稱多聚酶鏈式反應，是一項利用去氧核醣核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)雙鏈複製的原理，在生物體外複製特定去氧核醣核酸片段的核酸合成技術。透過這項技術，可在短時間內大量擴增核酸檢測標的物(nucleic acid analyte)的數量，以使檢體中少量的核酸檢測標的物可以被擴增至可檢出的數量，以利檢測該核酸檢測標的物之存在與否，甚至測定其數量。因此，聚合酶連鎖反應技術被廣泛地運用在醫學和生物學的實驗室，例如生物醫學檢測(biomedical testing)與刑事鑑定(criminal forensics)等。
在進行定量聚合酶連鎖反應（Quantitative Polymerase chain reaction，qPCR）的過程中，會進行多次溫度循環(thermal cycle)，而每次溫度循環後核酸檢測標的物數量會倍增，並可於經過N次熱循環後標的物的量變成2的N次方倍，且需使用特定波長的光源及感測器來檢測檢體經過每次溫度循環後所放大的標的物數量。所述溫度循環可如圖1所示，在每一次的循環中先經由升溫進行標的物DNA的模板變性(template denature)，再經由降溫進行引子黏合(primer anneal)，再經由升溫進行標的物DNA合成(DNA synthesis)而使標的物DNA的數量倍增，然後繼續升溫進入下一次循環。例如，在經過35次的溫度循環後，標的物的數量可被放大為2的35次方倍。在溫度循環的過程當中，需使用激發光源照射檢體以使標的物在合成時發出螢光，並使用光感測器檢測檢體的螢光光強度以判斷當下的標的物數量，達到定量檢測的目的。為了獲知試劑及其中之檢體的溫度以對所述溫度循環進行控制，習知技術是將溫度感測元件埋入導熱結構中距離試管較近的位置。然而，試劑與導熱結構之間隔著試管，且試劑與試管之間、試管與導熱結構之間的位置不同及/或熱阻不同及/或比熱不同，導致位於導熱結構的溫度感測元件無法準確地即時感測到試劑在溫度循環過程中的溫度，且感測元件所感測到的溫度與試劑的真實溫度之間並非線性溫度差，使得試劑之溫度循環的實際值與感測值不論是數值大小或是升溫/降溫趨勢皆如圖2所示存在明顯差異。因此，難以精準地對所述溫度循環進行控制。
本發明提供一種生物檢測設備，可準確地感測試劑及檢體在溫度循環過程中的溫度。
本發明的檢測設備，用於PCR檢測，包括一承載結構及一溫度檢測模組。溫度檢測模組設置於承載結構上，溫度檢測模組包括一熱傳遞介質及一溫度感測器，熱傳遞介質的熱容量大致等於一預設值，溫度感測器設置於熱傳遞介質中用於感測熱傳遞介質的一溫度。
在本發明的一實施例中，上述的檢測設備更包含一試管設置於承載結構上，且熱傳遞介質容納於試管內。
在本發明的一實施例中，上述的熱傳遞介質為一試劑。
在本發明的一實施例中，上述的檢測設備更包含一試管設置於承載結構上，且試劑、一檢體及溫度感測器容納於試管內。
在本發明的一實施例中，上述的溫度檢測模組更包括一無線訊號處理單元，無線訊號處理單元適於接收來自溫度感測器的無線感測訊號。
在本發明的一實施例中，上述的熱傳遞介質中不具有檢體。
在本發明的一實施例中，上述的試管具有一開孔，溫度感測器配置於開孔且突伸至試管內。
在本發明的一實施例中，上述的開孔位於另一試管的底端。
在本發明的一實施例中，上述的熱傳遞介質為一固狀物，固狀物至少部分地埋設於承載結構且包覆溫度感測器。
在本發明的一實施例中，上述的固狀物的材質為樹脂。
在本發明的一實施例中，上述的檢測設備更包括一熱源，其中承載結構為一導熱結構且連接於熱源，溫度檢測模組包括一處理單元，處理單元適於接收來自溫度感測器的感測訊號，且適於依據一溫差常數對溫度感測器感測到的溫度值進行補償。
在本發明的一實施例中，上述的檢測設備更包括一熱源，其中承載結構為一導熱結構且連接於熱源，承載結構具有多個承座，各承座適於承載待測試的試劑，熱源與熱傳遞介質之間的距離大於熱源與承座之間的距離。
在本發明的一實施例中，上述的檢測設備更包含一試管設置於承載結構上，其中熱傳遞介質包括一非試劑材料，非試劑材料容納於試管內，溫度感測器位於試管內或試管外側。
在本發明的一實施例中，上述的非試劑材料的熱容量等於預設值。
在本發明的一實施例中，上述的非試劑材料的材質為樹脂或水。
在本發明的一實施例中，上述的溫度感測器位於試管內，溫度檢測模組更包括一訊號線，訊號線連接於溫度感測器，訊號線從試管的底端或頂端延伸至試管外。
在本發明的一實施例中，上述的檢測設備更包括一熱源，其中承載結構為一導熱結構且連接於熱源，溫度檢測模組包括一處理單元，處理單元適於接收來自溫度感測器的感測訊號，且適於依據一溫差常數對溫度感測器感測到的溫度值進行補償。
在本發明的一實施例中，上述的熱傳遞介質的試管的頂端與非試劑材料的頂端齊平。
在本發明的一實施例中，上述的檢測設備更包括一熱源及一光學感測裝置，承載結構為一導熱結構且連接於熱源，光學感測裝置適於感測試劑中的檢體的濃度。
本發明的生物檢體的溫度檢測方法，包括以下步驟。藉由一承載結構承載一第一試劑介質、一檢體及至少兩溫度檢測模組，其中檢體位於第一試劑介質中，各溫度檢測模組包括一熱傳遞介質及一溫度感測器，一熱傳遞介質的熱容量不等於另一熱傳遞介質的熱容量。藉由各溫度感測器感測對應的熱傳遞介質的溫度。依據兩熱傳遞介質的溫度獲得第一試劑介質的溫度。
在本發明的一實施例中，上述的檢測設備更包括另一溫度檢測模組設置於承載結構上，其中另一溫度檢測模組包括另一熱傳遞介質及另一溫度感測器，另一熱傳遞介質的熱容量大致等於另一預設值，另一溫度感測器設置於另一熱傳遞介質中，用於感測另一熱傳遞介質的另一溫度。
本發明的檢測設備，用於PCR檢測，包括一承載結構及一溫度檢測模組。溫度檢測模組設置於承載結構上，溫度檢測模組包括一熱傳遞介質及一溫度感測器，熱傳遞介質的熱容量等於一檢測用熱容量預設值，溫度感測器設置於熱傳遞介質中用於感測熱傳遞介質的一溫度。
在本發明的一實施例中，上述的檢測設備更包含一盛載管設置於承載結構上，且熱傳遞介質容置於盛載管內。
在本發明的一實施例中，上述的盛載管為一試管。
在本發明的一實施例中，上述的盛載管之材質為一試管材質。
在本發明的一實施例中，上述的溫度檢測模組更包含一訊號線與溫度感測器連接。
在本發明的一實施例中，上述的承載結構更包含複數個承座，且熱傳遞介質設置於承座上。
在本發明的一實施例中，上述的承載結構更包含一延伸部，且熱傳遞介質設置於延伸部上。
在本發明的一實施例中，上述的熱傳遞介質為一試劑。
在本發明的一實施例中，上述的熱傳遞介質在工作溫度範圍內不會產生相變化。
在本發明的一實施例中，上述的溫度檢測模組為一可抽換式溫度檢測模組。
在本發明的一實施例中，上述的溫度檢測模組更包括一無線訊號處理單元，無線訊號處理單元用於接收來自溫度感測器的無線感測訊號。
在本發明的一實施例中，上述的檢測設備更包括另一溫度檢測模組設置於承載結構上，其中另一溫度檢測模組包括另一熱傳遞介質及另一溫度感測器，另一熱傳遞介質的熱容量等於另一檢測用熱容量預設值，另一溫度感測器設置於另一熱傳遞介質中，用於感測另一熱傳遞介質的另一溫度。
在本發明的一實施例中，上述的另一檢測用熱容量預設值等於檢測用熱容量預設值。
在本發明的一實施例中，上述的另一檢測用熱容量預設值不等於檢測用熱容量預設值。
本發明的溫度檢測方法包括以下之步驟。設置一承載結構。設置一熱傳遞介質於承載結構上，熱傳遞介質的熱容量等於一檢測用熱容量預設值。設置一溫度感測器於熱傳遞介質中。用溫度感測器感測熱傳遞介質的一溫度。
在本發明的一實施例中，上述的熱傳遞介質係一試劑。
在本發明的一實施例中，上述的溫度檢測方法更包括以下之步驟。提供一檢體於試劑中。
在本發明的一實施例中，上述的溫度檢測方法更包括以下之步驟。設置另一熱傳遞介質於承載結構上，另一熱傳遞介質的熱容量等於另一檢測用熱容量預設值。設置另一溫度感測器於另一熱傳遞介質中。用另一溫度感測器感測另一熱傳遞介質的另一溫度。
在本發明的一實施例中，上述的溫度檢測方法更包括以下之步驟。提供一試管於承載結構上，試管中包含一試劑及一檢體，且試劑的熱容量等於檢測用熱容量預設值或另一檢測用熱容量預設值。
在本發明的一實施例中，上述的溫度檢測方法更包括以下之步驟。提供一試管於承載結構上，試管中包含一試劑及一檢體，且試劑的熱容量不等於檢測用熱容量預設值或另一檢測用熱容量預設值。
在本發明的一實施例中，上述的溫度檢測方法更包括以下之步驟。利用一溫差常數對溫度感測器感測到的溫度值進行補償。
在本發明的一實施例中，上述的熱傳遞介質與溫度感測器係設置於一可抽換式溫度檢測模組中。
基於上述，在本發明的溫度檢測模組中，利用溫度感測器對熱傳遞介質進行溫度量測。熱傳遞介質可為試劑本身，溫度感測器直接量測其溫度而不會有溫度感測值與溫度實際值不符的情況。此外，熱傳遞介質可為額外增設之介質，其熱容積相同於試劑的熱容積，從而溫度檢測模組可透過溫度感測器對熱傳遞介質進行溫度感測而準確地獲得試劑的溫度。此外，溫度感測器的數量可為至少兩個且分別包含具有不同熱容的熱傳遞介質。藉此，即使熱傳遞介質的熱容非等效於試劑，仍可根據兩種熱傳遞介質之溫度感測器所感測到的溫度值，以內插法或外插法估算出試劑的溫度值。
圖3是本發明一實施例的檢測設備的示意方塊圖。圖4是圖3的檢測設備的部分構件立體圖。請參考圖3及圖4，本實施例的檢測設備100例如是聚合酶連鎖反應設備且包括一承載結構110、一熱源120、一光學感測裝置130及一溫度檢測模組140。承載結構110具有多個承座111適於承載多個第一試劑介質50(圖4雖然繪示出三個，但可為其他適當數量)。具體而言，各第一試劑介質50包括一試管52及一試劑54容納於試管52內，檢體則置於或溶入試劑54中，檢體例如是與生物體分離之細胞、組織、器官、體液等，實際的檢測標的物(analyte)例如是檢體中的去氧核醣核酸。這些試管52的材質及尺寸規格皆相同，且這些試劑54的成分皆相同。舉例而言，一般常用的試管容量是0.2mL，試劑體積約為0.01mL ~0.025mL，但本發明之實施例並不限於此等試管容量與試劑體積，可以是較大或是較小的試管容量與試劑體積，例如試管容量是0.25mL或0.15mL，且試劑體積可為約0.030mL或0.008mL。
承載結構110為一導熱結構且連接於熱源120。依據本發明之一實施例，熱源120可設置於承載結構110之上方、下方、承載結構110內部或其他位置(圖4中未示)，透過承載結構110加熱試管52，再進而加熱試劑54及檢體，使試劑54及檢體反覆進行如圖1所示的溫度循環，以藉聚合酶連鎖反應放大檢測標的物(analyte)的數量。光學感測裝置130用以感測試劑54中標的物的數量。依據本發明之一實施例，光學感測裝置130具有一激發光源及一光感測器(圖4中未示)，激發光源可發出特定波長的光線照射試劑54以使其中的標的物在每一溫度循環中發出螢光，光感測器可檢測檢體的螢光光強度以判斷當下的標的物數量。溫度檢測模組140用以感測檢測設備100中的一溫度，以利所述溫度循環之控制。依據本發明之一實施例，光學感測裝置130可包含一或多種激發光源及一或多種光感測器，用於各種對應的試劑54。依據本發明之一實施例，承載結構110為轉盤而可旋轉以使各第一試劑介質50及其內的檢體輪流被激發光源照射並進行光學檢測。據本發明之另一實施例，該檢測設備100例如是聚合酶連鎖反應設備且包括一承載結構110、一熱源120、一非光學感測裝置130’(圖未示)及一溫度檢測模組140，其中該非光學感測裝置130’係用於感測試劑54中標的物的數量。
本發明的主要是想藉由溫度檢測模組140的溫度感測器之環境調整，使其所感測到之溫度接近於試劑54之溫度，從而使得溫度控制更為精確。在本發明的一些實施例中，是設計成溫度檢測模組140與第一試劑介質50之熱阻大致相同，因而當利用溫度檢測模組140計算試劑54之溫度時，可以忽略熱阻造成之溫度差的影響。在本發明的另一些實施例中，是設計成溫度檢測模組140包含額外增設之熱傳遞介質，且溫度檢測模組140與試劑54的熱容量大致相同，因而當利用溫度檢測模組140計算試劑54之溫度時，因吸收相同熱量時之溫度上升量亦大致相同，可以忽略熱容量對溫度變化之影響。在本發明的又一些實施例中，是設計成溫度檢測模組140與第一試劑介質50之熱阻大致相同，且溫度檢測模組140與試劑54的熱容量大致相同，此時由於熱阻與熱容量之影響皆非常微小而可以忽略，從而可透過溫度感測器對此額外增設的熱傳遞介質進行溫度感測而準確地獲得試劑54的溫度。以下對此進行具體說明。後述實施例對應於前述實施例，因此相同或相似的元件以相同或相似的符號表示。
圖5是本發明一實施例的檢體的溫度檢測方法流程圖。請參考圖5，首先，設置一承載結構(步驟S101)。設置一熱傳遞介質於承載結構上，熱傳遞介質的熱容量等於一檢測用熱容量預設值(步驟S102)。設置一溫度感測器於熱傳遞介質中(步驟S103)。用溫度感測器感測熱傳遞介質的一溫度(步驟S104)。
以下藉由圖式對圖5的溫度檢測方法所對應的檢測設備進行更具體的說明。
圖6繪示圖4的檢測設備增設溫度感測模組。圖7繪示圖6的溫度感測模組的部分構件。圖8是對應於圖7的溫度感測模組的示意方塊圖。在圖6至圖8所示的溫度感測模組140A中，包含一第二試劑介質142A、一溫度感測器144A及一處理單元146A。第二試劑介質142A包含試管62及一熱傳遞介質64。熱傳遞介質64為額外增設來用於溫度感測的部件而非檢測標的物。熱傳遞介質64的熱容量是設置為大致等於一檢測用熱容量預設值，此檢測用熱容量預設值對應於待檢測試劑的熱容量。具體而言，熱傳遞介質64的成分相同於試劑54的成分故比熱相同，且其質量大致相同於試劑54，故熱傳遞介質64的熱容量大致相同於試劑54，因為熱容量=質量*比熱。然而，熱傳遞介質64中不具有檢體，亦即，熱傳遞介質64試劑54的差異僅在於檢體之有無；由於檢體的含量相較於試劑微乎其微，其對試劑54的整體熱容量影響甚小，故檢體之有無對於溫度及溫度感測之影響可以忽視。藉此，溫度感測模組140A可透過溫度感測器144A對額外增設的熱傳遞介質64進行溫度感測而準確地獲得試劑54的溫度。此外，在本實施例中，由於試管62的材質及尺寸規格相同於試管52，更使得溫度感測器144A所量測的溫度接近於試劑54的溫度。在另一實施例中，這些試管62可以為其他形式的盛載管62，且其材質及/或尺寸規格可以不相同於試管52。在其他實施例中，試管62或盛載管62，其與試管52兩者在熱容量及/或熱阻相同，或是其間差異不大而對整體上溫度量測影響不大。處理單元146A是用以接收來自溫度感測器144A的訊號，並將其轉換成溫度資訊而獲知試劑54及檢體的溫度。
請參考圖7，在本實施例中，試管62的底端具有一開孔62a，溫度感測器144A配置於開孔62a且突伸至試管62內，且透過訊號線148A而連接至處理單元146A。由於試管62的底端並不在承載結構110與第二試劑介質142A之間的熱傳路徑上，故在試管62的底端形成開孔62a對承載結構110與熱傳遞介質64或第二試劑介質142A之間的溫度傳導造成的影響很小而可忽略。在其他實施例中，可藉由其他適當方式配置溫度感測器144A以使其容納於試管62內，本發明不對此加以限制。此外，圖7所示的訊號線148A僅為示意，其可沿著承載結構110配置或是埋設於承載結構110，本發明不對其配置方式加以限制。
圖9是本發明另一實施例的檢測設備的部分構件立體圖。圖10繪示圖9的溫度感測模組的部分構件。圖11是對應於圖10的溫度感測模組的示意方塊圖。圖9至圖11所示實施例與圖6至圖8所示實施例的不同處在於，圖9至圖11所示的熱傳遞介質74之設置位置並非於承座111中，而是設置於承座111附近，且熱傳遞介質74的熱容量大致上等於試劑54的熱容量。依據本發明之一實施例，熱傳遞介質74為一非試劑材料，其材質例如為樹脂(如尼龍或聚苯乙烯)，其至少部分地埋設於承載結構110且包覆溫度感測器144B，溫度感測器144B透過訊號線148B而連接至處理單元146B。依據本發明之另一實施例，熱傳遞介質74幾乎完全埋設於承載結構110中。由於熱傳遞介質74與試劑54的熱容量大致上相等，藉此，可透過溫度感測器144B對熱傳遞介質74進行溫度感測而準確地獲得試劑54的溫度或算出試劑54的溫度。由於熱容量等於質量與比熱之乘積，所以當試劑的熱容量等於熱傳遞介質的熱容量時，則熱傳遞介質的質量與比熱之乘積=試劑的質量與比熱之乘積；此時，雖然熱傳遞介質的比熱與試劑的比熱可能因材質不同而不同，但是只要熱傳遞介質的質量與試劑的質量採用為熱傳遞介質的比熱與試劑的比熱兩者比例的反比即可達成熱容量相等的結果。依據本發明之一實施例，熱傳遞介質74於生物檢測設備100的工作溫度範圍內(例如在攝氏50度至不到100度之間)不會產生相變化(phase change)；在另一實施例中，熱傳遞介質74為一固態物質；在又一實施例中，熱傳遞介質74可為液狀物；在其他實施例中，熱傳遞介質74的材質也可為試劑54的材質。
詳言之，溫度變化量與熱阻的關係可由下列式(1)表示，其中Q為熱通量，R為熱傳路徑的熱阻，△T為熱傳路徑兩端的溫度差。
Figure 02_image001
…..式(1)
此外，溫升效率可由下列式(2)表示，其中△T為溫度變化量，Q為熱通量，ρ為材料密度，V為材料體積，Cp為材料比熱，t為時間。
Figure 02_image003
…..式(2)
由此可知，ρVCp(即材料之熱容量)影響溫度變化斜率，熱阻R影響溫度梯度。亦即，在熱傳遞介質74的熱容量如上述般等於試劑54的熱容量的情況下，熱傳遞介質74與試劑54會有相同的溫度變化斜率。另一方面，試劑54與導熱結構110之間隔著試管52，故熱源120與試劑54之間的熱阻(後稱第一熱阻)包含試管52的材料熱阻、試管52與導熱結構之間的接觸熱阻、承載結構110的材料熱阻，其不同於熱源120與熱傳遞介質74之間的熱阻(後稱第二熱阻)包含熱傳遞介質74與承載結構110之間的接觸熱阻、承載結構110的材料熱阻。因此，熱源120與第一試劑介質50的試劑54之間的第一熱阻可能不同於熱源120與溫度感測器144B之間的第二熱阻，而此熱阻差異產生一溫差常數。
承上，在本實施例的溫度感測模組140B(繪示於圖11)中，處理單元146B在接收了來自溫度感測器144B的感測訊號之後，根據上述式(1)，可由熱源120的瓦數及所述第一熱阻與所述第二熱阻的差值推估對應的溫差常數，並依據此溫差常數對溫度感測器144B感測到的溫度值進行補償，從而推知第一試劑介質50的溫度。此外，由於本實施例在承載結構110上增設了熱傳遞介質74，其會吸收熱源120提供的部分熱能，故在設定熱源120的瓦數時需一併考慮熱傳遞介質74的熱容，以避免因增設熱傳遞介質74而影響熱源120對各第一試劑介質50的加熱。
圖12是本發明又一實施例的檢測設備的部分構件立體圖。圖13繪示圖12的溫度感測模組的部分構件。圖12及圖13所示實施例與圖9及圖10所示實施例的不同處在於，圖12及圖13所示的熱傳遞介質74配置於從承載結構110延伸出的延伸部112上，使得熱源120與熱傳遞介質74之間的距離大於熱源120與第一試劑介質50之間的距離。藉此配置方式，可增加熱源120與熱傳遞介質74之間的第二熱阻，使其相等於熱源120與試劑54之間的第一熱阻。從而，熱傳遞介質74與第一試劑介質50之間幾乎不會因熱阻差異而產生溫差，144B所感測到的熱傳遞介質74的溫度可視為試劑54的溫度。
具體而言，熱源120與試劑54之間的第一熱阻可由熱源120與試劑54之間的各熱傳介質的熱傳係數、路徑長度及截面積而根據下列式(3)計算出，其中R為熱阻，x為熱傳路徑兩端之間的距離，A為熱傳路徑的截面積，k為熱傳介質的熱傳係數。進而，為了使熱源120與熱傳遞介質74之間的第二熱阻相等於熱源120與試劑54之間的第一熱阻，在熱源120與熱傳遞介質74之間的各熱傳介質的熱傳係數及截面積為已知的情況下，可根據下列式(3)計算出所需的熱傳路徑距離，據以決定延伸部112的所需長度，並將熱傳遞介質74配置於延伸部112的末端處。
Figure 02_image005
…..式(3)
圖14是本發明再一實施例的檢測設備的部分構件立體圖。圖15繪示圖14的溫度感測模組的部分構件。圖16是對應於圖15的溫度感測模組的示意方塊圖。圖14至圖16所示實施例與圖6至圖8所示實施例的不同處在於，圖14至圖16所示的熱傳遞介質84為一非試劑材料且容納於一試管82。試管82的材質及尺寸規格相同於試管52的材質及尺寸規格。熱傳遞介質84的材質可為樹脂(如尼龍或聚苯乙烯)或水，其比熱不同於試劑54的比熱。藉由控制熱傳遞介質84的質量，可使熱傳遞介質84的熱容量大致等於試劑54的熱容量(即所述檢測用熱容量預設值)。溫度感測器144C位於試管82內。藉此，可透過溫度感測器144C對額外增設的熱傳遞介質84(非試劑介質)進行溫度感測而準確地獲得第一試劑介質50的溫度。舉例而言，若試劑54的目標值為體積V=20μL=0.00002m 3的水溶液，而其密度ρ約為997kg/m 3且其定壓比熱Cp約等於4200 J/(kg·K)，則其熱容量C之預設值為C = M*Cp =ρ*V*Cp = (997kg/m 3) * (0.00002m 3) * (4200 J/(kg·K)) = 83.748 J/K。熱傳遞介質之熱容量預設值Cpreset即可設定成此一目標值83.748 J/K，待熱傳遞介質之材料選定後則其定壓比熱Cp即可確定，並可因此計算出其質量M，若亦可確定其密度ρ的話，則亦可算出其體積V。舉例而言，若試劑54為聚苯乙烯且其比熱Cp = 1300 J/(kg·K)、密度ρ = 1050kg/m 3的話，則可算出其體積V = 0.000061L = 61μL。依據本發明之一實施例，熱傳遞介質之體積或質量可以隨試劑54的目標值體積或質量而調整，設若試劑54之熱容量=C1、質量=M1、密度=ρ1、體積=V1、比熱=Cp1，且熱傳遞介質之熱容量=C2、質量=M2、密度=ρ2、體積=V2、比熱=Cp2，則C1=C2，M1*Cp1=M2*Cp2，ρ1*V1*Cp1 = ρ2*V2*Cp2。在已知試劑54為水融液且其比熱Cp1 = 4200 J/(kg·K)、密度ρ1 = 997kg/m 3時，而熱傳遞介質為聚苯乙烯且其比熱Cp1 = 1300 J/(kg·K)、密度ρ1 = 1050kg/m 3時，(4200)* (997)* V1 = (1300)* (1050)* V2，由計算可得V2= 3.07*V1，故當試劑54之體積V1選用確定時，熱傳遞介質聚苯乙烯體積V2選用可為其體積V1的3.07倍。所述決定熱傳遞介質之體積的計算方式亦適用於前述圖9至圖13所示實施例及後述圖17至圖20所示實施例。
依據本發明之又一實施例，溫度感測模組140C為可抽換式模組，其可以針對不同的試劑54之檢測用熱容量預設值而設計多個與之匹配的不同熱容量的熱傳遞介質84，而當實際使用時視需求選用。依據本發明之又一實施例，溫度感測模組140C為可抽換模組，其可以針對不同的試管52之熱阻預設值而設計多個與之匹配的不同熱阻的試管82或盛載管82。
詳言之，由前述式(1)及式(2)可知，ρVCp(即材料之熱容量)影響溫度變化斜率，熱阻R影響溫度梯度。亦即，在熱傳遞介質84的熱容量如上述般等於試劑54的熱容量的情況下，熱傳遞介質84與試劑54會有相同的溫度變化斜率。另一方面，由於試劑54與熱傳遞介質84彼此不同，故試劑54與試管52之間的接觸熱阻不同於熱傳遞介質84與試管52之間的接觸熱阻。因此，熱源120與第一試劑介質50的試劑54之間的第一熱阻不同於熱源120與溫度感測器144C之間的第二熱阻，而此熱阻差異產生一溫差常數。
承上，在本實施例的溫度感測模組140C(繪示於圖16)中，處理單元146C在接收了來自溫度感測器144C的感測訊號之後，根據上述式(1)，可由熱源120的瓦數及所述第一熱阻與所述第二熱阻的差值推估對應的溫差常數，並依據此溫差常數對溫度感測器144C感測到的溫度值進行補償，從而推知第一試劑介質50的溫度。
圖17是本發明再另一實施例的生物檢測設備的部分構件立體圖。圖18繪示圖17的溫度感測模組的部分構件。圖17及圖18所示實施例與圖14及圖15所示實施例的不同處在於，圖17及圖18所示的試管82’的部分區段被截除而使其長度小於第一試劑介質50的試管52的長度。藉此，可使熱傳遞介質84’的整體結構更為精簡。在此實施例中，雖然試管82’與第一試劑介質50的試管52不同，但試管82’被截除的部分區段對整體的吸熱與熱傳遞的影響有限；藉此，可透過試管82’中之溫度感測器144C對額外增設的熱傳遞介質84’進行溫度感測而準確地獲得第一試劑介質50的溫度。類似於前述圖14至圖16所示實施例的熱傳遞介質140C可抽換式模組，本實施例的熱傳遞介質亦為可抽換式模組。
在圖18所示實施例中，訊號線148C是從試管82的底端延伸至試管82外。然本發明不以此為限。圖19繪示圖18的訊號線改變配置方式。由於試管82’的部分區段被截除而使得熱傳遞介質84的頂端與試管82’的頂端齊平，故可如圖19所示將訊號線148C改為從試管82’的頂端延伸至試管82’外。
此外，本發明不限制溫度感測器144C的配置位置。圖20繪示圖18的溫度感測器的配置位置改變。除了可如圖18所示將溫度感測器144C配置於試管82’內，更可如圖20所示將溫度感測器配置於熱傳遞介質84的頂面(標示為溫度感測器144C1)，或將溫度感測器配置於承載結構110上而位於熱傳遞介質84的內側(標示為溫度感測器144C2)，或將溫度感測器配置於承載結構110上而位於熱傳遞介質84的外側(標示為溫度感測器144C3)。
本發明不對上述各實施例之溫度檢測模組及額外增設之熱傳遞介質的數量加以限制。可設置兩個或更多數量的溫度檢測模組及熱傳遞介質及對應的溫度感測器，並將多個溫度感測器測得的溫度平均值視為第一試劑介質50中的試劑54之溫度。另外，以圖6至圖20所示實施例而言，可預先在承載結構110上設置多種溫度檢測模組及熱傳遞介質及對應的溫度感測器，多種熱傳遞介質分別具有不同的檢測用熱容量預設值以適用於具有各種不同的熱容量值的試劑54，據以供使用者依需求選取對應的溫度感測器所感測到的溫度值進行溫度控制。
再者，若預先設置的多種熱傳遞介質的熱容量值(即檢測用熱容量預設值)皆無法直接對應待測試的試劑54的熱容量值，則可根據設置於承載結構上的一溫度檢測模組的一熱傳遞介質及對應的一溫度感測器所感測到的溫度值，搭配設置於承載結構上的另一溫度檢測模組的另一熱傳遞介質及對應的另一溫度感測器所感測到的另一溫度值，以內插法或外插法估算出試劑54的溫度值。圖21是本發明一實施例的生物檢體的溫度檢測方法流程圖。具體而言，可如圖21所示，藉由一承載結構110承載一第一試劑介質50、一檢體及一溫度檢測模組140與另一溫度檢測模組140，其中檢體位於第一試劑介質50中，溫度檢測模組140包括一熱傳遞介質及一溫度感測器144，且另一溫度檢測模組140包括另一熱傳遞介質及另一溫度感測器144，一熱傳遞介質的熱容量(為一檢測用熱容量預設值)不等於另一熱傳遞介質的熱容量(為另一檢測用熱容量預設值)(步驟S1)。藉由溫度感測器144及另一溫度感測器144分別感測對應的熱傳遞介質的一溫度及另一熱傳遞介質的另一溫度(步驟S2)。依據熱傳遞介質的一溫度及另一熱傳遞介質的另一溫度，以內插法或外插法而計算獲得第一試劑介質50的溫度(步驟S3)。
此外，亦可同時設置多個相同的溫度檢測模組進行檢測。即，可根據設置於承載結構上的一溫度檢測模組的一熱傳遞介質及對應的一溫度感測器所感測到的溫度值，搭配設置於承載結構上的另一溫度檢測模組的另一熱傳遞介質及對應的另一溫度感測器所感測到的另一溫度值，來檢測試劑54的溫度，其中所述兩熱傳遞介質的檢測用熱容量預設值相等。
圖22是本發明又另一實施例的檢測設備的局部示意圖。圖23是圖22的溫度感測模組的示意方塊圖。請參考圖22及圖23，本實施例的溫度檢測模組140D包括一熱傳遞介質54、一溫度感測器144D及一無線訊號處理單元146。在本實施例中，熱傳遞介質即為多個試管52的其中之一中的試劑54。溫度感測器144D容納於對應的試管52內而浸於試劑54中，以適於感測熱傳遞介質(試劑54)的溫度。無線訊號處理單元146用以接收來自溫度感測器144D的無線感測訊號而獲知試劑54及檢體的溫度。
藉此配置方式，溫度感測器144D直接量測試管52內的試劑54的溫度而不會有溫度感測值與溫度實際值不符的情況。並且，溫度感測器144D是以無線傳輸的方式將感測訊號傳遞至無線訊號處理單元146，而非以訊號線進行感測訊號之傳遞，故溫度感測器144D之裝設極為簡便，且可避免因訊號線的配設而影響對應的第一試劑介質50的光學檢測。
圖24是圖23的溫度感測器的示意方塊圖。更詳細而言，溫度感測器144D可包含一溫度感測元件1441、一無線傳輸元件1442、一控制元件1443及一電力元件1444。溫度感測元件1441可為熱電偶、熱二極體、熱敏電阻等，其可將所處環境的溫度轉換成電性訊號。控制元件1443用以將來自溫度感測元件1441之電性訊號的物理量轉換成溫度資訊，並透過無線傳輸元件1442將其傳遞至無線訊號處理單元146(繪示於圖23)。電力元件1444可為電池元件、無線充電元件或無線射頻元件，用以提供溫度感測元件1441所需電力。
在上述所有實施例中，相關於所溫度量測準確性的因素至少包括所量測的熱傳介質與第一試劑介質其熱容量是否大致相同、等效或相近，其熱場是否大致相同或相近，及其熱阻是否大致相同、等效或相近。以圖6至圖8所示實施例而言，第二試劑介質142A的組成相同於第一試劑介質，且其所在位置及配置方式相同於第一試劑介質，故大致符合熱容等效、熱場相同且熱阻等效的條件，而可具有良好的溫度量測準確性。以圖9至圖11所示實施例而言，熱傳遞介質74的組成雖不同於試劑54，然藉由其材質種類及質量的控制使其熱容相同於試劑54，故大致符合熱容等效的條件，且可依據相關於兩者熱阻差異的溫差常數來對溫度測量值進行補償，而在溫度量測準確性上仍優於習知單純將溫度感測元件埋入導熱結構中的量測方式。以圖12及圖13所示實施例而言，熱傳遞介質74的組成雖不同於試劑54，然藉由其材質種類及質量的控制使其熱容相同於試劑54，故大致符合熱容等效的條件，且藉由增加熱傳遞介質74與熱源之間的距離而對兩者熱阻差異進行補償以符合熱阻等效的條件，而在溫度量測準確性上仍優於習知單純將溫度感測元件埋入導熱結構中的量測方式。以圖14至圖16所示實施例及圖17至圖19所示實施例而言，熱傳遞介質84的組成雖不同於試劑54，然藉由其材質種類及質量的控制使其熱容相同於試劑54，故大致符合熱容等效的條件，且其所在位置及配置方式相同/相似於試劑54，故大致符合熱容等效、熱場相同/相似且熱阻等效的條件，而可具有良好的溫度量測準確性。以圖20所示實施例中的對應於溫度感測器144C1的實施方式而言，熱傳遞介質84的組成雖不同於試劑54，然藉由其材質種類及質量的控制使其熱容相同於試劑54，故大致符合熱容等效的條件，且其所在位置及配置方式相同/相似於試劑54，故大致符合熱容等效、熱場相同/相似且熱阻等效的條件，而可具有良好的溫度量測準確性。以圖20所示實施例中的對應於溫度感測器144C2、144C3的實施方式而言，熱傳遞介質84的組成雖不同於試劑54，然藉由其材質種類及質量的控制使其熱容相同於試劑54，故大致符合熱容等效的條件，且其所在位置及配置方式相同/相似於試劑54，故大致符合熱容等效且熱阻等效的條件，惟其溫度感測器144C2、144C3配置於熱傳遞介質84的內側或外側而使溫度感測位置的熱場較不均勻，然在溫度量測準確性上仍優於習知單純將溫度感測元件埋入導熱結構中的量測方式。以圖21所示實施例而言，其熱傳遞介質所在位置及配置方式相同於試劑，故符合熱阻等效的條件，雖其藉由熱容不同於試劑的至少兩個熱傳遞介質的溫度測量值來推估試劑的溫度而未符合熱容等效的條件，然在溫度量測準確性上仍優於習知單純將溫度感測元件埋入導熱結構中的量測方式。以圖22及圖23所示實施例而言，熱傳遞介質即為試劑54本身，故符合熱容等效、熱場相同且熱阻等效的條件，而可具有良好的溫度量測準確性。
50:第一試劑介質 52、62、82、82’:試管 54:試劑 62a:開孔 64、74、84:熱傳遞介質 100:生物檢測設備 110:承載結構 111:承座 112:延伸部 120:熱源 130:光學感測裝置 140A、140B、140C、140D:溫度檢測模組 142A:第二試劑介質 144A、144B、144C、144C1、144C2、144C3、144D:溫度感測器 1441:溫度感測元件 1442:無線傳輸元件 1443:控制元件 1444:電力元件 146:無線訊號處理單元 146A、146B、146C:處理單元 148A、148B、148C:訊號線
圖1繪示聚合酶連鎖反應的溫度循環。 圖2繪示習知聚合酶連鎖反應設備的試劑溫度循環的實際值與感測值。 圖3是本發明一實施例的檢測設備的示意方塊圖。 圖4是圖3的檢測設備的部分構件立體圖。 圖5是本發明一實施例的檢體的溫度檢測方法流程圖。 圖6繪示圖4的檢測設備增設溫度感測模組。 圖7繪示圖6的溫度感測模組的部分構件。 圖8是對應於圖7的溫度感測模組的示意方塊圖。 圖9是本發明另一實施例的檢測設備的部分構件立體圖。 圖10繪示圖9的溫度感測模組的部分構件。 圖11是對應於圖10的溫度感測模組的示意方塊圖。 圖12是本發明又一實施例的檢測設備的部分構件立體圖。 圖13繪示圖12的溫度感測模組的部分構件。 圖14是本發明再一實施例的檢測設備的部分構件立體圖。 圖15繪示圖14的溫度感測模組的部分構件。 圖16是對應於圖15的溫度感測模組的示意方塊圖。 圖17是本發明再另一實施例的檢測設備的部分構件立體圖。 圖18繪示圖17的溫度感測模組的部分構件。 圖19繪示圖18的訊號線改變配置方式。 圖20繪示圖18的溫度感測器的配置位置改變。 圖21是本發明一實施例的檢體的溫度檢測方法流程圖。 圖22是本發明又另一實施例的檢測設備的局部示意圖。 圖23是圖22的溫度感測模組的示意方塊圖。 圖24是圖23的溫度感測器的示意方塊圖。
62:試管
62a:開孔
64:熱傳遞介質
110:承載結構
111:承座
120:熱源
142A:第二試劑介質
144A:溫度感測器
148A:訊號線

Claims (23)

  1. 一種檢測設備，用於PCR檢測，包括： 一承載結構；以及 一溫度檢測模組，設置於該承載結構上，該溫度檢測模組包括一熱傳遞介質及一溫度感測器，該熱傳遞介質的熱容量等於一檢測用熱容量預設值，該溫度感測器設置於該熱傳遞介質中用於感測該熱傳遞介質的一溫度。
  2. 如請求項1所述的檢測設備，更包含一盛載管設置於該承載結構上，且該熱傳遞介質容置於該盛載管內。
  3. 如請求項2所述的檢測設備，其中該盛載管為一試管。
  4. 如請求項2所述的檢測設備，其中該盛載管之材質為一試管材質。
  5. 如請求項2所述的檢測設備，其中該溫度檢測模組更包含一訊號線與該溫度感測器連接。
  6. 如請求項1所述的檢測設備，該承載結構更包含複數個承座，且該熱傳遞介質設置於該承座上。
  7. 如請求項1所述的檢測設備，該承載結構更包含一延伸部，且該熱傳遞介質設置於該延伸部上。
  8. 如請求項1所述的檢測設備，其中該熱傳遞介質為一試劑。
  9. 如請求項1所述的檢測設備，其中該熱傳遞介質在工作溫度範圍內不會產生相變化。
  10. 如請求項1所述的檢測設備，該溫度檢測模組為一可抽換式溫度檢測模組。
  11. 如請求項1所述的檢測設備，其中該溫度檢測模組更包括一無線訊號處理單元，該無線訊號處理單元用於接收來自該溫度感測器的無線感測訊號。
  12. 如請求項1所述的檢測設備，更包括另一溫度檢測模組設置於該承載結構上，其中該另一溫度檢測模組包括另一熱傳遞介質及另一溫度感測器，該另一熱傳遞介質的熱容量等於另一檢測用熱容量預設值，該另一溫度感測器設置於該另一熱傳遞介質中，用於感測該另一熱傳遞介質的另一溫度。
  13. 如請求項12所述的檢測設備，其中該另一檢測用熱容量預設值等於該檢測用熱容量預設值。
  14. 如請求項12所述的檢測設備，其中該另一檢測用熱容量預設值不等於該檢測用熱容量預設值。
  15. 如請求項1所述的檢測設備，更包括一熱源，其中該承載結構為一導熱結構且連接於該熱源，該溫度檢測模組包括一處理單元，該處理單元適於接收來自該溫度感測器的感測訊號，且適於依據一溫差常數對該溫度感測器感測到的溫度值進行補償。
  16. 一種溫度檢測方法，包括以下之步驟： 設置一承載結構； 設置一熱傳遞介質於該承載結構上，該熱傳遞介質的熱容量等於一檢測用熱容量預設值； 設置一溫度感測器於該熱傳遞介質中；以及 用該溫度感測器感測該熱傳遞介質的一溫度。
  17. 如請求項16所述的溫度檢測方法，其中該熱傳遞介質係一試劑。
  18. 如請求項17所述的溫度檢測方法，更包括以下之步驟：提供一檢體於該試劑中。
  19. 如請求項16所述的溫度檢測方法，更包括以下之步驟：設置另一熱傳遞介質於該承載結構上，該另一熱傳遞介質的熱容量等於另一檢測用熱容量預設值；設置另一溫度感測器於該另一熱傳遞介質中；以及，用該另一溫度感測器感測該另一熱傳遞介質的另一溫度。
  20. 如請求項19所述的溫度檢測方法，更包括以下之步驟：提供一試管於該承載結構上，該試管中包含一試劑及一檢體，且該試劑的熱容量等於該檢測用熱容量預設值或該另一檢測用熱容量預設值。
  21. 如請求項19所述的溫度檢測方法，更包括以下之步驟：提供一試管於該承載結構上，該試管中包含一試劑及一檢體，且該試劑的熱容量不等於該檢測用熱容量預設值或該另一檢測用熱容量預設值。
  22. 如請求項16所述的溫度檢測方法，更包括以下之步驟：利用一溫差常數對該溫度感測器感測到的該溫度值進行補償。
  23. 如請求項16所述的溫度檢測方法，其中該熱傳遞介質與該溫度感測器係設置於一可抽換式溫度檢測模組中。
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