TW555856B - Apparatus for effecting reactions, reaction vessel, and method of carrying out a chemical or biochemical reaction - Google Patents
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Description
A7 五、發明説明 本發明關於—種例如用於生化反應,以控制試劑加熱之 槽及裝置,及使用它們之方法。 反應槽之控制加熱由使用固體方形加熱器實施,其由不 同万法加熱及冷卻,目前固體方形加熱器由電氣元件或電 :裝置等其它事物間加熱,其它反應槽可由卣素燈/亂流 2氣裝置予以加熱,槽可由電熱裝置、壓縮器冷凍器技 術、強制2氣或冷卻液體等冷卻。反應槽適合具不同程度 合適之方形加熱器,因此介於方形加熱器及反應槽間之$ 接觸固加熱器之設計而改變,在需要多溫度階段之反應, 方形加熱器之溫度可由可程式控制器予以調節,例如使用 加熱器實施熱循環。 此種加熱器裝置特別適合像聚合物酶鏈反應(pcR)之 DNA擴大方法之需要熱循環之反應,pCR是一產生大量特 別DNA順序之步驟,是基於〇να基成對及補充DNA束之 精確複製之特性,典型p (: R包括三個基本步驟之循環方 法。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 改變特性:加熱PCR試劑(包括欲複製之〇νΑ,個別核 甘又酸基(A、T、G、C )、適當初期物及聚合物酶酵素)至預 定溫度以分離二束之目標D N a。 緩降溫度:冷卻混合物至另一預定溫度,初期物位於 D N A束補充順序及和其接合。 擴張:加熱混合物至另一預定溫度,聚合物酶(作爲催化 劑)加入個別核貳酸基之初期物尾端以形成新的DN A束, 其補充於目標DN A之順序,此二束互相接合。 -4 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(21〇χ297公釐 A7 B7 五、發明説明(3 ) US Patent No. 5 106540 及 US Patent No. 5 106538,適當之 傳導聚合物可提供溫度高至300°C及可良好使用於?(:11製 程中,其溫度典型範圍爲介3〇。至1〇〇。(:間。 本發明對傳結方形加熱器之利益處爲源於能導電之聚合 物可快速加熱,加熱速率決定於聚合物之精確特性、使用 之聚合物的尺寸及應用之電流量,較佳地聚合物有一較高 電阻,例如超過1000歐姆•公分。聚合物之溫度可由控制 導通至聚合物之電流量予以容易控制,其使可在所欲溫度 下持績所欲之時間,再者,介於溫度間之轉換速率可在校 正後,傳導一適當電流,例如由電腦程式控制,予以輕易 控制。 再者,和方形加熱器比較,亦可快速冷卻,因爲聚合物 之低熱質,如需要,反應槽亦可由人工冷卻,以進一步增 加々仰速率。適當冷卻方法包括強制空氣冷卻,如使用風 扇,浸入冰或水浴中等。 另卜在反應槽中使用聚合物作爲加熱元件可較目前之 =形加煞器具簡便型悲,當實施化學反應在狀態如開放空 氣中、/可上、工場地板或小店中,可爲有用的。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
反應槽可爲試劑容器形態,如玻璃、塑膠或矽容器,有 :導電性聚合物安裝與容器緊密接觸,聚合物是以覆套供 _八设&反應槽四周,和槽熱接觸。覆套可爲形狀之覆 蓋供給,其設計以安適地適合反應槽,或以薄膜條狀供 給,以包覆於反應槽四周,並緊束著。 I 口物设套裝置意味著叮達成覆套和反應槽間之緊密熱
經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 -----___ _—_ 五、發明説明(4 ) 接觸,此保證槽可快速達到所欲溫度,不會因介於反應槽 及加熱器之空氣層之絕緣效應而有通常之延後時間。再 者’聚合物覆套可適於使用預目前之反應槽之裝置,特別 地’一條柔靭的聚合物薄膜可包覆於不同大小及形狀之反 應槽。 當使用覆套,將其貫通或成網狀是有利的,如果聚合物 本身不使用爲影響冷卻,其可增加聚合物柔韌性及可使冷 卻介質有更容易之通道。 在本發明之另一具體實施例中,聚合物是以反應槽之整 體邵份供給’反應槽係由聚合物以擠出、射出成型或相似 技術製造’另種方式,反應槽可由複合材結構製造,其中 一層傳導聚合物插入製造槽或其中反應槽之内或外表面塗 以聚合物’或槽基本上由聚合物製成並塗以pCR可相容物 < 薄片之物質層。該槽可由薄片及/或如此技藝之傳統 之化學或電熱澱積技術之澱積予以製造。 含聚合物之整體部份之槽可提供特別簡便之結構。 如果數個反應槽需要用於一特別反應,任何電氣連接點 可疋位以至單一供給可和所有反應槽及管連接,反應槽可 整批供給。 “ 另外地,每一或每一組之反應槽可由調節應用之至該槽 ^涊組槽之電流,而有自己之加熱方式設定。此提供對固 體万形加熱器或亂流空氣加熱器之根據本發明具聚合物之 反應槽之另一及特別重要利益,其中個別槽可互相獨立控 制而有自己加熱方式,其指可使用相當小的裝置而在同 百氏張尺度 itF州χ 'J—--—- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
經濟部中央標準局員工消費合作社印聚 上,該片可由聚合物製^^板支持片,試劑可支持在其 &成或聚合物可以片整體部份提供,
A7 B7 五、發明説明( 時間内實施多數PCR實驗,雖然每一實驗需要不同操作溫 度,例如,可同時實施小樣本中測試相當多數有機體之 PCH測試’雖然由每-有機體賦予特性之核錢順序是在 不同P C R操作溫度下被擴大。 聚合物適#地可以薄片物質或薄膜狀供給,例如從0.01 mm至10 mm,例如從1 $】〇… 土 1〇 mm,及較佳地〇1至〇 3 mm 厚。藉使用薄膜,需要覆蓋—特別反應槽或表面之聚合物 ;體積可被最少化,此減少將聚合物加熱至所需溫度之時 P:,因由電流導通至聚合物所產生之熱並不需要均勾分佈 於大f辈積之聚合物物質。 在使用中,安排反應槽中 合物中廣4,AT#,甲<聚合物組份以使電流可在聚 :::產生,此可猎提供聚合物之連接 或誘導在聚合物中之電沪 孔連接 磁場中,予以達成。暴露聚合物於適當電氣或 可在本發明反應槽達成 緊密熱接觸減少或排除介如:聚合物及試劑或試劑容器之 緣效應。 · …7^件及反應槽間之空氣層絕 在本發明之一具體實 至含於其中之試劑之熱傳送管,由毛細管 者,當在毛細管之試劑 、由傳結4劑槽達成 劑槽中者。 知對髗積之比大於在傳統試 另外,槽可包括例如 片,特別是微觀滑動片/、列特別如矽乾膠片,或滑動 ___— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
__---— 經濟部中央標率局員工消費合作社印製 A7 五、發明説明(6 ) 如塗佈於片之一面或如前述在複合材結構中之聚合物層。 適當地及特別地當該片爲一小片,聚合物可使用印刷電路 板(P C B )技術澱積爲/或蝕刻,以較佳形式於小片上。 此種槽特別有用於在原處之PCR,例如在組織實施例。 其i適當之反應槽爲管或小池,其習知於此技藝。 本發明另提供需要多反應階段之反應裝置,該裝置包括 一如上所述之反應槽、一種在聚合物内產生電流之裝置及 種#1節%成量導通至聚合物以控制溫度之控制裝置。 控制裝置適當地爲如電腦控制介面裝置之自動控制裝 置’藉使用連接於聚合物之電氣電路之可程式控制器,一 界定之加熱方式,例如建立於預定時間區段及段落界定數 目之預定溫度階段循環可由裝置預程式,包括在相同裝置 相同時間下不同反應槽中實施不同溫度及時間方式。 控制裝置可包括如熱電偶之溫度偵測裝置,其偵測反應 槽之溫度及回饋此資料至控制系統,所以加熱爲/或冷卻 之所欲方式是依附。 另外’聚合物之溫度可藉測量其電阻而直接偵測,例如 安排聚合物加熱元件爲惠斯通電橋電路排列之電阻器,此 避免使用其它溫度測量裝置,例如熱電偶。 視需要’此裝置另包括人工冷卻裝置,例如一或多個風 扇。 此裝置可包括多數容器,聚合物可爲每一容器之整體部 份供給,如一環繞於每一容器之覆套或安排爲插入相鄰容 器之一層聚合物,如果實施需要相同溫度階段之數個反 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
、1T 五 、發明説明( 7 A7 B7 應’任何在聚合物上之電氣連接點可連接至單一電氣供 給。 但是’較佳具體實施例中裝置是安排爲和(或形成)一容 器或一組容器連接之聚合物連接至個別供給,數個容器或 組各器連接至不同獨立控制電氣供給,具有此種排列,數 個需要不同溫度階段之不同反應可在相同時間實施,如每 谷器或組谷器有其自己之加熱元件,此種排列可使使用 者使用單一裝置,其不可能使用目前儀器,以實施數個小 分批反應。先前可用於此種使用之裝置是某些方形加熱器 的設計,其介2至4區段,及可獨立地加熱及冷卻,但是該 裝置被限制使用於2至4分批反應及具如前述低循環時間之 不利處。 當反應槽包括一滑動片或小片,此裝置可包括滑動片或 小片、·一電氣供給、一種連接電氣供給至滑動片或小片或 在聚合物中誘導電流之裝置及控制電流流通至在滑動片或 小片中之聚合物層之裝置。 本發明之反應槽可使用於不同狀況,其中須實施化學或 生化反應,因此本發明另提供一實施化學或生化反應之反 應之方法’該方法包括如上所述在反應槽中加熱試劑。 除了如上述例如p c R反應之擴大反應,本發明之槽及裝 置可用於核酸排序及酵素動力研究之目的,其中研究不同 溫度下酵素的活性,像其它反應,特別是關於酵素活性之 反應,其中須保持精確之溫度。即使在根據本發明一此具 體實施例中在可移動及可攜裝置,本發明之反應槽可達到 -10- 本紙張尺錢财_家^ ( CNS ) Α^^.χ 297 & f請先閱讀背面之注意事唄再填寫本頁」 -訂 t
經濟部中央榡準局員工消費合作社印製 L A7 B7 五、發明説明(8 ) 精確溫度及保持適當時間範圍及如所欲地快速改變。 對PCR反應,需要分別地達到改變特性,緩降溫度及擴 張之溫度狀況及需要影響此階段之時間會因習知於此技藝 (不同因素而改變’該因素之例子包括被擴大核貳酸之特 性及長度、使用初期物或利用之酵素之特性,最佳狀況可 在每一例中由習於此技藝之人士決定,典型改變特性之溫 度為95 C,典型緩降溫度之溫度為55 〇c及擴強溫度為72 °C,當使用本發明之反應槽及裝置,此溫度可快速達到及 介於溫度之轉換速率可容易控制。 同屬DNA互相校對染料及束特別基因探針實驗,如述於 US Patent No. 5,53 8,848之Taqman®實驗及全内反應螢光 (TIRF)實驗,如述於w〇 93/06241可應用於本發明之許多 具體實施例,在該實驗中,利用螢光偵測裝置測定如螢光 訊號或快速消失訊號之從樣中出來之訊號,當從事此種方 法’須安排螢光偵測裝置以主能偵測到由樣本發射出之訊 號’例如如果至少一部份槽如其中槽為本發明之管之一端 須為光學清晰的,所以測定能透過它,那將是有幫助的, 另外槽可提供為從樣本傳導訊號至偵測裝置之裝置,例如 光纖或快速消失波導引。 圖式簡單說明 將描述本發明之具體實施例,因實施例,參照相隨之圖 示,其中 圖1顯示一反應槽加熱器包括排列至適於反應管之唪電性 聚合物之覆套; 圖2顯示具導電性聚合物覆於一個其表面之反應滑動片; -11 - 本紙张义度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) ,:圖4,一條電氣連接聚合物薄膜2包覆於毛細管工及 固疋耆,此條聚合物薄膜2提供有電氣連接點3,電氣供給 5經由連接夾片4和其連接。 在使用中遠,瓦導通至聚合物薄膜2,因此加熱此毛細管 1及置於毛細管!中之任何試劑。 乍Η 5之I置以貝施p〔 r偵測,使用1 12 mm内徑及1 · 4 7 mm外從i毛細管6作爲反應槽,一條導電性聚合物7包覆 之苢並口足,以至它非常緊密地和管之外表面接觸,因此 由管6·四周加熱,減少管6樣品中之溫度悌度。 由私氧動力供給8提供加熱,其經由介面9和電腦^ 〇連 接,以自動控制加熱循環,風扇冷凍器丨i被安排至導引空 乳至聚合物7,一紅外線熱電偶12提供至聚合物7之外面以 偵測溫度。 爲使用岫足出裝置表現之目的,使用κ式熱電偶以偵測 官6内急溫度,然後使用内及外溫度以線性化外溫度讀數 至預測樣本溫度。 經漓部中央標準局貝工消費合作社印製 加熱聚合物和動力供給8連接及使用介面9及軟體之關閉 之電路,安排至關電路之開關丨4是快速光學替讀器,可每 10 ms切換,使用第二電路以控制二小電氣風扇I】,其提 供反應樣本強制空氣冷卻及係連續操作,控制軟體爲 Lab View其提供使用者程式化及操作之友誼的圖形介面, 電流初始以相當高頻率供給以快速達到所需溫度,當達到 設計之操作溫度,電流以較低頻率供给以保持設計操作溫 度於預定範圍。 _—— _ -13- 一 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) A7 經濟部中央標举/7貝工消費合作社印掣 五、發明説明 , 示於圖7之裝置mM, 有疋我夕個偵測元件街受器窗位 7 1之絕緣間壁之有苫益 伙 ° 现相子7 0,相子7 1顯示經由介面單元 7 2和電源7 3和雷脱7 /1 + γ、表上、 $ — 一、 ^ 74电軋連接,此連接爲允許不同供給 至每一窗位71,每-窗位含熱電偶(未示)以偵測其中之溫 度。. 示於圖7&之_器元件包括由覆套76包覆之反應管”, 覆套76由加熱聚合物形成及和供给終端77及78連接。 當填充及停止管75後,它可提供至適當窗位 77及W持在窗位中(未示)相配之接受器終端,當完全連 裝置被安排至提供顯示於電腦螢幕每一管75之連接狀 態。 Μ蓋子7G完成每—窗位之絕緣及 75之保存。 坤 電腦程式安排至分別之每f 75中#找之分子之證實, 如此1爲安排至控制如果存在擴大該分子之pcr之適當溫 度=¾、,當循環完成,管之内容會暴露至適當基因探針偵 測器以決定尋找之分子確定存在。 、 當然述於圖7及7&之裝置之意義可被以多種方式了解, 其馬可移動的而非可攜$及安排爲以管以外之形式, 括滑動#,之偵測$元件之接收,典型地其可安排 9 6或1 92偵測元件。 F列實施例説明本發明。 實施例 D Ν Α 之 管 其 包 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) - -14 - 本紙张尺度適用中陶家標準(CNS ) M規格(21GX 297公楚) 經濟部中央標準局員工消費合作社印繁 A7 _ B7 Λ Ο * -- 五、發明説明() 使用圖5除去Κ式熱電偶之裝置,實施下列p c R反應。 擴大從cloned Yersinia pestis段之100基對之擴大區,使 用Idaho RapidCyclerTM先最適化反應狀況,在idah〇 RapidCyclerTM中擴大相同反應混合物之樣本並作爲比較反 應。 置於管6中之反應混合物包括下列: 50 mM Tris. HC1 pH 8.3 3 mM MgCl2
2 5 毫克 / 毫升 Bovine Serum Albumen 200 /乂 M 每一 dATP、dTTP、dCTP 及 dGTP 1 0微克/毫升每一 P C R初期物 2 5單位/觉升T a q聚合物酶 熱循環方式被程式化至9 5。(:爲0秒、5 5 °C爲0秒、7 2 °C 爲0秒,如述於圖6,爲了比較,相似之熱循環方式被程式 化於Idaho RapidCyclerTM,在覆於毛細槽6及Idaho
RapidCyclerIMi聚合物中使用5〇微升之反應體積。 在本文中,” 0秒”指當達到目標溫度,程式指示下一誘導 之溫皮,反應在目標溫度進行之精確時間決定於使用裝置 之變數及特性,通常其小於1秒。
在毛細槽中4 0次循環後,利用在2 〇/0膠及1 X τ A E緩衝液 4瓊脂糖膠電泳大小分離每一反應之p c R產物之5 〇微升樣 本利用溴化乙錠著色觀察DNA。由Idaho RapidCyclerTIVI (2 5循環)樣本取出相近之樣本,偵測相似正確大小之擴大 區。 _ __________ ~ 15 - 本紙張尺度適财關家標準(CNS ) M規格(21G>< 297公楚) (諳先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
Claims (1)
- 第086118395號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(92年8月) A B c D 公告本I 申請專利範圍2 8 · 一種用以達成反應之裝置,該裝置包含一適合用以容納 武劑之反應槽,以容許其經控制之加熱,一導電聚▲ 物’當電流穿過其間時’其會釋出熱,及控制設置,用 以控制電流供給至聚合物,該控制設置被配置為供給電 流以於被容納於反應槽内之試劑内產生一不同溫度順 序,該聚合物經由該控制設置而可連接至一電氣供給。 根據申請專利範圍第1項之裝置,其包含多數個反應 槽。 “ 根據申請專利範圍第2項之裝置,其中,不同的電流可 被供給以加熱每一槽或一群槽。 根據申請專利範圍第3項之裝置,其中,該控制設置被 配置以對於母一反應槽之一不同溫度及/或時間分佈开) 態供給電流。 根據申請專利範圍第1至4項之任何一項之裝置,其 中母一反應槽包括一供反應物用之容器,且該加熱器 聚合物係鄰近該容器。 根據申請專利範圍第5項之裝置 物係形成一環繞該容器之覆套。 根據申請專利範圍第5項之裝置 物係呈一薄膜形式。 根據申請專利範圍第6項之裝置,其中,該覆套和衾 益成為一體。 根據申請專利範圍第5項之裝置,其中,該加熱器费 物是打孔的或網狀的。 其中,該加熱器聚 其中,該加熱器聚 9 . 申清專利範圍 10.根據申請專利範圍第1至4項之任何一項之裝置,其 中該加熱器聚合物形成一供反應物用之容器。 11 ·根據申請專利範圍第i項之裝置,其中,該反應槽包含 一供反應物用之容器,其中,容器之表面之一係塗覆該 加熱器聚合物。 12.根據申請專利範圍第1項之裝置,其中,該反應槽包含 一毛細管。 13·根據申請專利範圍第丨項之裝置,其中,該反應槽包含 一滑動片。 Η·根據申請專利範圍第1項之裝置,其中,該反應槽包含 一夾片。 15 ·根據申請專利範圍第2項之裝置,其包含多數個成一列 之反應槽。 16·根據申請專利範圍第1項之裝置,其中,該控制設置被 配置成可供給電流,以進行在該等反應槽内需要多重溫 度階段之反應。 17·根據申請專利範圍第16項之裝置,其中,該控制設置係 經程式化,以致可自動地達成反應之多次循環。 18·根據申請專利範圍第16項之裝置,其中,該控制設置係 被配置成可根據一預定時間/溫度分佈形態提供電流。 19·根據申請專利範圍第1項之裝置,進一步包含一用以偵 測來自一反應槽試樣中一訊號之設置。 20. —種進行一化學或生化反應之方法,該反應需要多重溫 度階段;該方法包括將該反應所需要之試劑放置在一反 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) A B c D π、申請專利範圍 應槽中,該反應槽包含一導電聚合物,當電流穿過其間 時,其會釋出熱’對該聚合物供給電流以加熱該試劑至 一第一所欲溫度;及其後調整電流以產生反應所需之後 續溫度階段。 21 ·根據申請專利範圍第20項之方法,其中該反應為一 DNA 放大方法。 22·根據申請專利範圍第21項之方法,其中該放大方法是一 聚合酶鍵反應(PCR)。 23·根據申請專利範圍第20項、第21項或第22項之方法,其 中係將用於多個反應之試劑各放置在一反應槽中並同時 加熱。 24·根據申請專利範圍第23項之方法,其中每一反應槽係個 別加熱至反應槽中反應發生所需要之溫度。 25.—種反應槽,包含一滑動片或一夾片,及一導電聚合 物,當電流穿過其間時,其會釋出熱,該聚合物被配置 成可加熱在該滑動片或夾片上之試劑。 26·根據申請專利範圍第25項之反應槽,其中該聚合物與該 滑動片或夾片成一體。 27.—種用以達成反應之裝置,該裝置包含多數個反應槽, 一導電聚合物’當電流穿過其間時,其會釋出熱,及控 制設置,用以控制電流供給至聚合物,該聚合物經由該 控制設置而可連接至一電氣供給,並被配置以加熱每一 槽,其中一槽之加熱係獨立於一不同槽之加熱,而為可 控制的。 -3 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇 X 297公黄)28·根據申請專利範圍第27項之裝置,其中,每一反應槽包 括一供反應物用之容器,且該加熱器聚合物係鄰近該容 器。 29·根據申請專利範圍第28項之裝置,其中,該加熱器聚合 物係形成一環繞該容器之覆套。 3〇·根據申請專利範圍第28項或第29項之裝置,其中,該加 熱器聚合物係呈一薄膜形式。 31.根據申請專利範圍第29項之裝置,其中,該覆套和該容 器成為一體。 32_根據申請專利範圍第27項或第28項之裝置,其中,該加 熱器聚合物是打孔的或網狀的。 33·根據申請專利範圍第27項或第28項之裝置,其中,該加 熱器聚合物形成一供反應物用之容器。 34·根據申請專利範圍第27項、第28項或第29項之裝置,其 中,該反應槽包含一供反應物用之容器,其中,容器之 表面之一係塗覆該加熱器聚合物。 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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