TWI588261B - 聚合酶鏈鎖反應之儀器與方法 - Google Patents
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Description
本揭露與聚合酶鏈鎖反應(polymerase chain reaction；PCR)增幅核酸序列之方法有關。更明確地，本揭露和能吸收電磁波(electromagnetic radiation；EMR)且具有過渡金屬材料之粒子結合電磁波做為聚合酶鏈鎖反應增幅核酸序列之產熱源有關。
聚合酶鏈鎖反應是一種能由單種或多種標的DNA模版(template)合成多套單個或多個DNA片段的技術。傳統的聚合酶鏈鎖反應過程是基於由Thermus aquaticus菌(Taq)所萃取出對熱敏感之DNA聚合酶發展而來，該酵素能夠在具有四種DNA鹼基一腺嘌呤(adenine)、胸腺嘧啶(thymine)、胞嘧啶(cytosine)、鳥嘌呤(guanine)，和一對DNA引子(primer)的一種混合物中，針對一指定的DNA股(strand)合成一互補股。該混合物被加熱以將DNA雙螺旋結構分離為包含標的DNA序列的個別股，隨後該混合物冷卻下來，使引子和在已分離之股上的互補序列雜交，Taq聚合酶並延長引子，使與互補序列雜交的該引子成為新的互補股。如此重複的加熱和冷卻循環能指數放大該標的DNA，因每一新形成的雙股螺旋結構可成為兩個新的模版分子以供後續合成。
典型的聚合酶鏈鎖反應溫度設定包括：(1)在95℃持續15~30秒，使DNA變性(denaturation)；(2)和引子在適當的黏合(annealing)溫度雜交(hybridization)，
持續30秒~60秒；(3)在72℃延展(elongation)或延長(extension)已雜交的引子一段時間，這段時間的長短將依待增幅DNA分子之長度而決定，典型地來說大約是30秒~60秒。該變性和雜交的步驟幾乎是在一瞬間發生，然而，在傳統聚合酶鏈鎖反應儀器中若使用金屬加溫組件或水作為溫度平衡之用，其溫度變化的速率大概是1℃/秒。由於在聚合酶鏈鎖反應中尚須加熱和冷卻DNA分子之外的物質，因此僅靠上述的傳統溫度循環設計是不足的。
聚合酶鏈鎖反應的實驗程序主要與加熱至指定溫度有關，該加熱過程不但冗長且耗能。在本揭露中，藉由使用電磁波和能吸收電磁波且具有過渡金屬材料之粒子作為產熱源，就可提昇聚合酶鏈鎖反應中的反應混合物的溫度，該增溫速率約為13℃/秒~15℃/秒，進而使聚合酶鏈鎖反應以更快且更具能源效率的方式在一種微型裝置中執行。另外，迅速由一溫度轉變到另一溫度也可確保樣本(標的DNA序列)在中介溫度中有極短停留時間，使該聚合酶鏈鎖反應增幅之DNA分子有最佳的純度和真實度。
本揭露主要涉及一種以聚合酶鏈鎖反應增幅一種反應混合物中的一核酸序列之方法。該方法包含將該反應混合物和粒子接觸，該粒子包含一種材料，該種材料包含一種過渡金屬(transition metal)、一種第三族金屬(Group III metal)的氮化物(arsenide)摻雜過渡金屬(doped with transition metal)、一種第三族金屬的磷化物(phosphide)摻雜過渡金屬或一種第三族金屬的砷化物(arsenide)摻雜過渡金屬、或二氧化矽(silicon dioxide)摻雜過渡金屬。該方法可進一步包含以電磁波照射該種粒子，且該電磁波頻率為約200kHz~500THz，如此該標的核酸序列可被此方法增幅。該種第三族金屬可為鋁(Al)、鎵(Ga)或銦(In)。該種過渡金屬可為
錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)。該種反應混合物在聚合酶鏈鎖反應中的溫度上升速率約為13℃/秒~15℃/秒，而溫度下降速率約為6℃/秒~7℃/秒。
本揭露更進一步地涉及一種以聚合酶鏈鎖反應增幅一種反應混合物中的一核酸序列之方法。該方法包含將該種反應混合物和粒子接觸，該種粒子包含一種材料，該種材料包含一種過渡金屬氧化物(transition metal oxide)、一種過渡金屬氫氧化物(transition metal hydroxide)、一種第三族金屬化合物摻雜過渡金屬(Group III metal compound doped with the transition metal)、一種二氧化矽摻雜過渡金屬氧化物(silicon dioxide doped with the transition metal oxide)、或者一種二氧化矽摻雜過渡金屬氫氧化物(silicon dioxide doped with the transition metal hydroxide)。該種方法可更進一步包含以電磁波照射該種粒子，且該電磁波頻率為約200kHz~500THz，該標的核酸序列可被此機制增幅。該種過渡金屬、該種過渡金屬氧化物或該種過渡金屬氫氧化物之一部或全部可由錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)組成。該種反應混合物在該種聚合酶鏈鎖反應中的溫度上升速率約為13℃/秒~15°C/秒，而溫度下降速率約為6℃/秒~7℃/秒。根據本揭露的一個或多個實施例，該種過渡金屬氧化物或該種過渡金屬氫氧化物可為以下任一種或多種化合物：氧化亞鐵(FeO)、氧化鐵(Fe2O3)、四氧化三鐵(Fe3O4)、氧(氫氧)化鐵(FeO(OH))、氫氧化亞鐵(Fe(OH)2)、氫氧化鐵(Fe(OH)3)、一氧化錳(MnO)、四氧化三錳(Mn3O4)、三氧化二錳(Mn2O3)、氧(氫氧)化錳(MnO(OH))、二氧化錳(MnO2)、一氧化鈷(CoO)、氧(氫氧)化鈷(CoO(OH))、四氧化三鈷(Co3O4)或一氧化銅(CuO)。
根據本揭露的一個或多個實施例，該種粒子可為以下任一種或多種化合物：氧化亞鐵(FeO)、氧化鐵(Fe2O3)或四氧化三鐵(Fe3O4)。
根據本揭露的一個或多個實施例、該種第三族金屬的氮化物、磷化物或砷化物摻雜之過渡金屬或金屬離子包括但不限於：氮化鎵(GaN；gallium nitride))摻雜錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)；氮化鋁(AlN；aluminium nitride))
摻雜錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)，或上述金屬之離子；磷化銦(InP；indium phosphide)摻雜鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)，或上述金屬之離子；砷化鎵(GaAs；gallium arsenide)摻雜鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)，或上述金屬之離子；以及砷化銦(InAs；indium arsenide)摻雜鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)，或上述金屬之離子。
照射該種粒子之步驟包含：增加該種反應混合物之溫度至一第一溫度範圍以使DNA變性，典型地來說約為80℃~105℃，持續約0.5分鐘~1分鐘；增加該種反應混合物之溫度至一第二溫度範圍以使引子黏合，典型地來說約為35°C~65℃，持續約0.5分鐘~1分鐘使一對引子可與該已變性的標的核酸序列雜交；且增加該種反應混合物溫度至一第三溫度範圍以活化聚合酶活性，典型地來說約為40℃~80℃，持續約0.5分鐘~5分鐘，持續時間要依需增幅的標的序列長度而定，由此標的核酸可由該延展反應而被增幅。
在某些實施例中，該些粒子會在該反應混合物中和該標的核酸直接混合，且在該種反應混合物中的每一粒子具有一流體動力直徑(hydrodynamic diameter)為約100~800nm(1nm為10-9m)。
在某些實施例中，該種反應混合物被容置於由該種粒子所構成的容器中，該種粒子包含一種過渡金屬材料。例如，在一個或多個實施例中，該種粒子所形成的一或多個薄膜(films)、塗層(coatings)或層狀物(layers)可被置於該種容器的一表面上。該一或多個薄膜、塗層或層狀物可由一層或多層上述之該粒子所構成。
該一或多個薄膜、塗層或層狀物可被單獨製造且覆蓋於該種容器上。
例如，具該種粒子的薄膜可在一基質或載體中形成，且可以使用任一熱層壓技術(hot lamination)、冷層壓技術(cold lamination)或溶劑層壓技術(solvent lamination)覆蓋於該種容器的一表面上。具有通常技藝之人將可了解任何將一或
多個薄膜、塗層或層狀物與該種容器表面產生強附著性之方法是必要的，以避免該種容器表面之該一或多個薄膜、塗層或層狀物脫落或剝落。
該一或多個薄膜、塗層或層狀物可直接形成於該種容器上。該一或多個薄膜、塗層或層狀物可以以下任一種方法直接形成於該種容器上：化學氣相沈積(CVD)、物理氣相沈積(physical vapor deposition)、噴霧塗層、塗刷、浸泡塗層(dip coating)、或其他任何適合的方法。具有通常技藝之人將可了解任何將該一或多個薄膜、塗層或層狀物與該種容器表面產生強附著性之方法是必要的，以避免該種容器表面之該一或多個薄膜、塗層或層狀物脫落或剝落。
本揭露同時也提供了一種裝置，其可在該種反應混合物中增幅標的核酸序列。該種裝置包括一種管狀物或容器放置處，或一種反應容器，以上元件被設定為可使該種反應混合物與本揭露中的粒子有直接或間接接觸；一種電磁波產生元件被設定為可發出頻率為200kHz~600THz的輻射，該種輻射被導引至該種樣本放置處或該種反應容器以照射到該種粒子；以及一種微處理器和該種樣本放置處或該種反應容器耦合；一種風扇，和該種電磁波產生元件協同可使該種反應混合物的溫度升高或降低，其昇溫的速率為13℃/秒~15℃/秒，其降溫的速率為6℃/秒~7℃/秒。
如前所述，該產生的電磁波頻率可在200kHz(kilohertz)~600THz(terahertz)之間。同時該電磁波頻率也可在100THz~600THz之間，或200THz至500THz之間，或300THz至400THz之間。
如前所述，該種裝置包含一種反應容器以容置該種反應混合物；一種溫度感測器和該種容器耦合，以偵測該種反應混合物的溫度。該種裝置可進一步包含一種電磁波產生元件。該種裝置可更進一步的包含一種溫度控制迴路以控制該種溫度感測器。另外，該種裝置可包含一種加熱控制迴路，該種加熱控制迴路被設定為可調整該種電磁波產生元件所產生之電磁波頻率及電磁波振幅
大小。在至少一個示例中，該種裝置可至少包含一種微處理器耦合至該種溫度控制迴路與該種加熱控制迴路。該種微處理器可被設定為增加該種反應混合物的溫度至一第一溫度範圍大約為80~105℃並持續約0.5分鐘~1分鐘以使該標的核酸序列變性。該種微處理器可進一步地被設定為增加該種反應混合物的溫度至一第二溫度範圍大約為35~65℃並持續1分鐘，以使一對DNA引子和該變性的標的核酸序列雜交。該種微處理器再進一步地被設定為增加該種反應混合物的溫度至一第三溫度範圍大約為40~80℃並持續約0.5分鐘~1分鐘，該第三溫度之該持續時間由該標的核酸序列之長度而定，該第三溫度可以延展合成反應，增幅該標的核酸序列。
該種裝置可進一步的包含一無線通訊迴路，例如藍芽(BLUETOOTH®)、ZIGBEE®或WIFITM迴路以利用該種裝置傳送和接收資訊，與該種使用者輸入裝置進行無線通訊。
根據本揭露的至少一實施例，該裝置尺寸至少為約300cm3~500cm3。
本揭露的其中一面向，即為提供一種在反應混合物中以聚合酶鏈鎖反應增幅標的核酸序列的方法。該種方法包括將該種反應混合物和可吸收電磁波頻率的粒子接觸，該種粒子由一種材料所形成，該種材料可為一種過渡金屬或一種第三族金屬氮化物、磷化物或砷化物摻雜過渡金屬或過渡金屬離子，該種材質也可為二氧化矽摻雜過渡金屬。該種方法可進一步地包含以該電磁波照射該可吸收電磁波頻率的粒子，該電磁波頻率具有一大約為200kHz~500THz的頻率以增幅該標的核酸序列。該種第三族金屬可為鋁(Al)、鎵(Ga)或銦(In)。該種過渡金屬金屬可為錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)，且該種過渡金屬離子可為錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)之離子。該種反應混合物在該聚合酶鏈鎖反應的溫度升高速率為大約13℃/秒~15℃/秒，溫度下降速率大約為6℃/秒~7℃/秒。
本揭露的另一面向，即為提供一種在反應混合物中以聚合酶鏈鎖反應增幅標的核酸序列的方法。該種方法包括將該種反應混合物和可吸收電磁波頻率的粒子接觸，該種粒子由一種材料所形成，該種材料可為一種過渡金屬氧化物或一種過渡金屬氫氧化物、一種二氧化矽摻雜過渡金屬氧化物或一種二氧化矽摻雜過渡金屬氫氧化物；且以該電磁波照射該可吸收電磁波頻率的粒子，該電磁波頻率具有一大約為200kHz~500THz的頻率以增幅該標的核酸序列。該種過渡金屬氧化物或該種過渡金屬氫氧化物可包含錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)。該種反應混合物在該聚合酶鏈鎖反應的溫度升高速率為大約13℃/秒~15℃/秒，溫度下降速率大約為6℃/秒~7℃/秒。
一般來說，任何可以吸收電磁波並且釋放熱能(例如由光或電磁波頻率所提供之能量轉為熱能)至周邊環境的粒子都可以在本揭露中的方法作為加熱源。
該種粒子若為一種過渡金屬氧化物或一種過渡金屬氫氧化物包括，但不限於：氧化亞鐵(FeO)、氧化鐵(Fe2O3)、四氧化三鐵(Fe3O4)、氧(氫氧)化鐵(FeO(OH))、氫氧化亞鐵(Fe(OH)2)、氫氧化鐵(Fe(OH)3)、一氧化錳(MnO)、四氧化三錳(Mn3O4)、三氧化二錳(Mn2O3)、氧(氫氧)化錳(MnO(OH))、二氧化錳(MnO2)、一氧化鈷(CoO)、氧(氫氧)化鈷(CoO(OH))、四氧化三鈷(Co3O4)或一氧化銅(CuO)。
在至少一種示例中，該粒子包含氧化亞鐵(FeO)、氧化鐵(Fe2O3)或四氧化三鐵(Fe3O4)。
該種粒子若為一種第三族金屬氮化物、一種第三族金屬磷化物、一種第三族金屬砷化物摻雜該種過渡金屬或該種過渡金屬離子，該種粒子可包括，但不限於：氮化鎵(GaN)摻雜錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)或以上過渡金屬之離子，或氮化鋁(AlN)摻雜錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)或以上過渡
金屬之離子；磷化鋁(AlP)摻雜鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)；磷化銦(InP)摻雜鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)或以上過渡金屬之離子，或砷化鎵(GaAs)摻雜鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)或以上過渡金屬之離子；以及砷化銦(InAs)摻雜鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)或以上過渡金屬之離子。
每一種粒子可具備類似或獨特的能量轉換性質。根據本揭露的示例，該種可吸收電磁波之粒子為鐵氧化物(iron oxide)粒子，該種鐵氧化物粒子可選自氧化亞鐵(FeO)、氧化鐵(Fe2O3)或四氧化三鐵(Fe3O4)。在至少一示例中，本揭露的該種鐵氧化物分子針對300THz~400THz的電磁波頻率，特別是371THz的電磁波頻率，展現出強烈的吸收性質。在另一示例中，該種鐵氧化物粒子針對200kHz~2MHz的電磁波頻率，特別是1.3MHz的電磁波頻率，展現出強烈的吸收性質。由於本揭露中該種鐵氧化物粒子的高熱能轉換效率，該種粒子被該電磁波照射後的溫度可以以13℃/秒~15℃/秒的速率上升。另外，該種鐵氧化物粒子在該電磁波產生元件被關掉時其溫度可以以6℃/秒~7℃/秒的速率下降。
本揭露的該種鐵氧化物粒子之直徑可以為大約10nm~1,200nm；也可為大約50nm~1,000nm；也可為80nm~800nm。在一示例中，該種鐵氧化物粒子的兩種製備成品可分別有不同的大小。
其中一種該種鐵氧化物粒子的製備方式可造成尺寸相對小的粒子，每一粒子之直徑約為60nm~150nm，其直徑可為60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm、140nm或150nm；另外，該粒子之直徑也可為約80nm~120nm，其直徑可為80nm、90nm、100nm、110nm或120nm；另外，該粒子之直徑也可為約100nm。若該粒子之直徑在60nm~150nm之間，則該種粒子有較佳的粒子分散性，該種較佳的粒子分散性可導致該種粒子在溶液、薄膜、或層狀物中具有可吸收電磁波所需之磁性。
另一種該種鐵氧化物粒子的製備方式則會造成尺寸相對大的粒子，每一粒子之直徑約為200nm~1,200nm，其直徑可為200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1,000nm、1,100nm或1,200nm；另外，該粒子之直徑也可為約400nm~1,000nm，其直徑可為400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1,000nm；另外，該粒子之直徑也可為約800nm。若該粒子直徑在200nm~1,200nm之間，則該種粒子和直徑範圍60nm~150nm的粒子相比，有較佳的磁性和較差的粒子分散性。
根據本揭露的實施例，本揭露的該鐵氧化物粒子無論其大小皆展現出良好的能量轉換性，尺寸大的鐵氧化物粒子可以展現較佳的能量轉換性以使一聚合酶鏈鎖反應的反應混合物之溫度在15秒內達到約100℃。
一種使用該種鐵氧化物粒子在一聚合酶鏈鎖反應中作為熱源的方式，為直接加入足量的該種鐵氧化物粒子至該聚合酶鏈鎖反應的反應混合物中，隨後如往常般執行聚合酶鏈鎖反應。
另外，本揭露的該種鐵氧化物粒子也可形成前述之容器以用來直接或間接地容置該種聚合酶鏈鎖反應之反應混合物。此處之「直接」意即將該種反應混合物裝載到由具有本揭露之該種鐵氧化物粒子之材料所形成的容器中。此處之「間接」意即將該種反應混合物先行裝載至另一容器中(例如離心管)，再置於具有本揭露之該種鐵氧化物粒子之材料所形成的容器中。在至少一實施例中，本揭露的該種鐵氧化物粒子可形成一種微流體生物晶片反應室，其中該種反應混合物可被直接裝載或附著於該種反應室中。在另一實施例中，本揭露的該種鐵氧化物粒子可形成一種薄膜，該種薄膜上有許多的反應點，每一該種反應點上具有一種聚合酶鏈鎖反應之反應混合物，且該每一聚合酶鏈鎖反應可同時在該薄膜上執行。
100‧‧‧示例裝置
102‧‧‧使用者介面
110‧‧‧微處理模組
112‧‧‧溫度控制迴路
114‧‧‧微處理器
116‧‧‧加熱控制迴路
118‧‧‧無線通訊迴路
120‧‧‧容置模組
122‧‧‧溫度感測器
124‧‧‧容器固定座
126‧‧‧反應容器
128‧‧‧風扇
130‧‧‧電磁波產生模組
132‧‧‧電磁波產生元件
本說明將可由以下之敘述配合附圖被更佳地理解，其中：圖1顯示符合本揭露的一種示例性小型聚合酶鏈鎖反應裝置結構，以及該種裝置和一使用者裝置的互動關係；圖2顯示符合本揭露的一種示例性小型聚合酶鏈鎖反應裝置與圖一所顯示之使用者裝置間之介面；圖3A顯示符合本揭露的四氧化三鐵(Fe3O4)奈米粒子之電磁波吸收頻率譜段；圖3B顯示符合本揭露的四氧化三鐵(Fe3O4)奈米粒子；圖4A顯示符合本揭露的示例1.1中，粒子溫度變化之時程；圖4B顯示符合本揭露的示例1.1中，粒子在聚合酶鏈鎖反應循環中溫度上升的速率；圖4C顯示符合本揭露的示例1.1中，粒子在聚合酶鏈鎖反應循環中溫度下降的速率；圖5A顯示符合本揭露的各種奈米粒子之溫度變化，該奈米粒子在反應溶液中之濃度為1,250ppm(parts per million)；圖5B顯示符合本揭露的各種奈米粒子之溫度變化，該奈米粒子在反應溶液中之濃度為2,500ppm；圖6顯示符合本揭露的聚合酶鏈鎖反應實驗結果。
圖1為本揭露中可執行上述聚合酶鏈鎖反應之一示例裝置100的示意圖。在該示例中，該裝置100被一使用者輸入裝置102(例如：一種可攜式電話、桌上
型電腦、平板電腦，或其他類似裝置)中的一應用程式所無線控制之。該裝置100之尺寸大約可小於或等於9cm(長) x 8cm(寬) x 5cm(高)。
圖2顯示圖1中該小型聚合酶鏈鎖反應裝置與該使用者裝置之間的一示例介面。為啟動一聚合酶鏈鎖反應實驗程序，該將被增幅的標的DNA、所需反應物(例如：Taq聚合酶、四種可被增幅的核酸鹼基、以及緩衝溶液)以及本揭露之該粒子裝載到一反應管或容器中(如一離心管)，其再被放置進一反應管或容器固定座124中，該容器固定座124再放置進反應容器126中。另外，該標的DNA和所需的反應物也可以直接裝載進該反應容器126中，該反應容器126是由具有本揭露之該鐵氧化物粒子之材料所形成。
一聚合酶鏈鎖反應操作者可以在一應用程式中輸入所有聚合酶鏈鎖反應必要的參數(例如反應溫度及持續時間)以啟動實驗程序，該應用程式可被安裝在一手持裝置中，例如圖1所顯示的該使用者輸入裝置102，圖1中的該使用者輸入裝置102也可為一可攜式電話。該操作者輸入之資訊隨後由該使用者輸入裝置102送至一無線通訊迴路118。一微處理器114自該無線通訊迴路118接收到必要參數時，隨即協調一溫度控制迴路112和一加熱控制迴路116以指示一電磁波產生元件132產生適合的電磁波頻率執行該參數，且指示一溫度感測器122以啟動該聚合酶鏈鎖反應。具體地來說，自該電磁波產生元件132所發出的電磁波頻率指向該容器固定座124所握持的該反應管或容器，或該反應容器126，由此昇高該聚合酶鏈鎖反應之溫度至一指定溫度。該電磁波頻率應符合位於該容器固定座124或該反應容器126中該反應混合物中該粒子的能量轉換特性。例如，若在該聚合酶鏈鎖反應中使用本揭露的該鐵氧化物粒子，則可以採用大約為371THz的電磁波頻率。
該反應混合物是否達到其指定溫度是由該溫度感測器122所量測並決定，該溫度感測器122是透過該微處理器114被該溫度控制迴路112控制。在該聚
合酶鏈鎖反應到達該指定溫度且已維持一段指定時間後，該微處理器114會控制加熱控制迴路116以指示該電磁波產生元件132停止產生該頻率之電磁波；而該溫度感測器122會啟動一風扇128以避免該反應混合物過熱，或啟動一冷卻循環。換句話說，在該加熱循環中，依據該聚合酶鏈鎖反應程序所需的加熱速率，該微處理器114協調該加熱控制迴路116和溫度控制迴路112，以分別指示該電磁波產生元件132是否停止產生電磁波，和該風扇128是否需啟動。由於該頻率之電磁波和本揭露之該粒子之組合可以作為熱源，該聚合酶鏈鎖反應之反應混合物的溫度可以以13℃/秒~15℃/秒的速率上升，或以6℃/秒~7℃/秒的速率下降，以具備能源效率和時效的方式完成加熱循環和冷卻循環。
在至少一示例中，大小為279bp之標的DNA的一個增幅循環可在60秒內被完成，此循環若在傳統的聚合酶鏈鎖反應裝置中一般來說將需要至少180秒。
本質上來說，藉由使用一電磁波頻率及一可吸收電磁波頻率之粒子，本方法和/或裝置可顯著的減少傳統聚合酶鏈鎖反應時間達67%，使DNA片段之增幅在更具時效和能源效率的情況下被完成，且不會影響到所增幅DNA分子之純度和真實度。進一步地，本裝置尺寸小，體積不超過500cm3，且可被遙控啟動。因此，本裝置減少了聚合酶鏈鎖反應使用者需實際操作裝置以啟動反應之需求。
奈米粒子的激發機制並不受限於任何特定理論，且目前被認為可由以下敘述所支持。以奈米粒子中的奈米鐵氧化物粒子為例，該種奈米鐵氧化物粒子可作為一具有預先設定頻率之輻射源的照射目標。該輻射源具備足夠能量，以激發一鐵原子之內層軌域(orbital or shell)上的電子至更高能之未填滿軌域。如此及造成一金屬離子之內層軌域缺乏一電子。上述之電子組態不穩定，該位於更高能軌域的電子會落入半滿軌域中。該電子落入半滿軌域之狀態將會散發出能量，該能量可能會以熱能形式出現。
可供選擇地，奈米粒子的激發機制並不受限於任何特定理論，且目前被認為可由以下敘述所支持。以奈米粒子中的奈米鐵氧化物粒子為例，該種奈米鐵鐵氧化物粒子可作為一具有預先設定頻率之幅射源的照射目標。該幅射可被該種奈米粒子的原子所吸收，且不會將該原子離子化。相反地，該被吸收的幅射會造成該種奈米粒子中分子鍵結震動增加且造成激發現象，並產生熱且釋放至該種奈米粒子周邊。
以下實施例將針對本揭露有更具體的敘述，該實施例之目的在於展示而不在於限制本揭露之內容。
實驗方法與材料：聚合酶鏈鎖反應之反應混合物。該反應混合物包括以下：5pmol(1pmol=10-12mol)的引子(SEQ ID NO：1,5’-gcgaaagtcctggttgagctgag-3’、SEQ ID NO：2,5’-aacccaaggcccatgcataca-3’)，1μg(1μg=10-9kg)DNA模版、DNA聚合酶、聚合酶緩衝溶液、胎牛血清(BSA)、核酸鹼基、以及去離子水。反應容積總共為20μL(1Ml=10-6L)。
聚合酶鏈鎖反應實驗程序：該聚合酶鏈鎖反應是根據以下溫度設定：(1)變性：95℃，15秒~30秒；(2)與引子雜交：56℃，15秒~30秒；(3)延展或延伸雜交之引子：72℃，15秒~30秒。
示例一：粒子之製備與定性
1.1 製備氧化鐵(Fe3O4)粒子
將以下物質混合並放置在155℃下反應12小時：氯化鐵(FeCl2)50mM共10mL、均苯三甲酸(trimesic acid)25mM共4.5mL、檸檬酸(citrate)共0.15g、氫氧化鈉(NaOH)18mg、N2H2共100μL和明膠(gelatin)。由以上反應所製備出的四氧化三鐵(Fe3O4)奈米粒子再由穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy；TEM)和掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy；SEM)判斷
其大小及形狀。由以上反應製備出相對較小和較大的四氧化三鐵(Fe3O4)奈米粒子之平均直徑，分別為大約103±43nm和大約828±559nm。
由以上反應製備出的四氧化三鐵(Fe3O4)粒子被發現可吸收兩個不同頻率範圍的電磁波，其中之一位於THz範圍(圖3A，其最大吸光值位於371THz)，另一位於MHz(megahertz)範圍(圖3B，1.3MHz)。該四氧化三鐵(Fe3O4)粒子接著被371THz的電磁波頻率所照射，並用於常用的聚合酶鏈鎖反應之加熱及冷卻循環，該加熱及冷卻循環溫度變化的時間顯示於圖4A，其中示例1.1中粒子之加熱和冷卻速率顯示於圖4B和圖4C中。示例1.1中的粒子之平均加熱速率為13.93±0.65℃/秒(圖4B)，以及平均冷卻速率為6.39±0.50℃/秒(圖4C)。
在使用同樣實驗參數，重複執行實驗後，示例1中的粒子展現出一加熱速率最大值14.7℃/秒、一加熱速率最小值13.0℃/秒、加熱速率之中位數值為13.9℃/秒、加熱速率之第一個四分位數值為13.3℃/秒，以及加熱速率之第三個四分位數值為14.5℃/秋(見圖4B)。
在使用同樣實驗參數，重複執行實驗後，示例1中的粒子展現出一冷卻速率最大值7.24℃/秒、一冷卻速率最小值5.084℃/秒、冷卻速率之中位數值為6.17℃/秒、冷卻速率之第一個四分位數值為5.95℃/秒，以及冷卻速率之地三個四分位數值為6.80℃/秒(見圖4C)。
1.2 製備奈米金粒子
金奈米棒(Au nanorods)之製備與定性方法和1.1中所述之方法類似。金奈米棒之合成方法類似於由B.Nikkobakht和M.A.El-Sayed於2003年所提出之方法(B.Nikoobakht and M.A.El-Sayed,Chem.Mater.2003,15,1957-1962.)。簡要地，一體積共為12μL的種子溶液(seed solution)，該溶液由0.2M、5mL的Hexadecyltrimethylammoniumbromide(CTAB)和0.0005M、5mL的HAuCl4配置而成，該種子溶液加入一體積共為10mL的生長溶液(growth solution)，該生長溶液
包含0.2M、5mL的CTAB和0.004M、5mL的硝酸銀(AgNO3)。上述反應保持在室溫狀態。該金奈米棒的尺寸再由穿透式電子顯微鏡(TEM)所判斷。每一製備出的金奈米棒之長度為45nm，寬度為10nm。
1.3 示例1.1之粒子、示例1.2粒子及奈米碳管(carbon nanotubes；CNTs)之光熱性質(photo-thermal)之鑑定
在此示例中，示例1.1之奈米粒子的光熱性質將與其他粒子進行比較，包括示例1.2之金奈米棒和奈米碳管(由Golden Innovation Business Co.,Ltd.Taiwan所提供)。將不同濃度的粒子(1,250ppm或2,500ppm)以250、500或1,000mW()之發光二極體(LEDs)發出之電磁波照射，且同時記錄隨時間所變化之溫度，其實驗結果顯示於圖5A和圖5B。
當被電磁波頻率產生元件照射時(250mW，371THz)，四氧化三鐵(Fe3O4)粒子、金奈米棒和奈米碳管之溫度被發現為略高於室溫(大約為29℃)(見圖5A)。
而當該電磁波頻率產生元件之功率提昇至500mW時，小四氧化三鐵(Fe3O4)粒子(直徑約為50nm至200nm)和金奈米棒之溫度上升至大約60℃，奈米碳管之溫度上升至大約65℃，而大四氧化三鐵(Fe3O4)粒子(直徑約為250nm至1,400nm)之溫度上升至大約79℃。而當功率提昇至1,000mW時，小四氧化三鐵(Fe3O4)粒子和金奈米棒之溫度上升至大約85℃，奈米碳管之溫度上升至大約110℃，大四氧化三鐵(Fe3O4)粒子之溫度上升至120℃。總而言之，每一種粒子之溫度和該電磁波頻率產生元件功率之提昇成正比；且在上述三種粒子中，四氧化三鐵(Fe3O4)粒子，特別是大四氧化三鐵(Fe3O4)粒子具有最佳的能量轉換性質。
類似的實驗結果也可於各粒子之濃度為2,500ppm時被觀測到(見圖5B)。
示例二：使用示例1.1之四氧化三鐵(Fe3O4)粒子執行的聚合酶鏈鎖反應
2.1 包含示例1.1之四氧化三鐵(Fe3O4)粒子的聚合酶鏈鎖反應之反應混合物
在本示例中，濃度為1,000ppm的示例1.1之四氧化三鐵(Fe3O4)粒子在一反應管中直接和聚合酶鏈鎖反應之反應混合物混合，該反應管隨後被設定為執行聚合酶鏈鎖反應循環：(1)以一功率為700mW的雷射二極體所發出之371THz電磁波照射該反應管，直到該反應管溫度到達95℃，且轉由500mW功率照射15秒~30秒；(2)啟動風扇系統以降低該反應管溫度直到該反應管溫度達56℃，且轉由250Mw功率照射15秒~30秒；(3)以371THz電磁波再次照射該管直到該管溫度達到72℃，並維持15秒~30秒。重複30次該聚合酶鏈鎖反應循環，且以電泳偵測該反應所增幅之產物(見圖6，第4欄)。以一大小為100bp(base pair)之YEA Ladder DNA Marker II(由Yeastern Biotech Co.,Ltd.所提供，型號為Cat.No.FYD009-1ML)作為參考(見圖6，第一欄)。
上述之程序再與傳統聚合酶鏈鎖反應程序相比(見圖6，第5欄)。該傳統實驗程序所述如下：(1)具有一DNA樣本的反應混合物被加熱到95℃以使該DNA樣本變性；(2)重複30個該變性循環，每一循環維持95℃並持續30秒；(3)在56℃和與該相應的DNA引子雜交並持續30秒；(4)以72℃延展該已雜交的引子，並持續30秒；(5)最後一附加延展的步驟於72℃執行，並持續10分鐘以形成顯示於圖6第5欄的最終產物。
2.2 聚合酶鏈鎖反應於示例1.1之四氧化三鐵(Fe3O4)粒子所形成之容器中執行
在此示例中，聚合酶鏈反應之反應混合物將置於包含示例1.1之四氧化三鐵(Fe3O4)粒子之材料所構成的一容器，以此執行聚合酶鏈鎖反應。該聚合酶鏈鎖反應循環之啟動與上述實驗步驟相同。
本發明所揭示之聚合酶鏈鎖反應之方法與儀器，可於不違本發明之精神及範疇下予以修飾應用，本發明並不予自限於上述所揭示之實施例者。
列舉本揭露之其他陳述如下：
敘述1：一種以聚合酶鏈鎖反應增幅核酸序列的方法，該方法包含：將複數個粒子在反應容器中和一種反應混合物接觸，該種反應混合物包含標的核酸，該種粒子包含一種過渡金屬材料；以頻率為大約200kHz~500THz的電磁波照射該種粒子。
敘述2：如敘述1所述之方法，其中該種過渡金屬材料包含一種過渡金屬、一種過渡金屬氧化物、一種過渡金屬氫氧化物、一種第三族金屬化合物摻雜過渡金屬或過渡金屬離子、一種二氧化矽摻雜過渡金屬、一種二氧化矽摻雜過渡金屬氧化物、或一種二氧化矽摻雜過渡金屬氫氧化物。
敘述3：如敘述1或2之任一敘述所述之方法，其中該種反應混合物在該種聚合酶鏈鎖反應中的溫度上升速率為大約13℃/秒~15℃/秒。
敘述4：如敘述1到3之任一敘述所述之方法，其中該種反應混和物在該種聚合酶鏈鎖反應中的溫度下降速率為大約6℃/秒~7℃/秒。
敘述5：如敘述2到4之任一敘述所述之方法，其中該種第三族金屬化合物可為一種氮化物、一種磷化物或一種砷化物之任一種，且該種第三族金屬可為鋁(Al)、鎵(Ga)或銦(In)。
敘述6：如敘述1到5之任一敘述所述之方法，其中該種過渡金屬材料包含一種或多種過渡金屬氧化物和過渡金屬氫氧化物之組合。
敘述7：如敘述1到6之任一敘述所述之方法，其中該種過渡金屬材料包含以下一種或多種化合物：氧化亞鐵(FeO)、氧化鐵(Fe2O3)、四氧化三鐵(Fe3O4)、氧(氫氧)化鐵(FeO(OH))、氫氧化亞鐵(Fe(OH)2)、氫氧化鐵(Fe(OH)3)、一氧化錳(MnO)、四氧化三錳(Mn3O4)、三氧化二錳(Mn2O3)、氧(氫氧)化錳(MnO(OH))、二氧化錳(MnO2)、一氧化鈷(CoO)、氧(氫氧)化鈷(CoO(OH))、四氧化三鈷(Co3O4)或一氧化銅(CuO)。
敘述8：如敘述2到6之任一敘述所述之方法，其中該種過渡金屬可為錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)之任一種。
敘述9：如敘述1到8之任一敘述所述之方法，其中該複數個粒子中至少有一個粒子之流體動力直徑為大約10nm~1,200nm。
敘述10：如敘述1到8之任一敘述所述之方法，其中該複數個粒子中至少有一個粒子之流體動力直徑為大約200nm~1,200nm。
敘述11：如敘述1到8之任一敘述所述之方法，其中該複數個粒子中至少有一個粒子之流體動力直徑為大約60nm~150nm。
敘述12：如敘述1到11之任一敘述所述之方法，其中以電磁波照射該粒子之過程包含增加該種反應混合物的溫度至一第一溫度範圍大約為80℃~105°C，並持續約0.5分鐘~1分鐘，以使該標的DNA變性；增加該種反應混合物的溫度至一第二溫度範圍大約為35℃~65℃，並持續約0.5分鐘~1分鐘，以使一對引子和該變性的標的DNA雜交；增加該種反應混合物的溫度至一第三溫度範圍大約為40℃~80℃，並持續約0.5分鐘~1分鐘，以延展合成方式增幅該標的核酸序列。
敘述13：一種用於聚合酶鏈鎖反應增幅標的核酸序列的儀器，該種儀器包含：一種微處理器被設定為通信地耦合至一種使用者輸入裝置，並由該種使用者輸入裝置接收指令，且該種微處理器執行該接收之指令；一種反應容器和該種微處理器通信地耦合並容置聚合酶鏈鎖反應中的試劑和粒子；一種溫度感測器通信地耦合至該種反應容器和該種微處理器；一種電磁波產生元件通信地耦合至該種微處理器並被設定為可導引該電磁波至該種反應容器，其中該種粒子包含一種過渡金屬材料。
敘述14：如敘述13所述之儀器，其中該種電磁波產生元件被設定為可產生100THz至600THz之頻率範圍之電磁波。
敘述15：如敘述13所述之儀器，其中該種電磁波產生元件被設定為可產生300THz~400THz之頻率範圍之電磁波。
敘述16：如敘述13所述之儀器，其中該種電磁波產生元件被設定為可產生1MHz~2MHz之頻率範圍之電磁波。
敘述17：如敘述13到16之任一敘述所述之儀器，更進一步包含：一種溫度控制迴路以控制該種反應容器外殼之該種溫度感測器；一種加熱控制迴路以調整由該種電磁波產生元件所產生之該頻率電磁波之強度，其中該種微處理器耦合至該種溫度控制迴路及該種加熱控制迴路。
敘述18：如敘述17所述之儀器，其中該種微處理器被設定為增加該種反應混合物之溫度至一第一溫度範圍大約為80℃~105℃，並持續約0.5分鐘~1分鐘，以使該標的DNA變性；增加該種反應混合物的溫度至一第二溫度範圍大約為35℃~65℃，並持續約0.5分鐘~1分鐘，以使一對引子和該變性的標的DNA雜交；增加該種反應混合物的溫度至一第三溫度範圍大約為40℃~80℃，並持續約0.5分鐘~1分鐘，以延展合成方式增幅該標的核酸序列。
敘述19：如敘述13到18之任一敘述所述之儀器，更進一步包含一種無線通訊迴路以和該種使用者輸入裝置進行無線通訊。
敘述20：如敘述13到19之任一敘述所述之儀器，其中該種過渡金屬材料包含一種過渡金屬、一種過渡金屬氧化物、一種過渡金屬氫氧化物、一種第三族金屬化合物摻雜過渡金屬或過渡金屬離子、一種二氧化矽摻雜過渡金屬、一種二氧化矽摻雜過渡金屬氧化物、或者一種二氧化矽摻雜過渡金屬氫氧化物。
敘述21：如敘述13到20之任一敘述所述之儀器，其中該過渡金屬材料包含以下一種或多種化合物：氧化亞鐵(FeO)、氧化鐵(Fe2O3)、四氧化三鐵(Fe3O4)、氧(氫氧)化鐵(FeO(OH))、氫氧化亞鐵(Fe(OH)2)、氫氧化鐵(Fe(OH)3)、一氧化錳(MnO)、四氧化三錳(Mn3O4)、三氧化二錳(Mn2O3)、氧(氫氧)化錳(MnO(OH))、二
氧化錳(MnO2)、一氧化鈷(CoO)、氧(氫氧)化鈷(CoO(OH))、四氧化三鈷(Co3O4)或一氧化銅(CuO)。
敘述22：如敘述20所述之儀器，其中該種第三族金屬化合物可為一種氮化物、一種磷化物或一種砷化物之任一種，且該種第三族金屬可為鋁(Al)、鎵(Ga)或銦(In)。
敘述23：如敘述13到22之任一敘述所述之儀器，其中該種過渡金屬材料包含一種或多種過渡金屬氧化物和過渡金屬氫氧化物之組合。
敘述24：如敘述13到23之任一敘述所述之儀器，其中該種過渡金屬可為錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)之任一種。
敘述25：如敘述13到24之任一敘述所述之儀器，其中該複數個粒子中至少有一個粒子之流體動力直徑為大約10nm~1,200nm。
敘述26：如敘述13到24之任一敘述所述之儀器，其中該複數個粒子中至少有一個粒子之流體動力直徑為大約200nm~1,200nm。
敘述27：如敘述13到24之任一敘述所述之儀器，其中該複數個粒子中至少有一個粒子之流體動力直徑為大約60nm~150nm。
敘述28：如敘述13到27之任一敘述所述之儀器，其中該種使用者輸入裝置可選自一種可攜式電話、一種筆記型電腦、和一種平板電腦。
敘述29：如敘述13到28之任一敘述所述之儀器，其中該種儀器之體積不大於500cm3。
敘述30：一種聚合酶鏈鎖反應容器，該種容器包含一層或多層薄膜、塗層或複數個奈米粒子層，該種薄膜、該種塗層或該種複數個奈米粒子層包含一種過渡金屬材料於該種容器之表面。
敘述31：如敘述30所述之容器，其中該種過渡金屬材料包含一種過渡金屬、一種過渡金屬氧化物、一種過渡金屬氫氧化物、一種第三族金屬化合物摻
雜過渡金屬或過渡金屬離子、一種二氧化矽摻雜過渡金屬、一種二氧化矽摻雜過渡金屬氧化物、或者一種二氧化矽摻雜過渡金屬氫氧化物。
敘述32：如敘述30到31之任一敘述所述之容器，其中該過渡金屬材料包含以下一種或多種化合物：氧化亞鐵(FeO)、氧化鐵(Fe2O3)、四氧化三鐵(Fe3O4)、氧(氫氧)化鐵(FeO(OH))、氫氧化亞鐵(Fe(OH)2)、氫氧化鐵(Fe(OH)3)、一氧化錳(MnO)、四氧化三錳(Mn3O4)、三氧化二錳(Mn2O3)、氧(氫氧)化錳(MnO(OH))、二氧化錳(MnO2)、一氧化鈷(CoO)、氧(氫氧)化鈷(CoO(OH))、四氧化三鈷(Co3O4)或一氧化銅(CuO)。
敘述33：如敘述31所述之容器，其中該種第三族金屬化合物可為一種氮化物、一種磷化物或一種砷化物之任一種，且該種第三族金屬可為鋁(Al)、鎵(Ga)或銦(In)。
敘述34：如敘述30到33之任一敘述所述之容器，其中該種過渡金屬可為錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)之任一種。
敘述35：如敘述30到35之任一敘述所述之容器，其中該種奈米粒子包含一種或多種過渡金屬氧化物和過渡金屬氫氧化物之組合。
敘述36：如敘述30到35之任一敘述所述之容器，其中該複數個粒子中至少有一個粒子之流體動力直徑為大約10nm~1,200nm。
敘述37：如敘述30到35之任一敘述所述之容器，其中該複數個粒子中至少有一個粒子之流體動力直徑為大約200nm~1,200nm。
敘述38：如敘述30到35之任一敘述所述之容器，其中該複數個粒子中至少有一個粒子之流體動力直徑為大約60nm~150nm。
敘述39：一種微流體生物晶片，其中該種微流體生物晶片包含敘述30到38之任一敘述所述之容器。
敘述40：一種受電磁波照射後會在聚合酶鏈鎖反應儀器中產熱的奈米粒子，該電磁波之頻率範圍大約在300THz~400THz間，該種奈米粒子具有一流體力學直徑為大約50nm~200nm，其中該種奈米粒子包含一種過渡金屬氧化物或一種過渡金屬氫氧化物。
以上有關本揭露之敘述、化學式和方法僅作為展示之用。
100‧‧‧示例裝置
102‧‧‧使用者介面
110‧‧‧微處理模組
120‧‧‧容置模組
130‧‧‧電磁波產生模組
Claims (31)
- 一種以聚合酶鏈鎖反應增幅核酸序列的方法，該方法包含：將複數個粒子在反應容器中和一種反應混合物接觸，該種反應混合物包含標的核酸，該種粒子包含一種過渡金屬材料；以頻率為大約200kHz~500THz的電磁波照射該種粒子，其中該種過渡金屬材料包括錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)之任一種的過渡金屬氧化物(transition metal oxide)、過渡金屬氫氧化物(transition metal hydroxide)、第三族金屬化合物摻雜過渡金屬(Group III metal compound doped with the transition metal)、二氧化矽摻雜過渡金屬氧化物(silicon dioxide doped with the transition metal oxide)、或者二氧化矽摻雜過渡金屬氫氧化物(silicon dioxide doped with the transition metal hydroxide)的一種或多種組合。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該種第三族金屬化合物(Group III metal compound)可為一種氮化物(nitride)、一種磷化物(phosphide)或一種砷化物(arsenide)之任一種，且該種第三族金屬可為鋁(Al)、鎵(Ga)或銦(In)。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該種反應混合物在該種聚合酶鏈鎖反應中的溫度上升速率為13℃/秒~15℃/秒。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該種反應混合物在該種聚合酶鏈鎖反應中的溫度下降速率為6℃/秒~7℃/秒。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該種過渡金屬氧化物或過 渡金屬氫氧化物包括以下一種或多種化合物：氧化亞鐵(FeO)、氧化鐵(Fe2O3)、四氧化三鐵(Fe3O4)、氧(氫氧)化鐵(FeO(OH))、氫氧化亞鐵(Fe(OH)2)、氫氧化鐵(Fe(OH)3)、一氧化錳(MnO)、四氧化三錳(Mn3O4)、三氧化二錳(Mn2O3)、氧(氫氧)化錳(MnO(OH))、二氧化錳(MnO2)、一氧化鈷(CoO)、氧(氫氧)化鈷(CoO(OH))、四氧化三鈷(Co3O4)或一氧化銅(CuO)。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該複數個粒子中至少有一個粒子之流體動力直徑(hydrodynamic diameter)為10nm~1,200nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該複數個粒子中至少有一個粒子之流體動力直徑(hydrodynamic diameter)為200nm~1,200nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該複數個粒子中至少有一個粒子之流體動力直徑(hydrodynamic diameter)為60nm~150nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該以電磁波照射該種粒子之步驟包含：增加該種反應混合物的溫度至一第一溫度範圍並持續約0.5分鐘~1分鐘，該第一溫度範圍為80℃~105℃，以使該標的DNA變性(denature)；增加該種反應混合物的溫度至一第二溫度範圍並持續約0.5分鐘~1分鐘，該第二溫度範圍為35℃~65℃，以使一對引子和該變性的標的DNA雜交(hybridize)； 增加該種反應混合物的溫度至一第三溫度範圍並持續約0.5分鐘~1分鐘，該第三溫度範圍為40℃~80℃，以延展合成方式(elongation synthesis)增幅該標的核酸序列。
- 一種用於聚合酶鏈鎖反應增幅標的核酸序列的儀器，該種儀器包含：一種微處理器被設定為通信地耦合至一種使用者輸入裝置，並由該種使用者輸入裝置接收指令，且該種微處理器執行該接收之指令；一種反應容器和該種微處理器通信地耦合並容置聚合酶鏈鎖反應中的試劑和粒子；一種溫度感測器通信地耦合至該種反應容器和該種微處理器；一種電磁波產生元件通信地耦合至該種微處理器並被設定為可導引該電磁波至該種反應容器，其中該種粒子包含一種過渡金屬材料，該種過渡金屬材料包括錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)之任一種的過渡金屬氧化物(transition metal oxide)、過渡金屬氫氧化物(transition metal hydroxide)、第三族金屬化合物摻雜過渡金屬(Group III metal compound doped with the transition metal)、二氧化矽摻雜過渡金屬氧化物(silicon dioxide doped with the transition metal oxide)、或者二氧化矽摻雜過渡金屬氫氧化物(silicon dioxide doped with the transition metal hydroxide)的一種或多種組合。
- 如申請專利範圍第10項所述之儀器，其中該種電磁波產生元件被設定為可產生100THz~600THz之頻率範圍之電磁波。
- 如申請專利範圍第10項所述之儀器，其中該種電磁波產生元件被 設定為可產生300THz~400THz之頻率範圍之電磁波。
- 如申請專利範圍第10項所述之儀器，其中該種電磁波產生元件被設定為可產生1MHz~2MHz之頻率範圍之電磁波。
- 如申請專利範圍第10項所述之儀器，更進一步包含：一種溫度控制迴路以控制該種溫度感測器；一種加熱控制迴路以調整由該種電磁波產生元件所產生之該頻率電磁波之強度，其中該種微處理器耦合至該種溫度控制迴路及該種加熱控制迴路。
- 如申請專利範圍第14項所述之儀器，其中該種微處理器被設定為：增加該種反應混合物的溫度至一第一溫度範圍並持續約0.5分鐘~1分鐘，該第一溫度範圍為80℃~105℃，以使該標的DNA變性(denature)；增加該種反應混合物的溫度至一第二溫度範圍並持續約0.5分鐘~1分鐘，該第二溫度範圍為35℃~65℃，以使一對引子和該變性的標的DNA雜交(hybridize)；增加該種反應混合物的溫度至一第三溫度範圍並持續約0.5分鐘~1分鐘，該第三溫度範圍為40℃~80℃，以延展合成方式(elongation synthesis)增幅該標的核酸序列。
- 如申請專利範圍第10項所述之儀器，更進一步包含一種無線通訊迴路以和該種使用者輸入裝置進行無線通訊。
- 如申請專利範圍第10項所述之儀器，其中該種第三族金屬化合物 (Group III metal compound)可為一種氮化物(nitride)、一種磷化物(phosphide)或一種砷化物(arsenide)之任一種，且該種第三族金屬可為鋁(Al)、鎵(Ga)或銦(In)。
- 如申請專利範圍第10項所述之儀器，其中該種過渡金屬氧化物或過渡金屬氫氧化物包括以下一種或多種化合物：氧化亞鐵(FeO)、氧化鐵(Fe2O3)、四氧化三鐵(Fe3O4)、氧(氫氧)化鐵(FeO(OH))、氫氧化亞鐵(Fe(OH)2)、氫氧化鐵(Fe(OH)3)、一氧化錳(MnO)、四氧化三錳(Mn3O4)、三氧化二錳(Mn2O3)、氧(氫氧)化錳(MnO(OH))、二氧化錳(MnO2)、一氧化鈷(CoO)、氧(氫氧)化鈷(CoO(OH))、四氧化三鈷(Co3O4)或一氧化銅(CuO)。
- 如申請專利範圍第10項所述之儀器，其中該複數個粒子中至少有一個粒子之流體動力直徑(hydrodynamic diameter)為10nm~1,200nm。
- 如申請專利範圍第10項所述之儀器，其中該複數個粒子中至少有一個粒子之流體動力直徑(hydrodynamic diameter)為200nm~1,200nm。
- 如申請專利範圍第10項所述之儀器，其中該複數個粒子中至少有一個粒子之流體動力直徑(hydrodynamic diameter)為60nm~150nm。
- 如申請專利範圍第10項所述之儀器，其中該種使用者輸入裝置可選自一種可攜式電話、一種筆記型電腦、和一種平板電腦。
- 如申請專利範圍第10項所述之儀器，其中該種儀器之體積不大於 500cm3。
- 一種聚合酶鏈鎖反應容器，該種容器包含一層或多層薄膜、塗層或複數個奈米粒子層，該種薄膜、該種塗層或該種複數個奈米粒子層包含一種過渡金屬材料於該種容器之表面，其中該種過渡金屬材料包括錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)之任一種的過渡金屬氧化物(transition metal oxide)、過渡金屬氫氧化物(transition metal hydroxide)、第三族金屬化合物摻雜過渡金屬(Group III metal compound doped with the transition metal)、二氧化矽摻雜過渡金屬氧化物(silicon dioxide doped with the transition metal oxide)、或者二氧化矽摻雜過渡金屬氫氧化物(silicon dioxide doped with the transition metal hydroxide)的一種或多種組合。
- 如申請專利範圍第24項所述之容器，其中該種第三族金屬化合物(Group III metal compound)可為一種氮化物(nitride)、一種磷化物(phosphide)或一種砷化物(arsenide)之任一種，且該種第三族金屬可為鋁(Al)、鎵(Ga)或銦(In)。
- 如申請專利範圍第24項所述之容器，其中該種過渡金屬氧化物或過渡金屬氫氧化物包括以下一種或多種化合物：氧化亞鐵(FeO)、氧化鐵(Fe2O3)、四氧化三鐵(Fe3O4)、氧(氫氧)化鐵(FeO(OH))、氫氧化亞鐵(Fe(OH)2)、氫氧化鐵(Fe(OH)3)、一氧化錳(MnO)、四氧化三錳(Mn3O4)、三氧化二錳(Mn2O3)、氧(氫氧)化錳(MnO(OH))、二氧化錳(MnO2)、一氧化鈷(CoO)、氧(氫氧)化鈷(CoO(OH))、四氧化三鈷(Co3O4)或一氧化銅(CuO)。
- 如申請專利範圍第24項所述之容器，其中該複數個粒子中至少有一個粒子之流體動力直徑(hydrodynamic diameter)為10nm~1,200nm。
- 如申請專利範圍第24項所述之容器，其中該複數個粒子中至少有一個粒子之流體動力直徑(hydrodynamic diameter)為200nm~1,200nm。
- 如申請專利範圍第24項所述之容器，其中該複數個粒子中至少有一個粒子之流體動力直徑(hydrodynamic diameter)為60nm~150nm。
- 一種微流體生物晶片，其中該種微流體生物晶片包含申請專利範圍第24項所述之容器。
- 一種受電磁波照射後會在聚合酶鏈鎖反應儀器中產熱的奈米粒子，該電磁波之頻率範圍在300THz~400THz間，該種奈米粒子具有一流體力學直徑(hydrodynamic diameter)為50nm~200nm，其中該種奈米粒子包括錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)或銅(Cu)之任一種的過渡金屬氧化物(transition metal oxide)或過渡金屬氫氧化物(transition metal hydroxide)。
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