TWI690590B - 核酸分析裝置 - Google Patents

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Abstract

採用等溫擴增方式的核酸分析裝置包括一槽體、一流體輸送單元、一溫度控制單元、一旋轉驅動單元及至少一光學單元。槽體包括安裝於其內的一卡匣，流體輸送單元與槽體連接，並適於輸送卡匣內的試劑，以進行試樣純化及/或核酸萃取。溫度控制單元設置於槽體內，並適於提供一預設溫度，以進行核酸擴增。旋轉驅動單元與槽體連接且包括一運動控制單元，可在試樣純化及/或核酸萃取期間對卡匣施壓或夾持，並在核酸擴增及/或偵測期間以預設程式旋轉卡匣。至少一光學單元設置於槽體上，並包括複數個光學元件，以進行偵測。

Description

核酸分析裝置
本案係關於一種核酸分析裝置，尤指一種採用等溫擴增方式的核酸分析裝置。
即時就地照護(Point of Care, POC)試驗是一種在中心醫療院所或實驗室以外所進行的分析方法，且採用可即時判讀結果的裝置來進行。因為全球化趨勢造成新的或再現傳染病的爆發，且加快了其從流行性變成大流行性(epidemic-to-pandemic)的速度，而面對這樣的威脅，在前線臨床處置的去中心化診斷試驗將有助於及早執行公共衛生事件的應變，以減輕事件的嚴重性。在開發中國家，由於臨床實驗室基礎設施的缺乏及經費限制，診斷不易更加重了高度傳染病的負擔，若能借助POC試驗當有助於改善此情況。
雖然微生物培養、顯微鏡檢及代謝生化試驗仍在某些情境下使用，現今大部分的POC裝置及分析發展趨勢多採用不同形式的聚合酶連鎖反應(polymerase chain reaction, PCR)方法，例如巢式PCR (nested PCR)、即時PCR (real-time PCR)及數位PCR (digital PCR)。PCR是一種由酵素驅動的過程，用以在體外擴增小片段的DNA，藉由循環產生不同溫度來進行DNA複製的重複步驟，包括解離(denaturation)、黏合(annealing)及延伸(elongation)，進而產生數百萬拷貝數的DNA。然而，儘管PCR化學相當簡單且擴增能力強大，但反應中必須精準的熱循環控制在二或三種溫度區間的需求，仍是PCR發展用於POC診斷時一種無法避免的缺點。
上述PCR反應的限制促使另一種替代的等溫擴增(isothermal amplification)方式的發展。等溫擴增無須採用熱循環控制，而是仰賴利用體內DNA/RNA合成機制的蛋白質，並由酵素活性主導。因此，微小化的等溫系統具有設計簡單及能量消耗低的優點。目前有多種分析複雜度(多種酵素或引子)、偵測靈敏度及專一性可接受的等溫擴增方式被發展出來，包括核酸序列依賴性擴增技術(nucleic acid sequence-based amplification, NASBA)、鏈置換擴增技術(strand displacement amplification, SDA)、解旋酶擴增技術(helicase-dependent amplification, HAD)、環型等溫擴增技術(loop-mediated isothermal amplification, LAMP)、重組酶聚合酶擴增技術(recombinase polymerase amplification, RPA)、及切口酶擴增技術(nicking enzyme amplification reaction, NEAR)。
由於等溫擴增是一種相對較新的方法，目前等溫擴增的平台設計仍落後於其生化技術發展。由於等溫擴增對於試樣的純化度具有較高的容忍度，市場上大部分的等溫平台著眼於創造具有穩定溫度的環境及具有中高通量(throughput)的偵測方法，然而，試樣製備皆利用外部設備或手動操作來進行。另一方面，隨著同時偵測多個目標的需求增加，多重化(multiplexing)能力也是等溫擴增方式的POC平台所不可避免的。然而，目前市面上並沒有全功能整合式(all-in-one)的平台可以利用等溫擴增方式來偵測多個目標。
因此，為了改善先前技術之缺失，實有必要提供一種採用等溫擴增方式且為全功能整合式的核酸分析裝置。
本案之一實施例的目的在於提供一種採用等溫擴增方式且為全功能整合式的核酸分析裝置，使得試樣純化、核酸萃取、核酸擴增及核酸偵測等流程可在此全功能整合式的裝置上進行，以實現即時核酸分析。
本案之一實施例的另一目的在於提供一種核酸分析裝置，其係採用等溫擴增方式，且可同時偵測多個目標。
本案之一實施例的又一目的在於提供一種核酸分析裝置，其具有簡化的結構設計、改良的加熱效率及順暢的流體處理。
為達上述目的，本案之一實施例提供一種採用等溫擴增方式的核酸分析裝置，包括一槽體、一流體輸送單元、一溫度控制單元、一旋轉驅動單元及至少一光學單元。槽體包括安裝於其內的一卡匣，流體輸送單元與槽體連接，並適於輸送卡匣內的試劑，以進行試樣純化及/或核酸萃取。溫度控制單元設置於槽體內，並適於提供一預設溫度，以進行核酸擴增。旋轉驅動單元與槽體連接且包括一運動控制單元，運動控制單元可在試樣純化及/或核酸萃取期間對卡匣施壓或夾持，並在核酸擴增及/或偵測期間以一預設程式旋轉卡匣。至少一光學單元設置於槽體上，並包括複數個光學元件，以進行偵測。
在一實施例中，槽體係可被開啟，且包括一頂部槽體及一底部槽體。
在一實施例中，卡匣係安裝於底部槽體的一腔室中。
在一實施例中，運動控制單元係安裝於旋轉驅動單元之一驅動軸上。
在一實施例中，運動控制單元包括一滑殼，且驅動軸之旋轉會驅動滑殼向下移動並下壓卡匣，使卡匣與流體輸送單元緊密接觸。
在一實施例中，運動控制單元包括至少一夾持元件，其係由滑殼之一底面向外凸出，卡匣包括至少一溝槽及至少一凹部結構，凹部結構係與夾持元件相配合並設置於溝槽之一末端，且當滑殼向下移動時，夾持元件與凹部結構共同作用以夾持卡匣。
在一實施例中，驅動軸之反向旋轉會驅動滑殼移動並夾持卡匣，使卡匣遠離流體輸送單元。
在一實施例中，運動控制單元包括一固定部及至少一凸部，固定部安裝於驅動軸上之一固定位置，且凸部係由固定部向外凸出並插入滑殼上之一開槽中。
在一實施例中，運動控制單元包括一彈簧，其係設置於固定部及滑殼之間。
在一實施例中，卡匣包括一反應晶片及一卡匣本體，且反應晶片設置於卡匣本體之一側。
在一實施例中，反應晶片為一平面型流體晶片，其包括複數個偵測槽及連接偵測槽之至少一微流道。
在一實施例中，每一偵測槽具有至少一平面。
在一實施例中，反應晶片之形狀大致上為正多邊形。
在一實施例中，槽體更包括至少一定位件，反應晶片包括至少一對位槽，其係可與槽體上之至少一定位件相對位。
在一實施例中，卡匣本體包括複數個槽，其係儲存用於試樣純化及核酸萃取的試劑。
在一實施例中，反應晶片更包括設於其頂面之至少一試樣載入孔，用於加入試樣於卡匣中。
在一實施例中，溫度控制單元環繞卡匣本體且承載反應晶片於其上，以對反應晶片進行接觸加熱。
在一實施例中，旋轉驅動單元包括一步進馬達，以旋轉卡匣一預設角度。
在一實施例中，光學單元包括一光源及一光偵測器。
在一實施例中，核酸分析裝置包括多個光學單元，其中每一光學單元提供獨特波長的光，以偵測多個目標。
體現本案特徵與優點的一些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，且其中的說明及圖式在本質上為說明之用，而非用以限制本案。
本案實施例提供一種採用等溫擴增方式的核酸分析裝置。具體而言，本案實施例提供一種全功能整合式(all-in-one)的核酸分析裝置，其係採用等溫擴增方式，並將流體輸送單元、溫度控制單元、旋轉驅動單元及光學單元等整合在單一裝置上，使得試樣純化、核酸萃取、核酸擴增及核酸偵測等流程可在此全功能整合式的裝置上進行，以實現即時核酸分析。
第1圖至第3圖顯示本案實施例之核酸分析裝置示意圖，其中第1圖之核酸分析裝置成開啟狀態且卡匣自核酸分析裝置中移出，第2圖移除核酸分析裝置之外殼，第3圖更移除核酸分析裝置頂部槽體之部分，以顯示核酸分析裝置之內部結構。如第1圖至第3圖所示，核酸分析裝置100包括一槽體1、一流體輸送單元2、一溫度控制單元3、一旋轉驅動單元4及至少一光學單元5。槽體1係可被開啟，以安裝一卡匣6於其中。流體輸送單元2與槽體1連接，並適於輸送卡匣6內的試劑，以進行試樣純化及/或核酸萃取。溫度控制單元3設置於槽體1內，並適於提供一預設溫度，以進行核酸擴增。旋轉驅動單元4與槽體1連接且包括一運動控制單元7，其中運動控制單元7可在試樣純化及/或核酸萃取期間對卡匣6施壓，並在核酸擴增及/或偵測期間以一預設程式旋轉卡匣6。至少一光學單元5設置於槽體1上，並包括複數個光學元件，以進行偵測，例如核酸偵測或試樣反應偵測。
在一實施例中，槽體1包括一頂部槽體11及一底部槽體12。頂部槽體11與底部槽體12係透過一鉸鏈(hinge)連接，但不以此為限。底部槽體12具有一腔室121，係特別設計用以安裝卡匣6於其中。頂部槽體11可被開啟，使得卡匣6可放置於底部槽體12之腔室121中，當頂部槽體11關閉後，槽體1內便形成一封閉空間。
在一實施例中，槽體1之形狀可為但不限於圓柱狀、球狀、立方體、圓錐體或橄欖狀，且槽體1可由但不限於金屬、陶瓷、聚合物、高分子化合物、木材、玻璃、或其他可提供良好熱隔絕的材質所製成。
底部槽體12係與流體輸送單元2連接，在卡匣6安裝於底部槽體12後，卡匣6會被施壓而與流體輸送單元2緊密接觸，以避免洩漏。
第4圖及第5圖顯示不同角度的卡匣。如第4圖及第5圖所示，卡匣6包括一卡匣本體61及一反應晶片62，且反應晶片62設置於卡匣本體61之一側，例如卡匣本體61之頂部。反應晶片62為一平面型流體晶片，且包括複數個偵測槽621及連接偵測槽621之至少一微流道622。在一實施例中，偵測槽621內有供核酸擴增及/或偵測之試劑。舉例來說，偵測槽621可塗佈供核酸擴增及/或偵測之試劑，例如包括不同螢光染料的試劑。
偵測槽621之數量並不受限，且可多達40甚至更多個槽，故本案裝置可進行多重化(multiplexing)的核酸分析。在一實施例中，反應晶片62的形狀大致上為正多邊形，使得反應晶片62具有複數個呈平面的側面，可與光學單元5呈直線排列而有助於光線聚焦。當然，反應晶片62的形狀不限於正多邊形，其可為圓形或其他形狀，因為透過光學單元5之光學元件的排列，亦可使光線聚焦於偵測槽621中的試樣。
在一實施例中，反應晶片62更包括至少一對位槽623，且底部槽體12更包括至少一定位件122 (如第1圖所示)，定位件122例如包括一定位銷。當卡匣6放置於底部槽體12之腔室121中時，利用卡匣6的對位槽623對位於底部槽體12的定位件122，可有助於卡匣6更容易裝載，且透過此對位，卡匣6即可與流體輸送單元2自行對位，且每一光學單元5會與偵測槽621其中之一呈直線排列。在一實施例中，每一偵測槽621具有至少一平面。舉例來說，偵測槽621之形狀可為矩形，且在核酸偵測過程中，偵測槽621具有一平面與光學單元5的光偵測器52呈直線排列。
卡匣本體61包括複數個槽611，其係儲存用於試樣純化及/或核酸萃取的試劑。卡匣本體61亦包括複數個流道，其係與槽611連接以供流體輸送。在一實施例中，卡匣本體61可為但不限於圓柱狀本體。卡匣本體61更包括設於卡匣本體61底面之複數個開口612，且開口612係透過流道而與槽611相連通。開口612之形狀可為但不限於圓形、線型、或其他規則或不規則形狀。
反應晶片62更包括設於反應晶片62頂面之至少一試樣載入孔624，且試樣載入孔624與卡匣本體61之至少一槽611對位及連通，用於加入試樣於卡匣6中。
第6圖顯示反應晶片之部分放大圖。如第4圖及第6圖所示，反應晶片62更包括設於頂面之至少一溝槽625，其中該至少一溝槽625與旋轉驅動單元4之至少一夾持元件77 (如第7A圖及第7B圖所示)相配合，且夾持元件77可在溝槽625中移動。在一實施例中，反應晶片62包括兩溝槽625，且旋轉驅動單元4也包括兩夾持元件77，然而溝槽625及夾持元件77之數量皆不限於兩個。溝槽625呈弧狀且對稱設置於反應晶片62之中心部位。每一溝槽625更包括一凹部結構626，其係與凸出的夾持元件77結構相配合，且設置於溝槽625之一末端。夾持元件77可與凹部結構626共同作用以夾持卡匣6。在一實施例中，凹部結構626為一孔洞，但不限於此，且凹部結構626之徑長大體上等於或略小於夾持元件77之徑長，藉此將夾持元件77緊密地握持於其中。
在運作過程中，一旦試樣被載入，卡匣6即被放置入核酸分析裝置100，並由流體輸送單元2進行流體處理。流體輸送單元2係與卡匣6同時運作，以進行試樣純化、核酸萃取及流體輸送，進而實現全自動裝置。流體輸送可經由氣動(pneumatic)、真空(vacuum)、活塞(plunger)、腔室變形(chamber deformation)、熱膨脹(thermal-induced expansion)、聲波力(acoustics)、離心力(centrifugal force)或其他可在卡匣本體61內完成試樣處理之方法來實現。
在一實施例中，流體係以氣動方式經由微管道及孔洞來驅動。舉例來說，流體輸送單元2類似於本案申請人於2016年7月22日申請之台灣專利申請案號105123156(主張新加坡專利申請案號10201605723Y之優先權，申請日為2016年7月13日)所述之流體整合模組，且前述申請案全體內容併於此作為揭示內容且不再於此贅述。簡要來說，本案實施例之流體輸送單元2包括台灣專利申請案號105123156所述之流體岐管部、旋轉閥定子、旋轉閥轉子、旋轉閥殼體及流體源。流體岐管部具有複數個微管道，係經由卡匣6底部開口612而與卡匣6之槽611連接。由於旋轉閥定子及旋轉閥轉子上之穿孔及/或溝槽在旋轉閥轉子轉動時有對應的對位關係，故當旋轉閥轉子轉動至不同位置時，即可實現多重流體路徑的切換，進而調控卡匣6之流體運作。因此，儲存於卡匣6中的試劑便可透過流體輸送單元2的幫浦提供的氣動力而輸送到欲輸送的位置，進而自動化地執行試樣純化及核酸萃取流程。當然，流體輸送單元不限於上述之設計，任何其他形式的流體輸送單元，只要能夠實現卡匣6內多重流體輸送及路徑切換功能，皆不脫離本案揭露的範圍。
旋轉驅動單元4係安裝在頂部槽體11。旋轉驅動單元4可為但不限於馬達，且其亦可為電磁裝置、手動操作、彈簧、發條裝置或其他元件，且能夠以預設角度及速度夾持及旋轉卡匣6，並使每一偵測槽621依序通過並對位於每一光學單元5。在一實施例中，旋轉驅動單元4包括一步進馬達，其可以不同模式驅動卡匣6的旋轉。旋轉驅動單元4更包括一運動控制單元7，其係適於在核酸擴增及/或偵測期間夾持及旋轉卡匣6，且可於試樣純化及/或核酸萃取期間在卡匣6及流體輸送單元2之間提供良好的密封效果。
第7A圖及第7B圖顯示不同角度的旋轉驅動單元，而第8A圖及第8B圖則顯示運動控制單元在不同位置的內部結構。如第7A圖至第8B圖所示，旋轉驅動單元4包括一驅動軸41，而運動控制單元7係安裝於驅動軸41上。運動控制單元7包括一固定部71、一彈簧72、一平板73、至少一凸部74、一滑殼75、及至少一開槽76。固定部71安裝於驅動軸41上之一固定位置，且被滑殼75所包覆。滑殼75提供一內部空間，供固定部71、彈簧72及平板73容置於其中。彈簧72係夾設於固定部71及平板73之間，以使固定部71抵頂於滑殼75之內底壁，及平板73抵頂於滑殼75之內頂壁。在一實施例中，彈簧72亦可直接抵頂於滑殼75之內頂壁，亦即彈簧73夾設於固定部71及滑殼75之間。開槽76係形成於滑殼75上之穿孔，且形狀類似溜滑梯，具有一頂部平台及向下的斜坡。凸部74係由固定部71向外凸出且插入開槽76中。藉由固定部71上的凸部74與滑殼75上的開槽76間的共同作用，使得滑殼75的運動會被限制在一可控制範圍內。一旦被釋放，滑殼75即可藉由彈簧72的彈性恢復力而返回到其原始位置。
在一些實施例中，凸部74及開槽76可為其他彼此可共同作用之類似結構，而凸部74及開槽76的位置亦可交換。在一實施例中，凸部74可形成於滑殼75上，且開槽76形成於固定部71上。
在旋轉驅動單元4操作期間，固定部71會隨著驅動軸41旋轉。由於固定部71上的凸部74係插入滑殼75上的開槽76中，使得固定部71的旋轉也會帶動滑殼75的旋轉。若滑殼75的旋轉被一外力限制且在某些情況下無法旋轉時，旋轉驅動單元4進一步的馬達旋轉仍將驅使驅動軸41及固定部71繼續轉動，且由於固定部71上的凸部74與滑殼75上的開槽76間的共同作用，使得滑殼75沿著驅動軸41改變其軸向位置。
運動控制單元7更包括至少一夾持元件77，其係由滑殼75之底面向外凸出。在一實施例中，運動控制單元7包括兩夾持元件77，且夾持元件77為定位銷，但不限於此。夾持元件77係與卡匣6之反應晶片62上的溝槽625相配合。
第9A圖及第9B圖顯示不同角度的旋轉驅動單元、卡匣及底部槽體，其中運動控制單元係位於較高位置，而第10A圖及第10B圖顯示不同角度的旋轉驅動單元、卡匣及底部槽體，其中運動控制單元係位於較低位置。當卡匣6被裝載入底部槽體12中且頂部槽體11被關閉時，滑殼75上的夾持元件77之末端即位於卡匣6頂面之溝槽625中，且固定部71上的凸部74係位於滑殼75上的開槽76之下端部，如第8A、9A及9B圖所示，其中在滑殼75之底面與卡匣6之頂面之間具有一微小空隙。隨著驅動軸41的旋轉，滑殼75上的夾持元件77亦隨之旋轉，直到其被溝槽625之末端所限制。由於卡匣6的位置被定位件122所限制，使得滑殼75的進一步旋轉被阻止，因此，滑殼75便下移至其較低位置，且固定部71上的凸部74移動至滑殼75上的開槽76之頂部平台處，彈簧72也因此被壓縮，如第8B、10A及10B圖所示。此時，夾持元件77向下插入卡匣6上位於溝槽625末端之凹部結構626中，藉此夾持卡匣6。同時，下移的滑殼75也會施力於卡匣6上而下壓卡匣6，使卡匣6與流體輸送單元2之間有非常良好的接觸，而達成更順暢的流體處理。
在流體處理完成且純化後的試樣被輸送到卡匣6之反應晶片62上的偵測槽621後，須進一步將卡匣6上提及旋轉以進行偵測。此時，驅動軸41會反向旋轉，且凸部74亦隨著驅動軸41而反向旋轉。由於此時的卡匣6仍被定位件122所限制，除了固定部71及凸部74外，夾持元件77及滑殼75無法隨著驅動軸41旋轉。一旦固定部71上的凸部74離開開槽76之頂部平台，彈簧72的彈性恢復力將使滑殼75上移回到其原始位置，而因此夾持並上提卡匣6於定位件122之上並遠離流體輸送單元2，藉此最小化在交界面的摩擦力，且使卡匣6可在核酸擴增及/或偵測期間在槽體1內自由旋轉。隨著旋轉軸41的進一步旋轉，卡匣6可被夾持並以預定程式旋轉，以使偵測槽621依序與每一光學單元5對位，俾進行核酸偵測。
第11圖顯示核酸分析裝置之示意圖，其中頂部槽體被移除以曝露出溫度控制單元。如第1圖及第11圖所示，溫度控制單元3係設置於底部槽體12之腔室121中，且可包括一加熱器及複數個排列成圓形之散熱片。當卡匣6被裝載入底部槽體12中時，溫度控制單元3即環繞卡匣本體61且承載反應晶片62於其上。因此，反應晶片62係與溫度控制單元3直接接觸，且以接觸加熱方式進行加熱，故有較好之加熱效率及較短之加熱時間。
由於本案實施例之核酸分析裝置100係設計用於以等溫方式進行的核酸擴增，故只需要一固定溫度，而無須進行三個不同溫度區間的熱循環控制，因此，溫度控制單元3可顯著簡化。此外，核酸分析裝置100之槽體1係設計為具有良好的熱隔絕，可使得內部溫度易於維持。一旦槽體1處於均一的溫度環境，則從偵測槽621及試樣流向環境的熱散失即可被最小化，且在核酸擴增及/或偵測流程中，無論卡匣6是在轉動或靜止狀態，整個封閉槽體1及每個偵測槽621中的試樣都具有大致相同的溫度。
溫度控制單元3係於操作過程中提供槽體1內部所需之溫度，其中溫度控制不受偵測槽621的數量及形狀影響。在一實施例中，溫度控制單元3更包括至少一溫度感測器，用以控制溫度的準確度。
在一實施例中，核酸分析裝置100包括多個光學單元5。光學單元5包括如光源、透鏡、濾鏡及光偵測器等光學元件，以實現光學偵測，使得試樣在核酸擴增期間可被即時偵測。如第3圖所示，光學單元5包括至少一光源51及至少一光偵測器52。光源51，例如發光二極體(light emitting diode, LED)，及光偵測器52皆被包埋於頂部槽體11中，且在操作過程中，每一光源51會與卡匣6之偵測槽621其中之一對位，以提供有效光源進行偵測。一旦卡匣6被夾持，光偵測器52，例如包括光電二極體(photodiode)，會與卡匣6之偵測槽621其中之一呈直線排列，以進行偵測並取得分析結果。卡匣6之旋轉可使每一偵測槽621依序通過不同的光學單元5。在一實施例中，每一光學單元5可提供一獨特波長的光，藉此提供不同顏色的光進行螢光偵測，使核酸分析裝置100可同時偵測多個目標並實現多重化偵測(multiplexing detection)。
在一實施例中，核酸分析裝置100包括一控制器，以控制流體輸送單元2、溫度控制單元3、旋轉驅動單元4及光學單元5之操作。
由於採用等溫擴增方式，使得溫度控制單元3可顯著簡化，也因此使得核酸分析裝置100可小巧化設計，甚至小於一般茶杯。在一實施例中，核酸分析裝置100之高度介於100 mm至120 mm之間，寬度介於80 mm至100 mm之間。由於核酸分析裝置100為茶杯尺寸，故相當便於攜帶且適合用於POC診斷。
由於核酸分析裝置100係針對等溫擴增所設計，可用於進行所有的等溫擴增方法，例如核酸序列依賴性擴增技術(nucleic acid sequence-based amplification, NASBA)、鏈置換擴增技術(strand displacement amplification, SDA)、解旋酶擴增技術(helicase-dependent amplification, HAD)、環型等溫擴增技術(loop-mediated isothermal amplification, LAMP)、重組酶聚合酶擴增技術(recombinase polymerase amplification, RPA)、及切口酶擴增技術(nicking enzyme amplification reaction, NEAR)。
第12圖顯示核酸分析裝置之操作流程圖，其中粗線箭頭指出操作流程，白色方框表示數個主要作動，白色菱形框顯示完成操作的主要步驟，灰框表示裝置的核心硬體組件，由控制器至核心硬體組件的通訊以虛線箭頭標示，由核心硬體組件產生預設功能的反應則由細線箭頭標示。核酸分析裝置100之操作流程將配合第1圖至第12圖說明如下。
第一步驟係執行手動操作。核酸分析裝置100之頂部槽體11被開啟。試樣經由反應晶片62之試樣載入孔624加入卡匣6中，其中，用於試樣純化及核酸萃取的試劑已預先加入卡匣本體61之槽611中。在試樣加入卡匣6後，卡匣6即被裝載於底部槽體12中且頂部槽體11被關閉。一旦卡匣6放置於底部槽體12之腔室121中時，底部槽體12上之定位件122可協助卡匣6與流體輸送單元2自行對位。旋轉驅動單元4進一步驅動運動控制單元7，以夾持及下壓卡匣，使卡匣6緊密接觸流體輸送單元2。接著開始進行試樣處理。
第二步驟係執行試樣純化及核酸萃取。在此步驟中，試樣處理程序係在卡匣6中進行，且如生化緩衝液等試劑係借助流體輸送單元2輸送至欲輸送的位置。在試樣純化及核酸萃取完成後，具有萃取核酸的試樣便被輸送到卡匣6的偵測槽621，以進行後續的核酸擴增及/或偵測。
第三步驟係由溫度控制單元3對槽體1進行加熱以達到預定溫度，其中偵測槽621中之試樣係以接觸加熱方式進行加熱，以有較快速之溫度提升。此外，溫度感測器可監控試樣溫度。
第四步驟係執行核酸擴增及核酸偵測。當試樣溫度達到預設值時，卡匣6被運動控制單元7夾持及上提，且開始進行等溫擴增。此時，溫度控制單元3仍繼續運作以維持溫度。一旦卡匣6被上提，卡匣6即可由旋轉驅動單元4驅動而在槽體1內旋轉。卡匣6可旋轉一特定角度，使得每一偵測槽621與光學單元5對位並靜止一小段時間(例如200毫秒)以進行偵測。藉此，每一偵測槽621可通過具有不同顏色的一系列光源51，且發射光可被光偵測器52 (例如光電二極體)所偵測。
偵測完成後，將偵測結果經由USB或網路傳送至雲端或數位裝置，例如個人電腦、平板或智慧型手機，並開啟槽體1以將卡匣6丟棄。
在上述實施例中，卡匣6係示範為一對一卡匣，亦即每次偵測一個試樣。然而，在另一實施例中，卡匣6可為多對一卡匣，亦即每次偵測多個(例如X個)試樣。舉例來說，反應晶片62可包括複數個試樣載入孔624，用以加入複數個不同試樣於卡匣6中，以具有彈性通量(1~X)且不增加硬體成本。
綜上所述，本案實施例提供一種全功能整合式(all-in-one)的核酸分析裝置，其係採用等溫擴增方式，並將流體輸送單元、溫度控制單元、旋轉驅動單元及光學單元整合在單一裝置上，使得試樣純化、核酸萃取、核酸擴增及核酸偵測等流程可在此全功能整合式的裝置上進行，以實現即時核酸分析，因此，本案實施例之核酸分析裝置提供了簡便且快速的核酸分析。再者，卡匣下壓、卡夾夾持、卡匣上提及卡匣旋轉皆可全部由旋轉驅動單元來實現，故核酸分析裝置可利用最少的元件達成極為簡化的結構設計。旋轉驅動單元所提供的下壓力更加強卡匣及流體輸送單元之間的密封效果，以提供更順暢的流體處理。溫度控制單元的接觸加熱方式也提升了加熱效率。又，藉由多重偵測槽及多重光學單元的排列設置，使得多重化核酸分析及多重顏色的多重化偵測皆可被達成。此外，由於溫度控制單元顯著簡化，使得核酸分析裝置可小巧化設計，因而便於攜帶且適合用於POC診斷，也降低了核酸分析的成本。又，核酸分析裝置具有可接受的靈敏度與專一性，以及彈性的偵測通量。
縱使本發明已由上述實施例詳細敘述而可由熟悉本技藝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‧‧‧槽體11‧‧‧頂部槽體12‧‧‧底部槽體121‧‧‧腔室122‧‧‧定位件2‧‧‧流體輸送單元3‧‧‧溫度控制單元4‧‧‧旋轉驅動單元41‧‧‧驅動軸5‧‧‧光學單元51‧‧‧光源52‧‧‧光偵測器6‧‧‧卡匣61‧‧‧卡匣本體611‧‧‧槽612‧‧‧開口62‧‧‧反應晶片621‧‧‧偵測槽622‧‧‧微流道623‧‧‧對位槽624‧‧‧試樣載入孔625‧‧‧溝槽626‧‧‧凹部結構7‧‧‧運動控制單元71‧‧‧固定部72‧‧‧彈簧73‧‧‧平板74‧‧‧凸部75‧‧‧滑殼76‧‧‧開槽77‧‧‧夾持元件
第1圖至第3圖顯示本案實施例之核酸分析裝置示意圖，其中第1圖之核酸分析裝置成開啟狀態且卡匣自核酸分析裝置中移出，第2圖移除核酸分析裝置之外殼，第3圖更移除核酸分析裝置頂部槽體之部分，以顯示核酸分析裝置之內部結構。 第4圖及第5圖顯示不同角度的卡匣。 第6圖顯示反應晶片之部分放大圖。 第7A圖及第7B圖顯示不同角度的旋轉驅動單元。 第8A圖及第8B圖顯示運動控制單元在不同位置的內部結構。 第9A圖及第9B圖顯示不同角度的旋轉驅動單元、卡匣及底部槽體，其中運動控制單元係位於較高位置。 第10A圖及第10B圖顯示不同角度的旋轉驅動單元、卡匣及底部槽體，其中運動控制單元係位於較低位置。 第11圖顯示核酸分析裝置之示意圖，其中頂部槽體被移除以曝露出溫度控制單元。 第12圖顯示核酸分析裝置之操作流程圖。
11‧‧‧頂部槽體
12‧‧‧底部槽體
2‧‧‧流體輸送單元
4‧‧‧旋轉驅動單元
51‧‧‧光源
52‧‧‧光偵測器
6‧‧‧卡匣
7‧‧‧運動控制單元

Claims (20)

  1. 一種採用等溫擴增方式的核酸分析裝置，包括：一槽體，包括安裝於其內的一卡匣，該卡匣包括複數個偵測槽；一流體輸送單元，係與該槽體連接，並適於輸送該卡匣內的試劑，以進行試樣純化及/或核酸萃取；一溫度控制單元，係設置於該槽體內，並適於提供一預設溫度，以進行核酸擴增；至少一光學單元，係設置於該槽體上，並包括複數個光學元件；以及一旋轉驅動單元，係與該槽體連接且包括一運動控制單元，該運動控制單元可在試樣純化及/或核酸萃取期間將該卡匣下壓，使該卡匣與該流體輸送單元緊密接觸，並在核酸擴增及/或偵測期間將該卡匣上提，並以一預設程式旋轉該卡匣，使該卡匣的該偵測槽與該光學單元對位，以進行核酸偵測。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的核酸分析裝置，其中該槽體係可被開啟，且包括一頂部槽體及一底部槽體。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的核酸分析裝置，其中該卡匣係安裝於該底部槽體的一腔室中。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的核酸分析裝置，其中該運動控制單元係安裝於該旋轉驅動單元之一驅動軸上。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的核酸分析裝置，其中該運動控制單元包括一滑殼，且該驅動軸之旋轉會驅動該滑殼向下移動並下壓該卡匣，使該卡匣與該流體輸送單元緊密接觸。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的核酸分析裝置，其中該運動控制單元包括至少一夾持元件，其係由該滑殼之一底面向外凸出，該卡匣包括至少一溝槽及至少一凹部結構，該凹部結構係與該夾持元件相配合並設置於該溝槽之 一末端，且當該滑殼向下移動時，該夾持元件與該凹部結構共同作用以夾持該卡匣。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的核酸分析裝置，其中該驅動軸之反向旋轉會驅動該滑殼移動並夾持該卡匣，使該卡匣遠離該流體輸送單元。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的核酸分析裝置，其中該運動控制單元包括一固定部及至少一凸部，該固定部安裝於該驅動軸上之一固定位置，且該凸部係由該固定部向外凸出並插入該滑殼上之一開槽中。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的核酸分析裝置，其中該運動控制單元包括一彈簧，其係設置於該固定部及該滑殼之間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的核酸分析裝置，其中該卡匣包括一反應晶片及一卡匣本體，且該反應晶片設置於該卡匣本體之一側。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的核酸分析裝置，其中該反應晶片為一平面型流體晶片，其包括該複數個偵測槽及連接該偵測槽之至少一微流道。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的核酸分析裝置，其中每一該偵測槽具有至少一平面。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的核酸分析裝置，其中該反應晶片之形狀大致上為正多邊形。
  14. 如申請專利範圍第10項所述的核酸分析裝置，其中該槽體更包括至少一定位件，而該反應晶片包括至少一對位槽，其係可與該槽體上之該至少一定位件相對位。
  15. 如申請專利範圍第10項所述的核酸分析裝置，其中該卡匣本體包括複數個槽，其係儲存用於試樣純化及核酸萃取的試劑。
  16. 如申請專利範圍第10項所述的核酸分析裝置，其中該反應晶片更包括設於其頂面之至少一試樣載入孔，用於加入試樣於該卡匣中。
  17. 如申請專利範圍第10項所述的核酸分析裝置，其中該溫度控制單元環繞該卡匣本體且承載該反應晶片於其上，以對該反應晶片進行接觸加熱。
  18. 如申請專利範圍第1項所述的核酸分析裝置，其中該旋轉驅動單元包括一步進馬達，以旋轉該卡匣一預設角度。
  19. 如申請專利範圍第1項所述的核酸分析裝置，其中該光學單元包括一光源及一光偵測器。
  20. 如申請專利範圍第1項所述的核酸分析裝置，其中該核酸分析裝置包括多個光學單元，其中每一光學單元提供獨特波長的光，以偵測多個目標。
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