TWI797820B - Pcr快速檢測裝置及其方法 - Google Patents

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Abstract

一種PCR快速檢測裝置，包括一機體、一可拋棄式微流道單元、一磁控微流體單元、一直線致動器、一PCR熱循環單元以及一影像辨識單元。微流道單元為透明材質，微流道的中間具有一透明薄膜，透明薄膜具有至少一孔洞，以供一微流體在微流道中流動。磁控微流體單元用以帶動微流體，使微流體分割為複數個微滴且引導至微流道的下層。直線致動器用以帶動可拋棄式微流道單元至機體的一擴增區。PCR熱循環單元於擴增區中進行PCR熱循環。影像辨識單元以螢光照射此些微滴，並根據偵測到的螢光亮度判斷此些微滴內的核酸片段（DNA）個數。

Description

PCR快速檢測裝置及其方法
本發明是有關於一種檢測裝置，特別是有關於一種聚合酶連鎖反應(polymerase chain reaction,PCR)快速檢測裝置及其方法。
PCR是一種由酵素驅動的過程，用以在體外擴增小片段的脫氧核醣核酸(DNA)，包括解離(denaturation)、黏合(annealing)及延伸(elongation)，進而產生數百萬的核酸片段(DNA)。解離步驟為利用高溫(90~95℃)將雙股螺旋DNA解離成單股DNA，再以單股DNA作為複製的模板。黏合步驟為溫度降低到適當溫度，讓引子(primers)黏結到正確的目標基因位置。延伸步驟為溫度調整到72℃，鎂離子作為酵素輔因子，讓DNA聚合脢依照模板上的密碼合成另一股新DNA片段。連續地重複上面的三個步驟，可以將極微量的DNA片段大量複製。
然而，儘管即時PCR(RT-PCR)核酸檢測相當簡單且擴增能力強大，但無法獲得絕對定量的結果；數位PCR(dPCR)核酸檢測採用直接計數的方法進行定量分析，但檢測過程中不同階段轉換均需 人力介入，導致成本增加、檢測效能變低，也增加了設備操作的複雜性與操作者的風險。
本發明係有關於一種PCR快速檢測裝置，結合可拋棄式微流道單元、磁控微流體單元、直線致動器、PCR熱循環單元以及影像辨識單元於一機體中，以實現一體化快速檢測的功效。
根據本發明之一方面，提出一種PCR快速檢測裝置，包括一機體、一可拋棄式微流道單元、一磁控微流體單元、一直線致動器、一PCR熱循環單元以及一影像辨識單元。微流道單元為透明材質，微流道的中間具有一透明薄膜，透明薄膜具有至少一孔洞，以供一微流體在微流道中流動。磁控微流體單元用以帶動微流體，使微流體分割為複數個微滴且引導至微流道的下層。直線致動器用以帶動可拋棄式微流道單元至機體的一擴增區。PCR熱循環單元於擴增區中進行PCR熱循環。影像辨識單元以螢光照射此些微滴，並根據偵測到的螢光亮度判斷此些微滴內的核酸片段(DNA)個數。
根據本發明之一方面，提出一種PCR快速檢測方法，包括下列步驟。將一微流體放置於一可拋棄式微流道單元中，微流道的中間具有一透明薄膜，透明薄膜具有至少一孔洞，微流體在微流道的上層中流動。控制一磁鐵於微流道下方移動，並以磁鐵帶動微流體，使微流體分割為複數個微滴且引導至微流道的下層。帶動可拋棄式微流道單元至機體的一擴增區。於擴增區中進行PCR熱循環。以螢光照 射此些微滴，並根據偵測到的螢光亮度判斷此些微滴內的核酸片段(DNA)個數。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
10:微流體
12:DNA片段
20:微滴
100:PCR快速檢測裝置
110:機體
112:第一區域
114:第二區域
120:微流道單元
120a,122a,124a:微流道
121:蓋體
122:上層板
123:中間層
123a:孔洞
124:下層板
125:底板
130:磁控微流體單元
132:磁鐵
133:驅動電路
134:印刷電路板
135:磁感應軌道
136:電磁線圈
137:驅動元件
140:直線致動器
142:馬達
144:線性滑軌
146:滾珠螺桿
148:滑塊
150:PCR熱循環單元
160:影像辨識單元
第1圖繪示依照本發明一實施例之PCR快速檢測裝置的方塊圖；第2A及2B圖分別繪示依照本發明一實施例之PCR快速檢測裝置的內部配置示意圖；第3A及3B圖分別繪示依照本發明一實施例之微流道結構的分解圖及組合圖。第4A至4C圖分別繪示依照本發明一實施例之檢測方法進行微流體分割、PCR擴增以及影像辨識的示意圖；第5A圖繪示依照本發明一實施例之磁控微流體單元的示意圖；第5B圖繪示依照本發明一實施例之微滴沿著磁感應軌道移動至一預定位置的示意圖；第6圖繪示依照本發明一實施例之驅動電路的示意圖；第7圖繪示依照本發明一實施例之PCR快速檢測方法的流程圖。
下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本申請中的實施例，本領域具有通常知識者在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本申請保護的範圍。
此外，所描述的特徵、結構或特性可以以任何合適的方式結合在一個或更多實施例中。在下面的描述中，提供許多具體細節從而給出對本申請的實施例的充分理解。然而，本領域具有通常知識者將意識到，可以實踐本申請的技術方案而沒有特定細節中的一個或更多，或者可以採用其它的方法、裝置、步驟等。在其它情況下，不詳細示出或描述公知方法、裝置、實現或者操作以避免模糊本申請的各方面。
請參照第1圖及第2A至2B圖，第1圖繪示依照本發明一實施例之PCR快速檢測裝置100的方塊圖，第2A至2B圖分別繪示依照本發明一實施例之PCR快速檢測裝置100的內部配置示意圖。本實施例的PCR快速檢測裝置100包括設置於一機體110內的一微流道單元120、一磁控微流體單元130、一直線致動器140、一PCR熱循環單元150以及一影像辨識單元160，以成為一體化快速檢測平台。
機體110為一操作平台，可供使用者輸入設定值、設定熱循環溫度值、熱循環時間、分析影像參數、檢測螢光亮度、計算DNA個數以及輸出檢測值等，所有的檢測均在單一機體110內完成，不需 將上述的檢測流程分為多個檢測機台單獨進行，可避免檢測過程中不同階段轉換均需人力介入的問題。
請參照第2A及2B圖，機體110內部分為兩個區域，第一區域112為磁控微流體單元130所在的區域，第二區域114為PCR熱循環單元150及影像辨識單元160所在的區域。機體110的第一區域112為微滴分割區域，第二區域114為PCR擴增及螢光檢測區域。直線致動器140可移動地設置在第一區域112及第二區域114之間，且可拋棄式微流道單元120以直線致動器140驅動而往復地移動於第一區域112及第二區域114之間。微流道單元120的內部具有分為上、下層的微流道120a，即第3A圖所示的上層的微流道122a跟下層的微流道124a。
在一實施例中，直線致動器140包括一馬達142、一線性滑軌144以及一滾珠螺桿146。滾珠螺桿146例如以馬達142提供轉矩而轉動，且線性滑軌144上之滑塊148與滾珠螺桿146上之轉接座(圖未繪示)結合成一體並沿著線性滑軌144移動。可拋棄式微流道單元120設置於滑塊148上並可滑動至一擴增區(擴增區位於第二區域114)，以進行dPCR核酸檢測。
請參照第3A及3B圖，其分別繪示依照本發明一實施例之微流道結構的分解圖及組合圖。微流道單元120可為透明材質(例如為壓克力材質、PMMA或PDMS)，其經由分層相疊的片體組成(例如5層)，片體例如為一蓋體121、一上層板122、一中間層123、一下層板124以及一底板125。上層板122及下層板124分別具有微 流道122a、124a，而中間層123為透明薄膜，透明薄膜具有至少一孔洞123a，各個孔洞123a連通於上層板122的微流道122a以及下層板124的微流道124a之間，以供一微流體10在微流道中流動，並經由中間的此些孔洞123a由上層板122的微流道122a移動至下層板124的微流道124a。
微流道單元120相對於傳統微流道矽晶片的成本低，利於製作且微流道可根據需求客製化，因此使用一次即可拋棄，減少微流道被殘留的DNA試劑污染的機率。此外，微流道單元120可將微流體10完全密封並利用磁控進行微滴20分割，因此，檢測過程中不同階段轉換不需人力介入，以降低人員接觸風險，進而完成自動化核酸檢測。
請參照第4A至4C圖，其分別繪示依照本發明一實施例之檢測方法進行微滴分割、PCR擴增以及影像辨識的俯視及側視示意圖。請配合參照第2A、3A及5A圖，在第4A圖中，微流道單元120位於第一區域112時，將待測的DNA試劑、鐵磁流體、PCR螢光染劑組成的微流體10置入上層板122的微流道122a中，接著，利用磁控微流體單元130產生電磁力以驅動永久磁鐵132，並由永久磁鐵132帶動微流體10在上層板122的微流道122a中移動，微流體10經過中間層123的孔洞123a之後被分割成一個微滴20。重複進行微滴切割之後，可得到複數個微滴20。
請配合參照第2A、3A及5A圖，在第4B圖中，當完成微滴分割之後，微滴20由永久磁鐵132帶動而依序移動到下層板 124的微流道124a中，以進行後續的PCR擴增。請配合參照第2B、5A圖，在第4B圖中，直線致動器140驅動微流道單元120由第一區域112移動至第二區域114，PCR熱循環單元150於第二區域114中進行PCR熱循環。PCR熱循環用以將雙股螺旋DNA經高溫解離成單股DNA，作為PCR反應的模板，當溫度降到適當溫度時，引子能找到目標基因片段的頭、尾兩端而黏結。聚合酶能將4種核酸原料(dNTPs：dATP、dGTP、dCTP、dTTP)依照DNA模板密碼，正確地一個一個地加上去，而合成新的一股DNA片段。連續地重複一預設次數的PCR熱循環，即可得到大量複製的DNA片段。在本實施例中，預設次數例如是30~40次，但本發明並不以此為限。
接著，請配合參照第2B圖，在第4C圖中，影像辨識單元160以螢光照射此些微滴20，並根據偵測到的螢光亮度判斷此些微滴20內經由PCR熱循環後產生的DNA片段12的個數。由於每個微滴20內產生的DNA片段12數量不一，因此影像辨識單元160可透過對應每個微滴20的影像感測器的光通量來計算各個微滴20的螢光亮度，亦可透過單一個影像感測器中不同像素的光通量來計算各個微滴20的螢光強度。經過影像辨識之後，各個微滴20內的DNA片段12的個數可判斷，以完成定量檢測。
請參照第5A、5B及6圖，其中第5A圖繪示依照本發明一實施例之磁控微流體單元130的示意圖，第6圖繪示依照本發明一實施例之驅動電路133的示意圖。磁控微流體單元130包括一磁鐵132、一驅動電路133以及一磁感應軌道135。驅動電路133可包括 一印刷電路板134以及設置於印刷電路板134上的驅動元件137及多個電磁線圈136。磁鐵132設置在印刷電路板134的上方，而電磁線圈136設置在印刷電路板134下方，驅動元件137可提供一驅動電流至部分電磁線圈136，而通電後的電磁線圈136可以形成任意形狀的磁感應軌道135，以產生一磁力。驅動電路133的磁力可帶動磁鐵132在印刷電路板134上移動。如第6圖所示，多個電磁線圈136以一陣列排列在印刷電路板134上，每個電磁線圈136可經由獨立的供電開關供電，以使通電後的電磁線圈136能根據磁鐵132的預定移動路徑依序開啟形成一磁感應軌道135，進而驅動磁鐵132在印刷電路板134上移動。
請參照第5B圖，其繪示依照本發明一實施例之微滴20沿著磁感應軌道135移動至一預定位置的示意圖。磁感應軌道135例如為S形、E形、F形、T形或其變化組合等，本實施例對此不加以限制，吾人可預先設定電磁線圈136依序開啟/關閉的時間，使微滴20移動至磁感應軌道135末端的預定位置中而停止。若要移動下一個微滴，只要改變電磁線圈136通電的位置，即可控制微滴20移動至下一個預定位置，直到完成所有的微滴20的分區為止。
請參照第7圖，其繪示依照本發明一實施例之PCR快速檢測方法的流程圖。首先，在步驟S210中，將一微流體10放置於一微流道單元120中，微流道的中間具有一透明薄膜，透明薄膜具有至少一孔洞123a，微流體10可在上層的微流道中流動。在步驟S220中，控制一磁鐵132於微流道下方移動，並以磁鐵132帶動微流體10， 使微流體10受磁鐵132吸引而分割為複數個微滴20且引導至微流道的下層。在步驟S230中，帶動微流道單元120至機體110的一擴增區(第二區域114內)。在步驟S240中，於擴增區中進行PCR熱循環，並以螢光照射微滴20。在步驟S250中，根據偵測到的螢光亮度判斷各微滴20內的核酸片段(DNA)個數。在步驟S260中，若DNA數量已達目標值，結束整個檢測流程。在步驟S270中，若DNA數量未達目標值，且PCR熱循環次數未達一預設次數，則回到步驟S240繼續PCR熱循環；若DNA數量未達目標值，且PCR熱循環已達預設次數，則結束整個檢測流程。在本實施例中，預設次數例如是30~40次，但本發明並不以此為限。
由上述的說明可知，在實際操作上，本發明上述實施例的PCR快速檢測裝置及其方法可應用於dPCR核酸檢測的定量分析上，具有高度自動化、低成本、低污染風險的優點，並可於一體化的機體中完成微滴分割、PCR熱循環以及螢光檢測，故不需將上述的檢測流程分為多個檢測機台單獨進行，可避免檢測過程中不同階段轉換均需人力介入的問題。此外，透過本實施例的PCR檢測流程可加快檢測速度，例如可縮短PCR的檢測時間至1.5小時以內，以提高各個檢測中心的PCR檢測能力。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神以及範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:PCR快速檢測裝置
110:機體
120:微流道單元
130:磁控微流體單元
140:直線致動器
150:PCR熱循環單元
160:影像辨識單元

Claims (16)

  1. 一種PCR快速檢測裝置，包括：一機體；一可拋棄式微流道單元，為透明材質，微流道的中間具有一透明薄膜，該透明薄膜具有至少一孔洞，以供一微流體在該微流道中流動；一磁控微流體單元，用以帶動該微流體，使該微流體分割為複數個微滴且引導至該微流道的下層；一直線致動器，用以移動該可拋棄式微流道單元至該機體的一擴增區；一PCR熱循環單元，於該擴增區中對該些微滴進行PCR熱循環；以及一影像辨識單元，以螢光照射該些微滴，並根據偵測到的螢光亮度判斷該些微滴內的核酸片段(DNA)個數。
  2. 如請求項1所述的裝置，用於dPCR核酸檢測的定量分析。
  3. 如請求項1所述的裝置，其中微滴分割、PCR熱循環以及螢光檢測均於單一該機體中進行。
  4. 如請求項1所述的裝置，其中該機體內部包括一第一區域及一第二區域，該磁控微流體單元位於該第一區域，該PCR熱循環單元及該影像辨識單元位於該第二區域。
  5. 如請求項4所述的裝置，其中該直線致動器可移動地設置在第一區域及第二區域之間，且該可拋棄式微流道單元以該直線致動器驅動而移動於該第一區域及該第二區域之間。
  6. 如請求項1所述的裝置，其中該可拋棄式微流單元包括相疊的一蓋體、一上層板、一中間層、一下層板以及一底板，該上層板及該下層板分別具有該微流道，而該中間層為該透明薄膜，該些孔洞連通該上層板的該微流道以及該下層板的該微流道。
  7. 如請求項1所述的裝置，其中該磁控微流體單元包括一磁鐵、一磁感應軌道以及一驅動電路，該驅動電路控制磁鐵於該微流道下方移動，並以該磁鐵帶動該微流體沿著該磁感應軌道移動。
  8. 如請求項7所述的裝置，其中該驅動電路包括一印刷電路板以及設置於該印刷電路板上的一驅動元件及複數個電磁線圈，該磁鐵設置在該印刷電路板的上方，而該些電磁線圈設置在該印刷電路板下方，該驅動元件提供一驅動電流至部分該些電磁線圈。
  9. 如請求項8所述的裝置，其中通電後的部分該些電磁線圈形成對應該磁鐵的一預定移動路徑的該磁感應軌道。
  10. 如請求項1所述的裝置，其中該直線致動器包括一馬達、一線性滑軌以及一滾珠螺桿，該馬達提供一轉矩以轉動 該滾珠螺桿，該線性滑軌上的一滑塊與該滾珠螺桿上的一轉接座結合成一體並沿著該線性滑軌移動。
  11. 一種PCR快速檢測方法，用於一機體中，該方法包括：將一微流體放置於一可拋棄式微流道單元中，微流道的中間具有一透明薄膜，該透明薄膜具有至少一孔洞，以供該微流體在該微流道中流動；控制一磁鐵於該微流道下方移動，並以該磁鐵帶動該微流體，使該微流體分割為複數個微滴且引導至該微流道的下層；以及移動該可拋棄式微流道單元至該機體的一擴增區；於該擴增區中進行PCR熱循環昇降溫；以及以螢光照射該些微滴，並根據偵測到的螢光亮度判斷該些微滴內的核酸片段(DNA)個數。
  12. 如請求項11所述的方法，用於dPCR核酸檢測的定量分析。
  13. 如請求項11所述的方法，其中微滴分割、PCR熱循環以及螢光檢測均於單一該機體中進行。
  14. 如請求項11所述的方法，其中該微滴分割位於該機體的一第一區域，該PCR熱循環以及該螢光檢測位於該機體的一第二區域，該可拋棄式微流道單元可移動於該第一區域及該第二區域之間。
  15. 如請求項11所述的方法，其中該孔洞連通於上 層的該微流道以及下層板的該微流道之間。
  16. 如請求項11所述的方法，其中該磁鐵帶動該微流體沿著一磁感應軌道移動，該磁感應軌道為通電後的一部分電磁線圈所形成的對應該磁鐵的一預定移動路徑。
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