TWM464458U - 聚合酶連鎖反應裝置 - Google Patents

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TWM464458U TW102209715U TW102209715U TWM464458U TW M464458 U TWM464458 U TW M464458U TW 102209715 U TW102209715 U TW 102209715U TW 102209715 U TW102209715 U TW 102209715U TW M464458 U TWM464458 U TW M464458U
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Nikolay Sergeev
Chih-Hsiang Sung
Tseng-Huang Liu
Ting-Hsuan Chen
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Description

聚合酶連鎖反應裝置
本創作是有關於一種聚合酶連鎖反應(PCR)裝置。
聚合酶連鎖反應(POLYMERASE CHAIN REACTION；PCR)是一種分子生物學技術，用於擴增特定的DNA片段。聚合酶連鎖反應一般需要對反應混合物，在2個或3個溫度之間，進行重複的熱循環步驟。
逆轉錄聚合酶連鎖反應(REVERSE TRANSCRIPTASE-POLYMERASE CHAIN REACTION；RT-PCR)是將RNA鏈逆轉錄成為互補DNA(此即為逆轉錄反應)，再以此作為模板進行聚合酶連鎖反應來複製擴增DNA(此即為聚合酶連鎖反應)。藉由此種反應，生化檢驗以及檢體取樣的速度與精確度大幅增加。聚合酶連鎖反應中的其中一種是熱對流聚合酶連鎖反應(convectively-driven polymerase chain reaction；cPCR)，其是對反應混合物產生熱對流式熱循環，而使得反應混合物反應擴增。
然而，一般逆轉錄熱對流聚合酶連鎖反應(RT-cPCR)需要在不同、分開的裝置中分別進行。這不僅會降低反應效率。而且可能會因為多次開關裝置造成汙染問題，產生偽陽性(false positive) 結果。
本創作係有關於一種聚合酶連鎖反應(PCR)裝置。可以在該PCR裝置對一樣品執行逆轉錄反應與熱對流聚合酶連鎖反應。
根據本創作，提供一種PCR裝置，用於執行逆轉錄反應(RT)與熱對流聚合酶連鎖反應(cPCR)，包括一上溫控單元、一中間溫控單元與一下溫控單元。中間溫控單元用以對容置在一反應容器中的一反應混合物進行溫控，使得反應混合物具有進行一逆轉錄反應所需的一溫度。中間溫控單元配置在上溫控單元與下溫控單元之間。上溫控單元與下溫控單元是用以同時對容置在反應容器中的反應混合物進行溫控，以使反應混合物具有進行一熱對流聚合酶連鎖反應所需的一溫度梯度與對流情況。
為了對本創作之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
100‧‧‧聚合酶連鎖反應裝置
102‧‧‧上溫控單元
104‧‧‧中間溫控單元
106‧‧‧下溫控單元
108‧‧‧間隙
110‧‧‧反應容器
112‧‧‧凹槽
114‧‧‧反應混合物
116‧‧‧上表面
118‧‧‧支撐板
120‧‧‧側壁
122‧‧‧螺母
124‧‧‧螺旋桿
126‧‧‧側壁
128‧‧‧光學視窗
130‧‧‧發光源
132‧‧‧光學感測器
A1、A2、A3‧‧‧面積
第1圖繪示根據一實施例之聚合酶連鎖反應(PCR)裝置。
第2圖繪示根據再一實施例之PCR裝置。
請參照第1圖，本案之一實施例揭示一聚合酶連鎖反應(PCR)裝置100，用於執行逆轉錄反應(reverse transcriptase reaction；RT)與熱對流聚合酶連鎖反應(convectively-driven polymerase chain reaction；cPCR)。PCR裝置100包含一上溫控單元102、一中間溫控單元104與一下溫控單元106。中間溫控單元104介於上溫控單元102與下溫控單元106之間。
上溫控單元102、中間溫控單元104與下溫控單元106可根據實際需求，分別獨立地設計成具有加熱功能及/或散熱功能。於一實施例中，上溫控單元102、中間溫控單元104與下溫控單元106可使用熱傳導性佳的材料，如鋁、鋁合金、銅、紅銅等。舉例來說，加熱功能可以(例如利用電熱能、磁熱能等產生的)熱傳導；(例如利用空氣、流體熱能等產生的)熱傳導、熱對流；或(例如利用紅外線熱能、碳素管熱能、雷射熱能等產生的)熱輻射方式；或上述方法之組合使上溫控單元102、中間溫控單元104與下溫控單元106蓄熱。散熱功能可使用散熱鰭片、風扇、致冷晶片、熱管、平板熱管等任意組合達成。上溫控單元102、中間溫控單元104與下溫控單元106可具有薄膜形態、塊狀形態、或其他形態。舉例來說，上溫控單元102、中間溫控單元104與下溫控單元106可包括薄膜電阻加熱器，或設置在金屬或合金塊體的帕耳帖元件(Peltier element)。上溫控單元102、中間溫控單元104與下溫控單元106是獨立地利用任意的溫度感測器例如熱電耦(thermal couple)等來感測溫度。
上溫控單元102、中間溫控單元104與下溫控單元106是以間隙108彼此隔開。上溫控單元102、中間溫控單元104 與下溫控單元106是彼此熱絕緣，其中熱絕緣的效果可藉由調變間隙108的尺寸及/或填充間隙108的材質等因子達成。間隙108可以真空、氣體或絕緣固體填充。氣體可包括空氣等。絕緣固體可任意配置在上溫控單元102、中間溫控單元104與下溫控單元106之間相互面對的表面上，材質可包括低熱傳導性的例如電木、塑膠、鐵氟龍(teflon)、聚氨酯(polyurethane)、或其他合適的材料，例如應用於印刷電路板的材料等。
於一實施例中，上溫控單元102、中間溫控單元104與下溫控單元106是設計成具有能夠容納反應容器110例如試管等的凹槽112。凹槽112可具有任意的形狀。凹槽112可具有任何高寬比，例如小於或等於10。凹槽112可設計成橫向剖面具有與反應容器110相似的形狀與尺寸，以使上溫控單元102、中間溫控單元104與下溫控單元106能夠貼近反應容器110，而能與反應容器110之間有效率地傳遞熱能，減少能量損耗。反應容器110的材質可包括塑膠、石英玻璃、陶瓷與金屬等。
於實施例中，上溫控單元102、中間溫控單元104與下溫控單元106對凹槽112的溫控面積比例是適當地設計，以便對在反應容器110中的反應混合物114有效率地執行聚合酶連鎖反應。舉例來說，上溫控單元102對凹槽112下部分的溫控面積A1：中間溫控單元104對凹槽112中間部分的溫控面積A2：下溫控單元106對凹槽112下部分的溫控面積A3為3~5：10~13：3~5。當凹槽112具有固定不變的橫剖面面積時，溫控 面積A1、A2、A3的比例亦等同於高度的比例。容置在反應容器110中的反應混合物114的體積可為5μl~150μl，例如75μl。本創作並不限於上述尺寸，而可視實際情況設計成其他合適的尺寸。反應混合物114含有進行逆轉錄反應與熱對流聚合酶連鎖反應所需的一般試劑、化合物等。
請參照第1圖，在欲進行逆轉錄反應時，中間溫控單元104可移動至貼近反應容器110及凹槽112，以對容置在反應容器110中的反應混合物114進行溫控，使反應容器110中的反應混合物114能具有逆轉錄反應所需的一溫度，且該溫度可以達到均一(isothermal)，而得以進行逆轉錄反應。於一實施例中，逆轉錄反應可僅藉由設定中間溫控單元104達成，因此中間溫控單元104是視為逆轉錄反應單元，而上溫控單元102與下溫控單元106是停止運作，換句話說，上溫控單元102及下溫控單元106不會執行加熱及散熱功能。舉例來說，用作發熱源的中間溫控單元104其溫度是固定設定在逆轉錄反應所需的40℃~60℃其中之一，例如45℃。
請參照第1圖，中間溫控單元104在逆轉錄反應完畢之後，開始執行熱對流聚合酶連鎖反應之際或之前，可以用作調控散熱(或致冷)單元，也可以移動遠離自反應容器110/凹槽112。
請參照第1圖，於一實施例中，上溫控單元102與下溫控單元106是用以同時對容置在反應容器110中的反應混合 物114進行溫控，以使反應混合物114具有進行熱對流聚合酶連鎖反應所需的一溫度梯度與對流情況。於一實施例中，下溫控單元106是設定在高溫(例如95℃~98℃，例如95℃)且用作發熱源單元，上溫控單元102是設定在相對於下溫控單元106的低溫(例如45℃至75℃，例如60℃、65℃)且用作散熱(或致冷)單元，使得反應混合物114能具有由下至上升高的溫度梯度，而得以進行熱對流聚合酶連鎖反應。舉例來說，當上溫控單元102與下溫控單元106是分別設定在固定的溫度值時，反應混合物114能得到恆定的溫度梯度與對流情況。於一實施例中，上溫控單元102是用以監控對應於上溫控單元102的反應混合物114的上表面116的溫度，因此可視為介面溫度控制單元。
於另一實施例中，舉例來說，上溫控單元102、下溫控單元106與中間溫控單元104是亦可同時設定在逆轉錄反應所需的溫度，以執行逆轉錄反應；在逆轉錄反應進行完畢後，上溫控單元102與下溫控單元106是直接(亦即沒有進行降溫)從逆轉錄反應的溫度改變設定成熱對流聚合酶連鎖反應的溫度，以進行熱對流聚合酶連鎖反應，因此整體反應的時間短、效率高。
本創作PCR裝置100實現在單一個裝置設備中進行逆轉錄反應與熱對流聚合酶連鎖反應兩者。操作方式簡單。此外，能夠避免在不同裝置間移動反應混合物114可能發生的汙染問題、或試劑破壞的問題，提高檢測的準確性。逆轉錄反應與熱對流聚合酶連鎖反應可以非常短的間隔時間接續反應，因此可以 縮減整個反應的總花費時間，提升檢測速率。聚合酶連鎖反應裝置100設計簡單，可設計成具有小的體積，甚至是可攜帶式的定點照護(point-of-care)裝置，並且成本低。
請參照第2圖，其繪示根據一實施例之PCR裝置100。其中是旋轉支撐板118的側壁120側的螺母122，來改變螺旋桿124在支撐板118的側壁126側的長度，藉此控制固定在螺旋桿124一端上的上溫控單元102、中間溫控單元104的位置。於此實施例中，即可透過此機構設計來使中間溫控單元進行移動。
本案之PCR裝置100亦可以進一步整合real-time PCR所用的即時偵測單元及元件，以使本PCR裝置100具有RT-PCR、cPCR、real-time PCR三合一之設計。
請參照第2圖，以舉例說明本案之PCR裝置100亦可以進一步整合real-time PCR所用的即時偵測單元及元件之一作法，但整合方式不作此例限制。下溫控單元106可設計成具有透明的光學視窗128，例如穿孔或透鏡等，來達成即時偵測(real-time monitoring)。舉例來說，光學視窗128使得下方的發光源130例如發光二極體所射出的光線，能穿過反應容器110中含有螢光染劑(例如Sybr Green)的反應混合物114，並射入光學感測器132包括例如CCD、CMOS相機/影像感測器，藉由偵測到的光強度等訊號來即時判斷聚合酶連鎖反應的程度。可以採用移動方式，依序擷取影像；亦可採用固定方式，定點擷取影像。發光 源130與下溫控單元106之間可設置一濾光片。光學感測器132與上溫控單元102之間可設置一濾光片。
於其他實施例中，偵測裝置可依其他適當方式設計。舉例來說，發光源(未顯示)是設置在上溫控單元102的上方側，光學感測器(未顯示)是設置在下溫控單元106的下方側。在其他設計中，上溫控單元102與中間溫控單元104亦可設計成具有透明的光學視窗(未顯示)。
聚合酶連鎖反應裝置100可根據實際需求(例如執行其他模式的反應)，適當地調變操作方法與設計。舉例來說，可設計成多反應容器110例如多試管的陣列式架構，以提高檢測的整體速率。上溫控單元102、中間溫控單元104與下溫控單元106可分別獨立地設計成可移動式的溫控單元。可利用滑塊、電磁鐵、及/或其他合適的機械設計例如彈簧來移動上溫控單元102、中間溫控單元104與下溫控單元106。聚合酶連鎖反應裝置100並不限於應用至對流式聚合酶連鎖反應，也可應用於恆溫環型擴增(isothermal amplification)反應，或其他形態的反應。
以本案PCR裝置，對人類β-actin mRNA進行逆轉錄反應(RT)與熱對流聚合酶連鎖反應(cPCR)，其所得之膠體電泳圖，可驗證本裝置訴求(可於單一系統/裝置執行RT及cPCR反應)。
於一實施例中，其中PCR裝置100包含一上溫控單元102、一中間溫控單元104與一下溫控單元106，可以實施成 多管(例如陣列式)的架構。
綜上所述，雖然本創作已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本新型。本新型所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本新型之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧聚合酶連鎖反應裝置
102‧‧‧上溫控單元
104‧‧‧中間溫控單元
106‧‧‧下溫控單元
108‧‧‧間隙
110‧‧‧反應容器
112‧‧‧凹槽
114‧‧‧反應混合物
116‧‧‧上表面
A1、A2、A3‧‧‧面積

Claims (11)

  1. 一種聚合酶連鎖反應(PCR)裝置，用以執行逆轉錄反應(RT)與熱對流聚合酶連鎖反應(cPCR)，包括：一中間溫控單元，用以對容置在一反應容器中的一反應混合物進行溫控，使得該反應混合物具有進行一逆轉錄反應所需的一溫度；一上溫控單元；以及一下溫控單元，其中該中間溫控單元配置在該上溫控單元與該下溫控單元之間，該上溫控單元與該下溫控單元是用以同時對容置在該反應容器中的該反應混合物進行溫控，以使該反應混合物具有進行一熱對流聚合酶連鎖反應所需的一溫度梯度與對流情況。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之PCR裝置，其中該上溫控單元、該中間溫控單元與該下溫控單元是以一間隙彼此隔開。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之PCR裝置，其中該間隙是以一材質填充。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之PCR裝置，其中填充該間隙的該材質包括真空、氣體、電木、塑膠、鐵氟龍(teflon)或聚氨酯(polyurethane)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之PCR裝置，其中該上溫控單元、該中間溫控單元與該下溫控單元是配置在單一個腔室中。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之PCR裝置，更包括一凹槽， 用以容置在該反應容器，其中該上溫控單元對該凹槽的溫控面積：該中間溫控單元對該凹槽的溫控面積：該下溫控單元對該凹槽的溫控面積為3~5：10~13：3~5。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之PCR裝置，其中該中間溫控單元是可移動式的溫控單元。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之PCR裝置，其中該下溫控單元為發熱源單元，而該上溫控單元為散熱單元，以使在進行該熱對流聚合酶連鎖反應時，該反應混合物是具有由下至上升高的該溫度梯度。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之PCR裝置，其中當中間溫控單元作用時，其該上溫控單元與該下溫控單元是停止運作或是與該中間溫控單元設定為相同溫度。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之PCR裝置，其中該中間溫控單元停止逆轉錄作用後，該下溫控單元接續進行加熱升溫作用，而上溫控單元亦啟動散熱作用，以維持一定溫度梯度而穩定其熱對流以進行該熱對流聚合酶連鎖反應。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之PCR裝置，進一步包含一即時偵測單元，該即時偵測單元至少包括一發光源與一光學感測器，其中該發光源與該光學感測器的配置是依據該發光源所射出的光線能在穿過反應容器中的反應混合物之後射入該光學感測器。
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