TWM602562U - 適用於pcr裝置的光學模組以及含此光學模組的pcr裝置 - Google Patents

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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
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    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"

Abstract

本新型乃揭示一種適用於PCR裝置的光學模組，包括：一光學單元，包括：一光源元件；一光感元件；及一透鏡，該透鏡表面具有一光柵結構；以及；一承載樣品的載台，設置於該光學單元下方，且該透鏡是位在該載台與該光感元件之間；其中，該光源元件與該光感元件相對於該載台位在相同側或相反側。

Description

適用於PCR裝置的光學模組以及含此光學模組的PCR裝置
本新型是關於一種光學模組，且特別是關於一種適用於PCR裝置的光學模組、以及一種含此光學模組的PCR裝置。
聚合酶連鎖反應(Polymerase Chain Reaction：PCR)，是一項利用核酸雙鏈複製的原理，在生物體外放大特定核酸片段的核酸合成技術。透過這項技術，可在短時間內大量擴增目的基因。PCR是一種簡單、廉價和可靠的核酸片段放大方法，已被廣泛的應用於生命科學、醫療診斷、法醫學領域、食品安全與環境檢測等領域。
傳統的聚合酶連鎖反應由20到35個循環組成，每個循環包括以下3個步驟：1.變性：利用高溫(93-98℃)使雙鏈核酸分離。高溫將連接兩條核酸鏈的氫鍵打斷。在第一個循環之前，通常加熱長一些時間以確保模板和引子完全分離，僅以單鏈形式存在。該步驟時間1-2分鐘，接下來機器就控制溫度進入循環階段；2.退火或稱接合、復性：在核酸雙鏈分離後，降低溫度使得引子可以結合於單鏈核酸上。此階段的溫度通常低於引子熔點5℃。錯誤的退火溫度可能導致引子不與模板結合或者錯誤地結合。該步驟時間1-2分鐘。新技術的融合型核酸聚合酶在此階段的溫度會高於熔點3~5℃，僅需時間5~10秒；3.延伸：核酸聚合 酶由降溫時結合上的引子開始沿著核酸鏈合成互補鏈。此階段的溫度依賴於核酸聚合酶。該步驟時間依賴於聚合酶以及需要合成的核酸片段長度。
傳統的PCR無法針對核酸片段放大後的產物提供即時定量，而必須利用凝膠電泳才能進一步進行定量。有鑑於此，一種可針對核酸片段放大後的產物提供即時定量的Real-time PCR又稱Quantitative Real Time Polymerase Chain Reaction(簡稱RT-PCR或qPCR)乃因應而生。RT-PCR之原理主要是在利用PCR放大核酸片段過程中，加入特定可與雙股核酸結合的螢光劑，並以螢光劑偵測每次PCR循環後產物總量的方法，因此隨著PCR的循環次數愈多，合成的雙股核酸片段越多，偵測到的螢光強度就愈高，一面複製核酸，一面同時偵測螢光訊號之操作機轉，有效地縮短了核酸放大分析的時程，並提升了核酸放大定量的準確性。
惟，現有的RT-PCR裝置為了偵測每次PCR循環後產物所發出的螢光，其所採用的光源模組無論是穿透式光源模組或反射式光源模組均必須搭配具有弧度的透鏡，以強化每次PCR循環後產物被光源模組中的光源照射後所發出螢光強度，並以CCD感光元件偵測，此設計將會導致光源模組尺寸過大而使RT-PCR尺寸縮小化遭遇困難，無法使RT-PCR裝置可便利地被攜帶，對於醫療人員或公衛人員要前往較落後的疫區進行疫情調查有很大的阻礙。
此外，如上所述，PCR的每個循環主要包括高溫變性、降溫退火以及低溫延伸等3個步驟，且每個步驟均只有幾分鐘至幾秒中不等，傳統的PCR裝置中的熱循環模組主要以電阻式加熱器或者微波磁控管為主，惟電阻式加熱器的升、降溫速度太慢，耗時也耗電力，無法滿足可攜式mobile PCR的需求，而微波磁控管雖可快速升、降溫，惟其整體尺寸過大耗電力超大，此設計將會導致熱循環模組尺寸過大而使PCR尺寸縮小化遭遇困難，無法使PCR裝置可便利 地被攜帶，對於醫療人員或公衛人員要前往較落後的疫區進行疫情調查同樣有很大的阻礙。
有鑑於此，一種可滿足PCR尺寸縮小化需求的光源模組、一種可滿足PCR尺寸縮小化需求的熱循環模組、以及含此光源模組及/或含此熱循環模組的PCR裝置乃業界所迫切需要。
本新型之一目的乃揭示一種適用於PCR裝置的光學模組，包括：一光學單元，包括：一光源元件；一光感元件；及一透鏡，該透鏡表面具有一光柵結構；以及；一承載樣品的載台，設置於該光學單元下方，且該透鏡是位在該載台與該光感元件之間；其中，該光源元件與該光感元件相對於該載台位在相同側或相反側。
如上所述的適用於PCR裝置的光學模組，該光源元件可為一直下式光源元件或一側光式光源元件。
如上所述的適用於PCR裝置的光學模組，該光源元件為一直下式光源元件，且該直下式光源元件包括一直下式發光二極體，該直下式發光二極體所發出的入射光可直接朝向該載台照射。
如上所述的適用於PCR裝置的光學模組，該光源元件為一側光式光源元件，且該側光式光源元件包括一側光式發光二極體以及一導光裝置，該導光裝置可將該側光式發光二極體所發出的側向入射光導向為朝該載台照射。
如上所述的適用於PCR裝置的光學模組，該透鏡表面的該光柵結構的光柵間距尺寸為微米等級或次微米等級。
如上所述的適用於PCR裝置的光學模組，該光感元件為一光二極體IC。
如上所述的適用於PCR裝置的光學模組，該光二極體IC包括一光二極體陣列晶片以及一光感測元件，該光感測元件整合於該光二極體陣列晶片的表面，且該光二極體陣列晶片內包括一光電二極體，該光電二極體與該光感測元件電性連接。
本新型之另一目的是揭示一種PCR裝置，包括一如段落[0008]至[0014]中任一項所述的適用於PCR裝置的光學模組。
本新型之又一目的是揭示一種適用於PCR裝置的熱循環模組，其特徵在於該熱循環模組包括一可快速升、降溫的半導體加熱器
如上所述的適用於PCR裝置的熱循環模組，該可快速升、降溫的半導體加熱器是由橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)或III-V族半導體砷化鎵(GaAs)或氮化鎵(GaN)製備而得。
本新型之再一目的是揭示一種PCR裝置，包括一如段落[0016]或[0017]所述的適用於PCR裝置的熱循環模組。
本新型之更一目的是揭示一種PCR裝置，包括：一如段落[0008]至[0014]中任一項所述的適用於PCR裝置的光學模組；以及一如段落[0016]或[0017]所述的適用於PCR裝置的熱循環模組。
100:光學單元
110、110’:光源元件
111:直下式發光二極體
113:側光式發光二極體
115:導光裝置
120:透鏡
125:光柵結構
130:光感元件
132:光二極體陣列晶片
134:光感測元件
136:光電二極體
200:載台
250:可快速升、降溫的半導體加熱器
300:樣品
1000:光源模組
2000:熱循環模組
3000~5000:PCR裝置
圖1是根據本新型一實施例所繪示的一種適用於PCR裝置的光學模組1000。
圖1’是根據本新型另一實施例所繪示的一種適用於PCR裝置的光學模組1000’剖面示意圖。
圖2A是一種直下式光源元件110的剖面示意圖，可適用於如圖1所示適用於PCR裝置的光學模組1000或如圖1’所示適用於PCR裝置的光學模組1000’。
圖2B是一種側光式光源元件110’的剖面示意圖，可適用於如圖1所示適用於PCR裝置的光學模組1000或如圖1’所示適用於PCR裝置的光學模組1000’。
圖3是一種透鏡120的俯視圖，可適用於如圖1所示適用於PCR裝置的光學模組1000或如圖1’所示適用於PCR裝置的光學模組1000’。
圖4是一種光感元件130剖面示意圖，可適用於如圖1所示適用於PCR裝置的光學模組1000或如圖1’所示適用於PCR裝置的光學模組1000’。
圖5是根據本新型一實施例所繪示的一種熱循環模組2000的方塊示意圖。
圖6是根據本新型一實施例所繪示的一種含光源模組1000或1000’的PCR裝置3000的方塊示意圖。
圖7是根據本新型一實施例所繪示的一種含熱循環模組2000的PCR裝置4000的方塊示意圖。
圖8是根據本新型一實施例所繪示的一種含光源模組1000或1000’以及含熱循環模組2000的PCR裝置5000的方塊示意圖。
以下將詳細說明本新型各實施例。然應注意的是，本新型提供許多可供應用的新型概念，其可以多種特定型式實施。文中所舉例討論之特定實施例僅為例示，非用以限制本新型之範圍。
實施例
實施例一
首先，請參照圖1、圖2A~2B、圖3以及圖4。如圖1所示，此適用於PCR裝置的光學模組1000，包括：一光學單元100，包括：一光源元件110 or 110’；一光感元件130；及一透鏡120，該透鏡120表面具有一光柵結構125；以及一承載樣品300的載台200，設置於該光學單元100下方，且該透鏡120是位在該載台200與該光感元件130之間；其中，該光源元件110 or 110’與該光感元件130相對於該載台200位在相反側。
如圖2A所示，光源元件110為一直下式光源元件，且包括一直下式發光二極體111，該直下式發光二極體111所發出的入射光可直接朝向該載台200照射。如圖2B所示，光源元件110’為一側光式光源元件，且包括一側光式發光二極體113以及一導光裝置115，該導光裝置115可將該側光式發光二極體113所發出的側向入射光導向為朝該載台200照射。
如圖3所示，透鏡120表面具有一光柵結構125，且該光柵結構125的光柵間距尺寸為微米等級或次微米等級，用以強化每次PCR循環後產物被光源模組中的光源照射後所發出螢光強度。
如圖4所示，光感元件130為一光二極體IC，且該光二極體IC包括一光二極體陣列晶片132以及一光感測元件134。其中，該光感測元件134是整合於 該光二極體陣列晶片132的表面，且該光二極體陣列晶片132內包括一光電二極體136，該光電二極體136與該光感測元件134電性連接。
此適用於PCR裝置的光學模組1000，由於透鏡120不具有弧度，且搭配使用的光感元件130為一光二極體IC，且該光二極體IC包括一光二極體陣列晶片132以及一整合於該光二極體陣列晶片132的表面的光感測元件134，故可提供光學模組1000更小的聚光距離，以達到光學模組尺寸縮小化的目的。
實施例二
首先，請參照圖1’、圖2A~2B、圖3以及圖4。如圖1’所示，此適用於PCR裝置的光學模組1000’，包括：一光學單元100’，包括：一光源元件110 or 110’；一光感元件130；及一透鏡120，該透鏡120表面具有一光柵結構125；以及一承載樣品300的載台200，設置於該光學單元100下方，且該透鏡120是位在該載台200與該光感元件130之間；其中，該光源元件110 or 110’與該光感元件130相對於該載台200位在相同側。
如圖2A所示，光源元件110為一直下式光源元件，且包括一直下式發光二極體111，該直下式發光二極體111所發出的入射光可直接朝向該載台200照射。如圖2B所示，光源元件110’為一側光式光源元件，且包括一側光式發光二極體113以及一導光裝置115，該導光裝置115可將該側光式發光二極體113所發出的側向入射光導向為朝該載台200照射。
如圖3所示，透鏡120表面具有一光柵結構125，且該光柵結構125的光柵間距尺寸為微米等級或次微米等級，用以強化每次PCR循環後產物被光源模組中的光源照射後所發出螢光強度。
如圖4所示，光感元件130為一光二極體IC，且該光二極體IC包括一光二極體陣列晶片132以及一光感測元件134。其中，該光感測元件134是整合於 該光二極體陣列晶片132的表面，且該光二極體陣列晶片132內包括一光電二極體136，該光電二極體136與該光感測元件134電性連接。
此適用於PCR裝置的光學模組1000’，由於透鏡120不具有弧度，且搭配使用的光感元件130為一光二極體IC，且該光二極體IC包括一光二極體陣列晶片132以及一整合於該光二極體陣列晶片132的表面的光感測元件134，故可提供光學模組1000’更小的聚光距離，以達到光學模組尺寸縮小化的目的。
實施例三
如圖5所示，本實施例三乃揭示一種適用於PCR裝置的熱循環模組2000，其特徵在於該熱循環模組包括一可快速升、降溫的半導體加熱器250。該可快速升、降溫的半導體加熱器250例如但不限於是由橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)或III-V族半導體砷化鎵(GaAs)或氮化鎵(GaN)製備而得。
本實施例三所揭示適用於PCR裝置的熱循環模組2000，由於使用可快速升、降溫的半導體加熱器250，除可在PCR每一循環步驟中快速升、降溫外，由於其整體尺寸相較於傳統的微波磁控管加熱器縮小許多，故可達到熱循環模組尺寸縮小化的目的。
實施例四
如圖6所示，本實施例四乃揭示一種含如實施例一所示的光源模組1000或如實施例二所示的光源模組1000’的PCR裝置3000。本實施例四所揭示的PCR裝置3000，由於採用如實施例一或實施例二所示之尺寸縮小化的光源模組1000或1000’，故可使PCR裝置尺寸大幅縮小化，達到可被便利攜帶之目的，對於醫療人員或公衛人員要前往較落後的疫區進行疫情調查有很大的助益。
實施例五
如圖6所示，本實施例五乃揭示一種含如實施例三所示的熱循環模組2000的PCR裝置4000。本實施例五所揭示的PCR裝置4000，由於採用如實施例三所示之尺寸縮小化的熱循環模組2000，故可使PCR裝置尺寸大幅縮小化，達到可被便利攜帶之目的，對於醫療人員或公衛人員要前往較落後的疫區進行疫情調查有很大的助益。
實施例六
如圖6所示，本實施例六乃揭示一種含如實施例一所示的光源模組1000或如實施例二所示的光源模組1000’以及一種含如實施例三所示的熱循環模組2000的PCR裝置5000。本實施例六所揭示的PCR裝置3000，由於採用如實施例一或實施例二所示之尺寸縮小化的光源模組1000或1000’，以及如實施例三所示之尺寸縮小化的熱循環模組2000，故可使PCR裝置尺寸大幅縮小化，達到可被便利攜帶之目的，對於醫療人員或公衛人員要前往較落後的疫區進行疫情調查有很大的助益。
綜上所述，本新型雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本新型，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本新型之精神和範圍內，當可更動與組合上述各種實施例，將本新型應用於自行車、健身用的飛輪自行車、滑船機等運動或發電器材，以及各種車、船、飛機、工作機械等之原動力傳動機械裝置之中。
100:光學單元
110、110’:光源元件
120:透鏡
130:光感元件
200:載台
300:樣品
1000:光源模組

Claims (11)

  1. 一種適用於PCR裝置的光學模組，包括：一光學單元，包括：一光源元件；一光感元件；及一透鏡，該透鏡表面具有一光柵結構；以及一承載樣品的載台，設置於該光學單元下方，且該透鏡是位在該載台與該光感元件之間；其中，該光源元件與該光感元件相對於該載台位在相同側或相反側。
  2. 如請求項1所述的適用於PCR裝置的光學模組，該光源元件可為一直下式光源元件或一側光式光源元件。
  3. 如請求項2所述的適用於PCR裝置的光學模組，該光源元件為一直下式光源元件，且該直下式光源元件包括一直下式發光二極體，該直下式發光二極體所發出的入射光可直接朝向該載台照射。
  4. 如請求項2所述的適用於PCR裝置的光學模組，該光源元件為一側光式光源元件，且該側光式光源元件包括一側光式發光二極體以及一導光裝置，該導光裝置可將該側光式發光二極體所發出的側向入射光導向為朝該載台照射。
  5. 如請求項1所述的適用於PCR裝置的光學模組，該透鏡表面的該光柵結構的光柵間距尺寸為微米等級或次微米等級。
  6. 如請求項1所述的適用於PCR裝置的光學模組，該光感元件為一光二極體IC。
  7. 如請求項6所述的適用於PCR裝置的光學模組，該光二極體IC包括一光二極體陣列晶片以及一光感測元件，該光感測元件是整合於該光二極體陣列晶片的表面，且該光二極體陣列晶片內包括一光電二極體，該光電二極體與該光感測元件電性連接。
  8. 一種PCR裝置，包括一如請求項1至7中任一項所述的適用於PCR裝置的光學模組。
  9. 一種PCR裝置，包括：一如請求項1至7中任一項所述的適用於PCR裝置的光學模組；以及一適用於PCR裝置的熱循環模組。
  10. 如請求項9所述之PCR裝置，該適用於PCR裝置的熱循環模組，其特徵在於包括一可快速升、降溫的半導體加熱器。
  11. 如請求項10所述之PCR裝置，該可快速升、降溫的半導體加熱器是由橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)或III-V族半導體砷化鎵(GaAs)或氮化鎵(GaN)製備而得。
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