稳定热对流聚合酶连锁反应流场的方法及其热对流聚合酶连锁反应装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种稳定热对流聚合酶连锁反应流场的方法，至少包含下述步骤：提供一试管，填充聚合酶连锁反应溶液于试管中，加热试管的底部，使聚合酶连锁反应溶液底部至顶部呈渐减的温度梯度以诱发热对流的形成，以及倾斜试管使其具有一相对于铅垂线的倾斜角度，因此提高聚合酶连锁反应溶液的热对流流场呈稳定单一回圈流动的机率，借此提升热对流聚合酶连锁反应效果的一致性。本发明另提供一种利用上述稳定热对流聚合酶连锁反应流场的方法的热对流聚合酶连锁反应装置。
【专利说明】
稳定热对流聚合酶连锁反应流场的方法及其热对流聚合酶 连锁反应装置
技术领域
[0001] 本发明是有关一种热对流聚合酶连锁反应的方法及其装置，特别是有关一种稳定 热对流聚合酶连锁反应流场的方法及其装置。
【背景技术】
[0002] 聚合酶连锁反应为一种用于扩增特定的DNA片段的分子生物学技术，目前已被 广泛地运用在医学和生物学研究及临床检测。聚合酶连锁反应过程需要三个主要且循 环的步骤：变性反应（denaturation)、引子黏合反应（annealing reaction)和延长反应 (extension reaction),其分别需要不同的温度。在典型的聚合酶连锁反应，变性反应因需 将双股螺旋DNA解离成单股DNA，温度介于90°C至98°C之间。引子黏合反应温度根据所用 引子的Tm值（melting temperature)适当调整，通常介于35°C至65°C之间。而若聚合酶 连锁反应使用最常用的热稳定DNA聚合酶，延长反应温度则介于70°C至75°C之间。
[0003] 传统市售的聚合酶连锁反应装置多为利用热传导方式控制聚合酶连锁反应样本 温度的热循环聚合酶连锁反应装置。将含有聚合酶连锁反应样本的反应容器利用珀耳帖 (Peltier)加热与冷却方法，以达成温度改变。然而，热循环聚合酶连锁反应因需花费额外 的时间及能源去加热及冷却聚合酶连锁反应样本以外的物质，并非有效率的程序。且由于 装置本身精密的特性，因此热循环聚合酶连锁反应装置通常十分昂贵。
[0004] 热对流聚合酶连锁反应方法是将装有聚合酶连锁反应溶液的容器底部加热，利用 热对流完成带聚合酶连锁反应样品经过不同温度区域，完成聚合酶连锁反应。当针对装有 聚合酶连锁反应溶液的试管底部加热时，由于上方表面较冷的液体比重较高会因重力向下 移动；下方受热的液体则因比重较低会向上移动，自然形成液体的循环。当较热的液体流动 至表面时，又会因环境的散热而变冷，较冷的液体流动至底部时会因受热而变热，所以此一 循环可以一直持续下去，进而形成温度梯度，使变性反应、引子黏合反应和延长反应在聚合 酶连锁反应溶液的不同区域可依序且重复地发生。
[0005] 于热对流聚合酶连锁反应中，理想的热对流流场为从聚合酶连锁反应溶液底部至 聚合酶连锁反应溶液顶部呈单一回圈流动。然而试管垂直于地面的放置方式，由于上下端 温度梯度与所产生的对应驱动力不同，导致上下端流速不同，因此除能以单一回圈流动外， 容易产生两回圈流动或多回圈流动，此时试管内聚合酶连锁反应溶液只能在某一温度区间 的回圈流动，无法经过完整的温度区间，因而造成相同聚合酶连锁反应成分在不同试管中 进行的热对流聚合酶连锁反应效果并不一致。
【发明内容】
[0006] 因此，本发明的目的在于提供一种稳定热对流聚合酶连锁反应流场的方法及其热 对流聚合酶连锁反应装置，可以提高热对流聚合酶连锁反应流场呈单一回圈循环的机率， 以提升相同聚合酶连锁反应成分在不同试管中进行的热对流聚合酶连锁反应效果的一致 性。
[0007] 本发明的一形态的一实施方式是在提供一种稳定热对流聚合酶连锁反应流场的 方法，包含下列步骤：提供一试管。将聚合酶连锁反应溶液填充于试管中。加热试管的 底部，使聚合酶连锁反应溶液的底部至顶部呈渐减的温度梯度以诱发热对流的形成。倾 斜试管使试管具有一相对于铅垂线的倾斜角度，因此造成聚合酶连锁反应溶液的热对流 流场为单一回圈流动循环，借此使聚合酶连锁反应溶液的不同区域依序并重复地发生变 性反应（denaturation)、弓丨子黏合反应（annealing reaction)和延长反应（extension reaction),其中倾斜角度介于Γ至89°之间。
[0008] 本发明的另一形态的一实施方式是在提供一种热对流聚合酶连锁反应装置，用以 稳定热对流流场，热对流聚合酶连锁反应装置包含试管、支持架、热源以及角度调整装置。 其中试管用以盛装聚合酶连锁反应溶液。支持架用以定位试管。热源设置于支持架的下方， 热源以供对聚合酶连锁反应溶液进行加热。角度调整装置连接于支持架，角度调整装置以 控制试管具有相对于铅垂线的倾斜角度，使聚合酶连锁反应溶液的热对流流场单一回圈流 动循环。
[0009] 根据本发明的另一形态的一实施方式的第一实施例，试管的平均内半径为0. 3_ 至5mm，试管的平均长度为5mm至45mm。
[0010] 根据本发明的另一形态的一实施方式的第二实施例，试管的平均内半径为0. 5mm 至3mm，试管的平均长度为25mm至45mm。
[0011] 根据本发明的另一形态的一实施方式的第三实施例，试管的材料具有生物可相容 性且试管的材料具有至少120°C的抗热性，试管的材料可为聚丙烯（PP)、聚碳酸酯（PC)、聚 乙烯（PE)、聚砜（PSF)、聚醚砜（PES)或玻璃。
[0012] 根据本发明的另一形态的一实施方式的第四实施例，热源可为水浴加热器、干浴 加热器或油浴加热器。
[0013] 根据本发明的另一形态的一实施方式的第五实施例，角度调整装置可为步进电 机、齿轮电机或设置于支持架上的斜面以供试管倾斜放置。
[0014] 根据本发明的另一形态的一实施方式的又第六实施例，角度调整装置包含基座、 枢转件和抵件。基座供支持架放置并于基座的预定位置形成一穿孔，枢转件枢设于穿孔，并 以枢转件将抵件固定于基座并维持基座转动后的角度。
[0015] 本发明的另一形态的另一实施方式是在提供一种热对流聚合酶连锁反应装置，用 以稳定热对流流场，热对流聚合酶连锁反应装置。热对流聚合酶连锁反应装置包含试管、试 管架及热源。其中试管用以盛装一聚合酶连锁反应溶液。支持架用以定位试管，并使试管具 有相对于铅垂线的一倾斜角度，使聚合酶连锁反应溶液的热对流流场呈单一回圈流动。热 源设置于支持架下方，热源以供对聚合酶连锁反应溶液进行加热。
[0016] 根据本发明的另一形态的另一实施方式的第一实施例，试管的平均内半径为 0. 3mm至5mm,试管的平均长度为5mm至45_。
[0017] 根据本发明的另一形态的另一实施方式的第二实施例，试管的平均内半径为 0. 5mm至3mm,试管的平均长度为25mm至45_。
[0018] 根据本发明的另一形态的另一实施方式的第三实施例，试管的材料具有生物可相 容性且试管的材料具有至少120°C抗热性，试管的材料可为聚丙烯（PP)、聚碳酸酯（PC)、聚 乙烯（PE)、聚砜（PSF)、聚醚砜（PES)或玻璃。
[0019] 根据本发明的另一形态的另一实施方式的第四实施例，支持架相对于铅垂线的一 倾斜角度介于1°至89°之间。
[0020] 根据本发明的另一形态的另一实施方式的第五实施例，热源可为水浴加热器、干 浴加热器或油浴加热器。
[0021] 借此，本发明的稳定热对流聚合酶连锁反应流场的方法及其热对流聚合酶连锁反 应装置，因试管与铅垂线具有倾斜角度，使倾向于留在上方的较热液体向上流动，倾向于留 在下方的较冷液体向下流动，因而试管中聚合酶连锁反应溶液的流场是一致的，提高热对 流聚合酶连锁反应流场为单一回圈循环的机率，使热对流循环稳定，可以依序且重复地于 聚合酶连锁反应溶液的不同区域发生变性反应、引子黏合反应和延长反应，使聚合酶连锁 反应完全，以提升相同聚合酶连锁反应成分在不同试管中进行的热对流聚合酶连锁反应效 果的一致性。以改善当试管呈垂直状态时，因聚合酶连锁反应溶液底部和聚合酶连锁反应 溶液顶部的温度梯度不同造成的流速不同，除了单一回圈流动外，还可能产生两回圈流动 或多回圈流动，因而造成相同聚合酶连锁反应溶液在不同试管中进行的热对流聚合酶连锁 反应效果不一致的状况。
【附图说明】
[0022] 以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其 中：
[0023] 图1为依照本发明一实施方式的稳定热对流聚合酶连锁反应流场的方法的步骤 流程图；
[0024] 图2A为依照本发明一实施方式的一实施例的试管呈垂直状态的理想热对流流场 不意图；
[0025] 图2B为依照本发明一实施方式的一实施例的试管呈垂直状态的实际热对流流场 不意图；
[0026] 图2C为依照本发明一实施方式的另一实施例的试管呈倾斜状态的热对流流场示 意图；
[0027] 图3A为依照本发明一实施方式的试管于倾斜角度0°的热对流流场计算机模拟 图；
[0028] 图3B为依照本发明一实施方式的试管于倾斜角度2°的热对流流场计算机模拟 图；
[0029] 图3C为依照本发明一实施方式的试管于倾斜角度4°的热对流流场计算机模拟 图；
[0030] 图3D为依照本发明一实施方式的试管于倾斜角度8°的热对流流场计算机模拟 图；
[0031] 图3E为依照本发明一实施方式的试管于倾斜角度10°的热对流流场计算机模拟 图；
[0032] 图3F为依照本发明一实施方式的试管于倾斜角度12°的热对流流场计算机模拟 图；
[0033] 图3G为依照本发明一实施方式的试管于倾斜角度14°的热对流流场计算机模拟 图；
[0034] 图3H为依照本发明一实施方式的试管于倾斜角度16°的热对流流场计算机模拟 图；
[0035] 图31为依照本发明一实施方式的试管于倾斜角度18°的热对流流场计算机模拟 图；
[0036] 图3J为依照本发明一实施方式的试管于倾斜角度20°的热对流流场计算机模拟 图；
[0037] 图3K为依照本发明一实施方式的试管于倾斜角度30°的热对流流场计算机模拟 图；
[0038] 图3L为依照本发明一实施方式的试管于倾斜角度38°的热对流流场计算机模拟 图；
[0039] 图3M为依照本发明一实施方式的试管于倾斜角度50°的热对流流场计算机模拟 图；
[0040] 图3N为依照本发明一实施方式的试管于倾斜角度58°的热对流流场计算机模拟 图；
[0041] 图30为依照本发明一实施方式的试管于倾斜角度70°的热对流流场计算机模拟 图；
[0042] 图3P为依照本发明一实施方式的试管于倾斜角度78°的热对流流场计算机模拟 图；
[0043] 图3Q为依照本发明一实施方式的试管于倾斜角度90°的热对流流场计算机模拟 图；
[0044] 图4A为依照本发明一实施方式的一实施例的试管呈垂直状态进行热对流聚合酶 连锁反应的荧光信号图；
[0045] 图4B为依照本发明另一实施例的试管呈垂直状态进行热对流聚合酶连锁反应的 荧光信号图；
[0046] 图5A为依照本发明一实施例的试管倾斜20°进行热对流聚合酶连锁反应的荧光 信号图；
[0047] 图5B为依照本发明另一实施例的试管倾斜20°进行热对流聚合酶连锁反应的荧 光信号图；
[0048] 图6为依照本发明另一实施方式的一实施例的热对流聚合酶连锁反应装置的立 体图；
[0049] 图7为图6中热对流聚合酶连锁反应装置沿A-A剖线的剖视图；
[0050] 图8为图6中热对流聚合酶连锁反应装置的调整试管倾斜角度的动作示意图；
[0051] 图9为依照本发明另一实施方式的另一实施例的热对流聚合酶连锁反应装置的 剖视图；以及
[0052] 图10为依照本发明再一实施方式的热对流聚合酶连锁反应装置的剖视图。
[0053] 附图标号说明：
[0054] 100 :稳定热对流聚合酶连锁反应流场的方法
[0055] 110、120、130、140 :步骤
[0056] 200 :热对流聚合酶连锁反应装置
[0057] 300 :试管
[0058] 310 :聚合酶连锁反应溶液
[0059] 400 :支持架
[0060] 500 :角度调整装置
[0061] 600 :加热座
[0062] 610 :热源
[0063] 700 :导热座
[0064] 710 :绝热座
[0065] 800 :动力装置
[0066] 900 :光感测装置
[0067] 910 :发光模组
[0068] 920 :光纤
【具体实施方式】
[0069] 为令本发明的技术手段及其所能达成的效果，能够有更完整且清楚的揭露，现详 细说明如下，请一并参阅揭露的图式及图号：
[0070] 本发明提供了一种稳定热对流聚合酶连锁反应流场的方法：
[0071] 请参照图1，图1是依照本发明一实施方式的稳定热对流聚合酶连锁反应流场的 方法100的步骤流程图。图1中，稳定热对流聚合酶连锁反应流场的方法100包含步骤110、 步骤120、步骤130与步骤140。
[0072] 步骤110是提供一试管300,用以盛装聚合酶连锁反应溶液310,其中试管300的 平均内半径为〇· 3mm至5mm，平均长度为5mm至45mm ;试管300的平均内半径和长度更佳为 平均内半径为0· 5mm至3mm,平均长度为25mm至45mm。
[0073] 步骤120是将聚合酶连锁反应溶液310填充于试管300中，其中聚合酶连锁反应 溶液310包含欲扩增的标的核酸序列的模板DNA、去氧核醣核酸聚合酶（DNA polymerase)、 去氧腺苷三磷酸（dATP)、去氧胞苷三磷酸（dCTP)、去氧鸟苷三磷酸（dGTP)、去氧胸苷三磷 酸（dTTP)、至少1对扩增标的核酸序列的引子对及缓冲溶液。其中引子对为1个具有互补 标的核酸序列的5'端序列的正向引子和1个具有互补标的核酸序列的3'端序列的反向引 子。聚合酶连锁反应溶液310更包含荧光反应物质，荧光反应物质可为荧光染剂或荧光探 针。荧光染剂可为SYBR Green I或SYT0-9,其与DNA结合为非专一性侦测。荧光探针可为 TaqMan probe或Molecular Beacon,其具有互补标的核酸序列的一段序列，并在探针的5' 端标记上荧光基团，3'端标记上相应的淬灭基团，为目标专一性侦测。
[0074] 步骤130是加热试管300的底部，以热源610加热试管300的底部至聚合酶连锁反 应变性反应所需的温度，一般聚合酶连锁反应变性反应所需的温度介于90°C至98°C之间。 使聚合酶连锁反应溶液310的底部至顶部呈渐减的温度梯度，以诱发热对流的形成。其中 热源610为具有控温构件的简单加热装置，可为干浴加热器、水浴加热器或油浴加热器。
[0075] 步骤140是倾斜试管300使试管300具有一相对于铅垂线的倾斜角度，因此提高 聚合酶连锁反应溶液310的热对流流场呈单一回圈流动的机率，使聚合酶连锁反应溶液 310的底部、顶部、中段形成不同的温度区段，借此使聚合酶连锁反应溶液310的不同区域 依序地发生变性反应、引子黏合反应和延长反应，并通过热对流的循环而使变性反应、引子 黏合反应和延长反应可以重复地发生，使标的核酸序列扩增至所需的数量以完成聚合酶连 锁反应，且于相同的反应条件下，于不同试管300之间具有一致的热对流聚合酶连锁反应 效果。其中倾斜角度介于Γ至89°之间。
[0076] 请参照图2A至图2C，图2A为依照本发明一实施例的试管300呈垂直状态的理想 热对流流场示意图；图2B为依照本发明一实施例的试管300呈垂直状态的实际热对流流场 不意图；图2C为依照本发明一实施例的试管300呈倾斜状态的热对流流场7K意图。如图2A 所示，理想的热对流流场为热对流呈单一回圈流动，但当试管300呈垂直状态放置时，会因 试管300内的聚合酶连锁反应溶液310底部和聚合酶连锁反应溶液310顶部的温度梯度不 同造成的流速不同，除了单一回圈流动外，还有可能产生如图2B所示两回圈流动或多回圈 流动，造成试管300内聚合酶连锁反应溶液310未能达到原本设计的反应温度区段，而使聚 合酶连锁反应效率不佳。但如图2C所示，倾斜试管300后，使试管300内倾向于留在上方 的较热液体向上流动，倾向于留在下方的较冷液体向下流动，因而试管300中聚合酶连锁 反应溶液310的流场是一致的，热对流聚合酶连锁反应流场为单一回圈循环，故可稳定热 对流聚合酶连锁反应流场。
[0077] 请参照图3A至图3Q及下表一，图3A至图3Q为试管300于倾斜角度0°、2°、4°、 8。、10。、12。、14。、16。、18。、20。、30。、38。、50。、58。、70。、78。及 90。的热对流 流场计算机模拟图，所试验的试管300长度为35mm，试管300内半径为1. 65mm，试验的溶液 为水。下表一为试管300于不同倾斜角度时热对流的流场类型及最大流速。此外，为求第 图3A至图3Q的计算器模拟图清楚明白，可参阅附件1至附件6的彩色图，其中附件1为图 3A至图3D的彩色图，附件2为图3E至图3G的彩色图，附件3为图3H至第图3J的彩色图， 附件4为图3K至图3L的彩色图，附件5为图3M至图3N的彩色图，附件6为第图30至第 图3Q的彩色图。
[0078] 表一
[0079]
[0081] 结果显示，当试管300的长度为35mm、试管300的内半径为1. 65mm及试验的溶液 为水的试验条件下，当试管300呈垂直状态（倾斜角度为0° )时，热对流流场为试管300 的中段及顶部的两回圈流动，试管300的底部则呈现随机且混乱的自然对流。当试管300 的倾斜角度为2°时，热对流流场为试管300的底部、中段及顶部的三回圈循环流动。当试 管300的倾斜角度为4°及大于4°时，试管300的热对流流场为单一回圈流动，为自试管 300的底部至顶部的稳定循环，且当试管300的倾斜角度为8°至90°时，热对流流场为稳 定的单一回圈流动的循环，故可知当使试管300具有一相对于铅垂线的倾斜角度时，可将 会形成两回圈流动或多回圈流动的流场，于相同的试管300长度和试管300内半径及相同 液体的条件下，调整为稳定的单一回圈流动。在热对流最大流速方面，当试管300的倾斜角 度介于2°至18°之间，随着倾斜角度的增加，最大流速持续增加，但在20°时开始减少。
[0082] 然而上述的试验条件是为了凸显本发明的稳定热对流聚合酶连锁反应流场的方 法，可通过调整试管300相对于铅垂线的倾斜角度以稳定热对流聚合酶连锁反应流场为单 一回圈流动，故使用于倾斜角度小（0°至4° )时，流场会呈现两回圈流动或多回圈流动的 试验条件。在其它实施例中可通过调整试管300的长度、试管300的内半径或聚合酶连锁 反应溶液310的黏度，达到聚合酶连锁反应流场于倾斜角度小时也为单一回圈流动。其中 若欲增加聚合酶连锁反应溶液310的黏度，可于聚合酶连锁反应溶液310中添加非反应性 液态物质，适当的物质可为任何非反应的有机或无机物质，如甘油、NP-40、Tween 20、EDTA、 DMS0、甲酰胺、甜菜碱或明胶。
[0083] 为证实应用本发明的稳定热对流聚合酶连锁反应流场的方法可提升相同聚合酶 连锁反应溶液310在不同试管300中进行的热对流聚合酶连锁反应效果的一致性，本试验 以两台不同的热对流聚合酶连锁反应装置200(装置一和装置二）进行聚合酶连锁反应， 所试验的试管300长度为35mm，试管300内半径为1. 65mm，试验的聚合酶连锁反应溶液 310包含欲扩增的标的核酸序列的模板DNA、互补于标的核酸序列的5'端的正向引子、互补 于标的核酸序列的3'端的反向引子、荧光探针、去氧腺苷三磷酸（dATP)、去氧胞苷三磷酸 (dCTP)、去氧鸟苷三磷酸（dGTP)、去氧胸苷三磷酸（dTTP)、去氧核醣核酸聚合酶和缓冲液， 最后加入灭菌的二次去离子水，调整总体积为50 μ 1，反应条件为底部加热95°C 50分钟即 可得到反应结果，每台热对流聚合酶连锁反应装置200测试的试管300数目为8管。
[0084] 请参照图4A、图4B及下表二，图4A为装置一的试管300呈垂直状态进行热对流聚 合酶连锁反应的荧光信号图；图4B为装置二的试管300呈垂直状态进行热对流聚合酶连锁 反应的荧光信号图。下表二为装置一和装置二中8管试管300达到荧光信号阈值的平均时 间和标准差。
[0085] 表二
[0086]
[0087] 结果显示，当试管300呈垂直状态时，不论是装置一或装置二，皆出现8管试管300 达到荧光信号阈值的时间不同的状况，而计算装置一和装置二中8管试管300达到荧光信 号阈值的平均时间，标准差分别高达2. 5和2. 3,这样的结果显示此条件下相同聚合酶连锁 反应溶液310在不同试管300中进行的热对流聚合酶连锁反应效果不一致。
[0088] 请再参照图5A、图5B和下表三，图5A为装置一的试管倾斜20°进行热对流聚合 酶连锁反应的荧光信号图；图5B为装置二的试管倾斜20°进行热对流聚合酶连锁反应的 荧光信号图。表三为装置一和装置二中8管试管300达到荧光信号阈值的平均时间和标准 差。
[0089] 表三
[0090]
[0091]
[0092] 结果显示，不论是装置一或装置二，以相同的试验条件进行聚合酶连锁反应，将试 管300倾斜20°后，8管试管300达到突光信号阈值的时间由本来的差异大趋于变为差异 小，而在计算装置一和装置二中8管试管300信号达到荧光信号阈值的平均时间，标准差分 别降为〇. 8和1. 0,证实本发明的稳定热对流聚合酶连锁反应流场的方法可提升相同聚合 酶连锁反应溶液310于不同试管300中进行的热对流聚合酶连锁反应效果的一致性。
[0093] 本发明还提供了一种热对流聚合酶连锁反应装置：
[0094] 请参照图6至图8,为依照本发明另一实施方式的热对流聚合酶连锁反应装置200 的一实施例。图6为热对流聚合酶连锁反应装置200的立体图；图7为图6中热对流聚合 酶连锁反应装置200沿A-A剖线的剖视图；图8为图6中热对流聚合酶连锁反应装置200 的调整试管300倾斜角度的动作示意图。
[0095] 热对流聚合酶连锁反应装置200主要包含试管300、支持架400、热源610以及角 度调整装置500。试管300用以盛装一聚合酶连锁反应溶液310。试管300的材料具有生 物可相容性且具有至少120°C抗热性，其可为聚丙烯（PP)、聚碳酸酯（PC)、聚乙烯（PE)、聚 砜（PSF)、聚醚砜（PES)或玻璃。为使试管300稳固地定位，热对流聚合酶连锁反应装置200 具有支持架400,支持架400具有至少1个容置空间用以供试管300插置，容置空间的形状 与试管300的形状互补，使试管300放置于容置空间时，不会相对于支持架400移动。热源 610设置于支持架400下方，使试管300的底部埋置于热源610中，以供对聚合酶连锁反应 溶液310进行加热，并可通过不同介质将热源610的热能传递至试管300。热源610由高导 热性的金属所制成，例如铜或银，另热源610可为干浴加热器、水浴加热器或油浴加热器。 角度调整装置500连接于支持架400,角度调整装置500可为步进电机或齿轮电机，带动支 持架400调整角度，以控制试管300具有相对于铅垂线的倾斜角度，提高聚合酶连锁反应溶 液310的热对流流场呈单一回圈流动的循环的机率。
[0096] 热对流聚合酶连锁反应装置200更可包含加热座600、导热座700、绝热座710。绝 热座710中具有一容置空间，用以供试管300穿置。加热座600设置于支持架400下方，具 有一热源610,加热座600 -端穿设于绝热座710中，用以接触试管300的底部。绝热座710 由低导热性材质所制成，可为塑料或陶瓷，以避免热源610加热试管300时不必要的热能流 失。而为加强试管300的中段及顶部的散热，设置导热座700于绝热座710上方，导热座700 具有一容置空间，用以供试管300穿置，导热座700由易散热材质所制成，如铝合金或铜合 金等金属，使进行聚合酶连锁反应时，试管300的中段及顶部中聚合酶连锁反应溶液310的 热能透过周围空气传递至导热座700迅速散热，使聚合酶连锁反应溶液310在向上对流时 逐渐降低温度，于试管300的顶部时可降至适合引子黏合反应的温度，约介于35°C至65°C 之间。而向下对流时逐渐增加温度，于试管300的中段时可升至适合延长反应的温度，约介 于70°C至75°C之间。并通过稳定且反复循环对流，使聚合酶连锁反应不断进行。
[0097] 热对流聚合酶连锁反应装置200更可包含光感测装置900、发光模组910及光 纤920,使热对流聚合酶连锁反应装置200可适用于进行即时聚合酶连锁反应（real-time PCR)及不开盖侦测。发光模组910位于绝热座710下方，发光模组910可发出特定波长的 光照射试管300中的聚合酶连锁反应溶液310,并激发聚合酶连锁反应溶液310中聚合酶连 锁反应产物发出荧光信号，再由光纤920及光感测装置900侦测聚合酶连锁反应溶液310 中的荧光相对强度，即可追踪聚合酶连锁反应溶液310中的产物的相对量。
[0098] 热对流聚合酶连锁反应装置200更可包含动力装置800,动力装置800与加热座 600连接，可控制热源610的移动。当动力装置800移动热源610接触试管300底部时，热 源610加热试管300,当动力装置800移动热源610脱离试管300底部时，热源610停止加 热试管300。
[0099] 请参照图9,为本发明另一实施方式的热对流聚合酶连锁反应装置200的另一实 施例的剖视图。热对流聚合酶连锁反应装置200主要包含试管300、支持架400、热源610以 及角度调整装置500。试管300用以盛装一聚合酶连锁反应溶液310。为使试管300稳固 地定位，热对流聚合酶连锁反应装置200具有支持架400,支持架400具有至少1个容置空 间用以供试管300插置，容置空间的形状与试管300的形状互补，使试管300放置于容置空 间时，不会相对于支持架400移动。热源610设置于支持架400下方，使试管300的底部埋 置于热源610中，以供对聚合酶连锁反应溶液310进行加热，并可通过不同介质将热源610 的热能传递至试管300。为使试管300相对于铅垂线具有一倾斜角度，角度调整装置500为 一斜板，其设置于热对流聚合酶连锁反应装置200底部，以使热对流聚合酶连锁反应装置 200相对于铅垂线具有一倾斜角度，进而使试管300固定于一倾斜角度，以提高聚合酶连锁 反应溶液310的热对流流场呈单一回圈流动的循环的机率。
[0100] 本发明的另一实施方式的热对流聚合酶连锁反应装置200的其他实施例，为使试 管300固定于一倾斜角度，角度调整装置500包含基座（未图式）、枢转件（未图式）及抵 件（未图式）。基座供支持架400放置且于基座的预定位置形成一穿孔（未图式），抵件以 枢转件固定于基座并维持基座转动后的角度，而枢转件枢设于穿孔。角度调整装置500也 可为设置于支持架400上的一斜面（未图式），以供试管300倾斜放置。角度调整装置500 也可为一机械手臂（未图式），以控除试管300的倾斜角度。上述方式外，为使试管300倾 斜放置，也可利用手持供夹持试管300的试管夹（未图式），并以手动操作方式另试管300 产生倾斜，以达上述相同目的。
[0101] 请再参照图1〇,为依照本发明再一实施方式的热对流聚合酶连锁反应装置200的 一实施例的剖视图。
[0102] 热对流聚合酶连锁反应装置200包含试管300、支持架400及热源610。试管300 用以盛装聚合酶连锁反应溶液310。试管300的材料具有生物可相容性且具有至少120°C抗 热性，其可为聚丙烯（PP)、聚碳酸酯（PC)、聚乙烯（PE)、聚砜（PSF)、聚醚砜（PES)或玻璃。 为使试管300稳固地定位，热对流聚合酶连锁反应装置200具有支持架400,支持架400具 有至少1个容置空间用以供试管300插置，容置空间的形状与试管300的形状互补，使试管 300放置于容置空间时，不会相对于支持架400移动。热源610设置于支持架400下方，使 试管300的底部埋置于热源610中，以供对聚合酶连锁反应溶液310进行加热，并可通过不 同介质将热源610的热能传递至试管300。热源610由高导热性的金属所制成，例如铜或 银，另热源610可为干浴加热器、水浴加热器或油浴加热器。其中支持架400具有相对于铅 垂线的一倾斜角度，可使试管300放置于支持架400中时，具有相对于铅垂线的倾斜角度， 提高聚合酶连锁反应溶液310的热对流流场呈单一回圈流动的循环的机率。
[0103] 根据上述，本发明的稳定热对流聚合酶连锁反应流场的方法及其热对流聚合酶连 锁反应装置，可以通过试管与铅垂线具有倾斜角度，提高热对流聚合酶连锁反应流场呈一 单一回圈流动循环的机率，再通过利用试管最适管径与高度的设计，巧妙的控制对流的时 间与散热的速率，形成适合聚合酶连锁反应的环境，因热对流循环稳定，可以依序且重复地 于聚合酶连锁反应溶液的不同区域发生变性反应、引子黏合反应和延长反应，使聚合酶连 锁反应效率提高，使标的核酸序列扩增至所需的数量，提升相同聚合酶连锁反应成分在不 同试管中进行的热对流聚合酶连锁反应效果的一致性。以改善当试管呈垂直状态时，因聚 合酶连锁反应溶液底部和聚合酶连锁反应溶液顶部的温度梯度不同造成的流速不同，除了 单一回圈流动外，还可能产生两回圈流动或多回圈流动，因而造成相同聚合酶连锁反应溶 液在不同试管中进行的热对流聚合酶连锁反应效果不一致的状况。
[0104] 以上所述仅为本发明示意性的【具体实施方式】，并非用以限定本发明的范围。任何 本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修 改，均应属于本发明保护的范围。
【主权项】
1. 一种稳定热对流聚合酶连锁反应流场的方法，其特征在于，所述稳定热对流聚合酶 连锁反应流场的方法包含： 提供一试管； 填充一聚合酶连锁反应溶液于所述试管中； 加热所述试管的底部，使所述聚合酶连锁反应溶液的底部至顶部呈渐减的温度梯度以 诱发热对流的形成；以及 倾斜所述试管使所述试管具有一相对于铅垂线的倾斜角度，因此造成所述聚合酶连锁 反应溶液的热对流流场呈单一回圈流动，借此使所述聚合酶连锁反应溶液的不同区域依序 并重复地发生变性反应、引子黏合反应和延长反应，其中所述倾斜角度介于Γ至89°之 间。2. -种热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述热对流聚合酶连锁反应装置用 以稳定热对流流场，所述热对流聚合酶连锁反应装置包含： 一试管，所述试管用以盛装一聚合酶连锁反应溶液； 一支持架，所述支持架用以定位所述试管； 一热源，所述热源设置于所述支持架的下方，所述热源以供对所述聚合酶连锁反应溶 液进行加热；以及 一角度调整装置，所述角度调整装置连接于所述支持架，所述角度调整装置以控制所 述试管具有一相对于铅垂线的倾斜角度，使所述聚合酶连锁反应溶液的热对流流场呈单一 回圈流动。3. 根据权利要求2所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述试管的平均 内半径为〇· 3mm至5mm，所述试管的平均长度为5mm至45mm。4. 根据权利要求2所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述试管的平均 内半径为〇· 5mm至3mm，所述试管的平均长度为25mm至45mm。5. 根据权利要求2所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述试管的材料 具有生物可相容性且所述试管的材料具有至少120°C的抗热性。6. 根据权利要求5所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述试管的材料 为聚丙纟布、聚碳fe醋、聚乙纟布、聚讽、聚謎讽或玻璃。7. 根据权利要求2所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述热源为水浴 加热器。8. 根据权利要求2所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述热源为干浴 加热器。9. 根据权利要求2所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述热源为油浴 加热器。10. 根据权利要求2所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述角度调整装 置为一步进电机或一齿轮电机。11. 根据权利要求2所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述角度调整装 置包含： 一基座，所述基座供所述支持架放置且于所述基座的预定位置形成一穿孔； 一枢转件，所述枢转件枢设于所述穿孔；以及 一抵件，所述抵件以所述枢转件固定于所述基座并所述抵件维持所述基座转动后的角 度。12. 根据权利要求2所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述角度调整装 置为设置于所述支持架上的一斜面，所述斜面以供所述试管倾斜放置。13. 根据权利要求2所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述角度调整装 置为一斜板，所述斜板设置于所述热对流聚合酶连锁反应装置的底部。14. 一种热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述热对流聚合酶连锁反应装置用 以稳定热对流流场，所述热对流聚合酶连锁反应装置包含： 一试管，所述试管用以盛装一聚合酶连锁反应溶液； 一支持架，所述支持架用以定位所述试管，使所述试管具有相对于铅垂线的一倾斜角 度，使所述聚合酶连锁反应溶液的热对流流场呈单一回圈流动；以及 一热源，所述热源设置于所述支持架的下方，所述热源以供对所述聚合酶连锁反应溶 液进行加热。15. 根据权利要求14所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述试管的平 均内半径为〇· 3mm至5mm，所述试管的平均长度为5mm至45mm。16. 根据权利要求14所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述试管的平 均内半径为〇· 5mm至3mm，所述试管的平均长度为25mm至45mm。17. 根据权利要求14所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述试管的材 料具有生物可相容性且所述试管的材料具有至少120°C的抗热性。18. 根据权利要求17所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述试管的材 料为聚丙纟布、聚碳fe醋、聚乙纟布、聚讽、聚謎讽或玻璃。19. 根据权利要求14所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述倾斜角度 介于Γ至89°之间。20. 根据权利要求14所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述热源为水 浴加热器。21. 根据权利要求14所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述热源为干 浴加热器。22. 根据权利要求14所述的热对流聚合酶连锁反应装置，其特征在于，所述热源为油 浴加热器。
【文档编号】C12M1/00GK105985946SQ201510071812
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月11日
【发明人】苏城, 邓秉华, 郑建宗, 周品兴, 林清格, 张晓芬, 李佩瑜, 蔡汮龙
【申请人】瑞基海洋生物科技股份有限公司