本发明涉及一种聚合酶链式反应的装置。更具体的，本发明涉及一种以试剂容器底部加热顶部散热的热对流，于试剂容器内建立自下而上的温度梯度，启动并进行聚合酶链式反应的装置。
背景技术：
聚合酶链式反应(polymerasechainreaction,以下简称pcr)为一种快速放大dna信号的技术，其原理及主要操作步骤为(a)变性(denature):利用高温(90～95℃)将双链dna解离成单链dna，再以单链dna作为复制的模板；(b)引子黏合(primerannealing):温度降低到适当温度时，引子会黏附到正确的目标基因位置；(c)引子延长(primerextension):反应温度修正到72℃，dna聚合酶将脱氧核糖核苷三磷酸(deoxy-ribonucleotidetriphosphate,以下简称dntps)逐次黏附于引子之后，合成另一条新dna片段。
通过变性-引子黏合-引子延长三个步骤不断重复进行核酸信号放大，每重复一次三个步骤的操作，目标基因的数目就可扩增一倍，若设定三个步骤操作共进行40次循环，目标基因的数量就可以放大近109倍，pcr可体外大量获得目标基因片段，因此作为目前临床诊断大量使用的分子诊断技术之一，可应用于包含遗传疾病诊断、病原菌诊断、肿瘤癌症的诊断预后评估、以及基础研究等项目。同理，由pcr技术衍生而来的反转录聚合酶链式反应，亦即rt-pcr也具有相类似的应用原理，因此同样作为目前被临床诊断大量运用的技术。
目前常被使用来进行pcr或rt-pcr反应装置多半以温控金属可加热及冷却的特性，用来进行反复升温降温的操作，以达到三个步骤的反应温度，通过加热塑料制成的试剂容器传递热量至试管内的试剂以及反应物(其内包含目标基因的片段)，来达成目标基因信号放大的效果。但此种利用温控金属反复升降温的机台一般而言体积较大，此是为求有效温控，整个温控系统必须具有较大的体积及热容比，且依照目前机台的设计，多数时间用于等待温控金属的升温或降温至反应温度，如以一般试验所需的循环次数约为30-35次左右，则利用传统机台所需反应时间约介于二至三个小时间，造成反应时间较难缩减，也因此无法应用于需要在极短时间得知结果的试验。
为了改良传统pcr机台的问题，研究人员开发将微流体芯片应用于pcr及rt-pcr的技术。微流体芯片的特点是将检测程序中所需利用的种种组件，如混合反应槽、加热反应槽、分离管道，与检测槽等，以特殊加工技术于玻璃、塑料、或是硅胶类材料上蚀刻出微米等级的反应管道及分析组件，再通过外加电压所产生的电渗流，或利用微型泵或离心力的方式，驱动待测物或指定试剂在各组件间相连的微管道中移动，以完成检测；若是试剂中有添加荧光物质或具有专一性的探针，亦可于芯片中加入检测荧光的机构以利进行目标基因定量，此种一体成型的多功能芯片，也称之为“实验室平台芯片”(lab-on-a-chip)。由于所有分析均在微米管道中进行，因此不仅只需极少量的试剂及反应物即可完成检验，也因系统热传导效率相较于传统机台高出许多，使得分析时间也可相对缩短。目前已开发的pcr或rt-pcr生物芯片包含了微温度传感器、微加热器及微控制器。由于传感器及加热器都整合在pcr或rt-pcr芯片的内部，芯片得以快速且准确执行温度的循环控制，其温度控制是三个温度，分别是变性(约90～95℃)、引子黏合(50～65℃)、以及引子延长(72℃)三个不同的温度区间，并视测试需求决定循环次数。此种微流体芯片的技术与传统pcr或rt-pcr技术相较，其优点在于因微流体芯片减少试剂或反应物的体积以及整体热容比，因此可减少反应时间以及试剂的消耗，但由于此技术仍需要反复在三个不同温度区间升降温，因此仍存在有升降温时间过长的问题。另一种已开发的微流体芯片则排除加热器反复升降温的设定，此系统是利用特殊设计的推动力对流道内的反应物及试剂加压，使反应物及试剂在特殊加工设计的流道中，反复流经三个不同的温度区间，而完成目标基因放大的效果。利用此种技术进行pcr或rt-pcr虽可以排除因升降温造成的时间耗费，但由于此种技术的系统需要包含复杂的加压系统及液体驱动系统，且液体驱动系统又与液体的体积极黏度息息相关，造成系统及仪器制作即调控上的困难，因此也间接地限制了此种技术的发展。
研究人员亦开发另一种利用热对流循环在不同位置达到不同温度藉此使内部试剂及反应物得以进行pcr或rt-pcr的技术来解决传统机台高电容比及高耗时的问题。此种技术是利用高温及低温的热源，对封闭式且内含试剂及反应物的试管上下端进行加热，通过上下端温差进驱动试管内的液体流经不同的温度区间以进行pcr反应。此种技术虽然克服了加热器因反复升降温而造成的时间耗损，亦不需要通过外部加压的方式来驱动试管内的液体流动循环，但此种双热源加热的技术为排除外界温度的干扰，两个热源需要有个别的温控系统(包含温度传感器)，亦需要处理器协调二者温度以利形成引子黏合所需的反应温度，因此在温度调节部分产生相当复杂的调控机制，兼以加热器多半为块状金属，因此机台的体积因无法降低热容比而无法缩小，且其复杂的温控机制及金属加热系统亦使制造费用居高不下。鉴于上述问题，本领域亟需开发一种可以解决上述问题的聚合酶链链式反应装置。
技术实现要素：
本发明主要目的在于提供一种热对流式聚合酶链式反应的装置以解决上述技术问题。
此装置是利用透明导电物质(transparentconductivematerial)涂布的玻璃，或称透明导电薄膜(transparentconductivethinfilm)作为加热装置，并于其上设有温度传感器用以检测加热装置的温度。装置启动后，将添加有反应物及试剂的试剂容器与加热装置接触，热源经由透明导电薄膜传导至试剂容器中，试剂容器内较靠近接触部位的液体首先开始加热，并通过液体对流方式逐渐将热量传递至较远离接触部位的液体，越远离接触部位的液体其温度会越低，通过不断的热对流循环，试剂容器内部液体将呈现连续性温度梯度分布的情形。当较靠近接触部位的反应物及试剂加热至95℃时，该部位的反应物及试剂即开始进行变性(denature)的步骤，通过试剂容器内部的热对流循环达到进行引子黏合(primerannealing)以及引子延长(primerextension)的温度，因此此二步骤亦随之循环进行，通过此装置即可达到pcr或rt-pcr的效果。
为了确保试剂容器内的温度循环可以顺利进行pcr或rt-pcr而不受外界气温的影响，本发明包含一个用于固定试剂容器的半封闭式容置空间，当试剂容器置入后，此容置空间即成为一个密闭空间，该段位于容置空间的试剂容器就不会暴露于空气中，当装置运作时，此段试剂容器的热循环就不会受到外界温度的变化而影响其内的温度。换句话说，为确保pcr或rt-pcr反应不受环境温度影响，且又有足够温差形成试剂容器内部热循环，此容置空间的设置可使得试剂容器顶端部分暴露于空气中并进行散热，试剂容器顶端的温度与加热器接触试剂容器部位的温度有温差存在，因此可在试剂容器内形成热对流循环，一旦试剂容器内部热循环的温度达到pcr或rt-pcr三个反应温度时，容置空间的存在可以确保试剂容器内的温度不受外界气温干扰，使反应得以顺利进行。
本发明可提供一种通过试剂容器以热对流进行聚合酶链式反应或反转录聚合酶链式反应的装置，所述试剂容器装载有反应物及试剂，所述装置包含有:
(1)第一架体，设于水平面，且具有第一穿孔；
(2)第二架体，设于所述第一架体的下方，大致与所述水平面平行，所述第二架体具有第二穿孔，所述第二架体具有上表面及下表面，且所述第二架体的下表面更包含夹持凹槽，所述夹持凹槽大约与所述水平面平行，且所述第二穿孔与所述夹持凹槽连接；
(3)温度感测装置，设于所述夹持凹槽内，所述温度感测装置包含有玻璃、温度传感器及接点，所述玻璃包含上平面及下平面，所述上平面或下平面具有透明导电薄膜，所述玻璃的大小约与所述夹持凹槽相同并以所述上平面或下平面固定于所述夹持凹槽，所述接点设于涂布有透明导电薄膜的同一侧，所述温度传感器可设于上平面或下平面，所述温度传感器用于测量所述透明导电薄膜的温度；
(4)电源供应装置，包含电源供应器及电源调控器，所述电源供应器提供电源至所述接点，使所述温度感测装置进行加热，所述电源调控器用于控制所输出的电流；
(5)处理器，用于处理及调控系统；以及
(6)容置空间，设于所述第一架体及所述第二架体间，用于容置所述试剂容器，所述试剂容器穿过所述第一穿孔置入该容置空间，再穿越所述第二穿孔及所述夹持凹槽并与所述玻璃上平面接触；其中
所述电源供应器供应电流至所述接点，使所述玻璃开始升温，所述温度传感器将此状态回馈于所述处理器，所述处理器随即通知所述电源调控器不再供应电流，此时聚合酶链式反应开始进行。
较佳地，应用于聚合酶链式反应或反转录聚合酶链式反应。
较佳地，所述透明导电薄膜的材料为氧化锡、氧化铟、氧化锌、或氧化铟锡。
较佳地，所述试剂容器以大约垂直的角度穿过所述第一穿孔置入该容置空间，再穿越所述第二穿孔及所述夹持凹槽并与所述玻璃上平面接触。
较佳地，所述容置空间的数量与所述试剂容器数量相同，且任一所述容置空间的高度与所述试剂容器内装载的试剂高度约略相同，其中所述容置空间于试剂容器进行聚合酶链式反应或反转录聚合酶链式反应时，可隔绝外部温度的干扰。
本发明包含温度感测装置，其包含有透明导电薄膜、温度传感器及接点。透明导电薄膜不仅具有导电性，同时具有透光性，主要应用于平板显示器和建筑两大领域。透明导电薄膜主要可分为金属薄膜与金属氧化物薄膜，其中，金属氧化物薄膜导电性相当优良，一接上电源即可开始进行加热，并在极短时间内就可加温至默认温度，不但具有传统加热金属可快速加热的优点，且无传统加热金属体积过大的缺点；同时，透明导电薄膜亦具有高度透明性，因此应用层面广泛。一般而言，透明导电物质多为氧化锡、氧化铟、氧化锌、或氧化铟锡等物质，本发明亦采用前述几类物质用来涂布玻璃。
若是反应试剂中有加入荧光物质或专一性的探针，本发明亦可加入光源及搭配光信号接收器(lightreceiver)来检测产生的荧光，进而进行反应物的定性、半定量、或者定量。亦即，本发明可提供一种通过试剂容器以热对流进行定量聚合酶链式反应或反转录聚合酶链式反应的装置，所述试剂容器装载有反应物及试剂，且所述试剂包含荧光物质或探针，所述装置包含有:
(1)第一架体，设于水平面，且具有第一穿孔；
(2)第二架体，设于所述第一架体的下方，大致与所述水平面平行，所述第二架体具有第二穿孔，所述第二架体具有上表面及下表面，且所述第二架体的下表面更包含夹持凹槽，所述夹持凹槽大约与所述水平面平行，且所述第二穿孔与所述夹持凹槽连接；
(3)温度感测装置，设于所述夹持凹槽内，所述温度感测装置包含有玻璃、温度传感器及接点，所述玻璃包含上平面及下平面，所述上平面或下平面具有透明导电薄膜，所述玻璃的大小约与所述夹持凹槽相同并以所述上平面或下平面固定于所述夹持凹槽，所述接点设于涂布有透明导电薄膜的同一侧，所述温度传感器可设于上平面或下平面，所述温度传感器用于测量所述透明导电薄膜的温度；
(4)电源供应装置，包含电源供应器及电源调控器，所述电源供应器提供电源至所述接点，使所述温度感测装置进行加热，所述电源调控器用于控制所输出的电流；
(5)光源，用于激发所述荧光物质或探针；
(6)光信号接收器，用于检测及接收荧光信号；
(7)处理器，用于处理及调控系统；以及
(8)容置空间，设于所述第一架体及所述第二架体间，用于容置所述试剂容器，所述试剂容器穿过所述第一穿孔置入该容置空间，再穿越所述第二穿孔及所述夹持凹槽并与所述玻璃上平面接触；其中
所述电源供应器供应电流至所述接点，使所述玻璃开始升温，所述温度传感器将此状态回馈于所述处理器，所述处理器随即通知所述电源调控器不再供应电流，此时反应开始进行，经所述光源激发后，所述荧光物质或所述探针放出特定波长的荧光并被所述光信号接收器测得，并将结果回馈于所述处理器。
较佳地，前述装置可应用于实时定量聚合酶链式反应及实时定量反转录聚合酶链式反应。
与前述未加入荧光物质、专一性的探针、光源及光信号接收器的发明相同，本发明亦包含透明导电薄膜、温度传感器及接点的温度感测装置，且亦采用氧化锡、氧化铟、氧化锌、或氧化铟锡等物质几类物质用来涂布玻璃。
本发明可应用的光源包含有led灯、雷射灯、或其他光波长与荧光物质或专一性探针波长相符的光源等。可应用的光信号接收器则包含有光电二极管(photodiode)、光电倍增管(photomultiplier)、感光耦合组件(chargecoupledevice,ccd)与互补式金属氧化物半导体(complementarymetal-oxide-semiconductor,cmos)等。当pcr产物生成时，利用具有特定波长的光源激发荧光物质或专一性探针产生特定波长的荧光，并利用光信号接收器接产生的荧光信号，如此配置则可使本发明应用于定性、半定量、或者定量pcr产物的浓度。若反应试剂中包含两种以上的荧光物质或专一性探针，则可通过扩充光信号接收器及光源的数量，达到同时检测两种以上荧光信号的效果。在本发明中，若所述光源位于所述第二穿孔垂直下方时，所述光信号接收器位于所述容置空间并与所述光源约略垂直。若所述光源位于所述容置空间时，所述光信号接收器位于所述第二穿孔下方并与所述光源约略垂直。即光源与光信号接收器的相对位置并无固定，光源若由试剂容器侧边激发荧光物质或单一性探针，则光信号接收器可设置于试剂容器底部、顶部或其他可排除光源干扰的位置来接收产生的荧光信号；反之，光源若由试剂容器底部激发荧光物质或单一性探针，则光信号接收器可设置于试剂容器侧边、顶部或其他可排除光源干扰的位置来接收产生的荧光信号。在下述本发明的一较佳实施例中，所述光信号接收器与所述光源约略呈垂直角度。光源与光探测组件分别位于试剂容器底部以及试剂容器侧边，二者的相对位置为垂直或接近垂直的角度，此设置乃为避免光信号接收器所接收的信号并非试剂容器内产生的荧光，而是试剂容器反射光源的信号，进而影响检测准确性所致。
此外，若光源为远用多波长光源，如led，此时，亦可在涂布有透明导电物质的另一侧喷涂用来过滤非专一性光源的短波通滤光物质，即在涂布有透明导电物质(例如玻璃)的另一侧涂布短波通滤光物质，用以过滤非专一性的光源。其目的是将无法激发荧光物质或专一性探针的光源滤掉，仅容许可激发荧光物质或专一性探针的光源通过透明导电薄膜及试剂容器并激发其内的荧光物质或专一性探针，如此可以使光信号接收器所测得的光信号确实为pcr或rt-pcr产物的荧光信号。
较佳地，本发明所述试剂容器以大约垂直的角度穿过所述第一穿孔置入该容置空间，再穿越所述第二穿孔及所述夹持凹槽并与所述玻璃上平面接触。
较佳地，本发明所述容置空间的数量与所述试剂容器数量相同，且任一所述容置空间的高度与所述试剂容器内装载的试剂高度约略相同，其中所述容置空间于试剂容器进行聚合酶链式反应时，可隔绝外部温度的干扰。
在本发明中，当内含反应物及试剂的试剂容器与已加热的透明导电薄膜接触时，接触部位的液体随即开始升温，并通过热对流的方式在整支试剂容器内进行热循环，当透明导电薄膜的温度已达设定温度，则温度传感器将检测到此状况，并降低加热器的热源输出，使透明导电薄膜不会再继续升温而维持在适当的反应温度；反之，若透明导电薄膜的温度已经低于设定温度时，温度传感器将会提高加热器的热源输出，使透明导电薄膜升温至默认的温度以利pcr反应顺利进行。当试剂容器内的pcr开始产生产物，光源亦可穿透透明导电薄膜激发产物产生荧光并被光信号接收器检测。另外，接点则是应用于输送电源供应器传递的电流，且接点的位置与透明导电薄膜位于同一侧。
本发明揭露的装置利用透明导电薄膜而非传统加热器缩小整体装置的体积，又通过试剂容器内液体热对流的方式达到pcr反应温度而省去加热器反复升降温的过程而得以节省整体反应时间，并且可在短时间内达到目标基因定性及定量的效果。
附图说明
图1是本发明的装置外观图。
图2为包含本发明架体、穿孔及试剂容器相对位置的示意图。
图3为本发明的夹持空间侧剖面示意图。
图4为本装置中二种检测不同波长荧光的光电二极管示意图。
图5为本装置的剖面图。
图中标号具有如有意义：
1：装置；10：第一架体；101：第一穿孔；102：试管；20：第二架体；201：第二穿孔；202：夹持凹槽；30：容置空间；40：光电二极管；401：第一光电二极管；402：第二光电二极管；50：透明导电薄膜；501：上平面；502：下平面；60：接点；70：温度传感器；80：光源；90：光源调节器(光源调控器)；100：处理器；1010：第三架体；1020：电源供应器。
具体实施方式
为了达成前述目的，依据本发明提供二个较佳实施例如后。配合以下图详细说明本发明的较佳实施例的结构及效果。另外，本说明书中对于机构或其部位在其位置描述上冠以“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等，对应于使用者在操作本较佳实施例时的空间关系。
以下具体实施方式均以聚合酶链式反应作为举例，本领域技术人员亦可通过修改温度设定将本发明应用于反转录聚合酶链式反应中。
请参考图1，本发明较佳实施例的热对流式聚合酶链式反应装置1组装外观如图所示。请参考图2及图3，本发明较佳实施例装置1包含第一架体10、第二架体20、及容置空间30。第一架体10具有第一穿孔101可供装有试剂及反应物的试管102插入，第二架体20具有第二穿孔201以及夹持凹槽202，第二穿孔201可供前述试管102插入并将试管102固定于夹持凹槽202的上方，夹持凹槽202亦可用于容置透明导电薄膜50。容置空间30前后左右以板材隔间，上下则各有第一穿孔101及第二穿孔201两个开口，当试管102放置后，试管102的顶端部分暴露于空气中可进行散热，尾端则与透明导电薄膜50的上平面501接触而固定，则容置空间30即成为密闭空间，置于其内的该段试管102就不会暴露于空气中。
请参考图4，在此实施例中，光信号接收器为光电二极管40，本实施例包含两组光电二极管，分别为第一光电二极管401、第二光电二极管402分别可检测不同波长的荧光，两组光电二极管401、402分别位于试管102的侧边，并约略与试管102呈现垂直状态，此乃为确保接收到的光电信号并非试管102反射的信号。
请参考图5，本发明尚包含第三架体1010、电源供应器1020、光源80、光源调节器90、处理器100、以及由透明导电薄膜50、接点60、以及温度传感器70组成的温度感测装置。第三架体1010用于提供光源80、光源调节器90以及处理器100固定使用。光源80则用于提供激发荧光物质或专一性探针所需的光线，在本实施例中，利用led灯作为激发光源80，且光源80开关或强弱则受光源调节器90的调控。电源供应器1020与处理器100亦固定于第三架体1010上，处理器100用于接收光源调控器、温度传感器70的信号并加以调控，同时处理器100亦可接收两组光电二极管401、402测得的信号，并针对此信号进行分析，电源供应器1020则用于提供本装置1所需的电源。
在本实施例中，由透明导电薄膜50、接点60以及温度传感器70组成的温度感测装置用于提供试管102热能使试管102内部的反应物及试剂可以加热至适合的反应温度而进行pcr反应。透明导电薄膜50是利用氧化铟锡涂布于透明玻璃的下平面502，同时，为增进激发荧光物质或专一性探针的效能，透明玻璃上平面501涂布有短波通滤光物质用以过滤隔离光源80中非专一性的波长。此外，透明导电薄膜50的形状与体积约略等同于可容置透明导电薄膜50的夹持凹槽202。接点60与透明导电薄膜50则位于下平面502，用于接收来自电源供应器1020提供的电流，并利用电流进行加热；温度传感器70亦位于下平面502，用于测量透明导电薄膜50的温度，并将测得的数据回报给处理器100。
当装置1开始运作时，将装有试剂及反应物的试管102置入第一架体10的第一穿孔101中，并穿过第二架体20的第二穿孔201并固定，试管102内的液面高度约略与容置空间30等高，且此时容置空间30变成封闭空间，且试管102的尾端与位于夹持凹槽202内的透明导电薄膜50的上平面501接触。电源供应器1020通过接点60传递电流给透明导电薄膜50并开始加热，试管102底部因与透明导电薄膜50的上平面501接触，热量通过传导的方式使试管102底部的试剂及反应物也一起加热，加热一段时间后，试管102顶端的温度与透明导电薄膜50接触试管102部位的温度有温差存在，因此在试管102内形成热对流循环，此段试管102内部的热循环就不会受到外界温度的变异而影响其内的温度，试管102顶端未被容置空间30包覆的部分则暴露于空气中并进行散热，一旦试管102内部热循环的温度达到pcr三个反应温度时，反应随即开始进行。
反应开始进行时，位于第三架体1010上的光源调节器90随即打开光源80，光源80穿透透明导电薄膜50的下平面502，非特定带宽的光源80被上平面501的短波通滤光物质过过滤，只留下特定带宽光源80穿过短波通滤光物质并激发试管102内预先填装的二种不同专一性的探针，当荧光产生后，随即被第一光电二极管401及第二光电二极管402分别测得，检测到的信号随即被传送至处理器100进行数据分析。
反应进行中，若温度传感器70测得的温度已经高于预先设定的温度，此时温度传感器70会将此情形回报给处理器100，处理器100会通知电源供应器1020停止供电，使得透明导电薄膜50的温度不会再继续上升；反之，若温度传感器70测得的温度已经低于预先设定的温度，此时温度传感器70会将此情形回报给处理器100，处理器100会通知电源供应器1020开始供电，使得透明导电薄膜50的温度上升至预先设定的温度。当pcr反应结束后，处理器100会协调光源调节器90关闭光源80，亦会协调电源供应器1020停止供应电源至接点60，此时透明导电薄膜50就不会再继续升温，处理器100会将所有从第一及第二光电二极管401、402接收到的信号进行数据分析并输出分析结果。
在另一个较佳实施例中，本发明揭露的装置1亦可应用于一般未添加荧光物质或专一性探针的pcr反应。本装置1的结构如图1、图2及图5所示，与前揭实施例大致相同，惟不具有图3所示的第一光电二极管401及第二光电二极管402，及图5所示的光源80及光源调节器90。
当装置1开始运作时，将装有试剂及反应物的试管102置入第一架体10的第一穿孔101中，并穿过第二架体20的第二穿孔201并固定，试管102内的液面高度约略与容置空间30等高，且此时容置空间30变成封闭空间，且试管102的尾端与位于夹持凹槽202内的透明导电薄膜50的上平面501接触。电源供应器1020通过接点60传递电流给透明导电薄膜50并开始加热，试管102底部因与透明导电薄膜50的上平面501接触，热量通过传导的方式使试管102底部的试剂及反应物也一起加热，加热一段时间后，试管102顶端的温度与透明导电薄膜50接触试管102部位的温度有温差存在，因此在试管102内形成热对流循环，此段试管102内部的热循环就不会受到外界温度的变异而影响其内的温度，试管102顶端未被容置空间30包覆的部分则暴露于空气中并进行散热，一旦试管102内部热循环的温度达到三个反应温度时，反应随即开始进行，反应完成后即可利用适当方法检测产物。