TW201617454A - 恆溫旋轉裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明係一種恆溫旋轉裝置，其係利用一致動器帶動銅質腔體旋轉，可於旋轉的過程同時控制腔體溫度、並擷取腔體中每一根試管的螢光訊號，因銅質腔體旋轉將會帶動薄膜加熱器的電源線轉動，對應設計二對銅棒與其對應軌道，藉由滑動接觸來解決繞線問題，且採用單一光通道，單一激發光源與單一光偵測器，分別位於銅質腔體的上側與側邊，提高多管之間的訊號一致性，達到多管訊號的一致性。
Description
本發明係有關一種恆溫旋轉裝置，尤指一種提供一致動器帶動銅質腔體旋轉，可於旋轉的過程同時控制腔體溫度、並擷取腔體中每一根試管的螢光訊號。
在分子檢測市場中，聚合酶鏈鎖反應(Polymerase chain reaction，PCR)是目前最廣泛使用的核酸增幅方式，依據反應溫度條件可以概分成二種技術：第一種需溫度升降循環(thermal cycling)，第二種需定溫操作的恆溫擴增(Isothermal amplification)技術來完成擴增反應。後者由於是在恆溫條件下進行目標核酸放大，所以不像前者需傳統的熱循環儀，整體系統可以比聚合酶鏈鎖反應系統簡化又更有效率。
目前市場上之分子診斷系統以大型平台為主流，多採上述第一種技術之溫度升降循環(Thermal cycling)方式進行核酸擴增，其缺點為臨床樣本至結果之整體檢測過程需要花費較長時間。本發明所提供裝置，係為採用上述第二種技術，採取定溫核酸擴增檢測設計，配合試劑簡化檢測系統平台需求，可在恆溫條件下同時進行多管目標核酸放大，較第一種技術而言可縮短反應時間，並具有足夠高之靈敏度。未來更可擴充偵測多樣品數(multiplex)，繼續往小型化之分子診斷系統發展。
基於解決以上所述習知技藝的缺失，本發明為一種恆溫旋轉裝置，其主要目的在於利用一致動器帶動第一溫控單元之銅質腔體旋轉，可於旋轉的過程同時控制腔體溫度、並擷取腔體中每一根試管的螢光訊號。首先應用模擬軟體進行腔體構型的熱傳分析，藉此分析每一根試管的受熱均勻程度，而滿足後續量測重複性及重現性的要求。其次設計開發對應的光學模組，以符合螢光量測規格。接續致力於開發周邊機構以及電路設計模組。為實現平行檢測並避免多通道之間的訊號誤差，採用單一之發光二極體(LED)光源和單一互補金屬氧化物半導體(CMOS)檢測器，以旋轉樣本的方式取代光學掃描，達到快速精準定位。
本發明另一目的在於提供一第一溫控單元以透過馬達來帶動旋轉，因此在旋轉中既要維持溫度的恆定、又要避開機構上的干涉，利用二對銅棒與其對應軌道，藉由滑動接觸來解決繞線問題。
本發明之另一目的在於第一溫控單元設置一環形導槽對於銅質腔體的加熱，模組主要分成兩個部份，第一個是第一溫控單元之主體八邊形銅質腔體的加熱塊(如第2圖所示)，第二個是在第一溫控單元上方的第二溫控單元(如第5圖所示)，兩者皆安置一溫度感測器作為腔體的回授裝置，同時提供恆溫控制，使得第一溫控單元之銅質腔體中的8管試劑在65℃的恆溫下反應。此外上蓋部分也設計60℃保溫模組，以避免試管內產生水蒸氣。
本發明之另一目的在於第一溫控單元之銅質腔體上方的一金屬塊，則是使用一加熱模組(Heating Module)來驅動，本案在該金屬塊內側黏貼一加熱片和一薄膜型的溫度感測器(Sensor)，該金屬塊外面再以一電木材質來包覆，該金屬塊和該電木之間設置有一螺紋可調整加熱位置的高低，該加熱模組可透
過一旋鈕來設定溫度的高低；或改變一可變電阻之阻值大小來調整溫度設定的參數。
本發明之另一目的在於針對第一溫控單元之八邊形銅質腔體的加熱模組中，設置一控制器(controller)和一放大器(amplifier)來進行驅動，同時並使用旋轉式溫度感測器(熱電偶方式輸出)來偵測溫度的變化。該加熱模組可以透過電腦端的介面程式來控制各項溫度高低、上升斜率等操作的參數，以維持在旋轉中的溫度恆定，並避開機構上的干涉。
為達上述目的，本發明為一種恆溫旋轉裝置，其係包括有：一第一溫控單元，用以對設置於該第一溫控單元內之至少一反應混合物予以加熱及做溫度控制，每一反應混合物外部設置有一光學視窗及一入光孔；一第二溫控單元，與該第一溫控單元連接，並使該反應混合物進行擴增反應及在恆溫環境下進行反應；一旋轉單元，延伸一驅動軸與該第一溫控單元及該第二溫控單元連接，以使該第一溫控單元及該第二溫控單元做一旋轉動作；一光源暨光學偵測單元，發光一光源至該第一溫控單元之該入光口後至該反應混合物處，該反應混合物受激發之光線透過該光學視窗後，由一光學偵測單元接收；以及一控制單元，用以控制該第一溫控單元、該第二溫控單元、該旋轉單元及該光源暨光學偵測單元作動。
為進一步對本創作有更深入的說明，乃藉由以下圖示、圖號說明及新型詳細說明，冀能對 貴審查委員於審查工作有所助益。
11‧‧‧第一殼體
12‧‧‧第二殼體
121‧‧‧密閉蓋
13‧‧‧第三殼體
2‧‧‧第一溫控單元
21‧‧‧主體
211‧‧‧試管孔
212‧‧‧加熱膜
213‧‧‧入光孔
214‧‧‧光學視窗
22‧‧‧轉盤
221‧‧‧環形導槽
23‧‧‧第一座體
3‧‧‧第二溫控單元
31‧‧‧第二座體
4‧‧‧旋轉單元
41‧‧‧驅動軸
51‧‧‧光源
511‧‧‧定位架
512‧‧‧發光二極體
513‧‧‧濾鏡
52‧‧‧光學偵測單元
521‧‧‧濾鏡
6‧‧‧導電柱
61‧‧‧絕緣筒
62‧‧‧導電凸柱
63‧‧‧彈性體
7‧‧‧定位裝置
8‧‧‧溫度回授裝置
第1圖係為本發明恆溫旋轉加熱裝置之立體外觀示意圖；第2圖係為本發明恆溫旋轉加熱裝置除去外部殼體後之立體結構示意圖；第3圖係為本發明恆溫旋轉加熱裝置之導電及光學偵測結構示意圖第4圖係為本發明恆溫旋轉加熱裝置之導電及旋轉結構示意圖；第5圖係為本發明恆溫旋轉加熱裝置之加熱結構示意圖；第6A圖係為本發明導電柱之立體透視結構示意圖；第6B圖係為本發明導電柱之立體分解結構示意圖；第7圖係為本發明光源立體分解結構示意圖；第8圖係為本發明恆溫旋轉加熱裝置與市售商業機種於同樣條件下所獲得反應曲線圖。
茲配合下列之圖式說明本發明之詳細結構，及其連結關係，以利於貴審委做一瞭解。
請參閱第1圖所示，係為本發明恆溫旋轉加熱裝置之立體外觀示意圖，其中第一殼體11、第二殼體12及密閉蓋121內部空間，設置有第一溫控單元、第二溫控單元、光源暨光學偵測單元及控制單元，該第一殼體11、第二殼體12及密閉蓋121除了具有保護內部元件的功能以外，更係具有使整體試管皆維持一致的溫度，避免外界環境造成溫差，並可防止試管中的液體蒸發而導致非預期的量測結果。第三殼體13內部空間則設置有旋轉單元，而第三殼體13亦具有保護的作用，以形成本發明之外觀。
請參閱第2圖至第5圖所示，係為本發明恆溫旋轉加熱裝置之結構示意圖，其係包括有：一第一溫控單元2，用以對設置於該第一溫控單元2內之至少一反
應混合物予以加熱及做溫度控制，該反應混合物被容置於該第一溫控單元2之一試管孔211中(本實施例為使用八根試管置於該試管孔211中)，每一反應混合物外部設置有一光學視窗214及一入光孔213，該光學視窗214係為一穿孔或一透鏡所構成，該第一溫控單元2更係包括有一加熱器；一第二溫控單元3，與該第一溫控單元2連接，並使該反應混合物進行擴增反應及在恆溫環境下進行反應；一旋轉單元4，延伸一驅動軸41與該第一溫控單元2及該第二溫控單元3連接，以使該第一溫控單元2及該第二溫控單元3做一旋轉動作，該旋轉單元4係為一步進馬達(StepMotor)所構成的；一光源51暨光學偵測單元52，發光一光源51至該第一溫控單元2之該入光口213後至該反應混合物處，穿透該反應混合物之光線，透過一光介質(本實施例為使用具螢光反應物)經光學視窗214、由光學偵測單元52接收，得到一螢光量測值，該光學偵測單元52係由一影像感測器所構成；一控制單元(圖中未示)，用以控制該第一溫控單元2、該第二溫控單元3、該旋轉單元4及該光源51暨光學偵測單元52作動。
上述該控制單元的控制方法為：為使光源51在系統運作過程中維持電力輸出(Power Output)的穩定，故採取發光二極體之回授控制(LED Feedback)控制，發光二極體是由控制單元(Control Circuit)來控制調整輸出光功率強度，而在光源機構側邊開孔放置一影像偵測積體電路(Photo-Detector Integrated Circuit，PDIC)來偵測發光二極體之光強度，影像偵測積體電路的光電流流經後端的偵測電路(Detection Circuit)後轉換成電壓訊號，再經過一類比/數位轉換器來解析此光訊號的大小，當韌體程式計算出光訊號的強弱，便經由內部的數位/類比轉換器轉換成電壓訊號微幅去控制發光二極體控制電
路(LED Control Circuit)輸出電流的大小，進而改變發光二極體輸出電力(LED Output Power)大小，以達到穩定發光二極體的發光功率的機制。
上述該第一溫控單元2更係包括有一加熱器，該加熱器係為在該第一溫控單元2之主體21外側貼覆一加熱膜212而構成的。
為了防止旋轉繞線現象，試管孔211周圍固定一組材質為電木的轉盤22，該轉盤22下方更係設置有一環形導槽221，提供二個軌道使用銅環覆蓋並且分別提供加熱膜212的正負電壓傳導，該環形導槽221可供複數個導電柱6接觸(本實施例為四個，分別為以兩兩方式分佈於該二個環形導槽211)，該些導電柱6用以供應該第一溫控單元2所需電力，該導電柱6係由一絕緣筒61內設置一導電凸柱62及一彈性體63所構成(如第6A、6B圖所示)。
請參閱第7圖所示，該光源51暨光學偵測單元52係包括有一單一光源51及一單一光學偵測單元52，該單一光源51係為一發光二極體512及一定位架511所構成，該單一光學偵測單元52採用非導熱、不透光材質製作而成。該單一光源51及該單一光學偵測單元52之間至少設置有一濾鏡(513或521)，於本實施例中，該濾鏡513被設置於二定位架之間，以使光源51之特定波長通過該濾鏡513；或該濾鏡521被設置於光學偵測單元52之前，以使特定被激發波長通過該濾鏡521，使光學偵測單元52達到光學精確量測的功效(如第3圖、第4圖所示)。單一光源51所射出的光線，能穿過含有螢光染劑(例如Sybr Grecn)的反應混合物，並射入光學偵測單元52(例如CCD、CMOS、PD相機/影像感測器)，藉由偵測到的光強度等訊號來即時判斷核酸放大反應的程度。
上述該第一溫控單元2之主體21係由銅材質金屬所構成，該第一溫控單元2之主體21係為一多角體，且該多角體係為六角體或是八角體，而本實施例所列舉為八角體，但本發明不以此自限，舉凡四邊體(正方體或長矩形體)、十角體，甚至十二角體以上的多角體，皆在本案的保護範圍。
上述該第一溫控單元2與該第二溫控單元3之間更係設置有第一座體23，該第二溫控單元3與該第一座體23連接方式係為螺合，並藉由螺合深淺來調整該第一、二溫控單元(2、3)之間距，該第二溫控單元3上方更連接有一第二座體31，該第二座體31與該第二溫控單元3連接方式係為螺合，該第二座體31上更連接有一溫度回授裝置8，用以將所偵測溫度數值回授到該控制單元，該第二座體3與該溫度回授裝置8連接方式係為螺合。
上述該旋轉單元4更係連接有一定位裝置7，該定位裝置7用以控制該第一溫控單元2及該第二溫控單元3之停止位置，以便於該光學偵測單元52做一接收，該定位裝置7係與該第一溫控單元2所連接之一轉盤22之外緣上的局部突起，作為歸零點(Home)以產生定位作用。
請參閱第8圖所示，於旋轉模式下，使用相同濃度的試劑配方Lambda DNA(100ng)於三個試管中，得到如上、下圖之實驗結果。本案恆溫旋轉裝置(上圖)和市售商業機(下圖)的平行比較結果，可以看出三管之間具有高重複性，兩種平台的反應曲線具極大相似性，檢測時間皆可縮至30分鐘內，但本案的結構相對簡單，製造成本較低，是一種較為經濟的成熟產品。
應該理解以上的敍述對於如權利要求所闡述的本發明僅僅是示例和說明性的，並非對其加以限制。根據本文所披露的本發明的內容，本發明的其他實施
方案對於本領域的技術人員來說是顯而易見的。應該指出的是本說明書和實施例僅應被看做為示例，本發明的實際範圍由權利要求確定。
2‧‧‧第一溫控單元
21‧‧‧主體
211‧‧‧試管孔
212‧‧‧加熱膜
22‧‧‧轉盤
4‧‧‧旋轉單元
52‧‧‧光學偵測單元
6‧‧‧導電柱
7‧‧‧定位裝置
Claims (23)
- 一種恆溫旋轉裝置，其係包括有：一第一溫控單元，用以對設置於該第一溫控單元內之至少一反應混合物予以加熱及做溫度控制，每一反應混合物外部設置有一光學視窗及一入光孔；一第二溫控單元，與該第一溫控單元連接，並使該反應混合物進行擴增反應及在恆溫環境下進行反應；一旋轉單元，延伸一驅動軸與該第一溫控單元及該第二溫控單元連接，以使該第一溫控單元及該第二溫控單元做一旋轉動作；一光源暨光學偵測單元，發光一光源至該第一溫控單元之該入光口後至該反應混合物處，穿透該反應混合物之光線透過該光學視窗後，由一光學偵測單元接收；以及一控制單元，用以控制該第一溫控單元、該第二溫控單元、該旋轉單元及該光源暨光學偵測單元作動。
- 如申請專利範圍第1項所述之恆溫旋轉裝置，其中該第一溫控單元更係包括有一加熱器。
- 如申請專利範圍第2項所述之恆溫旋轉裝置，其中該加熱器係為在該第一溫控單元之主體外側貼覆一加熱膜而構成的。
- 如申請專利範圍第1項所述之恆溫旋轉裝置，其中該第一溫控單元係由一不透明的導熱材質所構成。
- 如申請專利範圍第1項所述之恆溫旋轉裝置，其中該第一溫控單元外側所連接一轉盤下方更係設置有一環形導槽，該環形導槽可供複數個導電柱接觸，該些導電柱用以供應該第一溫控單元所需電力。
- 如申請專利範圍第5項所述之恆溫旋轉裝置，其中該導電柱係由一絕緣筒內 設置一導電凸柱及一彈性體所構成。
- 如申請專利範圍第1項所述之恆溫旋轉裝置，其中該光源暨光學偵測單元係包括有一單一光源及一單一光學偵測單元。
- 如申請專利範圍第7項所述之恆溫旋轉裝置，其中該單一光源係為一發光二極體及一定位架所構成。
- 如申請專利範圍第7項所述之恆溫旋轉裝置，其中該單一光學偵測單元採用非導熱、不透光材質製作而成。
- 如申請專利範圍第1項所述之恆溫旋轉裝置，其中該光學視窗係為一穿孔或一透鏡所構成。
- 如申請專利範圍第7項所述之恆溫旋轉裝置，其中該單一光源及該單一光學偵測單元之間至少設置有一濾鏡。
- 如申請專利範圍第1項所述之恆溫旋轉裝置，其中該第一溫控單元之主體係由銅材質金屬所構成。
- 如申請專利範圍第1項所述之恆溫旋轉裝置，其中該第一溫控單元之主體係為一多角體。
- 如申請專利範圍第13項所述之恆溫旋轉裝置，其中該多角體係為六角體或是八角體。
- 如申請專利範圍第1項所述之恆溫旋轉裝置，其中該第一溫控單元與該第二溫控單元之間更係設置有一第一座體。
- 如申請專利範圍第15項所述之恆溫旋轉裝置，其中該第二溫控單元與該第一座體連接方式係為螺合，並藉由螺合深淺來調整該第一、二溫控單元之間距。
- 如申請專利範圍第1項所述之恆溫旋轉裝置，其中該第二溫控單元上方更連接有一第二座體，該第二座體與該第二溫控單元連接方式係為螺合。
- 如申請專利範圍第17項所述之恆溫旋轉裝置，其中該第二座體上更連接有一溫度回授裝置，用以將所偵測溫度數值回授到該控制單元，該第二座體與該溫度回授裝置連接方式係為螺合。
- 如申請專利範圍第1項所述之恆溫旋轉裝置，其中該旋轉單元更係連接有一定位裝置，該定位裝置用以控制該第一溫控單元及該第二溫控單元之停止位置，以便於該光學偵測單元做一接收。
- 如申請專利範圍第19項所述之恆溫旋轉裝置，其中該定位裝置係與該第一溫控單元所連接之一轉盤外緣上的局部突起，作為歸零點以產生定位作用。
- 如申請專利範圍第1項所述之恆溫旋轉裝置，其中該光學偵測單元係由一影像感測器所構成。
- 如申請專利範圍第1項所述之恆溫旋轉裝置，其中該旋轉單元係為一步進馬達所構成的。
- 如申請專利範圍第1項所述之恆溫旋轉裝置，其中該反應混合物被容置於該第一溫控單元之一試管孔中。
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