反復配置有圖案加熱器的聚合酶鏈式反應熱塊及包括其的聚合酶鏈式反應裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及具有連續(xù)反復配置有加熱器的聚合酶鏈式反應熱塊的聚合酶鏈式反應裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]聚合酶鏈式反應(PCR，Polymerase Chain React1n)作為反復加熱及冷卻模板核酸的特定部位來連續(xù)復制上述特定部位，從而以幾何級數(shù)的方式擴增具有上述特定部位的核酸的技術(shù)，在生命科學、遺傳工程及醫(yī)療領(lǐng)域等中廣泛地使用于分析及診斷的目的。最近，在當前情況下，開發(fā)各種用于有效地執(zhí)行聚合酶鏈式反應的裝置。
[0003]現(xiàn)有的聚合酶鏈式反應裝置的一例中，在加熱器中安裝收容有包含模板核酸的樣品溶液的容器，并反復加熱及冷卻上述容器來執(zhí)行聚合酶鏈式反應。但是，由于如上所述的聚合酶鏈式反應裝置具有一個加熱器，因而存在以下缺點:雖然整體結(jié)構(gòu)不復雜，但為了控制準確的溫度，需具有復雜的電路，且由于對一個加熱器反復進行加熱或冷卻，因而整體聚合酶鏈式反應時間變長。
[0004]并且，現(xiàn)有的聚合酶鏈式反應裝置的另一例中，安裝具有聚合酶鏈式反應溫度的多個加熱器，并經(jīng)由通過這些加熱器的一個通道使包含核酸的樣品溶液流動，來執(zhí)行聚合酶鏈式反應。但是，由于如上所述的聚合酶鏈式反應裝置利用多個加熱器，因而可由比較簡單的電路實現(xiàn)，但務(wù)必需要用于通過高溫及低溫的加熱器的長流路，因而需要整體結(jié)構(gòu)復雜，并用于控制在通過上述加熱器的通道中流動的包含核酸的樣品溶液的流速的額外的控制裝置。
[0005]另一方面，就最近的聚合酶鏈式反應裝置而言，不僅開發(fā)用于改善聚合酶鏈式反應收率并實時掌握聚合酶鏈式反應過程的有效的方法，而且使用小型化的加熱器，從而以可實現(xiàn)裝置的小型化及攜帶化的方式開發(fā)。這種情況下，由于小型化的加熱器的性能對聚合酶鏈式反應收率產(chǎn)生大的影響，因而開發(fā)可準確地控制或?qū)崿F(xiàn)小型化的加熱器的設(shè)定溫度的技術(shù)非常重要。并且，在當前情況下，可大大減少聚合酶鏈式反應時間，并得到可靠的聚合酶鏈式反應收率，進而，依然需要可實現(xiàn)產(chǎn)品的小型化及攜帶化的聚合酶鏈式反應裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]技術(shù)問題
[0007]為了解決如上所述的問題，本發(fā)明的實施例以相當改善聚合酶鏈式反應時間及收率，進而實現(xiàn)產(chǎn)品的小型化及攜帶化的方式提出聚合酶鏈式反應熱塊，進而提出包括其的聚合酶鏈式反應裝置。
[0008]技術(shù)方案
[0009]本發(fā)明的第一實施例提供聚合酶鏈式反應熱塊，由兩個以上的加熱器反復實現(xiàn)，上述聚合酶鏈式反應熱塊的特征在于，上述加熱器具有補償型圖案(compensatedpattern)，上述補償型圖案為了防止從個別加熱器發(fā)生的放射形熱分布引起的相鄰加熱器之間不均勻的熱重疊，調(diào)節(jié)上述加熱器的至少一部分的電阻來調(diào)節(jié)上述加熱器的表面的熱均勻度。
[0010]在本發(fā)明的第一實施例中，上述補償型圖案可在上述加熱器的至少一部分反復形成間隙來調(diào)節(jié)間隙圖案引起的電阻，從而調(diào)節(jié)上述加熱器的表面的熱均勻度。
[0011]上述補償型圖案可改變在上述加熱器的至少一部分反復形成的間隙的寬度(linewidth)來調(diào)節(jié)電阻，從而調(diào)節(jié)上述加熱器的表面的熱均勾度。
[0012]上述補償型圖案可改變在上述加熱器的至少一部分反復形成的間隙的厚度來調(diào)節(jié)電阻，從而調(diào)節(jié)上述加熱器的表面的熱均勻度。
[0013]上述補償型圖案可改變上述加熱器的至少一部分的材質(zhì)來調(diào)節(jié)電阻，從而調(diào)節(jié)上述加熱器的表面的熱均勻度。
[0014]上述補償型圖案可改變上述加熱器的至少一部分的加熱器電極的配置結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)電阻，從而調(diào)節(jié)上述加熱器的表面的熱均勻度。
[0015]本發(fā)明的第二實施例提供聚合酶鏈式反應芯片，上述聚合酶鏈式反應芯片包括:本發(fā)明第一實施例的聚合酶鏈式反應熱塊；以及板形狀的聚合酶鏈式反應部，以能夠與上述聚合酶鏈式反應熱塊熱交換的方式附著于上述聚合酶鏈式反應熱塊上，上述聚合酶鏈式反應部具有一個以上的反應通道，上述反應通道以向長度方向通過設(shè)置于上述聚合酶鏈式反應熱塊的加熱器的上側(cè)對應部分的方式延伸配置，在上述反應通道的兩末端設(shè)有流入部及流出部。
[0016]在本發(fā)明的第二實施例中，在上述聚合酶鏈式反應熱塊的上部面可形成有聚合酶鏈式反應溶液的電解防止用絕緣膜(insulator)。
[0017]本發(fā)明的第三實施例提供聚合酶鏈式反應裝置，上述聚合酶鏈式反應裝置包括:本發(fā)明第一實施例的聚合酶鏈式反應熱塊；板形狀的聚合酶鏈式反應部，以能夠與上述聚合酶鏈式反應熱塊熱交換的方式與上述聚合酶鏈式反應熱塊相接觸，上述聚合酶鏈式反應部具有一個以上的反應通道，上述反應通道以向長度方向通過設(shè)置于上述聚合酶鏈式反應熱塊的加熱器的上側(cè)對應部分的方式延伸配置，在上述反應通道的兩末端設(shè)有流入部及流出部；以及電力供給部，用于向設(shè)置于上述聚合酶鏈式反應熱塊的加熱器供給電力。
[0018]在本發(fā)明的第三實施例中，在上述聚合酶鏈式反應熱塊的上部面可形成有加熱器保護用絕緣膜(insulator)。
[0019]上述聚合酶鏈式反應裝置還可包括栗，上述栗為了控制在上述一個以上的反應通道內(nèi)流動的聚合酶鏈式反應溶液的流量及流速而以提供正壓或負壓的方式配置。
[0020]上述聚合酶鏈式反應裝置還可包括:光源，以向上述聚合酶鏈式反應部提供光的方式配置；以及光檢測部，以收容從上述聚合酶鏈式反應部發(fā)出的光的方式配置。
[0021]上述光源或光檢測部可反復配置于上述聚合酶鏈式反應熱塊的相鄰加熱器之間的空間。
[0022]上述聚合酶鏈式反應部設(shè)有檢測電極，當與上述聚合酶鏈式反應熱塊熱接觸時，上述檢測電極可配置于上述兩個以上的加熱器組之間，上述檢測電極向上述反應通道的長度方向以橫穿其下端面的方式反復隔開配置，上述檢測電極用于檢測在上述反應通道的內(nèi)部因擴增核酸和活性物質(zhì)相結(jié)合而發(fā)生的電化學信號。這種情況下，上述聚合酶鏈式反應裝置還可包括電化學信號測定模塊，上述電化學信號測定模塊與上述檢測電極電連接，用于實時測定在上述聚合酶鏈式反應部的反應通道的內(nèi)部發(fā)生的電化學信號。
[0023]上述聚合酶鏈式反應部設(shè)有固定化(immobilizat1n)層及檢測電極，上述固定化層向上述反應通道的長度方向以橫穿其端面的方式反復隔開配置，并由形成于上述反應通道的內(nèi)部的一區(qū)域，來能夠與擴增靶核酸的一區(qū)域以互補的方式相結(jié)合的捕獲探針(capture probe)表面處理，上述檢測電極形成于上述反應通道的內(nèi)部的另一區(qū)域，來檢測電化學信號，上述聚合酶鏈式反應部可包含具有金屬納米粒子及信號探針(signalingprobe)的復合體，上述信號探針與上述金屬納米粒子相連接，并能夠與上述擴增靶核酸的另一區(qū)域以互補的方式相結(jié)合。這種情況下，上述聚合酶鏈式反應裝置還可包括電化學信號測定模塊，上述電化學信號測定模塊與上述檢測電極電連接，上述電化學信號測定模塊用于實時測定在上述聚合酶鏈式反應部的反應通道的內(nèi)部發(fā)生的電化學信號。
[0024]有益效果
[0025]根據(jù)本發(fā)明的實施例，在反復配置有加熱器的熱塊中，可防止從個別加熱器中發(fā)生的放射形熱分布及由此引起的相鄰加熱器之間不均勻的熱重疊，來相當?shù)馗纳凭酆厦告準椒磻章?，且由于不需要額外的溫度調(diào)節(jié)單元，因而可相當?shù)刎暙I于裝置的小型化及集成化。進而，可利用反復配置有加熱單元的熱塊及板形狀的聚合酶鏈式反應部，來同時且迅速擴增多個核酸樣品，并測定連續(xù)的光學信號或電化學信號，來實時確認核酸擴增過程。
【附圖說明】
[0026]圖1圖示由兩個以上的加熱器111、121反復實現(xiàn)的聚合酶鏈式反應熱塊100。
[0027]圖2至圖6圖示本發(fā)明實施例的用于實現(xiàn)聚合酶鏈式反應熱塊100的加熱器的配置結(jié)構(gòu)。
[0028]圖7為示出在向未適用補償型圖案的個別加熱器供給電力的情況下發(fā)生的不均勻的放射形熱分布的照片。
[0029]圖8為示出在聚合酶鏈式反應熱塊上反復配置有未適用補償型圖案的兩個以上的加熱器的狀態(tài)下供給電力時，從個別加熱器發(fā)生的不均勻的放射形熱分布引起的相鄰加熱器111、121之間的不均勻的熱重疊的照片。
[0030]圖9圖示適用補償型圖案1000的本發(fā)明第一實施例的聚合酶鏈式反應熱塊100。
[0031]圖10圖示本發(fā)明第一實施例的聚合酶鏈式反應熱塊中包括形成于加熱器111的一部分的間隙1100的補償型圖案。
[0032]圖11圖示本發(fā)明第一實施例的聚合酶鏈式反應熱塊中以不同的方式實現(xiàn)形成于加熱器111的一部分的間隙的寬度(line width)的補償型圖案。
[0033]圖12圖示本發(fā)明第一實施例的聚合酶鏈式反應熱塊中以不同的方式實現(xiàn)加熱器111的一部分的厚度的補償型圖案。
[0034]圖13圖示本發(fā)明第一實施例的聚合酶鏈式反應熱塊中以不同的方式實現(xiàn)上述加熱器111的至少一部分的材質(zhì)的補償型圖案。
[0035]圖14圖示本發(fā)明第一實施例的聚合酶鏈式反應熱塊中以不同的方式實現(xiàn)上述加熱器111的至少一部分的配置結(jié)構(gòu)的補償型圖案。
[0036]圖15為示出本發(fā)明第一實施例的從聚合酶鏈式反應熱塊發(fā)生的熱分布的照片。
[0037]圖16為示出本發(fā)明第一實施例的從聚合酶鏈式反應熱塊發(fā)生的熱分布的曲線圖。
[0038]圖17圖示與聚合酶鏈式反應熱塊熱接觸的聚合酶鏈式反應部300。
[0039]圖18圖示由聚合酶鏈式反應熱塊100和聚合酶鏈式反應部300以一體的方式實現(xiàn)的聚合酶鏈式反應芯片。
[0040]圖19圖示由聚合酶鏈式反應熱塊100和聚合酶鏈式反應部300以不同的方式實現(xiàn)的聚合酶鏈式反應裝置。
[0041]圖20圖示通過本發(fā)明第一實施例的具有反復配置有適用補償型圖案的加熱器的聚合酶鏈式反應熱塊100的聚合酶鏈式反應裝置來實現(xiàn)的聚合酶鏈式反應。
[0042]圖21圖示通過本發(fā)明第一實施例的具有反復配置有適用補償型圖案的加熱器的聚合酶鏈式反應熱塊100、光源150及光檢測部600的聚合酶鏈式反應裝置來實現(xiàn)的光學實時聚合酶鏈式反應。
[0043]圖22至圖25圖示與圖12至圖16的聚合酶鏈式反應熱塊熱接觸的再一類型的聚合酶鏈式反應部900。
[0044]圖26圖示通過本發(fā)明第一實施例的具有反復配置有適用補償型圖案的加熱器的聚合酶鏈式反應熱塊100及圖22至圖25的聚合酶鏈式反應部900的聚合酶鏈式反應裝置來實現(xiàn)的聚合酶鏈式反應。
[0045]圖27圖示通過本發(fā)明第一實施例的具有反復配置有適用補償型圖案的加熱器的聚合酶鏈式反應熱塊100、圖22至圖25的聚合酶鏈式反應部900、檢測電極950及信號測定模塊800的聚合酶鏈式反應裝置來實現(xiàn)的電化學實時聚合酶鏈式反應。
[0046]圖28至圖31圖示與圖12至圖16的聚合酶鏈式反應熱塊熱接觸的另一類型的聚合酶鏈式反應部900。
[0047]圖32圖示通過本發(fā)明第一實施例的具有反復配置有適用補償型圖案的加熱器的聚合酶鏈式反應熱塊100及圖28至圖31的聚合酶鏈式反應部900的聚合酶鏈式反應裝置來實現(xiàn)的聚合酶鏈式反應。
[0048]圖33圖示通過本發(fā)明第一實施例的具有反復配置有適用補償型圖案的加熱器的聚合酶鏈式反應熱塊100、圖28至圖31的聚合酶鏈式反應部900、固定化(immobilizat1n)層940、檢測電極950及信號測定模塊800的聚合酶鏈式反應裝置來實現(xiàn)的電化學實時聚合酶鏈式反應。
【具體實施方式】
[0049]以下，參照附圖詳細說明本發(fā)明的實施例。以下說明只是用于容易理解本發(fā)明的實施例，并不用于限制保護范圍。
[0050]在本發(fā)明的實施例中，聚合酶鏈式反應(PCR，Polymerase Chain React1n)是指將具有特定堿基序列的核酸進行擴增的反應的一種。例如，為了擴增具有特定堿基序列的脫氧核糖核酸(DNA，deoxyribonucleic acid)，聚合酶鏈式反應裝置執(zhí)行以下三個步驟，具體步驟如下:變性步驟(denaturing step)，將包含含有作為模板核酸的雙鏈脫氧核糖核酸的聚合酶鏈式反應試樣及試劑的溶液加熱至特定溫度，例如，加熱至約95°C，來將上述雙鏈脫氧核糖核酸分離為單鏈脫氧核糖核酸；退火步驟(annealing step)，提供具有與要擴增的堿基序列互補的序列的寡核苷酸(oligonucleotide)引物，與分離的上述單鏈脫氧核糖核酸一同冷卻至特定溫度，例如，冷卻至55°C，來使上述引物與上述單鏈脫氧核糖核酸的特定堿基序列相結(jié)合，從而形成部分脫氧核糖核酸-引物復合體；以及延伸(或擴增)步驟(extens1n step)，在上述退火步驟之后，將上述溶液維持適當溫度，例如，維持72°C，從而由脫氧核糖核酸聚合酶(polymerase)以上述部分脫氧核糖核酸-引物復合體的引物為基礎(chǔ)形成雙鏈脫氧核糖核酸，例如，可將上述三個步驟反復20次至40次，來以幾何級數(shù)的方式擴增上述具有特定堿基序列的脫氧核糖核酸。根據(jù)情況，上述聚合酶鏈式反應裝置可同時執(zhí)行上述退火步驟和上述延伸(或擴增)步驟，這種情況下，聚合酶鏈式反應裝置還可執(zhí)行由上述延伸步驟和上述退火及延伸(或擴增)步驟構(gòu)成的兩個步驟，來完成第一循環(huán)。因此，本發(fā)明實施例的聚合酶鏈式反應熱塊及包括其的聚合酶鏈式反應裝置是指包括用于執(zhí)行上述步驟的模塊的裝置，本說明書中未記載的細部模塊以在用于執(zhí)行聚合酶鏈式反應的現(xiàn)有技術(shù)中公開或在顯而易見的范圍內(nèi)全部具有的內(nèi)容為前提。
[0051]圖1圖示由兩個以上的加熱器111、121反復實現(xiàn)的聚合酶鏈式反應熱塊100，圖2至圖6圖示本發(fā)明實施例的用于實現(xiàn)聚合酶鏈式反應熱塊100的加熱器的配置結(jié)構(gòu)。
[0052]如圖1所示，本發(fā)明的實施例以在向聚合酶鏈式反應溶液供給熱的聚合酶鏈式反應熱塊100上反復配置有兩個以上的加熱器111、121為前提。上述聚合酶鏈式反應熱塊100作為向聚合酶鏈式反應溶液，即，為了執(zhí)行聚合酶鏈式反應而向試樣及試劑以特定溫度供給熱的模塊，在至少一面設(shè)置收容有試樣及試劑的聚合酶鏈式反應部900的接觸面，從而通過與上述聚合酶鏈式反應部900的一面熱接觸來向聚合酶鏈式反應溶液供給熱，以執(zhí)行聚合酶鏈式反應。
[0053]根據(jù)圖2至圖6，上述聚合酶鏈式反應熱塊100以基板99為基底。上述基板99由防止因配置于上述基板99的表面的加熱器111、121的加熱等而使物理性質(zhì)或化學性質(zhì)變化，并在兩個以上的加熱器之間頻繁發(fā)生熱交換的材質(zhì)實現(xiàn)。例如，上述基板99由塑料、玻璃、硅等的材質(zhì)實現(xiàn)，可根據(jù)需要由透明或半透明的材質(zhì)實現(xiàn)。上述聚合酶鏈式反應熱塊100為了裝置的小型化或集成化，整體由薄的板形狀實現(xiàn)，例如，由約50納米(nm)至I毫米(mm)的厚度實現(xiàn)，優(yōu)選地，可由約250微米(μπι)的厚度實現(xiàn)，但不局限于此。在上述聚合酶鏈式反應熱塊100上反復配置有兩個以上的加熱器，例如，在上述聚合酶鏈式反應熱塊100可配置有具有一個以上的加熱器的加熱器組以及具有兩個以上的上述加熱器組且上述兩個以上的加熱器組隔開配置的兩個以上的加熱單元。并且，上述聚合酶鏈式反應熱塊100的聚合酶鏈式反應部900接觸面可由用于有效地向收容有聚合酶鏈式反應溶液的聚合酶鏈式反應部900供給熱的多種形狀，例如，以使每體積表面積比率(Surface to VolumeRat1)增加的方式可由平面(Plane)形狀、流路(Channel)形狀或柱體(pillar)形狀實現(xiàn)。
[0054]上述加熱器111、112、121、122、131、132作為配置或印刷于上述基板99的傳導性發(fā)熱元件，可由利用焦耳熱(Joule Heating)的加熱器、引起泊爾帖效應(Peltier Effect)的熱電元件(Thermoelement)實現(xiàn)。上述加熱器111、112、121、122、131、132為了維持規(guī)定溫度，能夠以可驅(qū)動的方式與各種電源模塊及控制模塊相連接，并能夠以可驅(qū)動的方式與用于監(jiān)控上述加熱器111、112、121、122、131、132的溫度的傳感器相連接。上述加熱器111、112、121、122、131、132為了恒定維持其內(nèi)部溫度，使單位電極，S卩，可使加熱器電極以上述加熱器111、112、121、122、131、132的表面中心點為基準向上下和/或左右方向?qū)ΨQ配置。并且，上述加熱器111、112、121、122、131、132可由用于實現(xiàn)迅速的熱傳導及傳導性的金屬材質(zhì)，例如，選自由鉻、鋁、銅、鐵、銀及碳組成的組中的一種以上或基于此的復合材料(composite materials)制備，但不局限于此。并且，上述加熱器 111、112、121、122、131、132可包括透光性發(fā)熱元件，例如，選自包含導電性納米粒子、氧化銦錫、傳導性高分子物質(zhì)、碳納米管及石墨稀(graphene)的組中的一種以上的物質(zhì)，上述導電性納米粒子包含氧化物半導體物質(zhì)或上述氧化物半導體物質(zhì)中添加有選自由In、Sb、Al、Ga、C及Sn組成的組中的雜質(zhì)的物質(zhì)。
[0055]上述加熱器組110、120、130作為包括一個以上的上述加熱器111、112、121、122、131、132的單位，指維持用于執(zhí)行聚合酶鏈式反應的變性步驟、退火步驟和/或延伸步驟的溫度的區(qū)域。在上述聚合酶鏈式反應熱塊100配置有兩個以上的上述加熱器組110、120、130，兩個以上的上述加熱器組110、120、130隔開配置于上述基板99上，優(yōu)選地，在上述聚合酶鏈式反應熱塊100可存在有2個至4個加熱器組。若假設(shè)上述聚合酶鏈式反應熱塊100具有兩個加熱器組，則上述第一加熱器組可維持聚合酶鏈式反應變性步驟溫度，上述第二加熱器組可維持聚合酶鏈式反應退火/延伸步驟溫度，或上述第一加熱器組可維持聚合酶鏈式反應退火/延伸步驟溫度，上述第二加熱器組可維持聚合酶鏈式反應變性步驟溫度。并且，若假設(shè)上述聚合酶鏈式反應熱塊100具有3個加熱器組，則上述第一加熱器組可維持聚合酶鏈式反應變性步驟溫度，上述第二加熱器組可維持聚合酶鏈式反應退火步驟溫度，上述第三加熱器組可維持聚合酶鏈式反應延伸步驟溫度，或上述第一加熱器組可維持聚合酶鏈式反應退火步驟溫度，上述第二加熱器組可維持聚合酶鏈式反應延伸步驟溫度，上述第三加熱器組可維持聚合酶鏈式反應變性步驟溫度，或上述第一加熱器組可維持聚合酶鏈式反應延伸步驟溫度，上述第二加熱器組可維持聚合酶鏈式反應變性步驟溫度，上述第三加熱器組可維持聚合酶鏈式反應退火步驟溫度。優(yōu)選地，上述加熱器組可3次配置于上述聚合酶鏈式反應熱塊100，來分別維持用于執(zhí)行聚合酶鏈式反應的三個步驟，即，變性步驟、退火步驟及延伸步驟的溫度，更優(yōu)選地，上述加熱器組可2次配置于上述聚合酶鏈式反應熱塊100，來分別維持用于執(zhí)行聚合酶鏈式反應的兩個步驟，即，變性步驟及退火/延伸步驟的溫度。上述加熱器組2次配置于上述聚合酶鏈式反應熱塊100，來執(zhí)行用于執(zhí)行聚合酶鏈式反應的兩個步驟，即，變性步驟及退火/延伸步驟的情況比執(zhí)行用于執(zhí)行聚合酶鏈式反應的三個步驟，即，變性步驟、退火步驟及延伸步驟的情況，可更減少聚合酶鏈式反應時間，隨著加熱器數(shù)量減少，具有簡化結(jié)構(gòu)及增加集成度(density)的優(yōu)點。另一方面，這種情況下，在用于執(zhí)行聚合酶鏈式反應的三個步驟中，用于執(zhí)行變性步驟的溫度為85°C至105°C，優(yōu)選為95°C，用于執(zhí)行退火步驟的溫度為40°C至60°C，優(yōu)選為50°C，用于執(zhí)行延伸步驟的溫度為50°C至80°C，優(yōu)選為72°C，進而，在用于執(zhí)行聚合酶鏈式反應的兩個步驟中，用于執(zhí)行變性步驟的溫度為85°C至105°C，優(yōu)選為95°C，用于執(zhí)行退火/延伸步驟的溫度為50°C至80°C，優(yōu)選為72°C。只是，用于執(zhí)行上述聚合酶鏈式反應的特定溫度及溫度范圍可在用于執(zhí)行聚合酶鏈式反應的公知的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。上述加熱器組110、120、130還可包括用于執(zhí)行緩沖溫度的作用的額外的加熱器。
[0056