專利名稱：微流體溫控裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種溫控裝置，且特別涉及一種微流體溫控裝置及其方法。
背景技術(shù)：
聚合酶鏈反應(yīng)(Polymerase Chain Reaction，簡(jiǎn)稱PCR)是利用微量的脫氧核糖核酸(簡(jiǎn)稱DNA)聚合酶，在芯片或試管內(nèi)進(jìn)行專一性的連鎖反應(yīng)，使其一段基因被復(fù)制為原來的一百億至一千億倍，以利于快速檢測(cè)特定的病源核酸或疾病基因。DNA的基因?yàn)殡p螺旋結(jié)構(gòu)，而DNA在復(fù)制時(shí)，其中兩條雙螺旋以氫鍵結(jié)合的互補(bǔ)鏈必須先行分開，才能作為各自復(fù)制的單螺旋，而打開DNA雙螺旋的最簡(jiǎn)單方法就是加熱，在高溫下雙股的DNA會(huì)分離成單股，而溫度降低后，互補(bǔ)的兩條DNA聚合鏈又可以恢復(fù)成雙股。聚合酶鏈反應(yīng)則是將DNA聚合酶放入芯片的反應(yīng)室中或加熱的試管中，并精確控制反應(yīng)室的溫度以及反應(yīng)時(shí)間的周期，以使特定的片段基因在此循環(huán)周期內(nèi)不斷快速復(fù)制。
此外，傳統(tǒng)的PCR芯片將極少量的試劑密封在反應(yīng)室中，并在反應(yīng)室附近設(shè)置加熱器與溫度傳感器，以利于回授控制反應(yīng)室的溫度。請(qǐng)參照?qǐng)D1，其為公知的利用散熱器散熱的一種微流體溫控裝置的示意圖。為使PCR芯片100具有更快的降溫時(shí)間，散熱器110設(shè)置有平行排列的散熱鰭片112，以使PCR芯片100上的熱量以熱傳導(dǎo)的方式散熱。此外，散熱鰭片112上還可設(shè)置風(fēng)扇120，而風(fēng)扇120所產(chǎn)生的對(duì)流可將熱量帶走，達(dá)到PCR芯片100快速降溫的目的。
然而，高熱質(zhì)的散熱器110固定在PCR芯片100上，在升溫操作時(shí)間內(nèi)，加熱器所產(chǎn)生的熱量卻被散熱器110大量吸收，而PCR芯片100實(shí)際所得到的熱量大幅減少。由于散熱器110固定在PCR芯片100上，使得PCR芯片100升溫的速度因而減慢，影響整個(gè)溫控的時(shí)程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種微流體溫控裝置，通過動(dòng)態(tài)接觸溫控來縮短整個(gè)溫控時(shí)程。
本發(fā)明的另一目的是提供一種微流體的溫控方法，通過動(dòng)態(tài)接觸溫控來縮短整個(gè)溫控時(shí)程。
本發(fā)明提出一種微流體溫控裝置，包括芯片、固定架、導(dǎo)熱塊以及致動(dòng)器。芯片具有反應(yīng)室，用以放置微流體，而固定架用以固持芯片或?qū)釅K。此外，導(dǎo)熱塊對(duì)應(yīng)于芯片，而致動(dòng)器可推動(dòng)芯片或?qū)釅K，使芯片及導(dǎo)熱塊產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其中致動(dòng)器在降溫操作時(shí)間內(nèi)使導(dǎo)熱塊與芯片相接觸，且于升溫操作時(shí)間內(nèi)使導(dǎo)熱塊與芯片不接觸。
依照本發(fā)明一實(shí)施例所述的微流體溫控裝置，還包括開關(guān)，當(dāng)開關(guān)呈開啟狀態(tài)時(shí)，致動(dòng)器推動(dòng)導(dǎo)熱塊接觸芯片，而當(dāng)開關(guān)呈關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，致動(dòng)器反向工作而使導(dǎo)熱塊遠(yuǎn)離芯片。其中，開關(guān)例如為繼電器或晶體管開關(guān)。
依照本發(fā)明的較佳實(shí)施例所述，芯片還可包括加熱器及/或溫度傳感器。加熱器例如是電阻絲加熱器，用以加熱微流體，而溫度傳感器例如是熱阻式溫度傳感器，用以測(cè)量微流體的溫度變化。
本發(fā)明又提出一種微流體的溫控方法，包括下列步驟首先，提供具有反應(yīng)室的芯片，并將微流體注入反應(yīng)室中。接著，加熱芯片至反應(yīng)溫度。令導(dǎo)熱塊于降溫操作時(shí)間內(nèi)接觸芯片。之后，令導(dǎo)熱塊于升溫操作時(shí)間內(nèi)不接觸芯片。
依照本發(fā)明的較佳實(shí)施例所述，其中導(dǎo)熱塊于降溫操作時(shí)間內(nèi)例如以致動(dòng)器推動(dòng)而接觸芯片，接著在升溫操作時(shí)間內(nèi)再以致動(dòng)器移動(dòng)導(dǎo)熱塊，使其離開芯片。
本發(fā)明的微流體溫控裝置因采用導(dǎo)熱塊接觸芯片來降溫，使微流體能在很短的時(shí)間內(nèi)下降到預(yù)定的溫度，但在升溫操作時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)熱塊與芯片不接觸，故芯片中的微流體得以快速升溫，以加快整個(gè)溫控時(shí)程。
為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下。


圖1為公知的利用散熱器導(dǎo)熱的一種微流體溫控裝置的示意圖。
圖2為本發(fā)明一較佳實(shí)施例的一種微流體溫控裝置的示意圖。
圖3為本發(fā)明的微流體溫控裝置的導(dǎo)熱塊于升溫操作時(shí)間內(nèi)的位置示意圖。
圖4為圖3的導(dǎo)熱塊于降溫操作時(shí)間內(nèi)的工作示意圖。
圖5為應(yīng)用本發(fā)明的微流體溫控裝置來進(jìn)行聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)的溫控曲線圖。
圖6為公知的以散熱器導(dǎo)熱并以風(fēng)扇熱對(duì)流的溫控曲線圖。
主要元件標(biāo)記說明100PCR芯片110散熱器112散熱鰭片120風(fēng)扇200芯片202反應(yīng)室204微流體210計(jì)算機(jī)212固定架220加熱器230溫度傳感器
240電源供應(yīng)器250致動(dòng)器252推桿260導(dǎo)熱塊具體實(shí)施方式
圖2為本發(fā)明一較佳實(shí)施例的一種微流體溫控裝置的簡(jiǎn)易示意圖。請(qǐng)先參照?qǐng)D2，微流體溫控裝置的芯片200可配合計(jì)算機(jī)210的自動(dòng)化控制來架構(gòu)一套自動(dòng)化溫控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)210具有自動(dòng)化過程控制硬件或軟件，可依設(shè)定的溫度條件來啟動(dòng)或關(guān)閉加熱器220，用以加熱芯片200內(nèi)的微流體至預(yù)定的溫度，而微流體僅有數(shù)十微升，因此加熱極為容易。此外，計(jì)算機(jī)210亦可接收溫度傳感器230所輸出的信號(hào)，來回授控制芯片200的溫度。另外，微流體溫控裝置的芯片200還可配合電源供應(yīng)器240所提供的電壓調(diào)變信號(hào)，來回驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器250，以使導(dǎo)熱塊260與芯片200產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。其中，在升溫操作時(shí)間內(nèi)，致動(dòng)器250可移動(dòng)導(dǎo)熱塊260或芯片200，使導(dǎo)熱塊260與芯片200不接觸，如圖3所示。在降溫操作時(shí)間內(nèi)，致動(dòng)器250可推動(dòng)導(dǎo)熱塊260或芯片200，使導(dǎo)熱塊260與芯片200相接觸，如圖4所示。
請(qǐng)參照?qǐng)D3，其為本發(fā)明的微流體溫控裝置的導(dǎo)熱塊于升溫操作時(shí)間內(nèi)的位置示意圖。導(dǎo)熱塊260例如是銅、鋁等高熱導(dǎo)系數(shù)的金屬，而導(dǎo)熱塊260在升溫操作時(shí)間內(nèi)不接觸芯片200，以使密封于芯片200的反應(yīng)室202內(nèi)的微流體204能快速加熱到反應(yīng)的溫度。在本實(shí)施例中，電阻絲加熱器或其它加熱器(圖中未表示)可設(shè)置于芯片200上，使反應(yīng)室202內(nèi)的微流體204均勻加溫至反應(yīng)溫度。其中，芯片200例如夾持于固定架212上，而導(dǎo)熱塊260例如固定于致動(dòng)器250的推桿252上，并相距芯片200一段距離。當(dāng)然，本發(fā)明對(duì)于芯片200的固定方式、固定架212的形狀、致動(dòng)器250的驅(qū)動(dòng)方式以及導(dǎo)熱塊260的材質(zhì)、尺寸并不作任何限制。在另一實(shí)施例中，導(dǎo)熱塊260夾持在固定架212上，而芯片200固定于致動(dòng)器250上的方式亦可具體實(shí)施。
請(qǐng)參照?qǐng)D4，其為圖3的導(dǎo)熱塊于降溫操作時(shí)間內(nèi)的工作示意圖。由于芯片200其熱質(zhì)小于金屬材質(zhì)的導(dǎo)熱塊260，因此當(dāng)導(dǎo)熱塊260通過致動(dòng)器250的推動(dòng)而接觸芯片200時(shí)，導(dǎo)熱塊260會(huì)吸收大部分的熱量，以使芯片200通過熱傳導(dǎo)的方式快速降溫。相對(duì)于公知技術(shù)采用固定散熱器于芯片上的方式會(huì)影響芯片的升溫速度，本發(fā)明采用動(dòng)態(tài)接觸芯片200則具有更佳的升溫/降溫控制，在升溫操作時(shí)間內(nèi)，僅需加熱芯片200(芯片200與導(dǎo)熱塊260分離)，故芯片200的升溫速度加快，而在降溫操作時(shí)間內(nèi)，芯片200與導(dǎo)熱塊260接觸，故芯片200的降溫速度同樣加快。由于升溫/降溫速度是影響溫控時(shí)程的最大因素，因此在反復(fù)操作的循環(huán)周期中將大幅縮短整個(gè)溫控時(shí)程，提高生化反應(yīng)的效率。
在生物芯片的用途上，用來精確控制微流體的溫度以快速檢測(cè)特定的病源核酸或疾病基因的聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)或以高溫打破微流體內(nèi)的細(xì)胞以檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)以及DNA等物質(zhì)，或其它領(lǐng)域中需快速升降溫的耐久測(cè)試等等，均可采用上述動(dòng)態(tài)接觸的溫控裝置具體實(shí)施。其中，致動(dòng)器250可采用電磁鐵致動(dòng)器或記憶合金致動(dòng)器來回驅(qū)動(dòng)芯片200或?qū)釅K260，以使芯片200與導(dǎo)熱塊260產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。此外，致動(dòng)器250亦可采用液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、超聲波驅(qū)動(dòng)或是其它致動(dòng)器(圖中未表示)的操作來控制導(dǎo)熱塊260前進(jìn)或后退。舉例而言，致動(dòng)器250可通過開關(guān)(圖中未表示)來啟動(dòng)前進(jìn)或后退的信號(hào)，當(dāng)開關(guān)呈開啟狀態(tài)時(shí)，致動(dòng)器250推動(dòng)導(dǎo)熱塊260接觸芯片200，而當(dāng)開關(guān)呈關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，致動(dòng)器250反向工作而使導(dǎo)熱塊260不接觸芯片200。開關(guān)的種類可包括繼電器、晶體管或其它形態(tài)的開關(guān)。
請(qǐng)參照?qǐng)D5，其為應(yīng)用本發(fā)明的微流體溫控裝置來進(jìn)行聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)的溫控曲線圖。反應(yīng)時(shí)間設(shè)為X軸，而微流體的溫度設(shè)為Y軸，其中實(shí)線代表一個(gè)周期內(nèi)PCR反應(yīng)的溫度以及相對(duì)應(yīng)的時(shí)間的設(shè)定值，而虛線代表由熱電耦溫度傳感器或其它傳感器所測(cè)得的芯片的反應(yīng)室溫度。值得注意的是，在升溫操作時(shí)間(A～B區(qū)間)內(nèi)，芯片內(nèi)反應(yīng)室的溫度以加熱器從59度快速加熱至90度左右，而在降溫操作時(shí)間(B～C區(qū)間)內(nèi)，芯片通過接觸導(dǎo)熱塊而使反應(yīng)室的溫度由90度快速下降至54度左右，每秒約可下降攝氏19度左右。因此，以上述動(dòng)態(tài)接觸溫控的方式反復(fù)進(jìn)行30個(gè)周期的PCR反應(yīng)，使得特定的片段基因快速復(fù)制至檢測(cè)定量所需的時(shí)間可縮短至25分鐘左右，大幅縮短整個(gè)生化反應(yīng)的時(shí)間。
請(qǐng)同時(shí)參照?qǐng)D5及圖6，其中圖6為公知的以散熱器導(dǎo)熱并以風(fēng)扇熱對(duì)流的溫控曲線圖，如虛線所示，在降溫操作時(shí)間(B1～C1區(qū)間)內(nèi)，溫度傳感器所測(cè)得的芯片反應(yīng)室的溫度由94度下降至54度左右，每秒僅約下降攝氏3.25度左右，明顯小于本發(fā)明的降溫速度。
綜上所述，本發(fā)明的微流體溫控裝置因采用導(dǎo)熱塊接觸芯片來降溫，使微流體能在很短的時(shí)間內(nèi)下降到預(yù)定的溫度，但在升溫操作時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)熱塊與芯片不接觸，故芯片中的微流體得以快速升溫，以加快整個(gè)溫控時(shí)程。因此，整個(gè)生化反應(yīng)的效率明顯提高。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與改進(jìn)，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種微流體溫控裝置，其特征是包括芯片，具有反應(yīng)室，用以放置微流體；導(dǎo)熱塊，對(duì)應(yīng)于該芯片；固定架，用以固持該芯片或該導(dǎo)熱塊；以及致動(dòng)器，可推動(dòng)該芯片或該導(dǎo)熱塊，使該芯片與該導(dǎo)熱塊產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該致動(dòng)器適于在降溫操作時(shí)間內(nèi)使該導(dǎo)熱塊與該芯片相接觸，且于升溫操作時(shí)間內(nèi)使該導(dǎo)熱塊與該芯片不接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體溫控裝置，其特征是還包括開關(guān)，當(dāng)該開關(guān)呈開啟狀態(tài)時(shí)，該致動(dòng)器推動(dòng)該導(dǎo)熱塊接觸該芯片，而當(dāng)該開關(guān)呈關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，該致動(dòng)器動(dòng)作而令該導(dǎo)熱塊遠(yuǎn)離該芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微流體溫控裝置，其特征是該開關(guān)為繼電器或晶體管開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體溫控裝置，其特征是該致動(dòng)器還包括推桿，連接于該導(dǎo)熱塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體溫控裝置，其特征是該致動(dòng)器為電磁鐵致動(dòng)器或記憶合金致動(dòng)器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體溫控裝置，其特征是該致動(dòng)器為液壓致動(dòng)器、氣壓致動(dòng)器或超聲波致動(dòng)器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體溫控裝置，其特征是該導(dǎo)熱塊的材質(zhì)包括銅或鋁。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體溫控裝置，其特征是該芯片還包括加熱器，設(shè)置于該反應(yīng)室附近。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微流體溫控裝置，其特征是該加熱器包括電阻絲加熱器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體溫控裝置，其特征是該芯片還包括溫度傳感器，設(shè)置于該反應(yīng)室附近。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的微流體溫控裝置，其特征是該溫度傳感器包括熱阻式溫度傳感器。
12.一種微流體的溫控方法，其特征是包括提供芯片，該芯片具有反應(yīng)室；將微流體注入該反應(yīng)室中；加熱該芯片至反應(yīng)溫度；令導(dǎo)熱塊于降溫操作時(shí)間內(nèi)接觸該芯片；以及令該導(dǎo)熱塊于升溫操作時(shí)間內(nèi)不接觸該芯片。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的微流體的溫控方法，其特征是令該導(dǎo)熱塊接觸該芯片的方式包括以致動(dòng)器推動(dòng)該導(dǎo)熱塊或該芯片，使該導(dǎo)熱塊與該芯片相接觸。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的微流體的溫控方法，其特征是令該導(dǎo)熱塊不接觸該芯片的方式包括以致動(dòng)器移動(dòng)該導(dǎo)熱塊或該芯片，使該導(dǎo)熱塊與該芯片不接觸。
全文摘要
一種微流體溫控裝置，包括芯片、固定架、導(dǎo)熱塊以及致動(dòng)器。芯片具有反應(yīng)室，用以放置微流體，而微流體可通過芯片加熱而升溫，以達(dá)到所需的反應(yīng)溫度。其中，在降溫操作時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)熱塊可通過致動(dòng)器的推動(dòng)而接觸芯片，使芯片上的熱量以熱傳導(dǎo)方式帶走，達(dá)到快速降溫的目的。此外，在升溫操作時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)熱塊與芯片不接觸，使芯片內(nèi)的微流體能快速升溫，以快速達(dá)到微流體所需的反應(yīng)溫度。
文檔編號(hào)G05D23/20GK1949118SQ20051011279
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2005年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月14日
發(fā)明者黃建志, 王美雅, 柳文濱 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院