聚合酶连锁反应的仪器与方法技术

在一聚合酶连锁反应中扩增一反应混和物中的目标核酸序列的方法或仪器。该方法包括将反应混合物和可吸收电磁波频率的粒子接触，该粒子可由一种材料所形成，该种材料可为一种过渡金属，或一种过渡金属氧化物或一种过渡金属氢氧化物，或一种有掺杂过渡金属或过渡金属氧化物的第三族金属的氮化物、磷化物或砷化物，或一种有掺杂过渡金属、过渡金属氧化物或过渡金属氢氧化物的二氧化硅；以频率约为200kHz至500THz的电磁波照射可吸收电磁波的粒子以扩增目标核酸序列。其特征在于，该第三族金属可为铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)，且该过渡金属可为锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)。

Polymerase chain reaction apparatus and method

Method or apparatus for amplifying a target nucleic acid sequence in a reaction mixture in a polymerase chain reaction. The method comprises the reaction mixture and can absorb the electromagnetic wave frequency of the particle contact, the particles can be formed of a material, the material can be a transition metal or a transition metal or a transition metal hydroxide or a transition metal doped transition metal oxide or nitride, third metal phosphide and arsenide, silica or a transition metal doping, transition metal oxide or transition metal hydroxide; the frequency is about 200kHz to 500THz electromagnetic irradiation can absorb electromagnetic wave particle to amplify the target nucleic acid sequence. It is characterized in that the third group metals can be aluminium (Al), gallium (Ga) or indium (In), and the transition metal can be manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co) or copper (Cu).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】聚合酶连锁反应的仪器与方法交叉参考本申请要求2014年09月02日提交的美国临时申请No.62/044413的权益，其内容通过引用并入本文。
本揭露与聚合酶连锁反应(polymerasechainreaction,PCR)扩增核酸序列的方法有关。更明确地，本揭露与利用电磁波并结合具有过渡金属材料的电磁波(electromagneticradiation,EMR)频率吸收粒子做为聚合酶连锁反应扩增核酸序列的产热源有关。
技术介绍
聚合酶连锁反应是一种能由单一或多个目标DNA模版(template)合成多套单个或多个DNA片段的技术。传统的聚合酶连锁反应过程是基于由Thermusaquaticus菌(Taq)所萃取出对热稳定的DNA聚合酶发展而来，该酵素能够在具有四种DNA碱基─腺嘌呤(adenine)、胸腺嘧啶(thymine)、胞嘧啶(cytosine)、鸟嘌呤(guanine)，和一对DNA引子(primer)的一混合物中，针对一指定的DNA单股(givenstrand)合成一互补股(complimentarystrand)。该混合物被加热以将DNA双螺旋结构分离为包含目标DNA序列的单股，随后令该混合物冷却，使该引子与位于分离单股上的互补序列杂交，Taq聚合酶并延长引子成为新的互补股。如此重复的加热和冷却循环能指数放大该目标DNA，每一新形成的双股螺旋结构可成为两个新的模版分子以供后续合成。典型的聚合酶连锁反应温度设定包括：(1)在95℃持续15～30秒，使DNA变性(denaturation)；(2)与引子在适当的黏合(annealing)温度杂交(hybridization)，持续30秒～60秒；(3)在72℃延展(elongation)或延长(extension)已杂交的引子一段时间，这段时间的长短是依待扩增DNA分子的长度来决定，一般来说大约是30秒～60秒。该变性和杂交的步骤几乎是在一瞬间发生，然而，在传统聚合酶连锁反应仪器中若使用金属加温组件或水作为温度平衡的用，其温度变化的速率大概是1℃/秒。由于在聚合酶连锁反应中尚须加热和冷却DNA分子的外的物质，因此仅靠上述的传统温度循环设计是不足的。附图说明本说明将可由以下的叙述配合附图被更佳地理解，其中：图1揭示符合本揭露的一种示意性小型聚合酶连锁反应装置的结构，及其与一使用者装置的互动关系。图2揭示符合本揭露的一种示意性小型聚合酶连锁反应装置与图1所显示的使用者装置间的接口。图3A显示符合本揭露的四氧化三铁(Fe3O4)奈米粒子于太拉赫兹(terahertz)波长的电磁波吸收频率谱段。图3B显示符合本揭露的四氧化三铁(Fe3O4)奈米粒子于1.3MHz的电磁波吸收频率谱段。图4A为本揭露的实施例1.1中，粒子随时间进程的温度变化。图4B显示符合本揭露的实施例1.1中，粒子在聚合酶连锁反应循环中温度上升的速率。图4C显示符合本揭露的实施例1.1中，粒子在聚合酶连锁反应循环中温度下降的速率。图5A显示符合本揭露的各种奈米粒子随时间进程的温度变化，该奈米粒子在反应溶液中的浓度为1,250百万分率(partspermillion；ppm)。图5B显示符合本揭露的各种奈米粒子随时间进程的温度变化，该奈米粒子在反应溶液中的浓度为2,500百万分率(ppm)。图6显示符合本揭露的聚合酶连锁反应实验结果。主要元件符号说明具体实施方式以下结合图例所提供的详细描述旨在作为对实施例的描述，并不代表为该实施例仅有的构造或利用形式。该描述阐述了该实施例的功能，和该实施例构造与操作的步骤顺序。然而，相同或等同的功能和操作顺序可以通过不同的实施例实现。聚合酶连锁反应的实验程序主要与加热至指定温度有关，该加热过程不但冗长且耗能。在本揭露中，藉由使用电磁波和能吸收电磁波且具有过渡金属材料的粒子作为产热源，就可提升聚合酶连锁反应中的反应混合物的温度，该增温速率约为13℃/秒～15℃/秒，进而使聚合酶连锁反应以更快且更具能源效率的方式在一种微型装置中执行。另外，迅速由一温度转变到另一温度也可确保样本(目标DNA序列)仅在中介温度中有极短停留时间，使该聚合酶连锁反应扩增的DNA分子有最佳的纯度和真实性。本揭露主要涉及一种以聚合酶连锁反应扩增一种反应混合物中的一核酸序列的方法。该方法包含将该反应混合物和粒子接触，该粒子包含一种材料，该种材料包含一种过渡金属(transitionmetal)、一种第三族金属(GroupIIImetal)的氮化物(arsenide)掺杂过渡金属(dopedwithtransitionmetal)、一种第三族金属的磷化物(phosphide)掺杂过渡金属或一种第三族金属的砷化物(arsenide)掺杂过渡金属、或二氧化硅(silicondioxide)掺杂过渡金属。该方法可进一步包含以电磁波照射该种粒子，且该电磁波频率为约200kHz(kilohertz)～500THz(terahertz)，如此该目标核酸序列可被此方法扩增。该种第三族金属可为铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)的任一种。该种过渡金属可为锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)的任一种。该种反应混合物在聚合酶连锁反应中的温度上升速率约为13℃/秒～15℃/秒，而温度下降速率约为6℃/秒～7℃/秒。本揭露更进一步地涉及一种以聚合酶连锁反应扩增一种反应混合物中的一核酸序列的方法。该方法包含将该种反应混合物和粒子接触，该种粒子包含一种材料，该种材料包含一种过渡金属氧化物(transitionmetaloxide)、一种过渡金属氢氧化物(transitionmetalhydroxide)、一种第三族金属化合物掺杂过渡金属(GroupIIImetalcompounddopedwiththetransitionmetal)、一种二氧化硅掺杂过渡金属氧化物(silicondioxidedopedwiththetransitionmetaloxide)、或者一种二氧化硅掺杂过渡金属氢氧化物(silicondioxidedopedwiththetransitionmetalhydroxide)。该种方法可更进一步包含以电磁波照射该种粒子，且该电磁波频率为约200kHz～500THz，该目标核酸序列可被此机制扩增。该种过渡金属、该种过渡金属氧化物或该种过渡金属氢氧化物的一部或全部可由锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)组成。该种反应混合物在该种聚合酶连锁反应中的温度上升速率约为13℃/秒～15℃/秒，而温度下降速率约为6℃/秒～7℃/秒。根据本揭露的一个或多个实施例，该种过渡金属氧化物或该种过渡金属氢氧化物可为下列任一种或多种化合物：氧化亚铁(FeO)、氧化铁(Fe2O3)、四氧化三铁(Fe3O4)、氧(氢氧)化铁(FeO(OH))、氢氧化亚铁(Fe(OH)2)、氢氧化铁(Fe(OH)3)、一氧化锰(MnO)、四氧化三锰(Mn3O4)、三氧化二锰(Mn2O3)、氧(氢氧)化锰(MnO(OH))、二氧化锰(MnO2)、一氧化钴(CoO)、氧(氢氧)化钴(CoO(OH))、四氧化三钴(Co3O4)或一氧化铜(CuO)。根据本揭露的一个或多个实施例，该种粒子可为下列任一种或多种化合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以聚合酶连锁反应扩增一核酸序列的方法，该方法包含：将包含目标核酸的一反应混合物与包含一种过渡金属材料的复数粒子于一反应容器内接触；及以频率约为200kHz～500THz的电磁波照射该复数粒子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.02 US 62/0444131.一种以聚合酶连锁反应扩增一核酸序列的方法，该方法包含：将包含目标核酸的一反应混合物与包含一种过渡金属材料的复数粒子于一反应容器内接触；及以频率约为200kHz～500THz的电磁波照射该复数粒子。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该种过渡金属材料包含一种过渡金属(transitionmetal)、一种过渡金属氧化物(transitionmetaloxide)、一种过渡金属氢氧化物(transitionmetalhydroxide)、一种第三族金属化合物掺杂过渡金属(GroupIIImetalcompounddopedwiththetransitionmetal)、一种二氧化硅掺杂过渡金属氧化物(silicondioxidedopedwiththetransitionmetaloxide)、或一种二氧化硅掺杂过渡金属氢氧化物(silicondioxidedopedwiththetransitionmetalhydroxide)。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该种第三族金属化合物(GroupIIImetalcompound)为一种氮化物(nitride)、一种磷化物(phosphide)或一种砷化物(arsenide)的任一种，且该种第三族金属为铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)的任一种。4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该种过渡金属包含锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)的任一种。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该反应混合物在该聚合酶连锁反应中的温度上升速率约为13℃/秒～15℃/秒。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该反应混合物在该聚合酶连锁反应中的温度下降速率约为6℃/秒～7℃/秒。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该种过渡金属材料包含一种或多种过渡金属氧化物(transitionmetaloxide)和过渡金属氢氧化物(transitionmetalhydroxide)的组合。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该种过渡金属材料包含下列任一种或多种化合物：氧化亚铁(FeO)、氧化铁(Fe2O3)、四氧化三铁(Fe3O4)、氧(氢氧)化铁(FeO(OH))、氢氧化亚铁(Fe(OH)2)、氢氧化铁(Fe(OH)3)、一氧化锰(MnO)、四氧化三锰(Mn3O4)、三氧化二锰(Mn2O3)、氧(氢氧)化锰(MnO(OH))、二氧化锰(MnO2)、一氧化钴(CoO)、氧(氢氧)化钴(CoO(OH))、四氧化三钴(Co3O4)或一氧化铜(CuO)。9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该复数粒子中至少有一个粒子的流体动力直径(hydrodynamicdiameter)约为10奈米(nm)～1,200奈米(nm)。10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该复数粒子中至少有一个粒子的流体动力直径(hydrodynamicdiameter)约为200奈米(nm)～1,200奈米(nm)。11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该复数粒子中至少有一个粒子的流体动力直径(hydrodynamicdiameter)约为60奈米(nm)～150奈米(nm)。12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，照射该复数粒子包含：增加该反应混合物的温度至一第一温度范围约80℃～105℃，并持续约0.5分钟～1分钟，使该目标DNA变性(denature)；增加该反应混合物的温度至一第二温度范围约35℃～65℃，并持续约0.5分钟～1分钟，使一对引子与变性的该目标DNA杂交(hybridize)；增加该反应混合物的温度至一第三温度范围约40℃～80℃，并持续约0.5分钟～5分钟，以延展合成方式(elongationsynthesis)扩增该目标核酸序列。13.一种用于聚合酶连锁反应扩增目标核酸序列的仪器，该仪器包含：一种微处理器被设定为通信耦合至一种使用者输入设备，并由该种使用者输入设备接收指令，且该种微处理器执行该接收指令；一种反应容器与该种微处理器通信耦合并容置聚合酶连锁反应中的试剂和复数粒子；一种温度传感器通信耦合至该种反应容器和该种微处理器；及一种电磁波产生组件通信耦合至该种微处理器并被设定为可导引该种电磁波至该种反应容器，其特征在于，该复数粒子包含一种过渡金属材料。14.如权利要求13所述的仪器，其特征在于，该种电磁波产生组件被设定为可产生100THz～600THz的频率范围的电磁波。15.如权利要求13所述的仪器，其特征在于，该种电磁波产生组件被设定为可产生300THz～400THz的频率范围的电磁波。16.如权利要求13所述的仪器，其特征在于，该种电磁波产生组件被设定为可产生1MHz～2MHz的频率范围的电磁波。17.如权利要求13所述的仪器，进一步包含：一种温度控制回路以控制反应壳体的该种温度传感器；及一种加热控制回路以调整由该种电磁波产生组件所产生的该频率电磁波的强度，其特征在于，该种微处理器耦合至该种温度控制回路及该种加热控制回路。18.如权利要求17所述的仪器，其特征在于，该种微处理器被设定为：增加该种反应混合物的温度至一第一温度范围约80℃～105℃，并持续约0.5分钟～1分钟，使该目标DNA变性(denature)；增加该种反应混合物的温度至一第二温度范围约35℃～65℃，并持续约0.5分钟～1分钟，使一对引子与变性的该目标DNA杂交(hybridize)；增加该种反应混合物的温度至一第三温度范围约40℃～80℃，并持续约0.5分钟～5分钟，以延展合成方式(elongationsynthesis)扩增该目标核酸序列。19.如权利要求13所述的仪器，进一步包含一种无线通信回路以和该种使用者输入设备进行无线通信。20.如权利要求13所述的仪器，其特征在于，该种过渡金属材料包含一种过渡金属(transitionmetal)、一种过渡金属氧化物(transitionmetaloxide)、一种过渡金属氢氧化物(transitionmetalhydroxide)、一种第三族金属化合物掺杂过...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢达斌，黄志嘉，张振旻，李宗儒，张博扬，谢明锜，
申请(专利权)人：谢达斌，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71