适用于PCR装置的光学模块、热循环模块、以及PCR装置

摘要

本发明公开了一种适用于PCR(聚合酶链式反应)装置的光学模块、热循环模块、以及PCR装置，该光学模块包括：一光学单元，前述光学单元包括：一光源组件；一光感组件；及一透镜，且前述透镜表面具有一光栅结构；以及；一承载样品的载台，前述承载样品的载台是设置于前述光学单元下方，且前述透镜是位在前述承载样品的载台与前述光感组件之间；其中，前述光源组件与前述光感组件相对于前述承载样品的载台位在相同侧或相反侧。

说明书

技术领域

本发明是关于一种光学模块、一种热循环模块，且特别是关于一种适用于PCR(聚合酶链式反应)装置的光学模块、一种适用于PCR装置的热循环模块以及一种含此光学模块及/或含此热循环模块的PCR装置。

背景技术

聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction：PCR)，是一项利用核酸双链复制的原理，在生物体外放大特定核酸片段的核酸合成技术。透过这项技术，可在短时间内大量扩增目的基因。PCR是一种简单、廉价和可靠的核酸片段放大方法，已被广泛的应用于生命科学、医疗诊断、法医学领域、食品安全与环境检测等领域。

传统的PCR应由20到35个循环组成，每个循环包括以下3个步骤：

1.变性：利用高温(93-98℃)使双链核酸分离。高温将连接两条核酸链的氢键打断。在第一个循环之前，通常加热长一些时间以确保模板和引子完全分离，仅以单链形式存在。前述步骤时间1-2分钟，接下来机器就控制温度进入循环阶段；

2.退火或称接合、复性：在核酸双链分离后，降低温度使得引子可以结合于单链核酸上。此阶段的温度通常低于引子熔点5℃。错误的退火温度可能导致引子不与模板结合或者错误地结合。前述步骤时间1-2分钟。新技术的融合型核酸聚合酶在此阶段的温度会高于熔点3～5℃，仅需时间5～10秒；以及

3.延伸：核酸聚合酶由降温时结合上的引子开始沿着核酸链合成互补链。此阶段的温度依赖于核酸聚合酶。前述步骤时间依赖于聚合酶以及需要合成的核酸片段长度。

传统的PCR无法针对核酸片段放大后的产物提供实时定量，而必须利用凝胶电泳才能进一步进行定量。有鉴于此，一种可针对核酸片段放大后的产物提供实时定量的Real-time PCR又称Quantitative Real Time Polymerase Chain Reaction(简称RT-PCR或qPCR)乃因应而生。RT-PCR之原理主要是在利用PCR放大核酸片段过程中，加入特定可与双股核酸结合的荧光剂，并以荧光剂侦测每次PCR循环后产物总量的方法，因此随着PCR的循环次数愈多，合成的双股核酸片段越多，侦测到的荧光强度就愈高，一面复制核酸，一面同时侦测荧光讯号之操作机转，有效地缩短了核酸放大分析的时程，并提升了核酸放大定量的准确性。

现有的RT-PCR装置为了侦测每次PCR循环后产物所发出的荧光，其所采用的光源模块无论是穿透式光源模块或反射式光源模块均必须搭配具有弧度的透镜，以强化每次PCR循环后产物被光源模块中的光源照射后所发出荧光强度，并以CCD感光组件侦测，此设计将会导致光源模块尺寸过大而使RT-PCR尺寸缩小化遭遇困难，无法使RT-PCR装置可便利地被携带，对于医疗人员或公卫人员要前往较落后的疫区进行疫情调查有很大的阻碍。

此外，如上所述，PCR的每个循环主要包括高温变性、降温退火以及低温延伸等3个步骤，且每个步骤均只有几分钟至几秒中不等，传统的PCR装置中的热循环模块主要以电阻式加热器或者微波磁控管为主，惟电阻式加热器的升、降温速度太慢，耗时也耗电力，无法满足可携式mobile PCR的需求，而微波磁控管虽可快速升、降温，惟其整体尺寸过大耗电力超大，此设计将会导致热循环模块尺寸过大而使PCR尺寸缩小化遭遇困难，无法使PCR装置可便利地被携带，对于医疗人员或公卫人员要前往较落后的疫区进行疫情调查同样有很大的阻碍。

有鉴于此，一种可满足PCR尺寸缩小化需求的光源模块、一种可满足PCR尺寸缩小化需求的热循环模块、以及含此光源模块及/或含此热循环模块的PCR装置乃业界所迫切需要。

发明内容

本发明的一目的乃公开一种适用于PCR装置的光学模块，包括：一光学单元，包括：一光源组件；一光感组件；及一透镜，前述透镜表面具有一光栅结构；以及；一承载样品的载台，设置于前述光学单元下方，且前述透镜是位在前述承载样品的载台与前述光感组件之间；其中，前述光源组件与前述光感组件相对于前述承载样品的载台位在相同侧或相反侧。

如上所述的适用于PCR装置的光学模块，前述光源组件可为一直下式光源组件或一侧光式光源组件。

如上所述的适用于PCR装置的光学模块，前述光源组件为一直下式光源组件，且前述直下式光源组件包括一直下式发光二极管，前述直下式发光二极管所发出的入射光可直接朝向前述承载样品的载台照射。

如上所述的适用于PCR装置的光学模块，前述光源组件为一侧光式光源组件，且前述侧光式光源组件包括一侧光式发光二极管以及一导光装置，前述导光装置可将前述侧光式发光二极管所发出的侧向入射光导向为朝前述承载样品的载台照射。

如上所述的适用于PCR装置的光学模块，前述透镜表面的前述光栅结构的光栅间距尺寸为微米等级或次微米等级。

如上所述的适用于PCR装置的光学模块，前述光感组件为一光二极管IC

如上所述的适用于PCR装置的光学模块，前述光二极管IC包括一光二极管阵列芯片以及一光感测组件，前述光感测组件整合于前述光二极管阵列芯片的表面，且前述光二极管阵列芯片内包括一光电二极管，前述光电二极管与前述光感测组件电性连接。

本发明的另一目的是公开一种PCR装置，包括一如前述[h1]任一种适用于PCR装置的光学模块。

本发明的又一目的是公开一种适用于PCR装置的热循环模块，前述热循环模块包括一可快速升、降温的半导体加热器

如上所述的适用于PCR装置的热循环模块，前述可快速升、降温的半导体加热器是由横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)或III-V族半导体砷化镓(GaAs)或氮化镓(GaN)制备而得。

本发明的再一目的是公开一种PCR装置，包括一如前述任一种适用于PCR装置的热循环模块。

本发明的更一目的是公开一种PCR装置，包括：一如前述任一种适用于PCR装置的光学模块；以及一如前述任一种适用于PCR装置的热循环模块。

附图说明

图1是根据本发明一实施例所绘示的一种适用于PCR装置的光学模块1000。

图1’是根据本发明另一实施例所绘示的一种适用于PCR装置的光学模块1000’剖面示意图。

图2A是一种直下式光源组件110的剖面示意图，可适用于如图1所示适用于PCR装置的光学模块1000或如图1’所示适用于PCR装置的光学模块1000’。

图2B是一种侧光式光源组件110’的剖面示意图，可适用于如图1所示适用于PCR装置的光学模块1000或如图1’所示适用于PCR装置的光学模块1000’。

图3是一种透镜120的俯视图，可适用于如图1所示适用于PCR装置的光学模块1000或如图1’所示适用于PCR装置的光学模块1000’。

图4是一种光感组件130剖面示意图，可适用于如图1所示适用于PCR装置的光学模块1000或如图1’所示适用于PCR装置的光学模块1000’。

图5是根据本发明一实施例所绘示的一种热循环模块2000的方块示意图。

图6是根据本发明一实施例所绘示的一种含光源模块1000或1000’的PCR装置3000的方块示意图。

图7是根据本发明一实施例所绘示的一种含热循环模块2000的PCR装置4000的方块示意图。

图8是根据本发明一实施例所绘示的一种含光源模块1000或1000’以及含热循环模块2000的PCR装置5000的方块示意图。

其中，附图中符号的简单说明如下：

100 光学单元

110、110’ 光源组件

111 直下式发光二极管

113 侧光式发光二极管

115 导光装置

120 透镜

125 光栅结构

130 光感组件

132 光二极管阵列芯片

134 光感测组件

136 光电二极管

200 载台

250 可快速升、降温的半导体加热器

300 样品

1000 光源模块

2000 热循环模块

3000～5000 PCR装置

具体实施方式

为了使本发明公开内容的叙述更加详细与完备，下文针对本发明的实施方案与具体实施例进行了说明性的描述；但这并非是实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。以下所揭露的各中实施例，在有益的情形下可相互组合或取代，也可在一种实施例中附加其他的实施例，而无须进一步的记载或说明。

实施例

实施例一

首先，请参照图1、图2A～2B、图3以及图4。如图1所示，此适用于PCR装置的光学模块1000，包括：一光学单元100，包括：一光源组件110或110’；一光感组件130；及一透镜120，前述透镜120表面具有一光栅结构125；以及一承载样品的载台200，用以承载一样品300，前述承载样品的载台200是设置于前述光学单元100下方，且前述透镜120是位在前述承载样品的载台200与前述光感组件130之间；其中，前述光源组件110或110’与前述光感组件130相对于前述承载样品的载台200位在相反侧。

如图2A所示，光源组件110为一直下式光源组件，且包括一直下式发光二极管111，前述直下式发光二极管111所发出的入射光可直接朝向前述承载样品的载台200照射。如图2B所示，光源组件110’为一侧光式光源组件，且包括一侧光式发光二极管113以及一导光装置115，前述导光装置115可将前述侧光式发光二极管113所发出的侧向入射光导向为朝前述承载样品的载台200照射。

如图3所示，透镜120表面具有一光栅结构125，且前述光栅结构125的光栅间距尺寸为微米等级或次微米等级，用以强化每次PCR循环后产物被光源模块中的光源照射后所发出荧光强度。

如图4所示，光感组件130为一光二极管IC，且前述光二极管IC包括一光二极管阵列芯片132以及一光感测组件134。其中，前述光感测组件134是整合于前述光二极管阵列芯片132的表面，且前述光二极管阵列芯片132内包括一光电二极管136，前述光电二极管136与前述光感测组件134电性连接。

此适用于PCR装置的光学模块1000，由于透镜120不具有弧度，且搭配使用的光感组件130为一光二极管IC，且前述光二极管IC包括一光二极管阵列芯片132以及一整合于前述光二极管阵列芯片132的表面的光感测组件134，故可提供光学模块1000更小的聚光距离，以达到光学模块尺寸缩小化的目的。

实施例二

首先，请参照图1’、图2A～2B、图3以及图4。如图1’所示，此适用于PCR装置的光学模块1000’，包括：一光学单元100’，包括：一光源组件110或110’；一光感组件130；及一透镜120，前述透镜120表面具有一光栅结构125；以及一承载样品的载台200，用以承载一样品300，前述承载样品的载台200是设置于前述光学单元100下方，且前述透镜120是位在前述承载样品的载台200与前述光感组件130之间；其中，前述光源组件110或110’与前述光感组件130相对于前述承载样品的载台200位在相同侧。

如图2A所示，光源组件110为一直下式光源组件，且包括一直下式发光二极管111，前述直下式发光二极管111所发出的入射光可直接朝向前述承载样品的载台200照射。如图2B所示，光源组件110’为一侧光式光源组件，且包括一侧光式发光二极管113以及一导光装置115，前述导光装置115可将前述侧光式发光二极管113所发出的侧向入射光导向为朝前述承载样品的载台200照射。

如图3所示，透镜120表面具有一光栅结构125，且前述光栅结构125的光栅间距尺寸为微米等级或次微米等级，用以强化每次PCR循环后产物被光源模块中的光源照射后所发出荧光强度。

如图4所示，光感组件130为一光二极管IC，且前述光二极管IC包括一光二极管阵列芯片132以及一光感测组件134。其中，前述光感测组件134是整合于前述光二极管阵列芯片132的表面，且前述光二极管阵列芯片132内包括一光电二极管136，前述光电二极管136与前述光感测组件134电性连接。

此适用于PCR装置的光学模块1000’，由于透镜120不具有弧度，且搭配使用的光感组件130为一光二极管IC，且前述光二极管IC包括一光二极管阵列芯片132以及一整合于前述光二极管阵列芯片132的表面的光感测组件134，故可提供光学模块1000’更小的聚光距离，以达到光学模块尺寸缩小化的目的。

实施例三

如图5所示，本实施例三乃公开一种适用于PCR装置的热循环模块2000，其特征在于前述热循环模块包括一可快速升、降温的半导体加热器250。前述可快速升、降温的半导体加热器250例如但不限于是由横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)或III-V族半导体砷化镓(GaAs)或氮化镓(GaN)制备而得。

本实施例三所公开适用于PCR装置的热循环模块2000，由于使用可快速升、降温的半导体加热器250，除可在PCR每一循环步骤中快速升、降温外，由于其整体尺寸相较于传统的微波磁控管加热器缩小许多，故可达到热循环模块尺寸缩小化的目的。

实施例四

如图6所示，本实施例四乃公开一种含如实施例一所示的光源模块1000或如实施例二所示的光源模块1000’的PCR装置3000。本实施例四所公开的PCR装置3000，由于采用如实施例一或实施例二所示之尺寸缩小化的光源模块1000或1000’，故可使PCR装置尺寸大幅缩小化，达到可被便利携带之目的，对于医疗人员或公卫人员要前往较落后的疫区进行疫情调查有很大的帮助。

实施例五

如图7所示，本实施例五乃公开一种含如实施例三所示的热循环模块2000的PCR装置4000。本实施例五所公开的PCR装置4000，由于采用如实施例三所示之尺寸缩小化的热循环模块2000，故可使PCR装置尺寸大幅缩小化，达到可被便利携带的目的，对于医疗人员或公卫人员要前往较落后的疫区进行疫情调查有很大的帮助。

实施例六

如图8所示，本实施例六乃公开一种含如实施例一所示的光源模块1000或如实施例二所示的光源模块1000’以及一种含如实施例三所示的热循环模块2000的PCR装置5000。本实施例六所公开的PCR装置5000，由于采用如实施例一或实施例二所示的尺寸缩小化的光源模块1000或1000’，以及如实施例三所示的尺寸缩小化的热循环模块2000，故可使PCR装置尺寸大幅缩小化，达到可被便利携带之目的，对于医疗人员或公卫人员要前往较落后的疫区进行疫情调查有很大的帮助。

以上所述仅为本发明较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当权利要求书所界定的范围为准。