CN109486667B - 流体控制及处理卡匣 - Google Patents

Abstract

一种用于一核酸分析装置的流体控制及处理卡匣包括一卡匣本体及一反应芯片。卡匣本体包括多个槽及多个流道，多个槽适于储存至少一试样及多个生化试剂及缓冲液，多个流道与多个槽连接。反应芯片与卡匣本体结合，且包括多个检测槽、至少一主要流体通道及至少一气体释放流道，主要流体通道与检测槽连接且适于将试样分配至检测槽中，气体释放流道与检测槽连接且适于将气体自检测槽释放。

Description

流体控制及处理卡匣

技术领域

本发明涉及一种流体控制及处理卡匣，尤其涉及一种用于核酸分析装置的流体控制及处理卡匣。

背景技术

体外诊断(In vitro diagnostics,IVD)在现代医疗实务中越来越重要。近年来，由于快速诊断和医疗机构去中心化的需求，能够以最少的受训技术员和人为错误在现场进行检测的实时就地照护检测(Point-of-care-test,POCT)技术被广泛利用于许多应用。一般而言，POCT是指可以在床边进行的简单医学检查，亦即在照护患者的时间和地点，通过特殊设计的装置和抛弃式测试片或卡匣来进行。多种用来实现POCT的技术已经被开发，包括生物化学、免疫学和分子生物学技术，其中，分子诊断被认为是最有希望主导未来市场的技术。

传统分子诊断是由训练有素的技术人员在中心实验室利用复杂的设备并依照一是列默认程序来进行。此外，大多数中心实验室检测仅在有整体操作时间和成本有效性的需求时，会收集大量试样进行高通量检测。可提供另一选择的是，POCT平台将这些设备整合在桌上型或手持尺寸的装置中，并强调其便携性和灵活性。大部分基于分子操作的POCT装置在进行诊断时会与抛弃式卡匣配合使用，并且实际上有部分原先存在于对应仪器的功能从平台上移除，且被整合到抛弃式卡匣的流体回路内。

因此，抛弃式卡匣的发展在POCT产品发展上占有相当重要的地位，故有必要提供一种可用于全功能整合式(all-in-one)核酸分析装置的卡匣设计，以实现及改良POCT。

发明内容

本发明的一实施例的目的在于提供一种用于核酸分析装置的流体控制及处理卡匣，以精准地控制卡匣中的流体流向及动态流体行为，由此促进核酸扩增及检测。

为达上述目的，本发明的一实施例提供一种用于一核酸分析装置的流体控制及处理卡匣，包括一卡匣本体、以及一反应芯片。卡匣本体包括多个槽及多个流道，多个槽适于储存至少一试样及多个生化试剂及缓冲液，多个流道与多个槽连接；反应芯片与卡匣本体结合，且包括多个检测槽、至少一主要流体通道及至少一气体释放流道，主要流体通道与检测槽连接且适于将试样分配至检测槽中，气体释放流道与检测槽连接且适于将气体自检测槽释放。

在一实施例中，气体释放流道相较主要流体通道明显较窄。

在一实施例中，主要流体通道包括多个宽流道部、多个窄流道部及多个槽入口流道。

在一实施例中，每一宽流道部与多个检测槽其中的一个对位，并经由对应的槽入口流道与对应的检测槽连接，且每一窄流道部连接于两个相邻的宽流道部之间。

在一实施例中，窄流道部的流阻高于宽流道部和槽入口流道的总流阻。

在一实施例中，窄流道部的流阻高出宽流道部和槽入口流道的总流阻达2至20倍。

在一实施例中，气体释放流道的流阻高出窄流道部的流阻达2至500倍。

在一实施例中，槽入口流道的截面积相较于宽流道部明显较小。

在一实施例中，反应芯片设置于卡匣本体的一侧。

在一实施例中，每一检测槽具有至少一平面。

在一实施例中，反应芯片的形状大致上为正多边形。

在一实施例中，反应芯片还包括至少一试样加载孔，用于加入试样于卡匣中。

在一实施例中，反应芯片还包括多个试样加载孔，用于加入不同试样于卡匣中。

在一实施例中，卡匣安装于核酸分析装置的一槽体中，反应芯片包括至少一对位槽，至少一对位槽可与槽体上的至少一定位件相对位。

在一实施例中，反应芯片包括至少一试样入口，且卡匣本体包括至少一与试样入口连接的管道，以将试样输送至反应芯片。

在一实施例中，卡匣本体还包括设于其底面的多个开口，且开口通过流道与槽相连通。

在一实施例中，检测槽的底部或顶部至少其中的一个包括可供光通过的一透光薄壁或薄膜。

在一实施例中，检测槽具有可供光通过的一透光前壁。

本发明的有益效果在于，用于核酸分析装置的流体控制及处理卡匣具有设计良好的流道几何形状，可精准地控制反应芯片中的流体流向及动态流体行为，使得试样可依序且平顺的分配至每一检测槽，由此促进后续的核酸扩增及检测。再者，通过多重检测槽及多重光学单元的排列设置，使得多重槽的多重化核酸分析及多重颜色的多重化检测皆可被达成。

附图说明

图1显示本发明实施例的核酸分析装置示意图。

图2显示图1槽体开启的核酸分析装置。

图3显示适配器匣与底部槽体间的锁固与松脱机制。

图4及图5显示不同角度的卡匣。

图6显示反应芯片的俯视图。

图7显示当流体流过宽流道部并进入窄流道部及槽入口流道时的流体回路示意图。

图8A及图8B显示当第一检测槽填满时的流体回路示意图。

图9显示适配器匣的液体分配及油封程序。

图10显示检测槽的剖面图。

图11显示核酸分析装置的槽体内部结构。

图12显示旋转驱动单元、卡匣及光学单元的结构。

图13显示核酸分析装置的操作流程图。

图14显示可检测多个试样的多对一卡匣。

图15显示三对一卡匣的液体分配及油封程序。

附图标记如下：

1：槽体

11：顶部槽体

12：底部槽体

121：腔室

13：铰链

14：扣件

141：卡勾部

15：松脱环

151：凸部结构

16：松脱致动器

17：定位件

2：流体输送单元

3：温度控制单元

31：加热器

32：散热器

33：扇叶

4：旋转驱动单元

41：卡匣夹具

411：磁力件

5：光学单元

51：光源

52：光检测器

6：卡匣

61：卡扣槽

62：反应芯片

621：检测槽

622：主要流体通道

623：对位槽

624：试样载入孔

625：试样入口

626：试样出口

627：薄壁或薄膜

628：薄膜

629：前壁

63：卡匣本体

631：槽

632：流道

633：开口

634：管道

64：磁性物

71、71’：宽流道部

72：窄流道部

73：槽入口流道

74：气体释放流道

740：末段

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上为说明之用，而非用以限制本发明。

本发明实施例提供一种全功能整合式(all-in-one)的核酸分析装置，其采用等温扩增方式，将流体输送单元、温度控制单元、旋转驱动单元及光学单元等整合在单一装置上，使得试样纯化、核酸萃取、核酸扩增及光学检测等流程可在此全功能整合式的装置上进行，以实现实时核酸分析。特别是，本发明实施例提供一种用于核酸分析装置的流体控制及处理卡匣，其可精准地控制卡匣中的流体流向及动态流体行为，以促进后续的核酸扩增及检测。

图1显示本发明实施例的核酸分析装置示意图，图2显示图1的核酸分析装置，其中核酸分析装置成开启状态，且卡匣自核酸分析装置中移出。如图1及图2所示，核酸分析装置100包括一槽体1、一流体输送单元2、一温度控制单元3、一旋转驱动单元4及至少一光学单元5。槽体1可被开启，以安装一流体控制及处理卡匣6于其中。在一实施例中，流体控制及处理卡匣6可为一抛弃式卡匣。流体输送单元2与槽体1内部连接，并适于输送卡匣6内的试剂，以进行试样纯化及/或核酸萃取。温度控制单元3设置于槽体1内，并适于提供默认温度，以进行核酸扩增。旋转驱动单元4与槽体1连接，且适于以一默认程序在槽体1内旋转卡匣6。在一实施例中，旋转驱动单元4可在需要时夹持卡匣6。至少一光学单元5设置于槽体1上，并包括多个光学组件以进行检测，例如核酸检测或试样反应检测。

在一实施例中，槽体1包括一顶部槽体11及一底部槽体12。顶部槽体11与底部槽体12通过一铰链(hinge)13连接，但不以此为限。底部槽体12具有一腔室121，特别设计用以安装卡匣6于其中。顶部槽体11可被开启，使得卡匣6可放置于底部槽体12的腔室121中，当顶部槽体11关闭后，槽体1内便形成一封闭空间。

在一实施例中，槽体1的形状可为但不限于圆柱状、球状、立方体、圆锥体或橄榄状，且槽体1可由但不限于金属、陶瓷、聚合物、高分子化合物、木材、玻璃或其他可提供良好热隔绝的材质所制成。

底部槽体12通过管件或流道与流体输送单元2连接，当卡匣6安装于底部槽体12中时，卡匣6会被锁固且与流体输送单元2紧密接触，以避免泄漏。举例来说，卡匣6可通过至少一固定组件锁固于底部槽体12，其中固定组件可例如包括一扣件(clip)，但不以此为限。

图3显示适配器匣与底部槽体间的锁固与松脱机制。如图2及图3所示，卡匣6的柱状本体上包括至少一卡扣槽61，而底部槽体12包括至少一扣件14、一松脱环15及一松脱致动器16。扣件14的底部固定，且顶部具有一卡勾部141。扣件14可由聚合物或具有弹性的金属片所构成。当卡匣6放置于底部槽体12的腔室121中时，使用者可下压卡匣6使扣件14的卡勾部141与卡匣6的卡扣槽61相卡合及锁固，由此使得卡匣6与流体输送单元2紧密接触。松脱环15环绕卡匣6的柱状本体，且抵靠于卡勾部141的底面。松脱环15可滑动一段距离，且连接于松脱致动器16，例如电磁阀致动器。当要松脱卡匣6时，只要触发松动致动器16去拉引松脱环15，便可使松脱环15上的凸部结构151推抵扣件14，以将卡勾部141与卡扣槽61分离，进而使卡匣6松脱。

在一实施例中，扣件14可由使用者手动操作，或是由装置依据指令进行自动化操作。当然，锁固与松脱机制不限于上述的扣件14，亦可为其他可锁固与松脱卡匣6的固定组件。

图4及图5显示不同角度的卡匣。如图4及图5所示，卡匣6包括一用于核酸扩增及检测的平面型反应芯片62，以及一包括多个槽631及多个流道632的卡匣本体63，多个流道632与多个槽631连接，以供试样处理、纯化及核酸萃取的流体输送(图4仅显示部分槽631及流道632，以避免太多线条造成附图不清)。在一实施例中，生化试剂及缓冲液预先加载卡匣本体63中并储存于槽631中，而试样经由反应芯片62顶面的一试样载入孔624加入卡匣6中并储存于其中一槽631中。在一实施例中，卡匣本体63可为但不限于圆柱状本体。卡匣本体63还包括设于卡匣本体63底面的多个开口633，且开口633通过流道632而与槽631相连通。开口633的形状可为但不限于圆形、长方型或其他规则或不规则形状。

在一实施例中，反应芯片62包括一平面型流体芯片，且设置于卡匣本体63的一侧，例如卡匣本体63的顶部。反应芯片62与卡匣本体63结合，且包括多个检测槽621、至少一主要流体通道622及至少一气体释放流道74(显示于图6)。检测槽621供核酸扩增及检测，主要流体通道622与检测槽621连接且适于将试样分配至检测槽621中，气体释放流道74则与检测槽621连接且适于将气体自检测槽621释放。在一实施例中，检测槽621内有供核酸扩增及/或检测的试剂。举例来说，检测槽621可涂布供核酸扩增及/或检测的试剂，例如包括不同荧光染料的试剂。

在一些实施例中，反应芯片62及卡匣本体63的材质可为但不限于金属、热塑性材质、玻璃、橡胶及硅胶。卡匣本体63可为刚性或可变形，其取决于流体驱动方法。

在一些实施例中，反应芯片62及卡匣本体63的制造方法可为但不限于计算机数控加工(CNC machining)、3D打印(或称加法制造(additive manufacturing))、射出成型(inject molding)、层层堆栈(layer-to-layer stacking)、热压成型(hot embossing)、雷射剥蚀(laser ablation)、热塑成型(thermoforming)、光光刻(photolithography)、软光刻(soft lithography)、电子束光刻(e-beam lithography)或任何前述方法的组合。

在一些实施例中，反应芯片62及卡匣本体63预先结合在一起，且结合方法可为但不限于热结合(thermal bonding)、溶剂结合(solvent bonding)、黏剂结合(adhesivebonding)、超音波结合(ultrasonic bonding)、雷射焊接(laser welding)或任何前述方法的组合，以形成永固结合结构。而在一些实施例中，反应芯片62及卡匣本体63则原先是分离的，再由使用者利用设计于彼此间的结构将其结合，例如扣合或以螺丝固定。

检测槽621的数量并不受限，且本发明装置可进行多重化(multiplexing)的核酸分析。在一实施例中，反应芯片62的形状大致上为正多边形，使得反应芯片62具有多个呈平面的侧面，可与光学单元5呈直线排列而有助于光线聚焦。平面侧面的数量取决于检测槽621的数量。当然，反应芯片62的形状不限于正多边形，其可为圆形或其他形状，因为通过光学单元5的光学组件的排列，亦可使光线聚焦于检测槽621中的试样中。

在一实施例中，反应芯片62还包括至少一对位槽623，且底部槽体12还包括至少一定位件17(如图2所示)，定位件17例如包括一定位销。当卡匣6放置于底部槽体12的腔室121中时，卡匣6的对位槽623对位于底部槽体12的定位件17，可有助于卡匣6更容易装载，且通过此对位，卡匣6即可经由底部槽体12的流道或管件而与流体输送单元2自行对位，且每一光学单元5会与检测槽621其中的一个呈直线排列。在一实施例中，每一检测槽621具有至少一平面。举例来说，检测槽621的形状可为矩形，且在核酸检测过程中，检测槽621具有一平面与光学单元5的光源51呈直线排列，以及另一平面与光学单元5的光检测器52呈直线排列。

在运作过程中，一旦试样被加载，卡匣6即被放置入核酸分析装置100，并由流体输送单元2进行流体处理。流体输送单元2与卡匣6同时运作，以进行试样纯化、核酸萃取及流体输送，进而实现全自动装置。流体输送可但不限于经由气动(pneumatic)、真空(vacuum)、活塞(plunger)、腔室变形(chamber deformation)、热膨胀(thermal-inducedexpansion)、声波力(acoustics)、离心力(centrifugal force)或其他可在卡匣本体63内完成试样处理的方法来实现。

在一实施例中，流体以气动方式经由微管道及孔洞来驱动。举例来说，流体输送单元2类似于本发明申请人于2016年7月22日申请的中国台湾专利申请案号105123156(主张新加坡专利申请案号10201605723Y的优先权，申请日为2016年7月13日)所述的流体整合模块，且前述申请案全体内容并于此作为公开内容且不再于此赘述。简要来说，本发明实施例的流体输送单元2包括中国台湾专利申请案号105123156所述的流体歧管部、旋转阀定子、旋转阀转子、旋转阀壳体及流体源。流体歧管部具有多个微管道，经由卡匣6的底部开口633而与卡匣6的槽631连接。由于旋转阀定子及旋转阀转子上的穿孔及/或沟槽在旋转阀转子转动时有相应的对位关系，当旋转阀转子转动至不同位置时，可实现多重流体路径的切换，进而调控卡匣6的流体运作。因此，储存于卡匣6中的试剂便可通过流体输送单元2的帮浦提供的气动力而输送到欲输送的位置，进而自动化地执行试样纯化及核酸萃取流程。当然，流体输送单元不限于上述的设计，任何其他形式的流体输送单元，只要能够实现卡匣6内多重流体输送及路径切换功能，皆不脱离本发明公开的范围。

在完成试样纯化及核酸萃取后，具有萃取核酸的试样会被分配至卡匣6的检测槽621中，以进行后续的核酸扩增及检测。图6显示反应芯片62的俯视图。反应芯片62包括至少一试样入口625及至少一试样出口626。卡匣本体63包括至少一与反应芯片62的试样入口625连接的管道634(显示于图4)。一旦试样处理完成，具有萃取核酸的试样即经由管道634及试样入口625输送至反应芯片62，以进行核酸扩增及检测。

主要流体通道622经特别设计，以将试样均匀地分配到每个检测槽621中，并充分填满检测槽621且无气泡。如图4及图6所示，主要流体通道622包括多个宽流道部71、71’(71’表示下一个宽流道部)、多个窄流道部72及多个短的槽入口流道73。每一宽流道部71、71’与一检测槽621对位且经由对应的槽入口流道73与检测槽621连接，而每一窄流道部72连接于两个相邻的宽流道部71、71’之间。一旦液体试样通过压力差驱动从试样入口625馈入，液体会首先填充于对应第一检测槽621的宽流道部71，接着，液体进一步沿着主要流体通道622流动，且因为突然紧缩的流道截面积导致的高流阻(flow resistance)而被延迟。此时，液体会经由槽入口流道73进入检测槽621，且检测槽621中残留的气体会被流入的液体经由气体释放流道74推出并流向相邻的检测槽621。由于流道的表面原先即呈疏水性或经处理而呈疏水性，故微细流道中的表面张力实质上会排斥液体流入。因为气体释放流道74相较其他所有流道71、71’、72、73明显较窄，使得液体很难流入气体释放流道74，因此，存在气体释放流道74中的残留气体也同时隔离每一检测槽621，且避免试样在相邻检测槽621之间产生污染。当检测槽621被液体填满时，流体便会进一步克服窄流道部72的流阻而进到对应下一个检测槽621的下一个宽流道部71’，进而填满下一个检测槽621，且这些动作会重复进行直到所有检测槽621依序被填满。最后，残留的液体会从主要流体通道622被抽出，且例如油或液体蜡等不会与试样相溶的流体接着被注入主要流体通道622，在此步骤中，槽入口流道73即作为毛细管阀，可避免试样自检测槽621中流出。因此，填满已纯化试样的检测槽621便被隔离，且由不相溶的流体所密封，进而避免彼此间的污染，且减少核酸扩增过程中的试样蒸发。

在一实施例中，气体释放流道74与每一检测槽621直接连接而无任何分支存在，且大体上呈圆形。此外，气体释放流道74的末段740与最后的检测槽621及流向试样出口626的流道连接，以供最后的检测槽621的气体释放。

根据古典哈根-波苏拉(classical Hagen-Poiseuille)方程序，在低雷诺数(Reynolds number)条件下，矩形流道中的压力驱动流由下式表示：

ΔP＝RQ＝αμQL/WH³ (1)

其中ΔP是驱动压力梯度，R是流阻，Q是体积流率，L、W和H分别表示流道长度、宽度和高度，μ是流体黏度，α是取决于长宽比的无因次参数，

α＝12[1-(192H/π⁵W)tanh(πW/2H)]-1 (2)

从式(1)可得出下列流阻

R＝ΔP/Q＝12μL/WH³(1-0.63H/W)＝μa (3)

其中

a＝12L/WH³(1-0.63H/W) (4)

从式(3)及(4)可清楚得知，流阻直接取决于两个因素，即流体黏度和流道几何形状。对于选定的流体，可通过计算参数a来估算所设计流道的流阻，并利用流阻来估算流体通过流道所需的时间。在流体回路中，整体流阻遵循奥姆定律。举例来说，当液体流过宽流道部71并进入窄流道部72时，窄流道部72的高流阻会显著滞迟大部分流速，并因此使流体切换到槽入口流道73的低流阻路径。在窄流道部72的流阻高于宽流道部71和槽入口流道73的总流阻，且通常前者高出后者达2至20倍。图7显示当流体流过宽流道部71并进入窄流道部72及槽入口流道73时的流体回路示意图。下标L和G分别表示液体流体和气体流体，W表示检测槽621，而71至74表示图6所示的不同流道部位。由于气体黏度通常比液体黏度低上千倍，故相较于填充液体的相同流道的流阻，气体相关的流阻可忽略不计。上述计算是基于高韦伯数(Weber number)条件下的假设，在该条件下，流体的惯性力比表面张力引起的毛细作用力强得多。在流体分配于检测槽621步骤完成而抽出流体时，可通过控制流速使得毛细作用力起到阻止槽入口流道73处的流体流动的作用。

一旦分配的试样占填了检测槽621，原本在槽内的气体便会经由气体释放流道74被推出并流向相邻的检测槽621。为了使流入气体释放流道74的液体最少化，气体释放流道74的截面积比其他所有流道明显较小。也就是说，气体释放流道74是设计用于释放气体且对于液体流动具有极高的流阻，因此气体释放流道74选择性地通过气体而排斥液体流入。图8A及图8B显示当第一检测槽621填满时的流体回路示意图。如图8A所示，气体释放流道74的流阻远大于其他所有流道的流阻，因此可假设为液体流动在此处中断，如图8B所示。气体释放流道74的流阻通常高出窄流道部72的流阻达2至500倍，在此情况下，当施加外部驱动压力时，流体会缓慢地通过窄流道部72并抵达下一个检测槽621的入口处。由于经由气体释放流道74的路径被阻断，填充下一个检测槽621的唯一方向便是经由下一个检测槽621的槽入口流道73。

通过上述方法即可谨慎设计流道几何形状，以精准控制反应芯片62中的流体方向及动态流体行为。至于残留试样的抽出，也可谨慎控制流速以利用槽入口流道73作为毛细管阀。而在大部分仪器中，帮浦压力会因硬件特性而受限于一定范围内。若采用本发明方法，经由计算每一阶段的动态流体回路来设计流道几何形状，便可使抽出压力与分配压力相同，并可利用相同帮浦来执行。换句话说，通过良好设计的流道几何形状，分配流体及抽出流体即可由相同的驱动源来驱动。在一些实施例中，根据***中的压力分布，在每一检测槽621的流道几何形状也可能不尽相同。

图9显示适配器匣的液体分配及油封程序。卡匣6利用一压电微帮浦来将液体试样从卡匣本体63经由试样入口625输送至反应芯片62。如图9的次图a、b、c所示，液体试样可依序且平顺地经由宽流道部71、71’、窄流道部72及槽入口流道73分配至每一检测槽621。在每一检测槽621填满后，残留的液体试样便经由试样出口626抽出，以移除在宽流道部71、71’及窄流道部72的液体试样，但保留液体试样在检测槽621中，且接着利用不互溶的油或液体蜡分隔每一检测槽621，如图9的次图d所示。由于油可透光且反射率接近反应芯片62的透光材质(热塑性材质)的反射率，在图9的次图d中的主要流体通道622像被隐形了，虽然不容易观察到，但显示油封程序是成功的。因此可清楚得知，通过本发明实施例所设计的流道几何形状，反应芯片62上的流体流动确实可被精准控制。

在每一检测槽621中，干式试剂可预先加载，使每一检测槽621可作为独立的反应单元。在一些实施例中，每一反应芯片62包括2至100个检测槽621，因此可实现多重化检测(multiplexing detection)。一旦试样分配完成，干式试剂便于检测槽621中与试样混合并溶于试样中。通过控制分配流体速率及溶解速率，即可避免相邻检测槽621之间的污染。另外，每一检测槽621中的干式试剂也可用对核酸友善的化学物覆盖，例如石蜡(paraffin)。一旦试样分配完成，覆盖的化学物便会在加热过程达到的某一温度下溶解，使覆盖于其下的试剂释放出来并进一步混合。

在一些实施例中，每一检测槽621的体积为1μL至200μL。检测槽621的设计也有利于光学检测。图10显示检测槽621的剖面图。试样从宽流道部71、71’分配而来，并经由槽入口流道73填入检测槽621中。槽入口流道73的截面积相较于宽流道部71、71’明显较小，故可作为无源流动控制的毛细管阀。在一些实施例中，检测槽621在制造过程中即具有一薄壁627于底面，且反应芯片62的顶面以一薄膜628密封，以形成封闭槽体。在一些实施例中，反应芯片62具有穿透的检测槽621，再将检测槽621以顶部薄膜628及底部薄膜627密封。底部薄壁或薄膜627包括光学壁或光学膜，其可确保激发光有效经由底部薄壁或薄膜627抵达检测槽621。同时，检测槽621具有光学前壁629，故由试样发出的荧光信号可低损失地穿过检测槽621的前壁629，并维持高信噪比(S/N ratio)。在一实施例中，底部薄壁或薄膜627及前壁629可透光以供光通过。在一些实施例中，检测槽621的底部或顶部至少其中的一个包括可供光通过的透光薄壁或薄膜。在一些实施例中，***中未使用具有光学倍率(折光率或屈光率)的光学组件，换言之，除了光学薄壁或薄膜外，***中不具有任何透镜或镜子。

图11显示核酸分析装置的槽体内部结构，其中流体输送单元2被移除且槽体1及旋转驱动单元4的轮廓以虚线表示，以更清楚显示槽体1内部结构。如图2及图11所示，温度控制单元3包括一加热器31、一散热器32及多个扇叶33。散热器32包括多个散热片，环绕加热器31设置并安装于加热器31上，使得加热器31产生的热能可快速散布。扇叶33安装于旋转驱动单元4上并由旋转驱动单元4所驱动，且扇叶33旋转产生流向散热器32的气流，以加速封闭槽体1内的热混合。

在一些实施例中，核酸分析装置100可设计用于以等温方式进行的核酸扩增，故只需要固定温度，而无须进行三个不同温度区间的热循环控制，因此，温度控制单元3可显著简化。此外，核酸分析装置100的槽体1设计为具有良好的热隔绝，可使得内部温度易于维持。一旦槽体1处于均一的温度环境，从检测槽621及试样流向环境的热散失可被最小化，且在核酸扩增及/或检测过程中，无论卡匣6是在转动或静止状态，整体封闭的槽体1及每个检测槽621中的试样均大致温度相同。

温度控制单元3于操作过程中提供槽体1内部所需的温度，其中温度控制不受检测槽621的数量及形状影响。在一实施例中，温度控制单元3还包括至少一温度传感器，用以控制温度的准确度。

在一实施例中，温度控制单元3是以非接触方式对试样进行加热，例如热空气对流、热散、红外线加热、微波加热或雷射加热，但不以此为限。

可替代地，温度控制单元3亦可通过接触加热方式对试样进行加热。在一实施例中，温度控制单元3设置在底部槽体12中，且检测槽621及其中的试样是以热传导方式由温度控制单元3进行直接加热。

在一实施例中，温度控制单元3包括可分离的加热器，其可在扩增期间接触检测槽621，以达到优良热传导的目的，且加热器可在必要时从卡匣6上移除，使得卡匣6可进行转动。

旋转驱动单元4安装于顶部槽体11上。旋转驱动单元4可为但不限于马达，且其亦可为电磁装置、手动操作、弹簧、发条装置或其他组件，并可夹持且以预设角度旋转卡匣6，以及依序使每一检测槽621通过并对位于每一光学单元5。在一实施例中，旋转驱动单元4包括一步进马达，可以不同模式驱动扇叶33及卡匣6的旋转。

图12显示旋转驱动单元4、卡匣6及光学单元5的结构。如图2及图12所示，旋转驱动单元4还包括一卡匣夹具41，用以夹持并旋转卡匣6。一旦卡匣6被夹持，即可由旋转驱动单元4驱动而于槽体1内旋转。有多种机制可实现卡匣6的夹持与松脱。在一实施例中，卡匣夹具41包括一磁力件411，磁力件411例如包括一磁铁，相应地，卡匣6在制造过程中可于反应芯片62中包埋一磁性物64，磁性物64例如包括一铁片。当卡匣6由扣件14锁固时，卡匣6顶面与卡匣夹具41之间存在有约0.5mm至3mm的微小间隙，且在此情况下，旋转驱动单元4仅驱动扇叶33的旋转。而一旦卡匣6与扣件14松脱，磁力件411与磁性物64间的磁力会致使卡匣6往卡匣夹具41移动，使得卡匣6被旋转驱动单元4的卡匣夹具41所夹持及固定，因此卡匣6可在核酸扩增及/或检测期间在槽体1中自由旋转，且卡匣6底面与流体输送单元2之间存在有一微小间隙。

在其他实施例中，卡匣夹具41亦可为电磁装置、螺丝、螺帽、压配部件(press-fitted parts)、摩擦部件(frictional parts)、握件(grip)、钳子(pincer)、环氧树脂(epoxy)、化学键结(chemical bonding)或其他形式，只要其能依据使用需求夹持卡匣6即可。

在本发明的一实施例中，核酸分析装置100包括多个光学单元5。光学单元5包括如光源、透镜、滤镜及光检测器等光学组件，以实现光学检测，使得试样在核酸扩增期间可被实时检测。如图11及图12所示，光学单元5包括至少一光源51及至少一光检测器52。光源51，例如包括发光二极管(light emitting diode,LED)，包埋于槽体1中，且在操作过程中，每一光源51会与卡匣6的检测槽621其中的一个对位，以提供有效光源进行检测。一旦卡匣6被夹持，光检测器52，例如包括光电二极管(photodiode)，会与卡匣6的检测槽621其中的一个呈直线排列，以进行检测并取得分析结果。卡匣6的旋转可使每一检测槽621依序通过不同的光学单元5，在本发明的一实施例中，每一光学单元5可提供一独特波长的光，由此提供不同颜色的光进行荧光检测，使核酸分析装置100可同时检测多个目标并实现多重化检测。

在一实施例中，核酸分析装置100包括一控制器，以控制流体输送单元2、温度控制单元3、旋转驱动单元4及光学单元5的操作。在一实施例中，控制器亦可控制扣件14的松脱。

由于采用等温扩增方式，使得整体***可显著简化，也因此使得核酸分析装置100可小巧化设计，甚至小于一般茶杯。在一实施例中，核酸分析装置100的高度介于100mm至120mm之间，宽度介于80mm至100mm之间。由于核酸分析装置100为茶杯尺寸，故便于携带且适合用于POC诊断。

在一实施例中，核酸分析装置100针对等温扩增所设计，故可用于进行所有的等温扩增方法，例如依赖核酸序列扩增技术(nucleic acid sequence-based amplification,NASBA)、链置换扩增技术(strand displacement amplification,SDA)、解旋酶扩增技术(helicase-dependent amplification,HAD)、环型等温扩增技术(loop-mediatedisothermal amplification,LAMP)、重组酶聚合酶扩增技术(recombinase polymeraseamplification,RPA)及切口酶扩增技术(nicking enzyme amplification reaction,NEAR)。

图13显示核酸分析装置的操作流程图，其中粗线箭头指出操作流程，白色方框表示数个主要作动，白色菱形框显示完成操作的主要步骤，灰框表示装置的核心硬件组件，由控制器至核心硬件组件的通信以虚线箭头标示，由核心硬件组件产生默认功能的反应则由细线箭头标示。核酸分析装置100的操作流程将配合图1至图13说明如下。

第一步骤执行手动操作。核酸分析装置100的顶部槽体11被开启。试样经由反应芯片62的试样加载孔624加入卡匣6中，其中，用于试样纯化及核酸萃取的试剂已预先加入卡匣本体63的槽631中。在试样加入卡匣6后，卡匣6即被装载于底部槽体12中，且一旦卡匣6放置于底部槽体12的腔室121中时，底部槽体12上的定位件17可协助卡匣6与流体输送单元2自行对位。此外，通过下压卡匣6，可使扣件14锁固卡匣6并使卡匣6紧密接触流体输送单元2。接着关闭顶部槽体11以进行试样处理。

第二步骤执行试样纯化及核酸萃取。在此步骤中，试样处理程序是在卡匣6中进行，且如生化缓冲液等试剂借助流体输送单元2输送至欲输送的位置。在试样纯化及核酸萃取完成后，具有萃取核酸的试样便被分配到卡匣6的检测槽621，以进行后续的核酸扩增及/或检测。

第三步骤由温度控制单元3对槽体1进行加热。在此步骤中，加热器31被启动以进行加热。旋转驱动单元4驱动扇叶33的旋转，以调和槽体1内部的温度，并产生流向散热器32的气流，以加速封闭槽体1内的热混合。此外，温度传感器可监控试样温度。

第四步骤执行核酸扩增及核酸检测。当试样温度达到默认值时，扇叶33便停止转动且扣件14被解除锁固状态以松脱卡匣6，在此同时，加热器31仍持续运作以维持温度。接着，卡匣夹具41将卡匣6夹持住，且开始进行等温扩增。一旦卡匣6被夹持，卡匣6即可由旋转驱动单元4驱动而在槽体1内旋转。卡匣6可旋转一特定角度，使得检测槽621与光学单元5对位并静止一小段时间(例如200毫秒)以进行检测。由此，每一检测槽621可通过具有不同颜色的一系列光源，且发射光可被光检测器52(例如光电二极管)所检测。

检测完成后，将检测结果经由USB、蓝芽或网络传送至云端或数字装置，例如个人计算机、平板或智能型手机，并开启槽体1以将卡匣6丢弃。

在上述实施例中，卡匣6示范为一对一卡匣，亦即每次检测一个试样。然而，在一些实施例中，卡匣6可具有多于一个的试样加载孔624，卡匣6亦可为多对一卡匣，亦即每次检测多个(例如X个)试样。图14显示可检测多个试样的多对一卡匣，例如八对一卡匣。反应芯片62包括八个试样加载孔624，用以加入八个不同试样于卡匣6中。在卡匣本体63及反应芯片62中，整体内部空间被区分为八个子部分，每个子部分负责一个试样的处理和检测。在一些实施例中，子部件可共享一些通用槽，例如废液槽。因此，当单一卡匣安装在核酸分析装置中时，多对一卡匣可具有弹性的通量(flexible throughput)，用户无须变动装置，即可加入数种不同试样于单一卡匣中进行检测，从而具有弹性通量(1～X)且不增加硬件成本，故利用本发明实施例提供的卡匣及装置即可作为达成中高通量的简便又经济的技术方案。图15显示三对一卡匣的液体分配及油封程序。此卡匣空间被分成三个子部分，液体分配及油封程序依序以顺时针方向在这三个子部分中进行，三个子部分中的有色液体即代表加入卡匣6的三个不同试样萃取物。

综上所述，本发明实施例提供一种全功能整合式(all-in-one)的核酸分析装置，其可应用于等温扩增方式，并将流体输送单元、温度控制单元、旋转驱动单元及光学单元整合在单一装置上，使得试样纯化、核酸萃取、核酸扩增及/或核酸分析等流程可在此全功能整合式的装置上进行，以实现实时核酸分析，因此，本发明实施例的核酸分析装置提供了简便且快速的核酸分析。特别是，在一些实施例中，用于核酸分析装置的流体控制及处理卡匣具有设计良好的流道几何形状，可精准地控制反应芯片中的流体流向及动态流体行为，使得试样可依序且平顺的分配至每一检测槽，由此促进后续的核酸扩增及检测。再者，通过多重检测槽及多重光学单元的排列设置，使得多重槽的多重化核酸分析及多重颜色的多重化检测皆可被达成。此外，由于整体***显著简化，使得核酸分析装置可小巧化设计，因而便于携带且适合用于POC诊断，也显著降低了核酸分析的成本。另外，核酸分析装置具有良好的灵敏度与专一性，以及弹性的检测通量。

纵使本发明已由上述实施例详细叙述而可由本领域技术人员施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附权利要求所欲保护者。

Claims (15)

1.一种用于一核酸分析装置的流体控制及处理卡匣，包括：

一卡匣本体，包括多个槽及多个流道，该多个槽适于储存至少一试样及多个生化试剂及缓冲液，该多个流道与该多个槽连接，且该多个流道与一帮浦连接，以通过该帮浦提供的气动力来驱动流体输送；以及

一反应芯片，与该卡匣本体结合，且包括一试样入口、多个检测槽、至少一主要流体通道及至少一气体释放流道，该主要流体通道与该多个检测槽连接且适于将该试样分配至该多个检测槽中，该气体释放流道与该多个检测槽的每一个直接连接且适于将气体自该多个检测槽释放，其中该试样入口与该主要流体通道连接，该主要流体通道包括多个宽流道部、多个窄流道部及多个检测槽入口流道，每一该宽流道部与该多个检测槽其中的一个对位，并经由对应的该检测槽入口流道与对应的该检测槽连接，且每一该窄流道部连接于两个相邻的该宽流道部之间，其中该气体释放流道相较该主要流体通道的该宽流道部、该窄流道部及该检测槽入口流道均明显较窄，当一液体通过该气动力来驱动从该试样入口馈入，该液体首先填充于对应该多个检测槽的第一检测槽的该宽流道部，并受一相邻的该窄流道部延迟，而经由对应该第一检测槽的该检测槽入口流道进入该第一检测槽，且该第一检测槽中残留的气体会被流入的该液体经由该气体释放流道推出并流向相邻的该检测槽，而当该第一检测槽被该液体填满时，该液体通过该气动力进一步克服相邻的该窄流道的流阻而进到对应该第一检测槽的下一个检测槽的该宽流道部，并受另一相邻的该窄流道部延迟，而经由对应该下一个检测槽的该检测槽入口流道进入该下一个检测槽，进而填满该下一个检测槽。

2.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该窄流道部的流阻高于该宽流道部和该检测槽入口流道的总流阻。

3.如权利要求2所述的流体控制及处理卡匣，其中该窄流道部的流阻高出该宽流道部和该检测槽入口流道的总流阻达2至20倍。

4.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该气体释放流道的流阻高出该窄流道部的流阻达2至500倍。

5.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该检测槽入口流道的截面积相较于该宽流道部明显较小。

6.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该反应芯片设置于该卡匣本体的一侧。

7.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中每一该检测槽具有至少一平面。

8.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该反应芯片的形状大致上为正多边形。

9.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该反应芯片还包括至少一试样加载孔，用于加入该试样于该卡匣中。

10.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该反应芯片还包括多个试样加载孔，用于加入不同试样于该卡匣中。

11.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该卡匣安装于该核酸分析装置的一槽体中，该反应芯片包括至少一对位槽，该至少一对位槽可与该槽体上的至少一定位件相对位。

12.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该反应芯片包括至少一试样入口，且该卡匣本体包括至少一与该试样入口连接的管道，以将该试样输送至该反应芯片。

13.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该卡匣本体还包括设于其底面的多个开口，且该开口通过该流道与该槽相连通。

14.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该检测槽的底部或顶部至少其中的一个包括可供光通过的一透光薄壁或薄膜。

15.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该检测槽具有可供光通过的一透光前壁。

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