專利名稱：變溫裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種變溫裝置，且特別是有關(guān)于一種能改變且控制液體溫度的變溫裝置。
背景技術(shù)：
由于各種生物基因體被定序的數(shù)目越來越多，再加上發(fā)現(xiàn)更多的人類致病基因， 分子生物學(xué)漸漸成為分子檢測(cè)技術(shù)與醫(yī)療診斷研究不可缺的知識(shí)。自從聚合酶連鎖反應(yīng) (Polymeerase Chain Reaction, PCR)的發(fā)明，分子生物學(xué)更凸顯了其在未來主導(dǎo)分子醫(yī)療 診斷的地位。隨著科技的進(jìn)步，分子生物檢測(cè)與醫(yī)療臨床診斷上的需求倍增，精確、快速且 具即時(shí)定量分析功能的相關(guān)檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備(例如即時(shí)PCR)已然成為重點(diǎn)發(fā)展方向之一。 而目前在分子診斷的領(lǐng)域上，仍然以即時(shí)PCR為主要的應(yīng)用技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)有檢測(cè)時(shí)間 短、檢測(cè)靈敏度高、臨床樣本范圍廣。 然而，利用即時(shí)PCR達(dá)到高靈敏度的分析，穩(wěn)定且高精準(zhǔn)度的熱傳元件是不可或 缺的重要因素。因?yàn)楫?dāng)進(jìn)行聚合酶連鎖反應(yīng)時(shí)，需經(jīng)過不斷反復(fù)的熱循環(huán)過程，例如變性 (denaturation)、退火(annealing)、延展(extension)。因此，能滿足快速的升降溫需求與 高精準(zhǔn)的溫控要求的變溫裝置是進(jìn)行即時(shí)PCR檢測(cè)的關(guān)鍵。 傳統(tǒng)的變溫裝置是先將盛有液體的多個(gè)塑料試管放置于加熱區(qū)，而后熱源加熱該 加熱區(qū)，再由加熱區(qū)同時(shí)加熱多個(gè)塑料試管。換句話說，熱源通過加熱區(qū)對(duì)液體加熱。因此， 液體的實(shí)際溫度必須由加熱區(qū)的溫度及根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則(多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果)去推算而得，因 此無法得知精確的液體溫度。此外，由于是單一加熱區(qū)對(duì)多個(gè)塑料試管加熱，因此無法控制 個(gè)別試管的溫度。并且，由于加熱區(qū)有一定的體積，因此各處的溫度不可能完全一致而有溫 度梯度分布，造成無法精確控制每個(gè)試管的溫度變化。 總而言之，傳統(tǒng)的變溫裝置無法達(dá)到即時(shí)PCR檢測(cè)的精確控溫需求，因此本發(fā)明 提供一種變溫裝置，能精確地變溫并控溫，以解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)范疇在于提供一種變溫裝置，能輕易地控制及改變液體的溫度。
根據(jù)一優(yōu)選具體實(shí)施例，本發(fā)明的變溫裝置用以改變液體的溫度，并包括金屬 管、供電器、導(dǎo)熱體及熱電致冷器。金屬管用以盛裝液體；供電器具有正極及負(fù)極，分別 電連接至金屬管的兩端，使得金屬管通電后發(fā)熱；導(dǎo)熱體包圍及接觸金屬管；熱電致冷器 (Thermo-Electric Cooler, TEC)與該導(dǎo)熱體接觸。 再者，變溫裝置還可包括非接觸式測(cè)溫器及控溫器。非接觸式測(cè)溫器對(duì)準(zhǔn)金屬管
的開口，以測(cè)量液體的溫度；控溫器電性連接至供電器、熱電致冷器及非接觸式測(cè)溫器。控
溫器根據(jù)液體的溫度及目標(biāo)溫度，選擇性地調(diào)節(jié)供電器及熱電致冷器的電壓。 綜上所述，本發(fā)明的變溫裝置通過金屬管的比熱小的特性以及直接通電金屬管以
加熱液體的方式，達(dá)到易于改變液體溫度的目的。此外，本發(fā)明通過控溫器控制供電器及熱電致冷器的電壓，進(jìn)而可調(diào)節(jié)供電器對(duì)金屬管的加溫速率及熱電致冷器對(duì)金屬管的降溫速 率。因此，本發(fā)明的變溫裝置可達(dá)到容易控制液體溫度及溫度變化程度的目的，就能準(zhǔn)確地 做到即時(shí)PCR檢測(cè)實(shí)驗(yàn)所需的周期性溫度變化。 關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神可以借由以下的發(fā)明詳述及附圖得到進(jìn)一步的了解。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明--具體實(shí)施例的變溫裝置的示意圖。圖2示出圖1中的正極接頭、金屬管及負(fù)極接頭的示意圖。
圖3示出圖1中的變溫裝置的剖面圖。
主要元件符號(hào)說明3 :變溫裝置30 :金屬管300 :金屬環(huán)302 :錐形部304 :開口310 :第一絕緣承載體312 :第二絕緣承載體314 :第三絕緣承載體32 :供電器320 :正極接頭322 :負(fù)極接頭34 :導(dǎo)熱體36 :熱電致冷器37 :非接觸式測(cè)溫器38 :控溫器39 :散熱片Ll L6 :導(dǎo)線4 :液體
具體實(shí)施例方式為了了解本發(fā)明的實(shí)施方式，以下分成三部分說明A、變化溫度(升溫)，B、變化 溫度(降溫)，C、控制溫度，D、區(qū)域控溫。
A、變化溫度(升溫) —般來說，變溫裝置用以改變特定物體的溫度，因此需要加熱元件及冷卻元件。在 本發(fā)明中，待變溫的特定物體為圖1中的液體4。并且，由于液體4不具有固定形狀，因此還 需要盛裝液體4的元件，如圖1中的金屬管30。由于金屬材質(zhì)的比熱小，因此金屬管30的 升溫及降溫也快，進(jìn)而容易控制溫度變化幅度及變化速率。 一般而言，金屬管30約盛裝有 30至40毫升的液體4，液體量不多，因此金屬管30的溫度變化相當(dāng)于液體4的溫度變化。
需注意的是，若本發(fā)明的變溫裝置3用于即時(shí)PCR檢測(cè)，則因?yàn)槭⒀b的液體4包括 有生物體，亦即具有脫氧核糖核酸(DeoxyriboNucleic Acid， DNA)，所以金屬管30的材質(zhì) (例如鋁、銅、金)的選擇以高溫時(shí)不會(huì)游離出對(duì)生物體有害物質(zhì)為準(zhǔn)則。或者，在金屬管 30內(nèi)壁涂布化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的材料，如氮化鎵(GaN)，以阻擋金屬管30在高溫時(shí)釋放出的物 質(zhì)，并且不與盛裝的液體4產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。進(jìn)而，降低金屬管30 (非控制變因)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影 響程度。 此外，由于一般的金屬材質(zhì)可導(dǎo)電及具有電阻不大的特性，因此金屬管30通電后 易于控制發(fā)熱量，而可根據(jù)需求適當(dāng)?shù)丶訜崴⒀b的液體。在本發(fā)明中，變溫裝置3所需的 加熱元件為圖1中的供電器32。當(dāng)然，金屬管30兩端需分別接有正負(fù)極，才能導(dǎo)電而發(fā)熱。 在此實(shí)施例中，如圖1及圖2所示，供電器32的正極(未示出)通過導(dǎo)線L2連接到正極接頭320，供電器32的負(fù)極(未示出)通過導(dǎo)線L3連接到負(fù)極接頭322 ;供電器32提供一電 壓差在正極接頭320與負(fù)極接頭322之間。 正極接頭320與負(fù)極接頭322與金屬管30的連接關(guān)系，如圖2所示，并且同時(shí)參閱 圖1及圖3。由于正極接頭320被第一絕緣承載體310所承載，因此第一絕緣承載體310朝 向承載有金屬管30的第二絕緣承載體312移動(dòng)并貼近后，正極接頭320就可與金屬環(huán)300 接觸，金屬環(huán)300圍繞金屬管30的開口 304。當(dāng)?shù)诙^緣承載體312朝向承載有導(dǎo)熱體34 的第三絕緣承載體314移動(dòng)后，金屬管30可置入到導(dǎo)熱體34內(nèi)，位于導(dǎo)熱體34內(nèi)的負(fù)極 接頭322就可與金屬管30的錐形部302接觸。進(jìn)而，供電器32就可通過正極接頭320與 負(fù)極接頭322與金屬管30電性連接，進(jìn)而電流會(huì)流經(jīng)金屬管30，致使金屬管30發(fā)熱。
B、變化溫度(降溫) 此外，變溫裝置3不只是對(duì)金屬管30加溫而已，當(dāng)然也需要對(duì)金屬管30降溫。然 而，一般冷卻方式是將熱源接觸散熱片，甚至通過氣冷(風(fēng)扇)或水冷(流動(dòng)液體)來加強(qiáng) 冷卻速率。但是，這些散熱方式都沒有辦法有效地控制降溫程度及降溫速率，而無法滿足精 確控溫的需求。因此，本發(fā)明的變溫裝置3通過熱電致冷器36來達(dá)成精確降溫的目的。大 致而言，熱電致冷器36為半導(dǎo)體材料，當(dāng)施予一電壓時(shí)，熱電致冷器36的一側(cè)面的溫度會(huì) 比另一側(cè)面的溫度高。所以，金屬管30可貼附于熱電致冷器36的低溫側(cè)面來達(dá)到降溫效 果。當(dāng)然，熱電致冷器36的高溫側(cè)面可貼覆散熱片39，如圖1所示，以避免高溫側(cè)面的溫度 過高而毀損熱電致冷器36。 需注意的是，金屬管30的材質(zhì)的選擇不是以導(dǎo)熱性佳為準(zhǔn)則，而是以高溫時(shí)不游 離出對(duì)生物體有害物質(zhì)為準(zhǔn)則。針對(duì)散熱方面，由于熱電致冷器36無法完全包覆金屬管 30，而且金屬管30不一定采用最佳導(dǎo)熱性的材質(zhì)來制成，因此為了讓散熱最佳化，將導(dǎo)熱 體34包圍及接觸金屬管30，來幫助金屬管30的熱量能迅速地被傳導(dǎo)至導(dǎo)熱體34與熱電 致冷器36的接觸點(diǎn)(溫度較低的區(qū)域)，如圖3所示。換句話說，導(dǎo)熱體34位于金屬管30 與熱電致冷器36之間，作為熱傳遞的中間介質(zhì)，讓熱電致冷器36可以迅速地帶走金屬管30 的熱量。 C、控制溫度 上述內(nèi)容說明了本發(fā)明的變溫裝置3用以變化液體4溫度的主要元件，然而為了 能精準(zhǔn)控制液體4的目前溫度，變溫裝置3還需要溫度回饋元件及控溫元件，溫度回饋元件 將測(cè)量溫度回傳給控溫元件，繼而控溫元件能根據(jù)測(cè)量溫度及目標(biāo)溫度，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行升溫 或降溫動(dòng)作。 在此實(shí)施例中，溫度回饋元件為非接觸式測(cè)溫器37，例如紅外線測(cè)溫器。如圖2及 圖3所示，非接觸式測(cè)溫器37對(duì)準(zhǔn)金屬管30的開口 304并發(fā)射一信號(hào)(如紅外光)，繼而 根據(jù)反射的信號(hào)來判斷液體4的目前溫度。由于非接觸式測(cè)溫器37不需與液體4接觸，因 此測(cè)溫時(shí)不會(huì)對(duì)液體4有所影響，進(jìn)而降低非接觸式測(cè)溫器37(非控制變因)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影 響程度。 再者，本發(fā)明的控溫元件為控溫器38。如圖1所示，控溫器38通過導(dǎo)線L6電連 接至供電器32，通過導(dǎo)線L4及導(dǎo)線L5電連接至熱電致冷器36，通過導(dǎo)線L1電連接至非接 觸式測(cè)溫器37。由于即時(shí)PCR檢測(cè)需要進(jìn)行周期性的升溫及降溫，因此可事先設(shè)定多個(gè)目 標(biāo)溫度及其順序并存于控溫器38內(nèi)；繼而，控溫器38就可根據(jù)目標(biāo)溫度及非接觸式測(cè)溫器37所測(cè)量的目前溫度，調(diào)整供電器32的電壓(加熱速率)及熱電致冷器36的電壓(冷卻 速率)。舉例來說，若液體4的目前溫度為攝氏30度，目標(biāo)溫度為70度，則可提高供電器 32的電壓并同時(shí)降低熱電致冷器36的電壓，以達(dá)到升溫的效果；相反地，若欲達(dá)到降溫的 效果，則需降低供電器32的電壓并同時(shí)提高熱電致冷器36的電壓。此外，若液體4的目前 溫度高于室溫且欲保持目前溫度，則可適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)供電器32的電壓并關(guān)閉熱電致冷器36 的電壓，讓金屬管30的加熱速率能與自然散熱速率一致。 在即時(shí)PCR實(shí)驗(yàn)中，溫度是十分重要的變因，因此溫度控制的精確度關(guān)系到實(shí)驗(yàn) 的準(zhǔn)確度。 一般升溫或降溫至特定溫度時(shí)，實(shí)際溫度值都會(huì)在特定溫度值附近振蕩。舉例 來說，欲降溫至40度，但實(shí)際降溫過程可能是41度、40. 5度、39. 7度、40. 2度等依序振蕩并 遞減至40度。但是，以即時(shí)PCR檢測(cè)而言，這樣的溫度振蕩對(duì)于實(shí)驗(yàn)有相當(dāng)大的影響，因此 本發(fā)明通過金屬管、供電器及熱電致冷器的設(shè)計(jì)就可盡量避免溫度振蕩現(xiàn)象的發(fā)生，以提 升實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)度。
D、區(qū)域控溫 —般來說，即時(shí)PCR檢測(cè)的控制變因可能很多種，例如液體中不同成份的比例、 溫度變化時(shí)間點(diǎn)、目標(biāo)溫度、溫度變化速率等。由于一次實(shí)驗(yàn)只能針對(duì)一種控制變因進(jìn)行改 變，因此重復(fù)實(shí)驗(yàn)并改變控制變因需花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間。 本發(fā)明配置了多個(gè)熱電致冷器36，供電器32具有多個(gè)電極對(duì)(未示出)。每個(gè)電 極對(duì)為一正極及一負(fù)極，每個(gè)電極對(duì)對(duì)應(yīng)一個(gè)正極接頭及一個(gè)負(fù)極接頭，亦即每個(gè)電極對(duì) 電連接至一個(gè)金屬管30。因此，本發(fā)明的變溫裝置3可同時(shí)控制多個(gè)金屬管30的變溫幅度 及變溫速率。同一時(shí)間下，盛裝在不同金屬管30的不同液體4，就可進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)變因 (例如不同的目標(biāo)溫度)。 如圖1所示，三個(gè)熱電致冷器36位于第三絕緣承載體314的下方，每個(gè)熱電致冷 器36接觸8個(gè)導(dǎo)熱體34，相當(dāng)于可冷卻8個(gè)金屬管。因此，圖1中的變溫裝置3可分成三 個(gè)區(qū)域進(jìn)行不同控溫需求的實(shí)驗(yàn)，例如提升溫度、保持溫度、降低溫度。當(dāng)然，本發(fā)明的變 溫裝置3不但可以區(qū)域性的控溫，還可控制每個(gè)金屬管30的溫度。 需補(bǔ)充說明的是，為了讓圖示清楚，圖1只示出了供電器32電連接至單一正極接 頭320 (繼而電連接至金屬管30)及單一熱電致冷器36的情形，并且只示出了控溫器38電 連接單一非接觸式測(cè)溫器37的情形。實(shí)際上，供電器32可電連接至圖1中所有的正極接 頭320及所有的熱電致冷器36，控溫器38可電連接至圖1中所有的非接觸式測(cè)溫器37。
所以，本發(fā)明的變溫裝置3可達(dá)到區(qū)域控溫的功效，同時(shí)進(jìn)行不同控制變因的不 同實(shí)驗(yàn)。繼而，本發(fā)明的變溫裝置3充分利用每個(gè)變溫元件及控溫元件，降低實(shí)驗(yàn)所需的整 體時(shí)間。 與先前技術(shù)相比較，本發(fā)明的變溫裝置通過金屬管的比熱小的特性以及直接通電 金屬管以加熱液體的方式，達(dá)到易于改變液體溫度的目的。此外，本發(fā)明通過控溫器控制供 電器及熱電致冷器的電流，進(jìn)而可調(diào)節(jié)供電器對(duì)金屬管的加溫速率及熱電致冷器對(duì)金屬管 的降溫速率。因此，本發(fā)明的變溫裝置可達(dá)到容易控制液體溫度及溫度變化程度的目的，就 能準(zhǔn)確地做到即時(shí)PCR檢測(cè)實(shí)驗(yàn)所需的周期性溫度變化。此外，本發(fā)明的變溫裝置通過多 個(gè)熱電致冷器及多個(gè)電極對(duì)的配置，來達(dá)到區(qū)域控溫的效果，繼而能同時(shí)進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)，降 低多控制變因的實(shí)驗(yàn)整體時(shí)間。
借由以上優(yōu)選具體實(shí)施例的詳述，希望能更加清楚描述本發(fā)明的特征與精神，而 并非以上述所公開的優(yōu)選具體實(shí)施例來對(duì)本發(fā)明的范疇加以限制。相反地，其目的是希望 能涵蓋各種改變及具相等性的安排在本發(fā)明的范疇內(nèi)。因此，本發(fā)明的范疇?wèi)?yīng)該根據(jù)上述 的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。
權(quán)利要求
一種變溫裝置，用以改變一液體的一溫度，包括一金屬管，用以盛裝該液體；一供電器，具有一正極及一負(fù)極，分別電連接至該金屬管的兩端，使得該金屬管通電后發(fā)熱；一導(dǎo)熱體，包圍及接觸該金屬管；以及一熱電致冷器，與該導(dǎo)熱體接觸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變溫裝置，還包括一非接觸式測(cè)溫器，對(duì)準(zhǔn)該金屬管的一開口，以測(cè)量該液體的該溫度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的變溫裝置，還包括一控溫器，電性連接至該供電器、該熱電致冷器及該非接觸式測(cè)溫器，該控溫器根據(jù)該液體的該溫度及一 目標(biāo)溫度，選擇性地調(diào)節(jié)該供電器及該熱電致冷器的電壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變溫裝置，進(jìn)一步包括一散熱片，接觸于該熱電致冷器，該熱電致冷器位于該導(dǎo)熱體與該散熱片之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變溫裝置，其中該金屬管的兩端分別包括一金屬環(huán)及一錐形部，該金屬環(huán)圍繞該金屬管的一開口 ，該供電器電連接至該金屬環(huán)及該錐形部。
6. —種變溫裝置，包括多個(gè)金屬管，所述金屬管其中之一金屬管用以盛裝一液體，該液體具有一溫度；一供電器，具有多個(gè)電極對(duì)，每一電極對(duì)包括一正極及一個(gè)負(fù)極，分別連接至所述金屬管其中之一金屬管的兩端，使得該金屬管通電后發(fā)熱；多個(gè)導(dǎo)熱體，每一所述導(dǎo)熱體包圍及接觸所述金屬管其中之一金屬管；以及多個(gè)熱電致冷器，每一熱電致冷器接觸于所述導(dǎo)熱體其中至少一導(dǎo)熱體。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的變溫裝置，還包括多個(gè)非接觸式測(cè)溫器，每一非接觸式測(cè)溫器對(duì)準(zhǔn)所述金屬管其中之一金屬管的一開口，以測(cè)量該液體的該溫度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的變溫裝置，還包括一控溫器，電性連接至該供電器、所述熱電致冷器及所述非接觸式測(cè)溫器，該控溫器根據(jù)被測(cè)量的該液體的該溫度及一 目標(biāo)溫度，選擇性地調(diào)節(jié)該供電器及所述熱電致冷器其中之一熱電致冷器的電壓。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的變溫裝置，進(jìn)一步包括一第一絕緣承載體，承載所述非接觸式測(cè)溫器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的變溫裝置，進(jìn)一步包括一散熱片，接觸于所述熱電致冷器，所述熱電致冷器位于所述導(dǎo)熱體與該散熱片之間。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的變溫裝置，其中該金屬管的兩端分別包括一金屬環(huán)及一錐形部，該金屬環(huán)圍繞該金屬管的一開口 ，該供電器的所述電極對(duì)其中之一電極對(duì)電連接至該金屬環(huán)及該錐形部。
12. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的變溫裝置，進(jìn)一步包括一第二絕緣承載體，承載所述金屬管。
13. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的變溫裝置，進(jìn)一步包括一第三絕緣承載體，承載所述導(dǎo)熱體。
全文摘要
本發(fā)明公開一種變溫裝置，用以改變液體的溫度，并包括金屬管、供電器、導(dǎo)熱體及熱電致冷器。金屬管用以盛裝液體。供電器具有正極及負(fù)極，分別電連接至金屬管的兩端，使得金屬管通電后發(fā)熱。導(dǎo)熱體包圍及接觸金屬管，熱電致冷器與導(dǎo)熱體接觸。
文檔編號(hào)C12M1/38GK101735949SQ20081017482
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2008年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月5日
發(fā)明者吳育民, 廖冠喬, 蔡逸勤 申請(qǐng)人:廣達(dá)電腦股份有限公司