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國立屏東科技大學 / 生物機電工程系 / 陳志堅

可攜式核酸分析儀


研發成果與簡介
本裝置包含微流體晶片、加熱模組、樣本驅動模組、電源供應模組和人機介面模組等五個部分。

優勢及應用範圍

本裝置包含微流體晶片、加熱模組、樣本驅動模組、電源供應模組和人機介面模組等五個部分。以連續流體式聚合?連鎖反應(polymerase chain reaction,PCR)進行研究並開發為可攜式裝置,利用Arduino MEGA 2560微控制器做為主要開發平台。使用微機電(microelectromechanical systems,MEMS)製程製作微流體晶片母模,接著以聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)翻模技術來製作晶片,再利用氧電漿處理晶片表面後與玻璃基板接合完成。加熱模組是利用溫度感測器DS18B20量測被加熱的鋁塊溫度,將溫度數值傳回微控制器,經由比例-積分-微分(proportional-integral-derivative,PID)程式運算,輸出脈波寬度調變(pulse width modulation,PWM)訊號至功率電晶體,驅動加熱棒與致冷晶片,建構出穩定的加熱平台。樣本驅動模組為利用Arduino NANO微控制器進行步進馬達之轉速控制,完成自製之注射泵浦平台;將DNA混合液體填裝至玻璃針筒,利用微控制器搭配撰寫之程式控制步進馬達,並將步進馬達之扭矩力傳至螺桿,透過滑塊將螺桿之扭矩轉換成推力,推動玻璃針筒將樣本注入微流體晶片之流道以進行PCR。電源供應模組中採用三個18650鋰離子電池提供電源,另外設有外接直流電源孔,可在進行反覆長時間實驗時使用,還設有開關可提供使用者兩種供電選項。人機介面模組整合了LCD顯示模組以及微動開關,可進行高低溫區之溫度以及DNA樣本流率的設定。整體裝置架構透過軟體設計及預組裝之後輸出平面圖,利用CO2雷射切割3及5 mm壓克力板,再將各系統部件進行組裝,完成可攜式連續流核酸複製裝置。

本作品為可攜式的DNA複製裝置,主要是直接以加熱棒和致冷晶片產生PCR所需的反應溫度,並以自製幫浦推動DNA樣本經過不同的反應溫度區而完成PCR,使得PCR混合物的升降溫更容易,進而提升PCR效率。本作品中使用一次性的高分子/玻璃接合晶片,便宜和製作快速;以微處理器整合溫度控制模組和注射幫浦模組,並以電池組提供操作時所需電源,完成可攜式連續流核酸複製裝置的研製。整體系統為模組化組裝,成本低,因此判斷本作品具產業利用性。

本作品是針對DNA複製裝置之性能,提供便捷之複製功能。此系統之性能為:1. 以高分子/玻璃接合晶片為一次性反應晶片,成本低,製作容易。2. 以加熱棒和致冷晶片加熱DNA樣本,利用微控制器調控加熱棒和致冷晶片的輸入功率,完成溫度的控制。3. 以自製注射幫浦驅動DNA樣本,系統體積減少,控制方便,DNA樣本的升降溫會更容易。4. 使用電池提供系統所有電源,完成可攜式裝置,並保有外接直流電源插孔,可以彈性使用。5. 藉由整合LCD顯示模組以及微動開關,可進行高低溫區之溫度以及DNA樣本流率的設定。將樣本以注射幫浦推力移動至不同的恆溫區域,蜿蜒地移動而完成熱循環過程。

DNA複製和檢測分析一直以來都是生物科技產業中最需要的技術之一,本作品為開發一組可攜式DNA複製平台,具有製作成本降低、樣本使用量減少、操作便利、系統微小化及系統組裝容易等優勢,這些均是製造廠商和操作人員對DNA檢測系統的最大期待,未來目標為達成POCT裝置的研製。本技術不需繁瑣的設計,實用性佳,成本低,系統模組化,組裝容易,具多功能性,產業應用性高。

技術聯絡人
國立屏東科技大學 / 陳志堅 / 0928766662