當我們感染的病毒或是其他的細菌與病原體，為了採取正確的治療方法，醫生常必須確認病人感染的病原體，而這樣的病原體在我們人類的血液裡面數量並不多，也因此在人類的血液檢體當中濃度通常很低，雖然有辦法得到這些病原體的DNA或者是RNA，卻需要將其濃度倍增，以增強偵測效果。而我們在生物課常聽到聚合酶連鎖反應(PolymeraseChainReaction，簡稱PCR)，就是一種生物體外擴增雙股DNA的重要技術。而發明此技術的美國生物化學家KaryBanksMullis在1993年獲得諾貝爾化學獎。
而聚合酶連鎖反應仰賴一個溫度循環。當我們把血液的檢體跟增生的試劑放在玻璃或塑膠管內加溫到攝氏95度左右時，雙股的DNA會裂解或稱變性(denaturation)成兩個單股的DNA，接著我們把試體溶液降成攝氏55度左右時，預先在溶液中添加的引子(primer)會接合在單股的DNA上面，此過程常稱為退火(annealing)或接合，接著我們需要再把溫度升高到攝氏72度左右，此時脫氧核苷三磷酸(dNTP)會像堆磚塊一樣將單股的DNA變成雙股的DNA，為延伸(extension) 階段，接著我們在重複裂解(95°C)－退火(55°C)－延伸(72°C)的循環。而每一個溫度循環讓目標DNA的數量加倍，為了要達到所需檢測的濃度，通常會需要35到50個溫度循環，當然所需的循環次數跟檢體病原體的DNA的初始濃度有關，濃度越低，所需要的溫度循環越多。

█ 圖一　傳統PCR[1]

█ 圖二　自然對流毛細管聚合酶連鎖反應[1]。

█ 圖三　自然對流毛細管聚合酶連鎖反應的工作原理[2]。

而此聚合酶連鎖反應最重要的溫度加熱循環控制，就與機械系密不可分了。在熱傳學中，我們知道可以透過三種不同的熱傳模式－熱傳導、熱對流、與熱輻射－來對物體加熱或降溫。目前傳統的PCR的機台（如圖一所示）主要是以熱傳導的模式來達到PCR所需要的溫度循環。該傳統PCR機台底部有一加熱塊，加熱塊內有32到96個槽，每個槽可以放一個試管，透過加熱塊溫度的升降控制來達到所需的溫度循環。然而，因為加熱塊質量大，其升溫或降溫都需要一定的反應時間，使得一般的PCR程序都需要兩三個小時，且加熱塊溫度微調的可能性幾乎為零，因此傳統的PCR機台一次只能增生同一種待檢測的病原體。
為了克服此限制，本實驗室巧妙應用了自然熱對流的原理開發了「自然對流毛細管聚合酶連鎖反應」的機台（如圖二所示）。其工作原理非常簡單，我們在工作檯左邊安置固定在95度的加熱台（可微調固定溫度），將帶有檢體與試劑的玻璃毛細管放在加熱器上，並確認玻璃毛細管的底部溫度與加熱器有良好接觸後，可在毛細管底部得到近乎攝氏95度的試劑，可促成裂解。而管內試劑表面因為與周圍冷空氣接觸，因此溫度遠低於底部，此上下溫差將造成試劑密度的差異，下方較熱的試劑液體密度下降因此而上升、上方較冷試劑液體密度較大因而下沉，在試管中產生如圖三所示的自然對流，形成一渦流迴圈。藉改變試管內部試劑填充高度以及背景溫度，我們能將高低溫對流平衡後的試劑表面維持在攝氏55度，達成退火，而中間區段則提供延伸所需的溫度。更重要的，每循環一次自然對流迴圈只需要15秒，也因此本裝置能在15分鐘內達到60次的自然對流迴圈，增生效率很高。若不同的試劑需要不同的推火溫度，我們也可以藉著改變液氣介面溫度及試劑填充高度來完成不同表面溫度，達到單機檢測不同病原體的彈性。此外，我們甚至可以不用溫度控制，單純透過蠟燭加熱水達到DNA增生（如圖四所示），創意應用一個簡單的自然對流原理就可以取代傳統笨重系統需的溫度控制PCR機台，並達到DNA增生的目的。
由此，不難看出，機械系所學的熱傳學與流體力學是本系統設計上的關鍵知識，也是傳統力學的許多創意性的應用，端看學生是否能加以整合善加利用。

█ 圖四　利用蠟燭加熱水進行PCR用於DNA增生[3]。

參考文獻
[1] 周文彬，「一種新式核酸擴增系統之研究-毛細管熱對流聚合酶連鎖反應」，2011，台大機械
工程學系博士論文。
[2] Chou, Wen-Pin, Chen, Ping-Hei, Miao, Ji-Ming, Kuo, Long-Sheng, Yeh, Shiou-Hwei, and Chen, Pei-Jer
*, 2011, 〝Rapid DNA Amplification in a Capillary by Natural Convection with Single Isothermal
Heater,〞 Biotechniques, Vol. 52, pp. 52-57.
[3] Hsieh, Yi-Fan, Eri, Yonezawa, Kuo, Long-Sheng, Yeh, Shiou-Hwei, Chen, Pei-Jer, and Chen, Ping-Hei*,
2013, 〝Polymerase chain reaction with phase change as intrinsic thermal control〞, Applied Physics
Letters, Vol. 102, No. 17, 173701.