專利名稱：用于化學(xué)和生化反應(yīng)的熱控系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對化學(xué)和/或生化反應(yīng)進(jìn)行熱控制的方法和系統(tǒng)，所述化學(xué) 和生化反應(yīng)例如是但不限于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)。
背景技術(shù)：
實(shí)施的許多化學(xué)和生化反應(yīng)都需要高度精確控制的溫度變化。經(jīng)常，這些反應(yīng)可 能需要經(jīng)歷若干或者甚至許多的變化溫度的周期，從而產(chǎn)生所需的效果。需要相對較多次數(shù)的高度精確控制的溫度變化周期的反應(yīng)的特定實(shí)例存在于核 酸擴(kuò)增技術(shù)中，特別是存在于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)中。DNA借助聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)的 擴(kuò)增對于分子生物學(xué)而言是重要的技術(shù)。PCR是廣泛使用的并且有效的用于檢測樣品中是 否存在特定核酸的技術(shù)，甚至是在目標(biāo)核酸的相對量非常低的情況下。因此，PCR在多種領(lǐng) 域都是有用的，這些領(lǐng)域包括診斷、檢測以及科研。借助PCR的核酸分析需要進(jìn)行樣品制備、擴(kuò)增以及產(chǎn)物分析。雖然這些步驟通常 都是依順序進(jìn)行，但是擴(kuò)增和分析可以同時(shí)進(jìn)行。在進(jìn)行PCR的過程中，借助對步驟循環(huán)的一系列重復(fù)來擴(kuò)增特定的目標(biāo)核酸，在 所述步驟循環(huán)中，使存在于反應(yīng)混合物中的核酸在相對較高溫度例如95°C下變性(變性)， 然后將反應(yīng)混合物冷卻至一定溫度，例如^°C，在該溫度，短寡核苷酸引物與單鏈目標(biāo)核酸 結(jié)合(退火)。之后，例如在72°C，使用聚合酶延伸引物(延伸)，使得原始核酸序列已經(jīng)被 復(fù)制。變性、退火和延伸的重復(fù)的循環(huán)導(dǎo)致存在于樣品中的目標(biāo)核酸的數(shù)量呈指數(shù)增長。例如，通過僅僅在變性和退火溫度之間循環(huán)，或者，通過改變不同循環(huán)中的一個(gè)或 多個(gè)溫度，這種熱特性(thermal profile)的變化是可行的?？梢栽跀U(kuò)增之前將DNA染料或者熒光探針加入到PCR混合物中，并且使用DNA染 料或者熒光探針來分析擴(kuò)增期間PCR的進(jìn)展情況。這些動態(tài)測量使得能夠?qū)υ紭悠分写?在的核酸的數(shù)量進(jìn)行定量。在每個(gè)PCR循環(huán)中的熒光監(jiān)測初始時(shí)包括使用增補(bǔ)染料例如溴化乙錠(ethidium bromide)形式的熒光團(tuán)，當(dāng)增補(bǔ)染料在雙鏈核酸分子中發(fā)生增補(bǔ)時(shí)，與其在溶液中的游離 情況相比，增補(bǔ)染料的熒光發(fā)生變化。這些染料還可以用于產(chǎn)生熔點(diǎn)曲線，因?yàn)楸O(jiān)測當(dāng)將雙 鏈核酸加熱至使其變性的溫度時(shí)增補(bǔ)染料所產(chǎn)生的熒光信號使得能夠確定熔化溫度。當(dāng)然，在多種其他類型的反應(yīng)中使用了來自染料或探針的可見信號，并且可以以 多種方式使用對這些信號的檢測結(jié)果。特別地，可見信號可以用于檢測反應(yīng)是否發(fā)生，可 以表明在測試樣品中是否存在特定的試劑，或者提供有關(guān)特定反應(yīng)的進(jìn)展或者動力學(xué)的信 肩、ο許多這種化學(xué)或生化反應(yīng)在以下裝置中進(jìn)行，所述裝置具有若干個(gè)有時(shí)是許多個(gè) 呈陣列布置的儲槽。為了不發(fā)生這些反應(yīng)，這些儲槽經(jīng)常由聚丙烯形成并且具有位于孔板 中的孔的陣列的形式。這些孔插入可以熱控的金屬塊中，使得能夠借助穿過孔壁的導(dǎo)熱系 數(shù)來對孔進(jìn)行熱控制。已經(jīng)知道了提供所需的熱控的多種方法。一個(gè)最常用的方法是使用5珀?duì)柼K(Peltier module)，這種珀?duì)柼K可以用于提供加熱或冷卻(取決于流經(jīng)模 塊的電流的方向)。雖然珀?duì)柼K是公知的并且在本文中不再予以詳細(xì)描述，但是應(yīng)當(dāng)注 意，珀?duì)柼K基本上由順序安裝的半導(dǎo)體組成，這些半導(dǎo)體形成p-n結(jié)和n-p結(jié)。每個(gè)結(jié) 都與輻射體具有熱觸點(diǎn)。當(dāng)接通具有一個(gè)極性的電流時(shí)，在輻射體之間產(chǎn)生溫差輻射體中 的一個(gè)升溫并且用作散熱器，輻射體中的另一個(gè)降溫并且用作制冷器。但是，首先由于珀?duì)柼K不是為精確的、重復(fù)性的熱循環(huán)而設(shè)計(jì)的，因此當(dāng)用于 這種熱循環(huán)時(shí)，珀?duì)柼K提供多個(gè)缺點(diǎn)。第一，由于珀?duì)柼K本身是導(dǎo)熱性的，因此會 通過設(shè)備損失電力。第二，電流倒向?qū)е聯(lián)诫s劑發(fā)生遷移通過半導(dǎo)體結(jié)，這種遷移是不對稱 的，因此半導(dǎo)體結(jié)事實(shí)上會隨著時(shí)間喪失其作為不同半導(dǎo)體之間的結(jié)的功能。而且，重復(fù)的 溫度變化導(dǎo)致重復(fù)的膨脹和收縮循環(huán)，在珀?duì)柼K中，這些循環(huán)本質(zhì)上是不對稱的。由于 珀?duì)柼K與保持這些孔的金屬塊熱接觸并且其本身經(jīng)常由以不同速率膨脹/收縮的不 同金屬制成，因此出現(xiàn)了力學(xué)問題。通過在高壓下以機(jī)械方式夾緊珀?duì)柼K，減輕了這些 力學(xué)問題，但是力學(xué)問題仍然存在。最后，由于珀?duì)柼K的操作特性，在珀?duì)柼K的表 面上形成熱點(diǎn)和冷點(diǎn)，這需要大的銅或銀散熱器來分?jǐn)偀崃?，這又導(dǎo)致了更多的力學(xué)問題。作為珀?duì)柼K的替代物，已經(jīng)在“BioTechniques”的1990年第8卷第2期第 150-153 頁、作者為 Pudur Jagadeeswaran、Kavala Jayantha Rao 禾口 Zi-Qiang Zhou、名 禾爾為"A Simple and Easy-to-Assemble Device for Polymerase Chain Reaction，，的文 章(BioTechniques at pages 150-153 in Vol. 8, No.2 (1990)by Pudur Jagadeeswaran, Kavala Jayantha Rao and Zi-Qiang Zhou in a paper entitled " A Simple and Easy-to-Assemble Device for Polymerase Chain Reaction”)中提出使用設(shè)置在處于三 個(gè)所需溫度下的三個(gè)不同儲槽中的水。使用泵將處于所需溫度的水/將來自合適儲槽的水 泵送到位于PCR設(shè)備周圍的水套中，從而將該設(shè)備加熱/冷卻到該溫度。但是，這種系統(tǒng)受 到儲槽數(shù)目的限制并且無法實(shí)現(xiàn)快速的溫度循環(huán)。從發(fā)表在“Nucleic Acids Research”的 1988 年第 16 卷第 7 期第 3105-3106 頁、作者為 Franco Rollo、Augusto Amici 和 Roberto Salvi、名禾爾為"A simple and low cost DNA amplifier，，(" A simple and low cost DNA amplifier" by Franco Rollo, Augusto Amici and Roberto Salvi published in Nucleic Acids Research, Volume 16 number 7 1988 at pages 3105-3106)的文章中已 知另一種基于水的溫度控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)使用處于合適溫度的兩個(gè)儲槽，但是，同樣，設(shè) 備的溫度被限制到儲槽中的水的溫度。相似的系統(tǒng)還描述于由Hyung-Suk Kim和Oliver Smithies 發(fā)表在 “Nucleic Acids Research” 的 1988 年第 16 卷第 18 期第 8887-8903 頁、"Recombinant fragment assay for gene targeting based on the polymerase chain reaction，， ( " Recombinant fragment assay for gene targeting based on the polymerase chain reaction" published in Nucleic Acids Research, Volume 16 number 18 1988 at pages 8887-8903)的文章中。但是，對于這種系統(tǒng)，溫度范圍擴(kuò)大到三 個(gè)溫度，這是通過將來自兩個(gè)儲槽的水適當(dāng)?shù)鼗旌隙鴮?shí)現(xiàn)的。但是，很明顯，上述已知系統(tǒng)具有許多缺點(diǎn)，本發(fā)明的多個(gè)方面意圖分別地或者組 合地克服或者至少減輕這些缺點(diǎn)中的至少一部分。

發(fā)明內(nèi)容
因此，在本發(fā)明的第一方面，提供一種用于控制至少一個(gè)反應(yīng)容器的溫度的熱控 系統(tǒng)，在所述反應(yīng)容器中可以發(fā)生化學(xué)和/或生化反應(yīng)，溫度被控制在至少最高預(yù)定溫度 和最低預(yù)定溫度之間，所述系統(tǒng)包括用于容納反應(yīng)容器陣列的熱支架(thermal mount)； 用于感測一個(gè)或多個(gè)熱支架、一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器或其內(nèi)容物的溫度的一個(gè)或多個(gè)熱傳感 器；其內(nèi)具有液體的熱液路徑，所述熱液路徑在熱支架和用于將液體加熱至至少與最高預(yù) 定溫度一樣高的溫度的加熱元件之間延伸；其內(nèi)具有液體的冷液路徑，所述冷液路徑在熱 支架和用于將液體冷卻至至少與最低預(yù)定溫度一樣低的溫度的冷卻元件之間延伸；用于使 熱液路徑和冷液路徑中的液體在熱支架和各自的加熱元件和冷卻元件之間流動的裝置；以 及，控制器，所述控制器與一個(gè)或多個(gè)熱傳感器耦聯(lián)，用于根據(jù)所感測的溫度來控制熱液路 徑和冷液路徑中的液體流入和流出熱支架和各自的加熱元件和冷卻元件，使得一個(gè)或多個(gè) 反應(yīng)容器的溫度達(dá)到所需溫度或者在所需溫度保持所需時(shí)間。在一個(gè)實(shí)施方式中，加熱元件包括熱源。擇一地或者額外地，加熱元件包括熱壓載 (hot thermal ballast)。相似地，在一個(gè)實(shí)施方式中，冷卻元件包括冷卻源。擇一地或者額外地，冷卻元件 包括冷壓載(cold thermal ballast)。熱支架可以包括導(dǎo)熱材料。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，用于使熱液路徑和冷液路徑中的液體流動的裝置包括至少一個(gè)泵。更優(yōu)選地，其中，一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器形成多個(gè)反應(yīng)容器的陣列的一部分。熱液路徑可以包括閉合的液體路徑，所述液體路徑布置成穿過或者鄰近加熱元 件，使得其中的液體被加熱至至少與最高預(yù)定溫度一樣高的溫度，并且，所述液體路徑布置 成穿過或者鄰近熱支架，從而使用熱液體對熱支架進(jìn)行加熱，由此當(dāng)熱液體流經(jīng)熱支架時(shí) 冷卻下來。相似地，冷液路徑可以包括閉合的液體路徑，所述液體路徑布置成穿過或者鄰近 冷卻元件，使得其中的液體被冷卻至至少與最低預(yù)定溫度一樣低的溫度，并且，所述液體路 徑布置成穿過或者鄰近熱支架，從而使用冷液體對熱支架進(jìn)行冷卻，由此當(dāng)冷液體流經(jīng)熱 支架時(shí)升溫。優(yōu)選地，熱液路徑和冷液路徑是穿過或者鄰近至少一部分熱支架的同一路徑。擇 一地或者額外地，熱液路徑和冷液路徑是穿過或者鄰近至少一部分熱支架的單獨(dú)路徑。優(yōu)選地，控制器通過控制熱液路徑和冷液路徑中的液體向熱支架的流動來控制熱 支架的溫度。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，控制器通過改變熱液路徑和冷液路徑中的液體的流速 來控制一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器的溫度?？刂破髂軌蛲ㄟ^阻止和啟動熱液路徑和冷液路徑中的 液體的流動來控制一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器的溫度。更優(yōu)選地，其中，熱液路徑和/或冷液路徑包括位于熱支架和/或各自的加熱元件 和冷卻元件中的多個(gè)子路徑。根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供一種用于控制安裝在熱塊(thermal block)上的至少 一個(gè)反應(yīng)容器的溫度的方法，化學(xué)和/或生化反應(yīng)可以在所述反應(yīng)容器中發(fā)生，溫度被控 制在至少最高預(yù)定溫度和最低預(yù)定溫度之間，所述方法包括感測熱塊、一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器和/或其內(nèi)容物的溫度；以及，根據(jù)所感測的一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器的溫度，選擇性地將冷 液體沿著冷液路徑泵送至熱塊的冷液入口和/或?qū)嵋后w沿著熱液路徑泵送至熱塊的熱 液入口，所述熱液路徑在熱塊和用于將液體加熱至至少與最高預(yù)定溫度一樣高的溫度的加 熱元件之間延伸；所述冷液路徑在熱塊和用于將液體冷卻至至少與最低預(yù)定溫度一樣低的 溫度的冷卻元件之間延伸，使得熱塊的溫度達(dá)到所需溫度或者在所需溫度保持所需時(shí)間。優(yōu)選地，一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器形成多個(gè)反應(yīng)容器的陣列的一部分。在一個(gè)實(shí)施方式中，熱液路徑包括閉合的液體路徑，所述液體路徑布置成穿過或 者鄰近加熱元件，使得其中的液體被加熱至至少與最高預(yù)定溫度一樣高的溫度，并且，所述 液體路徑布置成穿過或者鄰近熱塊，從而使用熱液體對熱塊進(jìn)行加熱，由此當(dāng)熱液體流經(jīng) 熱塊時(shí)冷卻下來。優(yōu)選地，冷液路徑包括閉合的液體路徑，所述液體路徑布置成穿過或者鄰近冷卻 元件，使得其中的液體被冷卻至至少與最低預(yù)定溫度一樣低的溫度，并且，所述液體路徑布 置成穿過或者鄰近熱塊，從而使用冷液體對熱塊進(jìn)行冷卻，由此當(dāng)冷液體流經(jīng)熱塊時(shí)升溫。熱液路徑和冷液路徑可以是穿過或者鄰近至少一部分熱塊的同一路徑，或者，熱 液路徑和冷液路徑是穿過或者鄰近至少一部分熱塊的單獨(dú)路徑。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，控制器通過控制熱液路徑和冷液路徑中的液體向反應(yīng)容器 的流動來控制一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器的溫度?？梢酝ㄟ^改變熱液路徑和冷液路徑中的液體的 流速和/或通過阻止和啟動熱液路徑和冷液路徑中的液體的流動來控制反應(yīng)容器的溫度。優(yōu)選地，熱液路徑和/或冷液路徑包括位于熱塊和/或各自的加熱元件和冷卻元 件中的多個(gè)子路徑。反應(yīng)可以是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)或者其他類型的化學(xué)反應(yīng)，例如，連接酶鏈?zhǔn)椒?jS (Ligase Chain Reaction), ^ ψ ^tMM )Ψ M T ±1 (Nucleic Acid Sequence-Based Amplification)、滾環(huán)擴(kuò)增(Rolling Circle Amplification)、鏈置換擴(kuò)增(Strand Displacement Amplification)、角軍鏈酶擴(kuò)增(Helicase Dependent Amplification),或者 $^ 介導(dǎo)(Transcription Mediated Amplification)。


下面將借助實(shí)施例并結(jié)合附圖更加充分地描述引入本發(fā)明的各個(gè)方面中的系統(tǒng) 的實(shí)施方式，其中圖1示出本領(lǐng)域已知的常規(guī)PCR系統(tǒng)的示意圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的熱控系統(tǒng)的示意圖；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的熱控系統(tǒng)的示意圖；圖如示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方式的熱控系統(tǒng)特別是加熱元件的第一示意性 側(cè)視圖；圖4b示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方式的熱控系統(tǒng)特別是冷卻元件的第二示意性 側(cè)視圖；圖fe示出本發(fā)明的第三實(shí)施方式的第一示意性平面圖；圖恥示出本發(fā)明的第三實(shí)施方式的第二示意性平面圖；以及圖6示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方式的熱控系統(tǒng)特別是孔的位置的另一示意圖。
具體實(shí)施例方式因此，如圖1所示，常規(guī)的PCR系統(tǒng)1包括容器3的陣列2。陣列2定位在熱支架 4中，熱支架4位于已知類型的加熱器/制冷器5例如珀?duì)柼K上。已知的，珀?duì)柼K 可以用來加熱或冷卻，珀?duì)柼K位于散熱器6上，從而根據(jù)需要儲存熱能。散熱器6上設(shè) 置有風(fēng)扇7，風(fēng)扇7安裝在風(fēng)扇支架8上，風(fēng)扇支架8位于散熱器6的底面上，從而根據(jù)需要 促進(jìn)散熱。熱支架4由具有良好導(dǎo)熱性的材料通常是金屬例如銅制成，并且其上設(shè)置有凹陷 或孔，容器3裝配到這些凹陷或孔中，使得能夠通過控制熱支架4的溫度來控制容器3中的 溫度。常規(guī)上，容器由聚丙烯制成。陣列2的每個(gè)容器3都形成大體上圓錐形狀并且都具 有限定孔穴11的周邊的上邊緣9，孔穴11提供通向容器3的通道。陣列2由相對較薄的膜 10覆蓋，膜10相對于容器3的上邊緣9密封，以保持試劑和反應(yīng)產(chǎn)物處于每個(gè)容器3內(nèi)。 由于容器3中的反應(yīng)過程中可能會產(chǎn)生非常高的壓力，因此將膜10在容器3的邊緣9和上 夾持構(gòu)件12之間夾緊，從而減小膜10在高壓下與邊緣9分離并且允許試劑和/或反應(yīng)產(chǎn) 物溢出和/或混合的幾率。為了在反應(yīng)進(jìn)行過程中能夠檢查容器內(nèi)部，膜10由透明的或半 透明的材料制成并且在夾持構(gòu)件12上設(shè)置有孔穴13，孔穴13與容器3的孔穴11對準(zhǔn)，從 而提供通向每個(gè)容器3的內(nèi)部的目測通道。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的用于反應(yīng)系統(tǒng)的熱控系統(tǒng)20的第一實(shí)施方式。如本文所示 的，在形成反應(yīng)系統(tǒng)的熱支架的熱塊21上設(shè)置有兩個(gè)液體入口 22、23和一個(gè)液體出口 24。 在熱塊21上設(shè)置有合適的用于容納容器的孔，化學(xué)和/或生化反應(yīng)例如PCR可以在容器中 進(jìn)行。但是，為了清楚起見沒有示出這些孔。熱塊21上設(shè)置有從兩個(gè)入口 22、23通往出口 24的液體路徑25。液體路徑25可以具有任何長度和構(gòu)型，理想地，其能夠?qū)φ麄€(gè)熱塊21 提供基本上均衡的熱控制。在這一實(shí)施方式中，如圖所示，兩個(gè)入口耦聯(lián)至穿過熱塊21的 同一液體路徑25。在每一個(gè)入口和出口處均設(shè)置可控閥門沈，可控閥門沈耦聯(lián)至處理器27，處理器 27控制閥門26。第一液體入口 22耦聯(lián)至冷液路徑觀，冷液路徑28延伸至冷液源四。第 二液體入口 23耦聯(lián)至熱液路徑30，冷液路徑30延伸至熱液源31，并且液體出口 M耦聯(lián)至 液體輸出路徑32，液體輸出路徑32延伸至冷液源四。設(shè)置溫度傳感器33用于測量熱塊21 的溫度，來自溫度傳感器33的輸出結(jié)果耦聯(lián)至處理器27。還在入口和出口處設(shè)置入口和出 口流量傳感器34、35，用于測量液體的流速。流量傳感器的輸出也耦聯(lián)至處理器27。冷液源四可以包括冷卻元件和/或熱量壓載(thermal ballast)，冷卻元件和/ 或熱量壓載的溫度低于熱塊21所需的最低溫度。熱液源31可以包括加熱元件和/或熱量 壓載，加熱元件和/或熱量壓載的溫度高于熱塊21所需的最高溫度。對于PCR系統(tǒng)，不需要 冷卻至環(huán)境溫度以下，因此冷液源可以處于環(huán)境溫度。因此，對于這種情況，冷液源是處于 環(huán)境溫度或者接近環(huán)境溫度的水箱36(在該實(shí)例中，保持在30°C )。另一方面，如上所述， PCR所需的最高溫度是95°C，因此保持熱液源高于該溫度，在該實(shí)例中，熱液源保持在98°C 并且包括容納沸騰的或者接近沸騰的水的水箱37。因此，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本文中使用了術(shù)語 冷卻和加熱，但是這些術(shù)語是相對于熱塊所需的最高溫度和最低溫度而言的并且不應(yīng)理解 為需要相對于環(huán)境溫度加熱或冷卻液體。冷液路徑觀接收來自冷液箱36的液體并且將其輸送至冷液入口 22。熱液路徑30接收來自冷液箱36的液體并且輸送所述液體使其流經(jīng)熱水箱37中的加熱路徑，由此 所述液體被加熱至98°C，然后，所述液體被輸送至熱液入口 23。使用正排量泵(positive displacement pump) 38泵送液體使其流經(jīng)熱液路徑28或冷液路徑30。泵38在處理器27 的控制下泵送液體使其沿任意方向流經(jīng)泵38，泵38借助T型接頭(T-jimCtion)39、40分 別連接至熱液路徑和冷液路徑，T型接頭39、40同樣在處理器27的控制下借助閥門41、42、 43、44耦聯(lián)至熱液路徑觀和冷液路徑30。由此，當(dāng)需要降低熱塊21的溫度時(shí)，打開閥門41 和44并且關(guān)閉閥門42和43，并且泵38泵送液體沿著冷液路徑從冷液箱36經(jīng)過泵38進(jìn)入 冷液入口 22。當(dāng)然，為了防止冷液從這一路徑中溢出，可以打開冷液入口 22上的閥門沈并 且關(guān)閉熱液入口 23上的閥門26。相似地，當(dāng)需要升高熱塊21的溫度時(shí)，關(guān)閉閥門41和44 并且打開閥門42和43，并且泵38泵送液體沿著熱液路徑從冷液箱36經(jīng)過泵38，沿著熱液 路徑經(jīng)過熱水箱37進(jìn)入熱液入口 23。當(dāng)然，在這種情況下，可以關(guān)閉冷液入口 22上的閥門 26并且打開熱液入口 23上的閥門26。溫度傳感器33測量熱塊21的溫度并且向處理器27提供該溫度。使用所需的溫 度為處理器27編程，處理器27根據(jù)是否需要降低或升高溫度來調(diào)節(jié)閥門，從而向熱塊提供 冷液體或熱液體。但是，通過調(diào)節(jié)流入熱塊的液體的流速、通過調(diào)節(jié)入口上的閥門25以及 調(diào)節(jié)泵38的泵送速率，能夠借助處理器獲得對溫度的精密控制。借助流量傳感器34、35測 量流速，流量傳感器；34、35的輸出也被傳送至處理器27，由此，處理器27能夠確保輸出流 速與輸入流速是一致的。以此方式，例如，雖然可能還沒有達(dá)到所需溫度，但是可以減小流 速，使得熱塊的溫度恰好達(dá)到所需溫度，而不是超過所需溫度然后又需要降溫?；蛘撸绻?需要加快溫度變化，則可以使流速增加到最大，然后通過改變液體的流速，使其處于較低流 速，可以使溫度緩慢地回到所需溫度。因此，可以看出，以此方式，可以對熱塊的溫度給予更 為靈活的控制。圖3顯示了與圖2相似的溫度控制系統(tǒng)的第二實(shí)施方式，其中，相似的元件具有相 似的附圖標(biāo)記。在這種情況下，在整個(gè)系統(tǒng)中，加熱路徑和冷卻路徑保持獨(dú)立。冷液路徑觀 在熱塊21內(nèi)分為多個(gè)冷卻路徑45，這些冷卻路徑45在單個(gè)出口 46又匯聚在一起，相似地， 熱液路徑30在熱塊21內(nèi)分為多個(gè)加熱路徑47，這些加熱路徑47在單個(gè)出口 48又匯聚在 一起。雖然在圖3中是單獨(dú)示出的，但是，很明顯，冷卻路徑45和加熱路徑47可以在熱塊 21內(nèi)互相交叉或者以其他方式互相纏繞(同時(shí)保持獨(dú)立)，使得它們的溫度盡可能地均衡。當(dāng)然，當(dāng)冷液體流經(jīng)熱塊21時(shí)，由于它接收了熱能，因此溫度升高，使得當(dāng)其離開 熱塊21時(shí)的溫度高于其進(jìn)入熱塊21時(shí)的溫度。因此，為了恢復(fù)冷液體的溫度，冷液路徑觀 穿過冷卻元件，例如代替前面的實(shí)施方式中的冷水箱36的散熱器49。相似地，當(dāng)熱液體流 經(jīng)熱塊21時(shí)，熱液體損失了熱能，因此在使其返回?zé)釅K21之前需要再次對其進(jìn)行加熱。相 應(yīng)地，熱液路徑30穿過熱源，熱源包括加熱元件50，加熱元件50被布置成當(dāng)熱液體流經(jīng)熱 源時(shí)對熱液路徑中的熱液體進(jìn)行加熱。雖然散熱器49和加熱元件50可以是分開的并且是 獨(dú)立的，但是，可以看出，如果合適，應(yīng)當(dāng)將它們布置成使用從冷液體獲得的熱能來加熱熱 液體，如果需要例如可以使用帕爾貼元件。圖4至圖6示出根據(jù)本發(fā)明的熱控系統(tǒng)100的第三實(shí)施方式。在這個(gè)第三實(shí)施方 式中，熱液路徑和冷液路徑相互分開，與圖2所示的實(shí)施方式一樣。特別地，熱支架101借 助絕緣器件102與熱壓載103和冷壓載104分開，第一熱液路徑Hl和第一冷液路徑Cl從各自的熱壓載103和冷壓載104穿過絕緣器件102延伸至熱支架101。如圖如中最佳地示出的，設(shè)置第一泵110用于泵送熱液例如合成油流經(jīng)第一熱液 路徑HI。第一熱液路徑Hl延伸穿過熱壓載103并且以正弦曲線的形式穿過熱壓載103，穿 過絕緣器件102延伸至熱支架101，然后返回，穿過絕緣器件102延伸至熱壓載103。熱壓載103本身被熱液加熱，熱液也可以是合成油，第二泵109泵送熱液，使其沿 著第二熱液路徑H2穿過熱壓載103，第二熱液路徑也以正弦曲線形式延伸穿過熱壓載并且 從熱壓載中出來，延伸到包括加熱元件107的加熱板(heating block)。在圖4b中，所示的相同特征具有相同的附圖標(biāo)記。如圖所示，第一泵113被設(shè)置 用于泵送冷液體使其流經(jīng)第一冷液路徑C2，冷液體可以是合成油。此時(shí)，第一冷液路徑Cl 延伸穿過冷壓載104并且以正弦曲線形式穿過冷壓載104，穿過絕緣器件102延伸至熱支架 101，然后返回，穿過絕緣器件102延伸至冷壓載104。如上所述，冷壓載104本身被冷液體冷卻，冷液體也可以是合成油，第二泵112泵 送冷液體，使其沿著第二冷液路徑C2穿過冷壓載104，第二冷液路徑也以正弦曲線形式 延伸穿過冷壓載并且從冷壓載中出來，延伸到包括冷卻元件108例如散熱器組的冷卻板 (cooling block)0因此，如圖fe所示，第一冷卻路徑Cl和第一加熱路徑Hl延伸穿過熱壓載103和 冷壓載104?？梢钥闯觯瑹釅狠d103和冷壓載104由相互交錯(cuò)的指銷形成，使得熱壓載指銷 和冷壓載指銷布置成只有非常小的間隔(為了方便沒有示出)。這一間隔減小了從熱壓載 到冷壓載的熱損失。優(yōu)選地，布置熱壓載和冷壓載的相對面以及間隔空間從而進(jìn)一步減少 熱傳遞。例如，所述相對面可以是未經(jīng)處理的或者經(jīng)拋光的金屬，從而幾乎不發(fā)生紅外輻射 或者紅外吸收，所述間隔是小的氣隙從而減少通過傳導(dǎo)和/或?qū)α鞫l(fā)生的傳遞?；蛘撸?以在所述間隔中填充絕緣材料。沿著熱壓載103和冷壓載104的指銷的相對面間隔地設(shè)置通道105。通道105由 位于熱壓載103和冷壓載104的每一側(cè)上的凹槽形成并且限定孔106的位置的中心，反應(yīng) 容器可以裝配到孔106中，通道105延伸穿過熱壓載和冷壓載并且穿過絕緣器件102到達(dá) 熱支架101中的每個(gè)孔106的底部，并且向下到達(dá)熱壓載和冷壓載的底部。由此，通道105 可以用于將光學(xué)觀察設(shè)備例如光學(xué)纖維從熱控系統(tǒng)的底部向上定位到每個(gè)孔106的底部， 從而觀察在每個(gè)孔106中的容器中單獨(dú)進(jìn)行的反應(yīng)的進(jìn)展，同時(shí)對反應(yīng)容器中的物質(zhì)進(jìn)行 加熱和/或冷卻。當(dāng)然，將激發(fā)光傳送至孔的光學(xué)纖維也可以穿過這些通道105。應(yīng)當(dāng)理解， 如果在位于壓載之間的間隔中填充絕緣材料，則也可以以任何合適的方式穿過這些絕緣材 料設(shè)置通道105。相似地，圖恥示出分別具有熱壓載103和冷壓載104的第二熱液路徑H2和第二 冷液路徑C2。還示出各自的冷卻泵112和加熱泵109。可以看出，這些熱液路徑H2和冷液 路徑C2延伸穿過熱壓載和冷壓載的指銷。在這幅圖中，為了便于觀看，以陰影示出冷壓載 104，但是陰影不指示其他任何含義。同樣，該圖示出了熱壓載103和冷壓載104的指銷在 孔位置(該圖中未示出)下方相互交錯(cuò)，通道105位于每個(gè)孔的位置的中心。還示出了各 自的加熱元件107和冷卻元件108。圖6以虛線106示出孔位置106，孔位于通道105上方并且橫跨熱壓載和冷壓載的 交錯(cuò)指銷的相對面，如前面所解釋的。如上所述，陰影顯示熱壓載103和冷壓載104的指銷11在孔位置下方相互交錯(cuò)。 應(yīng)當(dāng)理解，雖然僅僅詳細(xì)地描述了本發(fā)明的三個(gè)特定實(shí)施方式，但是，在不偏離本 發(fā)明的范圍的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對其做出各種變化和改進(jìn)。例如，很明顯，本文 中所使用的表述“熱傳感器”意圖涵蓋可以用于測量溫度的組件的任何組合并且可以包括 一個(gè)以上的傳感器，以某個(gè)方式對所述傳感器的輸出進(jìn)行分析，從而提供合適的溫度讀數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種用于直接或間接地控制至少一個(gè)反應(yīng)容器和/或其內(nèi)容物的溫度的熱控系統(tǒng)， 在所述反應(yīng)容器中可以發(fā)生化學(xué)和/或生化反應(yīng)，所述溫度被控制在至少最高預(yù)定溫度和 最低預(yù)定溫度之間，所述系統(tǒng)包括用于容納所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器的熱支架；用于感 測一個(gè)或多個(gè)熱支架、一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器和/或其內(nèi)容物的溫度的一個(gè)或多個(gè)熱傳感 器；其內(nèi)具有液體的熱液路徑，所述熱液路徑在所述熱支架和用于將液體加熱至至少與最 高預(yù)定溫度一樣高的溫度的加熱元件之間延伸；其內(nèi)具有液體的冷液路徑，所述冷液路徑 在所述熱支架和用于將液體冷卻至至少與最低預(yù)定溫度一樣低的溫度的冷卻元件之間延 伸；用于使所述熱液路徑和所述冷液路徑中的液體在所述熱支架和各自的加熱元件和冷卻 元件之間流動的裝置；以及，控制器，所述控制器與一個(gè)或多個(gè)熱傳感器耦聯(lián)，用于根據(jù)所 感測的溫度來控制所述熱液路徑和所述冷液路徑中的液體流入和流出所述熱支架和各自 的加熱元件和冷卻元件，使得所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器和/或其內(nèi)容物的溫度達(dá)到所需溫 度或者在所需溫度保持所需時(shí)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱控系統(tǒng)，其中，所述加熱元件包括熱源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱控系統(tǒng)，其中，所述加熱元件包括熱壓載。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱控系統(tǒng)，其中，所述冷卻元件包括冷源。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱控系統(tǒng)，其中，所述冷卻元件包括冷壓載。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱控系統(tǒng)，其中，所述熱支架包括導(dǎo)熱材料。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱控系統(tǒng)，其中，所述的用于使所述熱液路徑和 所述冷液路徑中的液體流動的裝置包括至少一個(gè)泵。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱控系統(tǒng)，其中，所述反應(yīng)容器形成多個(gè)反應(yīng)容 器的陣列的一部分。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱控系統(tǒng)，其中，所述熱液路徑包括閉合的液體 路徑，所述液體路徑布置成穿過或者鄰近所述加熱元件，使得其中的液體被加熱至至少與 最高預(yù)定溫度一樣高的溫度，并且，所述液體路徑布置成穿過或者鄰近所述熱支架，從而使 用熱液體對所述熱支架進(jìn)行加熱，由此當(dāng)熱液體流經(jīng)所述熱支架時(shí)冷卻下來。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱控系統(tǒng)，其中，所述冷液路徑包括閉合的液體 路徑，所述液體路徑布置成穿過或者鄰近所述冷卻元件，使得其中的液體被冷卻至至少與 最低預(yù)定溫度一樣低的溫度，并且，所述液體路徑布置成穿過或者鄰近所述熱支架，從而使 用冷液體對所述熱支架進(jìn)行冷卻，由此當(dāng)冷液體流經(jīng)所述熱支架時(shí)溫度升高。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱控系統(tǒng)，其中，所述熱液路徑和所述冷液路徑 是穿過至少一部分所述熱支架或者鄰近至少一部分所述熱支架的同一路徑。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱控系統(tǒng)，其中，所述熱液路徑和所述冷液路徑 是穿過至少一部分所述熱支架或者鄰近至少一部分所述熱支架的單獨(dú)路徑。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱控系統(tǒng)，其中，所述控制器通過控制所述熱 液路徑和所述冷液路徑中的液體向所述熱支架的流動來控制所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器和/ 或其內(nèi)容物的溫度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的熱控系統(tǒng)，其中，所述控制器通過改變所述熱液路徑和所 述冷液路徑中的液體的流速來控制所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器和/或其內(nèi)容物的溫度。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的熱控系統(tǒng)，其中，所述控制器通過阻止和啟動所述熱液路徑和所述冷液路徑中的液體的流動來控制所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器和/或其內(nèi)容物的溫度。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱控系統(tǒng)，其中，所述反應(yīng)是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
17.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱控系統(tǒng)，其中，所述熱液路徑和/或所述冷液 路徑包括位于所述熱支架和/或各自的加熱元件和冷卻元件中的多個(gè)子路徑。
18.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱控系統(tǒng)，其中，所述各自的加熱元件和冷卻元 件包括具有相互交叉的指銷的各自的熱壓載和冷壓載，所述熱支架定位在所述壓載上方， 使得當(dāng)所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器定位在所述熱支架上時(shí)，所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器基本上 橫跨位于兩個(gè)相互交叉的指銷之間的邊界。
19.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱控系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括通道，所述通道從定位 所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器的位置延伸穿過所述熱支架到達(dá)所述熱控系統(tǒng)的外部位置，從而 允許光學(xué)感測裝置以光學(xué)方式感測所述反應(yīng)容器中進(jìn)行的化學(xué)和/或生化反應(yīng)。
20.一種用于直接或間接地控制至少一個(gè)反應(yīng)容器和/或其內(nèi)容物的溫度的方法，化 學(xué)和/或生化反應(yīng)可以在所述反應(yīng)容器中發(fā)生，所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器安裝在熱塊上， 所述溫度被控制在至少最高預(yù)定溫度和最低預(yù)定溫度之間，所述方法包括感測所述熱塊、 所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器和/或其內(nèi)容物的溫度；以及，根據(jù)所感測的溫度，選擇性地將冷 液體沿著冷液路徑泵送至所述熱塊的冷液入口和/或?qū)嵋后w沿著熱液路徑泵送至所述 熱塊的熱液入口，所述熱液路徑在所述熱塊和用于將液體加熱至至少與最高預(yù)定溫度一樣 高的溫度的加熱元件之間延伸；所述冷液路徑在所述熱塊和用于將液體冷卻至至少與最低 預(yù)定溫度一樣低的溫度的冷卻元件之間延伸，使得所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器和/或其內(nèi)容 物的溫度達(dá)到所需溫度或者在所需溫度保持所需時(shí)間。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述反應(yīng)容器形成多個(gè)反應(yīng)容器的陣列的一 部分。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的方法，其中，所述熱液路徑包括閉合的液體路徑，所述 液體路徑布置成穿過或者鄰近加熱元件，使得其中的液體被加熱至高于最高預(yù)定溫度的溫 度，并且，所述液體路徑布置成穿過或者鄰近所述熱塊，從而使用熱液體對所述熱塊進(jìn)行加 熱，由此當(dāng)熱液體流經(jīng)所述熱塊時(shí)冷卻下來。
23.根據(jù)權(quán)利要求20至22中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述冷液路徑包括閉合的液體 路徑，所述液體路徑布置成穿過或者鄰近冷卻元件，使得其中的液體被冷卻至低于最低預(yù) 定溫度的溫度，并且，所述液體路徑布置成穿過或者鄰近所述熱塊，從而使用冷液體對所述 熱塊進(jìn)行冷卻，由此當(dāng)冷液體流經(jīng)所述熱塊時(shí)溫度升高。
24.根據(jù)權(quán)利要求20至23中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述熱液路徑和所述冷液路徑 是穿過至少一部分所述熱塊或者鄰近至少一部分所述熱塊的同一路徑。
25.根據(jù)權(quán)利要求20至M中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述熱液路徑和所述冷液路徑 是穿過至少一部分所述熱塊或者鄰近至少一部分所述熱塊的單獨(dú)路徑。
26.根據(jù)權(quán)利要求20至25中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述熱液路徑和/或所述冷液 路徑包括位于所述熱塊和/或各自的加熱元件和冷卻元件中的多個(gè)子路徑。
27.根據(jù)權(quán)利要求20至沈中任一項(xiàng)所述的方法，其中，通過控制所述熱液路徑和所述 冷液路徑中的液體向所述熱塊的流動來控制所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器和/或其內(nèi)容物的溫度。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，通過改變所述熱液路徑和所述冷液路徑中的 液體的流速來控制所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器和/或其內(nèi)容物的溫度。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，通過阻止和啟動所述熱液路徑和所述冷液路 徑中的液體的流動來控制所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器和/或其內(nèi)容物的溫度。
30.根據(jù)權(quán)利要求20至四中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述反應(yīng)是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
全文摘要
用于PCR反應(yīng)的系統(tǒng)(20)包括安裝在熱支架(21)上的反應(yīng)容器的陣列。熱支架(21)內(nèi)設(shè)置有液體路徑，液體路徑耦聯(lián)至冷液入口(22)、熱液入口(23)以及液體出口(24)。使用泵(38)將液體從冷液源(29)沿著冷液路徑(28)泵送至冷液入口(22)，或者經(jīng)由對液體進(jìn)行加熱的熱液源(31)將液體沿著熱液路徑(30)泵送至熱液入口(23)。溫度傳感器(34)測量熱支架(21)的溫度，處理器(27)控制所述泵以及位于入口和出口的閥門(26)和位于泵(38)的任一側(cè)的閥門(41-44)，從而控制是否向熱支架供給熱液體或冷液體以及以何種流速供給，以獲得熱塊(21)的正確溫度。
文檔編號B01L7/00GK102046291SQ200980119558
公開日2011年5月4日 申請日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月4日
發(fā)明者本杰明·馬斯特曼·韋伯斯特, 詹姆斯·理查德·豪厄爾 申請人:It-Is國際有限公司