專利名稱：用于加熱和冷卻的儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的主題是一種用于以受控方式加熱和冷卻物體的儀器、一
種用于實(shí)現(xiàn)熱分布型(thermal profile)的方法、 一種用于擴(kuò)增核酸 的方法、 一種用于加熱液體的系統(tǒng)以及一種用于測(cè)定核酸的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明在保健領(lǐng)域特別有用，其中需要對(duì)包含于其中的組分進(jìn)行 可靠試樣分析?；瘜W(xué)反應(yīng)需要加熱例如由分子診斷學(xué)可知，其中，已 知核酸將通過加熱至高于雜交體的解鏈溫度而變性，即從雙鏈的雜交 體變成單鏈。
一種利用反應(yīng)循環(huán)(包括該變性步驟)的方法是聚合酶鏈反應(yīng) (PCR)。通過提供工具來使得特定序列的核酸量從可忽略的量增加至 可檢測(cè)的量，該技術(shù)使得核酸處理領(lǐng)域產(chǎn)生了革命，特別是核酸分析 領(lǐng)域。PCR在EP0201184和EP0200362中有記載。
在EP236069中公開了一種儀器，其利用加熱和冷卻一伸出的金屬 塊來以受控方式對(duì)管中的試樣進(jìn)行熱循環(huán)。
目前，加熱PCR混合物主要利用具有主動(dòng)加熱和冷卻的珀?duì)柼?(Peltier)元件來進(jìn)行。與具有主動(dòng)加熱和被動(dòng)冷卻的系統(tǒng)相比，這 些珀?duì)柼枰獜?fù)雜的電子設(shè)備。
在US6633785中公開了一種利用電阻加熱或感應(yīng)加熱來加熱微管 (microtube)的方法。
在US6602473中公開了一種由硅制成的微加工反應(yīng)腔室。該裝置有 進(jìn)口孔和出口孔，并能夠用于在插入儀器中時(shí)進(jìn)行PCR反應(yīng)。然而，該 系統(tǒng)不能進(jìn)行靈敏且快速的溫度控制。
在W098/39487中公開了一種器具，其用于保持具有腔室的裝置， 該器具包括加熱板或冷卻板，當(dāng)該裝置插入所述器具中時(shí)，該加熱或 冷卻板布置在一扁平裝置的相對(duì)側(cè)壁上。
由現(xiàn)有技術(shù)的儀器所提供的溫度變化相對(duì)較慢。因此，需要提供 更快速的流體溫度變化，特別是在擴(kuò)增核酸的過程中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的笫一主題是一種用于以受控方式加熱和冷卻物體的儀 器，所述儀器從頂部至底部以以下順序包括一個(gè)層疊在另一個(gè)頂上
的
基本扁平的溫度傳感器元件； 導(dǎo)熱基片；以及 加熱層。
其特征在于所述導(dǎo)熱基片包括一個(gè)或多個(gè)可供流體透過的槽道。
本發(fā)明的第二主題是一種用于在裝置中實(shí)現(xiàn)熱分布型的方法，包
括加熱本發(fā)明的儀器中的該裝置。
本發(fā)明的第三主題是一種用于測(cè)定試樣中的核酸的系統(tǒng)，該系統(tǒng)
包括本發(fā)明的儀器以及包含所述試樣的裝置，其中，在測(cè)定所述試樣
中的所述核酸的過程中，所述儀器與所述裝置物理接觸。 本發(fā)明的第四主題是一種用于擴(kuò)增核酸的方法，包括
a) 在一裝置中提供包含核酸的液體混合物；以及
b) 使所述裝置與如權(quán)利要求1至9中任意一項(xiàng)所述的儀器物理接 觸；以及
c) 使所述裝置中的所述試樣經(jīng)受熱循環(huán)。 本發(fā)明的第五主題是一種用于加熱混合物的系統(tǒng)，包括 包含一個(gè)或多個(gè)腔室的裝置，該腔室用于裝所述混合物；以及 本發(fā)明的儀器；
其中，在加熱所述混合物的過程中，所述裝置與所述儀器物理接觸。


圖l示意表示了本發(fā)明的儀器的示例組件。
圖2表示了穿過本發(fā)明儀器的基片的橫截面A - A'處的流體槽道的 俯視圖，它為用于均勻冷卻的結(jié)構(gòu)和用于集中冷卻的結(jié)構(gòu)。
圖3表示了在該儀器上設(shè)置的溫度分布型，以便產(chǎn)生PCR曲線。 圖4以曲線形式表示了通過本發(fā)明的儀器進(jìn)行的兩次實(shí)驗(yàn)的結(jié)杲。
參考標(biāo)號(hào)
溫度傳感器元件l 基片2 加熱器層3 流體槽道4
導(dǎo)熱密封箔5 反應(yīng)腔室6 裝置本體具體實(shí)施例方式
用于擴(kuò)增核酸的方法為已知。它們將基于初始存在的目標(biāo)核酸作 為模板來產(chǎn)生大量的核酸，因?yàn)槊傅幕钚阅軌驈?fù)制所述目標(biāo)核酸中的 堿基序列。該復(fù)制子自身用作復(fù)制序列(優(yōu)選是已經(jīng)進(jìn)行首次復(fù)制的 堿基序列)的目標(biāo)。這樣，產(chǎn)生具有相同序列的巨量核酸。這就能夠 非常靈敏地檢測(cè)目標(biāo)核酸。
用于擴(kuò)增核酸的特別公知方法是聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)方法，這在 EP0200362中公開。在該方法中，反應(yīng)混合物經(jīng)受一種熱分布型的反復(fù) 循環(huán)，該溫度適合于使引物退火至該目標(biāo)核酸，利用所述目標(biāo)核酸作 為模板來使退火引物延伸，并使該延伸產(chǎn)物與其模板分離。
在第一步驟中，提供包含核酸的液體。該液體可以是包含要擴(kuò)增 的核酸的任何液體。而且，該液體包含擴(kuò)增核酸所需的試劑。對(duì)于各 擴(kuò)增方法，這些試劑為公知的，優(yōu)選是包括用于延伸引物的試劑，該 試劑優(yōu)選是依賴于模板的DNA-或RNA-聚合酶以及構(gòu)件，該構(gòu)件(例如
核普酸)將附在引物上以便延伸。而且，該混合物將包含用于建立延 伸反應(yīng)條件的試劑，例如所使用的酶的緩沖劑和輔助因子，例如鹽。
在進(jìn)一步的步驟中，將該溫度調(diào)節(jié)成能夠使雙鏈核酸變性，將引 物退火至該單鏈上，并使該退火引物延伸。該延伸反應(yīng)將在聚合酶有 活性的溫度下進(jìn)行。優(yōu)選是使用熱穩(wěn)定和熱活性的聚合酶。所形成的 雙鏈通過如上所述的變性而分開。
該過程能夠利用本發(fā)明的儀器來進(jìn)行。為此，裝有核酸的試樣作 為受冷卻和加熱的物體而裝在一裝置的腔室內(nèi)，該裝置已插入或要插 入本發(fā)明的儀器中。在下文中，更上位的術(shù)語"物體，，將由優(yōu)選和示 例性的術(shù)語"裝置"來代替。
本發(fā)明的儀器的第一部件是至少一個(gè)基本扁平的溫度傳感器元 件。在本文中，基本扁平的意思是傳感器包含的表面并不在其平均周 圍環(huán)境上升高超過lmm，更優(yōu)選是并不在其平均周圍環(huán)境上升高超過 0. lirnn。這樣的優(yōu)點(diǎn)是要加熱的所述裝置的表面與傳感器元件和相鄰層 有良好的熱接觸。它設(shè)計(jì)成測(cè)量在其被布置的位置處的溫度。這樣的 元件是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，且優(yōu)選是電阻元件。特別有利的傳
感器的厚度在O. 01 jLim和10iLim之間，優(yōu)選是在O. 8ym和l. 2pm之間。 一種市場(chǎng)上可獲得的示例傳感器元件為lpm厚，可從廠家獲得，例如 Heraeus Sensor Technology ( Kleinostheim，德國)、JUM0 GmbH & Co, KG (Fulda，德國)或Irmovative Sensor Technology 1ST AG (Wattwil，瑞士)。該元件有連接器，用于將傳感器元件永久性或可 逆地連接至通向控制單元的電線。該傳感器元件能夠根據(jù)已知方法來 制造。它能夠獨(dú)立制造，然后通過已知方式(例如膠接)固定至其它 部件。優(yōu)選是，該傳感器元件通過將一層材料濺射至伴隨層上來制造。 用于施加薄層的該方法也已知。用于該傳感器元件的優(yōu)選材料是鎳和 鉑。優(yōu)選是，它由鉑或鉑與其它貴重金屬的混合物來制造。
優(yōu)選是，該溫度傳感器元件由覆蓋層保護(hù)防止機(jī)械和化學(xué)損壞。 該覆蓋層優(yōu)選是由玻璃制成，優(yōu)選是厚度在lMm和25nm之間。它優(yōu)選 是通過本領(lǐng)域公知的厚膜沉積技術(shù)來制造。此外，該層優(yōu)選是具有低 導(dǎo)電率和高導(dǎo)熱率。
該溫度傳感器元件優(yōu)選是設(shè)計(jì)成與試樣的溫度充分相關(guān)。這可以 通過將該元件的形狀設(shè)計(jì)成使它非常類似于裝有試樣的該裝置的形狀 來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選是，包括有保護(hù)覆蓋層的該傳感器元件的接觸表面與該 裝置的接觸表面緊密接觸。由于該儀器和該裝置的該限定布置，試樣 中的溫度能夠由傳感器元件中測(cè)量的溫度非常確定地推算出來。
該溫度測(cè)量的結(jié)果用于控制該儀器中的加熱和冷卻過程。
本發(fā)明的儀器的第二基本部件是導(dǎo)熱基片。該基片優(yōu)選是由導(dǎo)熱 系數(shù)在2 x 103和5 x 10，/m2K之間的材料構(gòu)成。而且，所述基片為扁平， 因?yàn)樗暮穸葍?yōu)選是在O. l和10mm之間，更優(yōu)選是在l和5邁m之間。該基 片優(yōu)選具有剛性特征，即對(duì)于明顯的機(jī)械扭曲保持穩(wěn)定。而且，該導(dǎo) 熱基片優(yōu)選是由導(dǎo)電率小于o. iq-V'的電隔離材料來制造。此外，優(yōu) 選是該基片的特性具有較低的熱時(shí)間常數(shù)(密度x熱容/導(dǎo)熱率)，優(yōu) 選是小于10Ss/m2。合適的材料從以下組中選擇鋁、銅、氧化鋁、氮 化鋁、氮化硅、碳化硅、藍(lán)寶石、銅、銀、金、鉬和黃銅。更優(yōu)選的 是具有較低導(dǎo)電率的材料，例如電隔離材料，如導(dǎo)電率小于10—'fr'nf1 的材料。因此，特別有利的材料是陶瓷材料，例如氧化鋁、氮化鋁、 氮化硅、碳化硅和藍(lán)寶石。
該基片也可以根據(jù)已知方法來制造。優(yōu)選是，該基片通過燒結(jié)陶 資來制造。該基片可以以與該基片形狀類似的形式來制備，優(yōu)選是可 重復(fù)使用的形式，或者在燒結(jié)處理后可以裂開成合適尺寸的片。
本發(fā)明需要使該基片包括一個(gè)或多個(gè)槽道。該槽道可以位于基片 內(nèi)或基片上的任意位置。在第一實(shí)施例中，這些槽道形成于該基片內(nèi)， 這樣，該槽道的側(cè)壁完全由構(gòu)成該基片的材料來覆蓋。該槽道在設(shè)計(jì) 為冷卻流體的進(jìn)口和出口的位置處到達(dá)該基片的表面。該實(shí)施例需要 仔細(xì)制造，以便保證該槽道可用于流體，但是另一方面還不會(huì)泄漏。 在另一實(shí)施例(優(yōu)選實(shí)施例)中，該槽道形成為在基片表面中的槽， 并由另一層材料層來覆蓋。該材料可以與該基片的材料相同，但是也 可以不同。在任何情況下，這些槽都必須仔細(xì)封閉，以便保證流體不 能在除了用于流體的確定進(jìn)口孔和出口孔之外的地方從槽道泄漏至環(huán) 境中。對(duì)槽的封閉可以通過直接接合相同材料的兩個(gè)部件或者通過使 用附加薄的粘接劑來實(shí)現(xiàn)。這兩種方法為本領(lǐng)域公知。在基片表面中 包括有槽的本發(fā)明實(shí)施例又可以有兩個(gè)可能的實(shí)施例。在笫一實(shí)施例 中，這些槽位于基片的朝著傳感器元件的表面上。在優(yōu)選實(shí)施例中， 這些槽位于基片的朝著加熱器層的表面上。
該槽道的尺寸將取決于所需的冷卻能力和所使用的冷卻流體。優(yōu)
選是，該槽道的橫截面積在O. 2mm'和4mm'之間，更優(yōu)選是在O. 5mm'和 2. 5nim2之間。該橫截面可以有允許流體快速流過該槽道的任意形狀。 優(yōu)選是，該橫截面可以為圓形、橢圓形，或者可以為矩形、正方形或 梯形直徑。該橫截面可以在槽道的整個(gè)長度上都相同，或者可以不同， 并在槽道的整個(gè)長度上進(jìn)行變化。優(yōu)選是，該直徑在基片內(nèi)的槽道的 整個(gè)長度上基本相同。槽道可以為所需長度，以便以所需效率來冷卻 基片。應(yīng)當(dāng)知道，更大量的更短槽道的效率比更少量的更長槽道的效 率更高。槽道可以在基片中布置成能根據(jù)需要均勻冷卻基片。例如， 它們可以布置成彼此并排，各進(jìn)口孔處于該基片的遠(yuǎn)端。該槽道的幾 何形狀可以適合于要冷卻的基片和/或裝置的尺寸和形狀。優(yōu)選的幾何 形狀是蛇形幾何形狀。槽道可以為直的，或者可以彎曲，或者甚至可 以在它們通過基片的過程中分叉或分成更多通路。
用于冷卻該基片的流體可以是具有較大熱容量的任意流體。最優(yōu) 選的流體是水或空氣，但是也可以使用任意其它傳熱介質(zhì)。這些傳熱 介質(zhì)是公知的。
為了能夠?qū)⒃摾鋮s流體引入槽道，該裝置優(yōu)選是在槽道端部處具 有進(jìn)口孔和出口孔。這些孔通常具有配件，以便接收來自或通向流體 供給源的管子。該流體優(yōu)選是通過向槽道施加壓力差而引入槽道中。 這優(yōu)選是通過將受壓的冷卻流體施加至槽道進(jìn)口孔和/或向槽道出口 孔提供低壓或真空來實(shí)現(xiàn)。
流體供給源可以是本發(fā)明儀器的一部分，優(yōu)選是冷卻流體的儲(chǔ) 罐。優(yōu)選是，該儲(chǔ)罐包括冷卻器單元，從而將熱量從流體導(dǎo)向環(huán)境中。 適合于對(duì)該流體進(jìn)行冷卻的任意單元都可以使用，優(yōu)選是類似于致冷
器的冷卻器。該冷卻器可以由PC來控制，以便使流體到達(dá)并保持在冷
卻基片所需溫度下。冷卻流體在離開基片時(shí)可以被引導(dǎo)返回該儲(chǔ)罐， 以便被再次冷卻并重新用來冷卻基片。為了迫使流體流過槽道，該儀 器優(yōu)選是包括馬達(dá)，以便泵送流體通過槽道。該馬達(dá)可以由計(jì)算機(jī)根 據(jù)流體的粘性和要從基片中除去的熱量來控制，以便利用具有給定熱 容量、確定溫度和確定流速的流體來將基片冷卻至所需溫度。該冷卻
流體的溫度可以從4至35TC的范圍內(nèi)選擇，優(yōu)選是在15和27X:之間。
包括槽道的基片可以通過保護(hù)覆蓋層而與相鄰層(例如加熱器 層)隔開。該保護(hù)覆蓋層可以由玻璃、玻璃陶瓷或聚合物來制造。
本發(fā)明儀器的第三基本部件是加熱器。該加熱器優(yōu)選是基本扁 平，更優(yōu)選是電阻加熱器。這樣的加熱器為本領(lǐng)域公知。優(yōu)選是，該 加熱器是一層具有高電阻的材料，例如從以下組中選擇氧化釕、銀、 金、鉑、銅、鈀或者其它金屬。該材料最優(yōu)選是氧化釕。優(yōu)選是，該 層的厚度優(yōu)選在l 0 in m和30 jli m之間，更優(yōu)選是在15 p m和20 p m之間。 優(yōu)選是，該加熱器的加熱強(qiáng)度在15和40W/cm2之間。
該加熱層優(yōu)選是這樣制備，即以特定形狀涂覆或絲網(wǎng)印刷由該材 料構(gòu)成的糊狀物，并加熱所述組合物至足以使該特定材料燒結(jié)的溫 度。優(yōu)選是，該材料由此而粘附在其被燒結(jié)時(shí)所在的該層上。
本發(fā)明的加熱器優(yōu)選是電阻加熱器。電阻加熱利用小直徑電線的 電阻在電流流過時(shí)由于熱量而產(chǎn)生能量損失的效應(yīng)。 一種優(yōu)選設(shè)計(jì)是 具有用于電阻加熱的預(yù)定電阻的加熱線圈。該線圏可以由電線形成， 或者它能夠以其它方式設(shè)計(jì)，例如位于印刷電路板上或者設(shè)計(jì)為位于 基片(例如陶資或聚酰亞胺)上的任何材料的導(dǎo)體。 一種選擇是該線 圏通過薄膜或厚膜技術(shù)而在合適基片上形成。該線圈可以位于該容器
的底部、頂部或側(cè)部，或者甚至以這樣一種方式環(huán)繞該裝置，即，取 決于線圏的設(shè)計(jì)而使得該裝置處于該線團(tuán)內(nèi)部。
上述儀器的不同層優(yōu)選是布置成彼此緊密接觸，以便允許熱量高 效地流向物體和從物體流出。優(yōu)選是，該冷卻能力大大高于加熱能力。
與本發(fā)明的儀器和/或方法一起使用的裝置是容器，用于在該方法 條件下保持包含有試樣的混合物。因此，該裝置應(yīng)當(dāng)對(duì)提供至該混合 物的熱量大小和類型有耐熱性、能夠抵抗包含于該混合物中的試劑、 并且密封以便使混合物不能從該容器溢出。
在圖l中表示了組裝好的示例系統(tǒng)的基本部件，包括一些優(yōu)選的附
加部件。該裝置裝有試樣，該裝置包括在本體7中的腔室6，該腔室由 導(dǎo)熱密封箔5來封閉。它布置成緊鄰溫度傳感器元件l。傳感器元件l將 該基片2與該裝置隔開。該基片包括流體槽道4，該流體槽道允許流體 通過槽道傳送，以便大大降低該基片的溫度。最后，該儀器還包括加 熱器層3，以便能夠升高該基片的溫度。
在圖2中表示了在穿過本發(fā)明儀器的基片2的截面A-A'處的流體槽 道4的俯視圖。該流體槽道可以平行布置，以便均勻冷卻整個(gè)基片。在 另一結(jié)構(gòu)中，為了進(jìn)行集中冷卻，冷卻的是基片中處于流體槽道附近 的一個(gè)特定區(qū)域或各種特殊區(qū)域。在流體槽道的這兩個(gè)示例結(jié)構(gòu)中， 流體在進(jìn)口孔處引入，并在出口孔處離開該流體槽道。
本發(fā)明儀器的用途優(yōu)選是包括有效控制溫度，以便保證實(shí)現(xiàn)一種 溫度分布型，優(yōu)選是實(shí)現(xiàn)反復(fù)的溫度循環(huán)，這對(duì)于(例如PCR中的)熱 循環(huán)是有用的。該溫度和熱量控制優(yōu)選包括
——利用傳感器元件來測(cè)量該裝置中的所述試樣的溫度； ——將所測(cè)得的溫度與想要在試樣中達(dá)到的溫度進(jìn)行比較； ——通過加熱器元件向試樣施加熱量，以便當(dāng)試樣的溫度低于所 需溫度時(shí)升高溫度，或者當(dāng)試樣的溫度與所需溫度相同時(shí)保持所述試 樣中的溫度。
因此，在非常優(yōu)選的模式中，本發(fā)明包括根據(jù)液體的溫度通過計(jì) 算機(jī)程序來控制和調(diào)節(jié)該加熱過程。用于控制加熱器的單元稱為熱量 控制器。
由于該扁平傳感器元件，溫度的測(cè)量非常快，且并不需要大量的 電子設(shè)備。用于對(duì)測(cè)量溫度和所需溫度進(jìn)行比較所需的算法也相當(dāng)簡
單，本領(lǐng)域已知的簡單的PID (比例-積分-微分)控制算法就足夠了。 能夠利用加熱器而以任意已知方式來施加熱量，例如通過向電阻 加熱器連續(xù)施加電流，或者以電流脈沖輸入所述熱量，或者使用交流 電。獲得特定溫度增量所需的所述脈沖長度或電流大小能夠在簡單實(shí) 驗(yàn)中這樣來確定，即，測(cè)定示例試樣中的溫度并且以給定的冷卻能力 來改變電流大小和/或脈沖長度。
優(yōu)選是，這通過使用包含于該儀器中的控制單元來完成，該控制 單元從傳感器接收溫度測(cè)量值，并命令加熱器不加熱或者連續(xù)或間歇 加熱，直到達(dá)到所需溫度。更具體地說，在液體中的溫度能夠利用與 裝有試樣的該裝置接觸的溫度傳感器所進(jìn)行的測(cè)量以及對(duì)該相互作用 的物理狀態(tài)的了解來確定。為了控制該液體中隨時(shí)間變化的所需溫度 分布型，該P(yáng)ID控制算法將設(shè)置所需的加熱/冷卻功率，以便考慮到所 需溫度以及以最小時(shí)間間隔測(cè)量的溫度而在所需點(diǎn)處及時(shí)地獲得正確 溫度。與裝有試樣的該裝置接觸的溫度傳感器將以已知方式檢測(cè)溫 度，即，對(duì)于與該裝置接觸的傳感器來說，其檢測(cè)溫度與整個(gè)接觸表 面上的設(shè)計(jì)橫向溫度強(qiáng)度分布成比例。當(dāng)在與該裝置接觸的傳感器處 測(cè)到比預(yù)期更低的溫度時(shí)，則認(rèn)為該儀器與該裝置之間的機(jī)械接觸不 充分。當(dāng)測(cè)量溫度和預(yù)期溫度彼此相關(guān)時(shí)，則認(rèn)為該機(jī)械接觸處于工 作狀態(tài)。在另一實(shí)施例中，可以使用笫二傳感器元件來確定試樣中的 溫度，并評(píng)估該儀器與該裝置之間的接觸。這時(shí)，測(cè)量溫度的分辨率 是只有一個(gè)傳感器時(shí)的兩倍，且明顯降低了在試樣中獲得不適當(dāng)溫度
的危險(xiǎn)。
本發(fā)明的另一實(shí)施例是一種用于在一裝置中實(shí)現(xiàn)熱分布型的方 法，它包括
——加熱和冷卻本發(fā)明的儀器中的該物體。
熱分布型是要在該試樣中達(dá)到的一系列溫度。優(yōu)選是，所述分布 型的所有溫度都高于室溫，更優(yōu)選是在37和981C之間，最優(yōu)選是在40 和96t:之間。該分布型可以是上升分布型，其中，這些溫度隨時(shí)間升 高，或者可以是下降分布型，其中，這些溫度隨時(shí)間降低。最優(yōu)選的 是一種具有最大和最小溫度的分布型，即溫度升高和降低。在本發(fā)明 的最優(yōu)選實(shí)施例中，所述熱分布型包含重復(fù)的熱循環(huán)，這是PCR所需要 的。這些熱循環(huán)將包括最高溫度，其允許雙鏈核酸變性成單鏈；以
及最低溫度，從而允許單鏈核酸退火成雙鏈。
優(yōu)選是，本發(fā)明的方法還包括冷卻所述裝置。這里，優(yōu)選是通過 使得所述儀器(更優(yōu)選是使得包含在該基片中的槽道經(jīng)由其進(jìn)口孔) 遭受流體流來進(jìn)行冷卻的，該流體優(yōu)選是經(jīng)過槽道的氣體(例如空 氣)。流體的量及其溫度將確定冷卻速度。當(dāng)冷卻能力足夠大時(shí)，即 使在仍然有熱量由所述加熱器施加給儀器時(shí)，也能夠進(jìn)行該冷卻過 程。將該加熱器布置在該基片的背離要加熱/冷卻物體的一側(cè)，從而在 冷卻物體的過程中由加熱器產(chǎn)生的熱量不足以使該冷卻過程的效率大 大降低。冷卻一停止(例如通過減慢或停止冷卻流體得流動(dòng)或者通過 使更高溫度的流體流過槽道)，在加熱器中產(chǎn)生的熱量將不會(huì)由該流 體帶走，因此能夠加熱該物體。
如上所述，對(duì)物體的加熱通過操作該加熱器來進(jìn)行，例如通過使 電流流過電阻加熱器。通過使冷卻流體流過槽道來進(jìn)行冷卻。加熱和 冷卻過程所進(jìn)行的時(shí)間與使得物體呈現(xiàn)預(yù)定溫度所需的時(shí)間 一樣長， 或者當(dāng)溫度要在某個(gè)時(shí)間段保持恒定時(shí)，該時(shí)間還將更長。加熱、冷
卻或保持溫度的時(shí)間可以選擇為與為用途(例如用于PCR)所需的時(shí)間 一樣長。用于加熱、冷卻和保持的時(shí)間長度可以根據(jù)電流和流體的量 而通過溫度傳感器組合計(jì)算機(jī)單元來控制，以便直接起動(dòng)加熱和冷卻 過程以及它們的強(qiáng)度。該傳感器可以用于測(cè)量該物體中的溫度。計(jì)算 機(jī)可以用于判斷該物體的溫度是否與要遵循的分布型的溫度相同。
本發(fā)明的另 一實(shí)施例是一種用于測(cè)定試樣中的核酸的系統(tǒng)，該系 統(tǒng)包括本發(fā)明的儀器以及裝有所述試樣或設(shè)計(jì)成接收所述試樣的裝 置。該系統(tǒng)可以用于本發(fā)明的用于擴(kuò)增核酸的方法中。因此， 一種系 統(tǒng)優(yōu)選是包括用于進(jìn)行該測(cè)定的試劑和消耗品，且任選地可以通過包 括用于處理該裝置和/或試樣的機(jī)器人而自動(dòng)操作。該裝置能夠插入在 該系統(tǒng)中，以1更保證向該儀器的各部件適當(dāng)?shù)厥┘与娏骱屠鋮s能力， 并最終加熱和冷卻裝在有效位置中的該裝置。
本發(fā)明的另一實(shí)施例是一種用于擴(kuò)增核酸的方法，它包括在本 發(fā)明儀器的一裝置中提供包含所述核酸和擴(kuò)增試劑的液體混合物；以 及使所述裝置中的所述試樣承受熱循環(huán)。
示例l
制造本發(fā)明的儀器
在第一步驟中，制造扁平和圖案化的陶瓷基片。該扁平陶瓷基片
可以從CeramTec AG公司(Plochingen，德國)以各種標(biāo)準(zhǔn)厚度定購。在 這里，該基片由氧化鋁制成，厚度為635 pm。該圖案化陶瓷基片包含 流體槽道，即在一側(cè)上敞開的槽道，它通過本領(lǐng)域公知的陶瓷注模技 術(shù)來模制。兩個(gè)陶瓷板形成接觸，并通過進(jìn)一步的燒結(jié)步驟而熔合在 一起。在下一步驟中，將從Hereaus公司購得的由鉑制成的薄膜溫度傳 感器涂覆在陶瓷體的其中一個(gè)較大表面上，并由覆蓋層來保護(hù)，該覆 蓋層由玻璃陶瓷制成，厚度為20nm。薄膜傳感器也可以用作加熱器。 在還一制造步驟中，厚膜加熱器(材料為氧化釕，厚度為15Mm)制成 于陶瓷體的另一相對(duì)側(cè)。該厚膜層也由保護(hù)層來保護(hù)，該保護(hù)層也由 玻璃陶瓷制成，厚度為20pm。
示例2
利用本發(fā)明的儀器泉實(shí)現(xiàn)PCR
使用在示例1中所述的熱循環(huán)器，通過市場(chǎng)上可購得的 UghtCycler ParvoB19工具包(Cat No 3246809, Roche Diagnostics GmbH，德國)來進(jìn)行多次PCR運(yùn)行，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)PCR檢測(cè)，并遵循制 造商在該工具包中提供的用法說明，并利用LightCycler Parvo B19 Standard作為模板。設(shè)置圖3中所示的溫度分布型來產(chǎn)生PCR曲線。溫 度斜率選擇為使得PCR效率仍然良好、而熱循環(huán)器將處理快得多的斜 率，例如20iC/s。
圖4中以曲線形式表示了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，該曲線形式是在具有所 述熱循環(huán)器的試驗(yàn)板上測(cè)量得到的，利用了所述溫度傳感器，并且使 用了試驗(yàn)板實(shí)時(shí)熒光光度計(jì)，該熒光光度計(jì)能夠激勵(lì)和測(cè)量在 UghtCycler ParvoB19工具包(Roche Diagnostics GmbH，德國) 中所記載的熒光物質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種用于以受控方式加熱和冷卻物體的儀器，所述儀器從頂部至底部以以下順序包括一個(gè)層疊在另一個(gè)頂上的至少一個(gè)基本扁平的溫度傳感器元件；導(dǎo)熱基片；以及加熱層；其特征在于，所述導(dǎo)熱基片包括一個(gè)或多個(gè)可供流體透過的槽道。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的儀器，其中，所述傳感器元件包括電阻 元件和覆蓋層，所述覆蓋層保護(hù)所述電阻元件不與環(huán)境直接接觸，且 厚度小于25 jnm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的儀器，其中，所述覆蓋層具有物體接觸 表面，該物體接觸表面反映所述物體的表面形狀，并朝向所述物體的 傳感器接觸表面。
4. 根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的儀器，其中，所述傳感器元 件的厚度在O. 01 jLim和10jum之間，優(yōu)選是在O. 8 pm和l. 2 M瓜之間。
5. 根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的儀器，其中，所述基片的厚 度在1 mm和10mm之間。
6. 根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的儀器，其中，所述導(dǎo)熱基片 由電隔離材料制成。
7. 根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的儀器，其中，所述加熱器的 厚度小于30jLim。
8. 根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的儀器，還包括熱量控制器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)所述的儀器，還包括流體儲(chǔ)罐， 該流體的溫度小于351C。
10. —種用于在一裝置中實(shí)現(xiàn)熱分布型的方法，包括 加熱如權(quán)利要求1至9中任意一項(xiàng)所述的儀器中的該裝置。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括使冷卻流體流過所述 裝置的所述基片的槽道。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中，所述流體是氣體。
13. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中，所述流體是液體。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10至13中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述熱 分布型包含重復(fù)的熱循環(huán)。
15. —種用于測(cè)定試樣中的核酸的系統(tǒng)，包括如權(quán)利要求1至9中 任意一項(xiàng)所述的儀器以及包含所述試樣的裝置，其中，在測(cè)定所述試 樣中的所述核酸的過程中，所述儀器與所述裝置物理接觸。
16. —種用于擴(kuò)增核酸的方法，包括a) 在一裝置中提供包含核酸的液體的混合物；以及b) 使所述裝置與如權(quán)利要求1至9中任意一項(xiàng)所述的儀器物理接 觸；以及c) 使所述裝置中的所述試樣經(jīng)受熱循環(huán)。
17. —種用于加熱混合物的系統(tǒng)包括包含一個(gè)或多個(gè)腔室的裝置，該腔室用于裝所述混合物；以及 如權(quán)利要求1至9中任意一項(xiàng)所述的儀器；其中，在加熱所述混合物的過程中，所述裝置與所述儀器物理接觸。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種儀器和方法，它們能夠方便地快速擴(kuò)增核酸。該儀器以以下順序包括至少一個(gè)基本扁平的溫度傳感器元件；導(dǎo)熱基片；以及加熱器層，其中，該導(dǎo)熱基片包括可供流體透過的一個(gè)或多個(gè)槽道。
文檔編號(hào)C12Q1/68GK101104842SQ20071013646
公開日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2007年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月14日
發(fā)明者E·薩羅菲姆, G·薩瓦蒂克 申請(qǐng)人:霍夫曼-拉羅奇有限公司