熱循環(huán)裝置及方法
【專利摘要】具有從安裝壁延伸出來的樣品界面壁的熱循環(huán)裝置。樣品界面壁可接受熱循環(huán)并將熱循環(huán)應用于樣品。氣源可引導氣流以冷卻樣品，另一氣源可引導加熱的空氣離開樣品。
【專利說明】熱循環(huán)裝置及方法
[0001]本發(fā)明的背景
[0002]本發(fā)明要求于2012年5月15日提交的第61/647，493號美國臨時專利申請的優(yōu)先權。
[0003]多種生物檢測方法需要熱循環(huán)，通常用于通過熱交換來引發(fā)化學反應。這種方法的一個實例是用于DNA擴增的聚合酶鏈反應(PCR)。更多的實例包括等溫核酸擴增、快速PCR、連接酶鏈反應(LCR)、自持序列復制、酶動力學研究、均一配體結合試驗、和需要復雜溫度變化的更復雜的生物化學機理研究。
[0004]這樣的方法需要可以精確地并在某些情況下迅速提高和降低樣品溫度的檢測系統(tǒng)。存在很多這樣的系統(tǒng)，其通常使用冷卻裝置(例如風扇)，這種裝置占據很大的物理空間并需要大量的動力來提供所需的性能(例如快速降溫)。此外，這種冷卻裝置有啟動延時和關閉重疊的問題，即關閉后還將發(fā)揮作用，因此不能使用瞬時類似數字的精度進行操作。例如，離心風機在打開的時候將不會以全體積能力立即鼓風并且在電源關閉后也將繼續(xù)旋轉，這樣就會產生在檢測中必須考慮的重疊時間。這些問題通常會隨著設備的老化變得更糟。
[0005]由于這種冷卻裝置成本低，相對來說性能可被接受且易實施，這妨礙工業(yè)界尋找解決問題的方法。因此，解決方法遠不止具有更大的容量輸出功率的更強力的風扇，并且這也增加了空間和動力的需求。這么做的代價是對場檢測系統(tǒng)的便攜性產生負面效應，例如，便攜性可以應用于偏遠地區(qū)的病毒爆發(fā)的快速檢測。因此，亟需解決的是在生物檢測系統(tǒng)中使用的已知的冷卻設備的不足之處。
[0006]發(fā)明概述
[0007]本發(fā)明的一個實施方式涉及熱循環(huán)裝置，其可包括安裝壁，該安裝壁部分地界定用于將生物樣品熱循環(huán)的室。安裝壁可具有與第二安裝面相對的第一安裝面。樣品界面壁可從第二安裝面橫向延伸。樣品界面壁具有可從第二安裝面接近的平面接口。樣品界面壁可在平面接口相對兩側具有第一加熱元件和第二加熱元件。第一氣源具有設置為在第一加熱元件處引導空氣的出口。第二氣源具有設置為引導空氣離開第一加熱元件的出口。第三氣源具有設置為在第二加熱元件處引導空氣的出口。第四氣源具有設置為引導空氣離開第二加熱元件的出口。
[0008]在一些實施方式中，各個氣源包括具有平面的空氣泵、在平面上的出口、以及在平面周圍的多個邊緣。
[0009]在一些實施方式中，各個空氣泵與第二安裝面連接，從而其平面基本上橫向于第二安裝面。
[0010]在一些實施方式中，設置第一空氣泵、第二空氣泵和樣品界面壁以界定室的第一子體積。
[0011]在一些實施方式中，設置第二空氣泵的出口以將空氣排出第一子體積的出口。
[0012]在一些實施方式中，設置第三空氣泵、第四空氣泵和樣品界面壁以界定室的第二個子體積。
[0013]在一些實施方式中，設置第四空氣泵的出口以將空氣排出第一子體積的出口。
[0014]在一些實施方式中，設置第一氣源和第三氣源都設置為在第一加熱兀件和第二加熱元件處直接分別引導氣流。
[0015]在一些實施方式中，設置第二氣源和第四氣源以在樣品界面壁處引導氣流。
[0016]在一些實施方式中，設置第二氣源和第四氣源以沿樣品界面壁引導氣流。
[0017]在一些實施方式中，設置及各個第二氣源和第四氣源以抽吸空氣遠離所述樣品界面壁。
[0018]在一些實施方式中，安裝壁和樣品界面壁可包括印刷電路板。
[0019]在一些實施方式中，樣品界面壁將室分為基本上相同的體積。
[0020]在一些實施方式中，氣源對稱地設置于樣品界面壁。
[0021]在一些實施方式中，各個氣源包括平面的外殼，外殼具有安裝于內部隔板上的內部壓電器件。
[0022]在一些實施方式中，各個平面的外殼可包括出口端口，且其中設置第一氣源和第三氣源的出口端口以在第一加熱元件和第二加熱元件處直接分別提供各自氣流。
[0023]在一些實施方式中，設置第二氣源和第四氣源的出口端口以沿或遠離樣品界面壁方向分別提供氣流。
[0024]本發(fā)明的另一實施方式涉及熱循環(huán)方法。在該方法中，可以啟動第一加熱元件和第二加熱元件，各個加熱元件鄰近生物樣品架設置。使用第一氣源在第一加熱元件處引導第一氣流以傳遞來自第一加熱元件的熱量。使用第二氣源引導第二氣流以引導加熱的空氣遠離第一加熱元件。使用第三氣源在第二加熱元件處弓I導第三氣流以傳遞來自第二加熱元件的熱量。使用第四氣源引導第四氣流以引導加熱的空氣遠離第一加熱元件。
[0025]在一些實施方式中，第一加熱元件和第二加熱元件安裝于樣品界面壁的相對面上，樣品界面壁從安裝面延伸。
[0026]在一些實施方式中,各個氣源包括基本上平面的外殼，外殼邊緣安裝于安裝面。
[0027]在一些實施方式中，第一氣流和第三氣流直接貫穿第一加熱元件和第二加熱元件。
[0028]在一些實施方式中，第二氣流和第四氣流被沿樣品界面壁引導。
[0029]在一些實施方式中，第二氣流和第四氣流方向被引導遠離樣品界面壁。
[0030]在一些實施方式中，各個氣源包括平面外殼，該外殼具有安裝于內部隔板上的內部壓電器件。
[0031 ] 在一些實施方式中，弓丨導各個氣流包括啟動各個壓電器件。
[0032]在一些實施方式中，根據預設的冷卻循環(huán)將壓電器件開啟和關閉。
[0033]在一些實施方式中，根據預設的加熱循環(huán)將所述加熱元件開啟和關閉，加熱循環(huán)的開啟位置與冷卻循環(huán)的開啟位置異相。
[0034]在一些實施方式中，監(jiān)控第一加熱元件和第二加熱元件的溫度。
[0035]在一些實施方式中，根據預設的最低溫度和預設的最高溫度來啟動第一加熱元件和第二加熱元件以向生物樣品架提供熱量。
[0036]在一些實施方式中，當生物樣品架達到預設的最高溫度時，控制氣源以引導空氣。
[0037]在一些實施方式中，當生物樣品架達到預設的最低溫度時，控制氣源以停止引導空氣。
[0038]附圖簡述
[0039]圖1A為根據本發(fā)明的一些實施方式的檢測系統(tǒng)100的簡化示意圖。
[0040]圖2A為根據本發(fā)明的一些實施方式的熱循環(huán)裝置的透視圖。
[0041]圖2B為圖2A的熱循環(huán)裝置的前視圖。
[0042]圖2C為圖2A的熱循環(huán)裝置的后視圖。
[0043]圖2D為圖2A的熱循環(huán)裝置的俯視圖(從上往下看)。
[0044]圖2E為圖2A的熱循環(huán)裝置的仰視圖(從下往上看)。
[0045]圖2F為圖2A的熱循環(huán)裝置的側視圖。
[0046]圖2G為圖2F的側視圖，處于清楚的目的將組件移除。
[0047]圖2H為根據本發(fā)明的一些實施方式的圖2A中熱循環(huán)裝置在使用中的簡化的后視圖。
[0048]圖3A至3E為根據本發(fā)明中各自相應的實施方式的熱循環(huán)裝置的后視圖。
[0049]圖4A為根據本發(fā)明的一些實施方式的氣源的橫斷面圖。
[0050]圖4B為根據本發(fā)明的一些實施方式的多個連接的增壓氣源的橫斷面圖。
[0051]圖5A至5F為根據本發(fā)明的一些實施方式的多個連接的增壓氣源的布置的多種示意圖。
[0052]圖5E為根據本發(fā)明的一些實施方式的圖2A中具有多個連接的增壓氣源的熱循環(huán)裝置的變型的簡化后視圖。
[0053]發(fā)明詳述
[0054]1.系統(tǒng)綜述
[0055]圖1表示用來檢測樣品的系統(tǒng)100的簡化示意圖。系統(tǒng)100包括樣品盒110，其設置用于接收和容納材料樣品，如體液(例如血液、尿液、唾液)或可溶于液體的固體(例如土壤、孢子、化學殘留物)。樣品盒110為圍墻式結構，具有一個或多個流體通道和連接端口。樣品盒110可相對地小，這樣其可易于持握、便攜并且/或者一次性使用。美國專利(專利號6，660，228)公開了這種樣品盒的實例，其通過引用并入本文。
[0056]樣品盒110可容納一種或多種試劑和/或化學品，其用于處理樣品以便最后檢測樣品的一些性質。這個過程的實例是用來擴增DNA存在的PCR。樣品盒110包括樣品室(110a)，其中可以進行熱循環(huán)。
[0057]樣品盒110可以連接熱循環(huán)模塊120，以便樣品室110a可以與其熱連接。熱循環(huán)裝置120包括一個或多個設置為可以將能量轉移到室110a并從室110a中去除能量的設備120a。因此，熱循環(huán)設備120a的至少一個如電加熱元件的設備120a可以把熱量傳遞到室110a，并且至少一個設備120b，可以冷卻室110a來除去熱量。這種加熱和冷卻可以以循環(huán)的方式來進行。
[0058]樣品制備模塊130也與樣品盒110連接。樣品制備模塊130設置為可以在樣品熱循環(huán)之前和/或之后在樣品盒110中處理樣品。模塊130可以包括一個或多個可以影響樣品在樣品盒110中移動的裝置。例如，裝置130a可以連接到盒的端口來提供可以使樣品移動到樣品盒110(如室110a)的不同位置的負壓或者正壓。這種裝置可以是真空泵或柱塞，或在樣品盒110中給樣品的移動機構提供動力的電機。模塊130的另一裝置130b可以向樣品提供能量(例如超聲振動)從而在物理上將樣品分解為更簡單的形式并且/或者通過一種或多種試劑和/或化學品影響化學反應。這種裝置可以通過壓電裝置提供振動。
[0059]傳感器模塊140也與樣品盒110連接。傳感器模塊140可以包括一個或多個傳感器140a和電路140b，其可被設置為基于樣品可檢測出的性質而產生信號。這些信號可以經過處理最終提供有用的數據。例如，傳感器模塊140可以包括探測器和向樣品提供電磁能量的能量源，從而引起反應、檢測的能量吸收、或檢測由能量引起的激發(fā)態(tài)。傳感器140a是基于光學的，包括一個或多個如(XD的攝像機。
[0060]熱循環(huán)裝置120、樣品制備模塊130和傳感器模塊140可物理地和/或電學地上全部或部分地彼此集成。例如，這些模塊可被容納在更大的檢測模塊150中，模塊150是專門為一個或多個進程來設置的。檢測模塊150可被物理地設置在多壁結構中，如便攜式模塊外殼，并且還包括控制器160?？刂破?60被設置為向熱循環(huán)裝置120、樣品制備模塊130、和/或傳感器模塊140提供從模塊接收的電學輸入的控制指令。
[0061]檢測模塊150可與計算模塊160連接。在一些實施方式中，檢測模塊150僅從計算模塊160接收動力和指令。相反，在其他實施方式中，檢測模塊可向自身供電(例如通過內部電池)和/或本地供電(例如通過墻壁出口接頭)，并且檢測模塊有存儲裝置，其設置用于存儲從傳感器模塊140產生的并隨后傳送給計算模塊160的檢測結果。在這樣的實施方式中，可以將動力部分和存儲部分整合為傳感器模塊140的子模塊。另外，在另外的實施方式中，檢測模塊雖然可以被獨立供電(例如電池，墻上插座)，但是其依賴于計算模塊160以通過直接的(例如接線的)或間接的(例如無線的)連接方式來接收控制指令。
[0062]計算模塊160可以是一臺通用計算機、專用計算機、服務器、或者服務器群。一般來說，計算模塊160包括至少處理器，其通過通信總線連接至不同類型的物理內存(例如RAM、處理器緩存、HDD)和輸入/輸出設備(例如鍵盤、顯示器)。由于機器可以讀出在各種類型內存中的指令，因此操作檢測模塊160的方法可以被永久地或在操作需要時存儲。因此，處理器可以執(zhí)行指令來完成方法。
[0063]I1.熱循環(huán)模塊
[0064]圖2A至2G表示熱循環(huán)裝置200，它是熱循環(huán)裝置120的實施方式。
[0065]熱循環(huán)裝置CTCD) 200是向檢測樣品循環(huán)供熱和冷卻的模塊組件。T⑶200包括由安裝壁204部分地界定的室202，安裝壁204也作為安裝組件的支撐體。安裝壁204可與更大的附件進行整合，如檢測模塊150。安裝壁204可由一個或多個諸如鋁、鋼或者塑料的剛性材料層構成。安裝壁204可包括第一安裝面206，這樣可以易于接近，以便樣品盒的插入。第二安裝面208可是諸如金屬片或模壓塑料的的構件的一部分。安裝壁204還可包括第二安裝面208，第二安裝面208通常是面向內的，不容易被用戶所接近。第二安裝面208表面可是PCB板的一部分，PCB板具有可以向安裝在其上的設備提供電信號的設置(trace)。
[0066]從第二安裝表面208橫向延伸出的是樣品界面壁210。樣品界面壁210可是和安裝壁204進行電子通訊的PCB板。樣品界面壁210向平面接口 212提供了支撐結構。平面接口 212是可延伸到樣品界面壁210專用的凹狀連接器。平面接口 212包括兩個相對的平面加熱元件214，其之間具有設置用于接收凸狀連接器的開放空間。
[0067]平面接口 212還包括設置為通過凸狀連接器的邊緣檢測樣品性能的傳感器。該裝置見圖2G中所示。凸狀連接器包括插入到平面接口 212的平面的樣品室(例如樣品盒110)。各個平面加熱元件214提供了相對大的表面積(例如各170_2)以將熱量傳遞至相應的平面樣品室的平面，其各個的表面積相對較小(例如各16mm2)。
[0068]多個氣源可以直接或間接地連接至第二安裝面208和/或樣品界面壁210。在一些實施方式中，多個氣源包括第一氣源216a、第二氣源216b、第三氣源216c和第四氣源216d。
[0069]如圖所示，第一氣源216a位于樣品界面壁210的一側，以便第一氣源216a的平面218a被設置為與樣品界面壁210基本平行。在一些實施方式中，第一氣源216a和樣品界面壁210分隔的距離大約為9.5mm。設置第二氣源216b，以便第二氣源216b的平面218b或其虛擬平面延伸與樣品界面壁210相交從而在其之間形成銳角，這里圖示的銳角大約為45°。第三氣源216c和第四氣源216d以同樣的方式設置于樣品界面壁210的另一側。
[0070]氣源216如圖所示的布置基本上是在樣品界面壁210周圍對稱的。然而，這種對稱并不是必須的，因此也可以是不對稱的布置。此外，在一些實施方式中，不存在第三氣源216c和第四氣源216d。在其它實施方式中，僅存在第一氣源216a和第四氣源216d。
[0071]第二氣源216b和第三氣源216c可以通過被固定于樣品界面壁210的延長支架220a連接到樣品界面壁210。各個延長支架220a可包括用于托住氣源216的邊緣的槽。同樣，第一和第四氣源216a/216d可通過延長支架220b連接到第二安裝面208，各個延長支架220b包括用于托住氣源的邊緣的槽。因此，如圖所示，各個氣源216都是直接或間接地被“邊緣安裝”于樣品界面壁210和第二安裝面208，以便各個氣源216的平面基本上橫向于第二安裝面208。
[0072]樣品界面壁210和第二安裝面208的范圍部分界定系統(tǒng)100的室，如圖2A中虛線所示。也就是說，該室的體積至少可以通過用第二安裝面208的面積乘以從第二安裝面208延伸出來的樣品界面壁210延伸長度來確定。第一氣源216a、第二氣源216b、第二安裝面208和樣品界面壁210部分定義室內的第一子體積VI。同樣，第三氣源216c、第四氣源216d、第二安裝面208和樣品界面壁210部分定義室內的第二子體積V2。
[0073]設置第一氣源216a和第四氣源216d以便在平面218a/218d上的相對應的出口端222a/222d直接指向平面接口 212上的平面加熱元件214。通常在相對于出口端222的各個氣源216上還提供有進氣口。因此，從出口端222a/222d排出的氣流被定向以貫穿平面接口 212的平面加熱元件216，以影響連接的樣品盒的室。設置第二氣源216b和第三氣源216c以便使相對應的出口端222a/222d直接指向在樣品界面壁鄰近的位置或位于出口端口 222a/222b所定向的同樣的位置。因此，從出口端口 222b/222c排出的氣流被定向與樣品界面壁以小于90°的銳角相交。如圖所示，出口端222b/222c的夾角大約為45°。
[0074]在使用中，T⑶200可快速地在相對較低和較高的溫度之間對由平面接口 212夾住的樣品進行熱循環(huán)。樣品將從高溫轉變?yōu)榈蜏鼗驈牡蜏剞D變?yōu)楦邷?，這是由一個或多個控制器操作平面加熱元件214來進行的，冷卻是由氣源216來進行的。一些如PCR的生物檢測過程需要熱循環(huán)。對于PCR而言，樣品通常會在60°C的低溫下放置一段預設的時間并將溫度逐漸升至94°C的高溫下放置另一段預設的時間。與低溫和高溫所持續(xù)的時間相比，期望在低溫期和高溫期之間包括升溫和降溫的溫度變化時間相對短。因此，溫度隨時間的理想的變化曲線圖應該非常像矩形波。
[0075]在熱循環(huán)過程開始之前，可以開啟平面加熱元件214以將樣品預熱，從初始(as-delivered)溫度(例如室溫)升溫至基準的低溫(例如60°C )并保持一段預定的時間(例如6秒)，隨后升至高溫(例如94°C )并再保持一段預定的時間(例如6秒)，或者任選地，直接從初始溫度升至高溫并保持一段預定的時間。
[0076]在高溫期完成后，關閉平面加熱元件214或僅為其提供很小的動力，開啟氣源216以冷卻樣品，并將溫度降回低溫并保持一段預定的時間(例如6秒)。在低溫期結束后，關閉氣源216并再次開啟平面加熱元件，以便樣品被重新升回至高溫并保持一段預定的時間。這個循環(huán)過程一直持續(xù)直到完成預定的循環(huán)量。通常，平面加熱元件214和氣源216的循環(huán)任務可是彼此異相的(僅有很小的重疊)，以便裝置不在相同的時間運行。然而，在低溫和高溫期間，可以根據需要向平面加熱元件214和/或氣源216提供動力(例如間歇性地使用全部/部分動力或連續(xù)地使用部分動力)以將樣品保持在所需的低或高溫下。
[0077]在冷卻期間發(fā)生的液體的流體動力學被簡要地在圖2H中描述。如圖所示，氣源216a/216d各自的平面218a/218d設置為與樣品界面壁210和平面接口 212 (出于清楚的目的而為在圖中表示)平行，并從與平面接口 212橫向相交的出口端口 222a/222b排出氣流。這種布置非常有效，這是因為其可在平面加熱元件214周圍產生湍流氣流，其反過來在樣品界面壁210和氣源216a/216d之間的子體積V1/V2中提供有效的冷卻。
[0078]因此，應該理解，氣源216a/216d不僅是強制對流的來源，而且是給強制對流熱傳遞提供封閉環(huán)境的結構構件，因此減少T⑶200整體占用空間并且還降低了氣源216a/216d的體積流量要求。也就是說，氣源216&/216(1距離平面加熱元件214越遠，就需要的氣源216a/216d的功率越大以滿足所需冷卻要求，這是因為空氣的速度隨著距離的增加而減小一這可以通過氣源的布置安排來解決，即將強制對流源放置在離平面加熱元件214相對較近的位置(例如9.5mm)，因此，與平面接口 212產生的熱量相比，氣源216a/216d可具有較低的體積流量能力，從而實現了緊湊的設計。此外，平面加熱元件214占用的體積越大，就需要氣源216a/216d的功率越大以滿足一定的冷卻要求，這是因為較大的體積為循環(huán)渦流的形成提供較少的結構一這可以通過公開的氣源的布置來解決，即向氣源提供包圍的平面來循環(huán)湍流空氣。
[0079]然而，在子體積V1/V2中的空氣可以快速受熱，因此冷卻效率會在一次或幾次熱循環(huán)后降低。為解決這個問題，氣源216b/216c被設置為將經加熱的空氣導出子體積V1/V2有助于用未加熱的空氣補充子體積V1/V2。
[0080]如圖所示，216b/216c的平面218b/218c分別相對于樣品界面壁210氣源以一定角度布置，從而使平面218b/218c或其虛擬的延伸部分與樣品界面壁210相交并在其中間形成銳角。如圖所示，氣源216b/216c從與平面接口 212相交成一定角度的出口端口222a/222b排出氣流。氣流的作用是通過推動加熱的空氣排出子體積V1/V2的出口來將加熱的空氣導出子體積V1/V2。在這里，將空氣向底部方向沿著樣品界面壁210且也是向后方(橫向于安裝壁204)排出。氣源216b/216c也會進一步限制子體積V1/V2的范圍，從而為進出子體積V1/V2的氣流提供較少的通路。
[0081]圖2A至2H中所示的T⑶200的實施方式包括四個氣源216，其在樣品界面壁210周圍是對稱布置的。這樣的布置非常有效，然而應該知道其他有效的布置安排也是可行的。
[0082]II1.T⑶布置備選方案
[0083]圖3A表示與TCD 200的布置相似的TCD 300，四個氣源302a/302b/302c/302d幾乎以相同的方式布置。在本文中，T⑶300與T⑶200的不同點在于對氣源302b和302c以一定角度進行設置以便它們的出口端口面遠離內部的子體積。因此，氣源302b和302c的進氣口直接與子體積V1/V2連接。在使用中，參考上述的T⑶200來對氣源302a/302d進行操作，然而，在子體積V1/V2中產生的經加熱的空氣將被導入和導出氣源302b和302c。因此，氣源302a/302b用于抽吸子體積V1/V2中的經加熱的空氣，其被來自底部和后方的新鮮空氣所替換。在一些實施方式中，任選使用覆蓋全部或部分側開口的蓋303，以便將大部分空氣從底部方向引入子體積V1/V2。虛線表示蓋的不同設置。出于簡潔的目的，圖示中只有蓋303，然而，在子體積V1/V2上方的兩側可具有蓋303。
[0084]圖3B表示與T⑶200的布置相似的T⑶304，然而，其中僅提供兩個平行的源302a/302d。在一些實施方式中，這樣的布置足以提供所需的冷卻效果，這是因為自然對流會將經加熱的空氣從向上的方向抽空，并且氣源302a/302d的功率可能也會相應增加。
[0085]圖3C表示與T⑶200的布置相似的T⑶306，然而，其中僅提供兩個氣源302a/302b，其被不對稱地設置，以便僅向子體積VI提供強制對流。在一些實施方式中，這樣的布置足以提供所需水平的冷卻效果，并且氣源302a/302b的功率可能也會根據需要提聞。
[0086]圖3D表示與T⑶200的布置相似的T⑶308，然而，其中提供另外兩個氣源302e/302f，其被設置用于抽吸子體積V1/V2中的經加熱的空氣。在一些實施方式中，需要這種布置以提供足夠的冷卻效果。
[0087]圖3E表示與ra) 308的布置相似的ra) 310，然而，其中所有以一定角度設置的氣源302b/302C/302e/302f被設置為抽吸子體積V1/V2。在一些實施方式中，使用這種布置以提供足夠的冷卻效果。在一些實施方式中，使用覆蓋全部或部分側開口的可選的蓋312將大部分的空氣從氣源302a/302d引入子體積V1/V2。另外，在一些實施方式中，蓋可以在流體地密封子體積V1/V2，以便使氣源302a/302d僅提供新鮮的氣源。在這樣的實施方式中，由于可以驅動氣源302b/302c/302e/302f以便用比氣源302a/302d可提供的更高的速度將空氣抽出，因此可以通過降低反壓來提高氣源302a/302d的性能。這樣降低了氣源302a/302d的工作負荷，這導致了在給定氣源302a/302d功率輸入下更大的容量輸出。虛線表示蓋的不同設置。出于簡潔的目的，圖示中只有一個蓋312，然而，在子體積V1/V2上方的兩側可以各有蓋312。在一些實施方式中，頂蓋312可還包括氣源(用虛線的圓形表示)，該氣源被設置為將空氣抽出或驅入子體積V1/V2。
[0088]IV.示例的冷卻源
[0089]圖4A表示冷卻源400實例的橫截面圖。冷卻源400和本文公開的氣源(例如202a)共用基本上為平面的結構。冷卻源400是空氣泵，其包括具有被四個邊或側面403包圍的平面402在內的外殼。在一些實施方式中，平面402的尺寸為20mmX 20mm，各個邊403的尺寸為L85mmX20mm。壓電裝置406與內部隔板404連接。隔板404部分形成內部的增壓室408。在使用時，驅動壓電裝置406以振動隔板404。這使得空氣被吸入泵中并從噴嘴412排出。市售的冷卻源是由Murata Mfg.有限公司制造的微型風機，其速度26KHz驅動頻率，在15Vpp和lOOPa的反壓下運行1L/Min。在一些實施方式中，冷源400可以被設置為高壓空氣泵，在運行時用小于5psi內部靜壓力操作。在一些實施方式中，冷卻源400可以被設置為高壓空氣泵，在運行時用大于5psi內部靜壓力操作。在內部的增壓室的靜壓力可以通過改變流動阻力來調節(jié)，其中空氣通過隔板404吸入和/或其中空氣在冷卻源400內部的噴嘴412和/或其它位置。
[0090]圖4B表示多個連接的氣源414實例的橫截面圖。其中冷卻源包括至少兩個冷卻源400，但可能包括更多冷卻源。在兩個冷卻源400之間有流體地密封的容器416。在這個設置中，冷卻源400被設置為高壓空氣泵。設置冷卻源400和容器416以便從冷卻源最底端到最頂端的空氣阻力使空氣在其間流動。
[0091]在檢測中，冷卻源400如圖3B所示進行設置，在24Vpp下進行驅動，當反壓約為lOOPa時，其為各個冷卻源產生1.4L/min(0.05CFM)的容量輸出率(總共2.8L/min(0.1CFM))。發(fā)現這個布置比在113L/min(4CFM)下運轉的離心風機(NIDEC GAMMA26型號a333-999)的性能稍好，向上(參考圖2A中的方向)把空氣吹動大約30毫米的距離。與風機用時7.6秒相比，冷卻源400可讓熱源的溫度在7.5秒內從95°C下降到60°C。因此，本發(fā)明的裝置至少可以與離心風機的性能相同，然而僅需要大約離心式風機容量輸出的 2.5%。
[0092]在另外的檢測中，冷卻源400如圖2C所示進行設置。在16Vpp下對冷卻源進行驅動，當反壓約為lOOPa時，其為各個冷卻源產生1.0L/min(0.035CFM)的容量輸出率(總共產生4L/min(0.141CFM))。這個設置可讓熱源的溫度在7.4秒內從95°C下降到60°C。因此，冷卻源400的這種設置至少可以與離心風機的性能相同，然而僅需要大約離心式風機容量輸出的3.5%。
[0093]在另檢測中，冷卻源400同樣如圖2C所示進行設置。在20Vpp下對冷卻源進行驅動，當反壓約為lOOPa時，其為各個冷卻源產生1.2L/min(0.042CFM)的容量輸出率(總共產生4.8L/min (0.17CFM))。這個設置可讓熱源的溫度在6.4秒內從95°C下降到60°C，比離心風機的性能提高了 16%。因此，冷卻源400的這種設置比離心風機的性能好很多，然而僅需要大約離心式風機容量輸出的4.3%。
[0094]還是在另檢測中，冷卻源400同樣如圖2C所示進行設置。在24Vpp下對冷卻源進行驅動，當反壓約為lOOPa時，其為各個冷卻源產生1.4L/min(0.05CFM)的容量輸出率(總共產生5.6L/min(0.2CFM))。這個設置可讓熱源的溫度在5.8秒內從95°C下降到60°C，和離心風機相比性能提高了 26%。因此，冷卻源400的這種設置比離心風機的性能好很多，然而僅需要大約離心式風機容量輸出的5%。
[0095]從這些試驗中可以看出，顯而易見本發(fā)明的實施方式可以等同于或更好于離心風機的性能。鑒于離心式風機的物理尺寸(約50mmX50mmX 15mm),其需要相對大的操作環(huán)境，然而本發(fā)明的實施方式幾乎沒有給檢測系統(tǒng)增加空間的要求。因此，使用TCD的實施方式可以優(yōu)化系統(tǒng)的尺寸、動力和冷卻效率。此外，由于壓電裝置的激發(fā)是幾乎瞬時的，所以TCD提供了更好的響應時間。
[0096]根據本發(fā)明的一些實施方式，圖5A至5E表示多個連接的增壓氣源(“堆疊”)的不同布置的示意圖，在一些實施方式中，可以設置堆疊來提供沖擊射流冷卻，其是指高壓空氣流。沖擊射流冷卻可以有效地除去粘在熱源上的熱的“粘”空氣的邊界層。在一些實施方式中，堆疊可設置為入口 /出口壓力比為0.54。在一些實施方式中，可設置堆疊以來提供脈沖氣流，發(fā)動的脈沖大約為每1.6秒。堆疊通常需要至少兩個串聯(lián)的流體地連接的增壓氣源，但也可以使用更多的(例如1-10個)氣源。各個增壓氣源可向提供至其入口的空氣增加5psi的壓力。例如，可以通過上游增壓氣源給下游增壓氣源提供5psi的空氣，這樣提供的空氣壓力為lOpsi。通常，增壓氣源的數量僅受氣流的限制，S卩，在某點空氣阻力將變得特別大從而阻礙空氣在堆疊內的移動。
[0097]在圖5A中，第一堆疊和第二堆疊設置為在熱源處側面地且橫向地引導空氣。圖5B表示有兩個以上的串聯(lián)布置的冷卻源的堆疊設置。圖5B還表示用于給單一冷卻源提供空氣的有多個并聯(lián)冷卻源的堆疊設置。圖5C表示圖5B所示設置的組合。圖表示使用閥調節(jié)氣流進出空氣儲罐的堆疊設置。這些閥可電控設置為提供優(yōu)化壓力和流量的硅制微型閥。圖5E表示通過空氣管給熱源提供空氣的位于遠端的堆疊設置?？諝夤芸梢苑植鎻亩o熱源提供一個以上的氣流方向。
[0098]如圖5B所示，在一些實施方式中，可以在壓力容器上連接冷卻單元。冷卻單元可以向一個或多個壓力容器壁提供液體制冷劑來冷卻其中的壓縮空氣。商售的CPU冷卻單元可以以這種方式工作，從而使堆疊可以在低于周圍空氣溫度的溫度下提供沖擊射流冷卻。
[0099]圖5F表示使用中的多個連接的增壓氣源(“堆疊”)的后視圖。堆疊的設置與圖2C中所示的方式相似。
[0100]盡管在一些典型的實施方式中通過解釋清楚并舉例的方式進行了一些細節(jié)描述，可能還會進行一些修改、變化和改造。此外，所提及的尺寸均為為本領域技術人員的示范指南，因此不能根據尺寸和/或比例的大小對本發(fā)明進行限制。
【權利要求】
1.熱循環(huán)裝置，包括: 安裝壁，部分地界定用于將生物樣品熱循環(huán)的室，所述安裝壁具有與第二安裝面相對的第一安裝面； 樣品界面壁，其從所述第二安裝面橫向延伸，所述樣品界面壁具有可從所述第一安裝面接近的平面接口，所述樣品界面壁在所述平面接口的相對兩側具有第一加熱元件和第二加熱元件； 第一氣源，其具有設置為在所述第一加熱元件處引導空氣的出口； 第二氣源，其具有設置為引導空氣離開所述第一加熱元件的出口； 第三氣源，其具有設置為在所述第二加熱元件處弓丨導空氣的出口；以及 第四氣源，其具有設置為引導空氣離開所述第二加熱元件的出口。
2.如權利要求1所述的裝置，其中各個氣源包括具有平面的空氣泵、在所述平面上的所述出口、以及在所述平面周圍的多個邊緣。
3.如權利要求2所述的裝置，其中各個空氣泵與所述第二安裝面連接，從而其平面基本上橫向于所述第二安裝面。
4.如權利要求2所述的裝置，其中設置所述第一空氣泵、所述第二空氣泵和所述樣品界面壁以界定所述室的第一子體積。
5.如權利要求4所述的裝置，其中設置所述第二空氣泵的出口以將空氣排出所述第一子體積的出口。
6.如權利要求4所述的裝置，其中設置所述第三空氣泵、所述第四空氣泵和所述樣品界面壁以界定所述室的第二個子體積。
7.如權利要求6所述的裝置，其中設置所述第四空氣泵的出口以將空氣排出所述第一子體積的出口。
8.如權利要求1所述的裝置，其中設置各個所述第一氣源和第三氣源以在所述第一加熱元件和第二加熱元件處直接分別引導氣流。
9.如權利要求8所述的裝置，其中設置各個所述第二氣源和第四氣源以在所述樣品界面壁處引導氣流。
10.如權利要求8所述的裝置，其中設置各個所述第二氣源和第四氣源以沿所述樣品界面壁引導氣流。
11.如權利要求10所述的裝置，其中設置各個所述第二氣源和第四氣源以抽吸空氣遠離所述樣品界面壁。
12.如權利要求1所述的裝置，其中所述安裝壁和樣品界面壁包括印刷電路板。
13.如權利要求1所述的裝置，其中所述樣品界面壁將所述室分為基本上相同的體積。
14.如權利要求13所述的裝置，其中所述氣源對稱地設置于樣品界面壁。
15.如權利要求1所述的裝置，其中各個氣源包括平面外殼，所述外殼具有安裝于內部隔板上的內部壓電器件。
16.如權利要求15所述的裝置，其中各個平面外殼有出口端口，且其中設置所述第一氣源和第三氣源的出口端口以在所述第一加熱元件和第二加熱元件處直接分別提供各氣流。
17.如權利要求16所述的裝置，其中設置所述第二氣源和第四氣源的出口端口以沿或遠離所述樣品界面壁方向分別提供氣流。
18.熱循環(huán)方法，包括: 啟動第一加熱元件和第二加熱元件，各個加熱元件鄰近生物樣品架設置； 使用第一氣源在第一加熱元件處引導第一氣流以傳遞來自所述第一加熱元件的熱量; 使用第二氣源引導第二氣流以弓I導加熱的空氣遠離所述第一加熱元件； 使用第三氣源在第二加熱元件處弓I導第三氣流以傳遞來自所述第二加熱元件的熱量；以及 使用第四氣源引導第四氣流以引導加熱的空氣遠離所述第一加熱元件。
19.如權利要求18所述的方法，其中所述第一加熱元件和第二加熱元件安裝于樣品界面壁的相對面上，所述樣品界面壁從安裝面延伸。
20.如權利要求19所述的方法，其中所述各個氣源包括基本上平面的外殼，外殼邊緣安裝于上述安裝面。
21.如權利要求19所述的方法，其中所述第一氣流和第三氣流直接貫穿所述第一加熱元件和第二加熱元件。
22.如權利要求21所述的方法，其中所述第二氣流和第四氣流被沿所述樣品界面壁引導。
23.如權利要求21所述的方法，其中所述第二氣流和第四氣流被引導遠離所述樣品界面壁。
24.如權利要求21所述的方法，其中各個氣源包括平面外殼，所述外殼具有安裝于內部隔板的內部壓電器件。
25.如權利要求24所述的方法，其中引導各個氣流包括啟動各個壓電器件。
26.如權利要求25所述的方法，其中根據預設的冷卻循環(huán)將所述壓電器件開啟和關閉。
27.如權利要求26所述的方法，其中根據預設的加熱循環(huán)將所述加熱元件開啟和關閉，所述加熱循環(huán)的開啟位置與所述冷卻循環(huán)的開啟位置異相。
28.如權利要求18所述的方法，其還包括: 監(jiān)控所述第一加熱元件和第二加熱元件的溫度。
29.如權利要求28所述的方法，其中根據預設的最低溫度和預設的最高溫度啟動所述第一加熱元件和第二加熱元件以向所述生物樣品架提供熱量。
30.如權利要求29所述的方法，其中當所述生物樣品架達到所述預設的最高溫度時，控制所述氣源以引導空氣。
31.如權利要求30所述的方法，其中當所述生物樣品架達到所述預設的最低溫度時，控制所述氣源以停止引導空氣。
32.熱循環(huán)裝置，包括: 用于加熱生物樣品架的相對面的部件； 用于在第一加熱兀件處引導第一氣流以傳遞來自所述第一加熱兀件的熱量的部件； 用于引導第二氣流以弓I導加熱的空氣遠離所述第一加熱元件的部件； 用于在第二加熱元件處弓I導第三氣流以傳遞來自所述第二加熱元件的熱量的部件；以及 用于引導第四氣流以引導加熱的循環(huán)空氣遠離所述第一加熱元件的部件。
33.熱循環(huán)裝置，包括: 熱循環(huán)生物樣品的室，所述室部分地被從第一安裝面橫向延伸的樣品界面壁界定，所述樣品界面壁具有可從第二安裝面接近的平面接口，所述樣品界面壁在所述平面接口的相對兩側具有第一加熱元件和第二加熱元件； 第一多個連接的增壓氣源，其具有設置為在所述第一加熱元件處引導空氣的出口 ；以及 第二多個連接的增壓氣源，其具有設置為在所述第二加熱元件處引導空氣的出口。
34.如權利要求33所述的裝置，還包括: 第三多個連接的增壓氣源，其具有設置為引導加熱的空氣離開所述第一加熱元件的出口 ；并且 第四多個連接的增壓氣源，其具有設置為引導加熱的空氣離開所述第一加熱元件的出□。
35.如權利要求33所述的裝置，其中所述多個連接的增壓氣源的至少之一包括近端空氣泵和遠端空氣泵，其中所述近端空氣泵具有設置為最終向所述遠端空氣泵的泵入口提供空氣的泵出口。
36.如權利要求35所述的裝置，其中在所述近端氣泵和遠端氣泵之間流體地連接至少一個另外的空氣泵。
37.如權利要求35所述的裝置，其中在所述近端空氣泵和遠端空氣泵之間設置至少一個單向閥。
38.如權利要求37所述的裝置，其中所述至少一個單向閥在空氣罐的上游。
39.如權利要求37所述的裝置，其中所述至少一個單向閥在所述空氣罐的下游。
40.如權利要求33所述的裝置，其中所述第一多個增壓氣源和第二多個增壓氣源的至少之一的出口包括彎曲設置的管的末端。
41.如權利要求33所述的裝置，其中各個增壓氣源包括具有帶進口和出口的平面外殼的氣泵、以及安裝至隔板的內部壓電器件，所述隔板在所述進口和出口之間流體地連接。
42.如權利要求15所述的裝置，其中所述第一多個連接的氣泵和第二多個連接的氣泵的至少之一包括第一近端氣泵和遠端氣泵，所述第一氣泵的出口與所述遠端氣泵的入口流體地連接。
43.如權利要求42所述的裝置，其中第二近端氣泵的出口與所述遠端氣泵的入口流體地連接。
44.如權利要求43所述的裝置，其中所述第一近端氣泵和第二近端氣泵是流體地并聯(lián)的。
45.如權利要求43所述的裝置，其中所述第一近端氣泵和第二近端氣泵是流體地串聯(lián)的。
46.如權利要求35所述的裝置，其中所述第一多個連接的增壓氣源和第二多個連接的增壓氣源的至少之一至少部分地并聯(lián)。
47.熱循環(huán)方法，包括: 啟動第一加熱元件和第二加熱元件，各個加熱元件鄰近生物樣品架設置； 使用第一多個連接的氣源在第一加熱元件處引導第一氣流以傳遞來自所述第一加熱元件的熱量； 使用第二多個連接的氣源在第二加熱元件處引導第二氣流以傳遞來自所述第一加熱元件的熱量。
48.如權利要求18所述的方法，進一步包括: 使用第三多個連接的氣源引導第三氣流以引導加熱的空氣遠離所述第一加熱元件；以及 使用第四多個連接的氣源引導第四氣流以引導加熱的空氣遠離所述第一加熱元件。
49.如權利要求18所述的方法，其中引導所述第一氣流和第二氣流的至少之一包括將來自所述第一多個氣源和第二多個氣源的至少之一的近端氣源的空氣最終泵入遠端氣源。
50.如權利要求18所述的方法，其中引導所述第一氣流和第二氣流的至少之一包括將來自所述第一多個氣源和第二多個氣源的至少之一的多個近端氣源的空氣最終泵入遠端的氣源。
51.如權利要求18所述的方法，其中引導所述第一氣流和第二氣流的至少之一包括將與所述第一多個氣源和第二多個氣源的至少之一流體地連接的空氣罐增壓。
52.如權利要求51所述的方法，其中引導所述第一氣流和第二氣流的至少之一還包括將來自所述空氣罐的增壓的空氣釋放。
【文檔編號】C12M1/38GK104411813SQ201380025346
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2013年5月15日 優(yōu)先權日:2012年5月15日
【發(fā)明者】道格·多利特 申請人:塞弗德公司