用于進(jìn)行化學(xué)或生物反應(yīng)的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及利用用于容納帶有若干反應(yīng)容器的微量滴定板的反應(yīng)容器容納元件進(jìn)行化學(xué)或生物反應(yīng)的裝置，其中，反應(yīng)容器容納元件具有布置成規(guī)則模式用以容納相應(yīng)反應(yīng)容器的若干凹部、用于加熱反應(yīng)容器容納元件的加熱元件，以及用于冷卻反應(yīng)容器的冷卻裝置。本發(fā)明的特征在于，反應(yīng)容器容納元件劃分成若干區(qū)段。單獨的區(qū)段彼此熱隔離，并且各區(qū)段分配有加熱裝置，該加熱裝置可獨立于其它加熱裝置啟動。借助于反應(yīng)容器容納元件的分段，各區(qū)域可以設(shè)定并保持在不同的溫度。因為反應(yīng)容器容納元件適于容納標(biāo)準(zhǔn)的微量滴定板，故根據(jù)本發(fā)明的裝置可結(jié)合到現(xiàn)有的處理程序中。
【專利說明】用于進(jìn)行化學(xué)或生物反應(yīng)的裝置
[0001] 相關(guān)申請 本申請是于2007年9月6日提交的專利申請（申請?zhí)枮?00780041293. 6,發(fā)明名稱為 "用于進(jìn)行化學(xué)或生物反應(yīng)的裝置"）的分案申請。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及利用用于容納反應(yīng)容器的反應(yīng)容器容納元件來執(zhí)行化學(xué)或生物反應(yīng) 的裝置，其中，反應(yīng)容器容納元件具有以一定模式布置成用以容納反應(yīng)容器的若干凹部、用 于加熱反應(yīng)容器容納元件的加熱元件，以及用于冷卻反應(yīng)容器容納元件的冷卻裝置。

【背景技術(shù)】
[0003] 生物樣品或化學(xué)樣品的測試經(jīng)常需要用于在一系列的溫度循環(huán)中重復(fù)地經(jīng)受多 種樣品的裝置。這類裝置描述為熱循環(huán)器或熱循環(huán)裝置，以及用來產(chǎn)生特定的溫度循環(huán)，即 用來在反應(yīng)容器中設(shè)定預(yù)定的溫度和用來保持預(yù)定的時間間隔。
[0004] 這種類型的常規(guī)裝置可從美國專利No.，525, 300中獲悉。所公開的裝置具有四 個反應(yīng)容器容納元件，各自具有按規(guī)則模式布置的凹部。凹部的模式對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)的微量滴 定板的反應(yīng)容器的已知模式，使得微量滴定板可與其反應(yīng)容器一起插入凹部中。
[0005] 反應(yīng)容器容納元件的加熱和冷卻裝置設(shè)計成可產(chǎn)生遍布反應(yīng)容器容納元件的階 梯形的溫度梯度。這意味著在溫度循環(huán)中，可在各反應(yīng)容器中得到不同的溫度。這使得可 以同時在不同的溫度下進(jìn)行特定的實驗。
[0006] 這種階梯形的溫度梯度用來確定PCR反應(yīng)的最佳變性溫度、最佳退火溫度和最佳 延伸溫度。為了達(dá)到這一點，相同的反應(yīng)混合物倒入各反應(yīng)容器中，并執(zhí)行進(jìn)行PCR反應(yīng)所 需的溫度循環(huán)。該溫度循環(huán)包括將反應(yīng)混合物加熱到變性溫度（通常處于90° -95° C的 范圍內(nèi)）、冷卻到退火溫度（通常處于40° -60° C的范圍內(nèi)）及加熱到延伸溫度（通常處 于70° -75° C的范圍內(nèi)）。如果需要，各循環(huán)的時間也可以改變。這種類型的循環(huán)重復(fù)幾 次，導(dǎo)致預(yù)定的DNA序列放大。
[0007] 由于階梯形的溫度梯度可以設(shè)定，故不同的、但為預(yù)定的溫度可在各反應(yīng)容器中 設(shè)定。循環(huán)結(jié)束之后，借助于反應(yīng)產(chǎn)物可以確定這些溫度，PCR反應(yīng)在這些溫度下將給用戶 帶來最佳的結(jié)果。此處，該結(jié)果例如可就產(chǎn)物體積或產(chǎn)物質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。
[0008] 退火溫度（引物在該溫度下加入）對結(jié)果具有重要影響。然而，延伸溫度也可對 結(jié)果具有有利或不利的影響。在較高的延伸溫度下，基劑的加入加速，同時伴隨著較高的溫 度產(chǎn)生錯誤的概率增加。另外，聚合酶在較高的延伸溫度下的壽命較短。
[0009] 熱循環(huán)裝置（通過該熱循環(huán)裝置可設(shè)定階梯形的溫度梯度）使得更易于確定所需 的溫度，因為反應(yīng)混合物可在單個熱循環(huán)裝置中在不同的溫度下同時經(jīng)歷循環(huán)。
[0010] 對于PCR反應(yīng)成功的另一個重要參數(shù)是遍布不同的反應(yīng)容器的不同的駐留容積。 對于常規(guī)的裝置會產(chǎn)生問題，因為對于單獨的反應(yīng)容器保持器而言，這些參數(shù)在一個測試 系列中無法改變。為了測試不同的駐留容積需要若干測試系列，這些若干測試系列或者在 一個熱循環(huán)裝置中依序進(jìn)行，或者在若干熱循環(huán)裝置中同時進(jìn)行。
[0011] 為此目的，具有所謂的多組塊熱循環(huán)裝置，其帶有若干反應(yīng)容器容納元件，各反應(yīng) 容器容納元件均設(shè)有單獨的冷卻、加熱和控制裝置（參見美國專利No. 5, 525, 300)。待測試 的反應(yīng)混合物必須分布在若干微量滴定板上，以便彼此獨立地進(jìn)行測試。
[0012] 使用常規(guī)的熱循環(huán)裝置確定最佳的駐留時間、溫度變化速率及駐留容積時會產(chǎn)生 問題，因為必須具有若干熱循環(huán)裝置或多組塊的熱循環(huán)裝置，或者在若干連續(xù)的測試系列 中進(jìn)行測試。獲取若干熱循環(huán)裝置或多組塊的熱循環(huán)裝置費用昂貴，并且進(jìn)行若干連續(xù)的 測試系列花費太長的時間。另外，當(dāng)若干微量滴定板僅有部分的反應(yīng)容器被填充并且各微 量滴定板在單獨的測試系列中進(jìn)行測試和優(yōu)化時，處理工作異常費力。在裝置自動操作以 及反應(yīng)混合物在裝置中還經(jīng)受其它操作的情況下，這一點尤其不利，因為若干微量滴定板 因而必須單獨處理。還尤其不實際的是如果僅有微量滴定板的部分反應(yīng)容器填充，因為用 于其它處理的裝置（例如用于將反應(yīng)產(chǎn)物輸送給電泳儀的樣品梳）通常布置在微量滴定板 的格柵上，這意味著如果僅僅使用微量滴定板的部分反應(yīng)容器，則其它處理相應(yīng)地受到限 制。
[0013]美國專利No. 5, 819, 842公開了用于若干樣品單獨受控加熱的裝置。該裝置具有 在工件表面上布置成格柵模式的若干平坦的加熱元件。形成于加熱元件下方的是遍布所有 加熱元件的冷卻裝置。操作中，特殊設(shè)計的樣品板安放到工件表面上。該樣品板具有柵板， 柵板在下側(cè)由膜片所覆蓋。樣品倒入柵板的凹部中。在該裝置中，樣品位于各加熱元件上， 僅通過膜片與它們隔開。通過這種方式可達(dá)到直接傳熱。這種裝置會產(chǎn)生問題，因為必須 使用特殊設(shè)計的微量滴定板，并且不能使用通?？色@得的微量滴定板。
[0014]另外，隨著生物技術(shù)中自動程度的提高，熱循環(huán)器越來越多地用于自動生產(chǎn)線，并 利用機器人作為若干工作站中的一個工作站。此處，樣品通常在微量滴定板中從一個工作 站移到下一個工作站。美國專利No. 5, 819, 842所公開的熱循環(huán)器會產(chǎn)生問題，因為在溫度 調(diào)整之前，有必要將樣品從微量滴定板中用滴管吸取到特殊設(shè)計的樣品板中，并在溫度調(diào) 整之后從樣品板用滴管吸取到微量滴定板中。此處就有樣品受污染的危險。因此，使用這 種特殊設(shè)計的樣品板不得不視作為尤其不利。
[0015]因此，需要克服現(xiàn)有技術(shù)中的這些和其它問題，以便提供一種方法和系統(tǒng)用于控 制熱循環(huán)器的樣品組塊的溫度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]根據(jù)各實施例，本教導(dǎo)內(nèi)容包括用于處理生物樣品或化學(xué)樣品的熱循環(huán)器。熱循 環(huán)器可包括樣品組塊，樣品組塊構(gòu)造成用以容納一個微量滴定板，以及構(gòu)造成用以限定多 個區(qū)域和布置在多個區(qū)域的各區(qū)域中的熱電式冷卻裝置（TEC)，其中TEC提供對區(qū)域粗加 熱至接近控制溫度。熱循環(huán)器還包括布置在多個區(qū)域的各區(qū)域中的加熱元件，其中加熱元 件提供對區(qū)域精細(xì)加熱至大約控制溫度。
[0017]根據(jù)各實施例，本教導(dǎo)內(nèi)容還包括用于處理生物樣品或化學(xué)樣品的系統(tǒng)。系統(tǒng)可 包括樣品組塊，樣品組塊限定了多個區(qū)域以及可分離的微量滴定板，微量滴定板構(gòu)造成用 以分成多個區(qū)段，其中多個區(qū)段對應(yīng)于多個區(qū)域。系統(tǒng)還可包括布置在多個區(qū)域的各區(qū)域 中的熱電式冷卻裝置（TEC)以及布置在多個區(qū)域的各區(qū)域中的溫度傳感器。系統(tǒng)還可以包 括布置在多個區(qū)域的各區(qū)域中的加熱元件，其中TEC提供對區(qū)域的粗加熱，而加熱元件提 供對區(qū)域的精細(xì)加熱。
[0018] 根據(jù)各實施例，本教導(dǎo)內(nèi)容還包括用于處理生物樣品或化學(xué)樣品的方法。該方法 可包括通過加熱樣品組塊的第一區(qū)域，使微量滴定板的第一部分中的樣品在溫度Tdl下變 性，其中第一熱電式冷卻裝置（TEC)提供將第一區(qū)域粗加熱至接近Tdl的溫度，而第一加熱 元件提供對第一區(qū)域精細(xì)加熱至大約T dl。該方法還可包括通過加熱樣品組塊的第二區(qū)域， 使微量滴定板的第二部分中的樣品在溫度Td2下變性，其中第二熱電式冷卻裝置（TEC)提供 對第二區(qū)域粗加熱至接近T d2的溫度，而第二加熱元件提供對第二區(qū)域精細(xì)加熱至大約Td2。 [0019] 應(yīng)當(dāng)理解，以上一般性的描述和以下詳細(xì)描述僅僅是示范性和說明性的，而不是 對所保護(hù)的發(fā)明進(jìn)行限制。
[0020] 結(jié)合到本說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分的附圖顯示了本發(fā)明的若干實施例， 它們與描述一起起到解釋本發(fā)明的原理的作用。
[0021] 附圖簡沭 圖1顯示了經(jīng)過根據(jù)本發(fā)明的裝置的截面，該裝置用于根據(jù)實施例進(jìn)行化學(xué)或生物反 應(yīng)； 圖2顯示了經(jīng)過根據(jù)本發(fā)明的裝置的區(qū)域的截面，該裝置用于根據(jù)另一個實施例進(jìn)行 化學(xué)或生物反應(yīng)； 圖3顯示了圖2的裝置的示意平面圖； 圖4顯示了根據(jù)另一個實施例的裝置的示意平面圖； 圖5在沿著線A-A的截面圖中顯示了圖4的裝置的區(qū)域； 圖6至圖9顯示了具有不同區(qū)段的反應(yīng)容器容納元件的示意平面圖； 圖10在平面圖中顯示了夾緊框架； 圖11顯示了根據(jù)本發(fā)明的裝置，在該裝置中，反應(yīng)容器容納元件的區(qū)段通過根據(jù)圖10 的夾緊框架而固定； 圖12在截面中顯示了根據(jù)本發(fā)明的裝置的另一個實施例，在該裝置中，反應(yīng)容器容納 元件的區(qū)段通過根據(jù)圖10的夾緊框架而固定； 圖13顯示了根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容的熱循環(huán)裝置的分解透視圖； 圖13A顯示了根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容的TEC的透視圖； 圖13B顯示了根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容的另一個熱循環(huán)裝置的分解透視圖； 圖13C顯示了另一個熱循環(huán)裝置的分解透視圖，該熱循環(huán)裝置根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容包括熱 管冷卻器； 圖14A顯示了樣品組塊的透視圖，該樣品組塊根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容構(gòu)造成用以限定多個區(qū) 域； 圖14B-C顯示了根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容的樣品組塊區(qū)段的透視圖； 圖14D顯示了承滴盤的透視圖，該承滴盤根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容構(gòu)造成用以固定多個樣品組 塊區(qū)段； 圖15顯示了根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容的示范性區(qū)域的透視圖； 圖16示意地顯示了多個開關(guān)，該開關(guān)根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容將電流從多個功率放大器引導(dǎo) 至加熱/冷卻元件； 圖17顯示了根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容的微量滴定板的透視圖； 圖18顯示了根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容的微量滴定板中的狹槽的透視圖； 圖19顯示了根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容的模塊化微量滴定板的透視圖； 圖20顯示了根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容的模塊化微量滴定板的保持器的透視圖； 圖21顯示了根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容的微量滴定板區(qū)段的透視圖； 圖22顯示了根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容的加工的樣品組塊區(qū)段的透視圖； 圖23A-23B顯示了根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容通過金屬注射成型形成的樣品組塊區(qū)段； 圖24顯示了根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容通過金屬注射成型形成的另一個樣品組塊區(qū)段； 圖25A顯示了根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容的熱循環(huán)器的俯視圖，該熱循環(huán)器包括用于對不同的目 標(biāo)物同時進(jìn)行區(qū)域性放大的6個區(qū)域； 圖25B是顯示6個區(qū)域中的變性步驟的圖表，該變性步驟根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容用于對不同 的目標(biāo)物同時進(jìn)行區(qū)域性放大； 圖26顯示了根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容用于熒光檢測的示范性的成像光學(xué)儀； 圖27A-27B和圖28顯示了用于在樣品組塊區(qū)段中進(jìn)行實時PCR檢測的不同實施例。

【具體實施方式】
[0022] 在以下描述中將參照附圖，附圖構(gòu)成描述的一部分，并在附圖中通過說明顯示具 體的示范性的實施例，本發(fā)明可在該示范性的實施例中實施。對這些實施例進(jìn)行充分詳細(xì) 地描述，以便使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，并且應(yīng)當(dāng)理解，也可以利用其它實施例 和進(jìn)行變更而并不背離本發(fā)明的范圍。因此，以下描述不能以限制性的意義去理解。
[0023] 盡管闡述本發(fā)明的寬廣范圍的數(shù)字范圍和參數(shù)是近似值，但在具體的實例中所闡 述的數(shù)值還是盡可能精確地報導(dǎo)。然而，任何數(shù)值固有地包含由標(biāo)準(zhǔn)偏差所形成的必然的 特定誤差，該標(biāo)準(zhǔn)偏差存在于其相應(yīng)的測試測量中。另外，本文所公開的所有范圍應(yīng)當(dāng)理解 成包括包含在其中的任何子范圍及所有的子范圍。例如，"小于10"的范圍可包括最小數(shù)值 〇及最大數(shù)值10之間（及包括其）的任何子范圍及所有的子范圍，即具有最小數(shù)值等于或 大于0且最大數(shù)值等于或小于10 (例如1至5)的任何子范圍及所有的子范圍。
[0024] 本文所用的用語"樣品板"、"微量滴定率板"、"微量滴定板"以及"微量板"可互換， 并且是指用于測試化學(xué)樣品和生物樣品的多井腔式樣品容器。微量板可具有井腔，該井腔 為圓錐形、圓筒形、直線的、漸縮的和/或平底的形狀并且可由單一材料或多種材料構(gòu)造而 成。微量板可符合SBS標(biāo)準(zhǔn)，或者可以是非標(biāo)的。微量板可以是開式的（例如用密封膜或 蓋子封閉）或封閉腔式的（如在美國專利No. 6, 825, 047中所描述的微型插件）。開式的微 量板例如可利用滴管（手持式、自動式等）或通孔分配板進(jìn)行填充。封閉腔式的微量板例 如可經(jīng)由通道或通過封閉形成腔室來填充。
[0025] 圖1至圖21顯示了方法和系統(tǒng)的實施例，該系統(tǒng)包括劃分成若干區(qū)段的反應(yīng)容器 容納元件，其中單獨的區(qū)段是隔熱的并且各區(qū)段分配有可單獨啟動的加熱元件。
[0026] 通過這種方式，裝置的單獨區(qū)段可彼此獨立地設(shè)定不同的溫度。這使得不僅可以 在區(qū)段中設(shè)定不同的溫度水平，而且它們還可以保持不同的時間長度或者以不同的變化速 率改變。根據(jù)本發(fā)明的裝置由此允許優(yōu)化對于PCR過程至為重要的所有物理參數(shù)，同時優(yōu) 化過程可在微量滴定板可插入其中的單個反應(yīng)容器容納元件上進(jìn)行。
[0027] 利用根據(jù)本發(fā)明的裝置由此還可以優(yōu)化駐留時間和溫度變化速率，而不必為此目 的使反應(yīng)混合物分布在不同的微量滴定板上。另外，還可以通過在不同的反應(yīng)容器區(qū)段上 改變混合物的體積來優(yōu)化混合物的體積。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明的熱循環(huán)裝置尤其適合于優(yōu)化多重的PCR過程，在該多重的PCR過程 中使用若干不同的引物。
[0029] 圖1在示意截面圖中顯示了用于執(zhí)行化學(xué)或生物反應(yīng)的根據(jù)本發(fā)明的第一實施 例。
[0030] 裝置具有殼體2,殼體2帶有底部3和側(cè)壁4。直接在底部3上方并平行于底部3 的是中間壁5,在該中間壁5上形成有若干基底5a。在顯示在圖1中的實施例中，總共設(shè)有 6個基底5a，它們布置在分別設(shè)置有3個基底5a的兩排中。
[0031] 安裝在各基底5a上的是熱交換器6、Peltier (帕爾帖）元件7和反應(yīng)容器容納元 件9的區(qū)段8。熱交換器6是冷卻裝置的一部分，而Peltier元件7是組合式的加熱和冷卻 裝置的一部分。安裝在基底5a上的元件（熱交換器、Peltier元件、區(qū)段）通過具有良好 的熱傳導(dǎo)性能的粘結(jié)劑樹脂粘合，使得在這些元件之間實現(xiàn)良好的熱傳遞，并且元件還牢 固地連接到區(qū)段元件10上。裝置具有總計6個這樣的區(qū)段元件10。作為粘結(jié)劑樹脂的替 代，還可以設(shè)有熱傳導(dǎo)膜或熱傳導(dǎo)膏。
[0032] 反應(yīng)容器容納元件9的各區(qū)段8具有基板11，管狀的薄壁反應(yīng)容器保持器12整 體地形成于該基板11上。在顯示在圖1中的實施例中，在各種情況下有4X4個反應(yīng)容器 保持器12布置在基板11上。相鄰的區(qū)段8之間的距離d使得所有區(qū)段S的反應(yīng)容器保持 器12以具有恒定的格柵間距D的規(guī)則模式布置。格柵間距D選擇成使得標(biāo)準(zhǔn)化的微量滴 定板（帶有其反應(yīng)容器）可插入反應(yīng)容器保持器12中。在其它不同的實施例中，D不是恒 定的而是變化的，以滿足所需的應(yīng)用需求。
[0033] 通過在相鄰的區(qū)段之間設(shè)有距離d可形成空氣間隙，該空氣間隙分別使區(qū)段8與 區(qū)段元件10隔熱。
[0034] 顯示在圖1中的裝置的反應(yīng)容器保持器12形成具有總共96個反應(yīng)容器保持器的 格柵，它們布置成8排，每排具有12個反應(yīng)容器保持器12。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，包 括多于或少于96個反應(yīng)容器保持器的實施例是可以想到的。
[0035] Peltier元件7各自電性連接到第一控制單元13上。各熱交換器6通過單獨的冷 卻回路14連接至第二控制單元15上。所使用的冷卻介質(zhì)例如為水，水在傳輸?shù)狡渲械囊?個熱交換器6之前在冷溫的控制單元中冷卻。
[0036] 第一控制單元13和第二控制單元15連接至中央控制單元16,該中央控制單元16 控制在裝置中進(jìn)行的溫度循環(huán)。插入各冷卻回路14中的是控制閥19,該控制閥19由中央 控制單元控制用以打開或關(guān)閉相應(yīng)的冷卻回路14。
[0037] 可樞轉(zhuǎn)地附接到殼體2上的是蓋子17,采用Peltier元件、加熱膜或半導(dǎo)體加熱元 件形式的附加的加熱元件18可位于該蓋子17中。加熱元件18形成蓋子加熱元件，各自分 配給區(qū)段8,并單獨地連接至第一控制單元13,使得各加熱元件18可單獨啟動。在各個實 施例中，加熱元件18可以是單個或多個加熱元件，它們覆蓋所有的反應(yīng)容器區(qū)段或重疊成 覆蓋若干區(qū)段。
[0038] 以下詳細(xì)地解釋根據(jù)本發(fā)明的裝置的操作方式。
[0039]有三種操作方式。
[0040]在第一操作方式中，所有區(qū)段均設(shè)定至相同溫度，即相同的溫度循環(huán)在所有區(qū)段 上運行。這種操作方式對應(yīng)于常規(guī)的熱循環(huán)裝置的操作。
[0041] 在第二操作方式中，區(qū)段以不同的溫度啟動，其中溫度控制成使得相鄰區(qū)段8的 溫度差at小于預(yù)定值K，K例如等于5° -15° C。為K選擇的值取決于熱隔離的性質(zhì)。熱 隔離得越好，則可為K選擇越大的值。
[0042] 由用戶輸入的溫度循環(huán)可由中央控制單元16自動地分布到區(qū)段8上，使得相鄰區(qū) 段之間的溫度差保持得盡可能地小。
[0043]該第二操作方式可設(shè)有一種功能，用戶通過該功能僅輸入單個溫度循環(huán)或PCR循 環(huán)，而中央控制單元16則自動地改變該循環(huán)。待改變的參數(shù)，例如溫度、駐留時間、混合物 體積或溫度變化速率可由用戶單獨選擇或聯(lián)合選擇。參數(shù)的變化或者由線性分布或者由S 形分布產(chǎn)生。
[0044] 在第三操作方式中，僅有部分區(qū)段啟動。在平面圖中（圖3、圖4、圖6至圖9)，區(qū) 段8具有側(cè)邊緣20。在該操作方式中，鄰近已啟動的區(qū)段8的側(cè)邊緣的區(qū)段8不啟動。如 果區(qū)段8本身形成規(guī)則模式（圖3、圖4、圖6、圖7和圖8)，則已啟動的區(qū)段以棋盤模式分 布。在圖1至圖4中所顯示的實施例中，6個區(qū)段8中的3個區(qū)段可啟動，即一排的兩個外 區(qū)段和另一排的中間區(qū)段。
[0045] 在該操作方式中，已啟動的區(qū)段不受其它區(qū)段的影響，并且它們的溫度可完全獨 立于其它已啟動的區(qū)段設(shè)定。通過這種方式可以在單獨的區(qū)段上運行完全不同的溫度循 環(huán)，例如使其中的一個區(qū)段加熱到變性溫度，而另一個區(qū)段保持在退火溫度。因此，駐留時 間（即變性溫度、退火溫度和延伸溫度所保持的時間間隔）還有溫度變化速率可以根據(jù)需 要進(jìn)行設(shè)定，并同時在單獨的區(qū)段上運行。這樣，不僅可以優(yōu)化溫度，而且還可以優(yōu)化駐留 時間、混合物體積以及溫度變化速率。
[0046] 在該操作方式中，可以方便地稍微加熱未啟動的區(qū)段8,使其溫度大體上處于相鄰 的已啟動區(qū)段的最低溫度的范圍內(nèi)。這避免了未啟動的區(qū)段形成用于已啟動區(qū)段的散熱裝 置以及不利地影響其溫度分布。
[0047] 根據(jù)本發(fā)明的第二實施例顯示在圖2和圖3中?；窘Y(jié)構(gòu)對應(yīng)于圖1的結(jié)構(gòu)，以 便相同的零件給予相同的參考標(biāo)號。
[0048] 第二實施例通過以下事實區(qū)別于第一實施例，即與殼體2的側(cè)壁4相鄰的區(qū)段8 的側(cè)邊緣20接合在環(huán)繞側(cè)壁4內(nèi)表面延伸的狹槽21中，并通過例如粘合而固定在其中。單 獨的區(qū)段元件10通過這種方式固定在空間中，由此保證不管區(qū)段元件10之間的間隙形式 如何，所有的反應(yīng)容器保持器12均以微量滴定板的反應(yīng)容器的模式布置。殼體2的側(cè)壁4 由不導(dǎo)熱的材料制成。該實施例還可以進(jìn)行變更，以便將狹槽21引入到與殼體2分開形成 的框架中。框架和插入其中的區(qū)段形成了在生產(chǎn)過程中可單獨處理的部分，并結(jié)合到加熱 和冷卻裝置上。
[0049] 第三實施例示意性地顯示在圖4和圖5中。在該實施例中，非導(dǎo)熱材料的聯(lián)結(jié)件 22在區(qū)段8的基板11的稍下方，位于區(qū)段元件10之間的區(qū)域中以及區(qū)段元件10和殼體2 的側(cè)壁4之間。在區(qū)段8的側(cè)邊緣20及基板11的側(cè)邊緣20上分別形成有向下彎曲的鉤 形元件23。這些鉤形元件23接合在聯(lián)結(jié)件22相應(yīng)的凹部中（圖5)，由此將區(qū)段8固定在 其位置上。相鄰區(qū)段8的鉤形元件23相對于彼此偏移。聯(lián)結(jié)件22由此形成格柵，區(qū)段8 可插入該格柵的各開口中。
[0050] 這種類型的位置固定非常有利，因為區(qū)段8和聯(lián)結(jié)件22之間的邊界區(qū)域非常小， 使得通過聯(lián)結(jié)件22的熱傳遞相應(yīng)地較低。另外，這種布置甚至在相鄰的區(qū)段元件之間受限 制的空間條件下也易于實現(xiàn)。
[0051] 顯示在圖6至圖9的示意平面圖中的是反應(yīng)容器容納元件9,該反應(yīng)容器容納元件 9表示了根據(jù)本發(fā)明的裝置的另外的變型。在這些反應(yīng)容器容納元件9中，單獨的區(qū)段8通 過隔熱材料的腹板24連結(jié)，形成單個單元。聯(lián)結(jié)件22布置在基板11的側(cè)邊緣20之間，它 們例如通過粘合固定到基板11上。
[0052] 圖6的反應(yīng)容器容納元件的區(qū)段對應(yīng)于第一和第二實施例的區(qū)段（圖1至圖3)， 在該區(qū)段中，4 X 4個反應(yīng)容器保持器布置在各區(qū)段B上。
[0053] 顯示在圖7中的反應(yīng)容器容納元件9由24個區(qū)段8組成，各區(qū)段8帶有2X2個 反應(yīng)容器保持器12,同時區(qū)段8又通過隔熱腹板24連接。
[0054] 在顯示在圖8中的反應(yīng)容器容納元件9中，各區(qū)段8僅有單個反應(yīng)容器保持器12。
[0055] 對于相對精細(xì)地劃分的反應(yīng)容器容納元件9,可以方便地將溫度傳感器集成在熱 循環(huán)裝置中。這些溫度傳感器感測單獨區(qū)段的溫度，使得區(qū)段8的溫度根據(jù)由溫度傳感器 所確定的溫度值而在封閉的控制回路中進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0056] 紅外傳感器例如可用作位于例如蓋子中的溫度傳感器。利用該傳感器布置可以直 接感測反應(yīng)混合物的溫度。
[0057] 圖9在平面圖中顯示了反應(yīng)容器容納元件9,其具有6個矩形區(qū)段8,以及由反應(yīng) 容器保持器12的3個交叉排形成的雙十字形式的區(qū)段8a。6個矩形區(qū)段8各自通過反應(yīng) 容器保持器的排或列與相鄰的矩形區(qū)段隔開。該區(qū)段對于上述第三操作方式尤其有利，因 為矩形區(qū)段8彼此不接觸，并且由此可以根據(jù)需要同時啟動，使得僅有雙十字形式的區(qū)段 8a不啟動。
[0058] 反應(yīng)容器容納元件9的區(qū)段8由具有良好的熱傳導(dǎo)性能的金屬例如鋁制成。以上 作為非導(dǎo)熱材料或隔熱材料描述的材料為塑料或陶瓷。
[0059] 根據(jù)本發(fā)明的裝置的另一個實施例顯示在圖11中。在該實施例中，反應(yīng)容器容納 元件9的單獨的區(qū)段8b通過夾緊框架25 (圖10)固定就位。
[0060] 夾緊框架25為格柵形，并且由縱向聯(lián)結(jié)件26和橫向聯(lián)結(jié)件形成，其中聯(lián)結(jié)件26、 27跨越開口。區(qū)段8b的反應(yīng)容器保持器12經(jīng)由這些開口延伸。在本實施例中，聯(lián)結(jié)件26、 27例如與反應(yīng)容器保持器12直接接觸，并與從反應(yīng)容器保持器上凸出的基板11直接接觸。 夾緊框架25設(shè)有孔28,螺栓29穿過該孔28以便將夾緊框架固定到熱循環(huán)裝置1上。 [0061] 位于各區(qū)段8b下方的是可單獨啟動的Peltier元件7,以及遍布所有區(qū)段8b的區(qū) 域的冷卻元件30。在各種情況下位于冷卻元件30與Peltier元件7之間，以及在Peltier 元件7與相應(yīng)區(qū)段8b之間的是熱傳導(dǎo)薄片31。冷卻元件30設(shè)有孔，螺栓29經(jīng)由該孔延 伸，分別由螺母32固定到冷卻元件30遠(yuǎn)離反應(yīng)容器容納元件9朝向的一側(cè)。
[0062] 夾緊框架25由非導(dǎo)熱的材料制成，尤其是由P0M或聚碳酸酯制成。其由此允許反 應(yīng)容器容納元件9的區(qū)段8b固定，其中區(qū)段8b與冷卻元件30之間的單獨的元件處于拉緊 狀態(tài)，由此保證在單獨的元件之間沿垂直方向良好的熱傳遞。因為夾緊框架本身具有較差 的熱傳導(dǎo)性能，故兩個相鄰區(qū)段8b之間的熱傳遞保持得較低。為了進(jìn)一步降低兩個相鄰區(qū) 段之間的熱傳遞，與區(qū)段8b接觸的夾緊框架25的表面可設(shè)有窄腹板，以便在鄰接腹板的區(qū) 域中，在夾緊框架25與區(qū)段8b之間形成空氣間隙。
[0063] 在顯示在圖11中的實施例中，所謂的熱管33裝配在反應(yīng)容器保持器12的每兩排 之間。這種熱管例如由美國THERMACOREINTERNATIONAL,Inc.公司分銷。熱管由不透氣 的套罩組成，在該套罩中僅有少量的流體。熱管中的壓力很低，致使流體在液態(tài)與氣體聚集 狀態(tài)之間處于平衡，并因此在熱管較熱的節(jié)段中蒸發(fā)，而在較冷的節(jié)段中冷凝。通過這種方 式，單獨節(jié)段之間的溫度達(dá)到平衡。所使用的流體為例如水或氟利昂。
[0064] 通過將這種熱管集成在反應(yīng)容器容納元件9的區(qū)段8b中，可在區(qū)段8b上實現(xiàn)溫 度平衡。通過這種方式可以保證在整個區(qū)段8b上呈現(xiàn)相同的溫度。
[0065] 根據(jù)本發(fā)明的熱循環(huán)裝置1的另一個實施例顯示在圖12中。該熱循環(huán)裝置的結(jié) 構(gòu)類似于圖11的結(jié)構(gòu)，因此類似的零件給予相同的參考標(biāo)號。
[0066] 然而，該熱循環(huán)裝置1的區(qū)段8c沒有熱管。作為熱管的替代，溫度均衡板34設(shè)置 在各區(qū)段8c下方的區(qū)域中。這些溫度均衡板34是帶有表面的平坦元件，該表面對應(yīng)于其 中一個區(qū)段8c的基底表面。這些溫度均衡板34是帶有少量流體的中空體，并按照與熱管 相同的原理工作。通過這種方式再次地保證在區(qū)段8c內(nèi)沒有溫度差異。
[0067] 然而，溫度均衡板可由具有非常良好的熱傳導(dǎo)性能的材料例如銅制成。附加的加 熱和/或冷卻元件（例如加熱薄片、加熱線圈或Peltier元件）可集成在這樣的溫度均衡 板中。加熱和冷卻元件支持均一性，并允許更快的加熱和/或冷卻速率。通常不具有均勻 溫度分布的Peltier元件優(yōu)選地與平坦的加熱元件相結(jié)合。
[0068] 上述反應(yīng)容器容納元件由帶有大體上為管狀的反應(yīng)容器保持器的基板組成。在本 發(fā)明的范圍內(nèi)還可以使用（例如由金屬形成的）樣品組塊，在該樣品組塊中制成用來容納 微量滴定板的反應(yīng)容器的凹部。
[0069] 圖13和圖13B是顯示示范性的熱循環(huán)器的分解透視圖，該熱循環(huán)器根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi) 容用于處理生物樣品或化學(xué)樣品。參照圖13,熱循環(huán)器1可包括樣品組塊35、鄰近樣品組 塊35布置的多個加熱元件18、多個熱電式冷卻裝置（TEC) 7 (舉例來說例如Peltier裝置） 和多個溫度傳感器（未不出）。在各實施例中，多個第一金屬板36可布置在多個加熱兀件 18與多個TEC 7之間。第二金屬板37也可以布置在多個TEC 7與散熱裝置38之間。
[0070] 參照圖13B，顯示了另一個示范性的熱循環(huán)器。熱循環(huán)器2可包括樣品組塊35、鄰 近樣品組塊35布置的第一熱界面材料136、多個熱電式冷卻裝置（TEC) 7 (舉例來說例如布 置在第一熱界面材料136與第二熱界面材料137之間的Peltier裝置）。熱循環(huán)器2可還 包括第一金屬板36和散熱裝置38。
[0071] 樣品組塊35可由表現(xiàn)出良好熱傳導(dǎo)性能的任何材料形成，該材料包括但不限于 金屬（例如鋁、銀、金和銅）、碳或其它可導(dǎo)聚合物。樣品組塊35可構(gòu)造成容納一個微量滴 定板。例如，樣品組塊35的頂部可包括呈陣列布置的多個凹部，該陣列對應(yīng)于微量滴定板 中的井腔。例如，通常的微量滴定板可包括布置成8X12陣列的96個凹口、布置成16X24 陣列的384個凹口及布置成8X6陣列或16X3陣列的48個凹口。作為備選，樣品組塊可 以是平坦的或沒有凹部，以便與微量板的平底井腔或微型插件的腔室的平坦部分相匹配。
[0072] 樣品組塊35可構(gòu)造成用以限定多個區(qū)域。圖14A顯示了樣品組塊35的底部的透 視圖，該樣品組塊35構(gòu)造成用以限定6個區(qū)域39-44。在樣品組塊35的一塊頂部可構(gòu)造 成用以容納微量滴定板的同時，底部也可構(gòu)造為6個部分45-50,其中各底部部分限定區(qū)域 39-44中的一個區(qū)域。因此，樣品組塊351頂部中的各井腔將包含在區(qū)域39-44中的一個 區(qū)域中。在所示的實施例中，樣品組塊35的頂部可容納標(biāo)準(zhǔn)的96個井腔的微量板，其中井 腔構(gòu)造成8X 12陣列。由6個底部部分45-50所限定的6個區(qū)域39-44中的各區(qū)域則包括 2X8陣列的井腔。
[0073] 根據(jù)各實施例，樣品組塊可包括多個單獨的樣品組塊區(qū)段，其中各區(qū)段限定了區(qū) 域。圖14B示出了包括16個井腔的區(qū)段51。例如，可使用6個區(qū)段51來形成樣品組塊， 該樣品組塊容納一個96井腔的微量滴定板。區(qū)段51可例如使用顯示在圖14D中的承滴盤 77來定位。在各實施例中，承滴盤77可包括多個狹槽78和多個橋接件80,以保持區(qū)段51。 承滴盤77可由任何適當(dāng)?shù)牟牧闲纬?，該材料包括但不限于熱塑性塑料。狹槽78還可包括 底切件79,以便將區(qū)段51保持就位。密封件（未示出）也可以布置在底切件79與區(qū)段51 上的凸緣之間。然后，區(qū)段51可例如使用螺釘固定。這樣，從一個區(qū)域到相鄰區(qū)域的熱通 量可降低到最低程度，并且可在各區(qū)域中提供熱均勻性。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，所公 開的樣品組塊和承滴盤是示范性的，并且樣品組塊和/或承滴盤可構(gòu)造成用以容納其它標(biāo) 準(zhǔn)的微量滴定板，以及可由少于6個或多于6個區(qū)段形成。
[0074] 如在圖14C中所示，在其它的各個實施例中，樣品組塊區(qū)段52可包括平坦的表面， 以容納微型插件結(jié)構(gòu)。微型插件結(jié)構(gòu)可包括平底的金屬薄片，該金屬薄片進(jìn)行分割，以便使 微型插件中的不同腔室隔熱。
[0075] 各區(qū)域還可包括加熱元件18。加熱元件18可以是例如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的電 阻加熱器，并成形為例如薄片或回路，以便使熱量均勻地分布在區(qū)域中。在其它實施例中， 加熱元件18可以是電阻墨水加熱器或粘結(jié)劑涂底的加熱器，舉例來說例如Kapton加熱器。
[0076] 在各實施例中，各區(qū)域還可以包括第一金屬板。如在圖13中所不，第一金屬板36 可布置在加熱元件18和TEC 7之間。
[0077] 各區(qū)域還包括TEC，舉例來說例如Peltier裝置。多個TEC 7可構(gòu)造成用以對應(yīng)于 多個區(qū)域。例如，多個TEC 7可對應(yīng)于由樣品組塊35所限定的6個區(qū)域。根據(jù)各實施例， TEC 7可提供粗加熱至接近控制溫度，而加熱元件18可提供精細(xì)加熱至大約控制溫度。TEC 可提供所有的加熱和冷卻。本文所用的用語"控制溫度"是指可由用戶設(shè)定的任何所需的 溫度，舉例來說例如在PCR反應(yīng)中用于變性、退火及延伸的溫度。多個TEC中的各TEC可獨 立地起作用，而不影響其它多個TEC。這可以在各區(qū)域中提供改善的溫度控制。
[0078]在其它不同的實施例中，TEC 7可集成到單個單元中。如在圖13A中所示，TEC 71 可以是包括第一區(qū)域72和第二區(qū)域73的雙區(qū)域TEC。第一區(qū)域72和第二區(qū)域73可通過 間隙74隔開，但例如共用公共的基底。在各實施例中，TEC 71的電連接件81可按與其它電 連接件（舉例來說例如加熱元件18的電連接件）的方向相反的方向取向。這可以提高電 連接件路徑選擇的容易程度，并使電連接件之間的干擾降低到最低程度。各TEC區(qū)域可獨 立地給樣品組塊的不同區(qū)域提供加熱和/或冷卻。通過將兩個或多個TEC區(qū)域集成到單個 單元中，可提高性能、調(diào)準(zhǔn)及組裝的容易程度。在各實施例中，劃線可用來提高TEC的壽命。 表示為線75的劃線還可以降低TEC的熱應(yīng)力，以及降低聯(lián)接件76上的熱應(yīng)力。本領(lǐng)域的 技術(shù)人員可以理解，所顯示的雙區(qū)域TEC是示范性的，并且多于兩個區(qū)域是可以想到的。
[0079] 在各實施例中，熱循環(huán)器還可包括布置在TEC 7與散熱裝置38之間的第二金屬板 37。在各實施例中，所分割的組塊可通過單個TEC裝置冷卻，并通過用于各區(qū)段的個體電阻 加熱器加熱。作為備選，所分割的組塊可通過用于各區(qū)段的個體TEC裝置冷卻，并通過單個 電阻加熱器加熱。
[0080] 熱循環(huán)器1可按以上所公開的至少三種方式操作。在第一操作方式中，各區(qū)域設(shè) 定到相同溫度。在第二操作方式中，各區(qū)域以不同的溫度啟動。以及在第三操作方式中，僅 利用了一些區(qū)域。在示范性的操作方法中，熱循環(huán)器1可處理用于PCR的生物樣品或化學(xué) 樣品。參照圖13和圖14A，樣品組塊35可限定6個區(qū)域39-44。區(qū)域39-44可在三種操作 方式中的一種操作方式中被加熱至變性溫度T d。在各實施例中，各區(qū)域可被加熱至不同的 溫度，例如，Tdl是區(qū)域39中的變性溫度，T d2是區(qū)域40中的變性溫度，Td3是區(qū)域41中的變 性溫度，Td4是區(qū)域42中的變性溫度，T d5是區(qū)域43中的變性溫度，以及Td6是區(qū)域44中的 變性溫度。例如，Td2關(guān)T d3并且Tdl > Td2，或者Tdl關(guān)Td2并且Tdl〈 Td2。對于變性溫度 Tdl_d6的緩變率以及在T dl_d6的駐留時間可根據(jù)需要而改變。如在圖13中所示，TEC 7可提 供粗加熱至接近Tdl_d6，而加熱元件18可提供精細(xì)加熱至大約T dl_d6。
[0081] 區(qū)域39-44之后可冷卻到退火溫度Ta。在實施例中，各區(qū)域可冷卻到不同的溫度， 例如，其中T al是區(qū)域39中的退火溫度，Ta2是區(qū)域40中的退火溫度，Ta3是區(qū)域41中的退 火溫度，T a4是區(qū)域42中的退火溫度，Ta5是區(qū)域43中的退火溫度，以及Ta6是區(qū)域44中的 退火溫度。對于退火溫度T al_a6的緩變率以及在T6l_66的駐留時間可根據(jù)需要改變。
[0082] 在延伸步驟中，區(qū)域39-44之后可加熱到延伸溫度!；。在實施例中，各區(qū)域可加熱 到不同的溫度，例如，其中T el是區(qū)域39中的延伸溫度，Te2是區(qū)域40中的延伸溫度，Te3是 區(qū)域41中的延伸溫度，T e4是區(qū)域42中的延伸溫度，Te5是區(qū)域43中的延伸溫度，以及Te6 是區(qū)域44中的延伸溫度。對于延伸溫度Tal_a6的緩變率以及在Tal_ a6的駐留時間可根據(jù)需 要而改變。如在圖13中所示，TEC 7可提供粗加熱至接近T6l_66，而加熱元件18可提供精細(xì) 加熱至大約T el_e6。
[0083] 對于各區(qū)域，循環(huán)的數(shù)目、混合物的體積、變性步驟、退火步驟及延伸步驟也可以 變化。例如，在區(qū)域39中的樣品可經(jīng)歷第一數(shù)目（舉例來說例如50次）的循環(huán)，而區(qū)域40 中的樣品可經(jīng)歷第二數(shù)目（舉例來說例如100次）的循環(huán)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，示 范性的方法參照構(gòu)造成用以限定6個區(qū)域的樣品組塊進(jìn)行描述，還可以使用多于6個或少 于6個區(qū)域的樣品組塊。在各個其它的實施例中，反應(yīng)容器的混合物體積可在各區(qū)域39-44 中以不同的體積填充，而各反應(yīng)容器區(qū)段可根據(jù)為優(yōu)化PCR性能所填充的混合物體積進(jìn)行 設(shè)定。
[0084] 根據(jù)其它示范性的實施例，在例如PCR過程中，所公開的熱循環(huán)器可使用不同的 熱學(xué)和化學(xué)規(guī)程用于不同目標(biāo)物的獨立的區(qū)域放大。參照圖25A，顯示了根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容的 多種實施例的熱循環(huán)器3的俯視圖。熱循環(huán)器3可包括樣品組塊35,該樣品組塊35由多 個單獨的樣品組塊區(qū)段39-44形成。作為備選，樣品組塊35可由單個區(qū)段形成。樣品組塊 35可構(gòu)造成包括6個區(qū)域（或部分）。如在圖25B中所示，編號1至6的6個區(qū)域中的各 區(qū)域可包括2列（顯示為列1-12)、8排（顯示為排A-H)的井腔。盡管顯示了在各區(qū)段中 帶有16個井腔的96井腔的樣品板，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，更多或更少的井腔可包 含在各區(qū)域中。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還將理解，6個區(qū)域是示范性的，多于或少于6個區(qū)域是 可以想到的。
[0085] 根據(jù)各實施例，多區(qū)域的熱循環(huán)器3可通過不同的熱學(xué)和化學(xué)規(guī)程用于不同目標(biāo) 物的獨立的區(qū)域放大，其中各區(qū)域可同時運行或具有一定程度的重疊。參照圖25B，樣品組 塊區(qū)段39-44可用作6個獨立的區(qū)域（顯示為區(qū)域1-6)。例如，區(qū)域用來同時放大X DNA、 HIV-1 DNA，以及重新排序模板（分別為區(qū)域1-2和區(qū)域5);入模板及HIV-1模板的Big Dye?循環(huán)排序（分別為區(qū)域3-4);以及在單個96井腔的板上的18S rRNA的逆轉(zhuǎn)錄酶的 PCR(區(qū)域6)。區(qū)域1中的XDNA引物的PCR熱學(xué)規(guī)程（顯示在圖25B中）包括在直到 94° C的初始溫度下的25次循環(huán)，冷卻到68° C，并為0. 1 ng/uL的人模板、0. 2 uM的兩 種引物、PCR主混合料和水保持20秒。區(qū)域2中的HIV-1的PCR熱學(xué)規(guī)程包括在95° C的 初始溫度下的40次循環(huán)，保持1秒，冷卻到60° C，并為10份HIV-1模板、0.5 uM的兩種引 物、PCR主混合料和水保持20秒。類似的是，用于在區(qū)域5中重新排序的引物的PCR熱學(xué)規(guī) 程包括在95° C的初始溫度下的40次循環(huán)，保持2秒，冷卻到70° C，并為10ng/uL的人的 gDNA (對于8種引物中的各引物具有600 nM)、0. 5uM的兩種引物、PCR主混合料和水保持40 秒。另外，區(qū)域3中的入模板的Big Dye?循環(huán)的PCR熱學(xué)規(guī)程包括在直到94° C的初始溫 度下的25次循環(huán)，冷卻到68° C，并為3. 2 pmol/uL HIV-1引物、8 ng/uL的模板、Big Dye? 終止劑和水保持20秒。區(qū)域4中的HIV-1模板的Big Dye?循環(huán)排序包括在95° C的初 始溫度下的40次循環(huán)的PCR熱學(xué)規(guī)程，保持1秒，冷卻到60° C，并為3. 2 pmol/uL HIV-1 引物、8 ng/uL的模板、Big Dye?終止劑和水保持20秒。區(qū)域6中的18S rRNA逆轉(zhuǎn)錄酶 的PCR包括在95° C的初始溫度下40次循環(huán)的PCR熱學(xué)規(guī)程，保持1秒，冷卻到60° C， 并為10uM的核蛋白體正向引物和反向引物、40uM的核蛋白體染料探針、50 ng/uL的模板、 主混合料、MULV-RT/Rnase抑制劑混合料和水保持20秒。結(jié)果顯示PCR的指數(shù)放大和循環(huán) 排序的線性放大均可以在樣品的不同區(qū)域中在單個微量滴定板中進(jìn)行，該微量滴定板定位 在帶有6個區(qū)段的組塊中。在各實施例中，具有不同熱學(xué)規(guī)程的PCR可在鄰接的區(qū)域中進(jìn) 行，例如正常的PCR對降落的PCR，雙步驟的PCR對三步驟的PCR，正常的PCR對快速的PCR 等。核酸分析領(lǐng)域的技術(shù)人員可以認(rèn)識到，任何數(shù)目的溫度相關(guān)的反應(yīng)可根據(jù)本教導(dǎo)內(nèi)容 進(jìn)行。說明性的PCR的實例例如可在Sambrook等人的"Molecular Cloning"（第3版）中 找到。
[0086] 根據(jù)各實施例，樣品組塊35可構(gòu)造成用以限定多個區(qū)域，在該樣品組塊35中區(qū)域 具有不同的形狀。參照圖15的分解透視圖，樣品組塊35可構(gòu)造成用以限定第一區(qū)域和第 二區(qū)域，該第一區(qū)域包括靠近樣品組塊35的各邊緣的井腔，而該第二區(qū)域包括遠(yuǎn)離樣品組 塊35的各邊緣的井腔。例如，第一 TEC 53可加熱及冷卻第一區(qū)域，而第二TEC 54可加熱 及冷卻第二區(qū)域。在一個實施例中，沒有加熱元件使用。在該構(gòu)型中，可在沒有加熱元件的 情況下補償或消除角部和/或邊緣處的熱損失。此外，加熱過程中存儲的熱量可在冷卻過 程中予以補償或消除。在其它不同的實施例中可使用加熱元件（未示出）。在該實施例中， 第一 TEC 53和第二TEC 54可分別提供第一區(qū)域和第二區(qū)域的粗加熱至接近控制溫度，而 加熱元件可提供第一和第二區(qū)域的精細(xì)加熱至大約控制溫度。根據(jù)其它不同的實施例，樣 品組塊35可由多個區(qū)段形成（如在圖14B中所示），在該樣品組塊35中區(qū)段在形狀上對 應(yīng)于多個區(qū)域。在不同的實施例中，作為矩形TEC在圖15中描述的同心區(qū)域還可以是圓形 的。例如，區(qū)段可以是圓形的，其形成帶有圓形TEC的圓形組塊，并且區(qū)段可以是同心的或 弧形的，以便裝配單個圓形的微量滴定板或其它的圓形塑性樣品保持器。
[0087] 在各實施例中，多個功率放大器可用來給TEC提供電流，以便加熱和/或冷卻樣品 組塊的多個區(qū)域。參照圖16,控制器55可控制第一開關(guān)56和第二開關(guān)57,以便將電流從 第一功率放大器58和第二功率放大器59引導(dǎo)至一個或兩個第一 TEC 53和第二TEC 54。 第一開關(guān)56和第二開關(guān)57可以是例如繼電器開關(guān)、M0SFETS、晶體管、IGBT或轉(zhuǎn)換開關(guān)裝 置?？刂破?5可以是例如微處理器或可編程的邏輯器件。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，開 關(guān)可將電流引導(dǎo)至功率放大器，或從功率放大器引導(dǎo)電流。
[0088] 操作中，第一開關(guān)56和第二開關(guān)57可將電流從任意的功率放大器引導(dǎo)至任意的 TEC。例如，第一開關(guān)56和第二開關(guān)57可將電流從第一功率放大器58引導(dǎo)至第一 TEC 53， 以便加熱和/或冷卻第一區(qū)域，以及將電流從第二功率放大器59引導(dǎo)至第二TEC 54,以便 加熱和/或冷卻第二區(qū)域。作為備選，第一開關(guān)56和第二開關(guān)57可將電流例如從第一功 率放大器58和第二功率放大器59引導(dǎo)至第一 TEC 53,以便加熱和/或冷卻第一區(qū)域。類 似的是，第一開關(guān)56和第二開關(guān)57可將電流例如從第一功率放大器58和第二功率放大器 59引導(dǎo)至第二TEC 54,以便加熱和/或冷卻第二區(qū)域。這樣，在多個區(qū)域的各區(qū)域中，對于 控制溫度的緩變率可根據(jù)需要升高或改變。盡管顯示了兩個開關(guān)和兩個功率放大器，但本 領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解，可以使用多于兩個開關(guān)和功率放大器。
[0089]在其它不同的實施例中，用于處理生物樣品或化學(xué)樣品的系統(tǒng)還可包括熱循環(huán)器 和可分離的微量滴定板，該微量滴定板構(gòu)造成用以分成對應(yīng)于多個區(qū)域的多個區(qū)段。分離 的微量滴定區(qū)段可對應(yīng)于例如由樣品板35所限定的多個區(qū)域。圖17顯示了可分離的微量 滴定板60的透視圖，該微量滴定板60包括多個狹槽61。狹槽61可根據(jù)需要布置在井腔的 列（或排）之間?？煞蛛x的微量滴定板60可劃分成6塊，每塊對應(yīng)于例如樣品組塊35的 一個區(qū)域。圖18顯示了一個狹槽61的放大圖，該狹槽61包括多個斷開式突出部62。在各 實施例中，剛性易脆的材料可用來形成斷開式突出部62,以便于通過彎曲或切割分離。本領(lǐng) 域的技術(shù)人員將會理解，所公開的實施例是示范性的，并且可分離的微量滴定板60可構(gòu)造 成用以根據(jù)需要而劃分成少于6塊或多于6塊。
[0090]在各實施例中，微量滴定板可以是模塊化的，以便為用戶提供靈活性。圖19是模 塊化的微量滴定板63的透視圖，該模塊化的微量滴定板63包括微量滴定板保持器64和 多個微量滴定板區(qū)段65。如圖所示，兩個微量滴定板保持器64可保持6個微量滴定板區(qū) 段65,以形成標(biāo)準(zhǔn)的96井腔的微量滴定板。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解，所公開的實施例 是示范性的，并且少于6個或多于6個模塊化的微量滴定板60可用來形成標(biāo)準(zhǔn)的微量滴定 板。
[0091]圖20顯示了微量滴定板保持器64的透視圖。在各實施例中，微量滴定板保持器 64可包括定位鍵66、鎖緊零件67和/或斷開式接頭68。一個或多個定位鍵66例如可沿著 微量滴定板保持器64安放，以便定位微量滴定板區(qū)段65。在示范性的實施例中，定位鍵66 可以是凸出部分，該凸出部分的形狀與微量滴定板區(qū)段65中的定位槽相匹配。一個或多個 鎖緊零件67也可以沿著微量滴定板保持器64安放，以便緊固微量滴定板區(qū)段65的位置。 在示范性的實施例中，鎖緊零件67可以是例如凸出部分，該凸出部分裝配在微量滴定板區(qū) 段65中的鎖緊孔內(nèi)。微量滴定板保持器64還可包括一個或多個斷開式接頭68。斷開式 接頭68可允許微量滴定板保持器64分拆成較小的塊，以便保持一個或多個微量滴定區(qū)段 65。換言之，在斷開式接頭68斷開之后，由分拆的微量滴定板保持器所保持的一個或多個 微量滴定區(qū)段65形成少于標(biāo)準(zhǔn)的96井腔的微量滴定板。
[0092] 圖21顯示了包括鍵槽69的微量滴定區(qū)段65的透視圖。一個或多個鍵槽69可布 置在微量滴定區(qū)段65上，以便匹配定位鍵66在微量滴定板保持器64上的位置。一個或多 個鍵槽69的形狀可另外構(gòu)造成用以接收定位鍵66。微量滴定區(qū)段65還可包括一個或多 個鎖緊孔70,該鎖緊孔70布置成用以匹配鎖緊零件67在微量滴定板保持器64上的位置。 一個或多個鎖緊孔的形狀可構(gòu)造成用以接收鎖緊零件67。
[0093]根據(jù)各實施例，樣品組塊35和樣品組塊區(qū)段51和52 (如在圖13至圖15中所示） 可由實心金屬塊加工而成、通過將幾塊金屬聯(lián)接到一起形成，或者通過電鑄形成。圖22顯 示了加工的樣品組塊區(qū)段251，該樣品組塊區(qū)段251包括井腔孔220,以便形成用于井腔的 凹部，該井腔可包含用于熱循環(huán)的樣品。質(zhì)量減輕孔230從組塊上移除質(zhì)量，以便減輕樣品 組塊區(qū)段251的熱質(zhì)量。側(cè)面240可加工成用以減輕組塊側(cè)面尺寸上的質(zhì)量。
[0094]樣品組塊和樣品組塊區(qū)段還可以通過金屬注射成型（MM)形成。MM可將塑料注 射成型的結(jié)構(gòu)自由度與金屬的性能結(jié)合在一起。MIM可用于金屬（如鋁、銅、鎢）及其合金。 在各實施例中，MIM可包括原料混合，其中非常小的粉末與熱塑性聚合物（通常所說的粘合 料）混合，以便形成精確的組分混合物，該混合物經(jīng)過制粒并供入塑料成型機。該制粒的粉 末-聚合物是通常所說的原料。金屬粉末和粘合料可混合，并在混合器中加熱以及冷卻，以 便形成成粒的原料。MIM還可包括注射成型，其中原料加熱到使塑料熔化，然后利用壓力迫 使其進(jìn)入模具中，以形成所需的幾何形狀。模制的部分是通常所說的"綠色"部分。MIM還 可包括松解工藝，其中通過將"綠色"部分加熱到大約400° C(或大約752° F)而熱移除 聚合物或粘合料。在保持其形狀和尺寸的同時，松解的部分或"棕色"部分是非常易脆并且 多孔的粉末骨架。松解工藝可在烤爐中進(jìn)行，其中熱量和空氣流流進(jìn)，而排出的產(chǎn)物流出。 烤爐將"綠色"部分轉(zhuǎn)換成"棕色"部分。MIM還可包括燒結(jié)，其中"棕色"部分被加熱到高 于1200° C，允許粉末壓實并收縮成致密的固體，并消除孔。燒結(jié)可在烤爐中進(jìn)行，在其中 流進(jìn)熱量、氫氣和氬氣。通常燒結(jié)的密度在98%的理論性上類似于鑄造的密度。最終的結(jié) 果是模制的熱部分（例如樣品組塊）。
[0095]在各實施例中，MM可提供尺寸為大約lOOmmX大約100mm的樣品組塊。典型的 9_井腔的樣品組塊具有更大的尺寸。然而，若干樣品組塊區(qū)段可由MIM構(gòu)成，以便為96-井 腔或384-井腔的微量滴定板（如在歐洲專利No. 1216098中所述）提供熱循環(huán)。
[0096] 參照圖23A和圖23B，樣品組塊區(qū)段252可利用最少的附接點給包繞樣品井腔的各 節(jié)段提供低的熱質(zhì)量，并在環(huán)繞樣品井腔的節(jié)段中使壁厚降低到最小程度。如在圖23B中 所示，樣品組塊區(qū)段252可提供構(gòu)造成包含樣品井腔的不同的構(gòu)型，樣品井腔的反應(yīng)容積 在大約5. 0毫升至大約100毫升的范圍內(nèi)變化。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解，可以想象出 例如對應(yīng)于領(lǐng)域中已知的微滴定板構(gòu)型的其它構(gòu)型。在不同的實施例中，樣品組塊材料可 以是銅、鋁或銀。以下表1顯示了本文所述的樣品組塊和樣品組塊區(qū)段的對比，表明對于不 同材料在緩變率（攝氏度/秒）上的差異。

【權(quán)利要求】
1. 一種用于在核酸樣品中進(jìn)行生物反應(yīng)的裝置，所述裝置包括：反應(yīng)容器容納元件， 所述反應(yīng)容器容納元件包括：多個反應(yīng)容器保持器，和熱管，所述熱管具有不透氣的套罩， 所述不透氣的套罩收容能夠在液態(tài)和氣態(tài)之間變化的流體；至少一個帕爾帖元件；冷卻元 件，所述冷卻元件具有面向所述反應(yīng)容器容納元件的第一端和背向所述反應(yīng)容器容納元件 的第二端，其中，所述至少一個帕爾帖元件定位在所述不透氣的套罩和所述冷卻元件之間； 以及控制器，所述控制器構(gòu)造成用以經(jīng)由加熱和冷卻來使所述裝置循環(huán)經(jīng)過預(yù)定的時間一 溫度分布。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述反應(yīng)容器容納元件還包括從所述反 應(yīng)容器保持器延伸的基板。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述不透氣的套罩設(shè)置在所述基板中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述不透氣的套罩中的所述流體被布置 和構(gòu)造成用以在所述不透氣的套罩中蒸發(fā)和冷凝。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述流體被布置和構(gòu)造成用以在所述反 應(yīng)容器容納元件的最高溫度下于所述不透氣的套罩中蒸發(fā)而在所述反應(yīng)容器容納元件的 最低溫度下于所述不透氣的套罩中冷凝。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述反應(yīng)容器保持器包括敞開端和封閉 端，并且其中，所述不透氣的套罩設(shè)置成以便鄰近所述反應(yīng)容器保持器的封閉端散熱。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括： 與所述反應(yīng)容器收容元件相接觸的第一熱傳導(dǎo)薄片，所述第一熱傳導(dǎo)薄片設(shè)置在所述 反應(yīng)容器容納元件和所述至少一個帕爾帖元件之間，以及 第二熱傳導(dǎo)薄片，所述第二熱傳導(dǎo)薄片設(shè)置在所述至少一個帕爾帖元件和所述冷卻元 件之間。
8. -種用于在核酸樣品中進(jìn)行生物反應(yīng)的裝置，所述裝置包括： 反應(yīng)容器容納元件，所述反應(yīng)容器容納元件包括多個反應(yīng)容器保持器； 中空的均衡板，所述均衡板收容能夠在液態(tài)和氣態(tài)之間變化的流體； 至少一個帕爾帖元件； 冷卻元件，所述冷卻元件具有面向所述反應(yīng)容器容納元件的第一端和背向所述反應(yīng)容 器容納元件的第二端，其中，所述至少一個帕爾帖元件定位在所述反應(yīng)容器容納元件和所 述冷卻元件之間；以及 控制器，所述控制器構(gòu)造成用以經(jīng)由加熱和冷卻來使所述裝置循環(huán)經(jīng)過預(yù)定的時間一 溫度分布。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述反應(yīng)容器容納元件還包括從所述反 應(yīng)容器保持器延伸的基板。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述均衡板設(shè)置在所述基板中。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述均衡板中的所述流體被布置和構(gòu)造 成用以在所述均衡板中蒸發(fā)和冷凝。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述流體被布置和構(gòu)造成用以在所述 反應(yīng)容器容納元件的最高溫度下于所述均衡板中蒸發(fā)而在所述反應(yīng)容器容納元件的最低 溫度下于所述均衡板中冷凝。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述反應(yīng)容器保持器包括敞開端和封 閉端，并且其中，所述均衡板設(shè)置成以便鄰近所述反應(yīng)容器保持器的封閉端散熱。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括：與所述反應(yīng)容器收容 元件相接觸的第一熱傳導(dǎo)薄片，所述第一熱傳導(dǎo)薄片設(shè)置在所述反應(yīng)容器容納元件和所述 至少一個帕爾帖元件之間，以及第二熱傳導(dǎo)薄片，所述第二熱傳導(dǎo)薄片設(shè)置在所述至少一 個帕爾帖元件和所述冷卻元件之間。
15. -種用于在核酸樣品中進(jìn)行生物反應(yīng)的裝置，所述裝置包括：反應(yīng)容器容納元件， 所述反應(yīng)容器容納元件包括多個反應(yīng)容器保持器；大致平坦的均衡板，所述均衡板具有中 空部分，所述中空部分收容能夠在液態(tài)和氣態(tài)之間變化的流體；至少一個帕爾帖元件；冷 卻元件，所述冷卻元件具有面向所述反應(yīng)容器容納元件的第一端和背向所述反應(yīng)容器容納 元件的第二端；至少一個熱傳導(dǎo)薄片，所述至少一個熱傳導(dǎo)薄片設(shè)置成鄰近所述至少一個 帕爾帖元件；以及控制器，所述控制器構(gòu)造成用以經(jīng)由加熱和冷卻來使所述裝置循環(huán)經(jīng)過 預(yù)定的時間一溫度分布。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述流體被布置和構(gòu)造成用以在所述 板中蒸發(fā)和冷凝。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述反應(yīng)容器保持器包括敞開端和封 閉端，并且其中，所述均衡板設(shè)置成以便鄰近所述反應(yīng)容器保持器的封閉端散熱。
【文檔編號】C12M1/00GK104328028SQ201410551095
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2007年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2006年9月6日
【發(fā)明者】L.H.譚, J.K.鬼, H.S.辛, U.L.蘇, Y.H.紀(jì), H.L.候, M.T.里德, C.O.劉, W.黑姆伯格 申請人:應(yīng)用生物系統(tǒng)有限責(zé)任公司