專利名稱：利用離心作用和加熱使小量混合物均勻化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及需要對反應(yīng)物進行調(diào)勻和/或保溫的化學反應(yīng)領(lǐng)域，尤其是涉及在液體介質(zhì)中的化學反應(yīng)領(lǐng)域。本發(fā)明公開了一種用于對反應(yīng)物進行有效均勻地混合、調(diào)勻和/或保溫的新的設(shè)備和方法。
發(fā)明的背景在各種實驗室內(nèi)所用的許多重要的工業(yè)工藝和過程都依賴于化學反應(yīng)。完成一個工藝或過程所花費的時間通常是由某個或某些特定的化學反應(yīng)達到化學平衡所花費的時間決定的。這通常被稱作化學反應(yīng)的動態(tài)特性，或簡稱為反應(yīng)動力學特性。在每種情況下，有許多變量會影響這種反應(yīng)動力學特性，例如，反應(yīng)物的濃度、溫度、是否有催化劑等。
通常，升高溫度，會使鍵反應(yīng)機理加快，例如它會加快分子或分子區(qū)域相互接觸，從而使化學反應(yīng)加快。因此，通常對反應(yīng)容器進行加熱，例如使反應(yīng)容器與明火、熱氣、熱液、熱沙或固體材料接觸。這個過程通常被叫做保溫(incubation)。
液體反應(yīng)混合物的保溫方面一個典型的問題是熱不均勻性，這是由于與反應(yīng)容器壁面緊密接觸的那部分反應(yīng)混合物將比更靠中間的反應(yīng)混合物先變熱。在許多情況下，會存在這樣的危險，即，甚至在其它部分的反應(yīng)混合物達到期望溫度之前，部分反應(yīng)混合物就已變得過熱。這就導(dǎo)致在反應(yīng)混合物中形成溫度梯度。反應(yīng)混合物的熱的部分通常比冷的部分具有更低的密度，這就會產(chǎn)生溫度梯度或產(chǎn)生一定程度的等溫的離散液體層，即所謂的溫躍層(thermoclines)。因此，反應(yīng)混合物中熱的低密度的那部分會位于冷的密度更大的那部分之上的位置。反應(yīng)混合物中的分子運動和流動最終將使反應(yīng)物溫度均勻化，這個過程被稱作反應(yīng)混合物的調(diào)勻(溫度)。調(diào)勻反應(yīng)混合物所需的時間對完成反應(yīng)所需的時間產(chǎn)生很大的影響。
然而，耗時本身并不是化學反應(yīng)混合物的調(diào)勻方面存在的唯一問題。在某些保溫過程當中，例如在進行聚合酶鏈反應(yīng)時，該反應(yīng)也被稱作PCR反應(yīng)，在所謂的熱循環(huán)過程中進行重復(fù)保溫，長時間的保溫也會導(dǎo)致一些不利的副作用，有時會使所獲得的聚合酶鏈反應(yīng)產(chǎn)物(PCR產(chǎn)物)的精度和特性產(chǎn)生嚴重的質(zhì)量問題。
很顯然，例如在高通過量的篩分領(lǐng)域，在力求化學反應(yīng)容積小型化的過程中會遇到幾種其它的問題。在一小反應(yīng)容器中，例如在微量滴定盤上的凹處，試樣和試劑的混合與保溫將會受到嚴厲的限制。當兩種或更多種可溶性液體被混合時，我們通常假設(shè)它們首先形成一種均勻混合物，然后再進行反應(yīng)。然而事實并不是這樣的。
傳統(tǒng)的微滴定盤和透明小容器經(jīng)常是用聚苯乙烯、親水聚合物制作的。無需詳細討論在容器邊界處的液體的確切特性，就能得出在小容器中例如在微滴定盤上的凹處會形成停滯區(qū)域，并且容易發(fā)生混合不充分的現(xiàn)象。反應(yīng)物和樣品液體的特性也會影響它們相互之間以及與容器邊界之間的相互作用。部分分離、產(chǎn)生分層、分離等等只是在反應(yīng)容器中會遇到的不均勻現(xiàn)象中的幾個例子而已。
對在反應(yīng)混合物中產(chǎn)生不均勻的溫度分布問題的兩種不同的過程進行區(qū)分是有原因的。由靠近反應(yīng)容器壁面的低流動性所造成的過程是一個問題，這個問題當反應(yīng)規(guī)模減小時會增大。相反，當對反應(yīng)容器進行加熱時，對于比靠近壁面的液體更冷的中間部分的液體所產(chǎn)生的這個問題，當反應(yīng)規(guī)模增大時會增大。這就是為什么用于需要適當保溫的過程例如象PCR過程的熱循環(huán)設(shè)備在反應(yīng)規(guī)模方面具有一個很窄的動態(tài)范圍。通常，在聚合酶鏈反應(yīng)中，當反應(yīng)容積小于5μL和大于50μL時，這些問題是最嚴重的。
另一個問題是蒸發(fā)，這個問題看來似乎與混合及調(diào)溫無關(guān)。為了避免蒸發(fā)，有一種趨勢就是把反應(yīng)容器尤其是微滴定盤上的凹處做得更深更窄。這就自然地使前面所提到的混合不充分及調(diào)溫的問題變得更嚴重。
到現(xiàn)在為止，已經(jīng)利用在一個單一的反應(yīng)容器中的特性來討論了溫度不均勻性。特別是當討論到小型化的檢定時，就需要考慮另一個調(diào)溫不均勻性的大小范圍，以及反應(yīng)容器之間的變化范圍。在帶有比較目的的檢定中(即，進行定量分析或不進行定量分析，例如，對新的藥物試品。核酸突變、單核苷酸多態(tài)性等進行篩分)，重要的要考慮再現(xiàn)性，通常被稱作完全一致性(well-to-well uniformity)。
由于這個導(dǎo)致不良的熱均勻的過程是很難定量預(yù)測的，因此，解決這個問題的唯一辦法是常借助于設(shè)備來增強均勻化過程。已經(jīng)采用了各種策略來做這件事情了。
其中的一個策略是采用具有特別平或橢圓結(jié)構(gòu)的反應(yīng)容器，以便于減小反應(yīng)混合物堆的中間部分和周邊部分之間的距離。例如，象Wittwer，C.T.等人所描述的那樣The Light CyclerTM一種能迅速控制溫度的小體積的多試樣熒光計，生物技術(shù)22176～181，1997年1月)，在細的毛細管中進行保溫。這種方法的缺點是玻璃毛細管松松地連接在它們的塑料支持部分上，需要用手握。選用玻璃毛細管，就可以使反應(yīng)混合物快速調(diào)勻并且在放大之后進行熒光檢測。然而，玻璃毛細管會增大表面與液體的接觸，這些都對混合和調(diào)溫產(chǎn)生影響。此外，使用玻璃毛細管的另外的缺陷是防礙試樣在聚合酶鏈反應(yīng)之后的過程。聚合酶鏈反應(yīng)之后的過程包括DNA排序過程等。
解決混合和溫度不均勻問題的其它方法是通過攪拌或搖晃反應(yīng)容器來進行攪拌。為此目的而設(shè)計的特定器具例如有各種各樣的燒瓶搖動器和所謂的渦旋設(shè)備。這種方法常遇到的問題是攪拌的周期性會造成流動或駐波，從而造成不完全均勻。
均勻化的另一種方法是在一被稱作聲處理的標準過程中采用超聲波。不幸的是，后面的這個過程通常很難與許多標準保溫方法聯(lián)合使用。
另一種方法是采用流通系統(tǒng)，其中，對不斷流動的液體進行加熱。
在聚合酶鏈反應(yīng)領(lǐng)域內(nèi)，一直非常注意的是熱交換和更快的斜變(faster ramping)的問題，即如何在加熱和冷卻階段減小溫度調(diào)節(jié)的速度。
最接近的現(xiàn)有技術(shù)WO 98/49340(PCT/AU98/00277)公開了一種溫度循環(huán)設(shè)備和方法，其中，反應(yīng)混合物和試樣首先被裝入一次性轉(zhuǎn)子上的裝載腔室內(nèi)，然后把該轉(zhuǎn)子放入一離心式熱循環(huán)設(shè)備內(nèi)，并進行旋轉(zhuǎn)，從而在離心力的作用下使混合物和試樣向轉(zhuǎn)子周邊的反應(yīng)腔室移動。該設(shè)備包括加熱設(shè)備，例如紅外線燈，對流加熱元件或微波源。有趣的是，在說明書中還包括了對轉(zhuǎn)子進行冷卻的設(shè)備。根據(jù)一個實施例，增大轉(zhuǎn)子速度，使空氣被引入該設(shè)備，并對位于轉(zhuǎn)子周邊的反應(yīng)室中的物質(zhì)進行快速冷卻。除了周圍的大氣以外，還可以使用冷卻劑氣體。例如，致冷的氣體為冷卻劑氣體的一個實例。重要的是，WO98/49340的公開內(nèi)容暗示了使用不同的轉(zhuǎn)動速度。此外，WO 98/49340并沒有解決混合和均勻調(diào)溫的問題。例如，它沒有說明加熱的方向，也沒有完成同時加熱和冷卻。
DE19501105A1公開了一種具有一溫度控制系統(tǒng)的離心機，其中，循環(huán)流體圍繞試管或樣品容器從上部進入轉(zhuǎn)子，并沿徑向方向向外和向下流出。DE19501105的離心機的發(fā)明人批評迄今已知的設(shè)備采用熱輻射源，并拒絕采用，因為這種設(shè)備是不令人滿意的。
本發(fā)明的目的是解決耗時問題以及通過找到可有效混合和均勻化的設(shè)備來解決涉及小量的化學反應(yīng)物的保溫過程中混合和調(diào)溫不充分問題。重要的是，所說的設(shè)備應(yīng)與用于不阻止反應(yīng)分析的設(shè)備兼容，最好可用于化學和生物技術(shù)反應(yīng)、篩分和分析領(lǐng)域中的現(xiàn)有技術(shù)以及未來技術(shù)，例如高通過量的篩分、放大反應(yīng)等等。
尤其是現(xiàn)有技術(shù)中的設(shè)備和方法都沒有滿足對快速和精確熱循環(huán)設(shè)備及方法的需要。
發(fā)明概述本發(fā)明根據(jù)所附權(quán)利要求的特征部分解決了所述問題，在此引入這此權(quán)利要求。本發(fā)明包括本說明書以及所附權(quán)利要求書中所公開和所限定的設(shè)備和方法。本發(fā)明所解決的其它問題能從說明書和附圖中可以得出。
附圖簡述下面將參照附圖來描述本發(fā)明，在這些附圖中，

圖1是示意性地表示出了本發(fā)明的第一實施例，該實施例具有與一處理器(4)相連的一溫度測量裝置(7)；圖2表示本發(fā)明的第二實施例，其中，溫度測量裝置(7)補充有一激光源(8)和傳感器(9)；圖3表示本發(fā)明的第三實施例，其中，由一探針(12)測量，溫度該探針通過一傳送器(13)和接收器(14)與處理器(4)相連；圖4表示根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的剖面示意圖，圖中表示出了基本部件，例如加熱罩(6)；
圖5表示從圖2所示實施例上部看所得的示意圖；圖6表示從例如圖1所示實施例的上部看所得的示意圖；圖7表示在可以豎直移動的下半罩(16)放置有一加熱源(17)的設(shè)備的剖面示意圖。
描述在下面對本發(fā)明的描述中，將會用到一些定義。下面將對這些定義作出解釋，概括如下重力場的方向用矢量來描述，當表示離心力的一矢量，即與離心機轉(zhuǎn)子的軸線垂直的從轉(zhuǎn)子中心指出的一矢量，加上表示地球引力的矢量時，重力場的方向等同于該合成矢量的方向。因此，在本文中的向下被定義為與重力場的方向相同的方向，其中重力場的方向由表示離心力和重力的矢量的合成矢量的方向來確定。
反應(yīng)混合物任何流體反應(yīng)混合物，優(yōu)選的是液體反應(yīng)混合物，在該反應(yīng)混合物中，反應(yīng)動力受溫度的影響，并且期望能更快速、更有效和均勻地被調(diào)溫。適合本設(shè)備和方法的反應(yīng)的一些例子有在高通過量篩分領(lǐng)域內(nèi)的化學/生物化學反應(yīng)、涉及重復(fù)調(diào)溫例如周期性的溫度變化的生物化學反應(yīng)，包括聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)，連接酶鏈反應(yīng)(LCR)，“斷裂連接酶鏈反應(yīng)”，核酸序列基放大(NASBA)，自持復(fù)制(3SR)，轉(zhuǎn)換中間放大(TMA)，直立位移放大(SDA)，目標放大，信號放大，或上述情況的結(jié)合。
聚合酶鏈反應(yīng)典型地包括下列步驟1) 反應(yīng)混合物的準備，即待測樣品的準備；2) 放大，即DNA分子的指數(shù)復(fù)制；3) 特定序列的檢測，例如通過電泳法或雜合法進行檢測。
步驟2)涉及反復(fù)的溫度變化，使反應(yīng)混合物經(jīng)過核苷酸成分的緩冷和延伸步驟。不良的調(diào)勻，即在反應(yīng)混合物中的溫度分散會導(dǎo)致不確定的放大產(chǎn)物。反應(yīng)混合物進行快速和均勻的調(diào)溫對于反應(yīng)的質(zhì)量和可靠性是很重要的。
反應(yīng)容器任何能容納進行反應(yīng)所需的溫度范圍內(nèi)的反應(yīng)混合物的容器。例如，適合本發(fā)明用途的反應(yīng)容器包括下列反應(yīng)容器，但并不局限于下列反應(yīng)容器試管，所謂的微管，Eppendorf管，微量滴定盤中的單一凹處或多個凹處，例如96孔形式的微量滴定盤，具有各種形式的高密度系列凹處，例如192孔形式，384孔形式，更密集的形式等。根據(jù)本發(fā)明，所用的反應(yīng)容器可以上面所列出的傳統(tǒng)式的市場上可買到的反應(yīng)容器，也可以是專門用于本發(fā)明的設(shè)備的反應(yīng)容器，例如，在其端部具有一光學元件，在其端部具有用于吸收熱量一特定顏色或表面，或側(cè)壁上具有不透明的隔離的或反射的表面等。
反應(yīng)混合物被放置于反應(yīng)容器中，例如，至少具有一個開口和一個封閉端的容器，封閉端的方向大致與開口端的方向相反。所說的容器被裝上一試樣和至少一反應(yīng)物，這些在定義上就構(gòu)成反應(yīng)混合物，并且這種混合物將被均勻保溫。反應(yīng)物通過開口端進行配制，在配制之后可以把開口端封閉，例如用一個罩子塞住。試劑的配制可以手工進行，也可以采用自動的吸管裝置，或者是，在本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，采用預(yù)配試劑毛細管(PCT/SE91/00343)或試劑筒(PCT/SE97/01562)。
封閉端限定為指向與目前的重力場相同方向的末端。開口端或帶有罩子的端部或試劑筒被稱作近端。因此當沒有離心作用產(chǎn)生時，反應(yīng)容器的末端通常朝下，與地球重力場相對應(yīng)。與這種描述一致，本文中朝上限定為在特定情況下影響裝有物質(zhì)的反應(yīng)容器的重力場的相反方向。因此，近端是朝上的，或朝與離心力相反的方向。
圖1中表示根據(jù)本發(fā)明的一種設(shè)備，它包括諸如用于支持至少一個裝有物質(zhì)的反應(yīng)容器2的一轉(zhuǎn)子1的裝置；用于使至少一個反應(yīng)容器和其所裝物質(zhì)受到一離心力的裝置，例如一馬達3；用于對相對于離心力朝外的這部分容器進行加熱的裝置5和6；用于對反應(yīng)容器的近端進行冷卻的裝置(未示出)。圖中表示出了一溫度傳感器7，用一直線示意性地指出從轉(zhuǎn)動的反應(yīng)容器2的試樣容納端讀取。溫度傳感器7優(yōu)選的是一紅外線傳感器(IR傳感器)。
利用紅外線傳感器或其它快速傳感器，就能進行在線的溫度測量?？焖俸途_的溫度測量使得有可能使用所描述的很高的溫度。
在圖1中，表示出了一處理器4。處理器4可以是任何傳統(tǒng)的裝有計算機代碼形式操作指令的邏輯電路，或者是專門用于本發(fā)明設(shè)備的電路。該處理器至少具有下列功能對來自溫度傳感器7的溫度信號進行處理，并根據(jù)操作員選擇的一個或多個程序來控制馬達3和加熱/冷卻源5的操作。
優(yōu)選的是，所說的用于支持至少一個反應(yīng)容器的裝置1是一轉(zhuǎn)子，例如從下列中選出的轉(zhuǎn)子一鼓形轉(zhuǎn)子，一擺桶轉(zhuǎn)子，一固定角度轉(zhuǎn)子。此外，所選擇的轉(zhuǎn)子最好是被改進成能允許在反應(yīng)容器的末端或“下端”與加熱源之間進行無妨礙的熱接觸。同樣，轉(zhuǎn)子可以被改進成能允許近端的有效冷卻。
加熱源5和6可以是能對反應(yīng)容器末端進行加熱的任何加熱源，例如，象具有電阻絲的加熱元件的輻射源，紅外線加熱源、微波元件等。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，通過使用至少一個與一罩6相連的外部加熱源和冷卻源(用數(shù)字5表示)。罩包圍著反應(yīng)容器2的轉(zhuǎn)動路徑，至少是圖1，2，3和4的剖面圖中所示的部分路徑。
優(yōu)選的是，罩6與轉(zhuǎn)子的形狀相適應(yīng)，如圖5和6中所示，圖中表示出了本發(fā)明的兩個實施例。在圖7中表示出了一個實施例，其中罩或罩的一部分相對于反應(yīng)容器的轉(zhuǎn)動路徑是可以移動的。罩的可移動部分最好是一圓形或部分圓形的反射器16，該反射器16裝有一熱源17，并被設(shè)置成能移近反應(yīng)容器的轉(zhuǎn)動路徑或從轉(zhuǎn)動路徑移開。
加熱源也可以被放置在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，反應(yīng)容器的末端或下端(圖中未示)。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在加熱源與一個或多個反應(yīng)容器之間設(shè)置一遠心透鏡。
用于冷卻的冷卻源或冷卻裝置可以從對流冷卻和循環(huán)冷卻介質(zhì)中選擇，例如，致冷氣體，如空氣，最好是氮氣。在一實施例中，例如附圖中所示的實施例中，冷卻介質(zhì)被放入罩內(nèi)，并與轉(zhuǎn)動的反應(yīng)容器接觸。根據(jù)另一個實施例(未示出)，除了罩以外，轉(zhuǎn)子周圍環(huán)境被冷卻。通過使罩相對于轉(zhuǎn)子進行移動，例如把罩抬起或下放到轉(zhuǎn)動的反應(yīng)容器鄰近處，對所說容器進行加熱。通過下放、抬起或移去這個罩，周圍的冷環(huán)境又允許接觸轉(zhuǎn)動的反應(yīng)容器了。如果不移動罩，轉(zhuǎn)子能被移動，而罩保持在一固定位置。反應(yīng)容器2可以是下列任何一種一套單獨的管，例如Eppendorf管，微量滴定盤上的單獨的凹池或單獨的試管。
圖2示意性地表示出了一實施例，其中，一輻射源8發(fā)出輻射，例如與反應(yīng)容器的轉(zhuǎn)動路徑相交的一激光束。由一傳感器9監(jiān)測該輻射的反射。溫度傳感器7例如一紅外線傳感器可以通過一處理器10與反射傳感器9相連，例如為了把溫度測量調(diào)節(jié)成與轉(zhuǎn)動速度相適應(yīng)。輻射源8和反射傳感器9還可以用于監(jiān)測試樣中的化學反應(yīng)，例如利用光反射或光發(fā)射表示反應(yīng)終點或一正的或一負的測試結(jié)果。
此外，在圖2中表示出了一用戶界面11。所說的用戶界面可包括用于輸入操作參數(shù)或選擇預(yù)設(shè)定的操作方案的一鍵盤或類似物，一用于顯示操作進程、操作參數(shù)等的顯示器。
根據(jù)一優(yōu)選實施例，根據(jù)本發(fā)明的裝置包括可讀關(guān)于樣本特性、操作說明等信息的裝置。這種信息的例子包括例如時間和溫度、循環(huán)數(shù)、過PCR溫度等的操作參數(shù)，例如日期、來源、病人身份、質(zhì)量等的樣本信息和例如批號、日期、反應(yīng)物數(shù)量、類型等反應(yīng)物信息。
根據(jù)一實施例，試樣或反應(yīng)容器帶有上述或類似信息，這些信息的形式為例如，可光學可讀符號，如條形碼，光學可讀盤等，或電子可讀信息，例如包含在磁性載體或集成電路或芯片上的信息。使用這個實施例，可以得到高度可靠性和可控性?？墒共僮髡叩腻e誤最小化。試樣被標明，并根據(jù)每個試樣載體中例如每個微量滴定盤中所包含的信息進行操作。操作員可以利用條形碼閱讀器來讀取這些信息，或利用裝置來當試樣被裝入該裝置時自動監(jiān)測這些信息。
在圖3中表示出了一實施例，其中，溫度讀取和控制是由放置在其中一個反應(yīng)容器內(nèi)的傳感器12來進行的，傳感器12經(jīng)過一發(fā)送器13和一接收器14與處理器4相連。傳感器為例如一熱偶，發(fā)送器/接收器系統(tǒng)可以是采用了紅外線信號的系統(tǒng)。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的剖面示意圖，圖中表示出了罩6。反應(yīng)容器2，轉(zhuǎn)子1和馬達3是上面所描述的那種轉(zhuǎn)子和馬達。
圖5表示從圖2實施例上部看所得的示意圖。罩6具有由箭頭所表示的從罩進出的一入口和一出口。可以看出，罩只罩住反應(yīng)容器2的部分轉(zhuǎn)動路徑，留一部分用于無妨礙的測量。圖中所示的測量包括紅外線傳感器7，一激光源8和一反射傳感器9。
在圖6中表示出了一實施例，其中，罩6包圍著反應(yīng)容器2的整個轉(zhuǎn)動路徑。在這里由傳感器7所示的測量是通過罩，最好是通過能傳送或能透過由傳感器所監(jiān)測到的信號的罩的一部分15來進行。
圖7表示一實施例的剖面示意圖，其中，加熱源17，例如一管狀紅外線燈，被設(shè)置在一可移動的反射器16內(nèi)。通過啟動紅外線燈并使反射器升入轉(zhuǎn)動反應(yīng)容器的鄰近處，對試樣體進行有效加熱。當關(guān)閉燈并使反射器下降時，熱量就迅速地從所說的試樣體散發(fā)。通過對設(shè)備的整個內(nèi)部容積或鄰近轉(zhuǎn)動反應(yīng)容器的容積進行致冷來幫助冷卻。無需把反射器16設(shè)置在反應(yīng)容器的轉(zhuǎn)動路徑下面，而是也可以設(shè)置在所說路徑上面或周圍。在這些情況下，反射器向下移動或向內(nèi)移動，直到它極靠近轉(zhuǎn)動反應(yīng)容器。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所說的設(shè)備能使反應(yīng)容器所裝物質(zhì)或容器受到很大的離心力作用，優(yōu)選的是，間隔為約500xg至約20.000xg或更大的離心力，優(yōu)選的是，間隔為約1.500xg至約20.000xg，最優(yōu)選的是，間隔為約5.000xg至約15.000xg。當然，本發(fā)明的設(shè)備或方法所實現(xiàn)的調(diào)溫是反應(yīng)體積、它的成分、溫度和離心力的一個函數(shù)。
此外，根據(jù)本發(fā)明一個實施例的設(shè)備，包括用于對相對離心力朝內(nèi)的部分反應(yīng)容器進行冷卻的裝置。在這個例子中，轉(zhuǎn)子被改進成允許在反應(yīng)容器的近端或上端與冷卻介質(zhì)之間無阻礙地熱接觸。
加熱裝置包括至少一個熱源，例如一輻射源，在一波長范圍內(nèi)發(fā)出輻射并產(chǎn)生熱量，如一紅外線源，一電子元件，熱氣體或熱液體，該熱源被設(shè)置在離心機內(nèi)或與離心機相連，當這些適當放置在離心機轉(zhuǎn)子內(nèi)的反應(yīng)容器受到離心作用力時，在放出熱量時，這些熱量就到達末端或一個或幾個反應(yīng)容器的末端。當本發(fā)明用于周期性加熱或冷卻時，熱源在無需中止離心力作用的情況下就能被打開或關(guān)閉。熱源效果應(yīng)足夠高，以便反應(yīng)容器中的全部反應(yīng)混合物都達到化學反應(yīng)所需的適當溫度。加熱裝置最好包括一個溫度傳感器或多個傳感器，或一對加熱進行監(jiān)測和控制的恒溫器。
根據(jù)本發(fā)明一個實施例，使熱氣進入轉(zhuǎn)動反應(yīng)室周圍的空間或至少進入所說容器的頂部。這個空間被稱作“加熱罩”。
在本文中，熱氣就是空氣或一適當?shù)臍怏w混合物，它被加熱到超過反應(yīng)容器材料如Eppendorf管或微量滴定凹池的熱塑材料的熔化溫度的溫度。在給定所用設(shè)備的限制內(nèi)，溫度盡可能高，且溫度優(yōu)選在200至800攝氏度范圍內(nèi)，最好是約600攝氏度。
冷卻效果是在不變的轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)的。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，通過相對于轉(zhuǎn)子移動加熱罩，例如通過抬升起加熱罩，或者通過降低轉(zhuǎn)子，使加熱罩從反應(yīng)容器周圍移去。于是，快速轉(zhuǎn)動的反應(yīng)容器將與周圍空氣或氣體混合物接觸，例如與離心機內(nèi)的空氣或從周圍空間吸入的空氣接觸。根據(jù)一優(yōu)選實施例，離心機內(nèi)的空氣或氣體混合物被冷卻至周圍溫度以下的一溫度。轉(zhuǎn)子還可被包圍在一更大的被致冷的空間內(nèi)。加熱罩從與反應(yīng)容器緊密接觸移開時，致冷空氣將迅速冷卻容器。
冷卻裝置可包括用于把一冷卻介質(zhì)如一氣體、液體或周圍空氣引入反應(yīng)容器的近端或“上”端鄰近處的裝置。合適的冷卻介質(zhì)是液氮或冷卻氮氣。
當使用本發(fā)明時，把裝有整個反應(yīng)混合物或反應(yīng)混合物的一部分的反應(yīng)容器放入離心機的轉(zhuǎn)子內(nèi)，使封閉端朝下，或另外根據(jù)標準做法使所涉及的離心機進行離心作用。然后啟動離心機，也就是說，打開帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機。當轉(zhuǎn)子被加速到所選的重力時，轉(zhuǎn)動就被保持在恒定的速度?，F(xiàn)在打開加熱源，使主要在反應(yīng)容器頂部處的溫度升高。熱量將通過反應(yīng)容器壁的材料傳遞到大部分反應(yīng)混合物的最末端部分。由于溫度升高，使得分子運動加劇，也就是說，使這部分被加熱的反應(yīng)混合物的密度降低。由于作用在反應(yīng)混合物的更密集部分的重力場所產(chǎn)生的壓力的緣故，使得密度小一些的部分被迫向上移動，迅速被具有更大密度的反應(yīng)混合物所取代。通過從加熱源進行相同的熱傳遞過程，使這部分密集部分被加熱。這部分反應(yīng)混合物的密度將減小，并向上移動，從而被更冷的反應(yīng)混合物所取代。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，同時作用在反應(yīng)容器的上部和近部的冷卻裝置將確保充分混合和均勻。這一系列過程將繼續(xù)下去，最終使反應(yīng)混合物完全混合，達到均勻化，并且在大部分反應(yīng)混合物內(nèi)溫度均勻分布。
根據(jù)一優(yōu)選實施例，本發(fā)明的設(shè)備裝配有一紅外線傳感器，并且最好是一聚焦的紅外線傳感器，用于監(jiān)測轉(zhuǎn)動容器內(nèi)所裝物質(zhì)的溫度?，F(xiàn)有技術(shù)中的溫度控制方法常采用一熱偶，該熱偶被放置在一反應(yīng)容器內(nèi)，參與熱循環(huán)過程。然而，這不是所需的精確度。由于大多數(shù)用于反應(yīng)容器的熱塑性材料不吸收紅外線，根據(jù)本發(fā)明的測量實際上將給出試樣本身的溫度。該測量可由一算法來控制，它不僅給出轉(zhuǎn)動容器的平均溫度，而且還給出這個平均值可能的偏離。
上面的紅外線傳感器最好配有一激光器，該激光器發(fā)出一束集中的光線，對反應(yīng)容器進行加熱。這個在容器可見的激光器“位置”由一可選的傳感器標明，并被用于控制紅外線傳感器的焦距、轉(zhuǎn)動速度，以便啟動對試樣溫度的測量，并用于反射測量和/或熒光測量。當采用激光器的反射來啟動溫度測量時，就能獲得更高的精度。
此外，為了避免紅外線傳感器與可用于加熱反應(yīng)容器的紅外線源之間的干擾，對該紅外線源進行選擇，使得紅外線源以一個明顯不同于紅外線傳感器的讀取波長的波長發(fā)出紅外線輻射。
根據(jù)本發(fā)明一個實施例，從重力場相反方向所進行同時冷卻有效地提高了密度均勻化程度，也就是說，縮短了反應(yīng)混合物的調(diào)勻和均勻經(jīng)的時間。
根據(jù)本發(fā)明的一種方法，包括以下步驟i)至少一種反應(yīng)物被量入一反應(yīng)容器；ii)所說的裝有物質(zhì)的反應(yīng)容器被放入一設(shè)備，該設(shè)備能使反應(yīng)容器同時受到離心力作用和加熱；iii)所說的反應(yīng)容器受到離心力作用；iv)對反應(yīng)容器的末端進行加熱。
根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實施例，用一毛細管或類似設(shè)備加入至少一種反應(yīng)物，該毛細管或類似設(shè)備一旦受到離心力作用就釋放所裝的物質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明一實施例的一種方法，包括下列步驟i)至少把一種反應(yīng)物量入一反應(yīng)容器內(nèi)，所說的容器帶有關(guān)于要被進行的處理或程序步驟信息；ii)這些信息由一設(shè)備讀取，該設(shè)備的一部分與一個能使其同時受離心力作用并加熱的設(shè)備相連；iii)所說的裝有物質(zhì)的反應(yīng)容器被放入上述用于離心作用和加熱的設(shè)備內(nèi)；iv)所說的反應(yīng)容器受到離心力作用；v)對反應(yīng)容器的末端進行加熱；vi)根據(jù)反應(yīng)容器上的的信息執(zhí)行步驟iv和v。
當根據(jù)步驟i)至步驟vi)實施本方法時，如果沒有完全消除操作者的錯誤的話，這種操作者的錯誤也被最小化。這種方法允許很大程度上的過程自動化，而且，它使遵循質(zhì)量控制計劃簡單化。
總地來說，本發(fā)明還公開了一種用于在反應(yīng)容器所裝的液體介質(zhì)中進行化學反應(yīng)的新方法，其特征在于采用了根據(jù)任一所附的設(shè)備權(quán)利要求書中的一設(shè)備。
特別是，本發(fā)明公開了一種用于進行要求高度均勻化化并涉及重復(fù)調(diào)勻例如涉及熱循環(huán)的分析和合成的反應(yīng)的新穎有效的方法。這種分析的一個例子是聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)技術(shù)。另一種重要的應(yīng)用是用于高通過量篩分領(lǐng)域。在前面的描述中描述了這種和其它的方法。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備特別適合于聚合酶反應(yīng)分析的變型，通常被稱作”熱始聚合酶鏈反應(yīng)”。利用本發(fā)明的設(shè)備，溫度首先被設(shè)定為高于結(jié)合料的退火溫度。在這個初始調(diào)勻期間，轉(zhuǎn)子以足夠有助于調(diào)勻的較低速度轉(zhuǎn)動。當?shù)竭_所期望的溫度時，借助于試劑毛細管或試劑筒(例如在同一申請人的PCT/SE91/00343和PCT/SE97/01562中所公開的毛細管或試劑筒)添加試劑。通過增大轉(zhuǎn)動速度把試劑毛細管倒空。在一更高的轉(zhuǎn)動速度下，利用離心力把毛細管或筒倒空，從而能如上面所描述的那樣繼續(xù)進行PCR分析。
當利用本發(fā)明的設(shè)備或裝置進行聚合酶鏈反應(yīng)分析時，就可顯著縮短放大步驟所需的時間。聚合酶鏈反應(yīng)放大通常需要約2個小時才完成，而在本發(fā)明人所進行的實際實驗中，只在不到20分鐘內(nèi)完成，且不影響結(jié)果，或改善了結(jié)果。這種結(jié)果在SDS紙凝膠劑上被證實了，它顯示了很高的特性和溶解度。
盡管已對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述，這些優(yōu)選實施例是本發(fā)明人所知的目前最佳的實施方式，但是，應(yīng)當知道，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以對本發(fā)明進行各種改變和變型，本發(fā)明的范圍是由所附的權(quán)利要求書來確定的。
權(quán)利要求
1.一種熱循環(huán)設(shè)備，包括用于保持反應(yīng)容器(2)的轉(zhuǎn)子(1)，與所說轉(zhuǎn)子相連的馬達(3)，用于控制轉(zhuǎn)子速度的諸如處理器(4)的裝置，以及用于對反應(yīng)容器所裝物進行加熱和冷卻的裝置(5，6)，其特征在于，加熱裝置(6)罩住用于所說容器的至少部分轉(zhuǎn)動路徑的反應(yīng)容器頂部，該加熱裝置的工作溫度明顯高于反應(yīng)容器的熔化溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，加熱裝置(6)包括罩，該罩能相對于反應(yīng)容器的轉(zhuǎn)動路徑移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，它包括溫度傳感器(7)，該溫度傳感器的測量焦距與反應(yīng)容器頂部的轉(zhuǎn)動路徑相交。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，它包括輻射源(8)，該輻射源發(fā)出一束與反應(yīng)容器頂部的轉(zhuǎn)動路徑相交的輻射線，以及傳感器(9)，能探測下面中的至少一種光線從反應(yīng)容器反射的光線，從反應(yīng)容器所裝物放出的光線。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，溫度傳感器(7)是紅外線傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，輻射源(8)是激光源。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，探測從轉(zhuǎn)動的反應(yīng)容器反射的光線的傳感器向處理器(4)發(fā)送一信號，該信號對轉(zhuǎn)子的速度進行控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，探測從轉(zhuǎn)動的反應(yīng)容器反射的光線的傳感器向處理器(9)發(fā)送一信號，該信號對溫度傳感器的測量頻率進行控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所說的用于保持至少一個反應(yīng)容器的轉(zhuǎn)子(1)是在下面轉(zhuǎn)子中選出的，即鼓形轉(zhuǎn)子，擺桶轉(zhuǎn)子和固定角轉(zhuǎn)子。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，反應(yīng)容器是從下面選出的微型管，Eppendorf管，或微量滴定盤中的凹池。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，遠心透鏡被放置在熱源與一個或多個反應(yīng)容器之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，它包括用于讀取反應(yīng)容器上所帶的或與反應(yīng)容器相關(guān)的信息的裝置。
13.一種用于在反應(yīng)容器所裝流體介質(zhì)中進行化學反應(yīng)的方法，其特征在于所說方法包括下列步驟i)至少一種反應(yīng)物被按量放入一反應(yīng)容器；ii)所說的裝有物質(zhì)的反應(yīng)容器被放入一設(shè)備，該設(shè)備能使反應(yīng)容器同時受到離心力作用和加熱；iii)所說的反應(yīng)容器受到離心力作用；iv)對反應(yīng)容器的末端進行加熱。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于利用毛細管或類似設(shè)備添加至少一種反應(yīng)物，其中的毛細管或類似設(shè)備一旦受到離心力作用就釋放其所裝的物質(zhì)。
15.一種用于在反應(yīng)容器所裝的流體介質(zhì)中進行化學反應(yīng)的方法，其特征在于采用根據(jù)權(quán)利要求1～12中任一項所述的設(shè)備。
16.一種用于進行涉及熱循環(huán)的生物化學反應(yīng)的方法，其特征在于采用根據(jù)權(quán)利要求1～12中任一項所述的設(shè)備。
全文摘要
當試樣受到離心作用的同時,對試樣進行加熱,并且還可選擇地進行冷卻,這樣就能實現(xiàn)對試樣進行有效地調(diào)溫。這是在這樣一種設(shè)備中實現(xiàn)的,該設(shè)備包括:至少一用于保持反應(yīng)容器(2)的轉(zhuǎn)子(1),一與上述轉(zhuǎn)子相連的馬達(3),用于控制轉(zhuǎn)子速度的裝置例如一處理器(4),用于對反應(yīng)容器所裝物進行加熱和冷卻的裝置(5,6),其中,加熱裝置(6)罩住用于至少部分轉(zhuǎn)動路徑的反應(yīng)容器頂部,并且加熱裝置是在顯著高于反應(yīng)容器的熔化溫度情況下操作。本發(fā)明還涉及一種用于進行化學反應(yīng)的方法,尤其是涉及一種用于進行有關(guān)熱循環(huán)的生物化學反應(yīng),例如聚合酶鏈反應(yīng)。
文檔編號G01N35/00GK1352576SQ0080757
公開日2002年6月5日 申請日期2000年3月24日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月25日
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