用于样品分析与处理的快速热循环制造技术

用于核酸热处理的方法和设备。所述方法至少使用第一浴槽和第二浴槽，此法还使用了反应器握持架以握持容纳反应材料的反应器，此反应材料含有核酸。此法将浴槽中的浴槽介质保持在两个不同的温度；并且交替地让反应器在多个热循环中进入此二浴槽以交替地达到预定的高目标温度THT，和预定的低目标温度TLT，其中至少一个浴槽内的浴槽介质是一种高导热率的粉末。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于样品分析与处理的快速热循环
本专利技术涉及进行样品中核酸扩增反应的方法和装置。
技术介绍
聚合酶链式反应(PCR)对于分子生物学，食品安全和环境监测日益重要。许多生物学研究人员在他们的核酸分析工作中使用PCR，因为PCR拥有高灵敏度和高特异性。PCR的时间周期通常约为1小时，主要是由于耗时的PCR热循环过程，该过程将含有样品的反应器加热并冷却至不同的温度以进行DNA变性，退火和延伸。通常，热循环设备和方法采用在两个加热浴槽之间移动反应器，所述两个加热浴槽的温度被设定为核酸扩增反应所需的目标温度。研究人员一直都在致力于提高热循环的速度。热电冷却器(TEC)或珀尔帖冷却器也被用作加热/冷却元件。然而，它所提供典型的1-5℃/秒的升温速率在改变反应器温度方面算是缓慢的，这不利地加长了热循环的时间。作为通过减少热质量来提高PCR速度的尝试，具有嵌入式薄膜加热器和传感器的微加工PCR反应器已被开发出来，以在74℃/秒的冷却速率和约60-90℃/秒的加热速率下实现更快的热循环。然而，这种用于制造PCR装置的晶片制造工艺非常昂贵，因此在满足生物测试中低成本一次性应用的要求方面不切实际。也有报道指出，相比采用热电冷却器的热循环仪，在封闭容器中以热空气和冷空气交替冲洗反应器的方法可以获得更快的温度攀升。然而，从热传导的角度来看，空气的导热系数和热容量远比液体的低，因此空气循环仪的升温速度比液体的慢。TEC需要大量的时间来加热和冷却其本身以及TEC上方的加热块。此外还需要克服加热块和反应器之间的接触热阻。交替型水冲洗循环器也已被开发出来，以两个温度相异的水交替冲洗反应器以加快PCR的速度。但是，这些装置包含许多泵，阀门和管道连接器，这些连接器在处理高温和高压时增加了维护的复杂性并降低了可靠性。使用循环液体浴介质时，液体通常从浴液中溢出。传统水浴PCR循环仪利用水的高导热性和热容量来实现有效的温度加热和冷却。但是，这样的循环器使用了包含大量水的大体积加热槽，而大水量使注水和放水过程难以掌控，这也使在热循环能开始之前，加热到目标温度的时间太长。这样的循环器设备沉重且功耗高。槽内的水在使用过程中会蒸发，需要添加。此外，在热循环中，每次所述反应器被交替插入这些水浴槽中，当反应器从水浴槽中取出时，一层水附着在反应器上，从而拖慢所述反应器内部的温度变化。研究人员还测试了以不同温度的移动加热辊交替接触反应器。然而，长管式反应器的使用不仅使安装和操作大量反应器麻烦，而且昂贵。当反应器处于大型阵列或面板中时，在所有反应器中实现加热均匀性可能具有挑战性。本专利技术提供了一种已被改良的方法和装置，用于在不使用复杂和昂贵的部件或耗材的情况下以超高速度和实惠的成本实现PCR。此装置坚固、轻便、使用方便、只需少量浴槽介质，能处理一次性反应材料，从而避免一个反应器与下一个反应器互相污染。本专利技术为生物分析领域带来了非常积极的影响。
技术实现思路
除非特别说明，否则术语“包括”和“包含”及其语法变体旨在表示“开放”或“包容性”语言，使得它们包括所记载的要素，但也允许包含额外未列举的要素。单词“基本上”并不排除“完全”。术语“第一浴槽”，“第二浴槽”，“第六浴槽”并不构成按照顺序的相应浴槽，而仅用于根据它们个别的功能进行识别。这些浴槽可能并不代表独立的实体，因为它们中的一些可能是可共享的。术语“热处理”包括：a)热循环，并且可选地包括：b)热循环之前和/或之后的热处理步骤。术语“热曲线”是指单单在(a)期间或在(a)和(b)期间反应器随着时间的温度变化。根据第一方面，本专利技术提供了一个用于在热曲线里进行核酸热处理的方法，此法使用至少一个第一浴槽和一个第二浴槽，浴槽内的浴槽介质可分别被维持在两个不同的温度，此法还使用了一个反应器握持架以握持反应器，每个反应器装有包含核酸的反应材料，反应器可以是任何形式的，比如管状容器或多孔板或芯片或卡盒，此法包括交替地让反应器进入两个浴槽进行多次热循环以交替地达到预定的高目标温度THT，和预定的低目标温度TLT，其中至少一个浴槽内的浴槽介质是高导热粉末。相对液体浴槽介质而言，高导热率粉末增强了与反应器之间的热传导，使浴槽内的温度分布均匀，也改善了反应器表面的温度均匀性。将浴槽加热至预定温度的初始加热时间也显著减少。粉末也消除了在反应器转移于各浴槽之间时液体粘附于反应器表面的问题，此问题造成浴槽内温度与其校准的偏移。此液体粘附也造成即使反应器已被从浴槽中取出，仍保持在浴槽温度一段时间。粉末可以避免这种情况。使用了粉末，当反应器插入浴槽介质时，飞溅情况会显著改善。此外，粉末不会随着时间或使用而蒸发，因此不需要像液体一样再填充。根据一个有利的实施方案，所述方法包括：在第一浴槽中，使反应器达到THT，其中THT处于85-99摄氏度的区域中，用于核酸的预变性和变性；并在第二浴槽中使反应器达到TLT，其中TLT处于45-75摄氏度的区域用于引物或探针与核酸退火或引物延伸，第一和第二浴槽用于使反应器热循环以实现聚合酶链式反应(PCR)扩增或引物延伸。根据一个有利的实施方案，所述方法还使用第三浴槽，此法包括：在热循环过程中，将第三浴槽的浴槽介质保持在中等温度；并允许反应器处于第三浴槽中以达到与核酸中引物延伸，或引物或探针于核酸的退火相对应的预定中等目标温度TMT。此法可进一步采用一个第四浴槽，此法包括：在热循环之前，让反应器处于第四浴槽中以允许反应器经历以下附加处理组合：反转录聚合酶连锁反应(RT-PCR)、热启动过程，和等温扩增反应。第三和/或第四浴槽可根据不同的反应材料和分析过程而灵活地达到各种热曲线。由于第一方面描述的优点，第三和第四浴槽中的浴槽介质也可以是高导热率粉末。此法也能允许反应器在热循环过程中处于空气区域内以为核酸进行荧光成像或电化学检测。此空气区域为光学成像处理提供了一种透明介质，这是装有粉末的浴槽无法提供的。在一个替代实施例中，该方法包括：采用第一光纤装置，用于将来自照明光源的光投射到反应材料中；以及采用第二光纤装置将光从反应材料传输到光电探测器。当反应器是由金属管制成，而且当设备需要在反应器处于粉末内时成像，此法就特别有用。高导热率粉末可以是金属粉末或是分散于液体中(例如油、甘油、水或其任何混合物)的金属粉末，因为液体填充了粉末颗粒之间的空隙，而且液体的导热性和热容量远高于空气。在反应器进入浴槽时，液体也能降低其摩擦阻力。然而，当反应器被抽离浴槽时，油/甘油会粘附在反应器的表面。该粉末可以包含基本球形的金属颗粒，以在接收反应器时降低摩擦阻力。优选的粉末是粒径为1μm-5mm的铜粉。已知铜粉具有非常高的导热率，而且所述颗粒尺寸被发现对于直径为0.1mm-5mm的市售反应器具有低摩擦阻力。浴槽内的颗粒大小可以变化，以便在反应器插入的容易性和传热速率之间优化。根据一个实施方案，所述方法包括当以管或孔板的形式使用所述反应器时，所述反应器的至少一个特征包括：在所述反应器的底端有一层金属和一个或多个反应器的底端比其余反应器更尖且横截面积更小，以在粉末接收反应器时降低摩擦阻力。根据一个实施方案，该方法进一步包括：在热循环之后，使反应器在第五浴槽中逐渐加热；并且在逐步加热期间进行熔解曲线分析以用于热循环之后的后续研究。此法可有利地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于按照热曲线对核酸进行热处理的方法，所述方法使用至少第一浴槽和第二浴槽，所述方法进一步使用用于容纳反应器的反应器握持架，所述反应器容纳含有核酸的反应材料，而反应器可以处于任何形式，例如管状容器或多孔板或芯片或卡盒，所述方法包括：将浴槽中的浴槽介质保持在两个不同的温度下；并且交替地使反应器在多个热循环中处于两个浴槽中以交替达到：‑预定的高目标温度THT，和‑预定的低目标温度TLT，其中至少一个浴槽中的浴槽介质是一种高导热率的粉末。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.01.12 SG 10201700260X;2016.06.10 US 62/348,151.一种用于按照热曲线对核酸进行热处理的方法，所述方法使用至少第一浴槽和第二浴槽，所述方法进一步使用用于容纳反应器的反应器握持架，所述反应器容纳含有核酸的反应材料，而反应器可以处于任何形式，例如管状容器或多孔板或芯片或卡盒，所述方法包括：将浴槽中的浴槽介质保持在两个不同的温度下；并且交替地使反应器在多个热循环中处于两个浴槽中以交替达到：-预定的高目标温度THT，和-预定的低目标温度TLT，其中至少一个浴槽中的浴槽介质是一种高导热率的粉末。2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：将THT保持在85-99摄氏度的区域以使所述核酸变性；并使TLT保持在45-75摄氏度的区域用于引物或探针退火到核酸上或用于引物延伸，第一和第二浴槽用于使反应器处于热循环以实现聚合酶链式反应(PCR)扩增或引物延伸。3.根据权利要求2所述的方法进一步使用第三浴槽，所述方法包括：使反应器在此第三浴槽中达到与核酸中引物延伸或是引物或探针退火于核酸对应的预定的中等目标温度TMT。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第三浴槽中的浴槽介质是高导热率粉末或空气。5.根据权利要求1所述的方法进一步使用第四浴槽，所述方法包括：在热循环之前，使反应器处于所述第四浴槽中以用于来自以下组的附加处理：a)逆转录聚合酶链式反应(RT-PCR)，b)热启动过程，和c)等温扩增反应。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第四浴槽中的浴槽介质是高导热率粉末或空气。7.根据权利要求1所述的方法还包括：在所述热循环期间，使反应器处于空气区域中以进行核酸的荧光成像或电化学检测。8.根据权利要求1所述的方法进一步包括：使用第一光纤装置，用于从照明光源向反应材料的光传输；以及采用第二光纤装置将光从反应材料传输到光电检测器。9.根据权利要求1所述的方法，其中高导热率粉末是金属粉末或分散在液体中的金属粉末。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述液体是油、甘油、水或其任何混合物。11.根据权利要求9所述的方法，其中所述粉末包含基本球形的金属颗粒。12.根据权利要求11所述的方法，其中所述粉末是粒径为1μm-5mm的铜粉。13.根据权利要求1所述的方法还包括：当以管或孔板的形式使用所述一个或多个反应器时，所述一个或多个反应器具有以下组中的至少一个特征：a)在反应器的底端处的金属层，和b)反应器的底端比其余反应器更尖且横截面积更小，以在粉末接收反应器时降低摩擦阻力。14.根据权利要求1所述的方法进一步包括：在热循环之后，使所述反应器在第五浴槽中逐渐加热；并在渐进式加热过程中进行熔解曲线分析。15.根据权利要求1所述的方法进一步包括：使用反应器防护装置以部分地防护反应器，以在反应器进入粉末时防止反应器在浴槽介质的阻力和THT下变形。16.根据权利要求1所述的方法进一步包括：通过温度引导运动控制装置(TeGMCM)获得所述目标温度，所述温度引导运动控制装置根据在热循环期间由温度传感器所感测到的反应管实时温度进行操作。17.根据权利要求1所述的方法进一步包括：通过根据反应器被允许处于浴槽中的时间段来运行的时间引导运动控制装置(TiGMCM)来获得目标温度。18.根据权利要求17所述的方法进一步包括：校准所述TiGMCM的时间段。19.根据权利要求1所述的方法进一步包括：校准转移装置，以在反应器达到低于THT的第一提离温度和达到高于TLT的第二提离温度时使反应器提离浴槽，以弥补由于电机系统反应滞后所造成的对反应器的过度加热或过度冷却。20.用于热曲线中核酸热处理的设备，所述设备使用反应器握持架来握持反应器以容纳包含核酸的反应材料，而所述反应器为任何形式，例如管状容器或多孔板或芯片或卡盒，所述设备包括：第一浴槽；第二浴槽，浴槽...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚海庆，文燕，曾旭东，
申请(专利权)人：星阵私人有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG