用于化学和生化反应的热控系统和方法技术方案

用于ＰＣＲ反应的系统（２０）包括安装在热支架（２１）上的反应容器的阵列。热支架（２１）内设置有液体路径，液体路径耦联至冷液入口（２２）、热液入口（２３）以及液体出口（２４）。使用泵（３８）将液体从冷液源（２９）沿着冷液路径（２８）泵送至冷液入口（２２），或者经由对液体进行加热的热液源（３１）将液体沿着热液路径（３０）泵送至热液入口（２３）。温度传感器（３４）测量热支架（２１）的温度，处理器（２７）控制所述泵以及位于入口和出口的阀门（２６）和位于泵（３８）的任一侧的阀门（４１－４４），从而控制是否向热支架供给热液体或冷液体以及以何种流速供给，以获得热块（２１）的正确温度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于对化学和/或生化反应进行热控制的方法和系统，所述化学 和生化反应例如是但不限于聚合酶链式反应(PCR)。
技术介绍
实施的许多化学和生化反应都需要高度精确控制的温度变化。经常，这些反应可 能需要经历若干或者甚至许多的变化温度的周期，从而产生所需的效果。需要相对较多次数的高度精确控制的温度变化周期的反应的特定实例存在于核 酸扩增技术中，特别是存在于聚合酶链式反应(PCR)中。DNA借助聚合酶链式反应(PCR)的 扩增对于分子生物学而言是重要的技术。PCR是广泛使用的并且有效的用于检测样品中是 否存在特定核酸的技术，甚至是在目标核酸的相对量非常低的情况下。因此，PCR在多种领 域都是有用的，这些领域包括诊断、检测以及科研。借助PCR的核酸分析需要进行样品制备、扩增以及产物分析。虽然这些步骤通常 都是依顺序进行，但是扩增和分析可以同时进行。在进行PCR的过程中，借助对步骤循环的一系列重复来扩增特定的目标核酸，在 所述步骤循环中，使存在于反应混合物中的核酸在相对较高温度例如95°C下变性(变性)， 然后将反应混合物冷却至一定温度，例如^°C，在该温度，短寡核苷酸引物与单链目标核酸 结合(退火)。之后，例如在72°C，使用聚合酶延伸引物(延伸)，使得原始核酸序列已经被 复制。变性、退火和延伸的重复的循环导致存在于样品中的目标核酸的数量呈指数增长。例如，通过仅仅在变性和退火温度之间循环，或者，通过改变不同循环中的一个或 多个温度，这种热特性(thermal profile)的变化是可行的。可以在扩增之前将DNA染料或者荧光探针加入到PCR混合物中，并且使用DNA染 料或者荧光探针来分析扩增期间PCR的进展情况。这些动态测量使得能够对原始样品中存 在的核酸的数量进行定量。在每个PCR循环中的荧光监测初始时包括使用增补染料例如溴化乙锭(ethidium bromide)形式的荧光团，当增补染料在双链核酸分子中发生增补时，与其在溶液中的游离 情况相比，增补染料的荧光发生变化。这些染料还可以用于产生熔点曲线，因为监测当将双 链核酸加热至使其变性的温度时增补染料所产生的荧光信号使得能够确定熔化温度。当然，在多种其他类型的反应中使用了来自染料或探针的可见信号，并且可以以 多种方式使用对这些信号的检测结果。特别地，可见信号可以用于检测反应是否发生，可 以表明在测试样品中是否存在特定的试剂，或者提供有关特定反应的进展或者动力学的信 肩、ο许多这种化学或生化反应在以下装置中进行，所述装置具有若干个有时是许多个 呈阵列布置的储槽。为了不发生这些反应，这些储槽经常由聚丙烯形成并且具有位于孔板 中的孔的阵列的形式。这些孔插入可以热控的金属块中，使得能够借助穿过孔壁的导热系 数来对孔进行热控制。已经知道了提供所需的热控的多种方法。一个最常用的方法是使用5珀尔帖模块(Peltier module)，这种珀尔帖模块可以用于提供加热或冷却(取决于流经模 块的电流的方向)。虽然珀尔帖模块是公知的并且在本文中不再予以详细描述，但是应当注 意，珀尔帖模块基本上由顺序安装的半导体组成，这些半导体形成p-n结和n-p结。每个结 都与辐射体具有热触点。当接通具有一个极性的电流时，在辐射体之间产生温差辐射体中 的一个升温并且用作散热器，辐射体中的另一个降温并且用作制冷器。但是，首先由于珀尔帖模块不是为精确的、重复性的热循环而设计的，因此当用于 这种热循环时，珀尔帖模块提供多个缺点。第一，由于珀尔帖模块本身是导热性的，因此会 通过设备损失电力。第二，电流倒向导致掺杂剂发生迁移通过半导体结，这种迁移是不对称 的，因此半导体结事实上会随着时间丧失其作为不同半导体之间的结的功能。而且，重复的 温度变化导致重复的膨胀和收缩循环，在珀尔帖模块中，这些循环本质上是不对称的。由于 珀尔帖模块与保持这些孔的金属块热接触并且其本身经常由以不同速率膨胀/收缩的不 同金属制成，因此出现了力学问题。通过在高压下以机械方式夹紧珀尔帖模块，减轻了这些 力学问题，但是力学问题仍然存在。最后，由于珀尔帖模块的操作特性，在珀尔帖模块的表 面上形成热点和冷点，这需要大的铜或银散热器来分摊热量，这又导致了更多的力学问题。作为珀尔帖模块的替代物，已经在“BioTechniques”的1990年第8卷第2期第 150-153 页、作者为 Pudur Jagadeeswaran、Kavala Jayantha Rao 禾口 Zi-Qiang Zhou、名 禾尔为A Simple and Easy-to-Assemble Device for Polymerase Chain Reaction，，的文 章(BioTechniques at pages 150-153 in Vol. 8, No.2 (1990)by Pudur Jagadeeswaran, Kavala Jayantha Rao and Zi-Qiang Zhou in a paper entitled A Simple and Easy-to-Assemble Device for Polymerase Chain Reaction”)中提出使用设置在处于三 个所需温度下的三个不同储槽中的水。使用泵将处于所需温度的水/将来自合适储槽的水 泵送到位于PCR设备周围的水套中，从而将该设备加热/冷却到该温度。但是，这种系统受 到储槽数目的限制并且无法实现快速的温度循环。从发表在“Nucleic Acids Research”的 1988 年第 16 卷第 7 期第 3105-3106 页、作者为 Franco Rollo、Augusto Amici 和 Roberto Salvi、名禾尔为A simple and low cost DNA amplifier，，( A simple and low cost DNA amplifier by Franco Rollo, Augusto Amici and Roberto Salvi published in Nucleic Acids Research, Volume 16 number 7 1988 at pages 3105-3106)的文章中已 知另一种基于水的温度控制系统。这种系统使用处于合适温度的两个储槽，但是，同样，设 备的温度被限制到储槽中的水的温度。相似的系统还描述于由Hyung-Suk Kim和Oliver Smithies 发表在 “Nucleic Acids Research” 的 1988 年第 16 卷第 18 期第 8887-8903 页、Recombinant fragment assay for gene targeting based on the polymerase chain reaction，， ( Recombinant fragment assay for gene targeting based on the polymerase chain reaction published in Nucleic Acids Research, Volume 16 number 18 1988 at pages 88本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于直接或间接地控制至少一个反应容器和／或其内容物的温度的热控系统，在所述反应容器中可以发生化学和／或生化反应，所述温度被控制在至少最高预定温度和最低预定温度之间，所述系统包括：用于容纳所述一个或多个反应容器的热支架；用于感测一个或多个热支架、一个或多个反应容器和／或其内容物的温度的一个或多个热传感器；其内具有液体的热液路径，所述热液路径在所述热支架和用于将液体加热至至少与最高预定温度一样高的温度的加热元件之间延伸；其内具有液体的冷液路径，所述冷液路径在所述热支架和用于将液体冷却至至少与最低预定温度一样低的温度的冷却元件之间延伸；用于使所述热液路径和所述冷液路径中的液体在所述热支架和各自的加热元件和冷却元件之间流动的装置；以及，控制器，所述控制器与一个或多个热传感器耦联，用于根据所感测的温度来控制所述热液路径和所述冷液路径中的液体流入和流出所述热支架和各自的加热元件和冷却元件，使得所述一个或多个反应容器和／或其内容物的温度达到所需温度或者在所需温度保持所需时间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2008-4-4 61/042,6721.一种用于直接或间接地控制至少一个反应容器和/或其内容物的温度的热控系统， 在所述反应容器中可以发生化学和/或生化反应，所述温度被控制在至少最高预定温度和 最低预定温度之间，所述系统包括用于容纳所述一个或多个反应容器的热支架；用于感 测一个或多个热支架、一个或多个反应容器和/或其内容物的温度的一个或多个热传感 器；其内具有液体的热液路径，所述热液路径在所述热支架和用于将液体加热至至少与最 高预定温度一样高的温度的加热元件之间延伸；其内具有液体的冷液路径，所述冷液路径 在所述热支架和用于将液体冷却至至少与最低预定温度一样低的温度的冷却元件之间延 伸；用于使所述热液路径和所述冷液路径中的液体在所述热支架和各自的加热元件和冷却 元件之间流动的装置；以及，控制器，所述控制器与一个或多个热传感器耦联，用于根据所 感测的温度来控制所述热液路径和所述冷液路径中的液体流入和流出所述热支架和各自 的加热元件和冷却元件，使得所述一个或多个反应容器和/或其内容物的温度达到所需温 度或者在所需温度保持所需时间。2.根据权利要求1所述的热控系统，其中，所述加热元件包括热源。3.根据权利要求1或2所述的热控系统，其中，所述加热元件包括热压载。4.根据上述权利要求中任一项所述的热控系统，其中，所述冷却元件包括冷源。5.根据上述权利要求中任一项所述的热控系统，其中，所述冷却元件包括冷压载。6.根据上述权利要求中任一项所述的热控系统，其中，所述热支架包括导热材料。7.根据上述权利要求中任一项所述的热控系统，其中，所述的用于使所述热液路径和 所述冷液路径中的液体流动的装置包括至少一个泵。8.根据上述权利要求中任一项所述的热控系统，其中，所述反应容器形成多个反应容 器的阵列的一部分。9.根据上述权利要求中任一项所述的热控系统，其中，所述热液路径包括闭合的液体 路径，所述液体路径布置成穿过或者邻近所述加热元件，使得其中的液体被加热至至少与 最高预定温度一样高的温度，并且，所述液体路径布置成穿过或者邻近所述热支架，从而使 用热液体对所述热支架进行加热，由此当热液体流经所述热支架时冷却下来。10.根据上述权利要求中任一项所述的热控系统，其中，所述冷液路径包括闭合的液体 路径，所述液体路径布置成穿过或者邻近所述冷却元件，使得其中的液体被冷却至至少与 最低预定温度一样低的温度，并且，所述液体路径布置成穿过或者邻近所述热支架，从而使 用冷液体对所述热支架进行冷却，由此当冷液体流经所述热支架时温度升高。11.根据上述权利要求中任一项所述的热控系统，其中，所述热液路径和所述冷液路径 是穿过至少一部分所述热支架或者邻近至少一部分所述热支架的同一路径。12.根据上述权利要求中任一项所述的热控系统，其中，所述热液路径和所述冷液路径 是穿过至少一部分所述热支架或者邻近至少一部分所述热支架的单独路径。13.根据上述权利要求中任一项所述的热控系统，其中，所述控制器通过控制所述热 液路径和所述冷液路径中的液体向所述热支架的流动来控制所述一个或多个反应容器和/ 或其内容物的温度。14.根据权利要求13所述的热控系统，其中，所述控制器通过改变所述热液路径和所 述冷液路径中的液体的流速来控制所述一个或多个反应容器和/或其内容物的温度。15.根据权利要求13所述的热控系统，其中，所述控制器通过阻止和启动所述热液路径和所述冷液路径中的液体的流动来控制所述一个或多个反应容器和/或其内容物的温度。16.根据上述权利要求中任一项所述的热控系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯理查德豪厄尔，本杰明马斯特曼韦伯斯特，
申请(专利权)人：ITIS国际有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]