CN101194021A - 低质量的热循环均温块 - Google Patents

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Abstract

提供了用于快速热循环的装置和方法，包括采用金属注模方式(MIM)制造的热均温块。通过包括MIM热均温块、与之热偶联的热电模块、与该热电模块热偶联的散热片以及与该热均温块热偶联的电阻加热器，可更快速地热循环生物产品。

Description

低质量的热循环均温块
领域
本公开涉及生物样品的热循环。更具体而言，本发明涉及低质量的热循环均温块。
前言
在生物学领域，可采用热循环来为反应容器中的反应物提供加热和冷却。生物样品的反应例子包括聚合酶链式反应(PCR)和其它反应，例如连接酶链式反应、抗体结合反应、寡核苷酸连接试验以及杂交试验。在PCR中，可通过温度—时间方案来热循环生物样品，该方案包括将DNA解链成单链、将引物退火到该单链、和延伸这些引物以制得新的双链DNA拷贝。在热循环期间，需要迅速和均匀地加热和冷却热均温块(thermal block)。本发明提供低质量的热循环均温块。现有的均温块是经机械加工的，本发明提供构建用于获得各样品孔之间的快速和均匀温度，以使反应结果能被统一量化的低质量热循环均温块的制造方法。
内容
在各实施方式中，本发明可提供一种用于热循环生物样品的装置，该装置包括用于接收生物样品的热均温块，与该热均温块偶联的热电模块，和散热片，其中所述散热片与所述热电模块偶联，其中该热均温块由MIM方式制成。
在各实施方式中，本发明可提供一种热循环生物样品的方法，该方法包括提供一热均温块，其中该热均温块由MIM方式制成；加热该热均温块；和冷却该热均温块；其中，所述加热和冷却为包含于多个样品孔中的多个生物样品都提供基本上均匀的温度。
在各实施方式中，本发明可提供一种热循环生物样品的装置，该装置包括接收生物样品的部件、加热生物样品的部件、和冷却生物样品的部件，其中该加热和冷却为包含于多个样品孔中的全部多个生物样品提供基本上均匀的温度，其中该接收生物样品的装置由MIM生产。
应理解，前述一般性描述和下文各实施方式的描述都仅仅是示例性的和解释性的，而非限制性的。
附图简述
纳入本说明书并作为本说明书一部分的附图解释了各实施方式。附图中：
图1阐述了经机械加工的热循环均温块；
图2A-2B阐述了本发明的低质量热循环均温块；和
图3阐述了本发明的低质量热循环均温块。
各实施方式的描述
在本申请中，除非另有说明，否则单数形式也包括复数形式。在本申请中，除非另有说明，否则“或”指“和/或”。此外，术语“包括”以及其它形式如“包含”等是开放式的。此外，除非另有说明，否则术语如“元件”或“组件”包括含有一个单元的元件和组件，以及含有一个以上亚单元的元件和组件。在附图中，尽可能地用同一标号代表相同或类似的部件。
本文各部分的标题仅仅是为了编写上的方便，不应将其视为对本发明主题的限制。不论出于何目的，本申请所引用的所有文献(包括但不限于专利、专利申请、文章、书籍、和论文)都被清楚地全文纳入作为参考。
在各实施方式中，热循环生物样品的装置为热均温块提供了泵入热量(heat-pumping into)和泵出热量(heat-pumping out)、电阻加热、和扩散性冷却。本文使用的术语“热循环”或该术语的语法上的变化形式指加热、冷却、温度升高和/或温度降低。当将热均温块组件加热到环境温度(20℃)之上时，温度升高期间的热循环可包括：相对于热量从该热均温块组件扩散，电阻加热该热均温块组件、和/或通过热电模块向该热均温块泵入热量。当将该热均温块组件冷却到环境温度(20℃)以上时，温度下降期间的热循环可包括：相对于电阻加热的通过热电模块从该热均温块组件泵出热量和热量从该热均温块组件的扩散。
如图1所示，已从固体金属块机械加工得到热均温块，或者已通过将几片金属偶联在一起而形成热均温块。从机械加工的均温块10可以看出，井孔20形成了可含有用于热循环的样品的井的凹进处。质量减少的孔30从该均温块中除去了质量，从而减少了均温块10的热质量。边40被机械加工，以减少均温块侧面方向上的质量。不进行机械加工而形成热均温块是有利的。
在各实施方式中，金属注模(MIM)可提供一种制造金属部件的方法。MIM可将塑性注模的设计自由与金属的性能结合起来。MIM可用于金属如铝、铜、钨及其合金。
在各实施方式中，MIM可包括原料混合，其中各种小的粉末与热塑性聚合物(已知作为粘合剂)混合，形成各成份的精确混合物，该混合物呈颗粒状，并被直接加到塑性铸造机器中。这种颗粒状的粉末-聚合物被称为原料。混合金属粉末和粘合剂，在混合器中加热，冷却形成颗粒状的原料。MIM还可包括注模，其中，该原料被加热以熔化该塑料，然后加压将其压入模型中，形成所需的几何形状。成型的部分被称为“生材”部分。MIM还可包括去粘合(de-binding)，其中通过将该“生材”部分加热到400℃或752华氏温度，而将该聚合物或粘合剂热去除。虽然维持了其形状和大小，但是该去粘合的或“褐色”部分是一种粉末骨架，它很脆，且是多孔的。去粘合在烤箱中进行，在烤箱中热量和空气流流入而废气产物被排出。烤箱将“生材”部分转化成“褐色”部分，MIM还可以包括烧结，其中“褐色”部分被加热到1200℃或2192华氏温度以上，使粉末致密化和收缩成致密的消除了孔的固体。在烤箱中进行烧结，其中，其中流入热量、氢气和氩气。通常，烧结密度与浇铸理论上约98％相似。最终的结果是成型的热部件。
在各实施方式中，MIM可提供100毫米×100毫米大小的部件。典型的9-孔热均温块的尺寸较大。但是，可采用MIM将几块均温块部分构建在一起，以提供如欧洲专利号1216098所述的96-孔或384-孔的自消耗(consumable)热循环。
以下将描述各实施方式，这些实施方式的例子在附图中阐述。附图和说明书中使用的标号尽可能指向相同或类似的部件。
在各实施例中，如图2A和2B所示，热均温块100可提供低的热质量、与环绕样品孔的各部分的最少连接点、以及将环绕样品孔的部分的壁厚度减到最小。如图3所示，热均温块100可提供不同的构型，用于容纳反应体积为5.0微升到100微升的样品孔。在各实施方式中，样品均温块材料可以是铜、铝或银。下表1显示上述热均温块之间的比较，表明不同材料每秒温度斜率(℃)之间的差异。
表1
热均温块材料 图1 图2A和2B 图3
铜 5.53  9.3  8.43
铝 7.71  12.91  11.82
银 7.81  13.14  11.94
在各实施方式中，图2和3阐述的热均温块可采用MIM制造。图2-3所示的的热均温块可用于热循环生物样品的装置中。这些热均温块可适合用于接收生物样品。可将热电模块与该热均温块偶联，下面存在散热片，以实现从热均温块泵出的热的辐射。在个实施方式中，热均温块可包括几块均温块部分(如图2-3所述)，具有例如两排样品孔。在各实施方式中，热均温块可包括铜、银、铝和/或金。理想的是，热均温块为包含于与该均温块偶联的样品孔阵列中进行热循环的整个生物样品阵列提供基本上均匀的温度。
在各实施方式中，热循环生物样品的装置还可包括置于热均温块外围周围和/或用来接收样品孔的孔外围周围的电阻加热器，这样该热均温块通过分配该电阻加热器提供的热量，而为样品孔中的生物样品提供基本上均匀的温度。在各实施方式中，在加热周期中，可使用热电模块来给热均温块提供偏压加热；以及可使用该热电模块从热均温块中泵出热量而将其除去。
在各实施方式中，本发明通过提供采用MIM方法制造的热均温块、这样该热均温块的加热和冷却为包含于多个样品孔中的全部多个生物样品提供基本上均匀的温度，从而提供了热循环生物样品的方法。通过电阻加热器进行加热。在各实施方式中，通过用热电模块泵出热量而提供冷却，该热电模块也可用于提供加热周期中的偏压加热。在各实施方式中，在冷却周期中可通过旋转均温块从而将热量从该均温块中对流散失到环境中而实现冷却。例如，热均温块可以成盘状，提供同心的孔来接收样品孔。该盘可以沿着中轴旋转，在热均温块上产生对流环流。或者，可将任意形状的热均温块沿着经另一热均温块平衡的轴旋转，以通过类似于离心的对流环流。在各实施方式中，通过提供加压气体如空气或氮气与热均温块接触而实现冷却。加压气体可具有环境温度，或者可冷却到环境温度以下。
在各实施方式中，MIM可提供这样的热均温块，该热均温块不能通过从固体金属块机械加工热均温块来生产，这是因为MIM热均温块的厚度不能被均匀加工、使多个样品孔中的每一个都被具有类似厚度的热均温块的部分所包围。例如，MIM可提供用于接触样品孔的圆形表面和具有平整底部的圆形外表面，如图2A和2B所示。或者，MIM可提供一个以上外表面以提供刚性，而同时除去除圆形表面之外的内部物质，用于与样品孔接触，如图3所示。此外，与机械加工相比，MIM能更快地和更均一地提供多个热均温块部分。
在各实施方式中，MIM可提供其温度均匀性足以避免使用电阻边缘加热而进行使用热电模块来加热和冷却的热均温块。这种性能的例子在下述实施例中描述。
实施例
以下列出测试热均温块的条件。均温块材料：具有热衬垫的铜均温块，没有电阻边缘加热器，热散热片中没有铜嵌入，TEC固定电流+4.5A和-5.5A，样品体积10μL，相邻测试条带温度相差25℃，被加热的罩温度为105℃，空的自耗盘子，被加热的罩压力为6kg载重量。第一个和第二个测试由6个测试条带组成。第一个测试的结果提供了平均3.68℃/秒的峰值整体加热率(peak bulk heat rate)  (标准偏差为0.0753)、-4.97℃/秒的峰值整体冷却率(peak bulk cool rate)  (标准偏差为0.1633)和2.79℃/秒的有效斜率(标准偏差为0.0354)，这些数值为6个测试条带的平均值。第二个测试的结果提供了平均3.60℃/秒的峰值整体加热率(标准偏差为0.0632)、-4.88℃/秒的峰值整体冷却率(标准偏差为0.0.0753)和2.76℃/秒的有效斜率(标准偏差为0.0242)，这些数值为6个测试条带的平均值。第一个测试为10μL的体积提供了不均匀的温度，温度在10秒钟的时间中升高了0.401-0.724℃。第二个测试为10μL的体积提供了不均匀的温度，温度在10秒钟的时间中升高了0.364-0.776℃。第一个测试为10μL的体积提供了不均匀的温度，温度在10秒钟的时间中降低了0.132-0.306℃。第二个测试为10μL的体积提供了不均匀的温度，温度在10秒钟的时间中降低了0.112-0.278℃。第一个测试为50μL的体积提供了不均匀的温度，温度在10秒钟的时间中升高了0.221-0.603℃。第二个测试为50μL的体积提供了不均匀的温度，温度在10秒钟的时间中升高了0.172-0.396℃。第一个测试为50μL的体积提供了不均匀的温度，温度在10秒钟的时间中降低了0.177-0.727℃。第二个测试为50μL的体积提供了不均匀的温度，温度在10秒钟的时间中降低了0.197-0.386℃。
出于本说明书和附带的权利要求书的目的，除非另有说明，否则所有表示数量、百分比或比值的数值以及说明书和权利要求书中使用的其他数值都应理解为在所有情况下都被“约”修饰。因此，除非另有说明，本说明书和附带的权利要求书中的数值性参数都是近似值，可根据本发明希望获得的性质而改变。最低限度上，且也不意图限制权利要求的范围的等同原则的应用，各数值性参数应至少根据报道的有效数字的数量并采用常规的圆整技术来解释。
尽管描述本发明的宽范围的数字范围和参数是近似值，但是具体实施例中给出的数值是尽可能地精确的。但是，任何数值固有地含有某些必然产生自它们各自测量值范围内的标准偏差的误差。此外，本文在此公开的所有范围应理解为包括该范围所包含的任何和所有的子域。例如，“低于10”的范围包括最小值0和最大值10(包括本数)之间的任何和所有子域，即，任何和所有大于等于0和小于等于10的子域，如1-5。
应注意，本说明书和附带的权利要求书中使用的单数形式“一”、“一个”、“该”包括复数形式，除非清楚、明确地限制为单数形式。因此，例如，“一个热电模块”包括两个或多个热电模块。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可对上述各实施方式作出各种修改和变动，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，本文所述的各实施方式也包括在附带权利要求的范围之内的其它修改和变动以及它们的等价形式。

Claims (20)

1.一种热循环生物样品的装置，该装置包括：
接收生物样品的热均温块；
与该热均温块热偶联的热电模块；
散热片，其中，该散热片与该热电模块热偶联；
其中，该热均温块由MIM制造。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热均温块包括几个均温块部分。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热均温块包括铜、银、铝和金中的至少一种。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热均温块用于为包含于样品孔阵列中的整个生物样品阵列提供基本上均匀的温度。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括电阻加热器，其中该热均温块通过分配该电阻加热器提供的热量而提供基本上均匀的温度。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述热均温块通过分配该热电模块提供的热量而提供基本上均匀的温度。
7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述热均温块通过除去该热电模块泵出的热量而提供基本上均匀的温度。
8.一种热循环生物样品的方法，该方法包括：
提供热均温块，其中该热均温块由MIM方法制造；
加热该均温块；和
冷却该均温块；
其中，所述加热和冷却为包含于多个样品孔中的全部多个生物样品提供基本上均匀的温度。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述加热包括从电阻加热器提供热量。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述冷却包括用热电模块泵出热量。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述加热还包括由热电模块提供热量。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述冷却包括旋转该均温块，以将热量对流扩散到环境中。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述冷却包括提供加压气体，并使该加压气体与该热均温块接触。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将该加压气体冷却至环境温度以下。
15.一种热循环生物样品的装置，其特征在于，该装置包括：
接收生物样品的部件；
加热生物样品的部件；和
冷却生物样品的部件；
其中，所述加热和冷却为包含于多个样品孔中的全部多个生物样品提供基本上均匀的温度；
其中所述接收生物样品的部件由MIM制造。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述接收生物样品的部件是由MIM方式制成的热均温块，该热均温块不能通过机械加工由固体金属块来制成。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述热均温块具有一厚度，该厚度不能被均匀地机械加工，这样使得多个样品孔中的每一个都被具有类似厚度的热均温块部分所包围。
18.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述MIM提供用于接触样品孔的圆形表面和具有平整底部的圆形外表面。
19.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述MIM提供一个以上外表面以提供刚性，和除去除圆形表面之外的内部物质，用于与样品孔接触。
20.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述MIM提供接收生物样品的部件的部分。
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