CN102046291B - 用于化学和生化反应的热控系统和方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

用于化学和生化反应的热控系统和方法

技术领域

本发明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)。

背景技术

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℃下变性(变性)，然后将反应混合物冷却至一定温度，例如55℃，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℃，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息。

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珀尔帖模块(Peltiermodule)，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和Zi-Qiang Zhou、名称为“A Simple and Easy-to-Assemble Device for PolymeraseChain 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 paperentitled″A Simple and Easy-to-Assemble Device for Polymerase ChainReaction”)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、名称为“A simple and low cost DNA amplifier”(″A simpleand low cost DNA amplifier″by Franco RoIIo，Augusto Amici and Roberto Salvipublished 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 AcidsResearch”的1988年第16卷第18期第8887-8903页、名称为“Recombinantfragment assay for gene targeting based on the polymerase chain reaction”(″Recombinant fragment assay for gene targeting based on the polymerasechain reaction″published in Nucleic Acids Research，Volume 16 number 181988 at pages 8887-8903)的文章中。但是，对于这种系统，温度范围扩大到三个温度，这是通过将来自两个储槽的水适当地混合而实现的。

但是，很明显，上述已知系统具有许多缺点，本发明的多个方面意图分别地或者组合地克服或者至少减轻这些缺点中的至少一部分。

发明内容

因此，在本发明的第一方面，提供一种用于控制至少一个反应容器的温度的热控系统，在所述反应容器中可以发生化学和/或生化反应，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：用于容纳反应容器阵列的热支架(thermal mount)；用于感测一个或多个热支架、一个或多个反应容器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；用于使热液路径和冷液路径中的液体在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热液路径和冷液路径中的液体流入和流出热支架和各自的加热元件和冷却元件，使得一个或多个反应容器的温度达到所需温度或者在所需温度保持所需时间。

在一个实施方式中，加热元件包括热源。择一地或者额外地，加热元件包括热压载(hot thermal ballast)。

相似地，在一个实施方式中，冷却元件包括冷却源。择一地或者额外地，冷却元件包括冷压载(cold thermal ballast)。

热支架可以包括导热材料。

在优选的实施方式中，用于使热液路径和冷液路径中的液体流动的装置包括至少一个泵。

更优选地，其中，一个或多个反应容器形成多个反应容器的阵列的一部分。

热液路径可以包括闭合的液体路径，所述液体路径布置成穿过或者邻近加热元件，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热支架，从而使用热液体对热支架进行加热，由此当热液体流经热支架时冷却下来。

相似地，冷液路径可以包括闭合的液体路径，所述液体路径布置成穿过或者邻近冷却元件，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热支架，从而使用冷液体对热支架进行冷却，由此当冷液体流经热支架时升温。

优选地，热液路径和冷液路径是穿过或者邻近至少一部分热支架的同一路径。择一地或者额外地，热液路径和冷液路径是穿过或者邻近至少一部分热支架的单独路径。

优选地，控制器通过控制热液路径和冷液路径中的液体向热支架的流动来控制热支架的温度。在优选的实施方式中，控制器通过改变热液路径和冷液路径中的液体的流速来控制一个或多个反应容器的温度。控制器能够通过阻止和启动热液路径和冷液路径中的液体的流动来控制一个或多个反应容器的温度。

更优选地，其中，热液路径和/或冷液路径包括位于热支架和/或各自的加热元件和冷却元件中的多个子路径。

根据第二方面，本发明提供一种用于控制安装在热块(thermal block)上的至少一个反应容器的温度的方法，化学和/或生化反应可以在所述反应容器中发生，温度被控制在至少最高预定温度和最低预定温度之间，所述方法包括：感测热块、一个或多个反应容器和/或其内容物的温度；以及，根据所感测的一个或多个反应容器的温度，选择性地将冷液体沿着冷液路径泵送至热块的冷液入口和/或将热液体沿着热液路径泵送至热块的热液入口，所述热液路径在热块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；所述冷液路径在热块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，使得热块的温度达到所需温度或者在所需温度保持所需时间。

优选地，一个或多个反应容器形成多个反应容器的阵列的一部分。

在一个实施方式中，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热块，从而使用热液体对热块进行加热，由此当热液体流经热块时冷却下来。

优选地，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热块，从而使用冷液体对热块进行冷却，由此当冷液体流经热块时升温。

热液路径和冷液路径可以是穿过或者邻近至少一部分热块的同一路径，或者，热液路径和冷液路径是穿过或者邻近至少一部分热块的单独路径。

在优选的实施方式中，控制器通过控制热液路径和冷液路径中的液体向反应容器的流动来控制一个或多个反应容器的温度。可以通过改变热液路径和冷液路径中的液体的流速和/或通过阻止和启动热液路径和冷液路径中的液体的流动来控制反应容器的温度。

优选地，热液路径和/或冷液路径包括位于热块和/或各自的加热元件和冷却元件中的多个子路径。

反应可以是聚合酶链式反应或者其他类型的化学反应，例如，连接酶链式反应(Ligase Chain Reaction)、基于核酸序列的扩增(Nucleic AcidSequence-Based Amplification)、滚环扩增(Rolling Circle Amplification)、链置换扩增(Strand Displacement Amplification)、解链酶扩增(HelicaseDependent Amplification)，或者转录介导扩增(Transcription MediatedAmplification)。

附图说明

下面将借助实施例并结合附图更加充分地描述引入本发明的各个方面中的系统的实施方式，其中：

图1示出本领域已知的常规PCR系统的示意图；

图2示出根据本发明的一个实施方式的热控系统的示意图；

图3示出根据本发明的第二实施方式的热控系统的示意图；

图4a示出根据本发明的第三实施方式的热控系统特别是加热元件的第一示意性侧视图；

图4b示出根据本发明的第三实施方式的热控系统特别是冷却元件的第二示意性侧视图；

图5a示出本发明的第三实施方式的第一示意性平面图；

图5b示出本发明的第三实施方式的第二示意性平面图；以及

图6示出根据本发明的第三实施方式的热控系统特别是孔的位置的另一示意图。

具体实施方式

因此，如图1所示，常规的PCR系统1包括容器3的阵列2。阵列2定位在热支架4中，热支架4位于已知类型的加热器/制冷器5例如珀尔帖模块上。已知的，珀尔帖模块可以用来加热或冷却，珀尔帖模块位于散热器6上，从而根据需要储存热能。散热器6上设置有风扇7，风扇7安装在风扇支架8上，风扇支架8位于散热器6的底面上，从而根据需要促进散热。

热支架4由具有良好导热性的材料通常是金属例如铜制成，并且其上设置有凹陷或孔，容器3装配到这些凹陷或孔中，使得能够通过控制热支架4的温度来控制容器3中的温度。常规上，容器由聚丙烯制成。阵列2的每个容器3都形成大体上圆锥形状并且都具有限定孔穴11的周边的上边缘9，孔穴11提供通向容器3的通道。阵列2由相对较薄的膜10覆盖，膜10相对于容器3的上边缘9密封，以保持试剂和反应产物处于每个容器3内。由于容器3中的反应过程中可能会产生非常高的压力，因此将膜10在容器3的边缘9和上夹持构件12之间夹紧，从而减小膜10在高压下与边缘9分离并且允许试剂和/或反应产物溢出和/或混合的几率。为了在反应进行过程中能够检查容器内部，膜10由透明的或半透明的材料制成并且在夹持构件12上设置有孔穴13，孔穴13与容器3的孔穴11对准，从而提供通向每个容器3的内部的目测通道。

图2示出根据本发明的用于反应系统的热控系统20的第一实施方式。如本文所示的，在形成反应系统的热支架的热块21上设置有两个液体入口22、23和一个液体出口24。在热块21上设置有合适的用于容纳容器的孔，化学和/或生化反应例如PCR可以在容器中进行。但是，为了清楚起见没有示出这些孔。热块21上设置有从两个入口22、23通往出口24的液体路径25。液体路径25可以具有任何长度和构型，理想地，其能够对整个热块21提供基本上均衡的热控制。在这一实施方式中，如图所示，两个入口耦联至穿过热块21的同一液体路径25。

在每一个入口和出口处均设置可控阀门26，可控阀门26耦联至处理器27，处理器27控制阀门26。第一液体入口22耦联至冷液路径28，冷液路径28延伸至冷液源29。第二液体入口23耦联至热液路径30，冷液路径30延伸至热液源31，并且液体出口24耦联至液体输出路径32，液体输出路径32延伸至冷液源29。设置温度传感器33用于测量热块21的温度，来自温度传感器33的输出结果耦联至处理器27。还在入口和出口处设置入口和出口流量传感器34、35，用于测量液体的流速。流量传感器的输出也耦联至处理器27。

冷液源29可以包括冷却元件和/或热量压载(thermal ballast)，冷却元件和/或热量压载的温度低于热块21所需的最低温度。热液源31可以包括加热元件和/或热量压载，加热元件和/或热量压载的温度高于热块21所需的最高温度。对于PCR系统，不需要冷却至环境温度以下，因此冷液源可以处于环境温度。因此，对于这种情况，冷液源是处于环境温度或者接近环境温度的水箱36(在该实例中，保持在30℃)。另一方面，如上所述，PCR所需的最高温度是95℃，因此保持热液源高于该温度，在该实例中，热液源保持在98℃并且包括容纳沸腾的或者接近沸腾的水的水箱37。因此，应当理解，虽然本文中使用了术语冷却和加热，但是这些术语是相对于热块所需的最高温度和最低温度而言的并且不应理解为需要相对于环境温度加热或冷却液体。

冷液路径28接收来自冷液箱36的液体并且将其输送至冷液入口22。热液路径30接收来自冷液箱36的液体并且输送所述液体使其流经热水箱37中的加热路径，由此所述液体被加热至98℃，然后，所述液体被输送至热液入口23。使用正排量泵(positive displacement pump)38泵送液体使其流经热液路径28或冷液路径30。泵38在处理器27的控制下泵送液体使其沿任意方向流经泵38，泵38借助T型接头(T-junction)39、40分别连接至热液路径和冷液路径，T型接头39、40同样在处理器27的控制下借助阀门41、42、43、44耦联至热液路径28和冷液路径30。由此，当需要降低热块21的温度时，打开阀门41和44并且关闭阀门42和43，并且泵38泵送液体沿着冷液路径从冷液箱36经过泵38进入冷液入口22。当然，为了防止冷液从这一路径中溢出，可以打开冷液入口22上的阀门26并且关闭热液入口23上的阀门26。相似地，当需要升高热块21的温度时，关闭阀门41和44并且打开阀门42和43，并且泵38泵送液体沿着热液路径从冷液箱36经过泵38，沿着热液路径经过热水箱37进入热液入口23。当然，在这种情况下，可以关闭冷液入口22上的阀门26并且打开热液入口23上的阀门26。

温度传感器33测量热块21的温度并且向处理器27提供该温度。使用所需的温度为处理器27编程，处理器27根据是否需要降低或升高温度来调节阀门，从而向热块提供冷液体或热液体。但是，通过调节流入热块的液体的流速、通过调节入口上的阀门25以及调节泵38的泵送速率，能够借助处理器获得对温度的精密控制。借助流量传感器34、35测量流速，流量传感器34、35的输出也被传送至处理器27，由此，处理器27能够确保输出流速与输入流速是一致的。以此方式，例如，虽然可能还没有达到所需温度，但是可以减小流速，使得热块的温度恰好达到所需温度，而不是超过所需温度然后又需要降温。或者，如果需要加快温度变化，则可以使流速增加到最大，然后通过改变液体的流速，使其处于较低流速，可以使温度缓慢地回到所需温度。因此，可以看出，以此方式，可以对热块的温度给予更为灵活的控制。

图3显示了与图2相似的温度控制系统的第二实施方式，其中，相似的元件具有相似的附图标记。在这种情况下，在整个系统中，加热路径和冷却路径保持独立。冷液路径28在热块21内分为多个冷却路径45，这些冷却路径45在单个出口46又汇聚在一起，相似地，热液路径30在热块21内分为多个加热路径47，这些加热路径47在单个出口48又汇聚在一起。虽然在图3中是单独示出的，但是，很明显，冷却路径45和加热路径47可以在热块21内互相交叉或者以其他方式互相缠绕(同时保持独立)，使得它们的温度尽可能地均衡。

当然，当冷液体流经热块21时，由于它接收了热能，因此温度升高，使得当其离开热块21时的温度高于其进入热块21时的温度。因此，为了恢复冷液体的温度，冷液路径28穿过冷却元件，例如代替前面的实施方式中的冷水箱36的散热器49。相似地，当热液体流经热块21时，热液体损失了热能，因此在使其返回热块21之前需要再次对其进行加热。相应地，热液路径30穿过热源，热源包括加热元件50，加热元件50被布置成当热液体流经热源时对热液路径中的热液体进行加热。虽然散热器49和加热元件50可以是分开的并且是独立的，但是，可以看出，如果合适，应当将它们布置成使用从冷液体获得的热能来加热热液体，如果需要例如可以使用帕尔贴元件。

图4至图6示出根据本发明的热控系统100的第三实施方式。在这个第三实施方式中，热液路径和冷液路径相互分开，与图2所示的实施方式一样。特别地，热支架101借助绝缘器件102与热压载103和冷压载104分开，第一热液路径H1和第一冷液路径C1从各自的热压载103和冷压载104穿过绝缘器件102延伸至热支架101。

如图4a中最佳地示出的，设置第一泵110用于泵送热液例如合成油流经第一热液路径H1。第一热液路径H1延伸穿过热压载103并且以正弦曲线的形式穿过热压载103，穿过绝缘器件102延伸至热支架101，然后返回，穿过绝缘器件102延伸至热压载103。

热压载103本身被热液加热，热液也可以是合成油，第二泵109泵送热液，使其沿着第二热液路径H2穿过热压载103，第二热液路径也以正弦曲线形式延伸穿过热压载并且从热压载中出来，延伸到包括加热元件107的加热板(heating block)。

在图4b中，所示的相同特征具有相同的附图标记。如图所示，第一泵113被设置用于泵送冷液体使其流经第一冷液路径C2，冷液体可以是合成油。此时，第一冷液路径C1延伸穿过冷压载104并且以正弦曲线形式穿过冷压载104，穿过绝缘器件102延伸至热支架101，然后返回，穿过绝缘器件102延伸至冷压载104。

如上所述，冷压载104本身被冷液体冷却，冷液体也可以是合成油，第二泵112泵送冷液体，使其沿着第二冷液路径C2穿过冷压载104，第二冷液路径也以正弦曲线形式延伸穿过冷压载并且从冷压载中出来，延伸到包括冷却元件108例如散热器组的冷却板(cooling block)。

因此，如图5a所示，第一冷却路径C1和第一加热路径H1延伸穿过热压载103和冷压载104。可以看出，热压载103和冷压载104由相互交错的指销形成，使得热压载指销和冷压载指销布置成只有非常小的间隔(为了方便没有示出)。这一间隔减小了从热压载到冷压载的热损失。优选地，布置热压载和冷压载的相对面以及间隔空间从而进一步减少热传递。例如，所述相对面可以是未经处理的或者经抛光的金属，从而几乎不发生红外辐射或者红外吸收，所述间隔是小的气隙从而减少通过传导和/或对流而发生的传递。或者，可以在所述间隔中填充绝缘材料。

沿着热压载103和冷压载104的指销的相对面间隔地设置通道105。通道105由位于热压载103和冷压载104的每一侧上的凹槽形成并且限定孔106的位置的中心，反应容器可以装配到孔106中，通道105延伸穿过热压载和冷压载并且穿过绝缘器件102到达热支架101中的每个孔106的底部，并且向下到达热压载和冷压载的底部。由此，通道105可以用于将光学观察设备例如光学纤维从热控系统的底部向上定位到每个孔106的底部，从而观察在每个孔106中的容器中单独进行的反应的进展，同时对反应容器中的物质进行加热和/或冷却。当然，将激发光传送至孔的光学纤维也可以穿过这些通道105。应当理解，如果在位于压载之间的间隔中填充绝缘材料，则也可以以任何合适的方式穿过这些绝缘材料设置通道105。

相似地，图5b示出分别具有热压载103和冷压载104的第二热液路径H2和第二冷液路径C2。还示出各自的冷却泵112和加热泵109。可以看出，这些热液路径H2和冷液路径C2延伸穿过热压载和冷压载的指销。在这幅图中，为了便于观看，以阴影示出冷压载104，但是阴影不指示其他任何含义。同样，该图示出了热压载103和冷压载104的指销在孔位置(该图中未示出)下方相互交错，通道105位于每个孔的位置的中心。还示出了各自的加热元件107和冷却元件108。

图6以虚线106示出孔位置106，孔位于通道105上方并且横跨热压载和冷压载的交错指销的相对面，如前面所解释的。如上所述，阴影显示热压载103和冷压载104的指销在孔位置下方相互交错。

应当理解，虽然仅仅详细地描述了本发明的三个特定实施方式，但是，在不偏离本发明的范围的前提下，本领域技术人员可以对其做出各种变化和改进。例如，很明显，本文中所使用的表述“热传感器”意图涵盖可以用于测量温度的组件的任何组合并且可以包括一个以上的传感器，以某个方式对所述传感器的输出进行分析，从而提供合适的温度读数。

Claims (30)

1.一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，其中，所述热支架包括导热材料，所述热支架的温度通过将热能传递至所述冷液路径中的所述液体/通过从所述热液路径中的所述液体传递热能进行控制，使得所述热支架的温度控制所述至少一个反应容器的温度。

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.根据权利要求1或2所述的热控系统，其中，所述冷却元件包括冷源。

5.根据权利要求1或2所述的热控系统，其中，所述冷却元件包括冷压载。

6.根据权利要求1或2所述的热控系统，其中，所述热支架包括导热材料。

7.根据权利要求1或2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.根据权利要求1或2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.根据权利要求1或2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，从而将热能从热液体传递至所述热支架，由此当热液体流经或者临近所述热支架时失去热能。

10.根据权利要求1或2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，从而将热能从所述热支架传递至冷液体，由此当冷液体流经或者临近所述热支架时获得热能。

11.根据权利要求1或2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.根据权利要求1或2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.根据权利要求1或2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.根据权利要求1或2所述的热控系统，其中，所述反应是聚合酶链式反应。

17.根据权利要求1或2所述的热控系统，其中，所述热液路径和/或所述冷液路径包括位于所述热支架和/或各自的加热元件和冷却元件中的多个子路径。

18.根据权利要求1或2所述的热控系统，其中，所述各自的加热元件和冷却元件包括具有相互交叉的指销的各自的热压载和冷压载，所述热支架定位在所述压载上方，使得当所述一个或多个反应容器定位在所述热支架上时，所述一个或多个反应容器基本上横跨位于两个相互交叉的指销之间的边界。

19.根据权利要求1或2所述的热控系统，其进一步包括通道，所述通道从定位所述一个或多个反应容器的位置延伸穿过所述热支架到达所述热控系统的外部位置，从而允许光学感测装置以光学方式感测所述反应容器中进行的化学和/或生化反应。

20.一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方法，所述方法采用权利要求1至19中任一项所述的热控系统进行，化学和/或生化反应可以在所述反应容器中发生，所述一个或多个反应容器安装在热支架上，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，所述方法包括：感测所述热支架、所述一个或多个反应容器和/或其内容物的温度；以及，根据所感测的温度，选择性地将冷液体沿着冷液路径泵送至所述热支架的冷液入口和/或将热液体沿着热液路径泵送至所述热支架的热液入口，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；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，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，其中，所述热支架包括导热材料，所述热支架的温度通过将热能传递至所述冷液路径中的所述液体/通过从所述热液路径中的所述液体传递热能进行控制，使得所述热支架的温度控制所述至少一个反应容器的温度。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述反应容器形成多个反应容器的阵列的一部分。

22.根据权利要求20或21所述的方法，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加热元件，使得其中的液体被加热至高于最高预定温度的温度，并且，所述液体路径布置成穿过或者邻近所述热支架，从而将热能从热液体传递至所述热支架，由此当热液体流经或者临近所述热支架时失去热能。

23.根据权利要求20或21所述的方法，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冷却元件，使得其中的液体被冷却至低于最低预定温度的温度，并且，所述液体路径布置成穿过或者邻近所述热支架，从而将热能从所述热支架传递至冷液体，由此当冷液体流经或者临近所述热支架时获得热能。

24.根据权利要求20或21所述的方法，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。

25.根据权利要求20或21所述的方法，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。

26.根据权利要求20或21所述的方法，其中，所述热液路径和/或所述冷液路径包括位于所述热支架和/或各自的加热元件和冷却元件中的多个子路径。

27.根据权利要求20或21所述的方法，其中，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。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，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。

29.根据权利要求27所述的方法，其中，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。

30.根据权利要求20或21所述的方法，其中，所述反应是聚合酶链式反应。