CN102159310B - 具有柔性温控表面的温控设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种在反应室中控制温度的设备。该设备包括：囊组件，囊组件包括外壳，外壳限定出外壳的内部容积，外壳的尺寸被设置为容纳设置在外壳的内部容积内的反应室；以及放置在外壳内的第一温控囊，第一温控囊被构造为接纳温控流体并且包括在接纳温控流体之后与反应室的至少一部分外表面接触的柔性导热表面。还公开了囊式热循环仪、温控囊组件以及在反应室内产生热循环的方法。

Description

具有柔性温控表面的温控设备
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年9月22日提交的题为“TEMPERATURECONTORL DEVICE WITH A FLEXIBLE TEMPERATURE CONTROLSURFACE(具有柔性温控表面的温控设备)”的第12/232,669号美国专利申请的优先权，其是2007年8月23日提交的题为“THERMALCYCLER FOR PCR INCLUDING TEMPERATURE CONTROLBLADDER(包括温控囊的PCR的热循环仪)”的第11/843,843号的部分继续申请，这两个申请的主题通过引用整体并入本文。
技术领域
技术领域是温控设备，特别是具有柔性温控表面的温控设备。
背景技术
许多化学和生化分析方法要求反应温度在分析过程中的快速且精确的变化。例如，聚合酶链式反应(PCR)技术已广泛应用于生化实验。PCR过程中的基本操作是热循环，即升高和降低反应温度从而能够扩增目标DNA序列。PCR热循环通常具有四个阶段：将样品加热到第一温度；将样品保持在第一温度；将样品冷却到较低温度；以及将样品保持在较低温度。常规PCR仪器通常使用容纳多达九十六个锥形反应管的铝块，锥形反应管中包含有样品和扩增所必需的试剂。在PCR扩增过程中，通常使用珀尔帖(Peltier)加热/冷却装置、或闭合回路液体加热/冷却系统对铝块进行加热和冷却，在该系统中，液体流过在铝块中加工出来的通道。然而，铝块的大质量以及铝的导热率将加热和冷却速率限制为约每秒1℃；因此五十次循环的PCR扩增过程需花费至少约两个小时。
而且，铝块的冷却速率明显低于加热速率。加热速率和冷却速率之间的不对称性降低了PCR过程的效率。例如，在极端之间的温度下能够发生不期望的副反应，该极端温度产生不需要的DNA产品，诸如所谓的“引物二聚物”和不规则的扩增子，它们会消耗期望PCR反应所必需的试剂。其他过程，例如配体结合(有机的或酶的)在不均匀的温度下也会发生不期望的副反应，这些副反应经常会降低分析的等级。基于这些原因，PCR过程以及类似的生化反应过程的最优化的要求是，通过在中间温度花费最少的时间以尽可能快地达到期望的最佳反应温度。因此，必须将含有试剂的反应器设计为使加热速率和冷却速率最优化，以允许实时光学询问，并接受各种样品容积。
对于加热其他刚性表面(如微阵列)，刚性加热器并不理想。尤其当在单个室中进行PCR和微阵列混合时。微阵列通常被发现在玻璃或塑料载片上，载片需为刚性以便将寡核苷酸正确固定在表面上并且以便随后的捕获、扩展、或生产产品。因此，仍然需要一种使加热器与刚性反应室相互作用的更好方法。
发明内容
公开了一种在反应室中控制温度的设备。该设备包括囊组件，囊组件包括外壳，外壳限定外壳的内部容积，并且外壳的尺寸被设置为容纳放置在外壳的内部容积内的反应室；以及放置在外壳内的第一温控囊。第一温控囊被构造为接纳温控流体并且包括在接纳温控流体之后开始与反应室的至少一部分外表面接触的柔性导热表面。
还公开了一种囊式热循环仪，其包括被构造为接纳反应室的囊组件。囊组件包括：限定出能够通过开口进入的内部空间外壳；以及具有导热表面的至少一个温控囊。温控囊能够通过温控流体而膨胀，并且当温控囊膨胀时，导热表面形成与放置在内部空间内的反应室的外表面的接触。囊组件还包括：第一温控设备，当温控流体穿过第一温控设备时，第一温度设备能够使温控流体达到第一温度；第二温控设备，当温控流体穿过第二温控设备时，第二温度设备能够使所述温控流体达到第二温度；第一流体控制设备，将处于第一温度的温控流体输送到囊组件；第二流体控制设备，将处于第二温度的温控流体输送到囊组件；以及控制温控设备和流体控制设备的系统控制器。
还公开了一种温控囊组件。温控囊组件包括：上支架，上支架包括第一温控囊；下支架，下支架包括第二温控囊；以及中间支架，当与上支架和下支架组装时中间支架限定内部空间。当第一和第二囊通过温控流体而膨胀时，第一囊和第二囊形成与放置在内部空间内的反应室的接触。
还公开了一种在与温控囊热接触的反应室内产生热循环的方法。该方法包括：(a)用处于第一温度的温控流体填充温控囊；(b)用处于第二温度的温控流体填充温控囊；以及(c)重复步骤(a)和(b)。
还公开了一种在反应室中产生热循环的方法。该方法包括：将反应室放置在具有导热表面的温控囊附近，当用温控流体填充温控囊时，导热表面形成与反应室的外表面的接触；用处于第一温度的温控流体填充温控囊；在温控囊中使温控流体在第一温度保持第一段时间；用处于第二温度的温控流体填充温控囊；以及在温控囊中使温控流体在第二温度保持第二段时间。
附图说明
将参照以下附图进行详细描述，其中相似的数字代表相似的元件，并且其中：
图1A、1B和1C示出根据本发明的一种实施方式的设备，图1A是这种设备的部分剖开图，图1B是这种设备的内部的剖开顶视图，其中囊处于基本收缩的状态，图1C是这种设备的内部的剖开顶视图，其中囊处于基本膨胀的状态以提供与反应器的热接触；
图2是根据本发明的包括多组囊的设备的另一种实施方式的部分剖开图；
图3是示出囊组件的拉长设计的示意图；
图4A和图4B是示出囊组件的折叠设计的示意图；
图5A至图5D是示出模块化囊组件的实施方式的示意图，图5A示出模块化囊组件的单个部件，图5B示出组装的模块化囊组件，图5C示出枕形的囊，图5D示出具有两个膨胀的枕状囊的囊部件；
图6是示出具有双回路循环的囊式热循环仪的实施方式的示意图；
图7是示出用于热交换的铝块的图示；
图8是示出具有单回路循环的囊式热循环仪的实施方式的示意图；
图9是示出具有单回路循环的囊式热环仪的第二实施方式的示意图；
图10是示出图9中所示的实施方式的加热和冷却作为时间函数的曲线图；
图11是示出双回路循环囊式热循环仪的主要部件的示意图；
图12是示出来自图11的双回路循环囊式热循环仪的热循环运行的温度测量的图表；
图13是示出在图11的双回路循环的囊式热循环仪中的热循环之后的PCR/微阵列载片上的荧光信号的图片，Ba：炭疽芽孢杆菌(Bacillus anthracis)DNA的探针，Cy3：指示微阵列方向的标记。
具体实施方式
本说明书旨在结合附图进行阅读，附图应视为本发明的整体书面描述的一部分。为了清楚和简明，图不必按照比例绘制，并且本发明的某些特征可能在比例上被过大的表示或在一定程度上是示意的形式。在本说明书中，相对的术语例如“正面”、“背面”、“上”、“下”、“顶部”和“底部”及其衍生词应被解释为是指按照当时所描述的方向或如在讨论下的图中所示的方向。这些相对的术语是为了描述的方便并且通常并不旨在要求特定的方向。除非另作特别表达，否则关于附接(attachments)、联接(coupling)等(诸如“连接的(connected)”和“附接的(attached)”)术语是指结构通过中介结构或直接地或间接地彼此固定或附接的关系，以及同时可移动或刚性的附接或关系。
如本文所描述的实施方式中所使用的，术语“温控囊”是指具有导热表面的中空、柔性容器。温控囊可以是任何形状和大小。当被温控流体填充或膨胀时，温控囊能够有助于在温控囊内部的温控流体和与温控囊的导热表面接触的物体之间的热传递。
如本文所描述的实施方式中所使用的，术语“流体”是指在剪切应力下(无论施加应力的大小)不断变形(流动)的物质。流体是物质状态的子集，并且包括液体、气体、气溶胶(气流中的粒子)、凝胶、等离子体以及在一定程度上还包括固体。
在本发明描述的实施例，为了清楚起见而采用特定术语。然而，本发明并不打算被限制为这样选择的特定术语。可以理解，每个特定元件包括所有以类似方式工作来完成类似目的的技术等效物。
在第一方面中，本发明提供了一种设备，该设备用于控制限定的容积的温度。在一种实施方式中，所限定的容积是反应室，该反应室被构造为容纳化学剂并在受控的温度下在其内进行化学反应。在一种实施方式中，如图1A所示，温控设备1000包括限定内部空间1012的外壳1004。外壳1004可由本领域技术人员公知的材料和设计构造。这种材料的实例包括但不限于塑料、金属、陶瓷、复合材料等。外壳实施方式的实例包括：具有轻质结构(例如，薄塑料)的、密封的(例如，用于包含诸如危险化学和生物物质的有害物质)、或能够使内部空间保持真空的外壳。因此，在某些实施方式中，外壳1004包括降低外壳1004的内部空间1012内的压力(即，包括真空)的装置。在其他实施方式中，外壳1004包括一个或多个添加试剂的入口或端口。外壳1004还可以包括传感器、试剂供给器以及其它本领域技术人员熟悉的元件。还有更多的设计和说明将是本领域技术人员所熟悉的。本领域技术人员可以理解，对材料和设计的具体选择将取决于设备的预期功能以及操作条件。
再次参照图1A，温控设备1000还包括设置于外壳1004的内部空间1012内的反应室1008。反应室1008包括导热室壁1016，导热室壁1016在反应室1008内限定出内部容积1020。反应室1008可由本领域技术人员公知的材料和设计构造。这些材料的实例包括但不限于塑料、金属、陶瓷、复合材料等。示例性实施方式包括：具有轻质结构(例如，薄塑料)的、密封的(例如，用于包含诸如危险化学和生物物质的有害物质)、或能够保持真空的反应室。在某些实施方式中，反应室1008被设计为容纳单一的材料混合物，并且在更具体的实施方式中，反应室1008包括盖或其他的密封件以产生封闭的室。还有更多的设计和说明将是本领域技术人员所熟悉的。例如，反应室可以包括一个或多个添加试剂或移除反应产物的入口或端口、内部传感器以及用于外部传感器的窗口。本领域技术人员可以理解，对材料和设计的具体选择将取决于设备的预期功能以及操作条件。
再次参照图1A，外壳1004的内部1012还设置有一个或多个温控囊1024，温控囊1024设置在反应室1008附近并且被构造为对反应室1008的内部容积1020的温度进行控制、调节或修改。本领域技术人员可以理解，温控囊1024由具有合适机械性能和热性能的材料组成。合适材料的实例包括但不限于：硅氧烷、金属薄片、乳胶、聚酯薄膜、聚氨酯、聚丙烯、和聚乙烯。各温控囊1024被构造为接纳温控流体(诸如液体或气体)，温控流体通过入口1028引入温控囊1024的内部空间1040并且从出口1032移除。在一种实施方式中，温控流体存储在储存器或其他的储存机构中，在储存器或其他的储存机构中，温控流体保持在期望的温度。在另一种实施方式中，储存器不具有任何温控功能。可以通过储存器和温控囊1024之间的温控器来控制温控流体的温度。温控器可以是加热器或者加热器/冷却器组合，当流体通过温控器时，温控器能够快速改变温控流体的温度。
现在参照图1B和图1C，温控囊1024在脱离位置(图1B)与反应室1008具有最小接触或没有接触。将温控流体引入温控囊1024内引起温控囊1024的膨胀并且将温控囊1024从基本不抵靠的脱离位置(图1B)转换为接合位置，在接合位置上，温控囊1024抵靠反应室1008的至少一部分室壁1016(图1C)。在温控囊1024和室壁1016之间的直接接触允许温控流体与反应室1008的内部容积1020之间的热交换。在一种实施方式中，温控囊1024包含高导热率的表面，并且被构造为使得当温控囊1024被温控流体填充时，高导热率的表面抵靠室壁1016。
因此，通过将温控流体引入到温控囊1024以在温控囊1024和反应室1008之间建立热接触、以及从温控囊1024撤回温控流体以使温控囊1024与反应室1008脱离，能够以可控的方式调节反应室1008的内部容积1020的温度。可选地，通过用不同温度的温控流体替换温控囊1024的内部1040中的温控流体，可以在不使温控囊1024脱离反应室1008的情况下调节反应室1008的内部容积1020的温度。
温控流体的实例包括但不限于水、盐水、防冻剂、油和硅氧烷。其他合适的温控流体、用于调节这种流体的温度的装置、将这种流体引入囊和从囊中撤回这种流体的装置也都是本领域普通技术人员所熟悉的。在一种实施方式中，温控流体是凝胶材料，将温控流体引入囊和从囊中撤回温控流体的装置是泵，并且用于调节温控流体的温度的装置是电阻加热器或珀尔帖加热器。
图2示出了外壳2004的另一种实施方式。在这个实施方式中，反应室2008具有基本管状设计，通过该管状设计，反应混合物2009、2010、2011以限定且分离的容积(通常称为“块状物(slug)”)通过反应室2008的内部空间2014移动。接近反应室2008的是两组温控囊(2016和2020)，这两组温控囊成对位于反应室2008的相对的两侧。温控囊2016和2020中的每一个经由入口2017和出口2018与温控流体的储存器相连。囊2016和2020如上所述操作，即，在填充温控流体之后与反应室2008接合。在一种实施方式中，块状物通过反应室2008的内部容积2014输送，并且停在限定位置处，在该限定位置上，一对或多对囊与反应室2008的外壁2015接合，以通过如上所述的热交换来调节块状物的温度。在一种实施方式中，囊2016和2020填充有具有单一温度的温控流体，从而全部的囊都提供基本相同的热交换。在另一种实施方式中，不同的囊容纳处于不同温度的温控流体。在另一种实施方式中，不同的囊容纳不同的温控流体以提供不同的热交换性能。
在另一种实施方式中，外壳包括一个或多个温控囊，但不包括固定形状或容积的反应室。外壳上的开口允许在温控囊附近插入反应室，如PCR管或微阵列载片。当用温控流体使温控囊膨胀时，温控囊在外壳内扩展并且形成与插入的反应室外部的直接接触。这个设计允许温控囊的柔性表面符合反应室的外表面的轮廓，因此在温控囊和反应室之间提供有效的热传递。
本领域普通技术人员将理解，温控囊的形状可以在球形到细长管状设计的范围内进行相当大的变换。图3示出了使用一对温控囊3010的用于微阵列载片(3008)的加热设置。在这个实施方式中，温控囊3010具有细长的管状形状以适应矩形反应室的几何形状。多个微阵列载片或反应管可以放置在囊对3010之间。入口3012和出口3014设置在温控囊3010的相对的两端。入口3012和出口3014连接到用于热循环的加热流体管道或回路。在一种实施方式中，温控囊3010是使用两片柔性材料创造的袋，这两片柔性材料被切割成形并且沿着周边彼此粘接或焊接。
在另一种实施方式中，单个温控囊4012(图4A)在外壳4004内折叠成U型以形成一对温控囊臂4010(图4B)，在温控囊4012被温控流体填充时，温控囊臂4010抵靠反应室4008。
在又一种实施方式中，一个或多个温控囊4012被构造为接纳没有外壳4004的反应室4008。
图5A至图5D示出了温控囊组件的另一种构造。在这种实施方式中，容纳囊和反应室的外壳由模块化组件5000形成。如图5A所示，模块化组件5000包括包围温控囊5012的上支架5010、第一垫5020、中间支架5030、第二垫5040以及包围温控囊5052的下支架5050。温控囊5012和5052由柔性和导热材料制成，并且与经由上支架5010和下支架5050上的入口端口(5014，5054)和出口端口(5016，5056)循环的温控流体相互作用。入口端口和出口端口设置在温控囊底部的支架处，以连接流体并且允许温控流体进入和离开温控囊5012和5052。分别使用O形圈5018或5048在支架5010或5050处密封温控囊5012和5052的底部。中间支架5030是U形支架，在与模块化组件5000的其它模块组装时，该U形支架限定出能够通过开口5034进入的内部空间5032。对于特定的应用，开5034和内部空间5032被设计为具有接纳用于这种应用的反应室的大小和形状。
支架5010和5050中的每一个都包含通向内部空间5032的开口5017或5057。在操作过程中，温控流体填充并使温控囊5012和5052增压，温控囊5012和5052通过开口5017和5057扩展并且形成一对枕形温控表面，该表面牢固地挤压反应室的上侧和下侧。
图5B示出了具有开口5034以接纳反应室的模块化组件5000。图5C是枕形囊的特写图，在将枕形囊密封于支架和垫之间后，可以用温控流体来使该枕形囊膨胀。图5D示出了具有一对膨胀囊的囊组件。两个膨胀囊之间可以容纳具有载片、管、或盒形式的反应室。
在另一实施方式中，容纳在反应室的内部容积中的物质(其可以具有一个或多个块状物的形式)是用于进行PCR反应的试剂的混合物。在一个更具体的实施方式中，反应室是容纳PCR试剂的一次性分析盒，诸如商业上可获得的。一个具体的实施方式包括单个的、静态的反应室，其包含用于低聚物的PCR扩增的试剂。一个或多个温控囊与反应室接触，反应室中的每一个均包含相同的循环温控物质。
在另一实施方式中，阀将来自两个或更多个不同温度的温控流体的储存器的温控流体转移，从而通过交换温控囊中的温控流体而使反应室中的PCR混合物具有不同温度。在热循环期间，例如，95℃的温控流体被循环到温控囊内进行加热，并且从而使低聚物变性，并且随后被撤回。接下来，60℃的温控流体被循环到温度囊以使引物能够发生杂交(hybridize)并扩展，从而产生PCR扩增产物。这个顺序过程进行约30至约50次循环。
在另一实施方式中，使两个温控囊与单个反应室接触，其中，各囊包含不同温度的循环温控物质(例如，一种为95℃，另一种为60℃)。如上所述的温控囊的扩展和收缩决定哪个囊与反应室或通道接触。
在又一实施方式中，单个反应室在单个通道中具有两个或更多个反应区。各区与不同的温控囊相互作用；并且各囊分别处于不同的温度，例如95℃和60℃。反应块状物在温度区之间来回移动，以产生所需的热循环。(见图2，上文所述。)
在其他实施方式中，可以用电阻加热器、珀尔帖、或温控空气中的单个或组合来代替一个或多个温控囊。
在其他实施方式中，可以用在各微阵列点处具有固定引物的微阵列来代替上述反应室。
在其他实施方式中，囊式热循环仪包括至少一个被构造为接纳反应室的温控囊；以及至少一个将处于所需温度的温控流体输送到温控囊的流体控制设备。各温控囊包括柔性导热表面，当温控囊通过温控流体而膨胀时，柔性导热表面与反应室接触。
在一种实施方式中，囊式热循环仪被构建为使温控流体可选地在两个或更多个温度下通过囊组件循环。图6是示出具有两个温度区6010和6020的囊式热循环仪6000，以及双回路循环系统的流体流动图。这个设备采用第一温度区热交换器6012和第二温度区热交换器6022作为温控源。热交换器6012和6022各自都包含一个或多个加热器或加热器/冷却器设备，这些设备在各温度区中以用户指定的设置点来保持稳态温度。调节阀6030、6032和6034从温度区6010(温度保持在，例如，80至105℃)或温度区6020(温度保持在，例如，50至70℃)直接引导温控流体流过囊6040，而泵6050和6052继续处于一个方向上并且在各个区中通过T连接6060、6062和6064使流体重新循环。温控囊6040紧接着放置于温控区的下游以使热损失最小化。在一种实施方式中，设备6000还包括从温控流体中移除气泡的除泡器6070。泵6050和6052可以具有固定速度或可变速度。可变速度提供的优势为，对于囊扩展和收缩具有更好的流体压力控制。它还允许例如通过利用温度传感器和泵速度控制之间的反馈回路来进行温控的微调。
在一种实施方式中，设备6000中的阀、泵和热交换器由采用包含热循环协议的软件的系统控制器来控制。系统控制器为囊式热循环仪6000中的部件提供协调和通信。系统控制器被设计为：(a)为整个系统提供单个用户接口；(b)允许用户快速确定与系统相关的所有部件的状态；以及(c)接收输入以改变参数，这些参数允许改变构造。在一种实施方式中，系统控制器包括存储器、控制器和外部端口。存储器可能用于存储热循环协议。在一种实施方式中，存储器是闪存。控制器监测和控制囊式热循环仪6000的操作，并且为用户提供关于整个系统状态的接口。例如，控制器可以为囊式热循环仪6000中的温控流体提供循环时机和温度。
在一种实施方式中，控制器是小巧、轻质且可作为标准商用货架(COTS)产品而获得的。在另一种实施方式中，控制器是COTS供应品，并被包装为具有无源PCI总线背板的迷你机箱PC。这种构造允许部件模块化，以便随着计算机硬件技术的改进而升级。在另一种实施方式中，控制器位于单板计算机(SBC)上，该单板计算机已经内置有外围接口：PCI总线、以太网和RS-232串口。闪存和DRAM的大小能够被设置为满足在SBC上具有可移动存储器插槽的控制系统的要求。从囊式热循环仪6000的控制器到其他部件的通信由与PCI总线兼容的COTS数据采集、数字输入/输出以及模拟输入/输出电路卡处理。
外部端口用于将软件升级下载到存储器并执行外部故障排除/诊断。在一种实施方式中，囊式热循环仪6000由长寿命电池或能够重复充电且重复使用的电池来供电。
在一种实施方式中，通过比例-积分-微分控制器(PID控制器)保持各温度区6010或6020中的稳态温度。PID控制广泛应用于工业控制系统并且是本领域技术人员所公知的通用控制回路反馈机制。在另一种实施方式中，PID控制由其他控制类型代替，诸如模糊控制。模糊控制系统是基于模糊逻辑(一种数学系统)的控制系统，相比于基于或0或1(真和假)的离散值操作的经典或数字逻辑，模糊逻辑根据取0和1之间的连续值的逻辑变量来分析模拟输入值。模糊控制系统也是本领域技术人员所公知的。
不同于使用加热流体的大型储存器或桶来驱动热循环的某些现有技术的设备，诸如Lawrence Berkeley National Lab(美国劳伦斯伯克利国家实验室)的基于液体热循环仪，囊式热循环仪6000能够在不具有加热流体的储存器的情况下操作。在一种实施方式中，当温控流体分别穿过温度区6010或6020时，温控流体在定制的、内置热交换器6012或6022中加热。被加热的温控流体重新循环，以减少加热温控囊6040所需的流体容积。更小的流体容积进而允许在热交换器6012或6022中使用基本上更小的加热器/冷却器设备。
在一种实施方式中，加热器设备各自都包括两个加热块，各加热块嵌入有一个或多个盒式加热器。现在参照图7，在一种实施方式中，加热块7000包括盖7010和底座7020。底座7020包含平行的弯曲通道或翅片7022，用于当温控流体流过加热块7000时快速、有效地加热循环的温控流体。加热块7000中的热电偶(未示出)监测加热块7000的温度，并且允许对块的温度进行PID控制。加热块7000通常由导热材料(诸如金属或合金)制成。在一种实施方式中，加热块7000由铝制成。
实施例
实施例1：具有单回路循环的囊式热循环仪
图8提供了具有单回路循环的囊式热循环仪8000的一种实施方式的示意图。如本领域普通技术人员将理解的标准结构的泵8002连接到输出管线8004，输出管线8004输送水通过使用本领域普通技术人员公知的材料制成的热交换器8006。热交换器的输出管线8008将水输送至第一加热器8010，第一加热器8010被构造为将水加热至约95℃。随后水穿过支路8012，支路8012将通向囊单元8014的路径进行分割，囊单元8014包括联接到第一囊8018的第一囊支撑件8016，以及联接到第二囊8022的第二囊支撑件8020，第一囊支撑件8016基本与第二囊支撑件8020相对设置。离开囊单元8014中的水通过第二支路8024再次合并回单条路径，并随后流入第二加热器8026，第二加热器8026被构造为将水加热至约65℃。返回路径8028使水返回泵。囊中的每一个都具有5毫升(ml)的容量，加热器中的每一个能容纳22ml，而热交换器能容纳5ml至22ml。通过使水可逆地在各加热器和热交换器之间进行循环，囊能使容纳于囊单元内的样品的温度在标称的起始温度65℃与95℃之间循环。
图9提供了单回路循环的囊式热循环仪9000的另一实施方式的示意图。如本领域普通技术人员将理解的标准结构的泵9002连接到输出管线9004，输出管线9004输送水通过双向阀9006到达第一加热器9010，第一加热器9010被构造为将水加热至约95℃。随后水穿过第二双向阀9008和支路9012，支路9012将通向囊单元9014的路径进行分割，囊单元9014包括联接到第一囊9018的第一囊支撑件9016，以及与联接到第二囊9022的第二囊支撑件9020，第一囊支撑件9016基本与第二囊支撑件9020相对设置。离开囊单元9014中的水通过第二支路9024再次合并回单条路径。返回路径9028使水返回泵。水返回双向阀9006并且被输送至第二加热器9026，第二加热器9026被构造为将水加热至约65℃。随后水穿过除泡器9030和第二双向阀9008以通过支路9012进入囊单元9014。在一种实施方式中，囊9018和9022中的每一个都具有5毫升(ml)的容量，加热器中的每个能容纳22ml。通过使水在各加热器之间进行循环，囊能使容纳于囊单元内的样品的温度在标称的起始温度65℃与95℃之间循环。
图10示出了使用参照图9所描述的设备的热循环试验。在这个试验中，反应室中的水从95℃冷却到65℃，在65℃保持约25秒，加热到约95℃，在这个温度保持约1秒，并随后再次冷却到65℃。温度曲线示出了快速的加热和冷却速度(对于加热为约15℃/秒，对于冷却为约6℃/秒)。
实施例2：具有双回路循环的囊式热循环仪
基于图6中所示的双回路循环设计来构建原型囊式热循环仪。图11是示出双回路循环的囊式热循环仪的主要部件的示意图。双回路循环的囊式热循环仪1100包括热交换块1110和1112、泵1120和1122、三向阀1130、1132和1134、以及具有图5中所示的模块化设计的温控囊组件1140。反应室(未示出)放置在由温控囊组件1140中的两个温控囊形成两侧的内部空间中。第一温度的温控流体经由第一循环回路循环通过温控囊组件1140，第一循环回路包括热交换块1110、泵1120、三向阀1134和1130。第二温度的温控流体经由第二循环回路循环通过温控囊组件1140，第二循环回路包括热交换块1112、泵1122、三向阀1132和1130。
实际的原型囊式热循环仪具有三层。仪器的底层包括两个热交换器和两个泵。中间层包括三个三向阀和将反应管容纳在一对温控囊之间的模块化囊组件。第三层包括电源和四个PID温控器，其中两个PID温控器控制两个单独热交换器块，一个控制阀，第四个监测反应器或囊中的温度。约100ml的矿物油被用作循环温控流体。在原型囊式热循环仪中不存在真正的冷却设备。
实施例3：双回路循环的囊式热循环仪提供符合要求的热循环分布
图12示出了用实施例2所述的双回路循环的囊式热循环仪进行的热循环运行的温度分布。在运行过程中测试第一热交换块1110(即，热区)、第二热交换块1112(即，冷区)、以及反应室内部的温度。如图12所示，热区和冷区保持在稳定状态。这些区被保持在比热循环协议的目标温度稍高的温度下以产生温度偏置，该温度偏置用于补偿从温度区到囊组件的流体路径中的热损失。通过减小循环温控流体必须行进的路径长度并且通过将绝热材料设置在流体路径周围，可以使温度偏置最小化。成功的热循环温度分布表明，对通过囊组件的温控流体进行切换的原则能够在反应室中实现期望的温度控制。
不同于传统的热循环仪，由于反应室中的温度变化滞后于热交换器中的温度变化，所以不需要为囊式热循环仪的加热器温度设计故意的过冲和下冲。过冲和下冲通常分别用于增加加热和冷却的斜率速度。这些过冲和下冲的控制可能很复杂，需要严格控制加热器(例如，电阻、压电的)和冷却部件(热电的、压电的、制冷的、风扇等)的算法。
双回路循环的囊式热循环仪能够在包含反应室的微阵列载片上进行快速热循环。传统仪器(诸如MJ Research的筛和塔(Global MedicalInstrumentation Inc.，Ramsey，Minnesota)等)由于缓慢的斜坡时间而通常需要几个小时来进行40次PCR循环。此外，阵列点之间的温度以及阵列点内的温度可能变化很大。双回路循环的囊式热循环仪在40分钟或更少时间内完成包含PCR反应室的载片或流动单元的热循环，同时提供非常均匀的热分布和热传递。此外，囊式热循环仪能够进行联合的热循环和微阵列杂交。
现在参照图13，PCR反应室内的由微阵列组成的载片经受炭疽芽孢杆菌基因组的DNA的联合的PCR扩增和微阵列杂交。使用被荧光标记的引物来扩增十份炭疽芽孢杆菌基因组的DNA。如图13所示，在探针处检测到与PCR产物互补的阳性荧光信号，这表明扩增的炭疽芽孢杆菌DNA产物与固定在反应室内的表面上的各自互补的寡核苷酸探针发生特定杂交。
虽然本文中已经描述了各种具体的实施方式和实施例，但本领域技术人员应该理解，可以在不背离本公开的精神或范围的情况下实现本发明的许多不同实施。

Claims (30)

1.一种在反应室中控制温度的设备，包括：
囊组件，包括：
外壳，所述外壳限定出所述外壳的内部容积，所述外壳的尺寸被设置为容纳设置在所述外壳的所述内部容积内的反应室；以及
第一温控囊，所述第一温控囊设置在所述外壳内，所述第一温控囊被构造为接纳温控流体并且包括在接纳所述温控流体之后与所述反应室的至少一部分外表面接触的柔性导热表面。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述囊组件还包括设置在所述外壳内的第二温控囊，所述第二温控囊被构造为接纳所述温控流体并且包括在接纳所述温控流体之后与所述反应室的至少一部分外表面接触的柔性导热表面。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述外壳包括容纳所述第一温控囊的上部、容纳所述第二温控囊的下部、以及中间部，所述中间部与所述上部和所述下部一起限定出具有开口的内部空间，所述内部空间和所述开口具有被设计为容纳所述反应室的几何结构。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述反应室是管状室。
5.如权利要求3所述的设备，其中，所述反应室是载片室。
6.如权利要求1所述的设备，还包括流体输送设备，所述流体输送设备用处于期望温度的所述温控流体填充所述第一温控囊。
7.如权利要求6所述的设备，其中，所述流体输送设备包括泵和控制所述温控流体的温度的内置温控设备。
8.如权利要求7所述的设备，还包括控制所述温控流体的流动的一个或多个阀。
9.如权利要求7所述的设备，其中，所述内置温控设备包括加热器。
10.如权利要求9所述的设备，其中，所述内置温控设备还包括冷却器。
11.如权利要求9所述的设备，其中，所述加热器包括导热块，所述导热块包括盒式加热器以及平行的弯曲通道或翅片。
12.如权利要求7所述的设备，其中，所述内置温控设备还包括热电偶。
13.如权利要求7所述的设备，其中，所述内置温控设备通过PID控制来保持所述温控流体的温度。
14.如权利要求7所述的设备，其中，所述内置温控设备通过模糊控制来保持所述温控流体的温度。
15.如权利要求8所述的设备，还包括计算机，所述计算机控制所述流体输送设备、所述温控设备以及所述阀。
16.如权利要求1所述的设备，还包括：
第一流体输送设备，所述第一流体输送设备用处于第一温度的所述温控流体填充所述第一温控囊；
第二流体输送设备，所述第二流体输送设备用处于第二温度的所述温控流体填充所述第一温控囊；以及
阀，所述阀控制处于所述第一温度和所述第二温度的温控流体的流动。
17.如权利要求16所述的设备，其中，所述第一流体输送设备包括第一泵和第一内置温控设备，所述第二流体输送设备包括第二泵和第二内置温控设备。
18.一种囊式热循环仪，包括：
囊组件，被构造为接纳反应室，所述囊组件包括：
外壳，所述外壳限定出能够通过开口进入的内部空间；
至少一个温控囊，所述温控囊具有导热表面，所述温控囊能够通过温控流体而膨胀，并且当所述温控囊膨胀时，所述导热表面形成与放置在所述内部空间内的反应室的外表面的接触；
第一温控设备，当所述温控流体通过所述第一温控设备时，所述第一温度设备能够使所述温控流体达到第一温度；
第二温控设备，当所述温控流体通过所述第二温控设备时，所述第二温度设备能够使所述温控流体达到第二温度；
第一流体控制设备，将处于所述第一温度的所述温控流体输送到所述囊组件；
第二流体控制设备，将处于所述第二温度的所述温控流体输送到所述囊组件；以及
系统控制器，控制所述温控设备和流体控制设备。
19.如权利要求18所述的囊式热循环仪，其中，所述第一温控设备和第二温控设备各自都包括加热块，所述加热块包括一个或多个流体通道和加热器。
20.如权利要求19所述的囊式热循环仪，其中，所述流体通道是弯曲通道。
21.一种温控囊组件，包括：
上支架，所述上支架包括第一温控囊；
下支架，所述下支架包括第二温控囊；以及
中间支架，当与所述上支架和所述下支架组装时所述中间支架限定出内部空间，
其中，当所述第一囊和第二囊通过温控流体而膨胀时，所述第一囊和第二囊形成与放置在所述内部空间内的反应室的接触。
22.如权利要求21所述的温控囊组件，还包括第一垫和第二垫，其中，所述第一垫放置在所述上支架和所述中间支架之间，所述第二垫放置在所述中间支架和所述下支架之间。
23.一种在反应室中产生热循环的方法，包括：
(a)将所述反应室放置在具有导热表面的温控囊附近，当用温控流体填充所述温控囊时，所述导热表面形成与所述反应室的外表面的接触；
(b)用处于第一温度的所述温控流体填充所述温控囊；
(c)在所述温控囊中使所述温控流体在所述第一温度保持第一段时间；
(d)用处于第二温度的所述温控流体填充所述温控囊；以及
(e)在所述温控囊中使所述温控流体在所述第二温度保持第二段时间。
24.如权利要求23所述的方法，还包括：
(f)用处于第三温度的所述温控流体填充所述温控囊；以及
(g)在所述温控囊中使所述温控流体在所述第三温度保持第三段时间。
25.如权利要求23所述的方法，其中，处于第一温度的所述温控流体产生于第一热交换器处，并且在步骤(c)之后重新循环回所述第一热交换器，处于第二温度的所述温控流体产生于第二热交换器处，并且在步骤(e)之后重新循环回所述第二热交换器。
26.一种控制反应室中温度的设备，包括：
至少一个温控囊，被构造为接纳所述反应室；以及
至少一个流体控制设备，所述至少一个流体控制设备将处于期望温度的温控流体输送到所述温控囊，
其中，所述温控囊包括柔性导热表面，当所述温控囊通过所述温控流体而膨胀时，所述柔性导热表面与所述反应室接触。
27.如权利要求26所述的设备，其中，所述流体控制设备包括泵和控制所述温控流体的温度的温控设备。
28.如权利要求27所述的设备，还包括控制所述温控流体的流动的一个或多个阀。
29.如权利要求26所述的设备，包括两个温控囊，在所述两个温控囊通过所述温控流体而膨胀之后，所述两个温控囊能够在所述两个温控囊之间容纳所述反应室。
30.如权利要求26所述的设备，包括第一流体控制设备和第二流体控制设备，所述第一流体控制设备将处于第一温度的所述温控流体输送到所述温控囊，所述第二流体控制设备将处于第二温度的所述温控流体输送到所述温控囊。
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