CN103003448A - 使用动态控制改进热循环仪的热均匀性 - Google Patents

使用动态控制改进热循环仪的热均匀性 Download PDF

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Abstract

本发明提供了用于改善热不均匀性的聚合酶链式反应(PCR)方法。该方法包括通过第一传感器测量样品模块的第一样品模块部分的第一温度和通过第二传感器测量样品模块的第二样品模块部分的第二温度，第二样品模块部分与第一样品模块部分邻近。该方法进一步包括通过热电控制器计算第一温度和第二温度间的温度差异，以及通过热电控制器、根据温度差异，使用一个或多个热电冷却器调整第一样品模块部分的第一温度。一个或多个热电冷却器被配置为能通过调整从热电控制器的能量输出来加热或冷却第一样品模块部分。

Description

使用动态控制改进热循环仪的热均匀性
相关申请的引用
本申请要求于2010年4月9日提交的美国临时申请系列第61/322,529号的权益，在此通过引用将其内容并入本申请。
发明背景
通常，为了使用PCR方法扩增DNA(脱氧核糖核酸)，必须使具有特定组成的液体反应混合物循环通过数个不同温度的孵育周期。反应混合物包括不同的组分，包括待扩增的DNA和与样品DNA充分互补从而能够产生被扩增DNA的延伸产物的至少两个引物。PCR的关键是热循环的概念：熔解DNA、短引物与产生的单链退火和使这些引物延伸从而产生双链DNA的新拷贝的交替步骤。在热循环中，PCR反应混合物重复地从用于熔解DNA的大约90°C的高温到用于引物退火和延伸的大约40°C至70°C的较低温进行循环。通常，理想的是在循环中尽量迅速地将样品温度改变至下一个温度。化学反应在每一个阶段具有最适温度。因而，在非最适温度下耗时越少意味着能达到更好的化学结果。在达到每一个孵育温度之后，还需要在每一个所述孵育温度下反应混合物保持某一最短时间。这些最短孵育时间确定了完成一个循环需要的最短时间。因此，样品孵育温度间的任何过渡时间要计算入这个最短循环时间。由于循环数相当大，这种额外的时间不必要地增加了完成扩增需要的总时间。
在一些以前的自动化PCR仪中，将样品管插入热模块组件上的样品孔。为了进行PCR过程，根据用户在PCR流程文件中制定的规定温度和时间，使热模块组件的温度进行循环。通过计算机系统和相关电子装置控制循环。随着热模块组件改变温度，不同管中的样品经历类似的温度改变。然而，在这些以前的仪器中，由于热不均匀性(TNU)，在热模块组件内不同位置间产生了样品温度的差异。模块材料内存在温度梯度，这使得在循环中的某些时间，一些样品与其它样品的温度不同。因为混合物的化学反应在每一个阶段具有最适温度，因此能够达到该实际温度是优良分析结果的关键。大的TNU能够导致样品管与样品管之间PCR过程的产出不同。
由此，对于表征可以用于不同生物分析仪器的热模块组件的性能，TNU分析具有重要价值。通常在热模块组件的样品模块部分测量TNU，并将其通常表达为在一个样品或多个样品接触的样品模块部分上最热的孔和最冷的位置间的差异或平均差异。与凝胶数据相比，工业标准设定大约1.0°C的差异或0.5°C的平均差异。长时间以来，对降低TNU的努力关注于样品模块。例如，已经发现，样品模块的边缘通常比中心更冷。已采用一个方法来应对这样的边缘效应，该方法是在样品模块周围提供不同的边界和边缘加热器，从而抵消观察到的从中心到边缘的热梯度。
发明概述
在一个示例性的实施方案中，方法包括使用热电控制器、通过第一传感器测量样品模块的第一样品模块部分的第一温度，以及使用热电控制器、通过第二传感器测量样品模块的第二样品模块部分的第二温度，第二样品模块部分与第一样品模块部分邻近。该方法进一步包括通过热电控制器计算第一温度和第二温度间的温度差异。通过调整向一个或多个热电冷却器的能量输出，热电控制器根据温度差异调整第一样品模块部分的第一温度。热电冷却器被配置为能加热或冷却第一样品模块部分。
在另一个示例性的实施方案中，计算机可读存储介质由以下指令编码，使用热电控制器测量样品模块的第一样品模块部分的第一温度，使用热电控制器测量样品模块的第二样品模块部分的第二温度，第二样品模块部分与第一样品模块部分邻近。指令进一步用于计算第一温度和第二温度间的温度差异。指令进一步包括调整热电控制器向一个或多个热电冷却器的能量输出从而根据温度差异调整第一样品模块部分的第一温度的指令。热电冷却器被配置为能加热或冷却第一样品模块部分。
在另一个示例性的实施方案中，系统包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器被配置用于检测样品模块的第一样品模块部分的第一温度，所述第二传感器被配置用于检测样品模块的第二样品模块部分的第二温度，第二样品模块部分与第一样品模块部分邻近。该系统进一步包括与第一传感器和第二传感器保持电通讯的热电控制器。热电控制器被配置为能接收样品模块的第一样品模块部分的第一温度和接收样品模块的第二样品模块部分的第二温度，第二样品模块部分与第一样品模块部分邻近。热电控制器被进一步配置为能计算第一温度和第二温度间的温度差异，并根据温度差异、基于调整向一个或多个热电冷却器的能量输出来调整第一样品模块部分的第一温度。一个或多个热电冷却器被配置为能加热或冷却第一样品模块部分。
附图说明
本领域技术人员能理解以下描述的附图只是为了说明的目的。附图并非意图以任何方式限制本发明的范围。
图1是热循环仪的模块图。
图2是包括了检测系统的热循环仪的模块图。
图3是展示不同的实施方案的计算机系统700的模块图，在该系统上可实施PBA数据分析方法的实施方案。
图4展示了示例性的热模块组件的立体图。
图5展示的一般性示意图描述了用于图4所示热模块组件的现有技术控制系统。
图6展示了用于图5所示热模块组件的现有技术控制系统的一般性示意图。
图7展示了对应于一个实施方案的示意图400。
图9展示了对应于一个实施方案的功能模块图。
图10展示了根据图9所示的实施方案的过程流程图500。
图11展示了不具有主系统控制器的两PID控制器系统。
图12展示了具有主系统控制器的两PID控制器系统。
图13展示了对应于一个实施方案的示意图410。
图14展示了对应于一个实施方案的示意图420。
图15展示了对应于一个实施方案的示意图430。
图16展示了根据图14所示的实施方案中的两装置实施方案的系统控制器的功能模块图。
图17展示了根据图15所示实施方案的过程流程图600。
图18展示了图14所示的每一个PID控制器的功能模块图。
图19展示了两PID控制器系统，其中PID控制器内具有分布式系统控制器。
图20展示了不具有分布式系统控制器的两PID控制器系统。
图21展示了两PID控制器系统，其中PID控制器内具有分布式系统控制器。
图22展示了一个示意图，其中系统控制器还可以是主系统控制器和分布式系统控制器的组合。
图23展示了图22中使用的样品模块部分阵列的示意图。
图24是用于改进PCR仪的样品模块的热不均匀性的系统的图，本发明的实施方案可在该系统上实施。
图25是示例性的流程图，其显示了改进PCR仪的样品模块的热不均匀性的方法，本发明的实施方案可根据该方法实施。
图26是不同的软件模块的系统的示意图，该软件模块执行改进PCR仪的样品模块的热不均匀性的方法，本发明的实施方案可根据该方法实施。
图27是使用主热电控制器改进PCR仪的样品模块的热不均匀性的系统的示意图，本发明的实施方案可在该系统上实施。
图28是示例性的流程图，其显示了使用主热电控制器改进PCR仪的样品模块的热不均匀性的方法，本发明的实施方案可根据该方法实施。
图29是不同的软件模块的系统的示意图，该软件模块执行使用主热电控制器改进PCR仪的样品模块的热不均匀性的方法，本发明的实施方案可根据该方法实施。
不同实施方案的描述
在以下的描述中参照附图，其中附图作为描述的一部分，并且附图是以说明的方式展示本发明中可以实施的示例性的实施方案。对这些实施方案进行了充分详细地描述，使本领域技术人员能实施本发明，并且应当理解，可以利用其它实施方案，并且在不脱离本发明的范围内可以做出改变。因此，下面的描述不应理解为限定的含义。
尽管说明本发明的宽范围的数字范围和参数是近似值，但尽可能地准确报导具体实例中展示的数值。然而，任何数值固有地包含一定误差，所述误差是必然会从分别的测试测量中存在的标准差产生的。此外，本文公开的所有范围应理解为包括所述范围中包括的任意和全部的子范围。例如，“小于10”的范围包括最小值0和最大值10之间(包括0和10)的一个和全部子范围，即，最小值大于或等于0且最大值小于或等于10的任何和全部子范围，例如1至5。
在本发明中，热模块组件的不同实施方案可以具有多个热电冷却器(TEC)，其可以由单独的热电控制器进行控制。根据不同的实施方案，可以由主控制器或热电控制器提供控制。这些控制器可以提供TEC的动态调整，从而达到例如小于0.5°C的理想的TNU。
本文使用的术语“样品板”、“微量滴定板(microtitration plate)”、微量滴定板(microtiter plate)”和“微量板”是可以互换的，是指用于测试化学和生物样品的多孔样品容器。微量板可具有圆锥形的、圆柱形的、直线条的、渐缩的和/或平底的孔，并且能够由单一材料或多种材料构成。微量板可以符合SBS标准或可以是非标准的。微量板可以是敞口的(例如用密封薄膜或盖子封闭)或封闭腔的(例如美国专利第6,825,047号中描述的微量卡(microcard))。例如，可以用移液管(手持式、自动式等)或通孔分配板来填充敞口的微量板。例如，可以通过通道或通过闭合形成腔来填充封闭腔的微量板。
本发明的具有均匀热分布的热模块组件的不同实施方案可以用于图1和图2所示的模块图中描述的热循环仪的不同实施方案中。
如图1所示，根据热循环仪100的不同实施方案，热循环仪可以包括热盖110，其被置于样品支持装置内容纳的多个样品112上。在不同的实施方案中，样品支持装置可以是具有多个样品区域的玻璃或塑料载片，样品区域在其和热盖112之间具有盖。样品支持装置的一些实例可以包括但不限于多孔板(例如标准的微量滴定96孔板、384孔板)、微量卡或基本上平坦的支持物，例如玻璃或塑料载片。样品支持装置的不同实施方案中的样品区域可以包括在基底表面形成的规则或不规则的阵列中设定的凹陷、凹痕、嵴以及它们的组合。热循环仪的不同实施方案包括样品模块114、加热和冷却元件116和热交换器118。本发明的热模块组件的不同实施方案包括图1中热循环仪系统100的组件114-118。
在图2中，热循环系统200的不同的实施方案具有热循环仪100的实施方案的组件以及另外的检测系统。检测系统可以具有能发射电磁能的照明源和检测器或成像器210。检测器或成像器210是用于接收来自样品支持装置中的样品216的电磁能。对于热循环仪100和200的实施方案，分别使用控制系统130和224来控制检测系统、热盖、热模块组件等的功能。终端用户可以通过热循环仪100的用户界面122和热循环仪200的用户界面226访问控制系统130和224。图3描述的计算机系统300可以提供对热循环仪功能以及用户界面功能的控制。此外，计算机系统300可以提供数据处理、显示和报告生成功能。所有这些仪器控制功能可以在本地提供给热循环仪，或计算机系统300可以提供部分或全部控制、分析和报告功能的远程控制，随后将更详细地讨论。
本领域技术人员应当认识到，可以根据需要使用硬件、软件、固件或其组合来实施不同实施方案的操作。例如，使用在软件、固件或硬连线逻辑控制下的处理器或其它数字电路能够执行某些过程。(本文中术语“逻辑”是指固定的硬件、可编程的逻辑和/或其合适的组合，这是本领域技术人员在执行所述功能中能够认识到的)。软件和固件能够存储在计算机可读介质中。本领域普通技术人员公知的是，使用模拟电路能够执行某些其他过程。此外，在本发明的实施方案中可以使用存储器或其它存储装置以及通讯组件。
图3展示的是根据不同的实施方案的可用于执行处理功能的计算机系统300的模块图，图1中热循环仪系统100或图2中热循环仪系统200的实施方案可以采用所述计算机系统300。计算机系统300能够包括一个或多个处理器，如处理器304。使用普通用途或特殊用途的处理引擎能够实现处理器304，例如微处理器、控制器或其它控制逻辑。在这个实例中，处理器304与总线302或其它通讯介质连接。
此外，应当理解，图3中的计算机系统300可以体现为多种形式的任意一种，例如机架式计算机、大型主机、超级计算机、服务器、客户机、台式计算机、便携式计算机、平板计算机、手持式计算机装置(如PDA、手机、智能手机、掌上电脑等)、集群网格、上网本、嵌入式系统或对于给定的应用或环境是理想的或合适的任意其它类型的特殊或普通用途的计算机装置。此外，计算机系统300能够包括常规网络系统，包括客户端/服务器环境和一个或多个数据库服务器或与LIS/LIMS基础设施的整合。多种常规网络系统使本领域已知的，包括区域网络(LAN)或广域网络(WAN)，并且包括无线和/或有限组件。此外，客户端/服务器环境、数据库服务器和网络在本领域中也有充分描述。
计算机系统300可以包括总线302或用于交流信息的其它通讯机构以及与总线302连接、用于处理信息的处理器304。
计算机系统300还包括与总线302连接、用于存储处理器304将执行的指令的存储器306，存储器306可以是随机存取存储器(RAM)或其它动态存储器。存储器306还可以被用于存储临时变量或待由处理器304执行的指令的执行过程中的其它的中间信息。计算机系统300进一步包括与总线302连接、用于存储静态信息和处理器304的指令的只读存储器(ROM)308或其它静态存储装置。
计算机系统300还可以包括提供与总线302连接、用于存储信息和指令的存储装置310，例如磁盘、光盘或固态硬盘(SSD)。存储装置310可以包括媒体驱动器和可移动存储接口。媒体驱动器可以包括用于支持固定的或可移动的存储介质的驱动器或其它结构，例如硬盘驱动器、软盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器、CD或DVD驱动器(R或RW)、闪盘驱动器或其它可移动或固定的媒体驱动器。如这些实例所说明的，存储介质可以包括计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储某些计算机软件、指令或数据。
在可选择的实施方案中，存储装置310可以包括其它类似的工具，以允许向计算机系统300载入计算机程序或其它指令或数据。例如，这些工具可以包括可移动存储单元和接口，如程序盒式存储器和盒式接口、可移动存储器(例如闪存或其它移动存储器模块)和存储器插槽，以及允许从存储装置310向计算机系统300传输软件和数据的其它移动存储单元和接口。
计算机系统300还能够包括通讯接口318。通讯接口318可用于允许在计算机系统300和外部装置间传输软件和数据。通讯接口318的实例可以包括调制解调器、网络接口(例如，以太网或其它NIC卡)、通讯口(例如，USB口、RS-232C串行端口)、PCMCIA槽和卡、蓝牙等。经由通讯接口318传输的软件和数据是信号的形式，其可以是电信号、电磁信号、光信号或能够被通讯接口318接收的其它信号。这些信号可以经由通道传输并被通讯接口318接收，所述通道例如无线介质、电线或电缆、光纤或其它通讯介质。通道的一些实例包括电话线、手机连接、RF连接、网络接口、本地或广域网络以及其它通讯通道。
计算机系统300可以经由总线302与显示器312连接，所述显示器312用于向计算机用户显示信息，例如阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)。例如，输入装置314(包括字母数字键和其它键)与总线302连接，用于将信息和命令选择传输给处理器304。输入装置也可以是配置触屏输入功能的显示器，例如LCD显示器。另一种类型的用户输入装置是光标控制316，例如鼠标、轨迹球或用于向处理器304传输指向信息和命令选择并控制显示器312上的光标移动的光标指向键。所述输入装置通常在两个轴(第一轴(例如x轴)和第二轴(例如y轴))具有两个自由度，从而允许装置在平面中指定位置。计算机系统300提供数据处理并且为这些数据提供置信水平。按照本发明的实施方案的某些实施，计算机系统300响应于处理器304执行存储器306中包含的一个或多个指令的一个或多个序列而提供数据处理和置信值。这些指令可以从另一个计算机可读介质(如存储装置310)被读入存储器306。执行存储器306中包含的指令序列使处理器304能执行本文描述的处理状态。或者，可以使用硬连接电路代替软件指令或联合使用硬连接电路与软件指令来实施本发明的实施方案。因此，实施本发明的实施方案不限于硬件电路和软件的任何特定组合。
本文使用的术语“计算机可读介质”和“计算机程序产品”通常指参与向处理器304提供一个或多个序列或一个或多个指令用于执行的任何介质。这些指令通常被称为“计算机程序代码”(其可以以计算机程序或其它分类的形式被分类)，当这些指令被执行时，能够使计算机系统300执行本发明中实施方案的特征或功能。这些和其它形式的计算机可读介质可以采取多种形式，包括但不限于，非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括，例如固态硬盘、光盘或磁盘，如存储装置310。易失性介质包括动态存储器，例如存储器306。传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，包括包含总线302的电线。
计算机可读介质的常见形式包括，例如软盘、软磁盘、硬盘、磁带或任何其它磁性介质、CD-ROM、任何其它光学介质、穿孔卡片、纸带、具有孔图案的任何其它物理介质、RAM、PROM和EPROM、FLASH-EPROM、任何其它存储芯片或盒、在下文中描述的载波、或计算机可读的任何其它介质。
不同形式的计算机可读介质可以参与将一个或多个指令的一个或多个序列携带给处理器304用于执行。例如，指令可以最初携带在远程计算机的磁盘上。远程计算机能够将指令载入它的动态存储器，并使用调制解调器通过电话线发送指令。计算机系统300的本地调制解调器能够从电话线接收数据，并且使用红外传输器将数据转化为红外信号。与总线302连接的红外检测器能够接收以红外信号携带的数据，并将数据置于总线302。总线302将数据携带至存储器306，处理器304从存储器306取回指令并执行指令。在处理器304执行之前或之后，存储器306接收的指令可以任选地存储在存储装置310上。
应当理解到，为了清楚的目的，以上描述参考不同的功能单元和处理器描述了本发明的实施方案。然而，显而易见的是，在不脱离本发明的情况下，可以使用不同功能单元、处理器或域之间的任何合适的功能分配。例如，被描述为由分别的处理器或控制器执行的功能可以由同一处理器或控制器执行。因此，涉及的具体功能单元仅应被理解为适于提供所述功能的装置，而不是表示严格的逻辑或物理构造或组织。
样品模块
热模块组件包括，例如，样品模块、一个或多个加热/冷却装置和热交换器。样品模块容纳具有数个反应容器的微量板。样品模块可以具有数个以规则模式设置的凹槽，用来容纳各反应容器。与热交换器相配合的一个或多个加热/冷却装置被设计用来为样品模块提供加热和冷却。一个或多个加热/冷却装置可包括能提供加热和冷却的热电冷却器(TEC)，如Peltier装置。
加热装置可以是本领域普通技术人员已知的电阻加热器。例如，所述加热装置的形状可以设定为线圈或环形，从而在一个部分均匀分布热量。或者，加热装置可以是电阻墨水(resistive ink)加热器，或背胶(adhesivebacked)加热器，例如Kapton加热器。
在逻辑上或物理上将样品模块分成数个样品模块部分(SS)。为每一个SS分配可以独立促动每一个SS的加热装置和冷却装置或加热和冷却装置。图4展示了示例性的热模块组件340的立体图。热模块组件340包括反应容器342、样品模块344、TEC346和热交换器348。如图4所示，样品模块中不同的样品模块部分可以由TEC346的加热和冷却元件矩阵(例如2×2)进行加热和冷却。
图5展示了另一示例性的热模块组件350的立体图。热模块组件350包括反应容器352、样品模块354、TEC356和热交换器358。如图5所示，也可以使用TEC356的加热和冷却元件的线性阵列来加热和冷却样品模块。
样品模块控制系统
图6展示了图5所示热模块组件的控制系统的一般性示意图。每一个比例积分微分(proportional integrated derivative(PID))控制器控制单独的样品模块部分(SS)。
通常，在一些以前的自动化PCR仪中，根据用户在PCR流程文件中指定的规定温度和时间来循环金属样品模块的温度。循环由计算机系统和相关的电子装置进行控制。随着金属模块改变温度，不同管中的样品经历类似的温度改变。然而，在这些仪器中，样品金属模块内各处温度的不均匀性产生样品温度的差异。温度梯度存在于模块材料内，导致在循环中的某些时间，一些样品与其它样品具有不同的温度。此外，从样品模块向样品的传热存在延迟，并且所述延迟在样品模块上是不同的。温度差异和热传递延迟导致样品管与样品管之间的PCR过程的产出不同。为了更均匀地且更有效地进行PCR过程并实现所谓的定量PCR，应当使这些时间延迟和温度误差最小化。当容纳样品的区域的尺寸变大为标准8×12微量板时，使样品模块中各个点的温度不均匀性以及到达样品和来自样品的热转移所需时间最小化变为特别急切的问题。
自动化PCR仪的另一个问题是准确预测温度循环过程中反应混合物的实际温度。因为化学反应或混合物在每一个阶段具有最适温度，因此达到实际温度对于优良的分析结果是重要的。由于每一个管体积小并且管数量大，实际测量每一个管中混合物的温度是不切实际的。
图7-23描述了使用诸如PID控制器或主系统控制器的控制系统来均匀控制温度的方法和系统的示例性的实施方案。本文公开了仪器的实施方案，所述仪器包括热样品模块组件，其被配置为能通过动态调整样品模块部分温度而改进PCR的热均匀性。热模块组件包括在热循环中受控的多个热电冷却器(TEC)。在不同的实施方案中，由单独的热电控制器控制TEC。系统反馈控制接收来自至少两个热电控制器的环境参数。由主控制器或在热电控制器内提供系统反馈控制。环境参数的实例包括局部样品模块温度、周围温度和局部样品温度。根据接收的数据，重新计算局部样品模块温度设定点，并将其传输到局部热电控制器。
图7展示了对应于一个实施方案的示意图400。系统控制器402是主系统控制器，其与每一个热电控制器(例如，比例积分微分(PID)控制器404N)双向连接。每一个PID控制器404N与各样品模块部分(SS)406N连接。根据从每一个热电控制器接收的至少一个环境参数，系统控制器402控制样品模块的温度。系统控制器402从环境参数确定新的热设定点，从而维持均匀的温度。
环境参数可以包括温度参数，例如样品模块温度、周围温度和局部样品温度。系统控制器402周期性地、非周期性地或在询问热电控制器时接收环境参数。
尽管样品模块部分被描述为线性阵列，但也可以将样品模块部分设置为矩阵阵列，例如，m×n，其中m≥1，n≥2。样品模块可以由任何表现出良好导热性的材料制成，所述材料包括但不限于金属(例如铝、银、金和铜)、碳和其它导热聚合物。样品模块可以被配置为能容纳一个微量板。例如，样品模块的顶部能够包括排列为阵列的多个凹孔，所述阵列对应于微量板上的孔。例如，常见的微量板可包括按照8×12排列的96个凹孔、按照16×24排列的384个凹孔和按照8×6排列或16×3排列的48个凹孔。
每一个样品模块部分进一步包括热电(TEC)装置，例如Peltier装置。多个TEC可以被配置为能对应于多个区域。TEC能够提供全部的加热和冷却。本文使用的术语“控制温度”是指用户能设定的任何需要的温度，例如在PCR反应中的变性、退火和延伸的温度。多个TEC中的每一个能够独立执行功能，而不影响多个TEC中的其它TEC。当与系统控制器联合时，这能够为多个样品模块部分提供改进的热均匀性。
图8展示了对应于一个实施方案的功能模块图。这个实施方案显示主系统控制器402，其与两个热电控制器(例如PID控制器4041和4042)双向通讯。
对于每一个PID分支408N，第一混合器410N接收参考信号和模块传感器温度差异(BSTD)过程变量。第二混合器412N接收第一混合器410N的输出信号和样品模块部分406N的输出。样品模块部分406N的输出对应于理想环境参数的测量值。第二混合器412N的输出被施加于热电控制器，例如PID控制器406N。PID控制器404N的输出被施加于样品模块部分406N。
主系统控制器402从样品模块部分4061、4062中的每一个接收环境参数数据。主系统控制器402确定适于每一个PID分支4081、4082的BSTD变量。例如，由微处理器执行主系统控制器402。
图9展示了图8所示的主系统控制器402的示意图。混合器414接收输入y1和y2。将混合器414的输出作为输入施加到两个主PID控制器4161、4162。第一主PID控制器4161计算第一外部PID控制器4041的新的设定点b1。第二主PID控制器4162计算第二外部PID控制器4042的新的设定点b2。
图10展示了图9所示的实施方案的过程流程图500。在步骤502中，初始化样品模块部分的温度。在步骤504中，主系统控制器获取每一个PID控制器的环境参数。在步骤506中，主系统控制器确定每一个PID控制器的新的设定点。在步骤508中，主系统控制器传输每一个PID控制器的新的设定点。
图11和12展示了在执行主系统控制器之前和之后收集的数据。图11展示了不具有主系统控制器的两PID控制器系统。图12展示了具有主系统控制器的两PID控制器系统。
图13展示了对应于一个实施方案的示意图440。系统控制器是主系统控制器402，其与外部PID控制器4041、404n双向连接。每一个PID控制器404N与各样品模块部分406N连接。
图14展示了对应于一个实施方案的示意图450。系统控制器是主系统控制器402，其与外部PID控制器4041、404n和至少一个内部PID控制器404n-2连接。每一个PID控制器404N与各样品模块部分406N连接。
在一个实施方案中，每一个PID控制器内包括系统控制器的功能。图15展示了对应于一个实施方案的示意图460。每个增强型PID控制器432N之间分配系统控制器的功能。每一个增强型PID控制器432N与各样品模块部分406N连接。
尽管样品模块部分被描述为线性阵列，但也可以将样品模块部分设置为矩阵阵列，例如，m×n，其中m≥1，n≥2。在一个实施方案中，邻近的样品模块部分可以由一对PID控制部分来控制。
图16展示了根据图15所示的实施方案的两PID控制器的实施方案的系统控制器460的功能模块图。
对于每一个增强型PID控制器432N，第一混合器434N接收参考信号和来自样品模块部分406N的BSTD过程变量。第一PID控制器436N接收来自第一混合器434N的输出信号。第二混合器438N接收来自每一个样品模块部分4061、4062的环境参数数据。第二PID控制器440N接收来自第二混合器438N的输出。内部装置442N接收第一和第二PID控制器436N、440N的输出信号，从而确定需要施加于各样品模块部分的校正。
图17展示了图15所示的实施方案的过程流程图600。在步骤602中，初始化样品模块部分。在步骤604中，分布式系统控制器(例如每一个增强型PID控制器)获取邻近样品部分的环境参数。在步骤606中，分布式系统控制器确定新的设定点。在步骤608a中，可以传输邻近样品模块部分的新设定点。或者，在步骤608b中，对分布式系统控制器的各部分的样品模块部分施加新的设定点。
图18展示了功能模块图，其显示了图15和图16所示的两PID控制器实施方案的每一个增强型PID控制器。图19展示了在增强型PID控制器内具有分布式系统控制器的两PID控制器系统的控制逻辑。
在图18中，第一混合器接收模块传感器温度差异(BSTD)设定点和BSTD过程变量。使用第一混合器输出来确定向TEC的第一能量输出。使用来自每一个模块传感器的模块温度来确定BSTD过程变量。第二混合器接收变化速率设定点和确定的变化速率。使用第二混合器输出来确定向第二TEC的能量输出。第三混合器接收第一TEC的能量输出和第二TEC的能量输出。将第三混合器输出发送至样品模块部分的TEC。
通过使用PID控制算法以及可经过调谐而能基于来自BSTD值的反馈调整TEC输出的能量的相应参数来控制BSTD值。PID控制的目标设定是BSTD值为0。
在热模块控制的上升和下降状态的过程中进行BSTD的PID控制。根据来自变化速率控制的PID控制的输出和来自BSTD的PID控制的输出计算出向每一个热区域的TEC的能量输出。控制向TEC的输出来相应地获得BSTD设定和变化速率设定。
图20和图21展示了在执行BSTD控制之前和之后收集的数据。图20展示了不具有分布式系统控制器的两PID控制器系统。图21展示了在PID控制器内具有分布式系统控制器的两PID控制器系统。使用两个热样品部分温度的差异除以2来获得图中计算的热不均匀性(TNU)。这个计算的TNU与实际的TNU相关联，因为模块传感器温度代表了热控制区域周围的模块的温度。
在图22展示的示意图中，系统控制器还可以是主系统控制器和分布式系统控制器的组合。主系统控制器与PID控制器中的至少两个双向通讯。由至少两个增强型PID控制器提供分布式系统控制。每一个PID控制器和增强型PID控制器与各样品模块部分连接。
图23展示了图22中使用的样品模块部分阵列2300的示意图。增强型PID控制器控制内部样品模块部分2310的温度。主系统控制器控制外部样品模块部分2320的温度。
图24是系统2400的图，系统2400用于改进PCR仪的样品模块的热不均匀性，本发明的实施方案可在该系统上实施。系统2400包括第一传感器2410、第二传感器2420和热电控制器2430。第一传感器2410检测样品模块2440的第一样品模块部分2441的第一温度。第二传感器2420检测样品模块2440的第二样品模块部分2442的第二温度。样品模块部分2441与样品模块部分2442邻近。
热电控制器2430与第一传感器2410、第二传感器2420和用于加热或冷却第一样品模块部分2441的一个或多个TEC2450保持电通讯。热电控制器2430读取来自第一传感器2410的第一温度和来自第二传感器2420的第二温度。热电控制器2430计算第一温度和第二温度间的温度差异。最终，热电控制器2430根据温度差异调整向一个或多个TEC2450的能量输出。
在不同的实施方案中，热电控制器2430通过从第一温度中减去第二温度来计算温度差异。
在不同的实施方案中，在向一个或多个TEC2450的能量输出增加或降低的过程中，热电控制器2430读取来自第一传感器2410的第一温度和来自第二传感器2420的第二温度。
在不同的实施方案中，热电控制器2430除了基于温度差异之外、还基于向一个或多个TEC2450的能量输出增加或降低的变化速率来调整一个或多个TEC2450的能量输出。
图25是示例性的流程图，其显示改进PCR仪的样品模块的热不均匀性的方法2500，本发明的实施方案可通过该方法实施。
在方法2500的步骤2510中，读取第一传感器，其使用热电控制器检测样品模块的第一样品模块部分的第一温度。
在步骤2520中，读取第二传感器，其使用热电控制器检测样品模块的第二样品模块部分的第二温度，第二样品模块部分与第一样品模块部分邻近。
在步骤2530中，使用热电控制器计算第一温度和第二温度间的温度差异。
在步骤2540中，根据温度差异、使用热电控制器调整向一个或多个TEC的能量输出，所述TEC用于加热或冷却第一样品模块部分。
在不同的实施方案中，用指令编码实体的计算机可读存储介质，所述指令可由热电控制器的处理器执行，从而执行改进PCR仪的样品模块热不均匀性的方法。通过不同软件模块的系统执行这个方法。
图26是不同软件模块的系统2600的示意图，所述系统执行改进PCR仪样品模块热不均匀性的方法，本发明的实施方案可通过该方法实施。系统2600包括测量模块2610和调节模块2620。
测量模块2610读取第一传感器，其检测样品模块的第一样品模块部分的第一温度。测量模块2610读取第二传感器，其检测样品模块的第二样品模块部分的第二温度，第二样品模块部分与第一样品模块部分邻近。
调节模块2620计算第一温度和第二温度间的温度差异，并根据温度差异调整向一个或多个TEC的能量输出，所述TEC用于加热或冷却第一样品模块部分。
图27是系统2700的图，系统2700使用主热电控制器2730来改进PCR仪的样品模块的热不均匀性，本发明的实施方案可在该系统上实施。系统2700包括第一传感器2710、第二传感器2720和主热电控制器2730。第一传感器2710检测样品模块2740的第一样品模块部分2741的第一温度。第二传感器2720检测样品模块2740的第二样品模块部分2742的第二温度。样品模块部分2741与样品模块部分2742邻近。
第一热电控制器2730与第一传感器2710、第二传感器2720、第二热电控制器2716、第三热电控制器2726保持电通讯，第二热电控制器2716控制一个或多个用于加热或冷却第一样品模块部分2741的TEC2718，第三热电控制器2726控制一个或多个用于加热或冷却第二样品模块部分2742的TEC2728。第一热电控制器2730读取来自第一传感器2710的第一温度和来自第二传感器2720的第二温度。热电控制器2730计算第一温度和第二温度间的温度差异。最终，第一热电控制器2730根据温度差异来指示第二热电控制器2716调节它的能量输出以及指示第三热电控制器2726调节它的能量输出。
在不同的实施方案中，主热电控制器(第一热电控制器2730)的功能能够由两个从属热电控制器之一(即第二热电控制器2716或第三热电控制器2726)来执行。
图28是示例性的流程图，其显示使用主热电控制器来改进PCR仪的样品模块的热不均匀性的方法2800，本发明的实施方案可通过该方法实施。
在方法2800的步骤2810中，读取第一传感器，其使用第一热电控制器检测样品模块的第一样品模块部分的第一温度。
在步骤2820中，读取第二传感器，其使用第一热电控制器检测样品模块的第二样品模块部分的第二温度，第二样品模块部分与第一样品模块部分邻近。
在步骤2830中，使用第一热电控制器计算第一温度和第二温度间的温度差异。
在步骤2840中，利用第一热电控制器、根据温度差异，使第二热电控制器调整它的能量输出以及使第三热电控制器调整它的能量输出，第二热电控制器控制一个或多个用于加热或冷却第一样品模块部分的热电冷却器，第三热电控制器控制一个或多个用于加热或冷却第二样品模块部分的热电冷却器。
在不同的实施方案中，用指令编码实体的计算机可读存储介质，所述指令可由热电控制器的处理器执行，从而实施利用主热电控制器改进PCR仪的样品模块的热不均匀性的方法。该方法由不同软件模块的系统执行。
图29是不同软件模块的系统2900的示意图，系统2900能执行利用主热电控制器改进PCR仪的样品模块的热不均匀性的方法，本发明的实施方案可在该系统上实施。系统2900包括测量模块2910和控制模块2920。
测量模块2910读取第一传感器，其检测样品模块的第一样品模块部分的第一温度。测量模块2910读取第二传感器，其检测样品模块的第二样品模块部分的第二温度，第二样品模块部分与第一样品模块部分邻近。
控制模块2920计算第一温度和第二温度间的温度差异，根据温度差异，控制模块2920指示第一热电控制器调整其能量输出以及指示第二热电控制器调整其能量输出，所述第一热电控制器控制一个或多个用于加热或冷却第一样品模块部分的热电冷却器，所述第二热电控制器控制一个或多个用于加热或冷却第二样品模块部分的热电冷却器。
尽管已经结合具体的实施方案描述了本发明的原理，但应该清楚地理解只是通过举例的方式进行这些描述，而不是意图限定本发明的范围。本文公开的内容是为了说明和描述的目的，并非意图进行穷举或将公开内容限制为所述的准确形式。许多修改和变化对于本领域的专业人员是显而易见的。选择和描述所公开的内容是为了更好地解释所述领域的公开实施方案的原理和实际应用，从而能够使本领域的其他技术人员理解适合于具体的预期用途的各种实施方案和各种修改。下文的权利要求书及其等同物限定公开内容的范围。

Claims (20)

1.进行聚合酶链式反应(PCR)的方法，所述方法包括：
通过第一传感器测量样品模块的第一样品模块部分的第一温度；
通过第二传感器测量所述样品模块的第二样品模块部分的第二温度，所述样品模块的第二样品模块部分与所述第一样品模块部分邻近；
通过热电控制器，计算所述第一温度和所述第二温度间的温度差异；以及
根据所述温度差异，通过所述热电控制器，调整所述第一样品模块部分的所述第一温度，所述调整是基于调整向一个或多个热电冷却器的能量输出，其中所述一个或多个热电冷却器被配置为能加热或冷却所述第一样品模块部分。
2.如权利要求1所述的方法，其中通过所述第一传感器测量所述第一温度和从所述第二传感器测量所述第二温度发生在向所述一个或多个热电冷却器的能量输出增加的过程中。
3.如权利要求1所述的方法，其中从所述第一传感器测量所述第一温度和从所述第二传感器测量所述第二温度发生在向所述一个或多个热电冷却器的能量输出降低的过程中。
4.如权利要求2所述的方法，进一步包括基于向所述一个或多个热电冷却器的能量输出增加的速率，调整向所述一个或多个热电冷却器的能量输出。
5.如权利要求3所述的方法，进一步包括基于向所述一个或多个热电冷却器的能量输出降低的速率，调整向所述一个或多个热电冷却器的能量输出。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
通过第三传感器，测量所述样品模块的第三样品模块部分的第三温度；
通过所述热电控制器，计算所述第三温度和所述第一温度间的温度差异和所述第三温度和所述第二温度间的差异；以及
根据所述第一温度和所述第二温度间的差异、所述第三温度和所述第一温度间的差异和所述第三温度和所述第二温度间的差异，通过所述热电控制器，调整所述第一样品模块的所述第一温度，所述调整是基于调整向所述一个或多个热电冷却器的能量输出。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
通过所述热电控制器，调整所述第二样品模块部分的所述第二温度，所述调整是基于调整向第二组一个或多个热电冷却器的能量输出，其中所述第二组一个或多个热电冷却器被配置为能加热或冷却所述第二样品模块部分。
8.用指令编码的计算机可读存储介质，所述指令可由处理器执行，用于进行聚合酶链式反应(PCR)，所述指令包括以下指令：
测量样品模块的第一样品模块部分的第一温度；
测量所述样品模块的第二样品模块部分的第二温度，所述样品模块的第二样品模块部分与所述第一样品模块部分邻近；
计算所述第一温度和所述第二温度间的温度差异；以及
根据所述温度差异，调整所述第一样品模块部分的所述第一温度，所述调整是基于调整向一个或多个热电冷却器的能量输出，其中所述一个或多个热电冷却器被配置为能加热或冷却所述第一样品模块部分。
9.如权利要求8所述的计算机可读介质，其中从所述第一传感器测量所述第一温度和从所述第二传感器测量所述第二温度发生在使用所述热电控制器增加向所述一个或多个热电冷却器的能量输出的过程中。
10.如权利要求8所述的计算机可读介质，其中从所述第一传感器测量所述第一温度和从所述第二传感器测量所述第二温度发生在使用所述热电控制器降低向所述一个或多个热电冷却器的能量输出的过程中。
11.如权利要求8所述的计算机可读介质，进一步包括基于向所述一个或多个热电冷却器的能量输出的速率，调整向所述一个或多个热电冷却器的能量输出。
12.如权利要求9所述的计算机可读介质，进一步包括基于向所述一个或多个热电冷却器的能量输出下降的速率，调整向所述一个或多个热电冷却器的能量输出。
13.如权利要求9所述的计算机可读介质，其中所述指令进一步包括以下指令：
通过第三传感器，测量所述样品模块的第三样品模块部分的第三温度；
计算所述第三温度和所述第一温度间的温度差异和所述第三温度和所述第二温度间的差异；以及
根据所述第一温度和所述第二温度间的差异、所述第三温度和所述第一温度间的差异和所述第三温度和所述第二温度间的差异，调整所述第一样品模块的所述第一温度，所述调整是基于调整向所述一个或多个热电冷却器的能量输出。
14.如权利要求9所述的计算机可读介质，其中所述指令进一步包括以下指令：
调整所述第二样品模块部分的所述第二温度，所述调整是基于调整向第二组一个或多个热电冷却器的能量输出，其中所述第二组一个或多个热电冷却器被配置为能加热或冷却所述第二样品模块部分。
15.用于进行聚合酶链式反应(PCR)的系统，所述系统包括：
第一传感器，其被配置用于检测样品模块的第一样品模块部分的第一温度；
第二传感器，其被配置用于检测所述样品模块的第二样品模块部分的第二温度，所述样品模块的第二样品模块部分与所述第一样品模块部分邻近；以及
热电控制器，所述热电控制器与所述第一传感和所述第二传感器保持电通讯，其中所述热电控制器被配置为能：
接收样品模块的第一样品模块部分的第一温度，
接收所述样品模块的第二样品模块部分的第二温度，所述样品模块的第二样品模块部分与所述第一样品模块部分邻近，
计算所述第一温度和所述第二温度间的温度差异，以及
根据所述温度差异，调整所述第一样品模块部分的所述第一温度，所述调整是基于调整向一个或多个热电冷却器的能量输出，其中所述一个或多个热电冷却器被配置为能加热或冷却所述第一样品模块部分。
16.如权利要求15所述的系统，其中在向所述一个或多个热电冷却器的能量输出增加的过程中，所述热电控制器从所述第一传感器接收所述第一温度和从所述第二传感器接收所述第二温度。
17.如权利要求15所述的系统，其中在向所述一个或多个热电冷却器的能量输出降低的过程中，所述热电控制器从所述第一传感器接收所述第一温度和从所述第二传感器接收所述第二温度。
18.如权利要求16所述的系统，其中所述热电控制器除了根据所述温度差异之外，还根据向所述一个或多个热电冷却器的能量输出增加的速率来调整向所述一个或多个热电冷却器的能量输出。
19.如权利要求16所述的系统，其中所述热电控制器还根据向所述一个或多个热电冷却器的能量输出降低的速率来调整向所述一个或多个热电冷却器的能量输出。
20.如权利要求15所述的系统，其中所述第一热电控制器被进一步配置为能：
调整所述第二样品模块部分的所述第二温度，所述调整是基于调整向第二组一个或多个热电冷却器的能量输出，其中所述第二组一个或多个热电冷却器被配置为能加热或冷却所述第二样品模块部分。
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