CN103189141B - 热循环器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热循环器，所述热循环器包括用于冷却样品模块(34)的珀耳帖型热电元件(36)和用于加热样品模块的非珀耳帖型加热装置(38)。热循环器还包括散热器(28)，所述散热器通过热管(40)连接到珀耳帖型热电元件，从而允许热能从珀耳帖型热电元件传递到散热器。与使用用于加热和冷却的珀耳帖型热电元件的传统的热循环器相比较，这种结构更加有效地操作，并且允许更加迅速的循环时间以及在宽外界温度范围内操作。一些实施例使用珀耳帖型热电元件作为热门以减少当珀耳帖型热电元件关掉时在加热期间的热损失。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在热循环反应中使用的热循环器设备。本发明的多个方面涉及执行热循环反应的方法。
背景技术
热循环方法应用是现代分子生物学的组成部分。例如，用于扩增核酸的聚合酶链式反应(PCR)在不同温度下使用一系列DNA解链、退火和聚合步骤以大大地“扩增”样本中的DNA的量。其它热循环方法应用也是公知的。
典型的热循环设备由金属样品模块构成，所述金属样品模块包括适当数量的凹部以容纳一个或多个反应容器。样品模块可以被成形为符合96孔板形式或通常为0.5μl或0.2μl微离心(Eppendorf)管。金属块用作热质量，所述热质量将其热能传递给反应样品和从反应样品传递热能。通常，使用热电冷却(TEC)装置(通常也被称为珀尔帖效应元件(PE))提供热循环能量。热循环设备通常还使用有助于将热量传递给珀尔帖效应元件和从珀尔帖效应元件传递热量的散热器和大风扇等，以移除在冷却期间珀尔帖效应元件产生过量热以及传递给散热器的过量热。
珀尔帖元件是将电流转换成温度梯度的固态装置。珀尔帖元件包括两侧-热侧和冷侧。金属样品模块用作热泵，因为金属样品模块使热量从冷侧移动到热侧。电流流动方向的切换将交换热侧和冷侧状态，并且调节该电流用于使样品模块的温度循环以提供PCR所需的加热和冷却。珀尔帖元件的热侧需要移除用于单元的热量以进行恰当地运行并进行有效地冷却的方法。越有效地从热侧移除该热量，冷侧将越冷地工作，并且冷侧将更快地达到用于热传递的最佳温度。这受到所使用的散热器的质量以及用于从散热器移除过量热所使用的风扇的气流的限制。通常，热循环器设计在特定散热器的额定功率与在该设计中可以被容纳的散热器和风扇的尺寸之间进行妥协。在标准珀尔帖块热循环器中，散热器和风扇单元表示装置的大多数单元和质量。
虽然方便，但这种热循环器具有大量缺点。在这些缺点中关键在于当珀尔帖元件用于加热和冷却两者时效率会降低-例如，珀尔帖装置具有散热器形式的有效的热质量，所述散热器必须本身被加热或冷却以能够有效地对样品模块进行热传递。实现加热和冷却两者合理的效率是复杂的，并且大多数热循环器设计必须在珀尔帖元件与到样品模块的热传递的期望速率之间进行妥协。由于这种妥协，传统的热循环器通常达到不多于每秒3摄氏温度的加热或冷却速率并具有高功率消耗来实现这些中等速率的性能。
发明内容
本发明提供一种可选的热循环器装置。
根据本发明，提供了一种热循环器，包括：
用于容纳样品的样品模块；
与样品模块相邻的珀耳帖型热电元件，所述珀耳帖型热电元件被构造成冷却样品模块；
与样品模块相邻的非珀耳帖型加热装置，所述非珀耳帖型加热装置被构造成加热样品模块；
散热器，所述散热器与样品模块和珀耳帖型热电元件分隔开；和
将散热器连接到珀耳帖型热电元件的热管，所述热管允许将热能从珀耳帖型热电元件传递到散热器。
根据本发明的热循环器将加热功能和冷却功能分开，从而允许每个功能对于期望功能的优化。进一步地，使用单独的加热器和冷却元件意味着散热器的热质量不会影响珀耳帖的性能和样品模块的加热和冷却效率。另外，传统的加热元件，例如电阻加热元件，通常比珀耳帖型热电元件更加有效地进行加热和冷却两者；珀耳帖型热电元件当仅用于冷却时或当仅用于加热时更有效。
在优选的装置中，样品模块被夹在珀耳帖型热电元件与非珀耳帖型加热装置之间；例如，珀耳帖型热电元件和非珀耳帖型加热装置位于样品模块的相对表面上。传统的热循环器装置使用堆叠布置，其中样品模块定位在珀耳帖型热电元件上方，珀耳帖型热电元件定位在散热器上方，散热器定位在冷却风扇上方。样品管从上面装载到样品模块中。这种常规布置意味着除了将非珀耳帖型加热装置定位在样品模块与珀耳帖型热电元件之间之外，没有可以方便地定位非珀耳帖型加热装置的位置，这将由于需要通过加热器进行冷却而进一步降低效率。
循环器还可以包括光学组件-例如，包括光源和光检测器，任选地具有一个或多个透镜。这允许循环器用于当反应进行时实时检测来自反应的荧光或其它信号。光源和光传感器可以包括任意电磁辐射，而不只是可见光。循环器还可以包括限制特定波长的光的滤光器。循环器还可以包括第二光源；这允许相对低成本的两个标记检测系统，其中两个光源以不同波长进行照射。在循环器在每一个循环反应中使用多个样品或反应容器的情况下，循环器可以适当地包括用于每一个样品的至少一个光源/传感器组合。
在本发明的优选实施例中，光源是LED或类似装置，而光传感器是光电二极管等。传感器适当地是允许宽动态范围并且可以检测宽拷贝数核酸的记录响应检测器。这种结构允许使用简单稳固的部件，而不需要透镜或复杂的光学装置。这种光源/传感器组合已经发现足以获得反应进程的定性信息(例如，正在发生扩增)。对于许多应用来说，这种数据是足够的，并且不需要对反应的进程进行定量。
LED/光电二极管结构的使用还降低对光源和传感器相对于样品的关键定位或定距离的需要，从而再次使得循环器更加稳固。适当地，光源和传感器在不同波长的光下操作；例如，优选的光源是以490nm发射光的LED，而优选的传感器对530nm的光最敏感。这与在生物化学反应中使用的典型的荧光团一致。可以使用调节亮度的一个或多个LED以有助于从信号移除噪声和背景。
在样品模块夹在珀耳帖型热电元件与加热装置之间的情况下，样品模块的尺寸和形状优选地被形成为容纳以线性方式布置的多个样品管或一串样品管。这确保均匀的加热和冷却。在正常使用中，珀耳帖型热电元件和加热元件优选地定位在样品模块的上方和下方，并且样品模块被定向成从侧部(而不是如传统的循环器一样从上面)容纳样品保持器。与传统的布置相比较，这种布置的另外的优点在于侧开口不可能使杂质落入到所述开口中并任意污染样品或使可能存在于循环器内的任何光学组件不清楚。
夹在加热元件与珀耳帖型热电元件之间的样品模块的结构允许在能够使设计具有最小质量的同时容纳样品保持器并提供热传递的最佳形状和尺寸。与高的表面面积比率管相结合，来自样品模块的用于反应的热传递比率效率很高。
样品保持器不需要被大致水平地容纳；小于90度的角度是足够的，例如，小于80度、70度、60度、50度、45度、40度。
样品模块可以从热循环器被移除；这允许使用可更换或可互换的样品模块，例如以容纳不同尺寸或结构的样品管。
非珀耳帖型加热装置可以是任意适当的加热器，并且优选的是电阻加热器。可以使用其它加热装置。加热装置可以包括允许光通过所述加热装置的一个或多个开口；这允许使用位于样品模块/加热器外面的光源和检测器组合。
优选地，珀耳帖型热电元件被构造成当加热器被启动时停止；并且优选地反之亦然。当加热器被启动并且珀耳帖型热电元件停止时，元件用作绝热器，该绝热器用于限制从样品模块到热管和散热器组件的热量损失。这显著地降低了加热样品模块所需的时间，因此提高了实用性。独特地，这种结构中的珀耳帖布置用作“热门”，从而当被关掉时在加热期间对样品模块提供热损失，同时当被接通时还提供有效的冷却通道。
在热循环的冷却阶段热量经由热管从珀耳帖的热侧被移除。热管优选地具有大致平坦横截面，并且可以包括容纳丙酮或其它冷却流体的微通道管。例如，来自AmecThermasol的平坦冷却管是适当的。传统的热管通常根据填充有作为冷却流体的水的圆形截面铜管；这些传统的管的效率低于优选的管，还提供更加紧凑地覆盖区。在传统的热管的情况下，风扇和散热器可能需要堆叠在样品模块的上方，从而导致单元相当高。平坦冷却管或类似装置允许部件的横向顺序定位，而传统方法受限于部件的垂直堆叠。这提供了部件的紧凑定位。关键地，这允许散热器布置在热管下方，从而与传统的组件相比较提供效率很高的空间覆盖区。
热管优选地大致为S状，具有接触散热器的上部和接触珀耳帖型热电元件的下部。所述上部是倾斜的，优选地倾斜大约20°，但是在一些实施例中达到90度，而下部是大致水平的优选地大约0°，但是在一些实施例中达到90°。下部的面积优选地小于上部的面积(例如，小于上部的面积的10％、20％、30％、40％、50％)。对于最大效率来说，优选地至少最后20％热管倾斜以高于正在产生热量的下部，尽管通常大于50％热管倾斜以提供上部。这允许从热源的有效热传递，以及允许冷却流体在管内的循环。当然，要理解的是S形热管的使用对于本发明来说不是必不可少的，而是可以使用包括大致水平管的其它形状。
热管的上部连接到散热器，所述散热器可以任选地还包括轴流式风扇。该轴流式风扇用于移除产生并传递给热管的上部的过量热。散热器可以是任意适当的形式或材料，但是任选地可以是具有销翅片(pinfin)的锻造铝垫。销优选地以每cm2大于16个销翅片的“密集”形式布置。
使用高气流风扇从散热器移除热量，所述高气流风扇通常具有大于10、30或40CFM(每分钟立方英尺)的气流。经由直接冲击的气流用于从散热器移除过量热并被引导出装置。在使用可选的“翅片”散热器的情况下，轴流风扇、鼓风机风扇、正切风扇或任意适当的风扇可以提供所需的气流。
循环器还可以包括计算机处理器，所述计算机处理器可以用于监视和控制光源以及检测器、温度调节、循环程序等中的任意或所有。处理器可适当地进行用户编程以允许对于特定反应选择适当的循环程序。例如，循环器可以包括诸如键盘或触摸屏的用户界面，从而允许选择、输入或编辑期望的循环程序。
计算机处理器可以安装在诸如电路板或PCB的基板上。在本发明的优选实施例中，循环器的其余部件，例如，珀耳帖型热电元件、加热器、样品模块、散热器和热管固定到基板。例如，所述部件可以栓接到基板。这允许容易的结构和组件，并允许循环器较小的覆盖区。当然，不是所有部件都需要直接固定到基板；一些部件可以固定到其它装置(例如，加热器可以固定到基板，且样品模块固定到加热器，而珀耳帖型热电元件固定到样品模块)。壳体可以包围基板和其余部件。
附图说明
图1显示了根据本发明的实施例的热循环器的外部视图；
图2显示图1的热循环器的下侧的外部视图；
图3显示图1的热循环器的内部框架部件的侧视图；
图4显示了图1的热循环器的内部视图；以及
图5显示图1的热循环器的光学组件和样品模块的结构。
具体实施方式
首先参照图1，该图显示了根据本发明的热循环器的外部视图。循环器10包括形成有把手14的外壳12。壳体12的上表面设有允许使用者操作循环器的触摸屏界面16。壳体的前部设有开口18，其中样品保持器20可以插入所述开口18中，所述样品保持器20包括(在该实施例中)由薄壁塑料制成的三个样品管22。
图2中显示了循环器10的下侧。外壳包括开口24，其中冷却风扇26安装在所述开口24内，冷却风扇26与散热器28相邻。壳体形成有支撑件30，所述支撑件30将风扇26升高离开工作台顶部，从而允许空气循环。
图3中显示了循环器10的内部体系结构。在该图中没有显示外壳12。设置PCB基板32，其中控制和操作循环器(例如，经由触摸屏操作用户界面；启动加热和冷却元件；以及操作光学组件)所需的各种电子部件安装在所述PCB基板32上。散热器28和风扇26组件经由螺栓34固定到基板32。样品模块34也固定到基板32但是与散热器28分隔开。
珀尔帖元件36安装在样品模块34下面与样品模块34热接触。电阻加热器38在样品模块34上方。
珀尔帖元件36固定到使用丙酮作为冷却剂的、形成有微通道的平坦截面型的热管40。热管40通常为S形状，并包括与散热器28和风扇26接触的上部42和与珀尔帖元件36接触的下部44。上部42以大约20°倾斜，而下部44通常为水平的(大约0°)。下部44大约是上部42的面积的一半。
图4中显示了内部框架的视图。基板32支承操作循环器所需的电子部件和处理器，而其余部件通过螺栓46或其它紧固件固定到基板32。在该图中，可以看见热管40和样品模块34的一部分。整个组件可以简单地安装在壳体12内以便于制造。
图5中更加详细地显示了样品模块组件34。该样品模块包括光学组件(在其他附图中未示出)的各种部件。包括三个LED48的PCB46位于光学组件成形器50中，所述光学组件成形器50包括用于容纳样品管的三个孔口52和用于允许来自LED的光通过的开口54。490nm玻璃激发滤光器56在LED48上方放置开口中，并且电加热器38在滤光器上方。加热器38包括与LED对准的三个孔口58。样品模块34接着被放置在成形器50中，并且535nm玻璃发射滤光器60放置在样品模块34的后面。样品模块可以包括与LED和发射滤光器对准的孔口，或者可以使适当波长的光透过，或者可以包括在适当位置的波导。整个组件然后可以与循环器的其他部件装配在一起。
在使用中，循环器如下操作。使用者可以使用触摸屏界面16对期望的循环程序进行编程。这使得控制电子设备以适当的方式操作部件。样品然后可以被装载到样品保持器20的样品管22中，保持器然后经由开口18被插入样品模块34中。
当使用者按压触摸屏上的“START”图标(或类似的)，加热器38和珀耳帖型热电元件36以适当的方式工作。加热器38首先被启动以将样品的温度升高到期望的第一温度。同时，不启动珀耳帖型热电元件36，使得珀耳帖型热电元件36用作样品模块与热管40之间的绝热器，从而将热量保持在样品模块内。当样品模块已经达到期望的温度持续期望的时间时，可以停止加热器38，并启动珀耳帖型热电元件36。珀耳帖型热电元件36被操作以冷却样品模块34；热量从样品模块传递到热管40。热管40接着将热量从下部44传递到上部42；热量接着经由散热器28和风扇26被耗散掉。所述循环接着根据期望重复进行。
除了此之外，光学组件还可以用于监测循环反应的进程，当前循环或随后的。LED被致动以照亮样品；接着通过光传感器检测发射光。可以随着时间的过去或以具体的时间点监测发射光的强度或简单地发射光的存在或缺少。这允许执行实时PCR。
相对于传统的现有技术的循环器，这里所述的循环器具有多个优点。首先，通过分离加热和冷却功能并使用非珀耳帖加热器，从而提高了总效率。使用热管以从珀耳帖型热电元件移除废热并结合使加热功能和冷却功能分离以及当加热器被启动时珀耳帖型热电元件用作“门”允许样品模块/加热器/冷却器组件以及散热器/风扇组件的物理分离，从而使得循环器具有改进的物理覆盖区。
进一步地，“废热热量”的整体热剖面低。在使用单个珀耳帖型热电元件进行加热和冷却的标准热循环器中，散热器可以升高到超过65℃至85℃。通过本系统，散热器仅可以升高到40℃-50℃，温度明显下降。这部分地起因于能量在预先没有在PCR装置中使用的线性平坦热管内的再循环。热管确保在冷却期间热量从珀耳帖型热电元件的热侧被有效移除，从而使热能重新循环并快速冷却珀耳帖型热电元件的热侧。由散热器释放的热能较低，因此珀耳帖型热电元件需要的功率较少。
整个组件可以以有效的多个功率输入进行工作。例如，便携式，基于现场的单元要求非常低的功率分布图，使得该单元可以由电池提供电力。根据本发明的循环器可以消耗掉小于50W的总功率但仍然提供在30分钟内30×循环周期的循环时间。增加功率会降低循环时间并且不会使热交换机构超负荷。本设计允许具有这种“多功率”能力。100W输入将循环时间降至20分钟，而150W将循环时间降至15分钟。具体地，在本发明的优选实施例中，在使用中，循环器当在50W或更小功率下工作时在30分钟内在50℃、72℃以及95℃中的每个温度下经历30个或更多个5秒的标准周期；当在100W或更小功率下工作时在20分钟内在50℃、72℃以及95℃中的每个下温度经历30个或更多个5秒的标准周期；或者当在150W或更小功率下工作时在20分钟内在50℃、72℃以及95℃中的每个温度下经历30个或更多个5秒的标准周期。通过比较，标准模块热循环器需要＞500W，诸如FinnzymesPiko的热循环器的迅速模块循环器需要180W，而诸如来自Roche的lightCycle2.0的空气循环器需要800W。
事实上，在测试中，当在50W运转本发明的循环器时，热管在47℃与57℃之间变化，且散热器在40℃的常数下。当在100W时，热管在50℃至60℃，而散热器在48℃的常数。当在150W时，热管在53℃至60℃，而散热器在49℃的常数。
对于可变功率传送一样，冷却效率保持较高，并且在所有情况下散热器不超过50℃，这意味着通风将明显地低于40℃。这样的优点在于当周围温度增加时，单元的性能将保持不受干扰。
所述系统的另一个优点在于再次由于装置的效率并且因为存在从系统移除热量的多个路径，因此系统对外面的外界温度变化不敏感。这再次对于便携式单元是重要的。因此，即使在超过50℃的外界温度中，单元仍然恢复与传统的单元类似的热循环时间。这是因为风扇和散热器具有显著的消耗，使得如果外界温度上升，则更多的热量通过风扇和散热器从系统中被移除，而不是由散热器的蒸发特性被移除。事实上，相信的是本发明的一些实施例可以在大于50℃或更高的外界温度下工作，而标准珀耳帖循环器仅可以在30-40℃下工作。
所述结构允许使用由具有高热传递特性的铝或弹性体聚合物执行的低质量样品模块；这允许质量块的灵活性，这意味着消耗品不会被卡住并允许与实心质量块以及长薄壁管的良好阻力配合，这通常是不可能的。
本发明的其它优点将被清楚呈现。
Claims (25)
1.一种热循环器，包括：
用于容纳样品的样品模块；
与样品模块相邻的珀耳帖型热电元件，所述珀耳帖型热电元件被构造成冷却样品模块；
与样品模块相邻的非珀耳帖型加热装置，所述非珀耳帖型加热装置被构造成加热样品模块；
散热器，所述散热器与样品模块和珀耳帖型热电元件分隔开；和
将散热器连接到珀耳帖型热电元件的热管，所述热管允许将热能从珀耳帖型热电元件传递到散热器，其中，样品模块被夹在珀耳帖型热电元件与非珀耳帖型加热装置之间，样品模块具有用于接收样品的第一侧部，样品被纵向地容纳在样品模块中，而且，样品模块还包括一对相对表面，珀耳帖型热电元件和非珀耳帖型加热装置分别位于样品模块的所述一对相对表面上。
2.根据权利要求1所述的热循环器，还包括光学组件。
3.根据权利要求2所述的热循环器，其中，所述光学组件包括光源和光检测器。
4.根据权利要求1所述的热循环器，其中，样品模块的尺寸和形状被形成为容纳一串样品管或以线性方式布置的多个样品管。
5.根据权利要求1所述的热循环器，其中，样品模块的尺寸和形状被形成为在使用时从侧部容纳样品保持器。
6.根据权利要求1所述的热循环器，其中，样品模块能够从热循环器移除。
7.根据权利要求1所述的热循环器，其中，所述非珀耳帖型加热装置是电阻加热器。
8.根据权利要求1所述的热循环器，其中，所述非珀耳帖型加热装置包括允许光通过所述非珀耳帖型加热装置的一个或多个开口。
9.根据权利要求1所述的热循环器，其中，所述珀耳帖型热电元件被构造成当非珀耳帖型加热装置启动时停止。
10.根据权利要求1所述的热循环器，还包括计算机处理器。
11.根据权利要求10所述的热循环器，其中，所述热循环器包括允许与计算机处理器进行人工交互的用户界面。
12.根据权利要求10所述的热循环器，其中，计算机处理器安装在基板上。
13.根据权利要求12所述的热循环器，其中，珀耳帖型热电元件、加热器、样品模块和散热器以及热管也被固定到所述基板。
14.根据权利要求1所述的热循环器，其中，热管具有平坦横截面，并且包括容纳冷却流体的微通道管。
15.根据权利要求1所述的热循环器，其中，热管为大致S形，并具有接触散热器的上部和接触珀耳帖型热电元件的下部。
16.根据权利要求15所述的热循环器，其中，所述上部是倾斜的，并且所述下部基本上是平坦的。
17.根据权利要求15所述的热循环器，其中，所述下部的面积小于所述上部的面积。
18.根据权利要求1所述的热循环器，其中，在使用中，当热循环器以50W或更小的功率工作时，热循环器在30分钟内在50℃、72℃和95℃中的每个温度下经历30个或更多个5秒的标准周期。
19.根据权利要求1所述的热循环器，其中，在使用中，当热循环器以100W或更小的功率工作时，热循环器在20分钟内在50℃、72℃和95℃中的每个温度下经历30个或更多个5秒的标准周期。
20.根据权利要求1所述的热循环器，其中，在使用中，当热循环器以150W或更小的功率工作时，热循环器在20分钟内在50℃、72℃和95℃中的每个温度下经历30个或更多个5秒的标准周期。
21.根据权利要求1所述的热循环器，还包括提供电力的一个或多个电池。
22.根据权利要求1所述的热循环器，所述热循环器被构造成以能够选择的功率输入工作。
23.根据权利要求1所述的热循环器，其中，在室温下使用时，当热循环器在50℃、72℃和95℃中的每个温度下经历30个或更多个5秒的标准周期时，散热器不会升高到50℃之上。
24.根据权利要求1所述的热循环器，其中，在室温下使用时，当热循环器在50℃、72℃和95℃中的每个温度下经历30个或更多个5秒的标准周期时，散热器不会升高到63℃之上。
25.根据权利要求3所述的热循环器，其中，所述光学组件具有一个或多个透镜。
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