CN103260760B - 加热和冷却小体积生物反应容器 - Google Patents

Abstract

一种用于接收化学和/或生物反应处理容器的容器杯组件（300），该反应处理容器容纳反应物并处理其中的反应，并且包括：反应容器接收部分；加热部分（301）；和冷却部分（302）；其中该组件是一体的结构。

Description

加热和冷却小体积生物反应容器

技术领域

本发明涉及用于生物学或化学反应的设备，其中热循环在反应中被使用。其特别涉及诸如聚合酶连锁反应（PCR）的反应，虽然等温反应也是非常可能的。

背景技术

PCR处理在美国专利4683195和4683202的说明书中被详细地描述。

典型地，很多的小体积的反应在一个设备中同时进行，其中多个反应容器在同一时间被接收在反应设备中。通常，反应容器是盘的形式，已知为微量滴定板（其由容器的阵列构成）。在一个标准微量滴定板中，96个容器形成在一个8×12的阵列中。为了控制和监测反应，设备包括监测温度和控制施加到反应容器内容物的热能的装置。

在涉及多个热循环的反应中，循环的冷却部分可使用水或非导电的流体（如“XP流体”）或冷却块（其由珀尔帖装置供能）和/或在容器（或多个容器）上方的风扇吹动的冷却空气来实现。有时冷却是连续地提供的，并且与持续的冷却环境相反，循环的加热部分被执行。因此，例如在传统的块部件式热循环器中，利用直接加热器（如热垫）实现加热，利用受迫的空气或主动地通过热电热泵来冷却。在其他热循环设备中，加热和冷却通过在被吹送的热空气和被吹送的冷空气之间的往复切换而实现。

例如当需要确认什么可能是危险的病原体时，存在一些情况，其中非常希望这种反应所耗费的时间最短。用于使循环的加热部分所需的时间最小化的设备在共同未决的英国专利申请号0609750.5和0610432.7中被描述。如0610432.7那样使用导电聚合物。导电聚合物用作或部分用作反应容器的材料。利用受迫的冷却的或环境空气实现冷却。

基于块部件的系统不可避免地具有相对高的热量而强迫通风系统具有低的热量。这能影响快速加热和冷却。

同样重要的是：获得尽可能快的加热，同时避免热冲击或定点沸腾。而且，传统的基于块部件的系统受到大热量以及容器自身的绝缘性和几何形状的限制。基于空气的系统类似地受到这些容器的热特性的限制。因此，到目前为止主要的方法只能以每秒约2.5℃（当以容器自身的水平测量时，实际以流体转换形式的峰值加热速率能明显变得较长）来加热容器。

但是，还重要的是满足这样的事实，即，快速热循环过程可影响机械方面的考虑因素，如果对这些参数（如材料的膨胀系数和疲劳系数）没有注意，其设备或构件可能具有短的寿命。

例如，执行具有96个容器的阵列的热循环的设备可被布置成将容器的阵列提供到用于循环的设备的容器位置，并且在其完成时将它们去除。因为热循环将非常有效且快速地进行，在每个容器和加热、冷却系统之间的接触越紧密，越可能存在容器位置的机械疲劳问题（由不断重复放置和取走容器引起，由于热循环而加剧）。因此可发生一个或多个容器位置的损坏。容器接收位置的构件的替换会是昂贵的操作。

本发明提供一种设备，其中生物学或化学反应的热循环以期望的速率被保持，同时每个容器位置的整体性被保持经过至少可接受的使用时间。

另一种用于DNA类型（如病原体）的快速检测的考虑是在最短的时段内在单个测验中准确地测验多种类型的能力。能独立地控制和监测（如96n个容器的阵列中的）每个容器的设备允许同时完成多个测验，因此实际上提供了相对短的时间段，同时也由于独立的监测能力而具有更实用的重要优点。

分子诊断测验（如PCR处理和最近的实时PCR（美国专利号6171785））已经大大减少了检测多个疾病的时间。目前的技术受到处理的物理成分的限制，从而为过程能完成的时间增加了下限，而主要的目的通常是减少时间。对于通常使用的96n（n大于1）阵列的替代性的方法已经被使用，以减少该循环时间，如基于空气（美国专利5455175）的热循环装置。这些方法有不适于自动化且同时筛分大量样品的缺点。

因此非常有利的是具有一种系统，该系统能利用变温速率（ramping rate）来热循环单个容器或包括96n阵列的测定的多个容器，变温速率是液体中的温度超过5摄氏度每秒的加热和冷却。

然后这种系统能在20分钟内、通常被接受的三个步骤、三十个循环记录（cycleprotocol）（95℃处零秒、55摄氏°处一秒，72℃处五秒-作为实例）完成PCR处理，因此非常适于快速检测病原体。此外，对于这种容器非常有利的是，可应用于任意数量的容器并且也在床边检测中便携地使用。作为基准点，具有现代化设计和结构的标准96个容器的热循环装置能在利用标准消耗品的液体中以达到1.5摄氏度每秒的平均速率进行循环。

在减少处理时间方面存在很多相互依存的需要克服的技术问题。

如果结果数据是将被再现的，所描述的生物处理要求成阵列的每个容器经受完全相同的加热曲线。基于96个容器的标准块的循环装置在至少四个位置被控制和监测：如果系统能快速加热，那么在阵列中的单个元件能在加热方面落后于它周围的单元。

那么非常期望96个容器中的每个被单独地控制并且每个容器被同样地控制。如对于本领域技术人员来说显而易见的是，在这种速度下，即使控制方面存在稍微的差别也能导致温度曲线的很大的不同。0.5摄氏温度的准确性是通常被接受的。

现有方法的另一缺点是热循环所需的质量。使所涉及的质量最小是增加热循环速率的前提。因此，为了在微量滴定情况下有利的操作，与加热和冷却最相关的硬件优选体积和重量尽可能小。

热循环处理的能量需求的减小对于流体中以超过5℃/s的速率的热循环来说也是前提。

如在US12/381953中的实例所描述的储热系统能减小这种热循环设备的能量需求。但是，其中描述的设备不能将容器驱动到低于被附连的热电冷却器（TEC）的最高值Dt（Dt max）所允许的温度。另外在必要的文献中描述的散热模块以高于所需最低温度的温度工作，以便不能达到高的冷却速率。此外，即使在单片结构中，在块部件上变化的热扩散速率是可能的，因为外侧边缘可向例如环境失去更多温度。这能通过控制电子元件来补偿，但是由于较大的热循环速率该问题可能被加重。

本发明提供了一种设备，其中在生物学或化学反应中的热循环以远大于通过现有技术能获得的那些循环速率的循环速率被执行，并且每个反应容器被独立地控制。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于接收化学和/或生物反应处理容器的容器杯组件，该反应处理容器容纳反应物并处理其中的反应，容器杯组件包括：

反应容器接收部分；

加热部分；和

冷却部分；以及

其中容器杯组件是一体的结构。

根据本发明的第二方面，提供一种化学和/或生物学反应设备，该反应设备布置成用于接收如上所述的容器杯组件。

根据本发明的第三方面，提供一种化学和/或生物学反应方法，该方法使用如上所述的容器杯组件和设备。

该容器杯组件可以是一体结构。冷却部分可构造为固定件，以将组件固定到化学和/或生物学反应设备中或用于化学和/或生物学反应设备的冷却组件中的反应容器接收位置内。

反应容器接收部分可包括用于紧贴地接收反应容器的杯。将反应容器紧贴的接收到容器杯组件的意思是大体接触且有可分离性。

加热部分可至少部分的与反应容器重叠并且被加热器围绕，加热器可采取缠绕在其上的线圈的形式。线圈被漆包封，该漆例如是瓷漆，瓷漆能被“热加工”，以稳定线圈并使其与外部绝缘。但是，优选地使用胶，例如紫外线固化胶，这也具有将线保持就位的特性。该线可以是直径为0.21mm的镍铬、用24伏电压驱动并能导引2.2安培的最大电流。在具有如这里所述的毛细管式反应室的微量滴定容器的情况下，线的长度是约36cm。其他反应容器很可能具有不同的要求。

替代性地，加热器可具有导电聚合物（ecp）（包括导电颗粒，例如石墨或金属或惰性塑料载体（如聚丙烯等）中的类似物）或金属膜的护套。但是，目前能得到的ecp没有被发现在性能方面是可预测的。

容器接收部分可具有均匀的壁厚，以避免沿其长度或围绕其的热点-温度变化部分。但是，已经发现朝开口端变细的杯壁提供对流体甚至是热分布的有效控制，同时也有助于相配的反应容器的配合、紧贴的安装及去除。在2°至5°之间、优选是约4°的锥角已经被认为是合适的。例如杯入口壁厚是约0.35至0.45、优选是0.4mm且杯基部壁厚是约0.9至1.1、优选是0.95mm的情况下，壁厚在沿杯的长度的大体（convenient）中部位置处对于形成温度传感器接收凹部来说是足够的。在该凹部中能随后布置热传感器，例如电热调节器，以用于进行热控制。Measurement Specialties Ltd公司已经提供了合适的裸式电热调节器，其长度小于3mm，平均直径为约0.2mm。为了确保该电热调节器可靠地固定在其凹部内，电热调节器的尾端线可围绕容器接收部缠绕多次。电热调节器优选布置成在加热器上方较短距离处，以便读取的不是加热器的温度而是杯的温度。在这种情况下，电热调节器能布置成或校准成以预测的方式操作，这能表明反应物的温度在已知很多毫秒之后的情况。

如这里所述的容器杯组件具有特定的优点，当加热部分加热并且热必然向下和向上流动时，向下的流动用作冷却部分工作的屏障而容器接收部分处于加热模式。

传感器（电热调节器）应理想地定位成其物理温度恰好与试剂流体的温度匹配，其次被构造为其施加与流体自身经受的热延迟相等的可再现和可计算的热延迟。

已经发现特别有价值的是，确保杯的底部和反应容器的基部之间存在气隙。这确保了反应容器几乎不被从下面加热（这可能成为热点）。而且，塑料反应容器的制造中，容器的基部倾向于是至少尺寸可预测的，以便用于热传递的与其接触可导致反应容器彼此之间处理不一致。典型地，2至4mm的间隙对于该气隙来说是足够的。

应该理解，在微量滴定反应容器的情况下，根据本发明的容器杯组件具有的整体尺寸大约为长2至4cm、直径0.4至0.7mm。有效地，容器杯组件的体积非常小，热能很快（其是变温速率）的输入和移除，变温速率能实际上高达反应能接受的程度。

在例如可机加工的铝合金形成的容器杯组件中，上述尺寸足以使反应容器反复插入和取出。铜或银可用于替代铝，但是铝是特别合适的，因为其成本低、容易机加工且易于进行阳极化处理。阳极化处理减少了线圈短路的可能并防止腐蚀。因而容器杯组件包括导电线芯的情况下，导电线芯可构成通向加热器的电能的回路。

优选地，容器接收部分和加热部分包括规则圆柱形，并且由杆制成，因而有利于这里使用的加热线圈的制造和缠绕。有利地，加热部分具有外部螺纹凹槽，以用于容纳线。这既有助于线圈的放置和保持，又增加了彼此接触的加热部分和线的表面积。虽然优选地，螺纹轮廓是圆的以匹配线的轮廓，但V形螺纹轮廓已经被证明是可接受的。到目前为止，线没有绝缘涂层并且加热部分通过例如阳极化处理是绝缘的，然后螺纹轮廓设置成线的相邻线圈不彼此接触。

一种用于形成容器杯组件的方法可因而包括：

采用一金属，优选是合适尺寸的铝杆；

在一端钻出如这里所述的容器接收部；

在其被选定的加热部分上形成螺纹；

朝向容器接收部分的基部形成温度传感器凹部；

使铝杆阳极化；

在加热部分上放置胶；

在加热部分上缠绕加热线；和

使胶固化；

胶可以点的形式施加在线的开始部分和端部。绝热胶或套部件可施加到线圈组件并且随后固化。

制造方法可通过以下方法而得到辅助：使管端位于组件的选定的冷却部分下方，铝杆借助该管端能被保持以用于钻孔、车削、磨削（如果需要）、粘接，以及绕丝和固化步骤，随后管端被移除。如果冷却部分伸入冷却剂，然后管端可构成突出元件，或如果翅形件形成在突出元件上，管端可在突出元件下方以用于随后移除。

在组件（其具有在加热部分和冷却部分之间的止挡凸缘）的优选实施例中，制造方法包括以下步骤，在杯接收器、加热部分和冷却部分处将止挡凸缘的外径的杆车削变细。

热传递部分可因而包括销状部，销状部将伸入冷却组件中的冷却液通道。销状部可被穿孔或设置有肋状件，以使其热传递表面最大化。如果销状部具有横向孔，以用作冷却流体的通路，那么容器杯组件可结合有指示器（可能不是键槽），以利用其确保对准。销状部伸入冷却流体通道，与流体相结合，流速有意设置成，在一些这种销状部以串联矩阵的形式伸入的情况下，在每个销状部处流体温度基本相同。

冷却部分优选形成为干涉配合和密封配合在希望的冷却组件中并可因而结合上述的环形固定止挡件，以用于确保其正确插入冷却组件。因而该配置优选设置成：容器杯组件可压入冷却组件，可能使用了成形为接合容器接收部分的内部基部的心轴。当然干涉配合有助于通过传导进行热传递。为此目的，如果冷却部分和冷却组件由相同材料（优选可机加工的铝）形成，那么这是特别有利的。在这种情况下由于热而产生的膨胀和收缩不应影响配合，这优选围绕冷却部分和在冷却部分下方保持连续，换句话说，冷却部分不接触冷却流体，除了到目前为止孔可形成在冷却组件中以允许空气从冷却部分和冷却组件之间流出。但是，空气流出孔可以是盲孔并且向上形成在冷却部分中或向下形成在冷却组件中。

根据本发明的其他特征，冷却组件可包括其中具有通道的基体，通道适用于冷却液的流动。基体可由布置成配合在半通道平面处的子组件形成。通常通道是迷宫式的和曲折的。

对于其冷却液接触冷却部分的冷却组件的情况，容器位置的配合甚至更重要的是以密封的方式将冷却部分安装到冷却组件。还有利的是，可替换的密封装置例如O形环和密封胶被省略，因此使成本和结构复杂性最小化，从而不能忘记放置它们。虽然使用类似材料对于冷却部分是优选的（因此对容器杯组件和冷却组件也是优选的），替代方案是使用比其他材料硬的材料。冷却组件可因而由聚丙烯、树脂或其他柔性材料构造并且优选在96个井的阵列的情况下是单独的块部件。应该注意的是，销状部组件不需要伸入流体通道，流体以所需的速率经过块部件自身能移除多于的热能。

幸运的是，通常的情况是，涉及热循环的生物学或化学反应中所需的较低的温度高于环境温度。通常绝对必要的是，较低的温度像较高的温度那样被精确地控制。因此实现这些反应且结合有根据本发明的冷却组件的设备也可具有加热器，以用于将冷却剂加热到希望的温度。这具有额外的优点，即，防止冷凝形成在模块外部。

这些组件的冷却因而可通过冷却液被提供，在优选的实施例中其是无电荷的承载流体例如流体XP。为了使冷却保持持续，流体可布置在结合有散热器的回路中，从而多余的热能被排到大气中。为了使热损失最小，散热器可被控制成只有希望量的热被去除，之后该流体返回到储存器。

流体进入块部件的温度通过热交换器被典型地提供成是约20至40℃，优选是室温，即大约25℃。温度实际上也能是低于循环中的最低温度的任何温度，但较高的温度通常降低能量需求。在96个容器的阵列的本发明的实施例中，可以存在歧管，通过歧管热交换器供应八个冷却液管（其布置成经过十二个容器杯组件）或十二个冷却液管（其布置成经过八个容器杯组件）。

应该理解的是，在上述的设备中，热循环借助将通向加热线圈（其紧紧地围绕容器接收部分被缠绕）的电流增大的装置而进行，并且这反作用于持续的流体的冷却。当需要冷却时，能量从加热器去除，杆将快速地降低到冷却液的温度。被插入成紧密地位于反应室下方的温度传感器用于控制需要将多少电流供给到线圈。本发明的优选实施例的结构的重要特征是，热以给定的和受控的速率从加热器向下和向上扩散，结果，隔热层形成在冷却部分之上同时热均匀地向上充满容器接收部分，并因而进入反应容器。

应该理解的是，本发明的重要优点在于与冷却组件相关的容器杯组件的可去除性和可替换性。为此，插入工具可被提供以用于驱动容器杯组件在冷却组件中保持在原位。故障的组件可以用合适的抓取装置（例如镊子或更可能通过钻过故障的容器杯组件）移除。

冷却组件可结合有用作接点（如用于通向向加热器的电源以及用于热传感器的那些部件）的歧管和安装件。歧管和安装件可有利地包括印刷电路（PCB）。

设备可以是使用单个位置-用于单个反应容器的类型。替代性地，设备可以是使用多个位置的类型。特别地，设备可布置成将矩形阵列中的整数的多个反应容器或96个反应容器的标准阵列接收在位置中，通常包括12×8个这样的位置。另外，设备可以是热循环设备，以用于进行例如聚合酶连锁反应（PCR）。

典型地，这种标准阵列具有在中心9mm隔开的矩形上的容器。当然，这对根据本发明的装置的结构施加了限制，并且其特征是这种结构是完全可实现的。

如这种96n阵列的情况下的反应容器典型地是现在某种程度上作为标准结构的微量滴定容器。在这种结构中，容器具有的整体尺寸大约为2cm长、最大直径0.7cm，并具有从约0.45cm到约0.3cm变细的反应部分和用于接受透明盖的漏斗进入部分。通常的情况是，这种容器用盖在反应的持续时间进行密封，这种盖可以是半透明的或甚至是其邻近样品的部分是透明的，从而反应的进程能通过反应容器外部的光学系统被监测。

反应容器可由带有碳颗粒以用于热传导的塑料形成。通过使用根据本发明的容器杯组件中的这种容器，能实现PCR完成的时间小于20分钟的目标。

替代性的反应容器可只由聚丙烯形成（实际模制为12×8的井式块部件）。这比上述的单个的带有碳的井式部件制造成本低得多，使用它进行PCR处理将比20分钟稍长。当然这意味着成堆的96个容器杯组件。应该理解的是，这些组件的根部处于冷却组件中，而且这能是用于如上所述的单个地形成的反应容器的情况。后者通常安装在预成型的盘部件中。

在本发明的替代性实施例中，容器杯组件冷却部分可布置成用于附连到TEC或珀尔帖单元。为了快速地实现TEC内的热的散失，冷却部分可以是截锥形，该截锥形具有能被焊接到TEC的表面的宽基部。低温铟基焊接是优选的，其将在气相炉中被附连到TEC表面，以获得基部上的平均的温度分布。

这种布置的特定的优点是在循环的加热部分期间TEC能被惰性地提供，以便非常少的热没有进入杯。但是，铝无论是否被阳极化处理目前都不允许焊接，所以冷却部分可包括例如通过型锻而附连到铝的金属（例如铜）基座，此后通过焊接附连到TEC。替代性的方案是具有机械框架，以将容器保持在TEC上或将铜螺纹连接到铝。

因此，每个容器可具有其自身的单独的散热模块，质量和结构被优化以进一步减少热循环所需要的能量。这些模块可以是彼此完全独立的，但布置成其中一些可对于同样的反应过程按需要聚集在一起。分散元件也能构成多达4个或16个容器的阵列，这是2乘2或4乘4的阵列。这种布置有其他优点，元件能由于日常维修目的而被单独地去除。单个容器循环单元可使用8mm乘8mm的TEC装置，4个和16个容器使用尺寸分别为17mm乘17mm和35mm乘35mm的装置。

虽然在这种情况下使用TEC能大大增加通过该系统可实现的冷却速率，但其同时减小了系统快速加热的能力。该问题通过提供串联的第二加热电路被克服，其中珀尔帖单元允许另外的加热被施加到系统（当需要时或按需要）。附加加热电路可印刷到TEC装置的顶部上或实际布置在两个陶瓷板（用作TEC的顶表面）之间。

这些容器的快速热循环能在系统中的单个构件上施加明显的应力，TEC可能特别容易发生故障。具有高弹性模量的材料可特别用于使热导致的机械应力的作用最小化。TEC的顶表面和底表面可利用铟基焊接或具有高导热性和高弹性模量的其他这种材料相应地被附连。而且示出的工作是利用铟基焊接的焊接装置的一侧，同时利用导热的硅树脂胶来附连另一侧。但是，优选的构造方法是TEC的两个表面都使用铟基焊接，并且利用镓基流体（其温度能控制成达到焊接的液相点）在气相炉中构造组件。为了有助于该情况，TEC装置应优选通过预先镀锡而涂覆金属，以提供能锁住铟基焊料的表面。

为了保护该组件，整个组件或任何其构成部分还能以保形涂层（优选地是聚对二甲苯）的形式被覆盖，以便防止由于大气条件而损坏，特别是水的冷凝（其能导致TEC柱的短路）和或热变化期间发生腐蚀/裂缝。

为了获得大于5℃/s的热循环速度，必须使TEC具有足够的热泵功率。散热模块的最佳温度被控制到35-45℃，这带来了冷却能力增加同时加热能力的冲击最小化的最佳平衡。

至于从容器杯组件到流体反应物的热传递自身，重要的是构件良好的相配。用于反应容器的模因此能被高度抛光，反应容器接收部分的内表面也是这样。超过5℃/s的变温速率能利用壁厚小于0.3mm的反应容器（需要注意的是其借助本领域已知的制造技术例如塑料成型、用导热率最小为1W/MK的材料制成）实现。在优选实施例中，容器由含60%w/v碳的高负载聚丙烯制成，且壁厚为0.2mm。此外，为了使管状容器中的竖直热梯度最小化，整个反应物液柱优选封装在容器保持部分中。杯自身可以是镀金的，以用于使性能最佳。这种情况和由铟焊料提供的弹性减小了循环系统的构件部分的故障率。控制的其他等级能通过增加在设备顶部处的独立控制的加热压缩环而提供，这提供了两种功能。首先，确保容器被压入锥形配合部，从而确保热接触，其次，提供了增加额外的热的装置，从而确保没有冷凝能形成在管的盖上或防止当设备中使用较大体积例如超过100μl时形成热梯度。

附加二极管传感器可设置在每个TEC的中心内，以有助于温度测量和控制。

优选地，该设备使用电子控制电路，该电路能单独说明每个容器的位置且以期望的速率控制它们，从而获得小于+/-0.5，甚至可能是0.2℃的准确温度。控制装置能在其电路中结合二极管，该电路布置成提供TEC装置的热性能的反馈，例如确定是否发生故障和评价是否加热/冷却能量的最小需求通过阵列中的每个TEC装置而被满足。

在其他实施例中，TEC使用较大基部的陶瓷，该陶瓷布置成用于在其上安装2，4，8，16个或更多个单独的模组，每个TEC模组具有与相邻的TEC分离的自身被隔离的上陶瓷板。因此多个TEC形成能容易地定位的组，该组能比单个TEC更准确地安装。每个TEC保持其自身的单独热曲线。

用于连接的线能是在下陶瓷基板中的螺纹通孔或利用PCB通孔电镀技术形成的通孔。这能形成按压和使固定到子组件焊料提供电连接和热连接。如果存在附加加热的需要，那么这些TEC装置可类似地通过利用结合有加热元件的附加顶部瓷砖来构造TEC而被改进。然后两个顶部瓷砖能以沙楔（sand wedge）的形式被结合在一起，以便加热元件被保护在陶瓷沙楔之间。加热元件能是印刷在陶瓷表面上的丝网或被蚀刻的。而且，该较大的TEC装置能结合有附加顶部瓷砖（其结合有温度测量元件），两个顶部瓷砖形成沙楔，沙楔封装温度测量元件，例如电热调节器或二极管的结合。这能提供TEC自身的工作的温度反馈，包括指示故障。

使用热传递模块（HRM）的情况下，优选地是，热传递模块相对于仅有的反应容器或最多相对于热传递模块小组（例如四个热传递模块的阵列是单独的。在这种情况下，特别是96n个容器的情况下，特定的容器或容器的组的冷却与其他容器或容器的组并联的发生，并且结果在某种程度上更一致，并且或许比较大的组通过单个散热模块串联地冷却更快。

合适的热传递模块可包括具有冷却液（水）的入口和出口的套部件和安装在套部件内的芯部件，芯部件具有通向围绕其的冷却液腔的皱褶、隆起或翅状表面。套部件可类似于格子部件（waffle），具有：多个冷却液入口，每个容器小组或每个容器一个入口；和一个或多个液体出口歧管。芯部件可类似于螺栓，具有圆柱形杆和例如四方头，杆密封地位于套部件或从套部件可移除，并具有形成在其上的褶皱、隆起或翅形表面，头部包括用单个反应容器或可能是四个这种容器的组的基部。芯部件可由高热传导金属如铜或铝制成，翅形部分或类似部分可向其远离头部的端部更突出，由此有助于吸取离开头部的热。

芯在其上可具有：用于电导管的可能轴向的孔，并可在杆远端处承载印刷电路（pcb），印刷电路承载各种电指令元件、控制元件和沟通元件。

典型地，在96n个微量滴定容器的情况下芯部件具有2平方厘米的头部和不超过约3cm的总长度。

珀尔帖单元（TEC）可安装在芯的头部上并且布置成在循环的起始有助于在循环的冷却部分期间从反应容器去除热，并且极性也许相反，以抵抗在循环的加热部分中热向下流动。珀尔帖单元（特别是在96n个微量底端容器的情况下）可包括四个分开单元的组或可能是具有共同的基板或每个容器一个可操作的上板（即。也许是四个可操作的上板）的单个元件。典型地，在那种情况下，珀尔帖单元可测量每反应容器8平方毫米。珀尔帖单元还可在其基板上形成有一个或多个孔，以使连接到其上的电导管直接向下经过而不是在其边缘伸出。如果珀尔帖单元安装在pcb上，然后安装在芯的头部上，就像导管能被直接焊接到pcb上那样，这能是特别有用的。

珀尔帖单元的深度可能相对不重要，虽然越深越容易抵抗由于热膨胀和热收缩引起的分层。但是，典型地，深度可以是约2-3mm，并且板具有的厚度是约0.3-0.5mm。

加热板可布置在芯的头部和加热杯之间或形成加热杯的一部分，当使用加热杯时在珀尔帖单元的上方。加热板可包括陶瓷片材。电导管形式的加热元件可采取将加热板保持在原处的粘接剂的类似曲折路径之间的曲折路径的形式。加热板对于一个容器或一组容器（例如四个容器）可以是唯一的。

温度传感器可以在加热板下方布置在中心处。虽然非常薄（例如小于2mm、甚至1mm）的传感器是可获得的，但加热板上的凹部或孔可允许传感器的定位。传感器可连接到芯部件的杆部下方的pcb。在替代的结构中，传感器安装在加热杯中或紧密地位于容器下方的加热板上，这种情况下，如上所述的，优选具有热点消除空隙。

pcb可结合有：H形桥接件，以用于控制通向珀尔帖单元的电流的方向；和用于控制热循环的装置，包括例如传感器。

在珀尔帖单元安装在pcb上的情况下，可在pcb中或允许更快地将热传递到芯部件的pcb之间存在间隙。替代性地，pcb可结合有容纳导热材料的空隙。

利用铟基焊接可实现各种元件相对于彼此的附连，这构成高热传导的、但有机械柔性的介质。

在本发明的另一实施例中，容器接收部分可包括具有低侧壁的盘部件，其可能是大体扁平的，也可能是矩形的。因此其适于接收承载反应物的滑动式部件或囊式部件。

在本发明的另一实施例中，容器接收部分可限定槽，槽适于接收形成在滑动式部件的一部分上的反应室，滑动式部件可以是信用卡的尺寸和（也可能是信用卡的）结构。这种滑动式部件可结合有被封装的通道，其中反应物从一个位置向另一个位置前进，以在生物学、化学或生化方法中经历连续的阶段。

根据本发明的容器杯组件的特定优点在于其或其构成的阵列能容易地被结合到用于执行化学、生物学或生化处理的设备内。在优选的结构中，该设备包括平台，容器杯阵列可安装在平台上，然后平台被抬升到处理位置且在完成该处理时从处理位置下降。平台可结合冷却位置或冷却系统的一部分，这种情况下容器杯组件也包括冷却系统的一部分，特别是被附连的珀尔帖单元或TEC。

附图说明

现在参考附图只通过一个实例描述本发明的实施例，在附图中：

图1是根据本发明的容器杯组件的第一实施例的示意性侧视图；

图2是图1中的II-II上的剖面图，但示出了就位的反应容器；

图3是根据本发明的容器杯组件的第二实施例的示意性侧视图；

图4是图3中的IV-IV上的剖面图；

图5是其他容器杯组件的侧视图；

图6是图5中的IV-IV上的剖面图；

图7是适用于接收平底囊式或滑动式反应容器的容器杯组件的侧视图；

图8是图7中的VIII-VIII上的剖面图；

图9a是珀尔帖单元的分解轴测图；

图9b是图9a是珀尔帖单元的分解侧视图；

图9c是图9b中的IX-IX上的剖面图；以及

图9d是图9b中示出的单元的平面图。

具体实施方式

图1和2中示出的是容器杯组件，容器杯组件按照从顶部到底部的顺序具有容器接收部分100、加热部分101和冷却部分102。在冷却部分102和加热部分101之间存在环形固定止挡部103。

容器接收部100是用于紧贴地接收反应容器的杯的形式。杯壁以约4°的锥角向开口的上端变细。杯入口壁厚为约0.4mm，杯基部壁厚为约0.95mm。在容器接收部100的基部处，允许在基部和反应容器底部之间形成间隙100a。间隙100a为约2至4mm深。

在沿着杯100的长度的大体（convenient）中部位置（station）是温度传感器接收凹部104。在该凹部中布置电热调节器105。Measurement Specialties Ltd公司已经提供了合适的裸式电热调节器，其长度小于3mm、平均直径为约0.2mm。为了确保该电热调节器105可靠地固定在其凹部104内，电热调节器的尾端线围绕容器接收部100缠绕多次。电热调节器105布置成在加热器上方较短距离处，以便读取的不是加热器的温度而是杯的温度。电热调节器设置成以预测模式工作。

加热部分101具有V形轮廓的外部螺旋螺纹状凹槽101a，以用于容纳（seat）加热线圈106（如图5中所示）。该线是直径为0.21mm的镍铬、被布置成用24伏电压驱动并能导引2.2安培的最大电流。在该微量滴定容器的情况下，线的长度是36cm。使用紫外线固化胶将线106保持就位。凹槽101a形成为当杆被阳极化处理时相邻的线圈不彼此接触。

冷却部分102构造为固定件，以将组件固定到化学和/或生物学反应设备中或用于化学和/或生物学反应设备的冷却组件中的反应容器接收位置内。冷却部分102相对于冷却组件形成为在外周处和基部处与其邻接。冷却组件的冷却部分接收井的基部处的1.0mm的盲孔用于容纳彼此配合期间压缩的空气。环形固定止挡部103控制冷却部分的深度，以在视觉上确保冷却部分在原位。

图2示出将反应容器200安装在杯100中。容器是微量滴定反应容器，其包括反应室201和漏斗部分202。反应室部分紧贴地配合在容器接收部分100中，在反应容器的底部处在它们之间留下间隙100a。漏斗部分202接收透明材料制成的盖。

在图1和2中示出的实施例的一些变型中，另外的探针或针头（pip）（或许有肋片）可从冷却部分102的基部延伸并伸入冷却剂，当然冷却组件被布置成用于实现这种伸入。但是，这种探针或针头可用作套管同时缠绕线圈，其可在缠绕线圈后被去除。

在图1和2中示出的容器杯组件通过车削铝合金杆而形成，该杆在机加工之后被阳极化处理，以用于电绝缘的目的。因此，其是一体的结构。

图3和图4中示出的本发明的实施例具有容器接收部分300和加热部分301，类似于图1和2中描述的实施例中的那些部分。但是，冷却部分302是截头椎体，其具有比顶端更宽的基部，以便使与冷却设备的接触表面最大化，在这种情况下冷却设备是珀尔帖单元303，珀尔帖单元303的上板304被附连到冷却部分302。至少冷却部分的基部（底板305）由铜形成，以通过焊接更容易地使其附连。铜的底板305被型锻到冷却部分302。图3和4中示出的容器杯组件以其他方式由能机加工的铝杆形成。

辅助冷却块307附连到珀尔帖单元303的下板306。如同图1和2中示出的冷却部分102，冷却块307构造成紧密地配合到散热模块（heat reduction module）内，在这种情况下，散热模块将使下板306的温度稳定。

在图5和6中示出的容器杯组件类似于图3和4中示出的容器杯组件，除了冷却块307上形成有探针308。探针308上形成有肋片（fin）309，肋片309适用于伸入散热模块（HRM）中的冷却液管。

铟基焊接用于将底板305附连到珀尔帖单元上板304和将下板306附连到辅助冷却块307。

在图7和8中示出的容器杯组件类似于图3和4中示出的容器杯组件，除了容器接收部分700是截头锥体形式。该部分700具有形成在其中且适于接收平底囊式或滑动式反应容器的浅盘部件701。

在图9a-9d中示出的珀尔帖单元（TEC）能是在图3-6中示出的单元303。其包括基本的珀尔帖单元900，珀尔帖单元具有陶瓷加热板901和设置在板901与单元900自身之间的盘管（serpentine）902。

为了与微量滴定反应容器一起使用，在图1-4中示出的容器杯组件的整体长度为26mm，杯的外部直径（容器接收部分100、300）为5.0mm，冷却部分102的直径为6.0mm。如果针头保持与冷却部分102在一起，其尺寸典型地是长4.0mm且直径为3.0mm。

在图1和2中示出的实施例的特定情况下，容器杯组件是放置在散热模块（HRM）中的单个接收位置中的8×12=96个容器杯组件的阵列中的一个。接收位置是1.0cm中心上的矩形阵列的方式。散热模块是结合有用于冷却液的迷宫式通道的可机加工的铝块。其形成为配合在通道深度的一半处的分开的块部件。散热模块安装在反应设备中，反应设备也容纳有冷却液储存器和用于控制其温度的装置。散热模块的进口歧管和出口歧管连接到该储存器。

HRM形成布置在反应设备中的平台的一部分，以能用于接收容纳反应物的反应容器的阵列并且它们盖已经配合到其上，平台还具有相连的装有弹簧的提升装置。该设备因此构造成抬起平台并通过反应容器的盖抵靠压板而按压反应容器，以在反应过程中将反应容器保持成紧贴地接触容器杯组件。压板在邻近盖的中心处穿孔，以有助于借助设备的光学装置看到反应物。

在用于同时在每个反应容器200中的样品上执行PCR的反应设备中，存在保持件，在该保持件内容器以它们的阵列的方式被保持并且填充有反应物。容器盖随后被放置，并且保持件被提供到散热模块（HRM）。

HRM安装到升降机上，朝向升降机顶部的是加热板，其孔道与反应容器的盖一致。因此，当升降机将已装载的HRM提升到反应位置时，压板确保反应容器与它们的相应的反应容器杯组件的杯接收部分紧贴地接触。光学观察设备位于压板上方。

然后反应能够开始。在执行PCR的情况下，使容器中的反应物具有较高的温度，以用于使反应物中的DNA变性、短暂地保持在该温度、冷却到中等的退火温度并短暂地保持，然后冷却到较低的温度（DNA在该温度延长）并短暂地保持，该循环被重复多次直到在反应物中检测到颜色的改变。

Claims (73)

1.一种容器杯组件，该容器杯组件用于接收聚合酶链式反应的反应容器，该反应容器容纳反应物并处理其中的反应，该容器杯组件包括：

反应容器接收部分；

加热部分，该加热部分具有缠绕在加热部分上的线圈，该线圈用作加热器；和

冷却部分；

其中容器杯组件是一体结构；

其中，加热部分至少部分地与反应容器接收部分重叠；

冷却部分包括销状部，该销状部布置成用于伸入反应设备的冷却组件中；

在反应容器接收部分中具有温度传感器。

2.根据权利要求1所述的容器杯组件，其中反应容器接收部分包括适于紧贴地接收反应容器的杯。

3.根据权利要求2所述的容器杯组件，其中杯具有恒定的壁厚。

4.根据权利要求2所述的容器杯组件，其中杯的壁厚朝向其开口端逐渐变小。

5.根据权利要求4所述的容器杯组件，其中杯的壁厚具有在2°到5°之间的锥角。

6.根据权利要求5所述的容器杯组件，其中锥角是4°。

7.根据权利要求4所述的容器杯组件，其中杯的壁厚在其边缘处为0.35mm至0.45mm，在其基部处为0.9mm至1.1mm。

8.根据权利要求2所述的容器杯组件，其中在杯的底部和反应容器的基部之间设置有气隙。

9.根据权利要求8所述的容器杯组件，其中气隙为2mm至4mm深。

10.根据权利要求1所述的容器杯组件，其中反应容器接收部分包括具有低侧壁的盘部件。

11.根据权利要求10所述的容器杯组件，其中盘部件适于接收承载有反应物的滑动式部件或囊式部件。

12.根据权利要求11所述的容器杯组件，其中反应容器接收部分限定槽，该槽适于接收形成在滑动式部件的一部分上的反应室。

13.根据权利要求12所述的容器杯组件，其中槽适于接收容纳在具有信用卡尺寸的滑动式部件中的反应室。

14.根据权利要求1所述的容器杯组件，其中该线圈包封在热绝缘材料中。

15.根据权利要求14所述的容器杯组件，其中该线圈包封在漆中，该漆能被“热加工”以稳定线圈并使线圈与外部绝缘。

16.根据权利要求15所述的容器杯组件，其中漆为瓷漆。

17.根据权利要求14所述的容器杯组件，其中利用胶将线圈保持就位。

18.根据权利要求17所述的容器杯组件，其中胶为紫外线固化胶。

19.根据权利要求1所述的容器杯组件，其中线圈是直径为0.21mm的镍铬合金，利用24伏电压驱动并能导引2.2安培的最大电流。

20.根据权利要求1所述的容器杯组件，其中线圈的长度是36cm。

21.根据权利要求1所述的容器杯组件，其中加热部分具有外部的螺纹状凹槽，以用于容纳所述线圈。

22.根据权利要求1所述的容器杯组件，其中冷却部分被形成为干涉配合和密封配合在反应设备的冷却组件中。

23.根据权利要求22所述的容器杯组件，其中冷却部分结合有与其成横向的凹槽或肋状件，以有助于保持固定件或密封件。

24.根据权利要求1所述的容器杯组件，其中该销状部布置成用于伸入在反应设备的冷却组件中的冷却液管内。

25.根据权利要求24所述的容器杯组件，其中销状部被穿孔或设置有肋状件，以使其热传递表面最大化。

26.根据权利要求1所述的容器杯组件，其中冷却部分布置成用于附连到珀尔帖单元。

27.根据权利要求26所述的容器杯组件，其中冷却部分是截锥形，该截锥形具有能被焊接到珀尔帖单元表面的宽基部。

28.根据权利要求27所述的容器杯组件，其中焊接的焊料是基于铟的低温焊料。

29.根据权利要求28所述的容器杯组件，其中冷却部分在蒸汽炉中附连到珀尔帖单元表面。

30.根据权利要求26所述的容器杯组件，其中冷却部分包括铜制底座。

31.根据权利要求1所述的容器杯组件，其包括金属杆。

32.根据权利要求31所述的容器杯组件，其中金属杆由铝制成。

33.根据权利要求32所述的容器杯组件，其中金属杆被阳极化处理。

34.根据权利要求1所述的容器杯组件，其具有用于接收温度传感器的壁凹部。

35.如权利要求1所述的容器杯组件，其中所述反应容器为微量滴定反应容器，该微量滴定反应容器的整体尺寸为长2cm、最大直径0.7cm，并具有从4.5mm到3mm逐渐变细的反应部分和用于接收透明盖的漏斗进入部分。

36.根据权利要求35所述的容器杯组件，其中微量滴定反应容器具有小于0.3mm的壁厚。

37.根据权利要求35所述的容器杯组件，其中微量滴定反应容器由具有最小1W/MK的热传导率的材料制成。

38.根据权利要求35所述的容器杯组件，其中微量滴定反应容器由塑料制成，该塑料带有碳。

39.根据权利要求35所述的容器杯组件，其中微量滴定反应容器由包含60％w/v碳的高负载聚丙烯制成。

40.根据权利要求1所述的容器杯组件，其整体尺寸为长2cm至4cm、直径0.4mm至0.7mm。

41.一种容器杯组件的阵列，每个容器杯组件是根据权利要求1所述的容器杯组件，且被布置成接收12×8的井式块部件形式的反应容器的阵列。

42.根据权利要求41所述的阵列，其中井式块部件由聚丙烯制成。

43.一种适于接收权利要求1所述的容器杯组件的生物学、化学或生化反应设备。

44.根据权利要求43所述的生物学、化学或生化反应设备，其具有适于接收如权利要求1所述的容器杯组件的冷却组件。

45.根据权利要求44所述的生物学、化学或生化反应设备，其中冷却组件包括其中具有通道的块部件，该通道适用于冷却液的流动。

46.根据权利要求44所述的生物学、化学或生化反应设备，其中冷却组件具有用于将冷却液加热到期望温度的加热器。

47.根据权利要求44所述的生物学、化学或生化反应设备，其中冷却组件结合有散热器，从而多余的热量能被排到大气中。

48.根据权利要求44所述的生物学、化学或生化反应设备，其中冷却组件结合有用于电接触的歧管或安装件。

49.根据权利要求48所述的生物学、化学或生化反应设备，其中歧管或安装件包括印刷电路板。

50.根据权利要求44所述的生物学、化学或生化反应设备，其具有用于容器杯组件的单个位置。

51.根据权利要求44所述的生物学、化学或生化反应设备，其布置成将矩形阵列中的96个或整数的多个微量滴定反应容器的标准阵列接收就位。

52.根据权利要求51所述的生物学、化学或生化反应设备，其中所述矩形阵列包括12×8个位置。

53.根据权利要求44所述的生物学、化学或生化反应设备，其中冷却组件包括至少一个珀尔帖单元。

54.根据权利要求53所述的生物学、化学或生化反应设备，其中二极管传感器形成在每个珀尔帖单元的中心内。

55.根据权利要求53所述的生物学、化学或生化反应设备，其中珀尔帖单元布置成用于在其上安装2个、4个、8个、16个或更多个单独的模组，每个珀尔帖单元模组具有与相邻的珀尔帖单元分离的自身被隔离的上陶瓷板。

56.根据权利要求53所述的生物学、化学或生化反应设备，其中珀尔帖单元具有结合有加热元件的附加顶部瓷砖。

57.根据权利要求56所述的生物学、化学或生化反应设备，其中加热元件是印刷在陶瓷表面上的丝网或加热元件被蚀刻。

58.根据权利要求53所述的生物学、化学或生化反应设备，其中珀尔帖单元具有结合有温度测量元件的附加顶部瓷砖。

59.根据权利要求44所述的生物学、化学或生化反应设备，其中冷却组件相对于单一的容器杯组件或相对于四个容器杯组件的小组是单独的。

60.根据权利要求44所述的生物学、化学或生化反应设备，其使用能单独指明每个容器的位置且能以期望的变温速率控制容器的电子控制电路。

61.根据权利要求44所述的生物学、化学或生化反应设备，其中冷却组件包括平台，容器杯组件或多个容器杯组件安装在平台中，并且装载有反应物的反应容器阵列以及被安装的盖或多个盖被放置到平台内，然后平台设置成向上到达工作位置，该平台包括板，反应容器的盖压靠该板，该板被穿孔以用于通过设备的光学装置看到反应物。

62.根据权利要求44所述的生物学、化学或生化反应设备，其布置成用于执行热循环方法或等温反应或温度被调节的生化或化学反应。

63.根据权利要求62所述的生物学、化学或生化反应设备，其适用于执行聚合酶链式反应。

64.根据权利要求44所述的生物学、化学或生化反应设备，其包括平台，容器杯组件的阵列能安装在平台上，平台设置成用于被抬升到处理位置并且在完成该处理时从处理位置下降。

65.根据权利要求64所述的生物学、化学或生化反应设备，其中平台结合冷却位置或冷却系统的一部分，在平台结合冷却系统的一部分的情况下，容器杯组件也包括冷却系统的一部分。

66.根据权利要求44所述的生物学、化学或生化反应设备，其结合有布置成用于监测在反应容器或每个反应容器中的反应的光学读取装置。

67.一种用于形成如权利要求1所述的容器杯组件的方法，该方法包括：

采用合适尺寸的铝杆；

在一端钻出所述反应容器接收部分；

在其被选定的加热部分上形成螺纹；

朝向反应容器接收部分的基部形成温度传感器凹部；

使铝杆阳极化；

在加热部分上放置胶；

在加热部分上缠绕加热线；和

使胶固化。

68.根据权利要求67所述的方法，其包括在容器杯组件的选定的冷却部分下方保持管端，铝杆借助该管端能被保持以用于进行钻孔、车削、根据需要的磨削、粘接，以及绕丝和固化的步骤，随后管端被移除。

69.一种用于将如权利要求1所述的容器杯组件与冷却组件组装起来的方法，该方法包括将冷却部分压入冷却组件。

70.根据权利要求69所述的方法，其使用成形为接合反应容器接收部分的内部基部的心轴。

71.一种用于进行生物学、化学或生化热反应的方法，该方法使用如权利要求1所述的容器杯组件。

72.根据权利要求71所述的方法，其使用如权利要求44所述的生物学、化学或生化反应设备。

73.根据权利要求71所述的方法，其中反应是聚合酶链式反应。