CN103415346A - 用于生物应用的控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了热循环仪(100)。热循环仪(100)包含托盘组件(110)。托盘组件（110）包含主体(120)，其由具有第一导热系数的第一材料制成。托盘组件(110)还包含连接器(125)，其由具有比第一材料的导热系数更大的导热系数的第二材料制成。热循环仪(100)还包含控制块(135)，其被配置来控制一种或多种核苷酸样品的温度。热循环仪(100)还包含热盖(130)，其大小和位置被设置来至少部分地覆盖多个容器。热循环仪(100)还包含样品块(132)，所述样品块包含被配置来接收装盛一种或多种核苷酸样品的多个容器的一个或多个凹陷。

Description

用于生物应用的控制系统和方法

发明领域

本教导的领域为与样品容器阵列一起在热循环系统中使用的托盘组件。

背景技术

对热不均匀性(TNU)的分析是表征热块组件性能领域的已确定的属性，所述热块组件可用于多种生物分析仪器。通常在热块组件的样品块部分测量TNU，该样品块可以咬合样品支持装置。TNU可以表示为样品块中最热区域和最冷区域之间的差异或平均差异。例如，TNU可以被确定为样品块中最热样品温度或位置与最冷样品温度或位置之间的差异或平均差异。根据凝胶数据设置的行业标准可以将如此定义的TNU表示为约1.0°C的差异或0.5°C的平均差异。在历史上，降低TNU的焦点针对的是样品块。例如，已经观察到，样品块的边缘通常比中心更冷，并且这种温度上的差异被转移到样品支持装置中正在处理的生物样品。

在本领域中，在多个样品(特别是当放置在孔阵列中时)之间的不均匀性的一个常见理由被称为边缘效应。边缘效应通常发生在这样的配置中，例如，其中微量滴定板的外部边缘的孔比位于微量滴定板的中心的孔向环境更快地释放热。这导致了中心孔和外部孔之间的温度差异。孔内生物样品中的水蒸发并冷凝在生物样品之上的孔内壁加剧了这种效应。本领域技术人员将认识到生物样品中液体的损失会改变生物样品中反应物的浓度，也会影响反应的pH值。浓度和pH值的改变均会影响反应的效率，导致在微量滴定板的孔之间的不一致的反应效率，并进而导致了生物样品之间的不一致的反应效率。

样品块的多个实施方案可被改造来接收多个装盛样品的装置，例如微量滴定板。此外，样品块的多个实施方案可以具有被改造来接收基本平坦的装盛样品的装置(例如微型卡)的基本平坦的表面。在能够接收微量滴定板或微型卡或任何其他适于核苷酸处理的容器的样品块中，置于容器中的生物样品可根据热循环曲线经历热循环。例如，二设定点热循环曲线可包括用于变性步骤的设定点温度和用于退火/延长步骤的设定点温度。用于变性步骤的设定点温度可以为约94-98°C，而用于退火/延长步骤的设定点温度可以为约50-65°C。或者，可以使用三设定点温度操作方案，其中退火和延长步骤是分开的步骤。根据多种操作方案，用于延长步骤的设定点温度可以为约75-80°C。在热循环的规定的步骤中，为了为该步骤的化学过程赢得时间，可以为设定点温度限定具体持续时间。本领域技术人员知悉，热循环中各步骤的持续时间可以是不同的间隔。对于所有操作方案，不管使用的是何种设定点温度操作方案，本领域技术人员会理解操作方案的成功或失败(至少部分地)取决于热循环仪要达到每个设定点的所需温度，以及每个装盛生物样品的孔在上述的持续时间期间均处于该设定点温度。

能够确定样品块组件的热不均匀性对于本领域技术人员是重要的。例如，常用方法是使用热电偶、热敏电阻、PRT或本领域内公知的其它类型的热传感器。所述传感器被用于检测样品容器阵列上多个点的温度。然后使用测量得到的温度计算温度不均匀性，并将该结果与上文所讨论的允许值比较。

在本教导中，发现生物样品的水性组分的冷凝和蒸发效应是导致用于生物分析研究界的目前可用的热块组件的温度不均匀性的主要因素。本教导介绍了控制生物样品中水性组分的冷凝和蒸发的新方法，其中根据本教导的实施方案与本领域多种已确立的教导相反。

发明概述

在本发明的一实施方案中，给出了用于控制多个容器之间的环境温度不均匀性的托盘组件。所述托盘组件包括主体，其由具有第一导热系数的第一材料制成。所述主体还具有多个开口，所述多个开口被配置来接收装盛一种或多种核苷酸样品的多个容器。所述托盘组件还包括连接器，其由具有第二导热系数的第二材料制成。此外，所述连接器的导热系数大于所述主体的导热系数。

在另一实施方案中，所述托盘组件的主体被改造来接收至少一个密封装置。

在另一实施方案中，所述至少一个密封装置选自：置于所述主体和热盖之间的顶部密封装置，置于所述主体和样品块之间的一个或多个底部密封装置，以及其组合。

在另一实施方案中，所述第一材料具有小于2W/(m·K)的导热系数，并且所述第二材料具有大于200W/(m·K)的导热系数。

在另一实施方案中，所述第一材料包括聚合物材料，并且所述第二材料包括金属。

在另一实施方案中，所述第一材料包括聚碳酸酯，并且所述第二材料包括选自铝、铜和钢的金属。

在另一实施方案中，所述第二材料包括铜。

在另一实施方案中，所述第二材料包括不锈钢合金。

在另一实施方案中，所述连接器包含多个开口，其对应于主体的多个开口。

在另一实施方案中，所述连接器包括多个导热元件。

在本发明的一实施方案中，提供了热循环仪。热循环器包括托盘组件。所述托盘组件包括主体，其由具有第一导热系数的第一材料制成。所述托盘组件还包括连接器，其由具有比所述第一材料的导热系数更大的导热系数的第二材料制成。所述热循环仪还包括控制块，其被配置来控制所述一种或多种核苷酸样品的温度。所述热循环仪还包括热盖，其大小和位置被设置来至少部分地覆盖所述多个容器。所述热循环仪还包括样品块，其包括被配置来接收装盛一种或多种核苷酸样品的多个容器的一个或多个凹陷。

在另一实施方案中，所述主体被改造来接收至少一个密封装置。

在另一实施方案中，所述连接器被置于所述主体和所述一种或多种核酸样品之间。

在另一实施方案中，所述热盖和托盘组件被配置来在操作所述热循环仪期间将所述多个容器置于所述样品块中时产生多个温度区。

在另一实施方案中，所述容器内的多个温度区在预定的温度范围内各自不同。

在另一实施方案中，其中所述多个温度以少于或等于0.6°C的量各自不同。

在另一实施方案中，所述多个温度以少于或等于0.5°C的量各自不同。

在另一实施方案中，所述多个温度以少于或等于0.3°C的量各自不同。

在本发明的一实施方案中，提供了核苷酸处理方法。该方法包括提供样品块，所述样品块被配置来接收装盛一种或多种核苷酸样品的多个容器。该方法还包括提供热盖，所述热盖被配置来至少部分地覆盖所述多个容器。该方法还包括通过将主体和连接器置于所述热盖和所述样品块之间来控制所述一种或多种核苷酸样品的温度。所述主体和连接器会降低在核苷酸处理期间所述多个容器之间的蒸发和/或冷凝。

在另一实施方案中，所述控制步骤还包括在核苷酸处理期间分配所述多个容器之间的环境热量。

本发明的其他方面、特征和优势在以下的描述和权利要求中列举，特别是当与附图结合考虑时，附图中类似的部件具有类似的编号。

附图简述

当与附图结合阅读以下详述时，可以更好地理解本发明的实施方案。这些实施方案仅用于示例性目的，其描述了本发明新颖的和非显而易见的方面。附图包括以下图：

图1是根据本教导的多个实施方案的热循环仪组件的透视图。

图2是根据本教导的多个实施方案的托盘组件的第一视图。

图3是根据本教导的多个实施方案的托盘组件的第二视图。

图4是显示利用由聚合物构成的托盘组件的系统配置中的容器阵列中心的孔的温度和容器阵列角落的孔的温度的图表。

图5是显示利用根据本教导的托盘组件的系统配置中的容器阵列中心的孔的温度和容器阵列角落的孔的温度的图表。

图6是显示利用由聚合物构成的托盘组件的微量滴定板中得到的Ct值的三维图像。

图7是显示利用根据本教导的多个实施方案的托盘组件的微量滴定板中得到的Ct值的三维图像。

发明详述

本教导公开了在整个组件具有低热不均匀性的托盘组件的多个实施方案。如在下文更详细地讨论，具有所述低热不均匀性的热组件的多个实施方案为利用这类热组件的生物分析仪器提供了所需性能。

为了理解本教导的各方面，参阅附图是有利的。如图1所示，例如，热循环仪系统100可以包括热盖130、样品块132、控制块135和托盘组件110，托盘组件110可以被置于热盖130和样品块132之间。托盘组件110还可包括主体，所述主体包括主体第一表面120A、主体第二表面120B(参见图3)、第一密封装置112、第二密封装置116、第三密封装置115(参见图3)和连接器125。托盘组件将在下文更详细地讨论。

在一些实施方案中，热盖130可被配置来至少部分地覆盖置于样品块132提供的多个孔中的装盛生物样品的多个容器。在另一实施方案中，热盖130可以具有伸出的部分(未示出)，这使得其可以在接收到样品块132中的多个容器之上并沿其外围部分放置。热盖130、托盘组件110和样品块132一起可以提供容纳具有生物样品的容器的小室。与描述的没有包括托盘组件110的热循环仪相比，小室可以提供容器与环境条件的改善的分离。热盖130还可包括受控的独立热源(未示出)，以辅助维持小室中的规定的温度。

在一些实施方案中，控制块135可以由一个或多个热电器件(TEC)、热交换器、散热器、散冷器或其任意组合组成，所有这些可从多个供应商得到并且是本领域公知的。控制块135还可被配置来控制样品块以及其中容纳的多个容器或生物样品的温度。在其他实施方案中，控制块135和样品块132可以结合形成单一零件。结合形成单个零件可以通过使用例如粘合剂、环氧树脂或紧固件实现。紧固件可以包括，例如，螺丝、螺栓和夹具。

图2示出了托盘组件110、主体，特别是主体第一表面120A。主体可以由聚合物类型的材料构成，所述聚合物类型的材料例如聚碳酸酯、PC-ABS、Ultem1000或Ultem2000。在某些实施方案中，主体的材料可以具有小于2W/(m*K)的导热系数。主体还可以包含适于接收一个或多个容器的一个或多个孔114，其中所述容器可以适于接收例如用于核苷酸处理的生物样品。孔114可以按阵列配置，这样容器可以构成微量滴定板。多种形式的微量滴定板是本领域内公知的，并可从多个来源以多种孔形式(例如，24孔、96孔、384孔和1536孔)获得。

图2还示出，在一些实施方案中，主体第一表面120A可被改造来接收第一密封装置112。所述改造结构可以是槽、缝、凹陷或适于接收第一密封装置112的任何几何形状。所述改造结构可以由机械加工、模制或适于主体120的材料的其他工艺形成。第一密封装置112可以由聚合物例如硅橡胶、高弹体或poron构成。第一密封装置112可以是任何合适的形状，包括但不限于，圆柱形、长方形、椭圆形，将所述密封装置塑造为被接收到主体第一表面120A中提供的改造结构内所需的形状。例如，第一密封装置112可以是现货供应的组件，或定制模制或压制的。第一密封装置112还可通过多种手段被固定至主体，所述多种手段例如胶带、压装、热或常温固化环氧树脂或粘合剂、RTV、超声波焊接或本领域普通技术人员已知的其他技术。

现在转到图3，示出了托盘组件110和主体第二表面120B，以及连接器125的实例。在一些实施方案中，连接器125可以被置于主体第一表面120A。在其他实施方案中，连接器125可以被置于主体第二表面120B。连接器125可以由与主体具有不同特征的材料构成。例如，连接器125的材料可以具有大于200W/(m*K)的导热系数。连接器125的材料可以是金属，例如铝、铜、钢或不锈钢合金。连接器125的这类特征促成了连接器125的温度均匀性。连接器125的温度均匀性还会影响上文所述的小室的温度均匀性。在一些实施方案中，连接器125的温度均匀性可以为小于或等于0.6°C。在另一实施方案中，连接器125的温度均匀性可以为小于或等于0.5°C。在又一实施方案中，连接器125的温度均匀性可以为小于或等于0.3°C。

如图3中所示的连接器125可以具有一个或多个孔118，其类似于之前在图2中所讨论的主体中的孔114。连接器125的孔118可以与主体的孔114对齐。对齐孔114和孔118可以使托盘组件110适于接收一个或多个容器，其中所述容器可以适于接收用于核苷酸分析的生物样品。

图3中的连接器125可以被固定到主体上。例如，连接器125可以被固定到或嵌入主体第一表面120A或主体第二表面120B。在其他实施方案中，可以用例如一个或多个紧固件、粘合剂或环氧树脂将连接器125固定到主体上(未示出)。在其他实施方案中，连接器125可以超声波焊接到主体上。

图3还示出了主体第二表面120B，其具有一个或多个用于接收被置于连接器125的外围的第二密封装置116和/或第三密封装置115的改造结构。如上文参照图2中示出的第一密封装置112所讨论的，所述改造结构可以是例如槽、缝、凹陷或适于接收所需密封装置的任何几何形状。所述改造结构可以由机械加工、模制或适于主体的材料的其他工艺形成。第二密封装置116和/或第三密封装置115可以由聚合物例如硅橡胶、高弹体或poron构成。与第一密封装置112类似，第二密封装置116和/或第三密封装置115可以是被主体表面120A中提供的改造结构接收所必需的任何合适的形状。这包括，例如，圆柱形、长方形或椭圆形。密封装置116和/或115可以是现货供应的组件，或定制模制或压制的。密封装置116和/或115还可通过多种手段被固定至主体，所述多种手段例如胶带、压装、热或常温固化环氧树脂或粘合剂、RTV、超声波焊接或本领域普通技术人员已知的其他技术。

例如，通过评价容器阵列中选定的容器的测量温度可以实现对托盘组件110的性能的热确认。此外，通过比较多个温度实验的结果可以确定托盘组件119的效率。一个温度实验可以使用本教导的托盘组件110。另一个温度试验可以使用由聚合物构成并且没有配置连接器125的托盘组件。

使用热传感器和合适的计算机控制数据获取系统进行热实验，所述系统例如用于数据获取的Agilent3490A Data记录仪以及BenchLinkSoftware。在测量期间，将热传感器置于中心孔和角落孔，因为本领域人员公知，由于边缘效应，多个孔之间最大的温度差异存在于中心区域和角落区域之间。

鉴于上述内容，图4示出了来自两个热传感器的在包括由聚合物构成且没有配置连接器125的托盘组件的系统中的温度量值图表。左轴代表温度(°C)，下轴代表时间(秒)。记录了在如之前所述的典型温度操作方案的两个温度循环期间的量值。位于微量滴定板中心孔的第一热传感器的量值通过曲线140示出。位于同一微量滴定板的角落孔的第二热传感器的量值通过曲线145示出。曲线之间的垂直差异代表微量滴定板的多个孔之间的温度不均匀性。根据在这两个温度循环期间收集的数据，中心孔和角落孔之间的温度差异为约3.56°C。

图5也示出了来自两个热传感器的但在包括托盘组件的系统中的温度量值图表，所述托盘组件具有本发明的托盘组件(例如，图3的托盘组件)的热特性，具有主体和连接器125。左轴代表温度(°C)，下轴代表时间(秒)。重要的是要认识到，图左边的标尺和图下边的标尺与图4中所示的相应的轴代表相同范围的温度和时间。记录了在与图4所示的典型温度操作方案相同的时间段里的两个温度循环期间的量值。位于微量滴定板中心孔的第一热传感器的量值通过曲线155示出。位于同一微量滴定板的角落孔的第二热传感器的量值通过曲线150示出。同样，曲线之间的垂直差异代表微量滴定板的多个孔之间的温度不均匀性。根据在这两个温度循环期间收集的数据，中心孔和角落孔之间的温度差异为1.45°C左右。与上面图4所示的数据相比，这代表了通过包括本教导的托盘组件，温度不均匀性改善了约60%。

在生物分析领域还已知，将容器阵列中所有孔的Ct即循环阈值以及该Ct的标准差用于分析对生物样品进行的核苷酸处理结果。微生物领域的普通技术人员熟知循环阈值分析，如在2007年6月5日授权的标题为“Automatic Threshold Setting and Baseline Determination forReal-Time PCR(用于实时PCR的自动阈值设置和基线确定)”的美国专利第7,228,237号中所述，其整体通过引用并入本文。核苷酸处理之后多个容器之间的Ct的三维图像和Ct标准差可以用于深入了解热循环仪系统的热不均匀性的程度。如生物分析领域已知的，微量滴定板之间的Ct值越一致，且标准差越低，则热循环仪系统的热不均匀性可能越低。

鉴于上述内容，还利用核苷酸处理的Ct和Ct标准差分析对本发明的教导进行另外的确认。本文示出了两张这类图表和数据点。图表中示出的数据代表双报告基因表达实验的结果。这类实验是生物分析领域公知的。图6代表从合适的分析软件提取的Ct值。左轴代表Ct值，邻近Ct轴的下轴代表微量滴定板上的孔行，第三轴代表微量滴定板上的孔列。图6中示出的数据收集自包括由聚合物构成的没有连接器125的托盘组件的系统。图6中示出的图表显示双报告基因实验的结果，其显示角落孔和边缘孔具有比其余孔更高的Ct值。此外，Ct的标准差显示为0.234。

图7也示出了从上文所示的分析软件提取的Ct值和Ct标准差。图7中示出的数据收集自包括本教导的由图3示出并在前文描述的主体和连机器125构成的托盘组件的系统。同样，左轴代表Ct值，邻近Ct轴的下轴代表微量滴定板上的孔行，第三轴代表微量滴定板上的孔列。重要的是要认识到，图左边的Ct标尺和图下边的两个标尺与图6的对应轴代表相同范围的Ct、行和列。可以在图6的图表中示出的数据与图7的图表中示出的数据之间进行可视化比较。对本领域技术人员显而易见的是，与图6相比，图7的角落孔和边缘的Ct值的降低代表双报告基因表达分析期间Ct不均匀性的显著改善。此外，与之前图6中所示的Ct数据比较，容器阵列之间的Ct标准差为0.077，或标准差改善约67%，这与使用本教导的托盘组件直接相关。

本教导的多个实施方案的前述描述为说明和描述目的而提交。其并不详尽，并且不将本教导限制为公开的具体方式。根据上述教导，或在执行本教导的过程中可能获得修改和变体。此外，描述的实施方案包括软件，但本教导可以作为硬件和软件的组合或单独以硬件执行。可以用面向对象的编程系统或非面向对象的编程系统执行本教导。

Claims (20)

1.用于控制多个容器之间的环境温度均匀性的托盘组件，其包括：

主体，其由具有第一导热系数的至少第一材料制成，并包含被配置来接收装盛一种或多种核苷酸样品的多个容器的多个开口；和

连接器，其由具有比所述第一材料的导热系数更大的导热系数的第二材料制成。

2.如权利要求1所述的托盘组件，其中所述主体被改造来接收至少一个密封装置。

3.如权利要求2所述的托盘组件，其中所述至少一个密封装置选自：置于所述主体和热盖之间的顶部密封装置，置于所述主体和样品块之间的一个或多个底部密封装置，以及其组合。

4.如权利要求1所述的托盘组件，其中所述第一材料具有小于2W/(m·K)的导热系数，并且所述第二材料具有大于200W/(m·K)的导热系数。

5.如权利要求1所述的托盘组件，其中所述第一材料包括聚合物材料，并且所述第二材料包括金属。

6.如权利要求1所述的托盘组件，其中所述第一材料包括聚碳酸酯，并且所述第二材料包括选自铝、铜和钢的金属。

7.如权利要求1所述的托盘组件，其中所述第二材料包括铜。

8.如权利要求1所述的托盘组件，其中所述第二材料包括不锈钢合金。

9.如权利要求1所述的托盘组件，其中所述连接器包含多个开口，其对应于所述主体的多个开口。

10.如权利要求1所述的托盘组件，其中所述连接器包含多个导热元件。

11.热循环仪，其包括：

托盘组件，包括：

主体，其由具有第一导热系数的至少第一材料制成；和

连接器，其由具有比所述第一材料的导热系数更大的导热系数的第二材料制成；

控制块，其被配置来控制所述一种或多种核苷酸样品的温度；

热盖，其大小和位置被设置来至少部分地覆盖所述多个容器；和

样品块，其包括包含被配置来接收装盛一种或多种核苷酸样品的多个容器的一个或多个凹陷。

12.如权利要求11所述的热循环仪，其中所述主体被改造来接收至少一个密封装置。

13.如权利要求11所述的热循环仪，其中所述连接器被置于所述主体和所述一种或多种核酸样品之间。

14.如权利要求11所述的热循环仪，其中所述热盖和托盘组件被配置来在操作所述热循环仪期间将所述多个容器置于所述样品块中时产生多个温度区。

15.如权利要求14所述的热循环仪，其中所述容器内的温度区在预定的温度范围内各自不同。

16.如权利要求15所述的热循环仪，其中所述温度区以少于或等于0.6°C而各自不同。

17.如权利要求15所述的热循环仪，其中所述温度区以少于或等于0.5°C而各自不同。

18.如权利要求15所述的热循环仪，其中所述温度区以少于或等于0.3°C而各自不同。

19.核苷酸处理方法，其包括：

提供样品块，所述样品块被配置来接收装盛一种或多种核苷酸样品的多个容器；

提供热盖，所述热盖被设置来至少部分地覆盖所述多个容器；和

通过将主体和连接器置于所述热盖和所述样品块之间来控制所述一种或多种核苷酸样品的温度，所述主体和所述连接器会降低在核苷酸处理期间所述多个容器之间的蒸发和/或冷凝。

20.如权利要求18所述的方法，其中所述控制步骤还包括在核苷酸处理期间分配所述多个容器之间的环境热量。

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