CN103476498B - 用于快速pcr加热的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于聚合酶链反应PCR的微板(100)包括具有用于加热PCR样本的金属材料的衬底(103)及邻近于所述衬底安置的屏障层(104)。在一些情况中，所述屏障层由第一聚合材料形成。所述微板包含用于含纳PCR样本的一个或一个以上孔(101)。所述一个或一个以上孔由密封到所述屏障层的第二聚合材料形成。在一些情况中，所述衬底可提供至少大约5℃/秒的PCR斜升速率。

Description

用于快速PCR加热的方法及系统
相关申请案交叉参考
本申请案主张对2010年12月17日提出申请的第61/424,551号美国临时专利申请案及2011年10月7日提出申请的第61/545,063号美国临时专利申请案的优先权，所述申请案以引用的方式完全并入本文中。
技术领域
背景技术
在许多领域中，呈可具有多个孔或经压印样本位点的支撑薄片形式的试样载体用于其中将小的样本加热或热循环的各种工艺。特定实例为用于复制DNA样本的聚合酶链反应方法(通常称为PCR)。此些样本需要快速且准确的热循环，且通常放置于多孔块中且在预设重复循环中在数个选定温度之间循环。重要地，整个薄片的温度或更特定来说每一孔中的温度为尽可能均匀的。
所述样本可能为含纳在个别样本管或可为单片板的一部分的样本管阵列内的液体溶液，其以体积计通常在1micro-1与200micro-1之间。可在液体样本内测量到的温度差随着增加的温度改变速率而增加且可限制实际上可采用的最大温度改变速率。
加热此些试样载体的先前方法已涉及附接加热装置的使用或其中将单独加热的流体引导到载体中或围绕所述载体引导所述流体的间接方法的使用。
先前加热方法具有以下缺点：热是在与需要加热的试样载体分离的加热器中产生的。此些加热系统及方法遭受伴随从加热器到试样载体的载体薄片的热转移的热损失。另外，加热器与试样载体的分离在温度控制环路中引入时间延迟或“滞后”。因此，向加热元件施加功率不会产生所述块的温度的瞬时或接近瞬时的增加。如果将从加热器将热能转移到所述块，那么在加热器与所述块之间存在热间隙或屏障需要所述加热器比所述块热。因此，存在另一困难：停止向加热器的功率施加不能瞬时阻止所述块在温度上的增加。
温度控制环路中的滞后将随着所述块的温度改变速率增加而增加。此可能导致温度控制的不准确性且限制可使用的实际温度改变速率。可在使用附接加热元件时产生在热均匀性方面的不准确性及进一步的滞后，因为所述元件附接于所述块上的特定位置处且必须将由所述元件产生的热从那些特定位置传导到所述块的块体。为发生从所述块的一部分到另一部分的热转移，所述块的第一部分必须比另一部分热。关于附接热元件(特别是当前的珀耳帖效应装置)的另一问题是块与热装置之间的界面将由于所涉及的材料的热膨胀系数的差异而经受机械应力。热循环将导致循环应力，其将往往危及热元件的可靠性及热界面的完整性。
发明内容
本发明的一方面提供一种用于聚合酶链反应(“PCR”)的微板，其包括：衬底，其包括用于加热PCR样本的金属材料；及屏障层，其邻近于所述衬底安置，所述屏障层由第一聚合材料形成。所述微板包含一个或一个以上孔，其用于盛放PCR样本，所述一个或一个以上孔由密封到所述屏障层的第二聚合材料形成。所述衬底提供至少5℃/秒(“s”)的PCR斜升速率。在一实施例中，所述PCR斜升速率(或加热速率)为至少大约10℃/秒。在另一实施例中，所述微板经配置以在电流流动穿过所述衬底之后即刻加热样本。在另一实施例中，所述衬底经配置以与PCR样本分离10微米或更小。在另一实施例中，所述第二聚合材料热密封到所述屏障层。在另一实施例中，所述第一聚合材料与所述第二聚合材料化学兼容。在另一实施例中，所述金属材料包括铝合金。在另一实施例中，所述衬底用于在所述电流流动穿过所述衬底之后即刻产生热。在另一实施例中，所述衬底用于以在大约5℃/s与15℃/s之间的速率增加所述一个或一个以上孔中的样本的温度。在另一实施例中，所述金属材料具有在大约2×10-8Ω-m与8×10-8Ω-m之间的电阻率。在另一实施例中，所述一个或一个以上孔包括至少24个孔。在另一实施例中，所述一个或一个以上孔包括至少96个孔。
本发明的另一方面提供一种用于PCR的微板,其包括：衬底，其包括用于加热PCR样本的金属材料；及涂覆层，其邻近于所述衬底安置，所述涂覆层由第一聚合材料形成。所述微板包含一个或一个以上孔，其由密封到所述涂覆层的第二聚合材料形成，用于含纳PCR样本。所述金属衬底在无外部加热元件或珀耳帖加热块的情况下提供+/-0.2℃或更佳的孔间热均匀性。
本发明的另一方面提供一种用于PCR的微板，其包括：衬底，其包括用于加热PCR样本的金属材料；及涂覆层，其邻近于所述衬底安置，所述涂覆层由第一聚合材料形成。所述微板包含一个或一个以上孔，其用于含纳PCR样本，所述一个或一个以上孔由密封到所述涂覆层的第二聚合材料形成。所述衬底提供足以允许至少大约每分钟1个PCR循环的加热效率，包含针对每个循环的荧光测量在内。在一实施例中，所述衬底提供足以允许至少大约每分钟2、3、4、5、6、7、8、9或10个PCR循环的加热效率。在另一实施例中，所述衬底包括铝合金。在另一实施例中，所述衬底包括铝。在另一实施例中，所述微板具有小于大约1毫米(“mm”)的厚度。在另一实施例中，所述微板具有小于大约0.5mm的厚度。在另一实施例中，所述涂覆层具有小于大约10微米(“microns”)的厚度。在另一实施例中，所述微板进一步包括在所述衬底的与所述涂覆层相对的侧处的红外辐射归一化层的层。在另一实施例中，所述辐射归一化层具有小于5微米的厚度。
本发明的另一方面提供一种供与PCR一起使用的一次性样本架，其包括涂覆有第一聚合材料的铝衬底及热密封到所述第一聚合材料的多个孔，所述多个孔由与所述第一聚合材料兼容的第二聚合材料形成。
本发明的另一方面提供一种供与PCR一起使用的一次性样本架，其具有用于将热提供到所述一次性样本架的多个孔的含铝衬底，所述一次性样本架具有小于或等于大约30g的重量。在一实施例中，所述一次性样本架具有小于或等于大约20g的重量。在另一实施例中，所述一次性样本架具有小于或等于大约15g的重量。在另一实施例中，所述一次性样本架具有小于或等于大约10g的重量。在另一实施例中，所述一次性样本架具有小于或等于大约5g的重量。
本发明的另一方面提供一种供与PCR一起使用的低成本样本架，其包括由具有在大约2.7g/cm3与3.0g/cm3之间的密度的金属材料形成的衬底。所述衬底经配置而以在大约5℃/s与15℃/s之间的加热速率将热提供到所述低成本样本架的一个或一个以上孔。所述衬底包括铝。在另一实施例中，所述低成本样本架进一步包括由所述衬底上方的第一聚合材料形成的屏障层。在另一实施例中，所述一个或一个以上孔由接合到所述第一聚合材料的第二聚合材料形成。
本发明的另一方面提供一种用于PCR的微板，其包括：珀耳帖加热装置；及衬底，其邻近于所述珀耳帖加热装置，所述衬底包括用于加热PCR样本的金属材料。所述微板进一步包括屏障层，其邻近于所述衬底，所述屏障层由第一聚合材料形成。一个或一个以上孔邻近于所述衬底安置，所述一个或一个以上孔用于含纳PCR样本。所述一个或一个以上孔由密封到所述屏障层的第二聚合材料形成。在一实施例中，所述第一聚合材料不同于所述第二聚合材料。在另一实施例中，所述第一聚合材料与所述第二聚合材料相同。在另一实施例中，所述衬底提供至少5℃/秒的PCR斜升速率。在另一实施例中，所述衬底提供至少10℃/秒的PCR斜升速率。
本发明的另一方面提供一种用于PCR的微板，其包括：衬底，其包括用于加热PCR样本的金属材料；及屏障层，其邻近于所述衬底，所述屏障层由第一聚合材料形成。所述微板进一步包括一个或一个以上孔，其邻近于所述衬底，所述一个或一个以上孔用于含纳PCR样本。所述一个或一个以上孔由密封到所述屏障层的第二聚合材料形成。所述微板经配置以与所述衬底的一个或一个以上波纹表面处的一个或一个以上电触点(例如，汇流条)电接触。在一实施例中，所述第一聚合材料不同于所述第二聚合材料。在另一实施例中，所述第一聚合材料与所述第二聚合材料相同。在另一实施例中，所述一个或一个以上波纹表面安置于所述衬底的指状突出部(本文中也称“指状件”)处。在另一实施例中，所述一个或一个以上波纹表面由指状件形成。在另一实施例中，所述衬底提供至少5℃/秒的PCR斜升速率。在另一实施例中，所述衬底提供至少10℃/秒的PCR斜升速率。
本发明的另一方面提供一种用于PCR的微板，其包括：加热装置；及衬底，其邻近于所述加热装置，所述衬底包括用于在电流流动穿过所述衬底之后即刻加热PCR样本的金属材料。所述微板进一步包括屏障层，其邻近于所述衬底，所述屏障层由第一聚合材料形成。一个或一个以上孔邻近于所述衬底安置，所述一个或一个以上孔用于含纳PCR样本。所述一个或一个以上孔由密封(例如，热密封、夹持)到所述屏障层的第二聚合材料形成。在一实施例中，所述加热装置为珀耳帖加热装置或加热夹。在另一实施例中，所述第一聚合材料不同于所述第二聚合材料。在另一实施例中，所述第一聚合材料与所述第二聚合材料相同。
本发明的另一方面提供一种用于进行PCR的方法，其中来自所述PCR的数据及用于处理所述数据的指令位于可装卸装置上。在一实施例中，在所述可装卸装置中提供控制指令及分析指令两者以允许用户开展实验且与用于进行PCR反应的热循环仪无关地分析结果。在另一实施例中，所述可装卸装置为通用串行总线装置。在另一实施例中，所述可装卸装置为可装卸存储器磁盘。在另一实施例中，所述可装卸装置为紧凑快闪、串行高级技术附件接口或个人计算机存储器卡国际协会接口。在另一实施例中，所述可装卸装置上的所述指令使得能够识别与所述可装卸装置介接的硬件的类型且提供用于对所述硬件执行PCR的预定命令及/或指令。
本发明的另一方面提供一种用于执行PCR的系统，其单独地或以组合方式包括：多个汇流条，其用于与微板或样本架电配合；及上文或本文中别处所描述的微板或样本架。所述微板或样本架与所述多个汇流条电连通且可从所述汇流条移除。所述系统进一步包括用于将电流施加到所述微板或样本架的电流施加装置。在一实施例中，所述微板或样本架与所述多个汇流条欧姆接触。在另一实施例中，所述微板或样本架包括与所述汇流条电连通(或电接触)的指状突出部。在另一实施例中，所述指状突出部具有包括褶皱的表面。在另一实施例中，所述系统进一步包括用于测量所述微板或样本架的温度的温度传感器，例如红外传感器。在另一实施例中，所述系统进一步包括用于在多个热区中测量所述微板或样本架的所述温度的多个温度传感器。在另一实施例中，所述系统包括用于在九个热区中测量所述所述微板或样本架的所述温度的至少九个传感器。在另一实施例中，所述多个温度传感器提供连续温度测量。在另一实施例中，跨越所述微板或样本架的温度变化小于0.5℃。
本发明的另一方面提供一种用于进行PCR的方法，其包括：单独地或以组合方式提供如上文或本文中别处所描述的微板或样本架；及对所述样本进行PCR。在PCR期间，以至少大约5℃/秒的斜升速率加热所述样本。在一实施例中，所述方法进一步包括在进行PCR之前将样本提供到所述微板或样本架。在一实施例中，在PCR期间，以至少大约0.1℃/秒的斜升速率加热所述样本。在另一实施例中，在PCR期间，以至少大约0.5℃/秒的斜升速率加热所述样本。在另一实施例中，在PCR期间，以至少大约1℃/秒的斜升速率加热所述样本。在另一实施例中，在PCR期间，以至少大约5℃/秒的斜升速率加热所述样本。在另一实施例中，在PCR期间，以至少大约10℃/秒的斜升速率加热所述样本。在另一实施例中，在PCR期间，以至少大约15℃/秒的斜升速率加热所述样本。
本发明的另一方面提供一种用于执行PCR的方法，其包括：单独地或以组合方式提供如上文或本文中别处所描述的微板或样本架；及对所述样本进行PCR。在PCR期间，在无外部加热元件或珀耳帖加热块的情况下，所述微板或样本架具有至少大约+/-0.2℃的孔间热均匀性。在一实施例中，所述方法进一步包括在进行PCR之前将样本提供到所述微板或样本架。
本发明的另一方面提供一种用于进行PCR的方法，其包括：单独地或以组合方式提供如上文或本文中别处所描述的微板或样本架；及以至少大约每分钟0.1个PCR循环的速率对所述样本进行PCR。在一实施例中，所述方法进一步包括在进行PCR之前将样本提供到所述微板或样本架。在另一实施例中，以至少大约每分钟1个PCR循环的速率对所述样本进行PCR。在另一实施例中，以至少大约每分钟2个PCR循环的速率对所述样本进行PCR。在另一实施例中，以至少大约每分钟3个PCR循环的速率对所述样本进行PCR。在另一实施例中，以至少大约每分钟6个PCR循环的速率对所述样本进行PCR。在另一实施例中，所述方法进一步包括在个别PCR循环中执行荧光测量。在另一实施例中，在PCR期间，在无外部加热元件或珀耳帖加热块的情况下，所述微板或样本架具有至少大约+/-0.2℃的孔间热均匀性。在另一实施例中，在PCR期间，以至少大约0.1℃/秒的斜升速率加热所述样本。在另一实施例中，在PCR期间，以至少大约0.5℃/秒的斜升速率加热所述样本。在另一实施例中，在PCR期间，以至少大约1℃/秒的斜升速率加热所述样本。在另一实施例中，在PCR期间，以至少大约5℃/秒的斜升速率加热所述样本。在另一实施例中，在PCR期间，以至少大约10℃/秒的斜升速率加热所述样本。在另一实施例中，在PCR期间，以至少大约15℃/秒的斜升速率加热所述样本。
所属领域的技术人员依据以下详细描述将容易明了本发明的额外方面及优点，其中仅展示及描述本发明的说明性实施例。如将认识到，本发明能够具有其它及不同实施例，且其数个细节能够在各种显而易见的方面做出修改，此全部不背离本发明。因此，所述图式及描述在本质上将视为说明性而非限制性。
以引用方式并入
本说明书中所提及的所有公开案、专利及专利申请案均以引用的方式并入本文中，其并入程度与具体且个别地指示每一个别公开案、专利或专利申请案以引用的方式并入一样。
附图说明
本发明的新颖特征详细地阐述于所附权利要求书中。通过参考阐述其中利用本发明的原理的说明性实施例的以下详细描述及附图将获得对本发明的特征及优点的更佳理解，在附图中：
图1是根据本发明的实施例的用于聚合酶链反应(PCR)的微板的示意性侧视图；
图2示意性地图解说明根据本发明的实施例的用于将热提供到消耗品的变压器驱动型式；
图3示意性地图解说明根据本发明的实施例的用于将热提供到消耗品的变压器驱动型式；
图4示意性地图解说明根据本发明的实施例的用于将热提供到消耗品的变压器驱动型式；
图5示意性地图解说明根据本发明的实施例的用于将热提供到消耗品的变压器驱动型式；
图6展示根据本发明的实施例的传感器块。
图7展示根据本发明的实施例的珀耳帖加热装置；
图8展示根据本发明的实施例的微板及邻近于所述微板的珀耳帖加热装置；
图9展示根据本发明的实施例的用于执行PCR的系统；
图10展示根据本发明的实施例的具有54个孔的微板；且
图11到17图解说明根据本发明的实施例的图形用户接口的示范性屏幕截图。
具体实施方式
尽管已在本文中展示及描述了本发明的优选实施例，但所属领域的技术人员将明了此些实施例是仅以实例的方式提供的。所属领域的技术人员现在将联想出众多变化、改变及替代，此并不背离本发明。应理解，可在实践本发明中采用本文中所描述的本发明实施例的各种替代方案。
在若干实施例中，提供用于聚合酶链反应(PCR)的微板组合件(本文中也称“微板”)。本发明的实施例的微板可提供胜过当前PCR系统的各种优点，如在PCR期间的快速且准确热控制。在一些实施例中，提供多达且超过每分钟6个PCR循环的微板，其中每个循环进行荧光测量。在另一实施例中，提供具有大约10℃/秒的平均加热斜升速率的微板。在另一实施例中，提供具有对热均匀性的主动控制的微板，从而在+/-0.2℃或更佳内产生热控制。
在一些实施例中，微板可为可消耗的。在另一实施例中，微板可为可循环的。在另一实施例中，微板可为可再用的。在另一实施例中，微板可为可生物降解的。在另一实施例中，微板可为不可消耗的。
用于聚合酶链反应(PCR)的微板
本发明的一方面提供用于聚合酶链反应(PCR)的微板。在若干实施例中，所述微板包括包含用于加热PCR样本的金属材料的衬底及安置于所述衬底上方的屏障层，所述屏障层由第一聚合材料形成。所述微板进一步包含用于含纳PCR样本的一个或一个以上孔，所述一个或一个以上孔由密封到屏障层的第二聚合材料形成。在一些情况中，第一聚合材料不同于第二聚合材料。在一实例中，第一聚合材料具有不同于第二聚合材料的玻璃转化温度。在其它情况中，第一聚合材料与第二聚合材料相同。在一实例中，第一聚合材料具有与第二聚合材料相同或大致相同的玻璃转化温度。
在一些实施例中，所述衬底提供至少大约1℃/秒或2℃/秒或3℃/秒或4℃/秒或5℃/秒或6℃/秒或7℃/秒或8℃/秒或9℃/秒或10℃/秒或11℃/秒或12℃/秒或13℃/秒或14℃/秒或15℃/秒或16℃/秒或17℃/秒或18℃/秒或19℃/秒或20℃/秒或25℃/秒或30℃/秒或35℃/秒或40℃/秒或45℃/秒或50℃/秒或更大的PCR斜升速率(或加热速率)。
在一些实施例中，可通过使电流穿过衬底来实现PCR样本的加热。在另一实施例中，可通过使直流(DC)穿过衬底来实现PCR样本的加热。在另一实施例中，可通过使交流(AC)穿过衬底来实现PCR样本的加热。
在一些实施例中，所述衬底与PCR样本分离1微米(“micron”)或更小或2微米或更小或3微米或更小或4微米或更小或5微米或更小或6微米或更小或7微米或更小或8微米或更小或9微米或更小或10微米或更小或11微米或更小或12微米或更小或13微米或更小或14微米或更小或15微米或更小或16微米或更小或17微米或更小或18微米或更小或19微米或更小或20微米或更小。在其它实施例中，所述衬底与PCR样本分离至少大约0.1微米或1微米或2微米或3微米或4微米或5微米或10微米或15微米或20微米或30微米或40微米或50微米或100微米或500微米或1000微米或5000微米或10,000微米或更大。
在一些实施例中，第二聚合材料热密封到屏障层。在另一实施例中，第一聚合材料与第二聚合材料化学兼容。在另一实施例中，所述金属材料包括铝或铝合金。
在一些实施例中，所述衬底用于在电流流动穿过所述衬底之后即刻产生热。在另一实施例中，所述衬底用于在直流(DC)流动穿过所述衬底之后即刻产生热。在另一实施例中，所述衬底用于在交流(AC)流动穿过所述衬底之后即刻产生热。
在一些实施例中，所述衬底用于以在大约1℃/秒与35℃/秒之间或大约3℃/秒与25℃/秒之间或大约5℃/秒与15℃/秒之间的速率增加一个或一个以上孔中的样本的温度。
在一些实施例中，所述衬底包含用于加热PCR样本的金属材料。所述金属材料可具有在大约5×10-9Ω-m与1×10-6Ω-m之间或大约1×10-8Ω-m与1×10-7Ω-m之间或大约2×10-8Ω-m与8×10-8Ω-m之间的电阻率。
在一些实施例中，所述微板可包含一个或一个以上孔。在一些情况中，所述微板可包含1个孔或2个孔或3个孔或4个孔或5个孔或6个孔或7个孔或8个孔或9个孔或10个孔或11个孔或12个孔或13个孔或14个孔或15个孔或16个孔或17个孔或18个孔或19个孔或20个孔或21个孔或22个孔或23个孔或24个孔或25个孔或26个孔或27个孔或28个孔或29个孔或30个孔或31个孔或32个孔或33个孔或34个孔或35个孔或36个孔或37个孔或38个孔或39个孔或40个孔或41个孔或42个孔或43个孔或44个孔或45个孔或46个孔或47个孔或48个孔或49个孔或50个孔或51个孔或52个孔或53个孔或54个孔或55个孔或56个孔或57个孔或58个孔或59个孔或60个孔或61个孔或62个孔或63个孔或64个孔或65个孔或66个孔或67个孔或68个孔或69个孔或70个孔或71个孔或72个孔或73个孔或74个孔或75个孔或76个孔或77个孔或78个孔或79个孔或80个孔或81个孔或82个孔或83个孔或84个孔或85个孔或86个孔或87个孔或88个孔或89个孔或90个孔或91个孔或92个孔或93个孔或94个孔或95个孔或96个孔或97个孔或98个孔或99个孔或100个孔或101个孔或102个孔或103个孔或104个孔或105个孔或106个孔或107个孔或108个孔或109个孔或110个孔或111个孔或112个孔或113个孔或114个孔或115个孔或116个孔或117个孔或118个孔或119个孔或120个孔或121个孔或122个孔或123个孔或124个孔或125个孔或126个孔或127个孔或128个孔或129个孔或130个孔或更多。在一些实施例中，所述微板可包含1个或更多或5个或更多或10个或更多或15个或更多或20个或更多或25个或更多或30个或更多或35个或更多或40个或更多或45个或更多或50个或更多或60个或更多或70个或更多或80个或更多或90个或更多或100个或更多或110个或更多或120个或更多或130个或更多或140个或更多或150个或更多或200个或更多或300个或更多或400个或更多或500个或更多或1000个或更多孔。
在一实施例中，所述微板可包含24个孔。在另一实施例中，所述微板可包含48个孔。在另一实施例中，所述微板可包含54个孔。在另一实施例中，所述微板可包含72个孔。在另一实施例中，所述微板可包含96个孔。所述微板可为一次性的及/或可循环的。
在一些实施例中，所述微板可包含24个孔(每一孔具有5微升(μl)与40μl之间的填充体积)或96个孔(每一孔具有大约0.5μl与5μl之间的体积)。
在其它实施例中，用于聚合酶链反应(PCR)的微板包括：包括用于加热PCR样本的金属材料的衬底；安置于所述衬底上方的涂覆层(本文中也称“屏障层”)，所述涂覆层由第一聚合材料形成；及由密封到所述涂覆层的第二聚合材料形成的一个或一个以上孔，其用于含纳PCR样本。在一些实施例中，金属衬底在不需要外部加热元件或珀耳帖加热块的情况下提供+/-1℃或更佳或+/-0.5℃或更佳或+/-0.2℃或更佳的孔间热均匀性。
在其它实施例中，用于聚合酶链反应(PCR)的微板包括：包括用于加热PCR样本的金属材料的衬底；安置于所述衬底上方的涂覆层，所述涂覆层由第一聚合材料形成；及用于含纳PCR样本的一个或一个以上孔，所述一个或一个以上孔由密封到所述涂覆层的第二聚合材料形成。在一些实施例中，所述金属衬底提供足以允许至少每分钟1个PCR循环或至少每分钟2个PCR循环或至少每分钟3个PCR循环或至少每分钟4个PCR循环或至少每分钟5个PCR循环或至少每分钟6个PCR循环或至少每分钟7个PCR循环或至少每分钟8个PCR循环或至少每分钟9个PCR循环或至少每分钟10个PCR循环的加热效率，包含针对每个循环的荧光测量在内。
在一些实施例中，所述微板进一步包含在所述衬底的与接触层相对的侧处的红外辐射(IR)归一化材料层。所述IR归一化层可辅助增加IR发射率，借此在PCR期间提供对微板及一个或一个以上孔的更高效的热调节。在另一实施例中，所述微板可包括在衬底的与涂覆层相对的侧处的IR归一化材料层。在一些实施例中，所述IR归一化层可具有小于大约10微米(“micron”)或小于大约5微米或小于大约1微米或小于大约0.5微米或小于大约0.1微米的厚度。
在一些实施例中，所述微板可具有小于大约0.1mm或小于大约0.2mm或小于大约0.3mm或小于大约0.4mm或小于大约0.5mm或小于大约0.6mm或小于大约0.7mm或小于大约0.8mm或小于大约0.9mm或小于大约1mm的厚度。在另一实施例中，所述微板可具有大约0.1mm与100mm之间或大约0.2mm与20mm之间或大约0.3mm与10mm之间或大约0.4mm与0.6mm之间的厚度。
在一些实施例中，所述涂覆层可具有小于大约10微米(“micron”)或小于大约5微米或小于大约1微米或小于大约0.5微米或小于大约0.1微米的厚度。
本发明的另一方面提供供与聚合酶链反应(PCR)一起使用的一次性样本架。在一些情况中，所述一次性样本架由可循环材料形成，例如聚合材料、金属材料(例如，铝)或复合材料。
在一些实施例中，一次性样本架包括涂覆有第一聚合材料的铝衬底及热密封到所述第一聚合材料的多个孔。所述多个孔可由与第一聚合材料兼容的第二聚合材料形成。
在一些情况中，一次性样本架包括用于将热提供到所述一次性样本架的多个孔的含铝衬底。所述一次性样本架可具有小于或等于大约100g或90g或80g或70g或60g或50g或40g或30g或20g或15g或10g或5g或4g或3g或2g或1g或更低的重量。在一些实施例中，所述一次性样本架为单次使用样本架。
本发明的另一方面提供供与聚合酶链反应(PCR)一起使用的低成本样本架。所述低成本样本架可包括由具有大约2.0g/cm3与4.0g/cm3或2.7g/cm3与3.0g/cm3之间的密度的金属材料形成的衬底。所述衬底可经配置而以大约1℃/s与30℃/s或5℃/s与15℃/s之间的加热速率将热提供到低成本样本架的一个或一个以上孔。在一些实施例中，所述衬底包含铝。在一些情形中，所述低成本样本架进一步包含由在衬底上方的第一聚合材料形成的屏障层。所述低成本样本架的一个或一个以上孔可由接合到第一聚合材料的第二聚合材料形成。
图1是根据本发明的实施例的微板100的示意性横截面侧视图。微板100在包括由例如聚丙烯的聚合材料形成的一个或一个以上管的模制件102中包含多个孔101(或孔状结构)。所述管附接到金属板103的表面。在一些实施例中，所述管借助于由可与模制件102的管的材料兼容的聚合材料形成的涂覆层(或屏障层)104附接到金属板103的表面。所述金属板可由电阻性材料形成。在一些实施例中，所述金属板可由铝或铝合金形成。图1的微板具有安置于所述孔中的每一者中的样品105。
在一些情况中，模制件102可由单件聚合材料形成。在一些情况中，模制件102通过注射模制形成。在一些情形中，模制件102可由彼此附接(例如通过焊接或借助于粘合剂)的多个件形成。
继续参考图1，孔101至少部分地由至少部分地由聚合材料形成的模制件102的侧壁界定。模制件102可使所述模制件的底部表面搁靠在金属板103上。此可在所述孔中的每一者中提供高效热控制。
在一些实施例中，模制件102可借助于例如粘合剂的接合材料固定到金属板103。在其它实施例中，模制件102借助于夹或紧固件(未展示)固定到金属板103。
微板加热
本发明的另一方面提供具有用于聚合酶链反应(PCR)加热的孔的微板(或消耗品)。在一些实施例中，可通过使电流穿过微板来加热所述消耗品。可加热所述微板达预定时间周期。可通过具有一个或一个以上处理器的计算机系统来调节样本处理(包含加热)，所述处理器用于执行存储于所述计算机系统的存储器位置中的机器可读指令。
可通过使电流穿过图1的微板来产生热。在一些情况中，加热为电阻性加热。可通过使穿过微板的至少一部分的电流变化或使跨越微板施加的电位变化来调整加热或冷却的速率。
在一些实施例中，一次性微板(本文中也称“消耗品”)可包含经涂覆金属板，其中聚合物模制件附接到所述金属板。所述金属板可涂覆有与所述模制件兼容的聚合材料。所述聚合物模制件可由聚合材料形成。所述消耗品本质上可为加热元件。可通过使电流穿过金属板来直接加热所述消耗品。所述消耗品可包含液体样本或样品，所述液体样本或样品与所述板紧密接触、通过聚合物层与所述板分离，使得到所述样本及从所述样本的热转移为快速且可控制的。在一些实施例中，所述聚合物层可具有大约10微米的厚度或本文中所提供的其它厚度(参见上文)。
在一些实施例中，可通过使电流沿着若干个不同可能电流路径穿过消耗品来加热所述消耗品。在另一实施例中，在所述板的端处的接触指状件连接到汇流条的系统。这些汇流条为四个变压器的单匝次级绕组。所述消耗品经配置以搁置于汇流条上(或与其电接触)。在一些实施例中，所述消耗品可从汇流条移除。在另一实施例中，几何形状与所描述消耗品类似的固定板永久附接到所述汇流条。
在一些实施例中，使用三端双向可控硅装置的相角触发来成比例地控制对每一变压器的低电流初级驱动。此外，通过使用双初级绕组，可控制对每一变压器的驱动的相对相位。
在一些实施例中，穿过板的电流为高的且施加到板的电压为低的。在一些实施例中，穿过板的电流高达大约每变压器50A或100A或150A或200A或300A或400A或500A或600A或700A或800A或900A或1000A。在另一实施例中，施加到板的电压在大约0.1V与1V之间或在大约0.25V与0.5V之间。
在一些实施例中，为了在低电压及低板电阻下操作，可移除板与固定汇流条之间的触点为关键的。在另一实施例中，所述板使用由主缸(其由电滚珠螺杆致动)驱动的6个小型液压压头夹持到所述汇流条上的镀金触点。所述压头可各自施加大约2,000牛顿(N)的力，所述力产生铝的足以破坏通常存在于所述金属的表面上的氧化物膜且在所述板与汇流条之间做出极低电阻触点的变形。
微板可包含N行×M列的孔，其中‘N’及‘M’为大于零的整数。在一些情况中，N为至少1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或20或更大，且M为至少1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或20或更大。所述行可正交于所述列或可相对于所述列有角度地安置成大于0°的角度且相对于所述列有角度地安置成小于90°的角度。举例来说，所述行可相对于所述列有角度地安置成大约45°的角度。
举例来说，微板可包含3行×3列(3×3)的孔或总共9个孔。作为另一实例，微板可包含3×3、4×6、6×4、9×6或6×9个孔。图10展示具有6行×9列的孔1001或总共54个孔的微板1000。所述孔由聚合材料形成且邻近于由金属材料(例如，铝)形成的衬底1002安置。衬底1002包括多个指状件(或指状突出部)1003。每一指状件1003具有顶部表面(面向孔1001)及底部表面。指状件1003中的每一者的顶部表面具有界定所述顶部表面上的褶皱的波状图案。指状件1003中的每一者的底部表面(未展示)可具有界定褶皱的波状图案。所述指状件的顶部表面及底部表面的至少一部分经配置以与汇流条接触以促进在PCR期间电流流动穿过微板1000。
在一些实施例中，褶皱具有大约0.1微米(“micron”)与1厘米或1微米与10毫米(“mm”)之间的波纹。在其它实施例中，褶皱具有至少大约0.1微米或1微米或10微米或100微米或1mm或10mm或100mm的波纹。
在一些实施例中，微板包含邻近于衬底的多个孔。所述衬底由金属材料(例如铝)形成，且所述多个孔至少部分地由聚合物基质界定。在一些情况中，所述聚合物基质界定每一个别孔。在其它情况中，所述聚合物基质界定孔的一个或一个以上侧壁，但孔的底部部分由衬底界定。在一些情况中，孔的底部部分包括邻近于所述衬底的聚合材料层。
所述微板包含用于使得所述微板能够与系统的汇流条电连通以促进电流流动穿过微板的指状突出部(参见图10)。在一些情况中，借助于经配置以与多个汇流条接触的指状突出部的表面上的褶皱(或隆脊)而使微板与所述汇流条之间的电阻最小化且在一些情况中使所述电阻变为欧姆的。微板的指状突出部可紧密夹持到汇流条。
在一些情况中，微板包括经形成而在其表面上具有波状图案借此形成褶皱的指状件。所述褶皱可辅助移除形成于指状件的一个或一个以上表面上的任何氧化物层，此辅助改进指状件与汇流条之间的电接触。
在一些情况中，用于促进PCR的系统可包含如本文中所描述的微板及用于测量所述微板的一个或一个以上区中的温度的温度传感器。所述温度传感器可为与所述一个或一个以上区电接触的一个或一个以上热电偶。热电偶可与热区电接触。或者，所述温度传感器可为用于测量所述微板的一个或一个以上区的温度的红外传感器。所述红外(“IR”)传感器可为非接触IR传感器且经配置以测量微板的金属衬底的温度。
所述系统可包含用于测量微板的温度的至少1个或2个或3个或4个或5个或6个或7个或8个或9个或10个或15个或20个或30个或40个或50个或100个或更多传感器。用于温度测量的传感器的数目可等于微板中的热区的数目。举例来说，所述系统可包含用于测量微板的九个热区中的每一者中的温度的九个传感器。
温度传感器可提供对微板的热区中的温度的连续测量。在一些情况中，此可提供校准以实现较准确的读数。或者，温度传感器可提供间歇温度测量，例如至少每0.01秒、0.1秒、1秒、10秒、30秒、1分钟、10分钟、30分钟、1小时、2小时、3小时、4小时、5小时、6小时、12小时、1天、2天或更多的温度测量。所述传感器可提供反馈以确定所述板的特定区需要多少热。
在一些实施例中，跨越微板的温度变化小于大约10℃或5℃或1℃或0.9℃或0.8℃或0.7℃或0.6℃或0.5℃或0.4℃或0.3℃或0.2℃或0.1℃或更低。此实现对温度(或热)区的界定以用于每一区中的准确热控制。
本文中所提供的微板经配置以用于用以实现PCR的加热。一些实施例提供了与电子源电连通以实现加热的微板，所述加热可借助于电流(“电流(current)”)施加部件而提供。微板、电流施加装置及用于使微板与电流施加装置电接触的任何其它设备(例如，汇流条)共同地界定电流路径或电路(“电路(circuit)”)。所述电流施加装置可经配置以用于DC或AC操作模式。
参考图2到5，根据本发明的实施例，提供具有24个孔的消耗品(中心)。还图解说明电力供应单元(PSU)。所述PSU可为AC或DC电力供应单元。图2到5图解说明用于将热提供到消耗品的各种变压器驱动型式。在一些实施例中，提供使用1个或2个或3个或4个或5个或6个或7个或8个或9个或10个或11个或12个或13个或14个或15个或16个或17个或18个或19个或20个或21个或22个或23个或24个或更多变压器驱动型式的系统。在一些实施例中，提供使用12个变压器驱动器型式的系统。与图2到5中的PSU的相关联的箭头指示作用中PSU在对应模式中的相对定相。不具有相关联箭头的一或若干PSU在所述模式中为关断的。特定加热型式随PSU中的每一者的定相而变。
参考图2，在PSU1、PSU2、PSU3及PSU4的相对定相的第一配置中，将热提供到消耗品的顶部部分。参考图3，在PSU1、PSU2、PSU3及PSU4的相对定相的第二配置中，将热提供到消耗品的侧部分。参考图4，在PSU1、PSU2、PSU3及PSU4的相对定相的第三配置中，将热提供到消耗品的左侧(当从顶部看时)。参考图5，在PSU1、PSU2、PSU3及PSU4的相对定相的第四配置中，将热提供到消耗品的全部或大致全部。
在若干实施例中，消耗品的加热型式可为所述消耗品的加热速率与冷却速率之间的平衡的结果。也就是说，如果消耗品的中心比其被加热更快速地被冷却，那么将接着发生冷却效应。如果消耗品的侧比中心更快速地被加热，那么所述中心将相对于消耗品的侧保持较冷。在若干实施例中，加热速率及冷却可取决于各种因素，例如，热转移模式(即，传导性、对流性或辐射性)及所述模式之间的相互作用；热转移系数；热质量；初始温度及PSU电力。
参考图2到5，电流的流动可产生预定加热型式。穿过金属板的不同电流路径的使用可使得消耗品能够用作用于区控制的板加热区，从而实现对热均匀性的主动控制。
在一些实施例中，借助于高压空气射流(例如1个或更多或2个或更多或3个或更多或4个或更多或5个或更多或10个或更多高压空气射流)从下面使所述板冷却。可个别地接通及关断所述射流，且可控制空气压力以在冷却时给出比例性。此可有效地给出对所施加冷却功率的区控制。甚至在冷却时，也可使用加热系统来主动地维持总体热均匀性。在一些实施例中，可从建筑物空气供应源或小的局部压缩器或通过使用具有脉宽调制(PWM)控制的4个小型空气泵来供应经压缩空气。在所有情况中，将所采用的压力控制在0psi与50psi之间，且通过喷嘴(例如4个小的0.7mm直径的喷嘴)将空气引导到板的底部上，所述喷嘴产生穿透平坦板的边界层的高速射流。
所述板的端的起皱；所述板在位于机器中时不仅提供用于测试样本的容器，而且其为电阻性加热元件。在电流流动穿过板的铝基底之后，即刻诱发加热。当与板的电阻相比时板与电路的其余部分之间的连接需要为低电阻，使得所诱发的加热将不在电路的所述其余部分中发生。为了实现低电阻，将板的铝指状件(或指状突出部)紧密夹持到高导电率汇流条上。此夹持可提供指状件与汇流条之间的欧姆接触，此可提供经改进的加热。除紧密夹持指状件所需的力以外，还已将所述指状件形成为在其表面中具有波状图案(褶皱)，使得在其被平坦地夹持时，在板的表面上存在擦拭作用，此破坏已涂覆其的任何氧化物或污染物，从而提供良好连接。
存在用以此布置的若干个要素，例如在重复做出的连接上提供>100牛顿的高力。此通过使用偏心肘节型夹来实现；所述夹可具有减小设置所述夹所需要的精确度的内置弹簧系统。可使用其它夹持方法，例如液压或螺丝夹持。夹持压头的轻微拱凸提供环形接触环而非点或面接触，此实现高接触力及优选接触面积两者以帮助提供可重复低电阻连接。将起伏置于板的表面中夹的区域中使得材料能够在其被夹压头平坦地挤压时跨越夹持表面移动及擦拭。可在各种连接器上使用此擦拭过程来产生低电阻触点。在一些情况中，可挤压预成型件。预成型件的大小及深度在确定擦拭作用时可为重要的。借助于褶皱，可使微板与汇流条之间的电阻最小化，且在一些情况中最小化到低于具有微板及电流施加装置的电路的电阻。
在一些实施例中，可使用3×3热电堆型非接触传感器阵列从板下面测量板的温度。在另一实施例中，可借助于至少1个或2个或3个或4个或5个或6个或7个或8个或9个或10个或11个或12个或13个或14个或15个或16个或17个或18个或19个或20个或21个或22个或23个或24个或25个或26个或27个或28个或29个或30个或31个或32个或33个或34个或35个或36个或更多热电堆型非接触传感器进行温度测量。在另一实施例中，可借助经选择以与孔的数目匹配的数目个传感器来进行温度测量。
图6展示根据本发明的实施例的安装块上的传感器。板的底部具有环氧底漆涂层以归一化所述板的红外发射率，此可辅助准确的传感器测量。可借助于操作地耦合到与一个或一个以上孔热接触的热电偶的系统进行温度测量。
在一些实施例中，传感器与加热区之间不存在一对一映射。在另一实施例中，计算机使用来自传感器的信息从预定数目个经编程选项(例如12个经编程选项)选择最优变压器驱动型式。在另一实施例中，大约每秒50次地更新变压器驱动型式。在另一实施例中，至少大约每秒5或10或20或30或40或50或60或70或80或90或100次地更新变压器驱动型式。
温度的红外热电堆测量；一个实施例使用非接触红外传感器阵列来测量板的铝基底板的温度。在当前阵列中存在用以测量所述板的九个区中的温度的9个传感器。这些温度用以控制加热系统且产生所要的加热型式。红外传感器为行业标准部件，但作为标准其仅可在大约1度的准确度内进行测量。期望获得所述测量准确度的倍数；因此一个实施例跨越一范围个别地校准每一传感器，接着使用此信息来计算更准确的读数。传感器的此“校准”需要测量若干个点且使用这些点来填充在其之间外推的算法以给出更准确的值。至少部分地基于“校准”的使用与算法的组合来实现较准确的读数，此实施例为有利的。
加热控制算法；加热系统由可以若干种不同方式加热以将热提供到多个区中的多区电阻性加热元件组成。所述区的温度由提供连续测量的非接触红外传感器阵列测量。系统的控制为复杂的，因为无法通过以下两者加热仅一个区而不加热其它区：通过使电流流动穿过所述区直接地及通过从相邻区的热转移间接地。已开发出使用来自热传感器的反馈确定需要多少热及何处需要热而提供此复杂控制的算法。此算法不仅使所述板快速达到所要的温度，而且其用于使跨越所述板的温度变化保持为最小值使得所有测试样本有效地经历相同实验条件，这在试图比较跨越测试板及不同板间的结果时是重要的。此处的新颖性在于算法的实际本质以及其使用。
在一些实施例中，提供用于控制板及与所述板热连通的消耗品的加热及冷却的系统。在另一实施例中，提供用于控制板及与所述板热连通的消耗品的加热及冷却的具有软件的系统。在另一实施例中，提供用于跨越板的作用区维持热均匀性同时遵循经编程温度分布曲线的系统。
在一些实施例中，当用户已给板上的管填充试剂时，使用盖(例如透明密封膜)密封所述管的顶部。此可允许从板上面进行荧光测量以遵循PCR的进展。可使用电荷耦合装置(CCD)相机来记录荧光输出。所述CCD相机可具有滤光轮。可通过一个或一个以上激发源(例如具有滤光片的发光二极管(LED))来提供用于激发的辐射。
作为替代方案，可借助于采用珀耳帖加热的加热装置来加热或冷却微板。在一些情况中，图1的微板可借助于在所述微板的底侧附近的珀耳帖加热元件来使用。在此情况中，金属板可准许到微板的孔(或室)中的每一者的热转移。在一些情况中，微板可与珀耳帖加热元件热连通，此可在电能的消耗之后即刻逆着温度梯度将热从加热元件的一侧转移到加热元件的另一侧。
图7展示具有经化学掺杂为n型(“N”)705或p型(“P”)710的多个含半导体元件(或“小球”)的珀耳帖加热元件700。
图8展示微板800，在微板800下面具有珀耳帖加热装置801。珀耳帖加热装置801可包含p型半导电(或“半导体”)材料805及n型半导电(或“半导体”)材料810及连接n型半导体与p型半导体对的导电材料815。珀耳帖加热装置801可包含n型半导体及p型半导体上方的热绝缘材料层。所述热绝缘材料层可为陶瓷材料。珀耳帖加热装置801可对微板800(包含微板800的孔(或室))提供加热或冷却。在一些情况中，如上文所描述，除使电流穿过微板800以外，还可借助于珀耳帖加热装置801来加热微板800。
作为另一替代方案，可使图1的微板在所述微板的底侧上(例如，邻近于微板的金属板)与电阻性、辐射性或对流性加热装置接触以将加热(或冷却)提供到所述微板的一个或一个以上孔。在一些情况中，可使图1的微板在底侧上与夹加热装置接触。所述夹加热装置可结合借助于引导穿过微板的电流供应的加热使用，如上文所描述。
在一些情况中，本文中所提供的加热装置可用于加热及冷却两者。举例来说，图7及8的珀耳帖加热装置可用于从微板的一个或一个以上孔移除热，举例来说，通过调整穿过珀耳帖加热装置的含半导体元件的电流的流动方向。作为另一实例，可通过减小加热装置的加热速率来提供冷却，借此使得能够借助于对流性、传导性或辐射性热转移冷却到拟稳态温度。
用于形成微板的方法
本发明的另一方面提供用于形成微板的方法。本文中所提供的微板可包含具有一种或一种以上金属的衬底。在一些实施例中，此些衬底可包含铝、氧化铝、含铝合金或复合材料。在一些情况中，此些衬底包含铝。可通过与衬底电接触的电极将电流提供到衬底。在一些情况中，可向铝衬底提供低电阻或大致低电阻电触点以将电流提供到铝衬底且穿过所述铝衬底。
在一些情况中，铝衬底可以小于或等于大约5m-Ω或10m-Ω或15m-Ω或20m-Ω或25m-Ω或30m-Ω或35m-Ω或40m-Ω的结电阻与电触点(或电极)电连通，其中1m-Ω等于1×10-6Ω。此些电触点可具有低浓度的含铝氧化物(例如氧化铝AlOx)，其中‘x’为大于零的数值。
在一些情况中，在制造具有铝衬底的微板之后，可即刻在铝衬底的用于提供衬底的电触点的区域中压制形成波纹。举例来说，如果期望六个电触点区域，那么六个电触点区域中的每一者可在形成所述电触点区域之前成波纹的。此成波纹可破坏可形成于铝衬底的表面上的任何氧化铝，借此提供铝衬底的低电阻或大致低电阻电触点。
在一些实施例中，借助于一裸片或多个裸片形成微板的一个或一个以上组件。在一些情况中，通过机械冷成型处理(例如锻造(例如，模锻))来形成微板。举例来说，可使用机械冷成型处理来形成图1的微板的金属板。在微板的孔由聚合材料形成的情况中，可使用挤出或注射模制来形成所述孔。
PCR系统
本发明的另一方面提供用于样本处理(包含用于PCR的加热)的系统。所述系统可包含具有中央处理的控制器、存储器(随机存取存储器及/或只读存储器)、数据存储单元(例如，硬驱动器)、通信端口(COM PORTS)及输入/输出(I/O)模块(例如I/O接口)。所述处理器可为中央处理单元(CPU)或用于并行处理的多个CPU。所述存储器及/或数据存储单元可具有用于实施本文中所提供的方法(例如用于PCR的加热方法)的机器可读代码。
图9展示根据本发明的实施例的用于使用本文中所提供的微板调节PCR的系统900。系统900包含处理器901、存储器902、输入/输出模块903、通信接口904及数据存储单元905。系统900可操作地耦合到用于将用户接口907呈现给对系统900进行操作的用户的显示器906。在一些情况中，用户接口907为具有一个或一个以上文本、图形、音频与视频元件的图形用户接口(GUI)。显示器906可为触摸屏，例如电容性触摸屏或电阻性触摸屏。在一些实施例中，显示器906邻近于系统900安置。在其它实施例中，显示器906远离系统900安置。
系统900操作地耦合到用于使用本文中所提供的微板执行PCR的PCR系统908。PCR系统908可包含用于使得系统900能够在PCR期间借助于PCR系统908进行温度测量的传感器(例如，热电偶)。
存储器902可为随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM)(此处仅举几例)或硬驱动器。所述存储器可包含用于实施用于使用PCR系统908执行PCR的方法的机器可读代码。在一些实施例中，存储器902包含用于执行可包含随时间而变的温度区分布曲线的一个或一个以上温度分布曲线的机器可读代码。
在一实例中，用户将具有样本的PCR微板输入到PCR系统908中。所述PCR微板可如本文中所描述。借助于所述显示器的用户接口907，用户请求系统900起始样本处理且对样本执行PCR。系统900执行存储于存储器902上的代码以向样本提供经编程温度分布曲线(例如，斜升速率)以进行PCR。
系统900可与用于容纳数据或提供用于PCR的指令的远程系统有线或无线通信(参见下文)。可由网络接口来促进来往于所述系统的通信，所述网络接口通过内联网或因特网(例如，万维网)使所述系统与远程系统通信。
可以编程来体现本文中所提供的系统及方法的方面。可将所述技术的各种方面视为通常呈可在一类型的机器可读媒体上载运或以所述机器可读媒体体现的可执行代码及/或相关联数据的形式的“产品”或“制品”。“存储”型媒体可包含计算机的有形存储器、处理器等或其相关联模块中的任一者或全部，例如可在任何时间提供用于软件编程的非暂时存储的各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器等。有时可通过因特网或各种其它电信网络来传递软件的全部或部分。举例来说，此些通信可使得能够将软件从一个计算机或处理器加载到另一者中，举例来说，从管理服务器或主机计算机加载到应用程序服务器或强度变换系统的计算机平台中。因此，可承载软件元件的任何类型的媒体包含例如跨越本地装置之间的物理接口通过有线及光学陆线网络及经由各种空中链路使用的光波、电波及电磁波。还可将载运此些波的物理元件(例如有线或无线链路、光学链路等)视为承载软件的媒体。如本文中所使用，除非限制于非暂时有形“存储”媒体，否则例如计算机或机器“可读媒体”的术语指代参与将指令提供到处理器以用于执行的任何媒体。
因此，例如计算机可执行代码的机器可读媒体可采取许多形式，包含但不限于有形存储媒体、载波媒体或物理传输媒体。举例来说，非易失性存储媒体包含例如可用于实施图式中所展示的数据库的光盘或磁盘，例如任何计算机等中的存储装置中的任一者。易失性存储媒体包含动态存储器，例如此计算机平台的主存储器。有形传输媒体包含同轴电缆、铜导线及光纤，包含包括计算机系统内的总线的导线。载波传输媒体可采取电信号或电磁信号或声波或光波的形式，例如在射频(RF)及红外(IR)数据通信期间产生的那些。因此，举例来说，常见形式的计算机可读媒体包含：软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其它磁性媒体、CD-ROM、DVD或DVD-ROM、任何其它光学媒体、穿孔卡片、纸带、具有孔图案的任何其它物理存储媒体、RAM、ROM、PROM及EPROM、快闪EPROM、任何其它存储器芯片或卡匣、输送数据或指令的载波、输送此载波的缆线或链路或计算机可从其读取编程代码及/或数据的任何其它媒体。在将一个或一个以上指令的一个或一个以上序列载运到处理器以用于执行时可涉及这些形式的计算机可读媒体中的许多。
本发明的另一方面提供用于进行PCR的方法，其中来自反应的数据(例如，荧光信息、所测量温度)、用于进行PCR的指令(例如，斜升速率、预定温度分布曲线)及用于处理所述数据的指令中的一者或一者以上远程地或在可装卸装置上位于微板上。此可实现即插即用PCR，其中可在不需要额外设置的情况下跨越各种平台执行PCR。
在一些情况中，可装卸装置可经配置以与用于进行PCR的系统(例如图9的系统900)介接。在一实例中，所述可装卸装置为通用串行总线(USB)驱动器(例如，USB棒)或可装卸存储器磁盘(例如，快闪驱动器)。在另一实例中，所述可装卸磁盘为经配置以与串行高级技术附件接口(例如，小型SATA或M-SATA)或个人计算机存储器卡国际协会(PCMCIA，也称PC卡)接口介接的紧凑快闪磁盘或装置。
在一些情形中，在可装卸装置上提供控制指令及分析指令两者以允许用户开展实验且与用于进行PCR反应的热循环仪无关地分析结果。用于实施PCR的机器可读指令可位于可装卸装置上。在一些实施例中，可装卸磁盘包含使得能够识别与可装卸装置介接的硬件(或系统，例如系统900)的类型的指令及/或命令(例如，以机器可读代码体现)。所述可装卸装置可包含用于对硬件执行PCR的处理指令。所述处理指令可基于耦合到可装卸装置的系统的类型及/或样本的类型而预定。所述可装卸装置可帮助识别其被插入到其中的硬件的类型且提供预定命令/接口以在不必安装于所述硬件上的情况下直接对所述硬件进行PCR。
一些实施例提供可装卸装置及位于可装卸装置上的经配置以在各种平台上操作的软件。测试系统软件容纳控制程序及分析程序两者使得用户可开展所述用户的实验且获悉结果。当在机器本身上操作时，也期望其将远程地操作以使得能够远离测试系统发生实验设计及结果分析。此软件可驻存于可装卸装置上，例如USB棒、其它可装卸存储器磁盘(例如，紧凑快闪、M-SATA或PCMCIA装置)。
此些系统及装置提供各种优点。举例来说，在可装卸装置上具有命令及/或指令可排除对任何额外安装的需要。在此些情况中，可在不需要管理员特权的情况下进行PCR，且可在不必安装于机器上的情况下在所述机器上执行所述PCR。此提供用于样本处理的统一平台，因为设置用于对特定样本的PCR的系统(例如，系统900)可不需要硬件及/或软件升级或安装。可装卸媒体可存储数据文件及程序两者以便实现兼容性。
本文中所提供的PCR系统经配置以用于在各种软件平台(例如基于Windows的操作系统(例如，Windows7)及基于Linux的操作系统(例如，Mac OS X))上的安装及操作。本文中所提供的系统可在便携式电子装置上实施，例如膝上型计算机、智能电话(例如，Apple )及平板计算机(例如，Apple )。在一些情况中，此些系统可与用于PCR的外围装置(例如加热系统(例如，与微板连通以界定电路的电流施加装置))通信。此可提供用于跨越各种平台的就绪辨识的接口。
本文中所提供的PCR系统可为平台无关的。在一些情形中，只要系统可接受可装卸存储器装置，则将能够运行软件且进行PCR。在一些情况中，所有信息均存储于可装卸装置上使得在运行软件的平台上不保存任何内容，此可减少(如果不消除)数据安全问题。从可装卸装置传送数据及应用程序，且系统提供计算能力及相关联辅助功能，例如用户接口及打印。
或者，PCR命令及/或指令存储于远程服务器(即，“云”)处且由系统(例如，系统900)通过网络接口(例如有线或无线接口)存取。用户可通过提供如本文中所描述的具有样本的微板并使用系统来检索用于进行PCR的必需指令而运行PCR。在PCR的进程中搜集的数据可存储于系统上且随后上载到具有数据存储单元的远程服务器。
或者，PCR命令及/或指令存储于集成于微板中的存储器装置上。所述微板经配置以与用于进行PCR的系统(例如图9的系统900)介接。所述系统可包含用于辨识存储器装置且随后针对样本处理准备所述系统的读取器。在一些实施例中，所述存储器装置为电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。
用户接口
本发明的另一方面提供用于使得用户能够设置用于PCR的系统、监视PCR及检视PCR结果的用户接口。在一些情况中，所述用户接口为具有一个或一个以上文本、图形、音频与视频元件(例如用于使得用户能够设置PCR任务、监视PCR的进程、审查结果及进行数据分析的菜单元件)的图形用户接口(GUI)。所述GUI可促进PCR实验的实施。图11到17图解说明允许PCR结果的就绪分析及可视化的GUI的屏幕截图，如本文中所描述。图11到17的GUI可在本文中所提供的系统(例如图9的系统900)上实施且借助于显示器(例如图9的显示器906)呈现给用户。
图11展示具有各种菜单选项(包含“开始测试”及“分析”)的GUI。用户可选择开始测试选项以在耦合到具有所述GUI的系统的微板中起始样本的PCR。所述用户可选择分析以分析PCR数据。可借助于指向装置(例如鼠标或在其中GUI显示于触摸屏上的情况中用户的手指)选择所述菜单选项。
在图12中，用户已选择开始测试且系统向用户呈现子菜单选项，包含模板及历史。用户可选择模板以存取用于执行PCR的各种测试模板。或者，用户可选择待审查的历史(举例来说，PCR历史)，例如在特定时间点处进行了何种测试。此数据可存储于系统的数据存储库中。用户可选择标准测试以继续设置系统以进行PCR。
参考图13，在标准测试下，系统向用户呈现各种PCR选项，此请求用户选择PCR的类型(“选择PCR类型”)。所述系统向用户呈现各种PCR类型选项，包含RICTOR、PKC、Rac、Rho、Akt及RHEB。用户可选择PCR类型选项。接下来，参考图14，系统向用户呈现各种化学类型(“CHEMISTRY TYPE”)，例如ABI、Fast Advanced MasterMix及Gene Expression Master Mix。接下来，参考图15，系统向用户呈现托盘设定(“TRAYSETTINGS”)且使得用户能够选择所关注基因(“GENES OF INTEREST”)，例如mTOR或RAPTOR。接下来，参考图16，系统向用户呈现热分布曲线选项，包含开始温度及目标温度。用户可从预定选项进行选择或手动地输入温度设定。系统接着向用户呈现确认屏幕，如图17中所展示。所述确认屏幕展示系统将在PCR中使用的每循环的温度分布曲线、循环的数目(“重复”)、托盘设定(在图17中已选择“24个孔”)以及其它设定。所述温度分布曲线为定制温度分布曲线，但如果期望，那么可使用预定设定。所述系统给用户提供改变设定或继续进行PCR(“运行测试”)的选项。
实例1：经涂覆金属板
由块体经处理材料大规模地生产标称0.4mm厚的金属板，其中金属锭(例如，5吨金属锭)进入工艺且在连续操作中被轧制及涂覆。所述材料为被轧制到半硬状态且接着在一侧上(例如，顶部侧)上用聚丙烯兼容材料涂覆到大约10微米的标称厚度的铝合金。此材料允许将聚丙烯热密封(或焊接)到金属板且不抑制PCR。用环氧底漆将薄片的另一侧(底部)涂覆到5微米的标称厚度。存在此情形以使薄片的底部侧的红外发射率归一化。将材料分成160mm宽的条带且以盘绕形式供应到其中生产个别板的自动冲压线。接着在板的端处从接触指状件选择性地移除环氧涂层以允许进行电接触。
实例2：聚丙烯模制
为了含纳放置于板上的液体样本，将由垂直管结构阵列组成的聚丙烯模制件焊接到实例1的金属板。聚丙烯模制件由多个管形成以界定样本区域(或孔)。所述管的大小及图案可为用户选择的问题；可使用装配于板的中间的经主动温度控制的区域内的任何图案。选择了两个常见的选项：9mm间距的6×4管阵列及4.5mm间距的8×12阵列。整个组合件重10.5g且可容易循环。适合于单次使用的物项，消耗品的制造成本为低的。
尽管已将某些微板描述为可消耗或可循环，但将了解，在一些情况中，此些微板不需要为可消耗或可循环的。在一些实施例中，此些微板可为可再使用的、不可消耗的或不可循环的。
本文中所提供的系统及方法可与其它系统及方法组合或通过其它系统及方法修改。举例来说，本文中所提供的系统及方法可与以下文献中所描述的系统及方法组合或通过所述系统及方法修改：颁予甘特(Gunter)的第6,635,492号美国专利(“加热试样载体(Heating specimen carriers)”)及颁予甘特的第6,949,725号美国专利(“试样载体的区加热(Zone heating of specimen carriers)”)及颁予甘特的第WO/2001/072424号PCT公开案(“加热试样载体(Heating specimen carriers)”)、颁予甘特的第WO/1997/026993号PCT公开案(“加热(Heating)”)、颁予甘特的第WO/2005/058501号PCT公开案(“加热试样载体中的样本(Heating samples in specimen carriers)”)及颁予甘特的第WO/2003/022439号PCT公开案(“试样载体的区加热(Zone heating of specimen carriers)”)，所述专利及专利公开案均以引用的方式完全并入本文中。
根据前文应理解，尽管已图解说明及描述了特定实施方案，但可对其做出各种修改且所述修改涵盖于本文中。本发明也并非打算由说明书内所提供的特定实例限制。尽管已参考前述说明书描述了本发明，但本文中的优选实施例的描述及图解说明并非意在解释为限制性意义。此外，应理解，本发明的所有方面并不限制于本文中所阐述的特定描绘、配置或相对比例，此取决于多种条件及变量。所属领域的技术人员将明了本发明的实施例在形式及细节上的各种修改。因此，预期本发明也应涵盖任何此类修改、变化及等效形式。

Claims (29)

1.一种用于聚合酶链反应PCR的微板，其包括：
衬底，其包括用于加热PCR期间样本的金属材料；
屏障层，其涂覆在所述衬底上，所述屏障层由第一聚合材料形成；
模制件，其包括密封到所述屏障层的一个或一个以上孔，所述一个或一个以上孔用于含纳所述PCR期间样品，所述一个或一个以上孔由密封到所述屏障层的第二聚合材料形成；以及
具有波纹表面的指状电极，其与所述衬底电连通，所述电极引导电流穿过所述衬底，
其中所述衬底提供至少5℃/秒的PCR斜升速率。
2.根据权利要求1所述的微板，其中所述衬底被配置为与所述样本分离30微米或更小。
3.根据权利要求1所述的微板，其中所述第二聚合材料热密封到所述屏障层。
4.根据权利要求1所述的微板，其中所述金属材料包括铝。
5.根据权利要求1所述的微板，其中所述衬底用于在电流流动穿过所述衬底之后即刻产生热。
6.根据权利要求1所述的微板，其中所述衬底以1℃/s与35℃/s之间的速率增加所述样本的温度。
7.根据权利要求1所述的微板，其中所述金属材料具有2×10-8Ω-m与8×10-8Ω-m之间的电阻率。
8.根据权利要求1所述的微板，其中所述一个或一个以上孔包括至少24个孔。
9.根据权利要求1所述的微板，其中所述一个或一个以上孔包括至少96个孔。
10.一种用于聚合酶链反应PCR的微板，其包括：
衬底，其包括用于加热PCR期间样本的金属材料；
屏障层，其邻近于所述衬底涂覆，所述屏障层由第一聚合材料形成；
模制件，其包括密封到所述屏障层的一个或一个以上孔，所述一个或一个以上孔用于含纳所述PCR期间样品，且所述一个或一个以上孔由密封到所述屏障层的第二聚合材料形成；以及
具有波纹表面的指状电极，其与所述衬底电连通，所述电极引导电流穿过所述衬底，
其中所述衬底在无外部加热元件或珀耳帖加热块的情况下提供+/-1℃或更佳的孔间热均匀性。
11.一种用于聚合酶链反应PCR的微板，其包括：
衬底，其包括用于加热PCR期间样本的金属材料；
屏障层，其涂覆在所述衬底上，所述屏障层由第一聚合材料形成；
模制件，其包括密封到所述屏障层的一个或一个以上孔，所述一个或一个以上孔用于含纳所述PCR期间样品，且所述一个或一个以上孔由密封到所述屏障层的第二聚合材料形成；以及
具有波纹表面的指状电极，其与所述衬底电连通，所述电极引导电流穿过所述衬底，其中所述衬底提供足以至少每分钟1个PCR循环的加热效率，包含针对每个循环的荧光测量在内。
12.根据权利要求11所述的微板，其中所述衬底包括铝合金。
13.根据权利要求11所述的微板，其中所述衬底包括铝。
14.根据权利要求11所述的微板，其中所述微板具有小于1mm的厚度。
15.根据权利要求11所述的微板，其中所述微板具有小于0.5mm的厚度。
16.根据权利要求11所述的微板，其中所述屏障层具有小于30微米的厚度。
17.根据权利要求11所述的微板，其进一步包括在所述衬底的与所述屏障层相对的侧处的红外辐射归一化层。
18.根据权利要求17所述的微板，其中所述红外辐射归一化层具有小于5微米的厚度。
19.根据权利要求1、10或11所述的微板，其中所述衬底适于在电流流动穿过所述衬底之后即刻加热所述PCR期间样本。
20.根据权利要求1、10或11所述的微板，其中所述第一聚合材料与所述第二聚合材料化学兼容。
21.一种供与聚合酶链反应一起使用的一次性样本架，该一次性样本架包括涂覆有由第一聚合材料制成的屏障层的铝衬底，包括多个孔的模制件和具有波纹表面的作为所述铝衬底上突出的指状电极，其与所述铝衬底电连通，所述电极引导电流穿过所述铝衬底，所述多个孔由与所述第一聚合材料不同的第二聚合材料形成，其中所述多个孔热密封到所述模制件。
22.根据权利要求21所述的一次性样本架，其中所述一次性样本架具有小于或等于30g的重量。
23.根据权利要求21所述的一次性样本架，其中所述一次性样本架具有小于或等于20g的重量。
24.根据权利要求21所述的一次性样本架，其中所述一次性样本架具有小于或等于15g的重量。
25.根据权利要求21所述的一次性样本架，其中所述一次性样本架具有小于或等于10g的重量。
26.根据权利要求21所述的一次性样本架，其中所述一次性样本架具有小于或等于5g的重量。
27.一种供与聚合酶链反应一起使用的一次性样本架，该一次性样本架包括由具有2.7g/cm3与3.0g/cm3之间的密度的金属材料形成的衬底，涂覆在所述衬底上、由第一聚合材料制成的屏障层，和具有波纹表面的作为所述衬底上突出的指状电极，其与所述衬底电连通，所述电极引导电流穿过所述衬底，其中所述衬底配置为以1℃/s与35℃/s之间的加热速率将热提供到包括一个或多个孔的模制件，该一个或多个孔由与所述第一聚合材料不同的第二聚合材料形成。
28.根据权利要求27所述的一次性样本架，其中所述衬底包括铝。
29.根据权利要求21或27所述的一次性样本架，其中其中所述第一聚合材料与所述第二聚合材料化学兼容。
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