CN103649300A - 具有内置热电元件的热块 - Google Patents

Abstract

通过使用构建到块体中的具有热电加热／冷却元件的热块，或使用具有从其下表面突出的楔形物的热块，实现在微量平板的孔中或在包含反应孔阵列的任意薄壁平板的孔中、或在多通道微流体装置的通道中的快速、均一的温度变化，其中热电元件被放置与每个楔形物的斜边表面接触。

Description

具有内置热电元件的热块

相关申请的交叉参考

本申请要求于2011年6月8日提交的美国临时专利申请号61／494,742的权益，其全部内容通过引用结合在本文中。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及序贯的化学反应，其中聚合酶链式反应(PCR)为一个实例。具体地，本发明提出用于在多个反应混合物中同时进行化学反应同时密切控制每个混合物中的温度的方法和装置。

2.现有技术描述

PCR是需要对在程序的不同阶段之间具有快速温度变化的反应混合物进行高水平的温度控制的多个化学过程实例中的一个。PCR本身是用于扩增DNA的过程，即，从携带序列的单链产生多个拷贝的DNA序列。典型地，PCR在多个反应容器如孔、管或毛细管中提供试剂转移、温度控制和产物的光学检测的仪器中进行。该过程包括一系列对温度敏感的阶段，不同的阶段在不同的温度下进行并且温度顺序以连续的循环重复。

尽管PCR可以在任意反应容器中进行，但是反应容器的选择为多孔反应板、多通道微流体装置以及同时在多个样品中进行该过程的类似结构。每个样品贮器，不管其是多孔平板的孔还是多通道微流体装置的通道，将容纳独立的样品，并且在该过程的每个阶段，所有的样品均被同时平衡至共同的热环境。

例如，96-孔平板可以用于高通量PCR中，其通过将样品置于每个孔中，并且将该平板被放置与通常称为“热块(thermal block)”的金属块接触，并且通过珀耳贴(Peltier)(热电)加热／冷却元件或通过经由设置在块体中的通道循环传热流体的闭环式液体加热／冷却系统按照已确定的方案加热和冷却该金属块。尽管广泛描述珀耳贴元件用于该应用，但是，可以通过增加该元件与热块之间的热传递和减少该元件上的热负荷而提高珀耳贴元件的效率。

发明概述

本发明涉及具有构建到块体中的一个或多个珀耳贴元件的热块。术语“珀耳贴元件”和“热电加热／冷却元件”在本文中可互换使用。如熟悉这些元件的技术人员公知的，它们取决于通过它们的电流的方向而作为加热或冷却元件工作。采用构建到热块中的珀耳贴元件，与常规排列(其中珀耳贴元件和热块为独立的部件，它们在使用时必须连接在一起)相比，得到的构造具有较少的热界面。常规珀耳贴元件是一种层压结构，其外层是导热的陶瓷材料，而本发明的热块利用常规热块的金属片作为珀耳贴元件朝向反应平板的的一侧上的外层。因此，形成热块的各层从上到下为：(i)金属片，其上表面的轮廓与反应平板的底面的轮廓相匹配，由此当平板下降到金属片上时，提供与样品板的每个样品贮器的最大接触；(ii)在所述金属片下表面上的电绝缘材料薄层；(iii)将P-掺杂的和N-掺杂的半导体块连接在一起的导电条，P-掺杂的和N-掺杂的半导体块是珀耳贴元件的工作部件；(iv)半导体块本身；(v)在所述半导体块底部的导电条；和(vi)散热器。在本发明的特定实施方案中包含的任选的附加的层是在导电条的下层和散热器之间的电绝缘层。上文提及的作为层(v)的导电条与散热器热耦合，术语“热耦合”用在本文中表示热容易从导电条传到散热器，反之亦然，直接地传热或者当存在电绝缘层时，通过电绝缘层传热。在本发明的特定实施方案中，层(ii)，(iii)，(iv)和(v)和散热器形成永久连接在一起的单件，然后，该单件可通过可拆装的连接装置如螺钉紧固件、夹具等与金属块连接。在其他实施方案中，所有六层永久连接在一起形成单件。常规的永久连接手段，如胶粘剂，可以用在后面所述的这些实施方案中。

本发明的这些和其他实施方案、目标和优点将通过附上的附图和下述描述而清楚。

附图简述

图1是与反应平板组合的本发明的热块的一个实例的一部分的横截面视图。

图2是与反应平板组合的本发明的热块的另一个实例的一部分的横截面视图。

图3是与本发明的热块的另一个实例组合的作为反应平板的微流体装置的立体图。

图4是图3的微流体装置和热块的横截面视图。

发明和所选实施方案的详述

如上文所示，术语“样品板”用在本文中表示在单个位置容纳样品(反应混合物)的任意装置或部件，在所述单个位置，样品(反应混合物)可以单独进行化学反应而不会受到在该板其他位置处的样品中发生的反应的影响或干扰。尽管在本文中详细关注多孔平板和微流体装置作为样品板的实例，但是本领域技术人员将清楚在多个少量反应混合物中同时进行化学反应的其他实例。对于作为多孔平板的样品板，该平板通常由热容易通过的薄材料制成，并且孔以几何阵列(通常是矩形阵列)排列，相邻间通过平板的平台部分连接，在多种情形中，平台部分是在其边缘处与孔连接的连续的扁平部分。平台部分还可以由连接孔的丝状物组成，或者由将孔保持在固定位置的任意这样的结构组成。孔本身典型地向平台部分下方延伸，具有暴露用于与热块直接接触的凸出的底面。“凸出的”意指底面是围绕孔内部的孔的外表面。例如，对于矩形孔，凸出的底面是矩形块的外表面；对于圆锥形或圆柱形孔，凸出的底面形状为圆锥形或圆柱形，并且对于具有抛物面或半球面剖面的孔，凸出的表面同样具有抛物面或半球面剖面。对于为微流体装置的样品板，通常在装置主体中切割或蚀刻通道，并且通道可以不具有在平台下方延伸的底面。因此，通道的底面以及因此装置本身的底面可以是扁平的。然而，装置壁通常足够薄，足以仍然容易获得在每个通道内外的快速传热。

图1中，反应或样品板11(术语“反应平板”和“样品板”在本文中可互换使用)显示在本发明的热块12的上方，二者均以示横截面显示。如在现有技术的许多样品板和热块中，在热块上表面14中的凹槽13具有与样品板的单个孔16的底面15相匹配的曲面的或锥形的轮廓，从而使得当平板11下降到块体12中时，在所述块体与平板的每个孔之间有连续的表面接触。尽管所示的结构提供完全连续的接触，包括沿着平台部分的接触，此处显示为连接各个孔的网状物17，但是，如果平板与热块之间的表面接触局限在孔的壁上而不是整个平板上，那么也能够获得对每个孔中的液体反应混合物18的适宜的热控制。尽管没有显示，通常使用密封膜或盖子来覆盖孔16的顶部，并且加热板通常放置在样品板11的上方并且向下压在样品板上，从而使得样品板与热块12之间接触。在这些情形中，相对于样品板的孔16，热块中的凹槽13是浅的，由此在网状物17与热块12之间留有空隙。该空隙允许独立于热块12的温度维持加热板的温度，加热板的温度典型地为90-110℃。

块体12的上层21是金属片，该金属片由于其与孔的直接接触及其高的导热性将热传递到孔和从孔传递热。依据常规的珀耳贴元件构造，热电元件22由常规部件构造而成，其中央是P-掺杂的和N-掺杂的半导体块23，24和以交替的方式连接块体的导电条25，26。在珀耳贴元件22和金属片21之间是电绝缘材料层27，并且在珀耳贴元件22和散热器28之间是第二电绝缘材料层29。半导体块23，24可以具有常规构造并由常规材料制成。对特定的结构材料的选择可以随着在孔内发生的反应的操作条件和反应混合物循环的温度范围而不同。可用于此目的的半导体材料的实例是掺杂三硒化二铋(用于N-掺杂)或碲化锑(用于P-掺杂)的碲化铋。一个P-掺杂的块和一个N-掺杂的块定义为一对，显示四对，但是对数可以少如一对或多如几百对。尽管在大多数情形中，数量不大于一百，但是，数量不是关键的，并且将随着热块和样品板的尺寸变化。导电条25,26可以是铜的或任意其他常规的电导线材料。可以用于电绝缘材料层27，29的材料的实例为陶瓷，特别是氧化铝或氧化铍。备选地，可以使用薄的聚酰亚胺片材。这些层的厚度可以不同，但是通常选择足够厚，足以提供电绝缘性和结构完整性或支撑，同时也足够薄，足以传热。任选包括的附加的层，尽管在该附图中没有显示，所述附加的层是在半导体块表面上的涂层，作为扩散势垒(diffusion barriers)，例如，或者促进表面与导电导线的连接。也可以包括剪切薄膜以允许运动，并且由此减少在半导体材料、热块和样品板之间的界面处的剪切力，所述剪切力通常由这些元件由于温度变化而引起的膨胀和收缩导致。这些和其他可选的变化容易为使用珀耳贴元件和熟悉关于珀耳贴元件的文献的技术人员所清楚。

图2，样品板11悬置在本发明的备选的热块32的上方。该热块的金属片33包含从金属片的底面向下延伸的楔形突出物34，以为珀耳贴元件35提供增加的接触面积。每个楔形物具有与金属片33的上表面38形成锐角的斜边36，37。因此，对于热块32的单位横向宽度，由于存在楔形物34，可以结合更多数量的珀耳贴元件35。

单个珀耳贴元件的构造和组成可以与图1的实施方案的那些相同。每个楔形物34的角，相邻的楔形物之间的空隙，楔形物相对于在金属片顶部的凹槽41的位置的位置，每个楔形物的长度都可以改变，并且在任意给定的热块中关于最佳性能的选择主要取决于对制造热块的容易性和成本的经济考虑，以及关于热块的任何空间约束，特别是当热块用在包含另外的部件的仪器中时。所有这样的选择和变化容易为本领域技术人员所清楚，并且如果需要的话，容易通过常规实验确定。

图2的实施方案的另一个区别特征是热块的两片式构造。该构造中的金属片33是单独的或可与其余部件分开，并且两个金属片通过螺钉42保持在一起。每个螺钉的头部43位于散热器45的底面中的凹穴44中，每个螺钉的轴46通过散热器中的孔，并且每个螺钉的尖端47旋入金属片33中的螺纹孔中。当如所示连接时，两个片在它们之间的特定位置处留出空隙48，所述空隙典型地充满空气。

图3和4示例本发明对微流体装置的应用。图3是放置在热块52表面上的微流体装置51的立体图。在热块52中，仅外表面和作为散热器的散热片53的部分可见。在微流体装置51中，通道都在装置内部，但是其位置通过在装置上表面上的线条54表示出来。

图4是沿着图3的线条4-4所取的图3的微流体装置51和热块52的垂直剖面，其中微流体装置悬置在热块上方以便于观察。微流体装置51显示为层压结构，具有粘结或融合在一起的两层55，56，微通道54蚀刻在下层57中并且在顶部被上层56封闭。热块52与图1的热块12相同，不同之处在于其上表面58是扁平的，从而与微流体装置的下表面59互补。使用时，这两个表面将完全接触。在一种备选的构造中，可以使用与图2的热块32相同的热块，条件是其具有同图4的热块52的上表面一样扁平的上表面。

在附上的权利要求书中，术语“一个”(“a”或“an”)旨在意指“一个或多个”。术语“包括”及其变化形式(如“comprises”和“comprising”)，当在引用步骤或元件之前时，旨在意指更多的步骤或要素件的添加是任选的并且不被排除。本说明书中引用的所有的专利、专利申请和其他已发表的参考文献资料的全部内容通过引用由此结合在本文中。在本文引用的任意参考文献资料或通常任何现有技术与本说明书的清楚的教导之间的任何矛盾之处意欲根据本说明书的教导而解决。这包括在本领域理解的词语或短语的定义与本说明书对该词语或短语明确提供的定义之间的任何矛盾之处。

Claims (16)

1.用于多个反应混合物的热循环的装置，所述装置包括：

样品板，其包括多个用于所述反应混合物的贮器和底面；

热块，其具有在轮廓上与所述样品板的所述底面互补的上表面；和结合在所述热块中的热电加热／冷却元件。

2.权利要求1的装置，其包括结合在所述热块中的多个热电加热／冷却元件。

3.权利要求1的装置，其中所述样品板还包括连接所述贮器的平台部分，所述贮器是具有从所述平台部分向下延伸的凸出的底面的孔，并且所述热块的所述上表面在轮廓上与所述孔的所述凸出的底面互补。

4.权利要求1的装置，其中所述样品板是微流体装置，并且所述贮器是在所述微流体装置中的微通道。

5.权利要求1的装置，其中所述热块包括：

(i)金属层，其具有上表面，所述上表面构成所述热块的所述上表面面；

(ii)电绝缘材料层，其粘合于所述金属层的下表面；和

(iii)热电加热／冷却元件，其粘合于所述电绝缘材料层，所述热电加热／冷却元件包括：

(a)上导电条，其连接P-掺杂的和N-掺杂的半导体块的上侧并且粘合于所述电绝缘材料层，和

(b)下导电条，其连接所述P-掺杂的和N-掺杂的半导体块的下侧并且热耦合到散热器上。

6.权利要求5的装置，其还包括在所述下导电条和所述散热器之间的电绝缘层。

7.权利要求1的装置，其中所述热块还包括下表面，所述下表面被成形为形成向下延伸的楔形物，所述楔形物具有相对于所述上表面形成锐角的斜边，并且其中所述热电加热／冷却元件粘合于所述斜边中的每一个。

8.权利要求7的装置，其中所述热块的所述下表面被成形为形成多个所述楔形物，并且所述装置包括多个热电加热／冷却元件，其中至少一个所述热电加热／冷却元件粘合于每个所述楔形物的每条斜边。

9.权利要求7的装置，其中所述样品板还包括连接所述贮器的平台部分，所述贮器是具有从所述平台部分向下延伸的凸出的底面的孔，并且所述热块的所述上表面在轮廓上与所述孔的所述凸出的底面互补。

10.权利要求7的装置，其中每个所述热块包括：

(i)金属层，其具有上表面，所述上表面形成所述热块的所述上表面；

(ii)电绝缘材料层，其粘合于一个楔形物的斜边；和

(iii)热电加热／冷却元件，其粘合于所述电绝缘材料层，所述热电加热／冷却元件包括：

(a)上导电条，其连接P-掺杂的和N-掺杂的半导体块的上侧并且粘合于所述电绝缘材料层，和

(b)下导电条，其连接所述P-掺杂的和N-掺杂的半导体块的下侧并且热耦合到散热器上。

11.权利要求10的装置，其还包括在所述下导电条和所述散热器之间的电绝缘层。

12.用于通过指定的加热和冷却循环加热和冷却多个反应混合物的方法，所述方法包括：

(a)将所述反应混合物放置在包括多个贮器的样品板的单个贮器中；

(b)放置所述样品板与热块接触，所述热块包括：

(i)上表面，其在轮廓上与所述样品板的底面互补，和

(ii)结合在所述热块中的热电加热／冷却元件；以及

(c)按照所述指定的加热和冷却循环启动所述热电加热／冷却元件，由此加热并冷却所述多个反应混合物。

13.权利要求12的方法，其中所述样品板还包括连接所述贮器的平台部分，所述贮器是具有从所述平台部分向下延伸的凸出的底面的孔，并且所述热块的所述上表面在轮廓上与所述孔的所述凸出的底面互补。

14.权利要求12的方法，其中所述样品板是微流体装置，并且所述贮器是在所述微流体装置中的微通道。

15.权利要求12的方法，其中所述热块包括：

(i)金属层，其具有上表面，所述上表面形成所述热块的所述上表面；

(ii)电绝缘材料层，其粘合于所述金属层的下表面；和

(iii)热电加热／冷却元件，其粘合于所述电绝缘材料层，所述热电加热／冷却元件包括：

(a)上导电条，其连接P-掺杂的和N-掺杂的半导体块的上侧并且粘合于所述电绝缘材料层，和

(b)下导电条，其连接所述P-掺杂的和N-掺杂的半导体块的下侧并且热耦合到散热器上。

16.权利要求15的方法，其中所述热电加热／冷却元件还包括在所述下导电条和所述散热器之间的电绝缘层。

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