CN105813754B - 用于向热循环仪提供热均匀性的设备、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种包含样本块和两个或两个以上热电装置的热块组合件。所述样本块具有经配置以接纳多个反应器的顶表面以及相对底表面。所述热电装置可操作地耦合到所述样本块，其中每个热电装置包含热传感器的外壳以及与控制器的热控制接口。每个热电装置进一步经配置以独立于彼此操作，从而在整个所述样本块中提供基本上均匀的温度分布。

Description

用于向热循环仪提供热均匀性的设备、系统和方法
相关申请案的交叉参考
本申请案要求2013年9月16日提交的第61/878,464号美国申请案的优先权，所述揭示内容通过引用全文并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及用于热循环仪装置的设备、系统和方法。
背景技术
支持聚合酶链反应(PCR)的热循环是在全世界超过90％的分子生物学实验室中存在的广泛技术。
为了扩增DNA(脱氧核糖核酸)，使用PCR过程涉及在若干不同的温度培育期内循环专门构成的液体反应混合物。所述反应混合物由包含待扩增的DNA和至少两个引物的各种成分组成，所述引物与样本DNA充分互补，从而能够产生正被扩增的DNA的延伸产物。PCR的关键是热循环的概念：使DNA变性、将短引物退火成单链以及延伸那些引物以产生新的双链DNA的复制物的交替步骤。在热循环中，PCR反应混合物被重复地从用于使DNA变性的约95℃的高温循环到用于引物退火和延伸的约50℃至70℃的低温。
在一些先前的自动PCR仪中，样本管被插入到金属块上的样本孔中。为了执行PCR过程，根据用户在PCR法中指定的规定温度和时间循环金属块的温度。所述循环由计算机和相关电子设备控制。当金属块改变温度时，各个导管中的样本经受类似的温度变化。然而，在这些先前的仪器中，样本温度差可能由样本金属块内的区域之间的温度非均匀性产生。在块的材料内存在温度梯度，从而致使置于所述块上的一些样本在周期的特定时间具有不同于其它样本的温度。这些温差以及热传递的延迟可能致使PCR过程的得率在样本瓶之间不同。为了成功地且有效地执行PCR过程并且为了启用专用应用程序(例如，定量PCR)，这些温度误差必须尽可能地减到最小。将样本块上的各个点处的温度非均匀性最小化的问题变得尤其急切，因为当在标准的8×12的微量滴定盘中时容纳样本的区域尺寸变大。
发明内容
揭示用于在整个热循环仪样本块中提供热均匀性的设备、系统和方法。
在一个方面中，揭示包含样本块和两个或两个以上热电装置的热块组合件。样本块具有经配置以接纳多个反应器的顶表面以及相对底表面。热电装置可操作地耦合到样本块，其中每个热电装置包含热传感器的外壳以及与控制器的热控制接口。每个热电装置进一步经配置以独立于彼此操作，从而在整个样本块中提供基本上均匀的温度分布。
在另一方面中，揭示包含第一导热层、第二导热层、多个珀耳帖元件以及热传感器的热电装置。珀耳帖元件由半导体材料组成并且夹在第一导热层与第二导热层之间。热传感器容纳于第一导热层与第二导热层之间。
在另一方面中，揭示包含第一导热层、第二导热层、多个珀耳帖元件以及开放通道的热电装置。第一导热层和第二导热层具有内表面和外表面。由半导体材料组成的多个珀耳帖元件邻近于第一导热层和第二导热层的内表面。开放通道从第一导热层和多个珀耳帖元件中切出，从而暴露第二导热层的内表面。开放通道经配置以容纳热传感器。
在另一方面中，揭示一种用于控制样本块温度的方法。提供具有样本块和两个或两个以上热电装置(每一个容纳唯一的热传感器)的块组合件。两个或两个以上热电装置与其相应的唯一热传感器配对以形成热单元。每个热单元的温度通过控制器独立地控制以在整个样本块中提供基本上均匀的温度分布。
在另一方面中，揭示具有样本块组合件和控制器的热循环仪系统。在各种实施例中，样本块组合件包含样本块以及与所述样本块热连通的两个或两个以上热电装置(每一个容纳唯一的热传感器)。在各种实施例中，样本块经配置以接纳多个反应器。在各种实施例中，控制器包含具有机器可执行指令的计算机处理单元和两个或两个以上通信端口。在各种实施例中，每个端口可操作地连接到两个或两个以上热电装置以及其相应的热传感器中的一个。在各种实施例中，机器可执行指令经配置以基于来自热电装置的相应热传感器的温度测量值而单独地调整每个热电装置的温度，以在整个样本块中提供基本上均匀的温度分布。
在另一方面中，揭示具有两个或两个以上样本块、两组或两组以上热电装置、热控制接口以及控制器的热块组合件。每个样本块具有经配置以接纳多个反应器的顶表面以及相对底表面。每一组热电装置可操作地耦合到每个样本块。热控制接口与控制器通信。
在另一方面中，揭示具有至少一个样本块、至少一组热电装置、热控制接口以及控制器的热块组合件。样本块具有经配置以接纳多个反应器的顶表面以及相对底表面。热电装置可操作耦合到样本块。热控制接口与控制器通信。
本文提供这些以及其它特征。
附图说明
为了更加全面地理解本文中所揭示的原理以及其优点，现在参考结合附图获得的以下描述，其中：
图1是根据现有技术的说明样本块组合件的框图。
图2是根据各种实施例的说明提供两个珀耳帖装置的独立控制的样本块组合件的框图。
图3A是根据各种实施例的珀耳帖装置的俯视图。
图3B是根据各种实施例的图3A的珀耳帖装置的等距视图。
图3C是根据各种实施例的图3A的珀耳帖装置的截面图。
图4是根据各种实施例的说明用于控制样本块组合件的温度的多通道功率放大器系统布局的框图。
图5是根据各种实施例的说明用于控制样本块组合件的温度的多模块功率放大器系统布局的框图。
图6是根据各种实施例的热传感器可以如何置于样本块组合件上的截面图解说明。
图7是根据各种实施例的样本块组合件的截面示意图。
图8是根据各种实施例的多块样本块组合件的截面图解说明以及各个散热片元件如何与样本块组合件集成的截面图解说明。
图9是根据各种实施例的说明单独受控的珀耳帖装置如何位于样本块下方的框图的俯视图。
图10是根据各种实施例的说明用于控制样本块组合件的温度的固件控制架构的逻辑图。
图11是根据各种实施例的可以如何在整个样本块中实现热均匀性的示例性工艺流程图。
图12是根据各种实施例的描绘不含集成边缘加热元件的双96孔样本块组合件的热非均匀性(TNU)性能概况的一组热图。
图13是根据各种实施例的描绘含有集成边缘加热元件的双96孔样本块组合件的热非均匀性(TNU)性能概况的一组热图。
图14是根据各种实施例的描绘不含集成边缘加热元件的双平坦块样本块组合件的热非均匀性(TNU)性能概况的一组热图。
图15是根据各种实施例的描绘含有集成边缘加热元件的双平坦块样本块组合件的热非均匀性(TNU)性能概况的一组热图。
图16是根据常规技术的描绘含有集成边缘加热元件的双平坦块样本块组合件的热非均匀性(TNU)性能概况的一组热图。
应理解，本文中呈现的图未必按比例绘制，图中的物体也未必关于彼此按比例绘制。所述图为意图引入本文中所揭示的设备、系统和方法的各种实施例的清晰性和对其的理解的描绘。此外，应了解，附图并不意图以任何方式限制本发明教示的范围。
具体实施方式
在本说明书中描述用于在整个热循环仪样本块中提供热均匀性的设备、系统和方法的实施例。本文所用的章节标题仅用于组织目的并且不应理解为以任何方式限制所描述的标的物。
将详细参考本发明的各种方面，其实例在附图中得以说明。只要可能，在图式中相同的参考标号将始终用于指代相同或相似的部件。
在各种实施例的此详细描述中，出于解释的目的，阐述许多特定细节以提供对所揭示的实施例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将了解，可以在具有或不具有这些特定细节的情况下实践这些各种实施例。在其它情况下，结构和装置以框图形式示出。此外，所属领域的技术人员可以容易地了解，用以呈现和执行方法的具体顺序为说明性的，且预期顺序可以改变且仍保持在本文中所揭示的各种实施例的精神和范围内。
本申请中引用的所有文献和类似材料(包含(但不限于)专利、专利申请、文章、书籍、论文和因特网网页)出于任何目的明确以全文引用的方式并入。除非另外定义，否则本文中所用的所有技术和科学术语具有与本文所描述的各种实施例所属领域的一般技术人员通常所理解相同的含义。当并入的参考文献中的术语的定义呈现为与本发明教示中提供的定义不同时，应以本发明教示中提供的定义为准。
应了解，在本发明教示中论述的温度、浓度、时间、碱基数目、覆盖度等之前存在隐含的“约”，使得在本发明教示的范围内存在略微和非实质偏差。在本申请案中，除非另外明确陈述，否则单数的使用包含复数。此外，“包括(comprise/comprises/comprising)”、“含有(contain/contains/containing)”以及“包含(include/includes/including)”的使用并不意图为限制性的。应理解，以上大体描述和以下详细描述均仅是示例性和说明性的且并不限制本发明教示。
虽然结合各种实施例来描述本发明教示，但是并不打算将本发明教示限制于此类实施例。相反地，如所属领域的技术人员应了解，本发明教示涵盖各种替代方案、修改和等效物。
此外，在描述各种实施例时，说明书可能将方法和/或过程呈现为特定顺序的步骤。然而，在方法或过程不依赖于本文阐述的步骤的特定顺序的程度上，方法或过程不应限于所描述的步骤的特定顺序。如所属领域的技术人员将了解，步骤的其它顺序可以是可能的。因此，在说明书中阐述的步骤的特定次序不应理解为对权利要求书的限制。另外，针对方法和/或过程的权利要求书不应限于以书写的次序执行其步骤，并且所属领域的技术人员可以易于了解的是顺序可以变化并且仍保持在各种实施例的精神和范围内。
本文所描述的实施例中的一些实施例可以使用包含以下的各种计算机系统配置实践：手持式装置、微处理器系统、基于微处理器的或可编程的消费型电子装置、微型计算机、大型主机计算机等。实施例也可以在其中任务通过经网络连接的远程处理装置执行的分布式计算环境中实践。
还应理解，本文所描述的实施例可以采用涉及存储在计算机系统中的数据的各种计算机实施操作。这些操作为需要物理量的物理操纵的操作。通常(尽管未必)，这些量采用呈能够被存储、转移、组合、比较以及以其它方式操纵的电或磁信号的形式。此外，执行的操纵通常以如产生、鉴别、确定或比较的术语提及。
形成本文所描述的实施例的一部分的操作中的任一个可以用作机器操作。本文所描述的实施例也可以涉及执行这些操作的装置或设备。本文所描述的设备、系统和方法可以出于所需目的专门构建或其可以是通过存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或配置的通用计算机。具体而言，各种通用机器可以与根据本文中的教示编写的计算机程序一起使用，或可能更方便的是构造更专门设备以执行所需操作。
某些实施例还可以实施为计算机可读媒体上的计算机可读代码。计算机可读媒体是可以存储此后可以通过计算机系统读取的数据的任何数据存储装置。计算机可读媒体的实例包含硬盘驱动器、网络附加存储(NAS)、只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、CD-R、CD-RW、磁带以及其它光学、快闪存储器和非光学数据存储装置。计算机可读媒体也可以分布在网路耦合的计算机系统上，使得计算机可读代码以分布方式存储和执行。
一般来说，在PCR的情况下，出于一些原因可能需要在周期中的所需温度之间尽快地改变样本温度。首先，化学反应在其每一阶段具有最佳温度，并且因此在非最佳温度处花费的较少时间可以意味着实现更佳的化学结果。第二，在设定每个协议的最小周期时间的任何给定设定点处通常需要最小时间并且在设定点之间的转变中花费的任何时间添加到此最小时间。由于周期数通常非常大，因此此转变时间可以添加到完成扩增所需的总时间。
在协议的每个步骤期间每个反应管所达到的绝对温度对产率至关重要。由于产物经常经受量化，因此导管之间的产率必须尽可能均匀并且因此在整个块中稳态和动态热非均匀性(TNU)两者必须是极佳的(即，减到最小)。
所属领域的技术人员将理解，多个因素可以促进TNU降低。环境影响、样本块材料的均质性、热块组合件的元件之间的热接口、加热封盖均匀性以及加热和冷却装置的效率是一些更常见的因素。
另外，TNU取决于样本块与接近于样本块的任何元件或结构之间的温差。在样本块组合件的典型构造中，样本块物理地安装在仪器中且以机械方式连接到可以处于室温或室内环境下的仪器的元件。样本块与仪器的环境温度元件之间的温差越大，则从块到环境元件的热损耗更大。此热损耗在样本块的边缘和拐角处尤其明显。因此，当样本块与环境元件之间的温差增加时，TNU降低。例如，TNU在95℃下通常比在60℃下更差。
所属领域的技术人员还将熟悉用于改进降低的TNU的常用补救措施。所属领域中众所周知的补救措施为例如，用于包围样本块的加热封盖几何结构、围绕块的周边的电动边缘加热器以及样本块与环境的分离。
进出样本的热泵送可以通过使用各种类型的热电装置(包含但不限于珀耳帖热电装置)来实现。在各种实施例中，这些珀耳帖装置可以由n型和p型半导体材料的球粒构成，所述球粒替代地平行放置并且串联电连接。可以用于形成珀尔贴装置中的球粒的半导体材料的实例包含但不限于，碲化铋、碲化铅、铋硒和硅锗。然而，应了解，球粒可以由任何半导体材料形成，只要在电流流经珀尔贴装置时所得珀尔贴装置展现热电加热和冷却特性即可。在各种实施例中，球粒之间的互连可以通过可以结合到衬底的铜实现。可以使用的衬底材料的实例包含但不限于铜、铝、氮化铝、氧化铍、聚酰亚胺或氧化铝。在各种实施例中，衬底材料可以包含氧化铝(也称为矾土)。然而，应理解，衬底可以包含展现导热特性的任何材料。
样本块的TNU以及因此样本可以对PCR性能至关重要。TNU的概念在所属领域中熟知为通常通过使用TNU测试夹具和热协议(或程序)获得的测量到的量。此种测试夹具可以包含单独地插入到多个样本孔中的多个温度传感器，所述样本孔界定在样本块的顶表面上。在各种实施例中，4个孔一直到至少384个孔的阵列可以界定在样本块的顶表面上。选定用于TNU测量的实际孔经常在样本块组合件的设计期间确定并且可以表示样本块中热量最不同的那些区域。
如上文所论述，TNU可以通过使用TNU协议(或程序)来测量。所述协议可以驻留在手持式装置或计算机上，所述手持式装置和计算机中的任一个都能够执行机器代码。所述协议可以指示在其期间将测量TNU的斜升和/或斜降温度或温度设定。热协议可以取决于测量的TNU的类型包含或不包含额外的参数。动态TNU表征为在整个样本块中的热非均匀性，同时从一个温度转变到另一个温度。静态TNU表征为在稳态条件期间的样本块的热非均匀性。稳态条件通常被定义为维持时间或停留时间。此外，归因于随时间推移改进的块的均匀性，当获取测量值时在维持时间期间所流逝的时间也是非常重要的。
例如，TNU协议可以指定获取温度测量值，同时在95℃与60℃之间循环样本块温度。所述协议可以进一步指定在维持时间或停留时间开始之后30秒所获取的测量值。在每个温度和时间段处，读取夹具中的所有传感器并且将结果存储于存储器中。
随后根据从传感器获得的温度读数计算TNU。存在分析温度数据的多个方法。例如，用于计算TNU的一个方法可以涉及识别在特定温度点(例如，95℃)处从所有传感器中记录到的最暖温度和最冷温度。随后可以通过从最暖温度中减去最冷温度来计算TNU。此方法可以称为差TNU。
计算TNU的另一实例可以涉及识别在特定温度点(例如，95℃)处从所有传感器中记录到的最暖温度和最冷温度。随后可以通过从最暖温度中减去最冷温度，接着将所述差值除以2来计算TNU。此方法可以称为平均差TNU。
与凝胶数据相比设定的工业标准可以表示TNU，因此被定义为约1.0℃的差或0.5℃的平均差。凝胶数据是指通过使用琼脂凝胶中的电泳用于评估DNA扩增的结果的分析技术。此技术是微生物学领域中的技术人员所熟知的。
影响均匀性的最有效因素之一是装置之间的热电装置性能变化。实现良好均匀性的最困难点是在设定成远离环境温度的恒定温度周期期间。实际上，这将在约95℃或更高的恒定温度下设定热循环仪。两个或两个以上热电装置可以在这些条件下匹配以形成一组装置，其中所述装置针对给定输入电流单独地产生基本上相同的温度。热电装置可以在任何给定设定中匹配到0.2℃内。
用于加热和冷却样本块的多个应用利用多个珀耳帖装置。这在样本的数目较大(例如，96个样本、384个样本或大于384个样本)时最常见。在这些情况下，珀耳帖装置通常并联热连接以及串联电连接以向每个装置提供相同量的电流并期望每个装置将在块上产生基本上相同的温度。
电流可以由经常称为(例如)控制器、放大器、功率放大器或可调整电源的电子电路提供。此种控制器还可以利用热传感器来指示样本块区域的温度以提供热反馈。例如热敏电阻、铂电阻装置(PRT)、电阻温度检测器(RTD)、热电偶、双金属装置、液体膨胀装置、分子状态改变、硅二极管、红外辐射器和硅带隙温度传感器等热传感器装置是能够指示物体的温度的一些众所周知的装置。在一些实施例中，热传感器可以接近于珀耳帖装置并且与样本块区域热连通。在利用多个珀耳帖装置的常规技术的代表系统中，所使用的珀耳帖装置的数目通常是偶数。例如，具有两个、四个、六个或八个珀耳帖装置的热循环仪系统在所属领域中是众所周知的。在多装置实施方案中，珀耳帖装置可以进行分组。例如，四个装置可以是一组四个装置或两组两个装置。六个装置可以是一组六个装置、两组三个装置或三组两个装置。同样地，八个装置可以是一组八个装置、两组四个装置或四组两个装置。所述分组经常取决于应用。例如，梯度启用的热循环仪系统通常利用两个装置的多个分组。在具有多个珀耳帖装置的热循环仪的所有常规实施方案中，任何群组内的个别装置通常串联电连接且因此不单独地受到控制。
图1是根据现有技术的说明样本块组合件的框图。如本文所描绘，样本块组合件10包括样本块11、一对珀耳帖装置12a和12b、热传感器13以及控制器17。所述对珀耳帖装置12a和12b通过电气管道16串联电连接并且通过电气管道15电连接到控制器17。热传感器13位于提供于珀耳帖装置12a与12b之间的间隙18中并且通过电气管道14电连接到控制器17。间隙18是提供样本块11与珀耳帖装置12a和12b之间以及热传感器13与样本块11之间的连续热连通所必需的。所属领域的技术人员应理解，图1中所描绘的内容不限于两个珀耳帖装置并且可以经缩放以应用于任何数目个珀耳帖装置。应注意，将热传感器13置于间隙区域18中并且以电气方式控制串联的珀耳帖装置12a和12b可能对在整个样本块中获得良好的热均匀性造成损害。这部分归因于来自同时邻近于热传感器13的两个珀耳帖装置的热交叉干扰，并且因为即使在样本块上检测到温度非均匀性，以电气方式控制串联的珀耳帖装置也不会允许对引导至每个珀耳帖的电流进行独立控制来允许温度补偿。图2是根据各个实施例的说明提供两个珀耳帖装置的独立控制的样本块组合件的框图。
如本文所描绘，热块组合件20可以由样本块21、珀耳帖装置22a和22b、第一传感器23、第二传感器24以及控制器27组成。图2中所示的配置可以提供于用于珀耳帖装置22a和22b的独立控制以补偿在样本块21上检测到的温度非均匀性。这可以通过经由电气管道25将珀耳帖装置22a电连接到控制器27并且经由电气管道26将珀耳帖装置22b电连接到控制器27来实现。用于补偿样本块21上的温度非均匀性的珀耳帖装置22a和22b的独立控制可以进一步通过分别邻近珀耳帖装置12a和12放置第一传感器23和第二传感器24来启用。第一传感器23可以通过电气管道28电连接到控制器27并且第二传感器24可以通过电气管道29电连接到控制器27。以此方式，珀耳帖装置22a的温度可以取决于由第一传感器23指示的温度，并且珀耳帖装置22b的温度可以取决于由第二传感器24指示的温度。
然而，应理解，尽管珀耳帖装置的独立控制是所需特征，但是图2中的元件的所描绘布置并非理想的。这归因于作为传感器23被放置于珀耳帖装置22a与22b之间的结果而与通过传感器23测量到的读数产生热交叉干扰。也就是说，在图2中所描绘的配置中，通过组合珀耳帖装置22a和22b的温度对由传感器23测量到的温度读数造成干扰，这对在整个样本块21中获得良好的热均匀性造成损害。
图3A、3B和3C描绘根据各种实施例的珀耳帖装置的各个视图。图3A是珀耳帖装置30的俯视图，图3B是珀耳帖装置30的等距视图，而图3C是珀耳帖装置30的侧视图。所属领域的技术人员将认识到，图3A、3B和3C中示出的珀耳帖装置的一般布局和构造可以类似于常规珀耳帖装置，但具有一些重要差异(如下所述)。例如，在各种实施例中，珀耳帖装置30可以由第一导热层31、第二导热层34和多个半导体球粒35组成，所述半导体球粒在所属领域中还称为夹在第一导热层31与第二导热层34之间的珀耳帖元件。在各种实施例中，第二导热层34在一个维度上可以略长于第一导热层31以允许导线33的连接，从而提供用于连接到控制器17的电气管道。在各种实施例中，开放通道32可以从第一导热层31和珀耳帖元件35中切出，从而暴露第二导热层34的内表面36。在各种实施例中，开放通道32可以是从珀耳帖装置的边缘表面中切出的凹槽。在各种实施例中，开放通道32可以从第二导热层34和珀耳帖元件35中切出，从而暴露第一导热层31的内表面(未描绘)。在各种实施例中，开放通道32可以进一步经配置以包含或容纳可以用于测量邻近于热传感器定位的样本块区域的温度的热传感器单元。在各种实施例中，热传感器可以集成到珀耳帖装置30内的外壳中。在各种实施例中，开放通道可以经设定大小以容纳选定用于特定应用的传感器。
所属领域的技术人员可以认识到，切出第一导热层31和珀耳帖元件35的一部分以形成开放通道32可以不利地影响样本块上的TNU。这可能由在开放通道32的区域中不存在珀耳帖元件35而引起。本发明稍后将论述对TNU的此种潜在不利影响。
图4是根据各种实施例的说明用于控制样本块组合件的温度的多通道功率放大器系统布局的框图。多通道功率放大器系统可以表征为包含多个电气电路或通道的控制器电路。在各种实施例中，每个通道可能够向唯一热电装置提供例如电压和/或电流的电子信号。也就是说，一个通道可以分配给一个唯一热电装置。在各种实施例中，每个通道能够进一步介接到接近于唯一热电装置定位(或位于唯一热电装置内)的热传感器。热传感器可以经配置以将温度测量值转换成可以由控制器电路读取的电信号。在各种实施例中，每个唯一热电装置与热传感器相关联以形成与单个通道通信的热电装置控制单元。在各种实施例中，控制器电路与外部处理器和/或能够执行机器语言指令以向控制器电路提供操作指令和/或控制信号的其它外部计算装置通信。在各种实施例中，处理器可以嵌入控制器电路内或位于控制器电路外部，但与控制器电路位于共用外壳内。在各种实施例中，处理器和/或计算装置可以与驻留在控制器中的所有通道通信。在各种实施例中，处理器和/或其它计算装置可以使用控制器的每个通道来基于由与热电装置相关联的热传感器提供的电信号独立地控制提供到每个唯一热电装置的电压和/或电流。在各种实施例中，基于来自传感器的电信号对电压和/或电流的控制表示闭合回路控制系统。在各种实施例中，闭合回路控制系统能够彼此独立地控制每个热电装置的温度，由此在样本块上提供基本上均匀的温度。
如本文所描绘，样本块组合件400可以由样本块410以及珀耳帖装置420a和420b组成。珀耳帖装置420a和420b可以具有与图3A和3B中所描绘的那些珀耳帖装置基本上相同的构造和特征。返回参考图4，在各种实施例中，热传感器430可以容纳或包含于珀耳帖装置420a的开放通道450中。类似地，热传感器440可以容纳或包含于珀耳帖装置420b的开放通道460中。在各种实施例中，控制器490可以具有一个计算机处理器或多个计算机处理器。在各种实施例中，计算机处理器可以经配置以执行适用于珀耳帖装置420a和420b的热控制的机器代码。控制器490可以进一步经配置以包括两个独立功能通道470和480。每个通道可以连接到单个处理器或每个通道可以具有专用处理器。通道480可以电连接到珀耳帖装置420a并且与热传感器430相关联。类似地，通道470可以电连接到珀耳帖装置420b并且与热传感器440相关联。控制器490的独立通道能力以及热传感器430和440在开放通道450和460内的外壳分别可以启用珀耳帖装置420a和420b的独立温度控制。控制通道的独立性可以提供调整每个珀耳帖装置的温度以便确保样本块中接近于每个珀耳帖装置的区域保持在相同温度的能力。
参考图1的热传感器13以及图2的热传感器23和24，所属领域的技术人员将认识到，紧靠相关联的珀耳帖装置定位传感器将需要珀耳帖装置之间的足够空间来容纳传感器。如图4中所描绘的热传感器430在珀耳帖装置420a的外壳450(例如，通道、凹槽或凹口)中以及热传感器440在珀耳帖装置420b的外壳460(例如，通道、凹槽或凹口)中的位置使珀耳帖装置之间的间隙405减小。间隙405的减小可以进一步提供改进整个样本块410中的热均匀性的机会。
图5是根据各种实施例的说明用于控制样本块组合件的温度的多模块功率放大器系统布局的框图。多模块功率放大器可以与图4中所描绘的多通道功率放大器不同。在各种实施例中，多模块功率放大器可以表征为包括多个热控制模块，其中每个模块可能够向热电装置提供例如电压和/或电流的电子信号。在各种实施例中，每个模块能够进一步介接到接近于对于热电装置唯一的装置定位(或位于对热电装置唯一的装置内)的热传感器。热传感器可以经配置以将温度测量值转换成可以由控制器电路读取的电信号。在各种实施例中，每个唯一热电装置与热传感器相关联以形成与单个热控制模块通信的热电装置控制单元。在各种实施例中，每个模块与唯一处理器和/或能够执行机器语言指令的其它计算装置通信。在各种实施例中，唯一处理器可以嵌入每个模块中或位于每个模块外部。在各种实施例中，处理器可以与唯一热电装置以及与每个模块相关联的唯一热传感器通信。在各种实施例中，处理器和/或与每个模块相关联的其它计算装置可以基于由与热电装置相关联的唯一传感器提供的电信号独立地控制到达每个热电装置的电压和/或电流。在各种实施例中，基于来自传感器的电信号对电压和/或电流的控制表示能够彼此独立地控制每个热电装置的温度的闭合回路控制系统，由此在样本块上提供基本上均匀的温度。
如本文所描绘，样本块组合件500可以由样本块410以及珀耳帖装置420a和420b组成。图5进一步示出热传感器430可以包含在珀耳帖装置420a的开放通道450内。类似地，热传感器440被示为包含于珀耳帖装置420b的开放通道460中。在各种实施例中，样本块组合件500可以电连接到热控制模块570和580。具体来说，珀耳帖装置420a和相关联的热传感器430可以电连接到独立的热控制器580，而珀耳帖装置420b和相关联热传感器440可以电连接到独立的热控制器570。
在各种实施例中，独立的热控制模块570和580可以是独立的模块，每一个包括能够执行适用于珀耳帖装置和相关联热传感器的独立热控制的机器代码的计算机处理器。类似于图4中所描绘的实施例，控制模块的独立性可以提供单独地调整每个珀耳帖装置的温度以便确保样本块中接近于每个珀耳帖装置的所有区域保持在相同温度的能力。
图6是根据各种实施例的热传感器可以如何置于样本块组合件上的截面图解说明。如本文所描绘，样本块组合件600包括样本块610、热传感器630和珀耳帖装置620。图6将珀耳帖装置的元件进一步示为由第一导热层622、第二导热层624、热电球粒626和开放通道640组成。在各种实施例中，热传感器630可以容纳于开放通道640中并且接近于样本块区域650且与所述样本块区域热连通。在各种实施例中，热传感器630可以容纳于单独且不同的集成外壳(未示出)中，所述外壳接近于样本块区域650且与所述样本块区域热连通。在各种实施例中，热传感器630可以集成(未示出)到珀耳帖装置620内并且接近于导热层622且与所述导热层热连通，所述导热层与样本块区域650热连通。
在各种实施例中，图4至6的框图中所描绘的热块组合件还可以包含与热电装置热接触的散热片。此种热块组合件在图7中示出，图7提供根据各种实施例的样本块组合件的截面示意图。如本文所描绘，热块组合件700由样本块710、珀耳帖装置720、开放通道750、热传感器730和散热片740组成。在各种实施例中，散热片740可以进一步包含底板742以及从底板的底部延伸的鳍片744。散热片740可以与珀耳帖装置720热接触并且可以促进热量从样本块710的均匀清除(或耗散)。热块组合件700还示出边缘加热器760的位置。如先前所论述，在各种实施例中，边缘加热器760可以包含于热块组合件中以将来自样本块的热流抵消到低温区域。抵消来自样本块的热流可以改进样本块组合件的TNU性能。
在一些实施例中，热块组合件可以包含一个以上样本块。此种样本块组合件的实例示为图8，图8提供根据各种实施例的多块样本块组合件的截面图解说明以及各个散热片元件如何与样本块组合件集成的截面图解说明。
如本文所描绘，样本块组合件800可以由样本块810和样本块820组成。样本块810可以与珀耳帖装置815热接触，而样本块820可以与珀耳帖装置825热接触。在图8中所示的实施例中，样本块810和820以及其相应的珀耳帖装置815和825也与散热片830热接触。
在各种实施例中，图8的样本块组合件还可以具有一个以上散热片。在此配置中，样本块组合件800的样本块810和820以及其相应的珀耳帖装置815和825可以各自与其拥有的个别散热片(未示出)热接触。也就是说，样本块组合件800可以由两个或两个以上样本块组成。每个样本块可以与一组珀耳帖装置和散热片相关联。此配置可以允许对包含在样本块组合件800内的样本块中的每一个进行独立的热控制。
图9是根据各种实施例的说明单独受控的珀耳帖装置如何位于样本块下方的俯视图框图。如本文所描绘，热块组合件900可以由一个以上样本块组成。也就是说，如所描绘，样本块910被描绘为位于三个珀耳帖装置(920、930、940)的顶部上。尽管三个珀耳帖装置在样本块910下方不可见，但是示为在样本块910左边的所述对电连接器915描绘样本块910与相关联的珀耳帖装置(920、930、940)之间的关系。图9的右侧示出三个珀耳帖装置920、930和940。珀耳帖装置920、930和940示为不含相关联的样本块并且描绘在移除样本块910的情况下将暴露的元件。此外，珀耳帖装置920、930和940经布置以使得开放通道925、935和945位于右侧。类似地，尽管未示出，但是位于样本块910下方的珀耳帖装置具有类似于开放通道925、935和945的开放通道。在各种实施例中，珀耳帖装置可以位于样本块的中心区域下方，其中额外的珀耳帖装置围绕中心珀耳帖装置的外周边。此实施例可以通过向样本块的中心和每一侧提供独立的热控制而促进改进样本块的热均匀性。然而，在样本块910下方的珀耳帖装置中的开放通道将位于左侧。在各种实施例中，对珀耳帖装置中的每一个的独立控制可以实现在整个样本块中的小温度变化的校正。可以出于各种原因发生小的温度变化，包含但不限于，错配的或不匹配的珀耳帖装置、样本块与珀耳帖装置之间的不完全热耦合、珀耳帖装置与散热片之间的不完全热耦合、样本块中的不均匀导热性以及热量到散热片中的不均匀热扩散。在各种实施例中，可以通过基于来自热传感器(放置在每个珀耳帖装置内或接近于每个珀耳帖装置放置)的反馈独立地实现对每个珀耳帖装置的小电气控制调整而将小变化的影响减到最少，由此驱动小的热调整以在整个样本块中提供基本上均匀的温度。在各种实施例中，驱动小的热调整以最小化小温度变化的能力也可以有效地最小化仪器之间的热均匀性差异。重要的是，应注意，常规技术的代表系统通常配置以电气方式串联的多个珀耳帖装置。尽管串联配置使多个珀耳帖装置经受相同电流，但是串联配置可以禁止单个珀耳帖元件的独立离散控制。因此，常规技术的代表系统的能力可以受限并且抑制对个别珀耳帖装置的小电气控制调整，所述小电气控制调整引起小温度调整以在整个样本块中提供基本上均匀的温度。
图10是根据各种实施例的说明用于控制样本块组合件的温度的固件控制架构的逻辑图。如本文所示，热循环仪系统1000描绘热块组合件1020以及通过通信端口1040与控制器1010通信的热控制接口1030。所属领域的技术人员将理解，尽管仅示出一个通信端口1040，但是可以包含任何数目个通信端口以通过一个或多个热控制接口1030与任何数目个样本块组合件1020通信。控制器1010进一步示为包括计算机处理单元1012。计算机处理单元1012能够执行包含于计算机可读媒体1014中的机器指令。计算机处理单元1012可以是所属领域中已知的能够执行包含于计算机可读媒体1014中的机器指令的任何处理器。此外，计算机可读媒体1014可以是所属领域中已知的适用于应用的任何类型的存储媒体。如先前所提出，此计算机可读存储媒体的实例包含硬盘驱动器、网络附加存储(NAS)、只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、CD-R、CD-RW、磁带以及其它光学、快闪存储器和非光学数据存储装置。计算机可读存储媒体还可以分布在网络耦合的计算机系统上，使得计算机可读代码以分布式方式存储和执行。
图11是根据各种实施例的示出可以如何在整个样本块中实现热均匀性的示例性工艺流程图。在步骤1302中，提供块组合件。在各种实施例中，块组合件可以包含样本块以及与样本块热连通的两个或两个以上热电装置。在各种实施例中，热电装置中的每一个可以容纳唯一热传感器。在各种实施例中，在步骤1304中，热电装置中的每一个可以与其相应的唯一热传感器配对以形成唯一的物理热单元。
根据各种实施例，每个唯一的物理热单元可以如先前所提出独立地受到控制。可以通过使用各种控制器配置(包含但不限于，多通道功率放大器和多模块功率放大器)实现独立的控制能力。在任一种情况下，单个通道或模块可以用于控制单个唯一的物理热单元。在各种实施例中，可以组合唯一的物理热单元以形成虚拟通道。可以通过选择性地将多个物理通道或模块控制到相同温度设定点以热控制多个热单元而形成虚拟通道。例如，控制器可以具有六个物理通道或模块。六个通道或模块控制器可以将唯一的物理热单元组合到能够在不同大小的样本块上提供基本上均匀的温度的不同大小的虚拟通道中。在各种实施例中，例如，六个物理通道或模块可以用于在配置成8x12孔矩形阵列的96孔样本块上提供基本上均匀的温度。在各种实施例中，可以组合六个物理通道或模块以形成2个虚拟通道，每个虚拟通道是3个相邻物理通道或模块的组合。此配置可以在两个48孔样本块或两个96孔样本块上提供基本上均匀的温度。在各种实施例中，每个48孔样本块可以配置成8x6矩形孔阵列。在各种实施例中，每个48孔样本块可以配置成4x12孔矩形孔阵列。在各种实施例中，可以组合六个物理通道或模块以形成三个虚拟通道。此配置可以在三个32孔样本块上提供基本上均匀的温度。在各种实施例中，每个32孔样本块可以配置成4x8矩形孔阵列。应理解，物理通道或模块的数目不限于六，并且大于六或小于六的任何数目的通道或模块包含于本发明教示中。
根据各种实施例，热循环仪系统可以包含热块组合件以及配置有控制器的基本单元。在各种实施例中，热块组合件可从基本单元中移除并且用不同的热块组合件替换。每个热块组合件可以配置有不同的样本块格式。样本块格式可以配置有不同数目个样本孔，包含但不限于，16个孔、32个孔、48个孔、96个孔或384个孔。
在各种实施例中，样本块的格式可以在样本块组合件中进行编码。包含但不限于硬件跳线器、电阻终端器、上拉电阻器、下拉电阻器或写入存储器装置的数据的编码实施方案可以提供合适的编码。在各种实施例中，可以将经编码样本块格式传送到基本单元和控制器或外部连接的计算机装置。
根据各种实施例，基本单元或外部计算机装置可能够对从样本块组合件传送的块格式进行解码。在各种实施例中，基本单元或外部计算机装置可能够确定对应于样本块格式的虚拟通道配置。在各种实施例中，控制器可以适当地组合控制器的物理通道以产生所需的虚拟通道配置。
在步骤1306中，热单元中的每一个的温度可以通过控制器独立地控制以在整个样本块中保持基本上均匀的温度。在各种实施例中，控制器可以是与上文先前描述的控制器类似的多通道控制器。在各种实施例中，控制器可以是也与上文描述的控制器类似的多模块控制器。
实验数据
如上文所论述，与凝胶数据相比设定的工业标准将TNU表示为约1.0℃的差或0.5℃的平均差。TNU值是基于样本块温度测量值计算出来的值。在各种实施例中，从位于样本块的特定孔中的一组热传感器中获取温度测量值。在各种实施例中，样本块中的传感器的特定孔位置在样本块组合件的设计阶段期间确定并且可以表示样本块中热量最不同的区域。如先前所提出，通过使用可以驻留在手持式装置或其它计算装置上的协议(程序)获取温度测量值，所述装置中的任一个能够执行机器代码。在各种实施例中，协议(程序)可以包含例如设定点温度和停留(维持)时间的热循环参数。在各种实施例中，可以在从一个设定点温度转变(斜变)到第二设定点温度期间获取热测量值以确定动态TNU。在另一个实施例中，可以在停留(维持)时间期间获取热测量值以确定静态TNU。在任一种情况下，协议(程序)可以包含在停留(维持)时间或转变(斜变)时间中将读取测量值的点。
例如，TNU协议可以指定获取温度测量值，同时在95℃与60℃之间循环样本块温度。所述协议可以进一步指定在维持时间或停留时间开始之后30秒所获取的测量值。在每个温度和时间段处，读取夹具中的所有传感器并且将结果存储于存储器中。
随后根据从传感器获得的温度读数计算TNU。存在分析温度数据的多个方法。例如，用于计算TNU的一个方法可以涉及识别在特定温度点(例如，95℃和60℃)处从所有传感器中记录到的最暖温度和最冷温度。在各种实施例中，可以在样本块达到设定点温度之后30秒测量静态TNU。随后可以通过从最暖温度中减去最冷温度来计算TNU。此方法可以称为差TNU。
计算TNU的另一实例可以涉及识别在特定温度点(例如，95℃和60℃)处从所有传感器中记录到的最暖温度和最冷温度。在各种实施例中，可以在样本块达到设定点温度之后30秒测量静态TNU。随后可以通过从最暖温度中减去最冷温度，接着将所述差值除以2来计算TNU。此方法可以称为平均差TNU。
应注意，根据样本块温度测量值计算出的TNU与设定点温度有关。如先前所提出，当样本块与环境温度之间的温差最高时来自样本块的热损耗更大。因此，较高样本块设定点本身具有较高TNU。因此，例如，在95℃的设定点处计算出的TNU将大于在较低温度(例如，60℃)处计算出的TNU。
此外上文所论述，在某些系统设计配置中，热块组合件可能易受来自样本块的边缘和拐角的热损耗。另外，在图3中包含开放通道32可以进一步引起所供应的热量在整个样本块中的不充分和/或不均匀分布并且促进TNU性能的降级。在各种实施例中，可以通过包含一个或多个边缘加热器作为样本块的元件来降低此热损耗。
根据各种实施例，存在可商购的的边缘加热器的若干实例。例如，ThermafoilTM加热器(美国明尼苏达州明尼阿波利斯的明科产品有限公司)、HEATFLEX KaptonTM加热器(美国堪萨斯州莱文沃斯的Heatron有限公司)、柔性加热器(美国密苏里州圣路易斯的瓦特电动制造公司)以及柔性加热器(美国伊利诺伊州阿灵顿高地的奥格登制造公司)。
根据各种实施例，边缘加热器可以是硫化硅酮橡胶加热器，例如，橡胶加热器组合件(明科产品有限公司)、SL-B柔性硅酮橡胶加热器(美国宾夕法尼亚州匹兹堡的科模热思有限公司)、硅酮橡胶加热器(美国加利福尼亚州亨廷顿海滩的TransLogic有限公司)、硅酮橡胶加热器(加拿大安大略士嘉堡的国家塑料加热器传感器和控制公司)。
根据各种实施例，边缘加热器可以通过各种压敏胶膜耦合到边缘表面。需要提供均匀的厚度且没有气泡。均匀的厚度提供均匀的接触和均匀的加热。边缘加热器下方的气泡可以导致局部过热以及可能的加热器烧坏。通常，压敏粘合剂在规定温度范围内固化。压敏胶膜的实例包含Minco#10、Minco#12、Minco#19、Minco#17和Ablefilm 550k(加利福尼亚州多明格斯农场的爱博斯迪科实验室)。
根据各种实施例，边缘加热器可以通过液体粘合剂耦合到边缘表面。液体粘合剂与压敏粘合剂相比更适合于弯曲表面。液体粘合剂可以包含1-部分糊剂、2-部分糊剂、RTV、环氧树脂等。气泡基本上可以通过特定技术来避免，例如，在混合之后在粘合剂上抽取真空或穿孔于加热器以准许气泡排出。液体粘合剂的实例包含Minco#6、GE#566(美国康涅狄格州威尔顿的GE硅酮)、Minco 25#15、Crest 3135 AlB(美国北卡罗来纳州卡瑞的洛德化学品公司)。
根据各种实施例，边缘加热器可以通过条带或收缩带耦合到边缘表面。收缩带可以由聚酯薄膜或卡普顿构成。代替中间粘合剂层，粘合剂层移动到胶合加热器的顶部。收缩带和拉伸带的实例包含Minco BM3、Minco BK4和Minco#20。根据各种实施例，胶合加热器可以例如通过膜层压到边缘表面上。根据各种实施例，边缘加热器可以通过机械方式附接到加热表面。例如，具有孔眼的边缘加热器已通过缆索、维可牢挂钩和环路、具有弹簧的金属紧固件以及具有条带的独立紧固件附接。
根据各种实施例，由边缘加热器供应的热量可以均匀地分布或非均匀地分布。在各种实施例中，非均匀热分布可以更有效地补偿如先前所提出的从样本块到环境的非均匀热损耗。非均匀热损耗可以由与样本块的较长边缘相比更快地损耗热量的样本块的拐角产生。在各种实施例中，可以通过改变整个边缘加热器中的热密度来提供非均匀热分布。例如，此技术可以补偿如上文所提出的在样本块的边缘与拐角之间的非均匀热损耗。
根据各种实施例，热分布可以使得热量可以被施加到块的特定区域并且未将热量提供到其它区域。例如，此技术可以补偿样本块组合件中可以不含热源的特征或区域。
根据各种实施例，可以使用如上文所提出的一个或多个边缘加热器。取决于所需的热量，边缘加热器可以固定到样本块的一个边缘。额外的边缘加热器可以固定到样本块的相对边缘表面或相邻边缘表面或这两个边缘表面。
根据各种实施例，个别边缘加热器可以固定到矩形样本块的任何边缘表面或所有四个边缘表面。多个边缘加热器的使用可以实现每个边缘加热器的独立控制以补偿在热协议(或程序)的执行期间来自样本块的变化的热损耗。
在图12和13中所示的热图中说明这些效果。在图12和13中，一组热图使用从与图8中所示的热块组合件类似的热块组合件中测量到的热数据来描绘样本块组合件的热非均匀性(TNU)性能概况。
图12是根据各种实施例的描绘不含集成边缘加热元件的双96孔样本块组合件的热非均匀性(TNU)性能概况的一组热图。图12中所示的四个热曲面图在所属领域中是众所周知的并且可以通过使用任何数目个软件程序(例如，Microsoft Excel)产生。曲面图表示在一组特定条件下在整个样本块(不含边缘加热器)中的温度。通过实例，图12的曲面图可以表示图8中所示的两个样本块的热分布。曲面图1110和1120描绘了分别处于约95℃的斜升温度设定处的样本块810和820的TNU概况。曲面图1130和1140表示分别处于约60℃的斜降温度设定处的样本块810和820的TNU。对于曲面图1110到1140，根据上文所论述的平均差方法计算TNU。也就是说，如图12的热图中所示，在至95℃的斜升操作期间样本块(不含边缘加热器)的TNU在约0.43℃与0.53℃之间。在至60℃的斜降操作期间，块的TNU在约0.35℃与约0.46℃之间。
曲面图1110示出在图的左侧上的温度斜率，而曲面图1120示出右侧上的温度斜率。通过参考图9，所属领域的技术人员将认识到，曲面图1110和1120上所示的向下斜坡大致对应于界定在样本块下方的珀耳帖装置上的开放通道的位置。此效果还可以在曲面图1130和1140中观察到。然而，所述效果在曲面图1130和1140中并非如此显著，因为样本块温度设定点与环境之间的温差小得多。
图13是根据各种实施例的描绘含有集成边缘加热元件的双96孔样本块组合件的热非均匀性(TNU)性能概况的一组热图。图13中描绘四个曲面图1210、1220、1230和1240。类似于图12，曲面图1210和1220表示分别处于约95℃的斜升温度设定处的样本块810和820的TNU。曲面图1230和1240表示分别处于约60℃的斜降温度设定处的样本块810和820的TNU。类似于图12的曲面图，还根据先前所揭示的平均差方法计算出曲面图1210到1240的TNU。
然而，图13的曲面图是边缘加热器耦合到图8的样本块810和820的基本上平坦的边缘表面的结果。可以类似于如图7中的边缘加热器760所示实现边缘加热器到块810和820中的每一个的耦合。边缘加热器经配置以将额外的热量提供到界定在珀耳帖装置上的开放通道的区域中的样本块上。额外的热量补偿开放通道中珀耳帖元件的缺乏，同时保持热块组合件单独地控制珀耳帖装置中的每一个的能力。
所属领域的技术人员将注意到，包含边缘加热器对于处于高温的TNU和处于低温的TNU两者具有积极效果。另外，通过比较图12的曲面图与图13的曲面图，还将认识到包含边缘加热器提供对两个样本块的TNU的总体改进。图13中所示的所得TNU几乎优于图12中先前所揭示的用于平均差方法的0.5℃的工业标准的两倍。也就是说，如图13的热图中所示，在至95℃的斜升操作期间块的TNU(使用平均差方法计算出)在约0.26℃与0.28℃之间。在至60℃的斜降操作期间，块的TNU在约0.24℃与约0.29℃之间。
图16是描绘用于表示常规技术的样本块组合件的含有集成边缘加热元件的双96孔样本块组合件的热非均匀性(TNU)性能概况的一组热图。图16中描绘四个曲面图1610、1620、1630和1640。曲面图1610和1620表示分别处于约95℃的斜升温度设定处的与样本块810和820类似的样本块的TNU。曲面图1630和1640表示分别处于约60℃的斜降温度设定处的与样本块810和820类似的样本块的TNU。然而，用于产生曲面图1610至1640的样本块不同于图8的样本块810和820。图16的样本块包含不含图7的开放通道750的热电装置并且因此不能够对个别热电装置进行独立的离散热控制。类似于图13的曲面图，还根据先前所揭示的平均差方法计算出曲面图1610到1640的TNU。
类似于图13的曲面图，曲面图1610到1640是边缘加热器耦合到与图8的样本块810和820类似的样本块的基本上平坦的边缘表面的结果。可以类似于如图7中的边缘加热器760所示实现边缘加热器到块810和820中的每一个的耦合。
所属领域的技术人员将注意到，包含具有开放通道的热电装置(实现对热电装置的独立离散热控制的能力)对于处于高温的TNU和处于低温的TNU两者具有积极效果。另外，通过比较图13的曲面图与图16的曲面图，还将认识到包含具有开放通道的热电装置提供对两个样本块的TNU的总体改进。与用于常规技术(热电装置中不含开放通道)的图16中的样本块的TNU相比，图13中所示的所得TNU示出TNU上的几乎45％的改进。也就是说，如图13的热图中所示，与在至95℃的斜升操作期间在约0.47℃与0.49℃之间的图16的TNU(使用平均差方法计算出)相比，在至95℃的斜升操作期间块的TNU(使用平均差方法计算出)在约0.26℃与0.28℃之间。与在至60℃的斜降操作期间在约0.41℃与0.43℃之间的图16的块的TNU(使用平均差算法计算出)相比，在至60℃的斜降操作期间，图13的块的TNU在约0.24℃与约0.29℃之间。还应注意，出于先前提出的原因，图13和图16两者的TNU在约60℃的设定点处比在约95℃的设定点处低。当查看用于双平坦配置样本块组合件的图14和图15的热图时，归因于将边缘加热元件包含于样本块上，TNU概况的此显著改进同样明显。
图14是根据各种实施例的描绘不含集成边缘加热元件的双平坦块样本块组合件的热非均匀性(TNU)性能概况的一组热图。如图14的热图中所示，在至95℃的斜升操作期间块的TNU(使用平均差方法计算出)在约0.62℃与约0.73℃之间。在至60℃的斜降操作期间，块的TNU在约0.17℃与约0.23℃之间。
图15是根据各种实施例的描绘含有集成边缘加热元件的双平坦块样本块组合件的热非均匀性(TNU)性能概况的一组热曲线图。如图14的热图中所示，在至95℃的斜升操作期间块的TNU(使用平均差方法计算出)在约0.24℃与约0.32℃之间。在至60℃的斜降操作期间，块的TNU在约0.15℃与约0.22℃之间。
尽管出于清楚和理解的目的已在某些细节上描述前述实施例，但所属领域的技术人员将从本发明的读数中明白，在不脱离本发明的真实范围的情况下可以进行形式和细节上的各种变化。例如，上文描述的所有技术、设备和系统可以用于各种组合中。

Claims (41)

1.一种热块组合件，其包括：
样本块，其具有经配置以接纳多个反应器的顶表面以及相对底表面；以及
两个或两个以上热电装置，其可操作地耦合到所述样本块，其中每个热电装置包含热传感器的外壳以及与控制器通信的热控制接口，其中每个热电装置经配置以独立于彼此操作，从而在整个所述样本块中提供基本上均匀的温度分布，
其中，每个所述热电装置包括：
具有内表面和外表面的第一导热层；
具有内表面和外表面的第二导热层；
多个珀耳帖元件，其由邻近于所述第一导热层的所述内表面和所述第二导热层的所述内表面的半导体材料组成；
从所述第一导热层和所述多个珀耳帖元件中切出从而暴露所述第二导热层的内表面或者从所述第二导热层和所述多个珀耳帖元件中切出从而暴露所述第一导热层的内表面的开放通道或凹槽；以及
热传感器，所述热传感器包含在所述开放通道或凹槽中。
2.根据权利要求1所述的热块组合件，其中所述热电装置中的每一个进一步包括与所述样本块的所述底表面热接触的顶表面以及背对所述样本块的相对底表面。
3.根据权利要求2所述的热块组合件，其中所述外壳是从每个热电装置的边缘表面切出的凹槽。
4.根据权利要求3所述的热块组合件，其中所述顶表面包括所述凹槽。
5.根据权利要求3所述的热块组合件，其中所述底表面包括所述凹槽。
6.根据权利要求1所述的热块组合件，其中所述热传感器选自由以下各者组成的群组：热电偶、热敏电阻、铂电阻温度计以及硅带隙温度传感器。
7.根据权利要求1所述的热块组合件，其中所述热传感器可操作地连接到所述样本块。
8.根据权利要求1所述的热块组合件，其中所述控制器经配置以提供两个或两个以上控制通道。
9.根据权利要求8所述的热块组合件，其中每个控制通道与所述热块组合件上的所述热电装置中的一个相关联。
10.根据权利要求9所述的热块组合件，其中每个控制通道能够控制所述热电装置中的一个并且与同所述热电装置相关联的所述热传感器通信。
11.根据权利要求1所述的热块组合件，其中所述控制器包括两个或两个以上独立的控制器。
12.根据权利要求11所述的热块组合件，其中每个独立的控制器包括计算机处理器。
13.根据权利要求12所述的热块组合件，其中所述计算机处理器经配置以控制所述两个或两个以上热电装置中的一个并且与同所述热电装置相关联的所述热传感器通信。
14.根据权利要求1所述的热块组合件，其中所述控制器包括两个或两个以上子控制器元件。
15.根据权利要求14所述的热块组合件，其中所述两个或两个以上子控制器中的每一个可操作地连接到所述热电装置中的一个。
16.根据权利要求1所述的热块组合件，其进一步包括散热片，其中所述散热片包括底板和鳍片，其中所述底板包括顶表面和相对底表面，其中所述顶表面与所述热电装置的所述相对底表面热接触并且所述鳍片附挂于相对的第二表面。
17.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述半导体材料包含碲化铋。
18.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述第一导热层和所述第二导热层包括矾土。
19.一种用于控制样本块温度的方法，其包括：
提供块组合件，所述块组合件包含，
样本块；
与所述样本块热连通的两个或两个以上热电装置，
其中所述热电装置中的每一个容纳唯一热传感器；
将所述热电装置中的每一个与其相应的唯一热传感器配对以形成热单元；以及
通过控制器独立地控制所述热单元中的每一个的温度以在整个所述样本块中保持基本上均匀的温度，
其中，每个所述热电装置包括：
具有内表面和外表面的第一导热层；
具有内表面和外表面的第二导热层；
多个珀耳帖元件，其由邻近于所述第一导热层的所述内表面和所述第二导热层的所述内表面的半导体材料组成；
从所述第一导热层和所述多个珀耳帖元件中切出从而暴露所述第二导热层的内表面或者从所述第二导热层和所述多个珀耳帖元件中切出从而暴露所述第一导热层的内表面的开放通道或凹槽；以及
热传感器，所述热传感器包含在所述开放通道或凹槽中。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述控制器经配置以最小化由每个热单元的所述热传感器测量到的温差。
21.根据权利要求20所述的方法，其中每个热传感器经配置以测量接近于每个相应热传感器的样本块区域的温度。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述控制器由两个或两个以上子控制器组成。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述子控制器中的每一个可操作地连接到所述热单元中的一个。
24.一种热循环仪系统，其包括：
样本块组合件，所述样本块组合件包含，
样本块，其经配置以接纳多个反应器；以及
与所述样本块热连通的两个或两个以上热电装置，其中每个热电装置容纳唯一的热传感器；以及
控制器，其包含具有机器可执行指令的计算机处理单元以及两个或两个以上通信端口，每个端口可操作地连接到所述两个或两个以上热电装置以及其相应热传感器中的一个，其中所述机器可执行指令经配置以基于来自其相应热传感器的温度测量值单独地调整每个热电装置的所述温度，从而在整个所述样本块中提供基本上均匀的温度分布，
其中，每个所述热电装置包括：
具有内表面和外表面的第一导热层；
具有内表面和外表面的第二导热层；
多个珀耳帖元件，其由邻近于所述第一导热层的所述内表面和所述第二导热层的所述内表面的半导体材料组成；
从所述第一导热层和所述多个珀耳帖元件中切出从而暴露所述第二导热层的内表面或者从所述第二导热层和所述多个珀耳帖元件中切出从而暴露所述第一导热层的内表面的开放通道或凹槽；以及
热传感器，所述热传感器包含在所述开放通道或凹槽中。
25.根据权利要求24所述的热循环仪系统，其中所述热电装置中的每一个进一步包括与所述样本块的底表面热接触的顶表面以及背对所述样本块的相对底表面。
26.根据权利要求24所述的热循环仪系统，其中所述热传感器容纳于从每个热电装置的边缘表面中切出的凹槽中。
27.根据权利要求26所述的热循环仪系统，其中所述顶表面包括所述凹槽。
28.根据权利要求26所述的热循环仪系统，其中所述底表面包括所述凹槽。
29.根据权利要求25所述的热循环仪系统，其进一步包括散热片，其中所述散热片包括底板和鳍片，其中所述底板包括顶表面和相对底表面，其中所述顶表面与所述热电装置的所述相对底表面热接触，并且所述鳍片附挂于相对的第二表面。
30.一种热块组合件，其包括：
两个或两个以上样本块，每个样本块具有经配置以接纳多个反应器的顶表面以及
相对底表面；以及
两组或两组以上热电装置，其可操作地耦合到每个样本块以及与控制器通信的热控制接口，
其中，每个所述热电装置包括：
具有内表面和外表面的第一导热层；
具有内表面和外表面的第二导热层；
多个珀耳帖元件，其由邻近于所述第一导热层的所述内表面和所述第二导热层的所述内表面的半导体材料组成；
从所述第一导热层和所述多个珀耳帖元件中切出从而暴露所述第二导热层的内表面或者从所述第二导热层和所述多个珀耳帖元件中切出从而暴露所述第一导热层的内表面的开放通道或凹槽；以及
热传感器，所述热传感器包含在所述开放通道或凹槽中。
31.根据权利要求30所述的热块组合件，其进一步包括两个或两个以上散热片，其中每个散热片包括底板和鳍片，其中所述底板包括顶表面和相对底表面，其中所述顶表面与所述热电装置的所述相对底表面热接触，并且所述鳍片附挂于相对的第二表面。
32.根据权利要求30所述的热块组合件，其中每个热电装置包含热传感器的外壳。
33.根据权利要求30所述的热块组合件，其中所述控制器包括两个或两个以上独立的控制器，其中每个独立的控制器包括计算机处理器并且经配置以控制所述两个或两个以上样本块和热电装置组中的一个。
34.根据权利要求30所述的热块组合件，其中所述控制器包括计算机处理器和两个或两个以上通道，其中所述处理器经配置以控制所述两个或两个以上通道中的每一个。
35.根据权利要求30所述的热电组合件，其中所述组热电装置中的每一个包括至少一个热电装置。
36.一种热块组合件，其包括：
至少一个样本块，每个样本块具有经配置以接纳多个反应器的顶表面以及相对底表面；以及
至少一组热电装置，其可操作地耦合到每个样本块以及与控制器通信的热控制接口，
其中，每个所述热电装置包括：
具有内表面和外表面的第一导热层；
具有内表面和外表面的第二导热层；
多个珀耳帖元件，其由邻近于所述第一导热层的所述内表面和所述第二导热层的所述内表面的半导体材料组成；
从所述第一导热层和所述多个珀耳帖元件中切出从而暴露所述第二导热层的内表面或者从所述第二导热层和所述多个珀耳帖元件中切出从而暴露所述第一导热层的内表面的开放通道或凹槽；以及
热传感器，所述热传感器包含在所述开放通道或凹槽中。
37.根据权利要求36所述的热块组合件，其进一步包括至少一个散热片，其中每个散热片包括底板和鳍片，其中所述底板包括顶表面和相对底表面，其中所述顶表面与所述热电装置的所述相对底表面热接触，并且所述鳍片附挂于相对的第二表面。
38.根据权利要求36所述的热块组合件，其中每个热电装置包含热传感器的外壳。
39.根据权利要求36所述的热块组合件，其中所述控制器包括至少一个独立的控制器，其中每个独立的控制器包括计算机处理器并且经配置以控制所述样本块和热电装置组中的一个。
40.根据权利要求36所述的热块组合件，其中所述控制器包括计算机处理器和至少一个通道，其中所述处理器经配置以控制所述至少一个通道中的每一个。
41.根据权利要求36所述的热电组合件，其中所述组热电装置中的每一个包括至少一个热电装置。
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