CN106660048B

CN106660048B - 分子分析系统及其应用

Info

Publication number: CN106660048B
Application number: CN201580032124.0A
Authority: CN
Inventors: 克里斯托弗·G·库尼; 彼得·Q·曲; 阿里亚·布鲁诺
Original assignee: Akonni Biosystems Inc
Current assignee: Akonni Biosystems Inc
Priority date: 2014-06-19
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2019-07-05
Anticipated expiration: 2035-06-18
Also published as: US20220062909A1; EP3549675A1; US20190022659A1; EP3157680A1; CA2949541A1; CN106660048A; EP3157680A4; US10081016B2; EP3157680B1; US20190015834A1; US11097278B2; US20150367347A1; WO2015195918A1; JP6715190B2; JP2017526338A; US10882046B2

Abstract

一种分子检测装置，包括加热冷却模块，该模块包括薄膜热电加热冷却装置；以及可移动检测模块，该模块包括扩增杂交组合反应室。所述反应室包括导热外表面和在内表面上的微阵列。薄膜热电加热冷却装置包括适于与所述反应室的导热外表面接触的传热表面。该分子检测装置可以用于在反应室中进行PCR。

Description

分子分析系统及其应用

本申请要求于2014年6月19日提交的美国临时申请62/014,329的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本申请涉及一种分子分析系统，特别地，涉及一种具有热电加热冷却装置的分子分析系统，其用于通过聚合酶链式反应(PCR)检测样品中的生物材料。

背景技术

分子检测是一种在分子水平上进行的检测，用于检测测试样品中的生物材料，例如DNA、RNA和/或蛋白质。分子检测由于其速度、灵敏度和特异性，正开始成为一种黄金标准。例如，当鉴别脑脊液中的肠道病毒时，发现分子测定比常规培养方法的灵敏度高75％，并且现在被认为是该诊断的黄金标准(Leland等,Clin.Microbiol Rev.2007,20：49-78)。

临床使用的分子测定通常限于在单一反应(即实时PCR测定)中鉴别少于6个基因序列。微阵列是附接到固体载体上的分子探针的模型，是增加可被特异性鉴别的序列数目的一种方式。然而，这一工作流程通常是复杂的，并且在与微阵列进行培养或杂交之前需要进行分子扩增。分开的扩增和杂交允许用于扩增的容器设计用于有效的传热；然而，流体具有相当的复杂性。组合扩增和杂交是一种简化流体和操作复杂性的方式；然而，该方法可能导致传热低效，因为反应容器通常包括微阵列可附接的传热低效的边界或载体。

概述

本申请的一个方面涉及一种分子检测装置。该装置包括加热冷却模块，该加热冷却模块包括热电加热冷却装置，以及一个可移动检测模块，该可移动检测模块包括扩增杂交组合反应室，该反应室包括导热外表面和设置于内表面上的微阵列，其中，该热电装置包括适于与所述反应室的导热外表面接触的传热表面。

本申请的另一个方面涉及一种用于进行PCR的装置。该装置包括加热冷却模块，该加热冷却模块包括热电加热冷却(TEHC)装置，该热电加热冷却装置包括传热表面；支架，该支架用于接收可移动检测模块，该可移动检测模块包括具有导热外表面的反应室；移动系统，当所述检测模块放置在所述支架中时，该移动系统使所述传热表面与所述导热外表面接触；以及可编程控制模块，所述可编程控制模块调节所述传热表面的温度。

本申请的另一个方面涉及一种在反应室的微阵列上进行PCR的方法。该方法包括以下步骤：(a)将包括反应室的检测模块放置到PCR装置中，其中，反应室包括导热外表面和设置在内表面上的微阵列；以及其中PCR装置包括加热冷却模块，该模块包括具有传热表面的热电加热冷却装置，PCR装置还包括调节传热表面温度的可编程控制模块；(b)使热电加热冷却装置的传热表面开始接触反应室的导热外表面；然后(c)基于存储在控制模块中的PCR程序，通过传热表面加热或冷却所述反应室完成PCR。

附图说明

图1是加热冷却模块的一个实例的示意图。

图2是流动池反应室和废物室阵列的一个实例的示意图。

图3A-3B是流动池反应室阵列的一个实例的示意图。

图4是在加热冷却模块顶部的流动池反应室阵列的一个实例的示意图。

图5是降低到流动池顶部的加热冷却模块的一个实例的示意图。

图6是在光吸收层、绝热层和支撑底座顶部上的流动池的示意图。

图7是在加热冷却单元内具有两个薄膜热电加热和冷却芯片的热电加热和冷却(TEHC)装置的示意图。

图8A-8F是具有多个TEHC装置的加热冷却模块的不同的示意图。

图9示出了使反应室的暴露部分绝热减小了在设定温度与由位于反应室中心的电阻式温度检测器(RTD)测定的实际温度之间的温度偏差。

图10示出了来自微阵列点的示例性荧光信号强度。

图11示出了在加热冷却模块降低到反应室顶部的情况下进行PCR时的结果。

图12显示了当加热冷却模块降低到反应室顶部时在反应室里的组合PCR和杂交反应。

详细说明

下面给出详细说明以使本领域技术人员能够制造和使用本发明。为了更好地说明，列出了具体的术语以提供对本申请的透彻理解。然而，对本领域技术人员显而易见的是，这些具体细节不是实施本发明所必需的。说明的具体实施例和应用只作为代表性的实例。该说明是作为本发明原理的示例，而不是将本发明限制所示的特定实施例中。

以下说明应结合附图来理解，附图被认为是本发明整个书面说明的一部分。为了清楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，并且本发明的某些特征可能以夸大的比例或以某种示意性的形式示出。在说明书中，相关术语比如“前”、“后”、“上”、“下”、“顶部”、“底部”及其派生词，应该理解为在所涉及的附图中描述或显示的参考方向。这些术语是为了方便描述，通常不是为了要求一个特定的方向。关于附接(attached)、耦合等术语，如“连接”和“附接(attaching)”，除非特别说明，指的是结构之间直接地或通过中间结构间接地相互固定或连接的一种关系，以及可移动的或刚性附接或关系。

本文所用的术语“样品”包括生物样品，例如细胞样品、细菌样品、病毒样品、其它微生物样品、取自优选人受试者的哺乳动物受试者的样品，例如组织样品、细胞培养物样品、粪便样品和生物液体样品(例如血液、血浆、血清、唾液、尿液或者脊髓液、淋巴液以及乳头溢液)；环境样品，如空气样品、水样品、粉尘样品以及土壤样品。

下文描述的实施例中使用的术语“核酸”，是指单个核酸以及核酸聚合物链，包括DNA和RNA，无论是天然的或人工合成的(包括其类似物)、或其修饰，特别是那些已知发生在自然界中的具有任何长度的修饰。符合本发明核酸长度的实例，包括但不限于，适合于PCR产物的长度(例如，约50-700碱基对(bp))以及人类基因组DNA(例如，约千碱基对(Kb)到十亿碱基对(Gb)的数量级)。因此，应当理解，术语“核酸”包括单个核酸以及核苷酸，核苷，天然或人工的核苷酸及其组合，小片段，例如表达的序列标签或基因片段，以及更大的链，如基因组材料，包括单个基因，甚至整个染色体。术语“核酸”还包括肽核酸(PNA)和锁核酸(LNA)寡聚体。

本文所用的术语“亲水表面”是指将与位于这样的表面上的一滴纯水形成的接触角小于45°或更小的表面。本文使用的术语“疏水表面”是指将与位于这样的表面上的一滴纯水形成的接触角大于45°的表面。接触角可以使用接触角测角仪测量。

本申请的一个方面涉及一种分子检测装置。该装置包括加热冷却模块以及扩增杂交组合反应室。在一些实施例中，该加热冷却模块包括用于与反应室的外表面接触的传热表面，以及该反应室包括微阵列。

在一些实施例中，该加热冷却模块包括多个TEHC装置和相同数量的扩增杂交组合反应室。每个反应室中的温度由单独的TEHC装置控制，使得不同的加热/冷却程序可以应用于不同的反应室。在一些实施例中，加热冷却模块包含2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多个TEHC装置以及相同数量的扩增杂交组合反应室。

加热冷却模块

在一些实施例中，加热冷却模块包括热电加热冷却(TEHC)装置。一个或多个TEHC装置可以集成到该模块中。在另一些实施例中，加热冷却模块还包括温度传感器。温度传感器的实例是电阻式温度检测器(RTD)、热电偶、热电堆和热敏电阻。在一些实施例中，温度传感器是RTD。在另一些实施例中，温度传感器是热敏电阻，其具有较高的分辨率、较小的温度范围和较大的随时间漂移。在一些实施例中，加热冷却单元的热敏电阻耦合到电子模数转换器(ADC)。

在一些实施例中，TEHC装置是珀耳帖装置。珀耳帖装置是一种热电加热冷却装置，其使用珀尔帖效应在两种不同类型的材料的接头之间产生热通量。珀耳帖装置用作固态主动热泵，其根据电流的方向使用电能将热从装置的一侧传递到另一侧。这种仪器可用于加热或冷却，并且也称为珀耳帖热泵，固态制冷器或热电制冷器(TEC)。在一些实施例中，珀耳帖装置由陶瓷材料制成(例如，型号为72001/127/085B的菲洛泰克(Ferrotec)珀尔帖冷却器)。陶瓷材料的实例包括：氧化铝、氧化铍和氮化铝。

在另一些实施例中，TEHC装置是一种薄膜半导体(例如碲化铋)。在另一些实施例中，TEHC装置是由p型和n型半导体制成的热电偶。p型和n型半导体的实例是铋锑、碲化铋、碲化铅和硅锗。这种类型的TEHC装置具有比陶瓷TEHC装置的1-3秒响应时间更短的响应时间。该特性允许快速升温速率和更精细的温度控制。在一些实施例中，TEHC装置是一种具有短于300ms、100ms、30ms、10ms、5ms、2ms或1ms的响应时间的薄膜半导体。在一些实施例中，TEHC装置具有能够将加热和冷却聚集到目标区域(比如流动池的反应室的外表面)的占用空间(footprint)(例如，2.4mm×3.5mm)。在一些实施例中，TEHC装置具有150mm²或更小、50mm²或更小、40mm²或更小、30mm²或更小、20mm²或更小、或10mm²或更小的占用空间。在另一些实施例中，TEHC装置具有约8.7mm×15mm、5mm×10mm、4mm×8mm、3mm×6mm或2.4mm×3.5mm的占用空间。

此外，这些装置的高传热功率(例如，与陶瓷珀尔帖装置的3W/cm2相比，Qmax/cm2～80W/cm2)使得它们非常适合于加热和冷却小流动池反应室。在一些实施例中，薄膜半导体热电装置耦合到较大几何形状的散热器，以与不规则形状的流动池反应室相接。这些装置还提供抗震性，并且比陶瓷珀耳帖更不容易产生由热循环应力引起的故障。

图1显示了加热冷却模块200的一个实施例。在该实施例中，加热冷却模块200包括多个TEHC装置204，每个TEHC装置204包括具有传热表面202的散热器208及加热冷却单元207；容纳TEHC装置204的平台209(如图所示，保护TEHC装置204的框架(bezel))；以及耦合到TEHC装置204的另一侧的散热件201。散热件201和散热器208的实例是铜、铝、镍、热管和/或蒸汽室。在操作期间，传热表面202与流动池(如图2和图3所示)的反应室的外表面紧密接触，从而控制流动池的反应室内部的温度。在一些实施例中，加热冷却模块200还包括集成印刷电路板203和位于散热件201下方的风扇205。

在一些实施例中，散热件201和/或散热器208通过导热环氧树脂、导热粘合剂、液态金属(例如，镓)或焊料(例如，铟)耦合到TEHC装置204的加热冷却单元207。在一个实施例中，传热表面202是平的。在这些实施例中的一些中，散热器208具有矩形形状的传热表面202，其尺寸范围从3mm×3mm至75mm×80mm，优选地为8mm×10mm至10mm×20mm。在一些实施例中，散热器208的传热表面202具有加热流动池的流体通道的入口部分，其中入口部分的尺寸小于加热反应室的区域的尺寸。该入口部分可以是矩形的并且具有0.1-5mm宽和1-20mm长的尺寸范围。在另一个实施例中，散热器208的传热表面202具有出口部分，以加热流动单元的流体通道，其尺寸范围为0.1-15mm宽和1-75mm长。在一些实施例中，散热器208的传热表面202具有三个部分，入口加热部分，反应室加热部分和出口加热部分。散热器208的厚度优选为0.05-5mm，更优选为0.1-1mm，进一步优选为0.15-0.6mm。

流动池

本文所用的术语“流动池”是指一种基于微阵列的检测装置。在一些实施例中，流动池包括具有样品入口、样品出口和位于其中的微阵列的反应室。在一些实施例中，反应室是能够在相同室中进行扩增反应(例如PCR)和杂交反应的扩增杂交组合反应室。在一些实施例中，流动池还包括与反应室流体连通的废物室。在一些实施例中，反应室涂覆有亲水材料并具有亲水表面，其能够促进反应室的完全填充和从反应室到废物室的流体流动。在液体从样品入口进入反应室时，亲水表面与之接触，并允许完全填充微阵列室。在某些实施例中，反应室为宽度可变的细长通道的形状，并直接连接到废物室。在另一些实施例中，微阵列室通过废物通道连接到废物室。

在另一些实施例中，流动池包括两个或更多个反应室或反应室阵列。在另一些实施例中，流动池包括两个或更多个反应室或反应室阵列，以及两个或更多个废物室或废物室阵列，每个反应室通过废物通道连接到废物室。在又一些实施例中，流动池包括两个或更多个反应室或反应室阵列以及单个废物室，其中每个反应室通过废物通道连接到废物室。

在一些实施例中，微阵列位于反应室的底表面上，并且反应室的顶表面或至少顶表面的一部分涂覆有亲水材料。亲水性材料的实例包括但不限于亲水性聚合物如聚乙二醇，聚羟乙基异丁烯酸酯，生物砂屑岩(Bionite)，聚(N-乙烯基内酰胺)，聚(乙烯基吡咯烷酮)，聚(环氧乙烷)，聚(环氧丙烷)，聚丙烯酰胺，纤维素，甲基纤维素，聚酸酐，聚丙烯酸，聚乙烯醇，聚乙烯基醚，烷基酚乙氧基化物，复合多元醇单酯，聚氧乙烯油酸酯，聚氧乙烯失水山梨醇油酸酯和失水山梨醇脂肪酸酯；无机亲水材料如无机氧化物，金，沸石和类金刚石碳；以及表面活性剂如曲拉通(Triton)X-100，吐温，十二烷基硫酸钠(SDS)，十二烷基硫酸铵，烷基硫酸盐，十二烷基醚硫酸盐(SLES)，烷基苯磺酸盐，皂，脂肪酸盐；溴化十六烷基三甲铵(CTAB)、又称十六烷基三甲基溴化铵，烷基三甲基铵盐，氯化十六烷基吡啶，牛脂胺聚氧乙烯醚(POEA)，苯扎氯铵(BAC)，苄索氯铵(BZT)，十二烷基甜菜碱，十二烷基二甲基氧化胺，椰油酰胺丙基甜菜碱，椰油两性甘氨酸烷基酯聚聚(环氧乙烷)聚(环氧丙烷)的共聚物(商业上称为泊洛沙姆或泊洛沙胺)，烷基聚葡糖苷，脂肪醇，椰油酰胺MEA，椰油酰胺DEA，椰油酰胺TEA。

在一些实施例中，一种或多种表面活性剂与诸如聚氨酯和环氧树脂的反应聚合物混合以用作亲水涂层。在另一些实施例中，通过诸如大气等离子体处理、电晕处理或气体电晕处理的表面处理使反应室的顶表面或底表面亲水。

反应室中的微阵列可以是任何类型的微阵列，包括但不限于寡核苷酸微阵列和蛋白质微阵列。在一个实施例中，微阵列是抗体微阵列，并且微阵列系统用于捕获和标记靶抗原。在一个实施例中，微阵列是使用例如美国专利5,741,700、5,770,721、5,981,734、6,656,725和美国专利申请10/068,474、11/425,667和60/793,176中描述的印刷凝胶点法形成的微阵列，所有这些其全部内容通过引用的形式合并于此。在某些实施例中，微阵列包含印刷在微阵列基底上的多个微阵列点，该微阵列基底形成了微阵列室的底部。

图2显示了流动池反应室和废物室的一种示例性阵列。在该实施例中，流动池包括多个反应室110，每个反应室具有一个将反应室110的样品出口连接到废物室120的入口的通道118。在一个实施例中，通道118的侧壁是疏水性的以消除气泡。在一些实施例中，通道118的废物室端部处的横截面面积比在通道118的反应室端部处的横截面面积大至少2倍、3倍、4倍或5倍。在一些实施例中，通道118包括一个转向部分，其包括两次转向以形成S形或Z形通道部分。在更进一步的实施例中，两次转向是90°转向。

图3A显示了一种具有多个反应室110的流动池100的另一个实施例。在该实施例中，反应室110由基底211、间隔件212和盖213构成(图3B)。用于制成基底211、间隔件212或盖213的材料包括但不限于陶瓷、塑料、弹性体和金属。陶瓷的实例包括但不限于玻璃、硅、氮化硅和二氧化硅。塑料的实例包括聚碳酸酯、聚乙烯(低密度、高密度、超高分子量)、聚甲醛、聚丙烯、聚偏二氯乙烯、聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯和聚氨酯。弹性体的实例包括但不限于天然聚异戊二烯、合成聚异戊二烯、聚丁二烯、氯丁二烯、丁基橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、三元乙丙橡胶、表氯醇橡胶、聚丙烯酸橡胶、硅橡胶、氟硅橡胶、氟橡胶、全氟橡胶、聚醚嵌段酰胺、氯磺化聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯、热电弹性体、蛋白弹性体、弹性蛋白、聚硫橡胶和聚烯烃弹性纤维。金属的实例包括但不限于铝、铂、金、镍、铜及这些金属的合金。这些材料可以被铸造、挤出(例如，薄膜)、机加工和/或模制成适当的形状。

在一些实施例中，基底材料是热导率约0.2W/mK的塑料。在其它情况下，基底材料是热导率约1W/mK的玻璃。在一些实施例中，基底材料具有0.2-3W/mK范围内的热导率。在一些实施例中，基底材料具有3至30W/mK范围内的热导率。在一些实施例中，基底材料具有30-400W/mK范围内的热导率。在另一些实施例中，基板材料具有至少1、3、10、30、100或300W/mK的热导率。在一些实施例中，间隔件212接合到盖213和基底211。接合方法包括粘合剂、超声波焊接、激光焊接、热熔接、溶剂粘合、热接合和弹性体间隔件的压制。用于接合的粘合剂可以是液体或粘弹性形式。粘合剂的实例包括但不限于环氧树脂、丙烯酸树脂、硅氧烷、多糖和橡胶。粘合剂固化可以通过加热、加压、紫外线照射、暴露于空气和/或催化剂来实现。

在另一实施例中，间隔件212和基底211是单独的整体部件。在另一个实施例中，间隔件212和盖213是单独的整体部件。在另一个实施例中，基底211、间隔件212和盖213是单独的整体部件。

在一些实施例中，反应室110包括在基底211上形成的一个或多个微阵列130。在一些实施例中，一个或多个微阵列130是DNA微阵列、蛋白质微阵列或其混合微阵列。这里所用术语“微阵列”是指用于结合感兴趣的配体的点的有序阵列。一个微阵列由至少两个点组成。在一些实施例中，微阵列由单行点组成。在另一些实施例中，微阵列由多行点组成。感兴趣的配体包括但不限于核酸(例如分子信标、寡核苷酸适配子、锁核酸、肽核酸)、蛋白质、多肽、多糖、抗体、抗原、病毒和细菌。

加热冷却模块与反应室之间的接口

在一些实施例中，流动池100被放置在加热冷却模块200的顶部上，以使反应室110位于加热冷却装置的传热表面202的顶部。参见图4。在一些实施例中，加热冷却模块200安装在移动系统中。在一些实施例中，加热冷却装置的传热表面吸收光。如何实现光吸收的实例包括涂黑传热表面202，黑色阳极氧化，或通过电镀用黑色铬涂覆。光吸收减少了可干扰成像微阵列的散射。在一些实施例中，热循环在成像之前发生。在一些实施例中，热循环与成像同时发生。

在另一个实施例中，加热冷却模块200适于下降至安装在流动池支架300上的流动池100上，或者流动池支架300上升至加热冷却模块200，以使流动池100的反应室110与TEHC装置的传热表面202接触(参见图5)。在一些实施例中，可压缩装置用于限制施加到流动池100的力。在一些实施例中，可压缩装置位于安装有TEHC装置的平台209的上方(参加图5)。在另一些实施例中，可压缩装置260位于流动池100的下方(参见图6)。在另一些实施例中，可压缩装置位于平台209的上方和流动池100的下方。可压缩装置的实例包括但不限于弹簧、泡沫、记忆海绵、板簧和可变形塑料或诸如硅的其它材料。

在一些实施例中，不与传热表面202接合的反应室110的外表面是绝热的。在一些实施例中，绝热件是消耗品的部件。在另一些实施例中，绝热体是仪器的部件。在另一些实施例中，绝热件是消耗品和仪器的部件。绝热件的实例包括静气、聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、气凝胶、玻璃纤维和塑料。在一些实施例中，绝热层270吸收光。绝热的效果可以建模如下：

其中T_偏差是设定温度和实际温度之间的差，T_TEC是散热器的温度，T_液体是液体的温度，以及R_绝热是绝热层的热阻。

图6显示了一个实施例，其中流动池100在绝热层270的一侧是绝热的。在该实施例中，诸如黑箔的光吸收材料271将绝热层270与流动池100分离。可压缩装置安装在绝热层270的下方。基座250包括用于可压缩装置的定位特征261。在一些实施例中，定位特征261是螺柱、销或栓。在另一些实施例中，定位特征261是腔、孔或凹陷。在另一些实施例中，定位特征261是在其中心具有柱、销或栓的空腔、孔或凹陷。

在另一些实施例中，单个反应室110可以与两个或更多个TEHC装置204相连接。在一个实施例中，一个TEHC装置204与反应室110的顶表面相连接，同时另一个TEHC装置204与反应室110的底表面相连接。

在另一个相关实施例中，加热冷却模块200包括多个TEHC装置204，其与流动池100中等数量的反应室110相连接，其中每个TEHC装置204包括一适于与相应的反应室110的外表面接触的传热表面202。在一些实施例中，TEHC装置204附接到公共散热件201。在一些实施例中，所有TEHC装置204由单个控制器控制。在另一些实施例中，每个TEHC装置204被单独地控制，以使每个反应室110中可以执行不同的反应。

图7显示了一种具有在加热冷却单元207内安装有两个薄膜热电芯片280的TEHC装置204的实施例。薄膜热电芯片280由氮化铝半导体制造并且通过焊料铟安装到主散热件221，以及通过液体金属镓安装到散热器208。散热器208是具有镍涂层的0.6mm厚的铜。聚酰亚胺片状间隔件用作散热件和散热器202之间的支架。薄膜RTD 281也附接到散热器208。

图8A-8F显示了具有多个TEHC装置204的另一个示例性加热冷却模块200的不同视图。每个TEHC装置204包括具有传热表面202的散热器208和具有主散热件221的加热/冷却单元。多个TEHC装置204附接有具有多个风扇205的公共次级散热件201。

热循环控制方案

在一些实施例中，控制加热冷却模块以使得设定点温度在线性状态间变化，作为一种快速接近所需温度的手段。在一些实施例中，设定点人工设定在高于所需温度-5℃至5℃的范围内。

加热冷却模块250执行热循环方案，其可以包括在两个温度之间循环，在三个温度之间循环，用于储存或杂交的长时间保持温度，以及降落PCR方案。温度转变可以遵循阶跃变化、锯齿波形或正弦波形。这些波形也可以关于特定的设定温度发生，以诱发热对流混合。

本申请的一个方面涉及一种分子检测装置，其包括：加热冷却模块，该模块包括薄膜热电加热冷却装置；以及可移动检测模块，该模块包括扩增杂交组合反应室，其包括导热外表面和在内表面上的微阵列；其中所述热电加热冷却装置包括传热表面，其用于与所述反应室的所述导热外表面接触。

在一些实施例中，薄膜热电加热冷却装置是珀尔帖装置。在进一步的一些实施例中，珀尔帖装置为陶瓷珀尔帖装置。

在另一些实施例中，薄膜热电加热冷却装置包括薄膜半导体，该薄膜半导体包括铋锑、碲化铋、碲化铅或硅锗。在进一步的一些实施例中，该薄膜半导体包括碲化铋。

在另一些实施例中，薄膜热电加热冷却装置是由p型和n型半导体制成的热电偶。在进一步的一些实施例中，所述p型和n型半导体选自由铋锑、碲化铋、碲化铅和硅锗构成的组。

在又一些实施例中，微阵列是凝胶点(gel spot)微阵列。

在一些实施例中，反应室还包括用绝热材料绝热的外表面。

在另一些实施例中，可移动检测模块还包括废物室。

在另一些实施例中，可移动检测模块包括多个放大和杂交组合反应室，其中每个反应室包括导热外表面，以及其中所述加热冷却模块包括多个热电加热冷却装置，其中每个热电加热冷却装置包括适于与扩增杂交反应室的导热外表面接触的传热表面。

在又一些实施例中，加热冷却模块还包括温度传感器。在进一步的一些实施例中，温度传感器包括热敏电阻或热电阻装置。

本申请的另一方面涉及一种用于进行聚合酶链式反应(PCR)的装置，包括：加热冷却模块，该模块包括薄膜热电加热冷却装置，其包括传热表面；支架，用于接收可移动检测模块，该模块包括具有传热表面的反应室；移动系统，当所述检测模块放置在所述支架中时，所述移动系统使所述传热表面与所述导热外表面接触；以及可编程控制模块，其调节所述传热表面的温度。

在一些实施例中，热电装置是珀耳帖装置。在进一步的一些实施例中，热电加热冷却装置包括薄膜半导体和散热件。

在另一些实施例中，加热冷却模块还包括温度传感器。在进一步的一些实施例中，温度传感器包括热敏电阻或热电阻装置。

在另一些实施例中，所述加热冷却模块包括多个薄膜热电加热冷却装置，每个薄膜热电加热冷却装置包括传热表面，其中，所述可移动检测模块包括多个反应室，每个反应室具有导热外表面，其中，所述可编程控制模块能够单独地调节每个所述传热表面的温度，以便每个反应室中在不同条件下进行PCR。

本申请的又一方面涉及在反应室中的微阵列上进行聚合酶链式反应(PCR)的方法。该方法包括若干步骤，包括将包括反应室的检测模块放置到PCR装置中，其中，所述反应室包括导热外表面和设置在内表面上的微阵列；并且其中所述PCR装置包括加热冷却模块、该加热冷却模块包括具有传热表面的薄膜热电加热冷却装置，以及调节所述传热表面的温度的可编程控制模块。该方法还包括使所述薄膜热电加热冷却装置的所述传热表面与所述反应室的所述导热外表面接触的步骤。该方法还包括通过基于存储在所述控制模块中的PCR程序通过所述传热表面加热或冷却所述反应室来完成PCR的步骤。

通过以下实施例进一步说明本发明，这些实施例不应被解释为限制性的。本申请通篇引用的所有参考文献、专利和公开的专利申请以及附图和表格的内容通过引用纳入本文。

实施例

实施例1：绝热效果的证明

将薄膜RTD(Minco RTD型号S39)结合到反应室(厚0.5mm)中，用导热膏填充，并放置在平坦的量子(Quanta)热循环仪上。一个反应室包括一英寸厚的泡沫聚苯乙烯绝热层，而另一个不具有绝热。将两个反应室依次引入热循环仪。热循环方案是30个循环，88℃60秒，然后55℃60秒。仅绘制变性温度。温度测量值代表20秒的移动平均值。从图9可以看出，当反应室未绝热时，88℃的设定点可以有1℃的温度偏差。

实施例2：使用加热冷却模块和反应室时的PCR的证明。

反应室由科士达TM(QuestarTM)基底、0.5mm双面压敏粘合剂间隔带和盖膜组成。反应室容积填充有约50μL。反应室具有入口和出口孔。

反应室注入含有引物混合物的1×凯杰(Qiagen)QuantiFastRT-PCR混合液(Qiagen，瓦伦西亚(Valencia)，加利福尼亚，美国)，10ng通过NIST SRM 2372试剂盒提取的人类基因组DNA，以及104份纯化的化脓链球菌和甲型流感核酸。

引物在浓度上是不对称的，并且较高浓度的引物用荧光团标记。在PCR之后，荧光标记的扩增子与微阵列表面上的凝胶点中的探针杂交。

热循环方案为：在47℃下12.5分钟；在88℃下5分钟；以及88℃30s和52.5℃35s的35个循环。

使用与上述相同的试剂及下述热循环方案在常规MJ热循环仪上在PCR管中扩增进行对照实验，热循环方案为：在47℃下12.5分钟；在88℃下5分钟；88℃15s和52.5℃20s的35个循环。

PCR之后，将试剂从反应室中取出，并在50℃下与印刷在玻璃基底上的微阵列杂交1小时。

图10显示了来自微阵列点的化脓链球菌和甲型流感探针的荧光信号强度。数据显示了具有反应室的加热冷却装置与具有PCR管的常规热循环仪之间的对比结果。

实施例3：当加热冷却模块降低到反应室上时的PCR的证明。

如实施例2中所述的加热冷却模块200安装到具有用于将组件降低到反应室上的线性驱动器的机械装置上(参见图5)。该组件由4个弹簧构成，当下降到反应室上时弹簧压缩。

构造六个类似于实施例2的反应室，并用双面胶带附接到聚氟乙烯(PVC)泡沫绝热泡沫。

反应室填充有PCR试剂和33pg来自ATCC的纯化的结核分枝杆菌(MTB)DNA。

以下热循环方案是：在88℃下7.5分钟，88℃30秒和55℃60秒的50个循环。

将来自PCR试剂的产物与杂交缓冲液混合，并在凝胶点微阵列上培养，所述凝胶点微阵列包括用于katG(具有赋予异烟肼药物抗性的可能突变的基因)和MTB的探针。将其加入具有封口膜盖的25-μL框架密封室(伯乐(Biorad))中，并在55℃培养3小时。培养后，将载玻片在水浴中搅拌5分钟，所述水浴由含有0.01％Triton X-100的1xSSPE缓冲液组成。然后通过2,300rpm离心2分钟来干燥载玻片。

在艾康妮(Akonni)成像系统(参见美国专利8,623,789；其全部内容通过引用合并于此)中进行成像0.2秒，并用Akonni软件进行分析。

来自软件的信号强度显示在图11中。图11中的数据显示了当用野生型MTB DNA攻击时，来自具有MTB和katG探针的微阵列点的阳性扩增和检测。

实施例4：反应室中的组合PCR和杂交

N-乙酰半胱氨酸、氢氧化钠消化的唾液用107cfu/mL的H37Ra细胞修饰。使用美国专利8,399,190(其全部内容通过引用合并于此)中描述的装置实现均质化和裂解。使用美国专利8,236,553和8,574,923(其全部内容通过引用合并于此)中描述的装置和方法实现DNA的提取。

将纯化的MTB DNA与实施例3中所述的PCR试剂混合，并加入到与实施例2相似的反应室中。组合PCR和杂交方案如下：在90.5℃下7.5分钟，然后90.5℃30秒和56℃60秒的50个循环，以及在55℃杂交3小时。

在该方案后，用300μL的1xSSPE洗涤反应室，并使用类似如美国专利8,623,789中所述的光学系统成像0.2秒。分析图像并提取来自凝胶液滴的信号强度并绘制在图12中。图12显示了MTB、katG、inhA(具有赋予对异烟肼药物抗性的可能突变的基因；该分离物是野生型)和rpoB(具有赋予对利福平药物抗性的可能突变的基因；该分离物是野生型)的标记的成功扩增和检测。

上面的说明是为了教导本领域普通技术人员如何实施本发明，并且不希望详细说明所有那些明显的修改和变化，这些修改和变化对于本领域技术人员在阅读本说明后将变得显而易见。然而，目的是所有这些明显的修改和变化都包括在本发明的范围内。

Claims

1.一种分子检测装置，包括：

加热冷却模块，所述加热冷却模块包括薄膜热电加热冷却装置；以及

可移动检测模块，所述可移动检测模块包括扩增杂交组合反应室，所述扩增杂交组合反应室包括导热第一外表面，第二外表面和设置于内表面上的微阵列；

其中，所述微阵列是有序排列的点阵列，用于结合目标配体；

其中，所述热电加热冷却装置包括适于与所述反应室的导热第一外表面接触的传热表面，以及其中所述热电加热冷却装置通过所述反应室的所述导热第一外表面加热和冷却所述反应室，以及

其中，所述反应室的所述第二外表面不与所述热电加热冷却装置的所述传热表面接触，并且用绝热材料绝热。

2.如权利要求1所述的分子检测装置，其中，所述薄膜热电加热冷却装置是珀尔帖装置。

3.如权利要求2所述的分子检测装置，其中，所述珀尔帖装置是陶瓷珀尔帖装置。

4.如权利要求1所述分子检测装置，其中，所述薄膜热电加热冷却装置包括薄膜半导体，所述薄膜半导体包括铋锑、碲化铋、碲化铅或硅锗。

5.如权利要求4所述的分子检测装置，其中，所述薄膜半导体包括碲化铋。

6.如权利要求1所述的分子检测装置，其中，所述薄膜热电加热冷却装置是由p型和n型半导体构成的热电偶。

7.如权利要求6所述的分子检测装置，其中，所述p型和n型半导体选自由铋锑、碲化铋、碲化铅和硅锗构成的组。

8.如权利要求1所述的分子检测装置，其中，所述可移动检测模块还包括废物室。

9.如权利要求1所述的分子检测装置，其中，所述可移动检测模块包括多个扩增杂交组合反应室，其中每个所述反应室包括导热外表面，以及其中所述加热冷却模块包括多个热电加热冷却装置，其中每个所述热电加热冷却装置包括适于与扩增杂交反应室的导热外表面接触的传热表面。

10.如权利要求1所述的分子检测装置，其中，所述加热冷却模块还包括温度传感器。

11.如权利要求10所述的分子检测装置，其中，所述温度传感器包括热敏电阻或热电阻装置。

12.一种用于进行聚合酶链式反应(PCR)的装置，包括：

加热冷却模块，所述加热冷却模块包括薄膜热电加热冷却装置，所述热电加热冷却装置包括传热表面；

支架，所述支架用于接收可移动检测模块，所述可移动检测模块包括具有导热顶部外表面、底部外表面和内部表面上的微阵列的反应室，其中微阵列是用于结合目标配体的有序排列的点阵列，其中所述热电加热冷却装置通过使所述传热表面与所述反应室的导热顶部外表面接触来加热和冷却所述反应室，并且其中所述支架包括绝热层以隔离所述反应室的所述底部外表面；

移动系统，当所述检测模块放置在所述支架中时，所述移动系统使所述传热表面与所述导热顶部外表面接触；以及

可编程控制模块，所述可编程控制模块调节所述传热表面的温度。

13.如权利要求12所述的装置，其中，所述热电装置是珀尔帖装置。

14.如权利要求12所述的装置，其中，所述热电加热冷却装置包括薄膜半导体和散热件。

15.如权利要求12所述的装置，其中，所述加热冷却模块还包括温度传感器。

16.如权利要求15所述的装置，其中，所述温度传感器包括热敏电阻或热电阻装置。

17.如权利要求12所述的装置，其中，所述加热冷却模块包括多个薄膜热电加热冷却装置，每个所述薄膜热电加热冷却装置包括传热表面，其中所述可移动检测模块包括多个反应室，每个所述反应室具有导热外表面，其中所述可编程控制模块能够单独地调节每个所述传热表面的温度，以使每个所述反应室中在不同条件下进行PCR。

18.一种在反应室的微阵列上进行聚合酶链式反应(PCR)的方法，包括：

(a)将包括反应室的检测模块放置到PCR装置中，其中所述PCR装置包括加热冷却模块，所述加热冷却模块包括具有传热表面的薄膜热电加热冷却装置，以及调节所述传热表面温度的可编程控制模块，以及

其中，所述反应室包括导热第一外表面，用于与所述薄膜热电加热冷却装置的所述传热表面接触，第二外表面，不与所述薄膜热电加热冷却装置的所述传热表面接触并且用绝热材料绝热，和设置在内表面上的微阵列，其中微阵列是有序排列的点阵列，用于结合目标配体；

(b)使所述薄膜热电加热冷却装置的所述传热表面与所述反应室的所述导热第一外表面接触；然后

(c)基于存储在所述控制模块中的PCR程序，通过所述传热表面加热或冷却所述反应室，在所述反应室中完成PCR。