CN108300656A - 一种热介质流动式pcr扩增的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热介质流动型PCR扩增的方法，其具有高效、快速、易于小型化并且能对复杂容器内部进行PCR扩增的优点。该方法包括：将加有PCR反应溶液的反应容器插入或连接在热介质容器中，使反应容器能接触或浸泡于热介质，热介质驱动装置使不同温度的热介质流过热介质容器，导致接触热介质的反应容器温度发生变化，从而在反应容器完成PCR扩增。本发明的反应速度很快，10分钟即可以完成常规PCR需要1.5小时才能完成的工作，并可以在复杂的容器内部进行PCR扩增。总之，本发明的速度快、通用性强、易于小型化、能用于复杂容器的内部温控、应用范围广泛，特别是能应用于POCT等需要高度自动化、小型化的领域。

Description

一种热介质流动式PCR扩增的方法

技术领域

本发明主要是提供一个高效、快速易于小型化的PCR扩增方法。可用于生命科学研究、检验检疫、司法、医学诊断和研究等相关领域。

背景技术

聚合酶链式反应(PCR)是核酸研究的最重要的方法，广泛应用于生命科学研究、检验检疫、司法、医学诊断和研究等相关领域。

PCR扩增利用不同的温度使核酸完成变性、复性、扩增延伸的过程，反复进行上述过程可以大量的扩增出所需的靶基因序列。一般使用三步法进行扩增，即升温95℃让反应液中的核酸变性解离成单链，降温到50℃复性让单链的核酸与反应液中的引物结合，再升温到70℃以利于DNA聚合酶进行复制，由此升到95℃、降到50℃、再升到70℃为一个循环，一般PCR扩增都要进行40余个循环。也有简化的二步法，即升温到95℃变性，降温到65℃左右复性和扩增延伸一起进行，也就是升到95℃、然后降到65℃成为一个循环。

最早的PCR扩增是用人工或机械手将反应容器在不同温度的水浴或油浴容器中转换，从而完成扩增。由于这种方法速度慢，设备大，已经被淘汰。

后来Roche公司发明lightcycler，将反应容器放在一个密闭的腔体中，用加热器对腔体中的空气加热，然后用室温的空气吹冷到室温，再加热。即需要把空气从室温加温到95℃，然后用室温空气吹冷至室温，再加热到50℃，再加热到70℃，再加热到95℃，再吹冷至室温，反复进行。由于空气的导热性不高，所以要求把反应容放在离心盘上不停的转动，以便于反应容器与更多的空气接触，以保证能达到所需温度。同时，空气的比热不大，热平衡时间长，因此lightcycler使用毛细管作为反应容器，以加大与热介质(空气)的接触面积，但毛细管在离心转动的过程中又易出现断裂。现在已经基本被淘汰。

现在最常用的是使用半导体加热型，如ABI公司、Roche公司等的相关产品。将反应容器放入相应规格的金属孔内，压紧使反应容器壁与金属孔紧密接触。然后用半导体对金属进行加热和制冷。此方法不用毛细管，不用离心转动，操作简单，成为主流方法。但是金属比热大，升温和降温所需的时间长，同时要求反应容器与金属孔形状和尺寸一致，否则热传递效率就会大幅降低。

在PCR扩增仪器中的热交换实际上包括三个过程：

1、加热器对热介质的升降温过程。

2、热介质与反应容器的热交换过程。

3、反应容器壁与反应液的热交换过程。

其中存在着2个矛盾：

1、热介质比热越大，对于热交换速度就越快，但其自身升降温度速度越慢。

2、反应容器壁越薄，反应容器内的液层越薄，热交换速度越快。但是液层越薄，同样的体积就意味着越长，而细长的容器，再加上薄壁就越容易损坏。

无论是现在常用的半导体加热还是已经被淘汰的以Rochelightcycler加热、降温、热传递都是串联的，一步完成以后再进行下一步。因此比热小升降温快了，热交换时间就长，比热大了升降温变快，但热交换时间又变长；使用毛细管能提高热交换效率，但反应容器又易损坏。总之，常用PCR技术以上矛盾只能取选择不能解决。

发明内容

本发明针对现有技术难以解决的矛盾，提供一种快速、高效、有通用性的PCR扩增方法。使热介质加热或降温不在热介质容器中进行，即热介质加热、降温、热传递不是串联而是并联，可以同步进行，热介质升降温时间不影响反应时间；热介质容器可以分离并与反应容器一起成为耗材，避免细长薄壁反应容器易坏的问题。

作为可选的实施例，本发明的热介质流动式PCR方法可以包括如下步骤(如图1所示)：

1)将PCR反应液加入反应容器21，并将有反应容器21插入热介质容器22中。

2)热介质控制装置24将热介质23在相同或不同的空间加热成不同的温度，并使不同温度的热介质23按要求流经热介质容器22。

3)热介质驱动装置25接收从热介质控制装置24中流出并经过热介质容器22的热介质23，并在相应部位进行加热成不同温度的热介质，并反向驱动热介质23，使其按要求流经热介质容器22，被热介质控制装置24接收，周而复始，可循环利用热介质。

4)如果热介质不需要循环利用，热介质驱动装置25可以不需要或换成容器收集热介质。如热介质为空气，则可以直接排走，如果热介质是水，则可以换成废液容器。

作为可选的实施例，本发明的热介质流动PCR扩增的方法能够通过不同温度的热介质流动实现温度控制，从而进行PCR扩增。该方法包括如下步骤：

a)加有PCR反应溶液的反应容器插入(或连接在)一个可流过热介质的中空容器中，使反应容器能接触(或浸泡于)热介质；

b)让预加热(或降温)到不同温度的热介质流过热介质容器，导致接触热介质的反应容器温度发生变化，从而在反应容器完成PCR扩增。

作为可选的实施例，本发明的热介质流动型PCR反应系统包括：

反应容器，储存反应液进行PCR反应；

热介质容器，使反应容器的外壁至少部分接触流动性热介质；

热介质控制装置，同时产生不同温度的热介质；

热介质驱动装置，为热介质流动提供动力，控制其按要求流经热介质容器。

其中，热介质容器为能插入(或连接)反应容器，并有热介质流动通路的中空容器。能插入(或连接)反应容器的通道也属于有热介质流动通路的中空容器。热介质是能流动的液体或气体。热介质温度的升降过程不在热介质容器中进行，热介质容器可以是固定设备，也可以和反应容器一起成为耗材。反应容器是容纳反应液进行PCR反应的单元，可以是能插入热介质容器的独立容器，也可是和热介质容器连成一体的耗材。热介质控制装置能产生不同温度的热介质，热介质驱动装置驱动不同温度的热介质按要求流入和流出热介质容器。例如，热介质驱动装置可以为采用重力驱动相应的通路开关的驱动设备。

作为可选的实施例，热介质流动型热交换法可以包括如下步骤：

(1)、获得多个具有不同温度的流动性热介质；

(2)、在一个反应周期内使多个具有不同温度的流动性热介质顺次与反应液发生热交换，每次热交换后反应一段时间；

(3)、依次进行多个反应周期，直至反应液内的反应结束。

其中，步骤(2)中的反应液为PCR反应液。

作为可选的实施例，热介质流动型热交换系统可以包括：

温控装置，获得多个具有不同温度的流动性热介质；

反应容器，储存反应液；

热介质容器，使反应容器的外壁至少部分接触流动性热介质；

热介质驱动器，驱动多个具有不同温度的流动性热介质在不同的反应周期内顺次与反应容器中的反应液发生热交换，每次热交换后反应一段时间，直至反应液内的反应结束。

其中，温控装置可以包括多个温控器，多个温控器分别将与其一一对应的流动性热介质维持在相应的温度。流动性介质可以为气体或液体，气体可以为空气、氮气等。液体可以为水或导热油等。

热介质流动型热交换系统包括：至少一个热介质通道，将多个具有不同温度的流动性热介质顺次输送至热介质容器内。

反应容器与热介质容器可拆卸连接或者固定连接或者连接为一体。当二者固定连接时，反应容器与热介质容器可以作为耗材而整体替换。

本发明的技术方案特别适用于PCR反应，其通过不同温度的热介质的依次持续性流动来实现对反应液的温度控制，从而顺利实现PCR扩增。本发明的反应原理为：将含有PCR反应液的反应容器插入或连接在热介质容器中，使反应容器能接触或浸泡于热介质中，期间，热介质驱动器使得不同温度的热介质按照一定的时序持续性流过热介质容器，导致接触热介质的反应容器温度发生变化，进而使反应液的温度发生变化，从而在反应容器完成PCR扩增。与现有技术不同，本发明的流动性热介质的温度升降不在热介质容器中进行，而是在反应前预先调整至所需的温度，然后再向热介质容器中输送所需温度的流动性热介质。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

第一、本发明温度控制不是通过加热、散热或制冷进行控制，而是由不同温度的热介质流入直接进行热交换，反应容器不经历升降温的温度变化过程，PCR反应速度非常快。

第二、本发明升降温与热交换是并行的，热介质升降温的时间不影响PCR反应的的速度，因此可以根据需要选用相应的热介质。

第三、本发明热介质为液体或气体，易与反应容器紧密接触，对反应容器没限制，可以使用非规则性反应容器，通用性强。

第四、本发明加热设备与热介质容器分离，因此热介质容器可以与反应容器接成一体做成一次性使用耗材。能避免因反应容器封闭不严，造成热介质容器污染的可能。热介质容器也可以保护为快速反应而使用的细长薄壁反应容器。

第五、本发明利用热介质流动，可以在复杂容器的内部进行PCR。

附图说明

图1为本发明的实施例一的热介质流动式PCR设备的示意图。

图2为本发明的实施例三的热介质流动型热交换系统的结构示意图。

图3为本发明的实施例五的热介质流动型热交换系统的结构示意图。

图4为本发明的实施例六的热介质流动型热交换系统的结构示意图。

图5为本发明的实施例七的热介质流动型热交换系统的结构示意图。

图6为本发明的实施例八的温控装置的结构示意图。

附图标记：

反应型热交换系统1、温控装置2、反应容器3、热介质容器4、热介质通道5、温控装置6、热介质通道7、热介质容器8、反应型热交换系统9、反应型热交换系统10、温控装置11、热介质通道12、热介质容器13、反应型热交换系统14、反应容器15、温控装置16、控温腔17、四通阀18、管道19、管道20、反应容器21、热介质容器22、热介质23、热介质控制装置24、热介质驱动装置25。

具体实施方式

在化学或生物的反应过程中，有时会采用多次热交换来促进反应的发生。例如，在核酸研究所采用的聚合酶链式反应(PCR)中，常常需要利用不同的温度来使核酸不断发生变性、复性和延伸这三个步骤，反复进行上述三个步骤能够实现在一段时间内核酸的大量扩增，从而大量产生所需的靶基因序列。

一般在PCR的一个反应周期内会采用三步法进行核酸扩增，即：先升温至95℃使反应液中的核酸变性并解离成单链，再降温到50℃让单链的核酸与反应液中的引物结合，从而形成部分双链，即复性过程，然后再升温至70℃使DNA聚合酶进行复制，即延伸过程。先升到95℃，再降到50℃，再升温到70℃即为一个反应周期。一般实现核酸扩增需要连续进行40多个反应周期。

当然，也可以采用简化的二步法进行核酸扩增，即：先升温到95℃进行变性，然后降温至65℃左右使复性和延伸一起进行。如此，先升到95℃，再降温至65℃即为一个反应周期。

无论采用三步法还是二步法进行核酸扩增，在多个反应周期内均需要不断地进行升温和降温的过程，这些过程都涉及热交换。

目前用于PCR的热交换为半导体热交换型，其原理是：在一个或多个反应容器内加入PCR反应液，密封后将反应容器置于半导体中与其规格一致的金属孔内，压紧反应容器以使该反应容器的壁与金属孔紧密接触，然后对半导体进行升温或降温。通过半导体的温度变化来调节反应容器内PCR反应液的温度，从而实现核酸扩增。上述半导体热交换型的热交换顺序为：半导体→反应容器→PCR反应液，因此，半导体的温度变化与PCR反应液的温度变化不同步，也就是说，半导体的温度变化不能瞬时反应到PCR反应液中，这会产生以下几个问题：

第一、PCR总反应时间长。半导体的升温或降温需要一定时间，其温度变化的时间一般为4℃/s。如果半导体的温度为室温(假设为30℃)，那么首次升温至90℃需要15s，随后再降至60℃需要7s多，以此类推。因此，PCR的总反应时间大部分表现为升温或降温的时间，这导致PCR的总反应时间较长，一般为1‐2h，而PCR真正反应的时间则较短，故该方法不能满足快速PCR的要求。

第二、半导体的金属孔形状需与反应容器的形状相匹配。半导体热交换型的热交换方式为贴合传热，即金属孔需要与反应容器紧密贴合才能够使热交换效率达到最大。如果贴合不紧密，导致金属孔与反应容器的接触面出现空隙，则会导致热交换不均匀，这不仅仅会影响PCR反应效果，也会要求半导体的金属孔形状始终应与反应容器的形状相匹配。因为该半导体热交换型对金属孔和反应容器的规格都有要求，所以会造成PCR反应体系的适用性差，不能根据具体的反应情况随意改变反应容器的规格，例如，不能将锥型反应容器改为薄层型反应容器，同时也难于将PCR应用于大型或复杂设备的内部。

第三，在半导体热交换型PCR扩增仪器中的热交换实际上包括三个过程：(1)、控温器对半导体热介质的升降温过程；(2)、半导体热介质与反应容器的热交换过程；(3)反应容器壁与反应液的热交换过程。目前常用的半导体加热的升降温和热传递都是串联的，一步完成以后才能进行下一步，这其中存在着两个矛盾：(1)、半导体热介质比热越大，热交换速度就越快，但其自身升降温度速度越慢；半导体热介质比热越小，虽然自身升降温速度变快，但热交换的速度就变慢，热交换的时间变长；(2)、反应容器的壁越薄，反应容器内的液层越薄，热交换速度越快，但是液层越薄，同样的体积就意味着越长，而细长薄壁的容器就越容易损坏；反应容器的壁越后，则会降低热交换的速度并延长热交换的时间。因此，常规的半导体热交换型PCR扩增仪器只能平衡而不能解决以上矛盾。

为了解决上述问题，本发明提供了一种热介质流动型热交换系统以及热交换法，热交换系统包括：用于获得多个具有不同温度的流动性热介质的温控装置、用于储存反应液的反应容器、用于使反应容器的外壁至少部分接触流动性热介质的热介质容器以及用于驱动流动性热介质与反应液发生热交换的热介质驱动器；热交换法包括：首先获得多个具有不同温度的流动性热介质，然后在一个反应周期内使多个不同温度的流动性热介质顺次与反应液发生热交换，最后依次进行多个反应周期直至反应结束。本发明节省了频繁的升降温过程，缩短了整体反应时间，同时对反应容器的形状没有要求，并且在大型设备的内部也能进行反应，具有很好的应用前景。

因此，本发明至少具有以下几个优点：

第一、本发明的热介质流动型热交换系统通过预先加热好的流动性介质的持续流动直接与反应容器内的反应液进行热交换，使得反应液的温度能够快速与流动性介质的温度保持一致，从而节省了频繁的升温或降温过程，大大缩短了PCR的整体反应时间，极大地提升了PCR反应的效率。

第二、本发明的热介质流动型热交换系统采用流动性较好的热介质来与反应容器内的反应液进行热交换，而并不采用半导体等不可流动的材料来加热反应容器。因为流动性热介质的流动性较好，与任何形状的反应容器外壁的接触性良好，对反应容器的形状适应性较好，所以本发明能够采用任何形状的反应容器。

第三、因为本发明的热介质流动型热交换系统对反应容器的形状没有要求，所以反应容器能设置在复杂或大型设备的内部，甚至是其内部较为狭窄的空间内，只要有热介质通路与外界相通即可，从而能够保证反应在复杂或大型设备内部也能顺利进行，这极大地扩展了反应进行的环境，特别是适用于即时检验(point‐of‐care testing，POCT)领域。

第四、本发明的热介质流动型热交换系统采用流动性的热介质来加热反应容器，因此，流动性好的热介质能够很好地包裹反应容器的壁，从而能够实现与反应容器的均匀热交换，使得该反应容器实现均匀升温或均匀降温，避免了现有技术中反应容器需要与半导体的金属孔紧密贴合才能实现均匀热交换的缺陷。

第五、本发明的反应容器部分或全部置于热介质容器内，在反应时部分或全部被热介质容器内的流动性热介质包围。热介质容器本身既能够起到支撑反应容器和允许热介质流经该反应容器外壁的作用，又能够起到保护其内的反应容器的作用，从而避免反应容器的壁在外力的作用下破碎，因此，反应容器的壁可以非常薄，甚至整体上呈现扁平状，这能够使得其内的反应液的液层很薄，从而更有利于热交换。

第六、本发明的反应容器既可以与热介质容器可拆卸连接，又可以与其整合在一起并且整体作为耗材使用。因为后者的反应容器能与热介质容器一起被替换，每次反应均能采用新的反应容器和热介质容器，所以能够降低前一次反应的残留热介质对后一次反应的热交换的影响。另外，PCR扩增需要对样本先进行核酸提取，然后再进行扩增，将反应容器与热介质容器集成为一个耗材盒子，能够实现核酸提取和扩增同位置进行，避免了转移反应液所带来的不便和反应液损失等问题。

第七、本发明对热介质的温控先于反应液的热交换完成，解决了热介质比热大小对升降温时间以及热交换到达平衡时间的影响相反的矛盾，因此，对热介质的种类和比热大小并没有特别的限制，只要是具有一定流动性的热介质均可使用。

以下结合实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种热介质循环利用的热介质流动PCR的方法：

(1)、将PCR反应液加入0.2ml反应容器21中，并将此反应容器插入热介质容器22中。

(2)、在热介质控制装置24中的三个空间中分别把热介质23加热至95℃、50℃、70℃。

(3)、热介质控制装置24使95℃的热介质23流经热介质容器22，被热介质驱动装置25回收到相应空间，并加热到95℃。由于反应容器21浸泡于热介质溶液中，很快因为热交换达到95℃，完成核酸变性过程。

(4)、热介质控制装置24使50℃的热介质23流经热介质容器22，被热介质驱动装置25回收到相应空间，并加热到50℃。由于反应容器21浸泡于热介质溶液中，很快因为热交换达到50℃，完成核酸复性过程。

(5)、热介质控制装置24使70℃的热介质23流经热介质容器22，被热介质驱动装置25回收到相应空间，并加热到70℃。由于反应容器21浸泡于热介质溶液中，很快因为热交换达到70℃，完成核酸扩增过程。

(6)、返复重复步骤(3)、(4)、(5)40次，最终完成PCR过程。

(7)、当热介质控制装置24中的热介质23流完后，热介质驱动装置25中回收的热介质反向驱动，可循环利用热介质。

本实施例相对于半导体加热型PCR的优点：

(1)、反应过程不需要加热以及制冷的时间，可以大幅减少时间。

(2)、加热不同温度的热介质与热交换同步或先期完成，解决了物质比热对升降温时间以及热交换达平衡时间影响相反的矛盾，可以自由选择热介质。

(3)、半导体加热需要反应容器大小和形状与半导体一样，才能紧密接触，以利于热转递，因此只能使用标准规格的反应容器。而本实施使用液体热介质，对不同形状和大小的反应容器都能密切接触，通用性高。

实施例二

本实施例提供了一种可集成的快速PCR设备，其实施方式如下：

(1)、一个或多个反应容器与热介质容器连为一体。PCR反应液在反应容器中形成1mm厚的薄液层，反应容器位于内空间5mm厚、10mm高、70mm长的热介质容器中，热介质容器两端开口，成为热介质通路。

(2)、在热介质控制装置中的三个空间中分别把热介质(空气)加热至95℃、60℃。

(3)、95℃、60℃的热介质(空气)按要求从热介质容器的一端进入，另一端排出。

(4)、重复步骤(3)40次完成PCR过程。

本实施例相对于半导体加热型PCR的优点：

(1)、速度快。一方面反应过程不需要半导体加热以及制冷的时间，可以减少15分钟以上的时间；另一方面可使用薄液层，达到热平衡的时间少。因此半导体加热需要1.5小时完成的扩增，可以在10分钟内完成。

(2)、反应容器和热介质容器可以集成在盒子内部，只要有通路与外界相通即可。而传统加热方法反应容器必需在表面。PCR扩增需要对样本先进行核酸提取，然后再进行扩增，要实现全自动，需要把提取和扩增集成为一个耗材盒子，使用本方法对于盒子的集成更灵活。

(3)、虽然使用了薄壁反应容器，但因为位于与热介质容器中，并接为一体，热介质容器成了反应容器的外壳，反应容器不易损坏。

实施例三

本实施例提供了一种热介质流动型热交换系统。如图2所示，本实施例的热介质流动型热交换系统1包括：温控装置2、反应容器3、热介质容器4、热介质驱动器(图中未显示)、热介质通道5。

其中，温控装置2用于获得多个具有不同温度的流动性热介质。例如，针对PCR反应而言，可以提供三种不同温度的流动性热介质，如95℃、50℃和70℃。也可以提供两种不同温度的流动性热介质，如95℃和65℃。当然，流动性热介质的数目也不限于两个或三个，也可以更多，这需根据反应的具体类型设定。所提供的温度也不限于上述温度，仍然根据反应的具体类型和流动性热介质的种类而定，例如，可以提供‐80℃至200℃之间的多个温度。流动性介质的具体种类并没有特别的限制，只要是具有一定流动性和导热性的气体或液体均可以，例如，可以为气体或液体。气体例如空气或氮气等液体例如水或导热油等。因此，本发明的热介质流动型热交换系统并不限于PCR反应，只要是需要热交换的反应均适用。

温控装置2内可以设有多个控温腔(图中未显示)，每个控温腔单独控制其内的流动性热介质的温度。这些控温腔互不连通。例如，对于需要有三种温度的PCR反应而言，可以设置三个控温腔。第一控温腔装载第一热介质，其内温度维持在95℃，故可以直接提供温度为95℃的第一热介质。第二控温腔装载第二热介质，其内温度维持在50℃，故可以直接提供温度为50℃的第二热介质。第三控温腔装载第三热介质，其内温度维持在70℃，故可以直接提供温度为70℃的第三热介质。这三种热介质可以相同，也可以不同。

反应容器3用于储存反应液。对于PCR反应而言，反应容器3储存了配制好的PCR反应液。反应容器3全部或部分置于热介质容器4内。

热介质容器4为中空的容器，其通过中空的热介质通道5与温控装置2的多个控温腔相连通，用于暂时存储特定温度的流动性热介质，例如，其允许反应容器3部分或全部接触流经的流动性热介质。图2中的箭头表示热介质的流动方向。热介质从温控装置2的控温腔内流出，经由热介质通道5进入热介质容器4，然后从热介质容器4的出口排出。流经反应容器3并且与其接触的热介质能够与该反应容器3进行热交换，使其内的反应液的温度升高或降低，直至与热介质的温度相同，此时热交换过程暂时终止，反应液内发生特定的与某个温度相对应的反应。

热介质驱动器用于驱动多个具有不同温度的流动性热介质按照程序的设定依次流出温控装置2，并通过热介质通道5进入热介质容器4内。程序的设定是根据反应的类型来确定的，不同的反应类型需要有不同的温度，因此会有不同的程序的设定。以需要三种温度的PCR反应为例进行说明。该种扩增反应需要有三种温度(如95℃、50℃和70℃)以及40个循环(即40个反应周期)，因此，在其中一个循环内，热介质驱动器会首先仅驱动95℃的热介质进入热介质容器4，待反应液的温度达到95℃并且变性反应完成后停止驱动该温度的热介质；然后仅驱动50℃的热介质进入热介质容器4，待反应液的温度达到50℃并且复性反应完成后停止驱动该温度的热介质；最后仅驱动70℃的热介质接着进入热介质容器4，待反应液的温度达到70℃并且延伸反应完成后停止驱动该温度的热介质，接着重复进行下一个循环，直至反应液内的所有反应均结束。

与现有技术相比，本实施例的热介质流动型热交换系统具有以下几个优点：

第一、本实施例的热介质流动型热交换系统并不需要频繁的升温和降温过程，而是通过多个预先加热好的流动性介质的持续流动分别与反应容器内的反应液进行热交换，使得反应液的温度能够快速与所流经的流动性介质的温度保持一致，从而节省了频繁的升温或降温过程，大大缩短了PCR的整体反应时间。实验结果显示，本发明的热介质流动型热交换系统在进行PCR反应的总时间为十几分钟，相对于现有技术的1至2个小时而言有了大幅度地缩短，故极大地提升了PCR反应的效率。

第二、本实施例的热介质流动型热交换系统并不采用半导体来加热反应容器，因此，对反应容器的形状和规格并没有要求，不需要反应容器必须为圆锥型或立方体型。实际上，因为流动性热介质的流动性较好，对反应容器的形状适应性较好，所以任何形状的反应容器均适用。另一方面，因为本实施例的热介质流动型热交换系统对反应容器的形状没有要求，所以反应容器能设置在复杂或大型设备的内部，从而极大地扩展了反应进行的环境，特别是适用于即时检验(point‐of‐care testing，POCT)领域。

第三、本实施例的热介质流动型热交换系统采用流动性的热介质来加热反应容器，因此，流动性好的热介质能够很好地包裹反应容器的壁，从而能够实现与反应容器的均匀热交换，使得该反应容器实现均匀升温或均匀降温，避免了现有技术中反应容器需要与半导体的金属孔紧密贴合才能实现均匀热交换的缺陷。

实施例四

本实施例提供了一种适用于热介质流动型热交换系统的热介质流动型热交换方法，其包括如下步骤：

(1)、预先获得多个具有不同温度的流动性热介质；

(2)、在一个反应周期内使多个具有不同温度的流动性热介质顺次与反应液发生热交换，当前一次热交换完成并且在该温度下反应液中反应进行完毕后进行下一次热交换，以此类推；

(3)、依次进行多个反应周期，直至反应液内的反应整体结束。

其中，在步骤(1)中，利用温控装置来获得多个具有不同温度的流动性介质。多个具有不同温度的流动性介质分别储存在温控装置的相对应的控温腔内并且分别被控温至特定的温度。

在步骤(2)中，热交换完成指的是：当其中一次热交换开始后，若流动性热介质的温度等于反应液的温度，则视为该次热交换完成。在该温度下反应液中反应进行完毕指的是：能够在该温度下发生的反应进行完毕。至于在某个温度下反应液发生什么反应并且该温度下发生的反应什么时候进行完毕可以根据具体反应的类型来确定。

在步骤(3)中，反应液内的反应整体结束是根据具体实验需要来判定的。如果仅需要n个循环，则在执行n个循环后判定反应液内的反应结束(n≥40)。以此类推。

以下以PCR实验为例对实施例2的方法进行具体的说明，其包括如下步骤：

(1)、将PCR反应液加入0.2ml反应容器3中，并将此反应容器3插入热介质容器4中。

(2)、在温控装置2的三个控温腔内分别填充相同或不同的流动性热介质，每个控温腔单独控制其内的流动性热介质的温度，即第一控温腔将其内的热介质加热到95℃，第二控温腔将其内的热介质加热到50℃，第三控温腔将其内的热介质加热到70℃。

(3)、在第一个循环进行过程中，热介质驱动器首先仅驱动95℃的第一热介质经由热介质通道5进入热介质容器4内，使反应容器3浸入第一热介质中，反应容器3内的反应液迅速与第一热介质发生热交换并且升温至95℃。待95℃时应发生的变性反应进行完毕后，热介质驱动器停止驱动95℃的第一热介质并且接着仅驱动50℃的第二热介质经由热介质通道5进入热介质容器4内，使反应容器3浸入第二热介质中，反应容器3内的反应液迅速与第二热介质发生热交换并且降温至50℃。待50℃时应发生的复性反应进行完毕后，热介质驱动器停止驱动50℃的第二热介质并且接着仅驱动70℃的第三热介质经由热介质通道5进入热介质容器4内，使反应容器3浸入第三热介质中，反应容器3内的反应液迅速与第三热介质发生热交换并且升温至70℃，待延伸反应完成后重复进行下一个循环，直至所有的循环进行完毕，视为反应液内的所有反应均结束。此时，取出反应液进行下一步的检测。

实施例五

实施例三提供了一个温控装置，该温控装置之内含有多个温控腔。然而，也可以同时设置多个温控装置。以PCR实验为例，如图3所示，本实施例的热介质流动型热交换系统9含有三个温控装置6，每个温控装置仅含有一个温控腔(图中未显示)，不同的温控腔填充有相同或不同的流动性热介质。每个温控腔均通过单独的热介质通道7与热介质容器8相连。本实施例的热介质流动型热交换系统9还含有三个独立的热介质驱动器(图中未显示)，这三个热介质驱动器分别与三个温控装置6相连，驱动三个温控腔内的热介质分别通过各自的热介质通道7进入热介质容器8内。这三个热介质通道7不同时打开，因此确保每一步反应时仅一种温度的热介质流入热介质容器8内，从而避免不同温度的热介质相互之间发生的干扰现象。

实施例六

实施例三的热介质流动型热交换系统的热介质用完之后直接排放，然而，还可以对热介质进行回收并循环利用。以PCR实验为例，如图4所示，本实施例的热介质流动型热交换系统10包括两个结构相同的温控装置11，这两个温控装置11分别通过各自的热介质通道12与热介质容器13相连通，从而温控装置11、热介质通道12和热介质容器成串联连通关系。其中，一个温控装置内某温度的热介质流经热介质容器并且进一步流入至另外一个温控装置内相对应的控温腔内，由该温控装置控温至相同的温度，在下一个循环时沿着反方向流动，或者当一个温控装置内的热介质完全排出后，再由对应的另一个温控装置反向输出热介质。由此，便实现热介质在两个串联设置的温控装置之间的循环流动，从而避免热介质的浪费。另外，因为热介质是在封闭空间内流动的，并不与空气和反应液相接触，所以既不会挥发至空气中，避免对空气的污染，同时也不会污染反应液。

实施例七

实施例三的热介质流动型热交换系统的反应容器为圆锥形的，然而，由于热介质的流动性较好，能够与反应容器的壁紧密贴合，因此，本发明的反应容器的形状可以为任意规则或不规则的形状。如图5所示，本实施例的热介质流动型热交换系统14的热介质容器13为长条形中空管道，将两个温控装置16串联连通，使得热介质在两个温控装置16和热介质容器13之间形成循环的封闭回路。热介质容器13上分布着多个呈扁平状的反应容器15。

发明人在研发中发现：热介质与反应液的热交换需要通过反应容器的管壁进行。如果反应容器内的反应液的液层越薄，那么热交换效率就越高，但是液层越薄必然会带来反应容器的形状越扁平，由此带来反应容器的壁越薄。而反应容器的壁越薄，虽然热交换效率提高了，但是却容易损坏，特别是将反应容器插入半导体的金属孔时就更容易损坏。本实施例的反应容器15虽然呈扁平状，但是其是部分置于热介质容器13内的。热介质容器13本身既能够起到支撑反应容器15和允许热介质流经该反应容器15的作用，又能够起到保护其内的反应容器15的作用，从而避免反应容器15的壁在外力的作用下破碎，因此，反应容器15的壁可以非常薄，整体上呈现扁平状，使其内的反应液的液层很薄，从而更有利于热交换。

图5中的反应液在反应容器中可以形成1mm厚的薄液层，热介质容器的内空间的厚度为5mm、高度为10mm、长度为70mm。

本实施例的反应过程采用热介质直接加热，不需要半导体的升温和降温的过程，可减少15分钟以上的时间。另外，本发明采用薄液层，能够提高热交换的效率，缩短达到热平衡的时间段，因此，采用半导体加热需要1.5小时左右完成的扩增实验在本实施例中仅需要10分钟左右即可完成。

本实施例中的反应容器15有多个，然而，在其它实施例中，反应容器也可以仅为一个。

本实施例中的反应容器15和热介质容器13是可拆卸连接的，在反应进行之前将注入了反应液的反应容器15置于热介质容器13的对应孔内即可。然而，在其它实施例中，反应容器15和热介质容器13也可以固定连接在一起作为耗材，整体替换使用。

实施例八

实施例三提供了一种呈立方体型的温控装置2，实际上，温控装置也可以为其它形状。如图6所示，本实施例提供了一种呈圆柱型的温控装置16，该温控装置16内含有三个控温腔17，其内填充有相同或不同的热介质。每个控温腔17将其内的热介质控温至相应的温度。三个控温腔17分别通过独立的管道19与四通阀18相连，四通阀18与管道20相连，管道20与热介质容器(图中未显示)相连。四通阀18每次只允许其中一根管道19内的热介质流入管道20。当四通阀18打开其中的一根管道19时，与该根管道19相连的控温腔17内的热介质在重力的作用下通过四通阀18流入管道20，继而流入热介质容器，从而与反应容器内的反应液进行热交换。四通阀18的打开和关闭可以手动进行，也可以根据预先设定的开闭程序自动执行。可选地，本实施例中的温控装置16的管道20的一端连接四通阀18，其另一端可以连接实施例5提供的热介质容器13。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热介质流动型PCR扩增的方法，其特征在于：通过不同温度的热介质流动实现温度控制，从而进行PCR扩增，其包括如下步骤：

a)加有PCR反应溶液的反应容器插入或连接在一个供热介质流经的中空热介质容器中，使反应容器能接触或浸泡于热介质；

b)让预加热或降温到不同温度的热介质流过热介质容器，导致接触热介质的反应容器温度发生变化，从而在反应容器完成PCR扩增。

2.一种热介质流动型PCR反应系统，其特征在于：其包括：

反应容器，储存PCR反应溶液并进行PCR反应；

热介质容器，使所述反应容器的外壁至少部分接触流动性热介质；

热介质控制装置，同时产生不同温度的热介质；

热介质驱动装置，控制不同温度的热介质按要求流经热介质容器。

3.根据权利要求2所述的热介质流动型PCR反应系统，其特征在于：热介质容器为能可拆卸插入或固定连接反应容器，并有热介质流动通路的中空容器；和/或，

热介质是能流动的液体或气体；和/或，

热介质温度的升降过程不在热介质容器中进行；和/或，

所述热介质驱动装置采用重力驱动。

4.一种用于PCR反应的热介质流动型热交换法，其特征在于：其包括如下步骤：

(1)、获得多个具有不同温度的流动性热介质；

(2)、在一个反应周期内使所述多个具有不同温度的流动性热介质顺次与反应液发生热交换，每次热交换后反应一段时间；

(3)、依次进行多个所述反应周期，直至所述反应液内的反应结束；

步骤(2)中的反应液为PCR反应液。

5.一种热介质流动型热交换系统，其特征在于：其包括：

温控装置，获得多个具有不同温度的流动性热介质；

反应容器，储存反应液；

热介质容器，使所述反应容器的外壁至少部分接触所述流动性热介质；

热介质驱动器，驱动所述多个具有不同温度的流动性热介质在不同的反应周期内顺次与所述反应容器中的反应液发生热交换，每次热交换后反应一段时间，直至所述反应液内的反应结束；

其中，所述反应液为PCR反应液。

6.根据权利要求5所述的热介质流动型热交换装置，其特征在于：所述温控装置包括多个温控器，所述多个温控器分别将与其一一对应的流动性热介质维持在相应的温度。

7.根据权利要求5所述的热介质流动型热交换装置，其特征在于：所述流动性介质为气体或液体。

8.根据权利要求5所述的热介质流动型热交换装置，其特征在于：所述热介质流动型热交换系统包括：至少一个热介质通道，将所述多个具有不同温度的流动性热介质顺次输送至所述热介质容器内。

9.根据权利要求5所述的热介质流动型热交换装置，其特征在于：所述反应容器与所述热介质容器可拆卸连接或者连接为一体。

10.根据权利要求5所述的热介质流动型热交换装置，其特征在于：所述反应容器与所述热介质容器连接为一体并整体替换。