CN108883417A - 即时核酸扩增及检测 - Google Patents

即时核酸扩增及检测 Download PDF

Info

Publication number
CN108883417A
CN108883417A CN201780017112.XA CN201780017112A CN108883417A CN 108883417 A CN108883417 A CN 108883417A CN 201780017112 A CN201780017112 A CN 201780017112A CN 108883417 A CN108883417 A CN 108883417A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
heat
temperature
pcr
primer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201780017112.XA
Other languages
English (en)
Inventor
克鲁塔斯·特里维迪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TECHNOLOGY Co
Original Assignee
TECHNOLOGY Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TECHNOLOGY Co filed Critical TECHNOLOGY Co
Publication of CN108883417A publication Critical patent/CN108883417A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6844—Nucleic acid amplification reactions
    • C12Q1/686—Polymerase chain reaction [PCR]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/508—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes rigid containers not provided for above
    • B01L3/5085—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes rigid containers not provided for above for multiple samples, e.g. microtitration plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L7/00—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices
    • B01L7/52—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/6452—Individual samples arranged in a regular 2D-array, e.g. multiwell plates
    • G01N21/6454—Individual samples arranged in a regular 2D-array, e.g. multiwell plates using an integrated detector array
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6486—Measuring fluorescence of biological material, e.g. DNA, RNA, cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/14—Process control and prevention of errors
    • B01L2200/143—Quality control, feedback systems
    • B01L2200/147—Employing temperature sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/18—Means for temperature control
    • B01L2300/1805—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks
    • B01L2300/1816—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks using induction heating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/18—Means for temperature control
    • B01L2300/1805—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks
    • B01L2300/1827—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks using resistive heater
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/18—Means for temperature control
    • B01L2300/1861—Means for temperature control using radiation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/062—LED's
    • G01N2201/0627—Use of several LED's for spectral resolution

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

公开了用于扩增和检测分析物(包括寡核苷酸靶标)的装置。该装置可用于即时核酸检验。还公开了利用该装置的方法和分析。

Description

即时核酸扩增及检测
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年1月20日提交的美国临时申请第62/281,124号以及于2016年2月3日提交的美国临时申请第62/290,646号的优先权，在此明确地将其公开内容通过引用整体并入。
发明领域
本申请涉及用于扩增和/或检测分析物的方法、分析和装置。具体地，本文公开了用于扩增和/或检测寡核苷酸靶标的方法、分析和装置。还公开了用于检测经捕获的分析物与表面相连的纳米颗粒的方法、分析和装置。
发明背景
分子实体如小分子、寡核苷酸或蛋白质的检测通常通过电化学或光学技术来完成，如能够进行氧化还原反应的方法、酶联免疫分析(ELISA)、侧向流动分析(LFA)或聚合酶链式反应(PCR)。尽管现代电化学传感器(如血糖试纸)的结构简单且外形紧凑，但是mM至μM范围的灵敏度和较差的选择性限制了多种生物标志物的检测。另一方面，具有皮摩尔至纳摩尔范围的灵敏度的ELISA分析使得能够检测大多数生物标志物。但是，这些技术通常很复杂，并且需要由训练有素的人员进行多个步骤。此外，进行这些分析的设备通常设计用于实验室使用，使得将这些检测技术适应于即时(point-of-care，POC)应用不切实际。此外，核酸测试的广泛使用受与当前主流核酸测试技术相关的复杂性、高成本和长周转时间的限制。PCR热循环设备通常体积庞大且功率需求高，而复杂的过程需要多个耗时步骤，导致得到结果的时间延伸。因此，利用PCR的核酸测试限于集中的实验室设施，其中由训练有素的人员进行测试。可以实地或在低资源配置中进行测试的POC核酸诊断测试将受益于用于PCR扩增的快速且小型化的平台技术。
LFA技术由于其简单性和低成本而非常适合某些POC应用。但是，由于大多数LFA缺乏足够的灵敏度和特异性，因此通常无法利用LFA进行需要皮摩尔至纳摩尔级定量或检测的早期检测和其它晚期诊断。
发明概述
本文公开了用于快速扩增和/或检测用于POC核酸测试的核酸的新方案和装置。本文还公开了利用纳米颗粒标签检测生物标志物或分析物的新方法、分析和装置，所述标签提高了灵敏度、特异性和/或性能和/或实现了更广泛的应用。可以利用PCR或其它诊断工具和方法进行本文公开的方法、分析和装置用于液相和固相核酸扩增和检测。以下呈现了概述以提供对本发明的一个或多个方面的基本理解。该概述不是对本发明的广泛综述，并且既不旨在确定本发明的关键或重要元素，也不旨在描绘本发明的范围。相反，本概述的主要目的是呈现本发明的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的前奏。以下呈现了简化的概述，以提供对本发明的一个或多个方面的基本理解。
在一些实施方案中，纳米颗粒分析系统包括含有测试区的分析盒。测试区被配置为分析可能含有(例如，据信含有或疑似含有)分析物的样品。测试区包括捕获区。捕获区任选地包含与分析物结合的捕获探针分子。如果存在分析物，则分析物与捕获区结合(例如，如果存在，则结合与分析物结合的捕获探针分子)。如果存在分析物，则与结合分析物的捕获探针分子缀合的纳米颗粒与分析物结合，或者任选地与分析物结合的另一分子，其与捕获区结合。纳米颗粒的结合分析物的捕获探针分子任选地与样品中的其它分析物结合，并且可以任选地被与其它分析物结合的结合分析物的捕获探针分子封盖。例如，由于图案结构，捕获区可以任选地具有非平坦的表面。辐射源可以激发纳米颗粒以产生可测量的响应。检测器可以检测纳米颗粒对来自辐射源的辐射的响应。捕获区可以不含或基本上不含未结合的纳米颗粒和/或样品流体。盒任选地在捕获区之下包括多层和/或装置，例如反射层、部分反射层(例如反射来自源的辐射但是透射来自纳米颗粒的辐射)、温度敏感装置、红外敏感装置、辐射热测定器和/或类似装置及其多种可选结构(例如绝热层、电绝缘层、反射层、诸如通孔和井的隔离结构、支撑结构以及层等)。
在一些实施方案中，纳米颗粒分析系统包括可能含有(例如据信含有或疑似含有)一种或多种目标分析物的样品、含有测试区的分析盒(包括无孔和/或非膜表面)、含有一个或多个捕获区的测试区、捕获区表面和测试区内的结合分析物的捕获探针分子、与结合分析物的捕获探针分子缀合的纳米颗粒、辐射激发纳米颗粒以产生可测量的响应的辐射源、紫外线、可见的和/或热辐射检测器以及上述特征的任何子组合。
测试区可以包括无孔和/或非膜表面，其包含聚合物、环氧树脂、塑料、半导体、氧化物、金属和/或它们的任意组合。测试区的表面可以包被反射材料(例如银、铝)和/或设计为特异性反射入射能量的介质镜堆叠，其可以包被薄的电介质层。测试区的表面可以包括三维图案化结构，其包含聚合物、环氧树脂、塑料、半导体、氧化物、金属和/或它们的任意组合。结合分析物的捕获探针分子可以通过接头分子与测试区的表面偶联。接头分子可以包含一种或多种化学分子和/或功能性硅烷，其中分子的一个末端或分子链与测试区的表面结合，并且其中分子的另一个末端或分子链包含能够与捕获探针分子结合的官能团。分析盒在测试区内可以包括多个捕获区。多个捕获区可以包被相同或不同的捕获探针。纳米颗粒可以包含一层或多层金、银、碳、铂、聚合物、塑料、氧化物、铁和/或它们的任意组合。纳米颗粒的几何形状可以包括球体、圆柱体、棒状、核-壳状颗粒、海胆状、星形、盘状、立方体、卟啉体(porphysome)和/或它们的任意组合。可以通过接头分子将结合分析物的捕获探针分子偶联到纳米颗粒的表面。接头分子可以包含一种或多种化学分子和/或功能性硅烷，其中分子的一个末端或分子链与纳米颗粒的表面结合，并且分子的另一个末端或分子链包含能够结合与分析物结合的捕获探针分子的官能团。捕获探针分子可以包括化学分子、抗体、酶、蛋白质、寡核苷酸、单链DNA、双链DNA、适配体、DNA酶、适体酶(aptazyme)、能够结合样品中的靶标分析物的合成分子和/或它们的任意组合。目标分析物抗原包括寡核苷酸、蛋白质、抗体、化学分子和/或它们的任意组合。辐射源可以包括二极管激光器、DPSS激光器、光纤耦合激光器、发光二极管和/或它们的任意组合。辐射检测器可以包括CMOS或CCD装置、光电二极管、红外摄相机模块、红外敏感半导体芯片或电路和/或它们的任意组合。
在一些实施方案中，利用本文所述的纳米颗粒分析系统和/或另一纳米颗粒分析系统进行纳米颗粒分析的方法包括：将缓冲液和/或类似溶液分配进测试区，在与任何样品溶液接触之前将测试区暴露于辐射源，用热辐射检测器测量基准读数，将包含目标分析物的样品分配进测试区，其中将样品通过外部压力推向测试区和/或通过移液进行操纵，允许样品与测试区反应，持续配置时间，以使呈现的目标分析物与测试区结合，将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次，将含有与结合分析物的捕获探针分子缀合的纳米颗粒的溶液分配进测试区并允许反应持续预设时间，将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次，将测试区暴露于所述辐射，持续预设时间，用热辐射检测器检测测试区发射的红外线辐射，通过分析检测到的热辐射信号计算并报告分析物的浓度，以及上述特征的任何子组合。
可以在不将测试区暴露于辐射源的情况下进行基准读数的测量。在将测试区暴露于含有与结合分析物的捕获探针分子缀合的纳米颗粒的溶液之前，可以不洗涤测试区。在将测试区暴露于辐射并检测热辐射信号之前，可以不洗涤测试区。该方法还可以包括在将测试区暴露于入射能量并测量热响应之前，移除测试区的大部分流体。
在一些实施方案中，利用本文所述的纳米颗粒分析系统和/或另一纳米颗粒分析系统进行纳米颗粒分析的方法包括：将缓冲液和/或类似溶液分配进测试区，在与任何样品溶液接触之前将测试区暴露于辐射源，用热辐射检测器测量基准读数，将含有目标分析物的样品与含有与结合分析物的捕获探针分子缀合的纳米颗粒的溶液混合预设时间，将含有纳米颗粒/分析物复合物的溶液分配进测试区，其中将样品通过外部压力推向测试区和/或通过移液进行操作，允许溶液与测试区反应，持续配置时间，以使纳米颗粒/分析物复合物与捕获区表面结合，将测试区用缓冲液或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次，将测试区暴露于辐射，持续预设时间，用热辐射检测器检测测试区发射的红外线辐射，通过分析检测到的热辐射信号计算并报告分析物的浓度；以及上述特征的任何子组合。
可以在不将测试区暴露于辐射源的情况下测量基准读数。在将测试区暴露于辐射并检测热辐射信号之前，可以不洗涤测试区。该方法还可以包括在将测试区暴露于入射能量并测量热响应之前，移除测试区的大部分流体。
在一些实施方案中，利用本文所述的纳米颗粒分析系统和/或另一纳米颗粒分析系统进行纳米颗粒分析的方法包括：将缓冲液和/或类似溶液分配进测试区，在与任何样品溶液接触之前将测试区暴露于辐射源，用热辐射探测器测量基准读数，将样品与捕获探针分子混合，其中捕获探针分子可以是用于捕获单一目标分析物的单一类型或者用于捕获多种分析物的不同类型，将含有与靶标分析物结合的捕获探针分子的溶液分配进测试区，允许溶液与测试区反应预设时间，这导致捕获探针/分析物复合物与捕获区表面的捕获探针分子结合，将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次，提供用捕获探针分子修饰的纳米颗粒，其与附着于测试区表面的分析物的所有捕获探针结合，甚至与附着于不同分析物的不同捕获探针结合，将含有纳米颗粒/探针复合物的溶液分配进测试区，允许溶液与暴露于测试区表面的捕获探针反应，持续配置时间，以使纳米颗粒与表面的捕获探针结合，将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次，将测试区暴露于入射辐射，持续预设时间，用热辐射检测器检测测试区发射的红外线辐射，通过分析检测到的热辐射信号计算并报告分析物的浓度，以及上述特征的任何子组合。
可以在不将测试区暴露于辐射源的情况下测量基准读数。在将含有纳米颗粒/探针复合物的溶液分配进测试区之前，可以不洗涤测试区。在将测试区暴露于辐射并检测热辐射信号之前，可以不洗涤测试区。该方法还可以包括在将测试区暴露于入射能量并测量热响应之前，移除测试区的大部分流体。
在一些实施方案中，利用本文所述的纳米颗粒分析系统和/或另一纳米颗粒分析系统进行纳米颗粒分析的方法包括：将缓冲液和/或类似溶液分配进测试区，在与任何样品溶液接触之前将测试区暴露于辐射源，用热辐射检测器测量基准读数，使双链扩增DNA变性(其中DNA是扩增过程的产物)以将DNA分成两组单链DNA，用A1和A2表示，允许序列A1的一组链结合与序列A1部分或完全互补的单链DNA缀合的表面，提供具有与单链DNA捕获探针缀合的表面的测试区，其中序列与A2部分互补，将剩余的分离的单链DNA(序列A2)分配进测试区并允许其与测试区的表面的捕获探针杂交，将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次，提供与单链DNA捕获探针(序列与A2部分互补)缀合的纳米颗粒，将含有纳米颗粒/捕获探针复合物的溶液分配进测试区并允许与暴露于测试区表面的部分杂交的链(序列A2)杂交，将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次，将测试区暴露于入射辐射，持续预设时间，用热辐射检测器检测测试区发射的红外线辐射，通过分析检测到的热辐射信号计算并报告任何杂交DNA的浓度和/或存在；以及上述特征的任何子组合。
可以在不将测试区暴露于辐射源的情况下测量基准读数。在将含有纳米颗粒/探针复合物的溶液分配进测试区之前，可以不洗涤测试区。在将测试区暴露于辐射并检测热辐射信号之前，可以不洗涤测试区。该方法还可以包括在将测试区暴露于入射能量并测量热响应之前，移除测试区的大部分流体。
在一些实施方案中，利用本文所述的纳米颗粒分析系统和/或另一纳米颗粒分析系统进行纳米颗粒分析的方法包括：将缓冲液和/或类似溶液分配进测试区，在与任何样品溶液接触之前，将测试区暴露于辐射源，用热辐射检测器测量基准读数，提供与单链DNA(序列B1)缀合的纳米颗粒，提供具有与单链DNA捕获探针(其中序列与序列B1部分或完全互补)缀合的表面的测试区，将含有纳米颗粒/DNA复合物的溶液分配进测试区并允许与暴露于测试区表面的单链DNA杂交，将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次，将测试区暴露于入射辐射，持续预设时间，用热辐射检测器检测测试区发射的红外线辐射，通过分析检测到的热辐射信号计算并报告任何杂交DNA的浓度和/或存在；以及上述特征的任何子组合。
可以在不将测试区暴露于辐射源的情况下测量基准读数。在将测试区暴露于辐射并检测热辐射信号之前，可以不洗涤测试区。在将测试区暴露于入射能量并测量热响应之前，可以移除测试区的大部分流体。
在一些实施例中，如本文的方法或其它方法中所述的测量信号的方法可以包括：将测试区暴露于入射辐射，以一定的频率周期性地切换打开和关闭，用热探测器检测测试区发射的红外线辐射，记录并测量探测到的红外线辐射的导数，以确定发射的热辐射相对于入射辐射的反复频率(toggle frequency)的变化率，将发射的热辐射的变化率与结合的纳米颗粒和分析物的浓度相关联，以及上述特征的任何子组合。
在一些实施例中，计算并报告分析物浓度的方法包括：从基准读数中减去检测到的热辐射信号以产生结果，将结果与存储在存储器中的预先确定的校准值进行比较，将检测到的热辐射信号的振幅、最大值和/或平均值与结合的纳米颗粒和分析物的浓度相关联，以及上述特征的任何子组合。
在一些实施方案中，计算并报告分析物浓度的方法包括：从基准读数中减去检测到的热辐射信号以产生结果，将结果与在校准区进行的类似测量进行比较，其中校准区具有已知量的与表面结合的纳米颗粒，将检测到的热辐射信号的振幅、最大值和/或平均值与结合的纳米颗粒和分析物的浓度相关联，以及上述特征的任何子组合。
测试区可以包含对辐射是可透过的并且不吸收入射辐射或吸收已知量的入射辐射的材料。测试区可以包含下述物质薄层：红外可透过塑料、半导体、金属氧化物、硫族化物、半导体氧化物和/或它们的任意组合。红外可透过材料的表面可以包含由聚合物、环氧树脂、塑料、半导体、氧化物、金属和/或它们的任意组合制成的一层或多层三维图案化结构。
在一些实施方案中，制造分析盒的测试区的方法包括：提供由一层或多层组成的支撑衬底，在支撑衬底中于测试区的位置处形成开口或洞，其中洞洞穿支撑衬底的整个厚度，经含有匹配的开口或洞的粘合剂衬垫向支撑衬底的表面粘附本文所述的纳米颗粒分析系统或另一纳米颗粒分析系统的测试区的材料层，沉积红外可透过材料薄层用于缀合化学物的附着，清洁并通过等离子体和/或化学方法进行表面处理，以激活表面用于化学/生物缀合，将缀合化学物附着于测试区的表面，仅选择性地将捕获探针置于测试区的表面，其直接位于支撑衬底中的孔或开口上方，以及上述特征的任何子组合。
在一些实施方案中，利用如本文所述的纳米颗粒分析系统或另一纳米颗粒分析系统的测试区测量纳米颗粒分析的辐射信号的方法包括：将检测器置于分析盒后方，以使相机从后面或与分析发生的表面相对的一侧对测试区成像，测量测试区中洞或开口位置处测试区的表面所发射的辐射，以及以上特征的任何子组合。
在一些实施方案中，利用如本文所述的纳米颗粒分析系统和/或另一纳米颗粒分析系统进行纳米颗粒分析的方法包括：提供具有如本文所述的一个或多个测试区的分析盒和/或另一分析盒，使缓冲液和/或类似溶液流动至测试区，在与任何样品溶液接触之前，将测试区暴露于辐射源并利用本文所述的方法和/或另一种方法使用辐射检测器测量测试区的可透过表面发射的光的基准读数，将含有目标分析物的样品分配进测试区，其中将样品通过外部压力推向测试区和/或通过移液进行操作，允许样品与测试区反应，持续配置时间，以使呈现的目标分析物与测试区结合，将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次，将测试区暴露于含有与结合分析物的捕获探针分子缀合的纳米颗粒的溶液，持续预设时间，将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次，将测试区暴露于入射辐射，利用本文所述的方法和/或另一种方法使用辐射检测器检测测试区的可透过表面发射的散射辐射，通过分析检测到的热辐射信号计算并报告分析物的浓度，以及上述特征的任何子组合。
在将测试区暴露于辐射并检测辐射信号之前，可以不清洗测试区。在将含有纳米颗粒复合物的溶液分配进测试区之前，可以不洗涤测试区。在将测试区暴露于辐射并检测热辐射信号之前，可以不洗涤测试区。该方法还可以包括在将测试区暴露于入射能量并测量热响应之前，移除测试区的大部分流体。
在一些实施方案中，利用本文所述的纳米颗粒分析系统和/或另一纳米颗粒分析系统进行纳米颗粒分析的方法(其中所述方法包括本文所述的方法和/或另一种方法)包括：在将测试区暴露于入射能量并测量信号之前，提供用捕获探针分子修饰的第二组纳米颗粒以附着于已附着于捕获区表面的第一组纳米颗粒上的分析物或捕获探针分子上，将含有第二组修饰的纳米颗粒的溶液分配进测试区，允许溶液与已经附着于测试区表面的第一组纳米颗粒反应，持续配置时间，以使第二组纳米颗粒与已经附着于表面的第一组纳米颗粒结合，将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次，以及上述特征的任何子组合。
在一些实施方案中，纳米颗粒分析系统包括可能含有一种或多种目标分析物的样品、包含检测区(包含至少一种电子传感器芯片)的分析盒、包含测试区(含有一个或多个捕获区并且包括至少一个传感装置)的电子传感器芯片、传感装置捕获区表面上与分析物结合的捕获探针分子、与结合分析物的捕获探针分子缀合的纳米颗粒、辐射源(其中辐射激发纳米颗粒产生可测量的响应)，以及上述特征的任何子组合。
检测区可以包括电子传感器芯片阵列。测试区可以包括传感装置阵列。通过各传感装置之间的沟槽阵列中的各传感装置在衬底层可以相互分离。可以用相同的捕获探针分子将阵列中的各传感装置功能化。可以用不同的捕获探针分子将阵列中的各传感装置功能化。可以用捕获探针分子将阵列中的传感装置组功能化，其在各组之间是不同的。传感装置可以包括一个或多个半导体装置、二极管、晶体管、电阻器、热敏电阻、电阻温度计装置、热电偶、热电堆、恒温器、辐射热测定器、微测辐射热测定器或者它们的任意组合。结合分析物的捕获探针分子可以通过接头分子与至少一种传感装置的表面偶联。接头分子可以包含一种或多种化学分子或功能性硅烷。接头分子的一个末端或分子链可以与传感装置的表面结合。接头分子的另一端或分子链可以包含能够与捕获探针分子结合的官能团。纳米颗粒可以包含一层或多层金、银、碳、铂、聚合物、塑料、氧化物、铁或者它们的任意组合。纳米颗粒的几何形状可以包括球体、圆柱体、棒状、核-壳状颗粒、海胆状、星形、盘状、立方体、卟啉体或者它们的任意组合。结合分析物的捕获探针分子可以通过接头分子与纳米颗粒的表面偶联。接头分子可包含一种或多种化学分子或功能性硅烷。接头分子的一个末端、分子链可以与纳米颗粒的表面结合。接头分子的另一端或分子链可以包含能够与结合分析物的捕获探针分子结合的官能团。捕获探针分子可以包括化学分子、抗体、酶、蛋白质、寡核苷酸、单链DNA、双链DNA、适配体、DNA酶、适体酶、能够与目标分析物结合的合成分子或者它们的任意组合。目标分析物抗原包含寡核苷酸、蛋白质、抗体、化学分子或者它们的任意组合。辐射源可以包括二极管激光器、DPSS激光器、光纤耦合激光器、发光二极管或者它们的任意组合。
在一些实施方案中，用于检测本文所述的纳米颗粒分析系统和/或另一纳米颗粒分析系统中的纳米颗粒的传感器装置包括对温度变化敏感的有源元件(active element)，有源元件上的绝热材料层(绝热材料包含一个或多个图案化开口)，有源元件上方的反射材料层(该反射材料层包含一个或多个图案化开口)，有源元件、绝热材料层和反射材料层上方的封盖材料层(该封盖材料层包括捕获区的表面)，包含用于从捕获区到有源元件的热传递的蓄热体(heat mass)的材料，以及上述特征的任何子组合。
可以将有源元件上方层中的开口对齐，以使穿过层的连续开口暴露有源元件或有源元件上方的层。热传导材料可以填充开口。封盖层可以包含与封盖层下方层中的开口对齐的开口。热传导材料可以填充封盖层中的开口。封盖层可以覆盖蓄热体。蓄热体可以包含氧化物、金属、碳纳米管、石墨烯、石墨或者它们的任意组合。
在一些实施方案中，用于检测本文所述的纳米颗粒分析系统和/或另一纳米颗粒分析系统中的纳米颗粒的传感器装置包括：对红外线辐射敏感的有源元件，有源元件上方的绝热材料层，有源元件上方的反射材料层，有源元件、绝热材料层和反射材料层上方的封盖层，封盖材料层包括捕获区的表面，以及以上特征的任何子组合。
有源元件可以包括一种或多种半导体装置、二极管、晶体管、电阻器、热敏电阻、电阻温度计装置、热电偶、热电堆、恒温器、辐射热测定器、微测辐射热测定器或者它们的任意组合。绝热材料可以包括氧化物、聚合物、聚对二甲苯、气凝胶、空气隙(air gap)或者它们的任意组合。反射层可以包含金属、氧化物、氧化物叠层、介质镜或者它们的任意组合。封盖材料可以包含氧化物、聚合物、聚对二甲苯或者它们的任意组合。
在一些实施例中，制造辐射热测定器或微辐射热测定器装置的方法，该方法包括：在衬底上形成反射层，在衬底上形成绝热层，在绝热层上形成热敏电阻层，其中形成热敏电阻层包括形成至少两个电触点，在绝热层中形成开口，在开口中形成导电通孔，将通孔与热敏电阻层的电触点电连接，在热敏电阻层上形成绝热材料层，在热敏电阻层上形成包含一种或多种材料的反射层，形成穿过绝热层和反射层的至少一个通孔，用红外反射材料或红外吸收材料填充通孔，在绝热材料层、包含一种或多种材料的反射层以及绝热层和反射层中的通孔上形成封盖材料层，封盖层包括捕获区的表面，以及上述特征的任何子组合。
因此，本发明的一些方面涉及下述实施方案：
1.用于进行一个或多个核酸扩增反应的盒，其包括：一个或多个反应区，其配置为接收用于进行涉及加热过程的所述一个或多个核酸扩增反应的试剂；和与所述一个或多个反应区热连通的产热层，其中所述产热层被配置为经光源提供的光为至少一个加热循环产生热量。
2.根据实施方案1所述的盒，其中所述产热层包含颜料、染料、着色或染色的塑料薄膜或薄片、半导体、化合物半导体、碳纳米管、富勒烯、石墨烯、氧化物、氧化石墨烯、金属氧化物、半导体氧化物、聚合物、塑料、金属、金属合金、锗、聚酰亚胺、玻璃、纳米颗粒和/或微米颗粒或者它们的组合。
3.根据实施方案1-2中任一项所述的盒，其中所述产热层包含颗粒或珠子。
4.根据实施方案1-3中任一项所述的盒，其中所述一个或多个反应区被配置为井、洞、凹槽、通道或沟槽结构的一个或多个阵列。
5.根据实施方案1-4中任一项所述的盒，其中所述盒包括含有选自下述的材料的衬底：半导体、金属、FR-4、聚合物、塑料、环氧树脂、树脂、玻璃、硅酮的材料、橡胶、径迹蚀刻膜以及它们的组合。
6.根据实施方案5所述的盒，其中所述衬底对于波长为约400纳米至约1微米或其间任何范围的光是可透过的。
7.根据实施方案5所述的盒，其中所述衬底对于波长为约5微米至约13微米或其间任何范围的光是可透过的。
8.根据实施方案5-7中任一项所述的盒，其中所述产热层和衬底结合在一起在中远红外线范围内具有约0.1至约1或其间任何范围的发射率。
9.根据实施方案5-8中任一项所述的盒，其中所述产热层和衬底结合在一起在中远红外线范围内具有约0.5至约1或其间任何范围的发射率。
10.根据实施方案5-9中任一项所述的盒，其中所述产热层和衬底结合在一起在中远红外线范围内具有约0.8至约1或其间任何范围的发射率。
11.根据实施方案1-10中任一项所述的盒，其还包括与所述产热层热连通的热传导层。
12.配置为接收实施方案1-11中任一项所述的盒的读取器，所述读取器包括：光源，其被配置为向所述产热层提供光以为所述加热过程产生热量；检测器，其被配置为检测通过所述一个或多个核酸扩增反应所产生的扩增产物；以及热传感器或电路，所述热传感器检测所述产热层发射的红外光，所述电路传送指示温度的信号，所述信号由与所述盒中的产热层热连通的基于接触的温度传感器产生。
13.根据实施方案12所述的读取器，其中所述读取器被配置为进行一个或多个加热循环。
14.根据实施方案12-13中任一项所述的读取器，其中所述光源包括发光二极管、发光二极管阵列、激光二极管、激光二极管阵列、DPSS激光器、DPSS激光器阵列、至少一种聚焦透镜、至少一种准直透镜或者它们的组合。
15.根据实施方案12-14中任一项所述的读取器，其中所述检测器被配置为检测由所述扩增产物所发射的荧光。
16.根据实施方案12-15中任一项所述的读取器，其中所述热传感器包括红外传感器。
17.根据实施方案16所述的读取器，其中所述红外传感器是电荷耦合装置(CCD)、互补金属氧化物半导体装置(CMOS)、光伏装置、光电二极管装置、光电导体装置、热电堆装置、辐射热测定器装置或者它们的组合。
18.根据实施方案12-17中任一项所述的读取器，其中所述红外光是中远红外光。
19.根据实施方案12-18中任一项所述的读取器，其中所述红外光的波长为约4至约16微米或其间任何范围。
20.根据实施方案12-19中任一项所述的读取器，其中所述红外光的波长为约8至约14微米或其间任何范围。
21.根据实施方案12-15中任一项所述的读取器，其中所述热传感器包括接触式温度传感器。
22.根据实施方案21所述的读取器，其中所述接触式温度传感器是热电偶、电阻式温度检测器、热敏电阻或者它们的组合。
23.根据实施方案21-22中任一项所述的读取器，其中所述接触式温度传感器不与正进行扩增反应的样品中的液体接触。
24.根据实施方案12-23中任一项所述的读取器，其还包括被配置为冷却所述一个或多个核酸扩增反应的冷却系统。
25.根据实施方案12-24中任一项所述的读取器，其还包括被配置为检测由所述一个或多个核酸扩增反应所产生的扩增产物的检测器。
26.根据实施方案25所述的读取器，其中所述检测器被配置为检测所述扩增产物所发射的荧光。
27.根据实施方案12-26中任一项所述的读取器，其中所述读取器是即时读取器。
28.系统，其包括实施方案1-11中任一项所述的盒和实施方案12-27中任一项所述的读取器。
29.进行包括至少一个加热循环的一个或多个核酸扩增反应的方法，所述方法包括：在一个或多个反应区接收一个或多个样品，通过照射与所述一个或多个反应区热连通的产热层产生热量，以及对所述一个或多个样品进行核酸扩增反应。
30.根据实施方案29所述的方法，还包括检测所述产热层的温度。
31.根据实施方案29-30中任一项所述的方法，其还包括检测扩增产物。
32.根据实施方案29-31中任一项所述的方法，其中通过光源照射所述产热层，所述光源包括发光二极管、发光二极管阵列、激光二极管、激光二极管阵列、DPSS激光器、DPSS激光器阵列、至少一种聚焦透镜、至少一种准直透镜或者它们的组合。
33.根据实施方案30所述的方法，其中检测所述产热层的温度包括利用红外传感器检测所述产热层发射的红外光，所述红外传感器包括电荷耦合装置(CCD)、互补金属氧化物半导体装置(CMOS)、光伏装置、光电二极管装置、光电导体装置、热电堆装置、辐射热测量器装置或者它们的组合。
34.根据实施方案30或33中任一项所述的方法，其中检测所述产热层的温度包括利用接触式温度传感器检测所述温度，所述接触式温度传感器包括热电偶、电阻温度检测器、热敏电阻或者它们的组合。
35.根据实施方案29-34中任一项所述的方法，其中所述方法包括一个或多个加热循环。
36.根据实施方案29-35中任一项所述的方法，其中所述方法包括一个或多个冷却循环。
37.用于扩增和检测核酸分子的即时系统，其包括：配置为进行核酸扩增的测试盒；配置为检测核酸扩增产物的读取器装置；以及，配置为加热进行核酸扩增过程的液体样品的能量源。
38.根据实施方案37所述的系统，其中所述能量源包括光源。
39.根据实施方案37-38中任一项所述的系统，其中所述测试盒被配置为接收所述液体样本。
40.根据实施方案37-39中任一项所述的系统，其中所述测试盒包括一个或多个反应区、衬底或产热层。
41.根据实施方案40所述的系统，其中所述一个或多个反应区被配置为井、洞、沟槽、通道或沟槽结构的一个或多个阵列。
42.根据实施方案40所述的系统，其中所述衬底被配置为用于一个或多个3D图案层、产热层、热传导层、钝化层、样品限制层、封盖层或封装层或者它们的组合的包被、沉积和/或制造的基底。
43.根据实施方案40-42中任一项所述的系统，其中所述衬底包含选自下述的材料：半导体、金属、FR-4、聚合物、塑料、环氧树脂、树脂、玻璃、硅酮、橡胶、径迹蚀刻膜以及它们的组合。
44.根据实施方案43所述的系统，其中所述衬底材料在400纳米至1微米的波长范围是至少部分可透过的。
45.根据实施方案43所述的系统，其中所述衬底材料在范围为5微米至13微米的中长红外光谱波长中是至少部分可透过的。
46.根据实施方案42所述的系统，其中将所述一个或多个3D图案层置于所述产热层下方，并将其配置为增加所述产热层的表面积和/或增加所述产热层的高度，以降低反应物必须扩散以到达产热层的长度。
47.根据实施方案42或46中任一项所述的系统，其中所述一个或多个3D图案层包含选自下述的材料：聚合物、塑料、硅酮、橡胶、玻璃、金属氧化物、半导体氧化物以及它们的组合。
48.根据实施方案42或46-47中任一项所述的系统，其中所述一个或多个3D图案层是平坦的层。
49.根据实施方案42或46-48中任一项所述的系统，其中所述一个或多个3D图案层包括图案化的和/或沉积的特征和/或结构。
50.根据实施方案49所述的系统，其中所述特征和/或结构包括柱、线、线距光栅、锥体、三角形、沟槽、球体或者它们的组合的一个或多个阵列。
51.根据实施方案49-50中任一项所述的系统，其中通过光刻、熔融沉积成型3D打印、立体平板印刷3D打印、选择性激光烧结3D打印、喷墨印刷、模塑、微阵列印刷/印迹/斑点或者它们的组合来沉积和/或制造所述特征和/或结构。
52.根据实施方案47所述的系统，其中所述一个或多个3D图案层中的材料在400纳米至1微米的波长范围是至少部分可透过的。
53.根据实施方案47所述的系统，其中所述一个或多个3D图案层中的材料在范围为5微米至13微米的中长红外光谱波长内是至少部分可透过的。
54.根据实施方案40所述的系统，其中将所述产热层置于3D图案层顶部。
55.根据实施方案40或54中任一项所述的系统，其中所述产热层是光吸收层。
56.根据实施方案55所述的系统，其中所述光吸收层被配置为吸收所述来自能量源的光能输入，并将其转化为热能。
57.根据实施方案56所述的系统，其中在光吸收层中产生的热能与来自能量源的能量输出量成比例。
58.根据实施方案55-57中任一项所述的系统，其中所述光吸收层包含选自下述的材料：颜料、染料、半导体、化合物半导体、碳纳米管、富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯、金属氧化物、半导体氧化物、聚合物、塑料、金属、金属合金以及它们的组合。
59.根据实施方案55-58中任一项所述的系统，其中所述光吸收层包含：锗、聚酰亚胺、颜料或染料或者着色或染色的塑料薄膜或薄板、由金属组成的纳米颗粒和/或微米颗粒、半导体、化合物半导体、聚合物、塑料、氧化物、玻璃或者它们的组合。
60.根据实施方案59的系统，其中用实施方案58所述的光吸收材料灌注和/或封盖所述纳米颗粒和/或微米颗粒。
61.根据实施方案40或54-60中任一项所述的系统，其中所述产热层是电阻加热器层。
62.根据实施方案61所述的系统，其中所述电阻加热器层被配置为一个或多个迹线和/或电路，以分散或吸收来自能量源的电压和/或电流能量输入，并将其转换为热能。
63.根据实施方案62所述的系统，其中在所述电阻加热器层的一个或多个迹线和/或电路中产生热能，其与所述电阻加热器层的迹线和/或电路的电阻以及自能量源流向电阻加热器层的迹线和/或电路的电流成比例。
64.根据实施方案63所述的系统，其中所述电阻加热器层的迹线和/或电路包括半导体、化合物半导体、碳纳米管、富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯、金属氧化物、半导体氧化物、金属、金属合金或者它们的任意组合。
65.根据实施方案37-64中任一项所述的系统，其中所述读取器装置被配置为接收所述测试盒。
66.根据实施方案37-65中任一项所述的系统，其中所述能量源包括发光二极管、发光二极管阵列、激光二极管、激光二极管阵列、DPSS激光器、DPSS激光器阵列、至少一种聚焦透镜、至少一种准直透镜或者它们的组合。
67.根据实施方案37-66中任一项所述的系统，还包括一种或多种热传感器。
68.根据实施方案67所述的系统，其中所述一种或多种热传感器包括一个或多个非接触式红外检测器。
69.根据实施方案68所述的系统，其中所述红外检测器是电荷耦合装置(CCD)、互补金属氧化物半导体装置(CMOS)、光伏装置、光电二极管装置、光电导体装置、热电堆装置、辐射热测定器装置或者它们的任意组合。
70.根据实施方案66-69中任一项所述的系统，其中将所述一种或多种热传感器置于所述液体样本下方或上方。
71.根据实施方案66-70中任一项所述的系统，其中所述一种或多种热传感器包括一个或多个接触式温度传感器。
72.根据实施方案71所述的系统，其中所述接触式温度传感器是热电偶、电阻温度检测器、热敏电阻或者它们的组合。
73.根据实施方案66-72中任一项所述的系统，其中将所述一种或多种热传感器置于与所述液体样本接触。
74.根据实施方案66-73中任一项所述的系统，其中将所述一种或多种热传感器置于样品限制层内并与所述液体样品接触。
75.根据实施方案66-74中任一项所述的系统，其中所述一种或多种热传感器被配置为邻近产热层的图案化的和/或制造的电阻温度装置或热敏电阻。
76.根据实施方案37-75中任一项所述的系统，其还包括热传导层。
77.根据实施方案76所述的系统，其中所述热传导层被配置为促进热量向所述液体样品的传递和/或热量自所述液体样品的传递。
78.根据实施方案76-77中任一项所述的系统，其中所述热传导层包含选自下述的材料：金属、金属合金、半导体、化合物半导体、石墨烯、碳纳米管、富勒烯、纳米颗粒、微米颗粒、金属氧化物、半导体氧化物以及它们的组合。
79.根据实施方案37-78中任一项所述的系统，其还包括钝化层。
80.根据实施方案79所述的系统，其中所述钝化层被配置为在所述液体样本和所述能量源之间形成交界部。
81.根据实施方案79-80中任一项所述的系统，其中所述钝化层包含选自下述的材料：金属氧化物、半导体氧化物、玻璃、光致抗蚀剂、塑料、聚合物、半导体、金属、金属合金以及它们的组合。
82.根据实施方案79-81中任一项所述的系统，其中所述钝化层包括表面，其中将所述钝化层的表面用化学分子、硅烷、蛋白质，核酸或者它们的组合包被或修饰。
83.根据实施方案37-82中任一项所述的系统，其还包括含有DNA的液体样品、聚合酶、DNase抑制剂、正向引物序列链、反向引物序列链、游离的未标记核苷酸、用一种或多种分子标记的游离核苷酸、水、缓冲盐、金属离子或者它们的组合。
84.根据实施方案37-82中任一项所述的系统，其还包括含有RNA或mRNA的液体样品、逆转录酶、聚合酶、RNase抑制剂、正向引物序列链、反向引物序列链、游离的未标记核苷酸、用一种或多种分子标记的游离核苷酸、水、缓冲盐、金属离子或者它们的组合。
85.根据实施方案37-84中任一项所述的系统，其还包括样品限制层，其中所述样品限制层包含井、洞、凹槽或沟槽结构。
86.根据实施方案85所述的系统，其中由下述来制造所述井、洞、凹槽或沟槽结构：金属氧化物、半导体氧化物、金属、金属合金、玻璃、塑料、聚合物、光致抗蚀剂、硅酮、橡胶或者它们的组合。
87.根据实施方案85-86中任一项所述的系统，其中将所述样品限制层用选自下述的热传导材料包被：金属、金属合金、半导体、化合物半导体、石墨烯、富勒烯、碳纳米管、纳米颗粒、微米颗粒以及它们的组合。
88.根据实施方案87所述的系统，其中将所述热传导材料用选自下述的钝化材料包被：金属氧化物、半导体氧化物、玻璃、光致抗蚀剂、塑料、聚合物、半导体、金属、金属合金以及它们的组合。
89.根据实施方案37-88中任一项所述的系统，其还包括封盖层或包封层，其中所述封盖层或包封层被配置为防止所述液体样品蒸发。
90.根据实施方案89所述的系统，其中所述封盖层或封装层包含油膜、塑料膜或玻璃膜。
91.根据实施方案37-90中任一项所述的系统，其还包括辅助加热装置，其中所述辅助加热装置是热电装置、加热块、电阻加热器、印刷电路板加热器、柔性电路加热器或者它们的组合。
92.根据实施方案37-91中任一项所述的系统，其还包括辅助冷却装置，其中所述辅助冷却装置是散热器、风扇、热电装置、珀尔帖冷却器或者它们的组合。
93.根据实施方案37-92中任一项所述的系统，其中所述系统被配置为在反应区表面处或邻近反应区表面进行PCR反应。
94.根据实施方案37-93中任一项所述的系统，其还包括反应区，其中所述反应区被配置为至少两个分开的区域，其包括被配置为进行液相PCR的一个区域和被配置为检测捕获表面上捕获的扩增产物的另一区域。
95.根据实施方案94的系统，其中用接头层修饰所述捕获表面。
96.根据实施方案95所述的系统，其中所述接头层被配置为经3’或5’末端与双链或单链DNA或RNA链结合。
97.根据实施方案95-96中任一项所述的系统，其中所述接头层包含硅烷或具有一种或多种反应性官能化学末端基团的小的化学分子。
98.根据实施方案95-97中任一项所述的系统，其中所述接头层包含与硅烷或小的化学分子结合的单链DNA或RNA。
99.根据实施方案95-98中任一项所述的系统，其中所述接头层包含一种或多种聚合物。
100.根据实施方案99所述的系统，其中所述聚合物是葡聚糖、羧甲基葡聚糖、壳聚糖、聚苯胺、PEG、PLL-PEG、PLL-g-PEG、PLA-PEG-PLL或者它们的组合的形式。
101.根据实施方案95-100中任一项所述的系统，其中所述接头层包含与聚合物结合的单链DNA或RNA。
102.根据实施方案95-101中任一项所述的系统，其中所述接头层包含微米颗粒和/或纳米颗粒。
103.根据实施方案102所述的系统，其中所述微米颗粒和/或纳米颗粒由下述组成：金属、半导体、化合物半导体、聚合物、塑料、氧化物、玻璃或者它们的组合。
104.根据实施方案102-103中任一项所述的系统，其中所述微米颗粒和/或纳米颗粒被配置为与所述接头层的硅烷和/或小的化学分子结合。
105.根据实施方案102-104中任一项的系统，其中所述微米颗粒和/或纳米颗粒包含表面，并且其中用硅烷和/或具有反应性官能化学末端基团的小的化学分子至少部分修饰所述微米颗粒和/或纳米颗粒的表面，以与接头层的硅烷和/或化学分子结合。
106.根据实施方案102-105中任一项所述的系统，其中所述微米颗粒和/或纳米颗粒被配置为与所述接头层的DNA或RNA链结合。
107.根据实施方案102-106中任一项所述的系统，其中扩增具体DNA/RNA靶标的PCR反应所需的一种或多种引物链与实施方案94-106中任一项所述的接头层化学或物理结合。
108.根据实施方案107所述的系统，其中所述一种或多种引物链包括用于具体DNA/RNA靶标的正向引物链或反向引物链。
109.根据实施方案107-108中任一项所述的系统，其中所述一种或多种引物链包含具体DNA/RNA靶标的一组引物链，并且其中所述一组引物链中的正向链或反向链与接头层结合。
110.根据实施方案109所述的系统，其中所述液体样品中存在所述一组引物链的互补引物链组。
111.根据实施方案108-110中任一个的系统，其中具体DNA/RNA靶标的正向和反向引物链均与所述接头层结合。
112.根据实施方案37-111中任一项所述的系统，其中所述读取器装置是台式或便携式装置，其被配置为接收所述测试盒以进行液相PCR以及检测扩增产物。
113.根据实施方案112所述的系统，其中所述读取器装置还被配置为从所述能量源提供能量以加热和/或冷却所述测试盒上的一个或多个反应区。
114.根据实施方案112-113中任一项所述的系统，其中所述读取器装置还被配置为用所述热传感器监测所述测试盒上的一个或多个反应区的温度。
115.根据实施方案112-114中任一项所述的系统，其中所述读取器装置还被配置为基于所述热传感器的读数来调节能量源向所述测试盒上的一个或多个反应区的能量输出，从而维持选定温度。
116.根据实施方案112-115中任一项所述的系统，其中所述读取器装置还被配置为使辅助加热和冷却装置启动和/或关闭，以调节所述测试盒上的一个或多个反应区的温度。
117.根据实施方案112-116中任一项所述的系统，其中所述读取器装置还被配置为利用激发源用一种或多种激发波长的光激发所述测试盒上的一个或多个反应区。
118.根据实施方案112-117中任一项所述的系统，其中所述读取器装置还被配置为用光传感器检测和测量所述测试盒上的一个或多个反应区所发射的光，并将读数转换为一种或多种输出信号。
119.根据实施方案112-118中任一实施方案所述的系统，其中所述读取器装置还被配置为在所述读取器上显示所述一种或多种输出信号。
120.根据实施方案112-119中任一项所述的系统，其中所述读取器装置还被配置为经有线或无线连接将所述一种或多种输出信号显示于或传输至另一装置。
121.在即时系统中扩增和检测核酸的方法，所述方法包括：提供实施方案37-120中任一项所述的即时系统；在所述测试盒处接收含有PCR组分的液体样品；调整所述能量源的能量输出以交替地加热和冷却所述液体样品，从而扩增核酸；扩增所述液体样品中的样品核酸；以及利用所述读取器装置测量或检测扩增产物。
122.根据实施方案121所述的方法，其还包括将含有PCR组分的液体样品分配进反应区，所述PCR组分包含至少一种靶标特异性的引物和靶标DNA或RNA。
123.根据实施方案121-122中任一项所述的方法，其还包括用所述热传感器测量所述液体样品的基准温度。
124.根据实施方案121-123中任一项所述的方法，其还包括用所述热传感器监测所述产热层和/或液体样品的温度。
125.根据实施方案121-124中任一项所述的方法，其还包括基于所述热传感器的测量调节所述能量源的能量输出，以使所述液体样品的温度达到并维持在初始变性期间所述靶标DNA的最佳变性温度。
126.根据实施方案125所述的方法，其还包括允许所述初始变性步骤持续预设时间，以使所述样品中的靶标DNA完全变性。
127.根据实施方案121-126中任一项所述的方法，其还包括降低所述能量源的能量输出直至通过所述热传感器测量到所述液体样品的温度达到最佳引物退火温度。
128.根据实施方案127所述的方法，其还包括基于所述热传感器的测量调节所述能量源的能量输出，以使所述液体样品的温度达到并维持在所述最佳引物退火温度。
129.根据实施方案127-128中任一项所述的方法，其还包括允许引物退火持续预设时间，以使所述正向和反向引物与所述变性的靶标DNA链完全杂交。
130.根据实施方案127-129中任一项所述的方法，其还包括增加所述能量源的能量输出直至通过所述热传感器测量到所述液体样品的温度达到最佳引物延伸温度。
131.根据实施方案130所述的方法，其还包括基于所述热传感器的测量调节所述能量源的能量输出，以使所述液体样品的温度达到并维持在所述最佳引物延伸温度。
132.根据实施方案130-131中任一项所述的方法，其还包括允许引物延伸持续预设时间，使得游离核苷酸或用一种或多种分子标记的游离核苷酸将所述靶标DNA链延伸。
133.根据实施方案121-132中任一项所述的方法，其还包括通过调节所述能量源的能量输出并用所述热传感器监测所述液体样品的温度而将引物退火和引物延伸重复需要的循环数。
134.根据实施方案121-133中任一项所述的方法，其还包括使所述能量源关闭以使所述液体样品的温度恢复至预设的较低温度，同时用所述热传感器监测所述液体样品的温度。
135.根据实施方案121-133中任一项所述的方法，其还包括通过用激发源激发所述液体样品来测量所述样品的荧光输出，并用具有合适的滤光镜或透镜的光传感器测量产生的发射。
136.根据实施方案121-135中任一项所述的方法，其还包括在测量荧光输出之前进行最终的变性步骤。
137.根据实施方案136所述的方法，其中在测量所述荧光输出之前所述方法还包括：将用荧光分子和淬灭分子标记的引物分配进所述液体样品中；将所述液体样品的温度升高至所述靶标DNA的变性温度，持续预设时间；将所述液体样品的温度降低至所述标记的引物的退火温度，持续预设时间，以允许所述标记的引物与所述液体样品中扩增的靶标DNA结合；以及降低所述液体样品的温度以允许最佳荧光检测。
138.根据实施方案121-137中任一项所述的方法，其中所述引物包含与5’或3’引物末端相连的荧光染料分子，但非两端都连接。
139.根据实施方案121-138中任一项所述的方法，其中所述引物包含与3’或5’引物末端相连的淬灭分子，但非两端都连接。
140.根据实施方案121-139中任一项所述的方法，其中当不与靶标扩增DNA结合时所述引物形成发夹环结构，以使所述荧光分子的荧光被所述淬灭分子淬灭。
141.根据实施方案121-140中任一项所述的方法，其中所述引物包含与扩增靶标DNA的变性链之一的至少一部分互补的核苷酸序列。
142.根据实施方案121-141中任一项所述的方法，其中在引物退火步骤期间所述引物伸长并与所述变性的靶标扩增DNA杂交，以使所述荧光分子的荧光不被所述淬灭分子淬灭。
143.利用实施方案37-120所述的系统进行等温PCR反应的方法，所述方法包括：将包含用于等温PCR的组分的液体样品分配进所述样品限制层和/或反应区，所述等温PCR包括重组酶聚合酶反应、环介导的等温PCR、链置换扩增、解旋酶依赖性扩增或切口酶扩增；进行等温扩增，持续预设时间；捕获PCR反应产物中扩增的靶标DNA；以及检测所述PCR反应产物中捕获的扩增靶标DNA。
144.根据实施方案143所述的方法，其还包括用所述热传感器测量所述液体样品的基准温度。
145.根据实施方案143-144中任一项所述的方法，其还包括用所述热传感器监测所述产热层和/或液体样品的温度。
146.根据实施方案143-145中任一项所述的方法，其还包括基于所述热传感器的测量调节所述能量源的能量输出，以使所述液体样品的温度达到并维持在初始变性期间所述靶标DNA的最佳变性温度。
147.根据实施方案143-146中任一项所述的方法，其还包括允许所述初始变性步骤持续预设时间，以使所述样品中的靶标双链DNA完全变性。
148.根据实施方案143-147中任一项所述的方法，其还包括降低所述能量源的能量输出直至通过所述热传感器测量到所述液体样品的温度达到引物退火和等温扩增的最佳温度。
149.根据实施方案143-148中任一项所述的方法，其还包括基于所述热传感器的测量调节所述能量源的能量输出，以使所述液体样品的温度达到并维持在扩增步骤期间等温扩增的最佳温度。
150.根据实施方案143-149中任一项所述的方法，其还包括使所述能量源关闭以使所述液体样品的温度恢复至预设的较低温度，同时用所述热传感器监测所述液体样品的温度。
本文所述的一些方面还涉及下述其它实施方案，其被称为替代方案：
1.PCR温度循环系统，其包括：包含能量源的读取器；热传感器；辅助加热装置；辅助冷却装置；激发源；光传感器；电源；控制和/或I/O电路；显示器；接收测试盒的开口；以及上述特征的任何子组合；包含至少一个反应区的测试盒；衬底；3D图案层；产热层；热传导层；钝化层；液体样品；样品限制层；封盖和/或封装层；以及上述特征的任何子组合。
2.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述能量源是光源。
3.根据替代方案2所述的PCR温度循环系统，其中所述光源是发光二极管、发光二极管阵列、激光二极管、激光二极管阵列、DPSS激光器、DPSS激光器阵列、至少一种聚焦透镜、至少一种准直透镜或者它们的任意组合。
4.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述能量源是电压和/或电流源。
5.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述热传感器包括一种或多种非接触式红外检测器。
6.根据替代方案5所述的PCR温度循环系统，其中所述红外检测器是电荷耦合装置(CCD)、互补金属氧化物半导体装置(CMOS)、光伏装置、光电二极管装置、光电导体装置、热电堆装置、辐射热测定器装置或者它们的任意组合。
7.根据替代方案5所述的PCR温度循环系统，其中将所述热传感器置于所述液体样品下方。
8.根据替代方案5所述的PCR温度循环系统，其中将所述热传感器置于所述液体样品上方。
9.根据替代方案1的PCR温度循环系统，其中所述热传感器包括一种或多种接触式温度传感器。
10.根据替代方案9所述的PCR温度循环系统，其中所述接触式温度传感器是热电偶、电阻温度检测器、热敏电阻或者它们的任意组合。
11.根据替代方案9所述的PCR温度循环系统，其中将所述热传感器置于与所述液体样品接触。
12.根据替代方案11所述的PCR温度循环系统，其中将所述一种或多种热传感器放置于所述样品限制层内并与所述液体样品接触。
13.根据替代方案11所述的PCR温度循环系统，其中所述热传感器被配置为邻近所述产热层的图案化的和/或制造的电阻温度装置或热敏电阻。
14.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述辅助加热装置是热电装置、加热块、电阻加热器、印刷电路板加热器、柔性电路加热器或者它们的任意组合。
15.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述辅助冷却装置是散热器、风扇、热电装置、珀尔帖冷却器或者它们的任意组合。
16.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述激发源是发光二极管、发光二极管阵列、激光二极管、激光二极管阵列、DPSS激光器、DPSS激光器阵列、至少一种聚焦透镜、至少一种准直透镜和/或它们的任意组合。
17.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述激发源与所述能量源相同。
18.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述光传感器是电荷耦合装置(CCD)、互补金属氧化物半导体装置(CMOS)、光伏装置、光电二极管装置、光电导体装置或者它们的任意组合。
19.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述读取器是台式或便携式装置，其被配置为：接收测试盒；从能量源提供能量用于加热和/或冷却测试盒上的一个或多个反应区；用热传感器监测测试盒上的一个或多个反应区的温度；基于热传感器的读数调节能量源向测试盒上的一个或多个反应区的能量输出，以维持所选温度；使所述辅助加热和冷却装置启动和/或关闭，以调节测试盒上的一个或多个反应区的温度；利用激发源用一种或多种激发波长的光激发测试盒上的一个或多个反应区；用光传感器检测并测量测试盒上的一个或多个反应区所发射的光，并将读数转换位一种或多种输出信号；在读取器上显示所述输出信号；经有线或无线连接在另一装置上显示或传输所述输出信号；以及上述动作的任何子组合。
20.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述PCR反应被配置为在所述液体样品中发生，并且更具体地在所述液体样品的大部分中的任何地方和/或任何地方发生。
21.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述反应区被配置为井、洞、凹槽和/或沟槽结构中的一种或者它们的阵列。
22.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述反应区被配置为一个通道或通道阵列。
23.根据替代方案20所述的PCR温度循环系统，其中所述井结构的限制边界包括底部上的衬底、侧面的样品限制层以及顶部的封盖层和/或封装层。
24.根据替代方案22所述的PCR温度循环系统，其中所述通道仅由衬底限于顶部和底部。
25.根据替代方案24所述的PCR温度循环系统，其中所述位于顶部的衬底与所述位于底部的衬底相同。
26.根据替代方案24所述的PCR温度循环系统，其中所述位于顶部的衬底与所述位于底部的衬底不同。
27.根据替代方案24所述的PCR温度循环系统，其中所述衬底被配置为用于一个或多个3D图案层、产热层、热传导层、钝化层、样品限制层、封盖层或包封层或者它们的任意组合的包被、沉积和/或制造的基底。
28.根据替代方案28所述的PCR温度循环系统，其中所述衬底包含半导体、金属、FR-4、聚合物、塑料、环氧树脂、树脂、玻璃、硅酮、橡胶、径迹蚀刻膜或者它们的任意组合。
29.根据替代方案28所述的PCR温度循环系统，其中包含所述衬底的材料在400纳米至1微米的波长是至少部分可透过的。
30.根据替代方案28所述的PCR温度循环系统，其中包含所述衬底的材料在中长红外光谱内，优选在5微米至13微米的波长内是至少部分可透过的。
31.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中将所述3D图案层置于所述产热层下方，并且将其配置为增加所述产热层的表面积和/或增加所述产热层的高度，以降低反应物必须扩散以到达所述产热层的长度。
32.根据替代方案31所述的PCR温度循环系统，其中所述3D图案层包含聚合物、塑料、硅酮、橡胶、玻璃、金属氧化物、半导体氧化物或者它们的任意组合。
33.根据替代方案31所述的PCR温度循环系统，其中所述3D图案层是平坦的层。
34.根据替代方案31所述的PCR温度循环系统，其中所述3D图案层结构包括图案化的和/或沉积的特征和/或结构。
35.根据替代方案34所述的PCR温度循环系统，其中所述特征和/或结构包括柱、线、线距光栅、锥体、三角形、沟槽、球体或者它们的任意组合中的一种或者它们的阵列。
36.根据替代方案34所述的PCR温度循环系统，其中通过光刻、熔融沉积成型3D打印、立体平板印刷3D打印、选择性激光烧结3D打印、喷墨打印、模塑、微阵列印刷/印迹/斑点或者它们的任意组合来沉积和/或制造3D图案的特征/结构。
37.根据替代方案31所述的PCR温度循环系统，其中包含所述衬底的材料在400纳米至1微米的波长是至少部分可透过的。
38.根据替代方案31所述的PCR温度循环系统，其中包含所述衬底的材料在中长红外光谱内，优选在5微米至13微米的波长内是至少部分可透过的。
39.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述产热层被置于所述3D图案层的顶部。
40.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述产热层是光吸收层。
41.根据替代方案40所述的PCR温度循环系统，其中所述光吸收层被配置为吸收来自能量源的光能输入并将其转换成热能。
42.根据替代方案41所述的PCR温度循环系统，其中在所述光吸收层中产生的热能与来自能量源的光能输出的功率成比例。
43.根据替代方案40所述的PCR温度循环系统，其中所述光吸收层包含颜料、染料、半导体、化合物半导体、碳纳米管、富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯、金属氧化物、半导体氧化物、聚合物、塑料、金属、金属合金或者它们的任意组合。
44.根据替代方案43所述的PCR温度循环系统，其中所述光吸收层优选包含锗。
45.根据替代方案43所述的PCR温度循环系统，其中所述光吸收层优选包含聚酰亚胺。
46.根据替代方案43所述的PCR温度循环系统，其中所述光吸收层优选包含颜料或染料或着色或染色的塑料薄膜或薄板。
47.根据替代方案40所述的PCR温度循环系统，其中所述光吸收层包含由下述组成的纳米颗粒和/或微米颗粒：金属、半导体、化合物半导体、聚合物、塑料、氧化物、玻璃或者它们的任意组合。
48.根据替代方案46所述的PCR温度循环系统，其中用替代方案43所述的光吸收材料灌注所述纳米颗粒和/或微米颗粒。
49.根据替代方案46所述的PCR温度循环系统，其中用替代方案43所述的光吸收材料封盖所述纳米颗粒和/或微米颗粒。
50.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述产热层是电阻加热器层。
51.根据替代方案49所述的PCR温度循环系统，其中所述电阻加热器层被配置为一个或多个迹线和/或电路，以分散或吸收来自所述能量源的电压和/或电流能量输入并将其转换为热能。
52.根据替代方案50所述的PCR温度循环系统，其中在所述电阻加热器层的迹线和/或电路中产生热能，其与所述电阻加热器层的迹线和/或电路的电阻以及从所述能量源流出并流入所述电阻加热器层的迹线和/或电路的电流成比例。
53.根据替代方案49所述的PCR温度循环系统，其中所述电阻加热器层的迹线和/或电路包含半导体、化合物半导体、碳纳米管、富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯、金属氧化物、半导体氧化物、金属、金合金或者它们的任意组合。
54.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述热传导层与所述产热层相同。
55.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述热传导层是位于所述产热层顶部的分离层。
56.根据替代方案54所述的PCR温度循环系统，其中所述热传导层被配置为促进从所述产热层向所述液体样品的热传递和/或从所述液体样品向所述产热层的热传递。
57.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述热传导层是位于所述衬底或3D图案层顶部的分离层。
58.根据替代方案56所述的PCR温度循环系统，其中所述热传导层被配置用于从所述辅助加热装置向所述液体样品的热传递和/或从所述液体样品向所述辅助冷却装置的热传递。
59.根据替代方案54和56的PCR温度循环系统，其中所述热传导层包含金属、金属合金、半导体、化合物半导体、石墨烯、碳纳米管、富勒烯、纳米颗粒、微米颗粒、金属氧化物、半导体氧化物或者它们的任意组合。
60.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述钝化层与所述产热层和/或热传导层相同。
61.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述钝化层是位于所述产热层顶部的分离层。
62.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述钝化层是位于所述热传导层顶部的分离层。
63.根据替代方案60和61所述的PCR温度循环系统，其中所述钝化层被配置为形成与所述液体样品的交界部并将产热层和/或热传导层与所述液体样品分离。
64.根据替代方案62所述的PCR温度循环系统，其中所述钝化层包含金属氧化物、半导体氧化物、玻璃、光致抗蚀剂、塑料、聚合物、半导体、金属、金属合金或者它们的任意组合。
65.根据替代方案62所述的PCR温度循环系统，其中用化学分子、硅烷、蛋白质、核酸或者它们的任意组合进一步包被或修饰所述钝化层的表面。
66.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述液体样品包含靶DNA、聚合酶、DNase抑制剂、正向引物序列链、反向引物序列链、游离的未标记核苷酸、用一种或多种分子标记的游离核苷酸、水、缓冲盐、金属离子或者它们的任意组合。
67.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述液体样品包含靶RNA或mRNA、逆转录酶、聚合酶、RNase抑制剂、正向引物序列链、反向引物序列链、游离的未标记核苷酸、用一种或多种分子标记的游离核苷酸、水、缓冲盐、金属离子或者它们的任意组合。
68.根据替代方案20所述的PCR温度循环系统，其中所述样品限制层包括井、洞、凹槽和/或沟槽结构。
69.根据替代方案67所述的PCR温度循环系统，其中由下述制造井、洞、凹槽和/或沟槽结构：金属氧化物、半导体氧化物、金属、金属合金、玻璃、塑料、聚合物、光致抗蚀剂、硅酮、橡胶或者它们的任意组合。
70.根据替代方案67所述的PCR温度循环系统，其中用诸如下述的热传导材料包被所述样品限制层的表面：金属、金属合金、半导体、化合物半导体、石墨烯、富勒烯、碳纳米管、纳米颗粒、微米颗粒或者它们的任意组合。
71.根据替代方案69所述的PCR温度循环系统，其中进一步用诸如下述的钝化材料包被所述样品限制层表面的热传导材料涂层：金属氧化物、半导体氧化物、玻璃、光致抗蚀剂、塑料、聚合物、半导体、金属、金属合金或者它们的任意组合。
72.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述封盖层和/或封装层被配置为防止所述液体样品的蒸发。
73.根据替代方案71所述的PCR温度循环系统，其中所述封盖层和/或封装层是所述液体样品顶部的油层。
74.根据替代方案71所述的PCR温度循环系统，其中所述封盖层和/或封装层是包围所述样品限制层的井、洞、凹槽和/或沟槽结构的顶部表面的塑料膜和/或玻璃膜。
75.根据替代方案71所述的PCR温度循环系统，其中所述封盖层和/或包封层是替代方案0的衬底。
76.利用替代方案1所述的PCR温度循环系统进行PCR反应的方法，其包括：将含有标准PCR组分的液体样品分配进样品限制层和/或反应区中，所述标准PCR组分包含至少一种靶标特异性的引物和靶标DNA或RNA；用热传感器测量液体样品的基准温度；用热传感器监测产热层和/或液体样品的温度；基于所述热传感器的测量来调节能量源的能量输出，以使所述液体样品的温度达到并维持在初始变性期间靶标DNA的最佳变性温度；允许所述初始变性步骤持续预设时间，以使所述样品中的目标双链DNA完全变性；降低所述能量源的能量输出直至使通过所述热传感器测量到液体样品的温度达到最佳引物退火温度；基于所述热传感器的测量来调节能量源的能量输出，以使所述液体样品的温度达到并维持在引物退火步骤期间的最佳引物退火温度；允许所述引物退火步骤持续预设时间，以使正向引物和反向引物均与变性的靶标DNA链完全杂交；增加所述能量源的能量输出直至通过所述热传感器测量到液体样品的温度达到最佳引物延伸温度；基于所述热传感器的测量来调节所述能量源的能量输出，以使所述液体样品的温度达到并维持在引物延伸步骤期间的最佳引物延伸温度；允许所述引物延伸步骤持续预设时间，使得游离核苷酸或用一种或多种分子标记的游离核苷酸将所述靶标DNA链延伸；通过调节所述能量源的能量输出并用所述热传感器监测所述液体样品的温度使所述引物退火步骤和引物延伸步骤重复需要的循环数；使所述能量源关闭以使所述液体样品的温度恢复至预设的较低温度，同时用所述热传感器监测所述液体样品的温度；以及通过用激发源激发样品来测量所述液体样品的荧光输出，并用具有合适的滤光镜或透镜的光传感器测量产生的发射。
77.根据替代方案76所述的进行PCR反应的方法，其中在测量荧光输出之前进行最终的变性步骤。
78.根据替代方案76所述的进行PCR反应的方法，其中在测量荧光输出之前：将用荧光分子和淬灭分子标记的引物分配进所述液体样品中；使所述液体样品的温度升高至所述靶标DNA的变性温度，持续预设时间；使所述液体样品的温度降低至所述标记的引物的引物退火温度，持续预设时间，以允许所述标记的引物与所述液体样品中扩增的靶标DNA结合；以及降低所述液体样品的温度以允许最佳荧光检测。
79.根据替代方案78所述的方法，其中所述引物含有与5’或3’引物末端相连的荧光染料分子，但非两端都连接。
80.根据替代方案78所述的方法，其中所述引物含有与3’或5’引物末端相连的淬灭分子，但非两端都连接。
81.根据替代方案78所述的方法，其中当不与靶标扩增DNA结合时所述引物形成发夹环结构，以使所述荧光分子的荧光被淬灭分子淬灭。
82.根据替代方案所述78的方法，其中标记的引物具有与扩增的靶DNA的一个变性链的至少一部分互补的核苷酸序列。
83.根据替代方案78所述的方法，其中引物在引物退火步骤期间伸长并与变性的靶扩增的DNA杂交，使得来自荧光分子的荧光不被猝灭剂分子猝灭。
84.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中PCR反应配置为在反应区表面处或附近发生。
85.根据替代方案1所述的PCR温度循环系统，其中所述至少一个反应区被配置为至少两个分离区，其中一个区域发生液相PCR，以及另一区域捕获并检测表面的PCR产物的扩增DNA。
86.根据替代方案84和85所述的PCR温度循环系统，其中所述至少一个反应区的表面是钝化层、热传导层、产热层或3D图案层或样品限制层。
87.根据替代方案86所述的PCR温度循环系统，其中用接头层修饰所述表面。
88.根据替代方案87的PCR温度循环系统，其中所述接头层被配置为经3’或5’末端与双链或单链DNA或RNA链结合。
89.根据替代方案87所述的PCR温度循环系统，其中所述接头层包含硅烷和/或具有一种或多种反应性官能化学末端基团的小的化学分子。
90.根据替代方案89所述的PCR温度循环系统，其中所述接头层还包含与硅烷和/或小是化学分子结合的单链DNA或RNA。
91.根据替代方案89所述的PCR温度循环系统，其中所述接头层还包含一种或多种聚合物。
92.根据替代方案91所述的PCR温度循环系统，其中所述聚合物为下述形式：葡聚糖、羧甲基葡聚糖、壳聚糖、聚苯胺、PEG、PLL-PEG、PLL-g-PEG、PLA-PEG-PLL或者它们的任意组合。
93.根据替代方案91所述的PCR温度循环系统，其中所述接头包含与聚合物结合的单链DNA或RNA。
94.根据替代方案87所述的PCR温度循环系统，其中所述接头层包含微米颗粒和/或纳米颗粒。
95.根据替代方案94所述的PCR温度循环系统，其中所述颗粒包含金属、半导体、化合物半导体、聚合物、塑料、氧化物、玻璃或者它们的任意组合。
96.根据替代方案94所述的PCR温度循环系统，其中所述颗粒被配置为与替代方案89所述的接头层的硅烷和/或小的化学分子结合。
97.根据替代方案96所述的PCR温度循环系统，其中用硅烷和/或具有反应性官能化学末端基团的小的化学分子至少部分地修饰所述颗粒的表面，以与替代方案89所述的接头层的硅烷和/或化学分子结合。
98.根据替代方案94所述的PCR温度循环系统，其中所述颗粒被配置为与替代方案91所述的接头层的聚合物结合。
99.根据替代方案98所述的PCR温度循环系统，其中用硅烷和/或具有反应性官能化学末端基团的小的化学分子至少部分地修饰所述颗粒的表面，以与替代方案91所述的接头层的聚合物结合。
100.根据替代方案94所述的PCR温度循环系统，其中所述颗粒被配置为与替代方案90所述的接头层的DNA或RNA链结合。
101.根据替代方案94所述的PCR温度循环系统，其中所述颗粒被配置为与替代方案93所述的接头层的DNA或RNA链结合。
102.根据替代方案100和101所述的PCR温度循环系统，其中用与替代方案90和93所述的链至少部分互补的单链DNA或RNA至少部分地修饰所述颗粒。
103.根据替代方案87所述的PCR温度循环系统，其中PCR反应扩增具体DNA/RNA靶标所需的一条或多条引物链与所述接头层化学或物理结合。
104.根据替代方案103所述的PCR温度循环系统，其中所述引物链包含具体DNA/RNA靶标的正向引物链和/或反向引物链。
105.根据替代方案84所述的PCR温度循环系统，其中用具体DNA/RNA靶标的一组引物链(正向链或反向链)与接头层结合。
106.根据替代方案105所述的PCR温度循环系统，其中所述液体样品中存在与替代方案105所述的引物链不同的一组引物链。
107.根据替代方案84所述的PCR温度循环系统，其中具体DNA/RNA靶标的正向和反向引物链均与所述接头层结合。
108.根据替代方案85所述的PCR温度循环系统，其被配置为用于捕获和检测扩增的DNA，其中正向和反向引物链均不与反应区的表面结合。
109.根据替代方案108所述的PCR温度循环系统，其中与PCR反应产物中扩增的靶标DNA至少部分互补并且与所述正向和反向引物可能或不可能共有序列的单链DNA链或探针与所述反应区表面的接头层结合。
110.利用替代方案1所述的PCR温度循环系统与和替代方案85所述的反应区进行PCR反应的方法，其包括：将含有标准PCR组分的液体样品分配进样品限制层和/或反应区，所述标准PCR组分包含至少一种靶特异性的引物和靶标DNA或RNA；用热传感器测量所述液体样品的基准温度；用热传感器监测产热层和/或液体样品的温度；基于热传感器的测量来调节能量源的能量输出，以使液体样品的温度达到并维持在初始变性期间所述靶标DNA的最佳变性温度；允许所述初始变性步骤持续预设时间，以使所述样品中的靶标双链DNA完全变性；降低能量源的能量输出直至如通过热传感器所测量的液体样品的温度达到最佳引物退火温度；基于热传感器的测量来调节能量源的能量输出，以使液体样品的温度达到并维持在引物退火步骤期间的最佳引物退火温度；允许引物退火步骤持续预设时间，以使正向和反向引物均与变性的靶标DNA链完全杂交；增加能量源的能量输出直至如通过热传感器所测量的液体样品的温度达到最佳引物延伸温度；基于热传感器的测量来调节能量源的能量输出，以使液体样品的温度达到并维持在引物延伸步骤期间的最佳引物延伸温度；允许引物延伸步骤持续预设时间，以游离核苷酸或用一种或多种荧光分子标记的游离核苷酸来延伸所述靶标DNA链；通过调节能量源的能量输出并用热传感器监测液体样品的温度将引物退火和引物延伸步骤重复需要的循环数；使能量源关闭以使液体样品的温度恢复至预设的较低温度，同时用热传感器监测液体样品的温度；允许液体样品进入反应区的区域，该区域被配置为用于捕获和检测PCR反应产物的扩增的靶标DNA；启动能量源，并基于热传感器的测量来调节能量源的能量输出，以使液体样品的温度达到并维持在靶标DNA的最佳变性温度，持续预设时间，以使扩增的靶标DNA完全变性；允许变性的扩增靶标DNA链与替代方案109所述的反应区的单链DNA探针结合；将剩余的PCR产物清洗至废物室并用缓冲溶液冲洗反应区；用激发源激发含有结合的扩增靶标DNA的替代方案109所述的反应区；用具有合适的滤光镜或透镜的光传感器测量所产生的荧光发射。
111.利用替代方案1所述的PCR温度循环系统进行等温PCR反应的方法：将含有用于等温PCR的标准组分的液体样品分配进样品限制层和/或反应区，所述等温PCR可以包括重组酶聚合酶反应、环介导的等温PCR、链置换扩增、解旋酶依赖性扩增或切口酶扩增；用热传感器测量液体样品的基准温度；用热传感器监测产热层和/或液体样品的温度；基于热传感器的测量来调节能量源的能量输出，以使液体样品的温度达到并维持在初始变性期间靶标DNA的最佳变性温度；允许初始变性步骤持续预设时间，以使样品中的靶标双链DNA完全变性；降低能量源的能量输出直至如通过热传感器所测量的液体样品的温度达到初始退火和等温扩增的最佳温度；基于热传感器的测量来调节能量源的能量输出，以使液体样品的温度达到并维持在扩增步骤期间等温扩增的最佳温度；允许等温扩增发生预设时间；使能量源关闭以使液体样品的温度恢复至预设的较低温度，同时用热传感器监测液体样品的温度；以及允许液体样品进入反应区被配置为用于捕获和检测PCR反应产物的扩增靶标DNA的区域。
112.纳米颗粒分析系统，其包括：可能含有一种或多种目标分析物的样品；包含测试区的分析盒，所述测试区包括无孔和/或非膜表面；包括一个或多个捕获区的测试区；捕获区表面以及测试区内结合分析物的捕获探针分子；与结合分析物的捕获探针分子缀合的纳米颗粒；辐射源，其中辐射激发所述纳米颗粒以产生可测量的响应；紫外线、可见光和/或热辐射检测器；以及上述特征的任何子组合。
113.根据替代方案112所述的系统，其中所述测试区包括含有下述的无孔和/或非膜状表面：聚合物、环氧树脂、塑料、半导体、氧化物、金属和/或它们的任意组合。
114.根据替代方案112或113所述的系统，其中所述测试区的表面包被有诸如银或铝的反射材料或者被设计为特异性反射入射能量的介电镜堆叠，其被电介质薄层包被。
115.根据替代方案112至114中任一项所述的系统，其中所述测试区的表面包括含有下述的三维图案化结构：聚合物、环氧树脂、塑料、半导体、氧化物、金属和/或它们的任意组合。
116.根据替代方案112至115中任一项所述的系统，其中所述结合分析物的捕获探针分子通过接头分子与所述测试区的表面偶联。
117.根据替代方案116所述的系统，其中所述接头分子包含一种或多种化学分子和/或功能性硅烷，其中所述分子的一个末端或分子链与所述测试区的表面结合并且其中所述分子的另一末端或分子链包含能够结合捕获探针分子的官能团。
118.根据替代方案112至117中任一项所述的系统，其中所述分析盒包括所述测试区内的多个捕获区，所述多个捕获区包被有相同或不同的捕获探针。
119.根据替代方案112至118中任一项所述的系统，其中所述纳米颗粒包括一层或多层的金、银、碳、铂、聚合物、塑料、氧化物、铁和/或它们的任意组合。
120.根据替代方案112至119中任一项所述的系统，其中所述纳米颗粒的几何形状包括球体、圆柱体、棒状、核-壳状颗粒、海胆状、星形、盘状、立方体、卟啉体和/或它们的任意组合。
121.根据替代方案112至120中任一项所述的系统，其中所述结合分析物的捕获探针分子通过接头分子与纳米颗粒的表面偶联。
122.根据替代方案112至121中任一项所述的系统，其中所述接头分子包含一种或多种化学分子和/或功能性硅烷，其中所述分子的一个末端或分子链与所述纳米颗粒的表面结合，并且所述分子的另一末端或分子链包含能够与结合分析物的捕获探针分子结合的官能团。
123.根据替代方案112至122中任一项所述的纳米颗粒分析系统，其中所述捕获探针分子包含化学分子、抗体、酶、蛋白质、寡核苷酸、单链DNA、双链DNA、适配体、DNA酶、适体酶、能够结合样品中的靶标分析物的合成分子和/或它们的任意组合。
124.根据替代方案112至123中任一项所述的系统，其中目标分析物包含寡核苷酸、蛋白质、抗体、化学分子和/或它们的任意组合。
125.根据替代方案112至124中任一项所述的系统，其中所述辐射源包括二极管激光器、DPSS激光器、光纤耦合激光器、发光二极管和/或它们的任意组合。
126.根据替代方案112至125中任一项所述的系统，其中所述辐射检测器包括CMOS或CCD装置、光电二极管、红外摄像机模块、红外敏感半导体芯片或电路和/或它们的任意组合。
127.根据替代方案112至126中任一项所述的系统，其中所述测试区包含对辐射可透过的以及不吸收入射辐射或吸收已知量的入射辐射的材料。
128.根据替代方案127所述的系统，其中所述测试区包括红外可透过塑料、半导体、金属氧化物、硫族化物、半导体氧化物和/或它们的任意组合的薄片。
129.根据替代方案128所述的系统，其中所述红外可透过材料的表面包括由聚合物、环氧树脂、塑料、半导体、氧化物、金属和/或它们的任意组合制成的一层或多层三维图案化结构。
130.利用替代方案112至129中任一项所述的纳米颗粒分析系统和/或另一纳米颗粒分析系统进行纳米颗粒分析的方法，所述方法包括：将缓冲液和/或类似溶液分配进测试区；在与任何样品溶液接触之前，将测试区暴露于辐射源；用热辐射检测器测量基准读数；将包含目标分析物的样品分配进测试区，其中将样品通过外部压力推向测试区和/或通过移液进行操作；允许样品与测试区反应，持续一段时间，以使存在的目标分析物与测试区结合；将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次；将含有与结合分析物的捕获探针分子缀合的纳米颗粒的溶液分配进测试区并允许反应持续预设时间；将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次；使测试区暴露于所述辐射，持续预设时间；用热辐射检测器检测测试区发射的红外线辐射；通过分析检测到的热辐射信号计算并报告分析物的浓度；以及上述特征的任何子组合。
131.根据替代方案130所述的方法，其中在不将测试区暴露于辐射源的情况下进行基准读数的测量。
132.根据替代方案130或131所述的方法，其中在将测试区暴露于含有与结合分析物的捕获探针分子缀合的纳米颗粒的溶液之前，不洗涤测试区。
133.根据替代方案130至132中任一项所述的方法，其中在将所述测试区暴露于辐射并检测所述热辐射信号之前，不洗涤测试区。
134.根据替代方案130至133中任一项所述的方法，其还包括在将测试区暴露于入射能量并测量热响应之前，移除测试区的大部分流体。
135.利用替代方案112至129中任一项所述的纳米颗粒分析系统和/或另一纳米颗粒分析系统进行纳米颗粒分析的方法，该方法包括：将缓冲液和/或类似溶液分配进测试区；在与任何样品溶液接触之前将测试区暴露于辐射源；用热辐射检测器测量基准读数；将含有目标分析物的样品与含有与结合分析物的捕获探针分子缀合的纳米颗粒的溶液混合预设时间；将含有纳米颗粒/分析物复合物的溶液分配进测试区，其中将样品通过外部压力推向测试区和/或通过移液进行操作；允许溶液与测试区反应，持续配置时间，以使纳米颗粒/分析物复合物于捕获区的表面结合；将测试区用缓冲液或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次；将测试区暴露于所述辐射，持续预设时间；用热辐射检测器检测测试区发射的红外线辐射；通过分析检测到的热辐射信号计算并报告分析物的浓度；以及上述特征的任何子组合。
136.根据替代方案135所述的方法，其中在不将测试区暴露于辐射源的情况下，测量基准读数。
137.根据替代方案135或136所述的方法，其中在将测试区暴露于辐射并检测热辐射信号之前，不洗涤测试区。
138.根据替代方案135至137中任一项所述的方法，其还包括在将测试区暴露于入射能量并测量热响应之前，移除测试区的大部分流体。
139.利用替代方案112至129中任一项所述的纳米颗粒分析系统和/或另一纳米颗粒分析系统进行纳米颗粒分析的方法，所述方法包括：将缓冲液和/或类似溶液分配进测试区；在与任何样品溶液接触之前，将测试区暴露于辐射源；用热辐射检测器测量基准读数；将样品与捕获探针分子混合，其中所述捕获探针分子可以是用于捕获单一靶标靶分析物的单一类型或用于捕获多种分析物的不同类型；将含有与靶标分析物结合的捕获探针分子的溶液分配进测试区；允许溶液与测试区反应预设时间，使捕获探针/分析物复合物与捕获区表面的捕获探针分子结合；将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次；提供用捕获探针分子修饰的纳米颗粒，其与附着于测试区表面的分析物的所有捕获探针，甚至附着于不同分析物的不同捕获探针结合；将含有纳米颗粒/探针复合物的溶液分配进测试区；允许溶液与暴露于测试区表面的捕获探针反应配置时间以使所述纳米颗粒与所述表面的捕获探针结合；将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次；将测试区暴露于入射辐射，持续预设时间；用热辐射检测器检测测试区发射的红外线辐射；通过分析检测到的热辐射信号计算并报告分析物的浓度；以及上述特征的任何子组合。
140.根据替代方案139所述的方法，其中在不将测试区暴露于辐射源的情况下测量基准读数。
141.根据替代方案139或140所述的方法，其中在将含有纳米颗粒/探针复合物的溶液分配进测试区之前，不洗涤测试区。
142.根据替代方案139至141中任一项所述的方法，其中在将测试区暴露于辐射并检测热辐射信号之前，不洗涤测试区。
143.根据替代方案139至142中任一项所述的方法，其还包括在将所述测试区暴露于入射能量并测量热响应之前，移除测试区的大部分流体。
144.利用替代方案112至129中任一项所述的纳米颗粒分析系统和/或另一纳米颗粒分析系统进行纳米颗粒分析的方法，所述方法包括：将缓冲液和/或类似溶液分配进测试区；在与任何样品溶液接触之前将测试区暴露于辐射源；用热辐射检测器测量基准读数；使双链扩增DNA变性(其中所述DNA是扩增过程的产物)以将所述DNA分成两组单链DNA，用A1和A2表示；允许序列A1的一组链结合与序列A1部分或完全互补的单链DNA缀合的表面；提供具有与单链DNA捕获探针缀合的表面的测试区，其中序列与A2部分互补；将剩余的分离的单链DNA(序列A2)分配进测试区并允许其与测试区表面的捕获探针杂交；将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次；提供与单链DNA捕获探针(序列与A2部分互补)缀合的纳米颗粒；将含有纳米颗粒/捕获探针复合物的溶液分配进测试区并允许与暴露于测试区表面的部分杂交的链(序列A2)杂交；将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次；将测试区暴露于入射辐射，持续预设时间；用热辐射检测器检测测试区发射的红外线辐射；通过分析检测到的热辐射信号计算并报告任何杂交DNA的浓度和/或存在；以及上述特征的任何子组合。
145.根据替代方案144所述的方法，其中在不将测试区暴露于辐射源的情况下测量基准读数。
146.根据替代方案144或145所述的方法，其中在将含有纳米颗粒/探针复合物的溶液分配进测试区之前不洗涤测试区。
147.根据替代方案144至146中任一项所述的方法，其中在将测试区暴露于辐射并检测热辐射信号之前不洗涤测试区。
148.根据替代方案144至147中任一项所述的方法，其还包括在将测试区暴露于入射能量并测量热响应之前，移除测试区的大部分流体。
149.利用替代方案112至129中任一项所述的纳米颗粒分析系统和/或另一纳米颗粒分析系统进行纳米颗粒分析的方法，所述方法包括：将缓冲液和/或类似溶液分配进测试区；在与任何样品溶液接触之前，将测试区暴露于辐射源；用热辐射检测器测量基准读数；提供与单链DNA(序列B1)缀合的纳米颗粒；提供具有与单链DNA捕获探针(其中序列与序列B1部分或完全互补)缀合的表面的测试区；将含有纳米颗粒/DNA复合物的溶液分配进测试区并允许与暴露于测试区表面的单链DNA杂交；将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次；将测试区暴露于入射辐射，持续预设时间；用热辐射检测器检测测试区发射的红外线辐射；通过分析检测到的热辐射信号计算并报告任何杂交DNA的浓度和/或存在；以及上述特征的任何子组合。
150.根据替代方案149所述的方法，其中在不将测试区暴露于辐射源的情况下测量基准读数。
151.根据替代方案149或150所述的方法，其中在将测试区暴露于辐射并检测热辐射信号之前不洗涤测试区。
152.根据替代方案149至151中任一项所述的方法，其中在将测试区暴露于入射能量并测量热响应之前，移除测试区的大部分流体。
153.测量替代方案130、135、139、144和149中任一项所述的方法中的信号的方法，其包括：将测试区暴露于入射辐射，以一定的频率周期性地切换打开和关闭；用热探测器检测测试区发射的红外线辐射；记录并测量探测到的红外线辐射的导数，以确定发射的热辐射相对于入射辐射的反复频率的变化率；将发射的热辐射的变化率与结合的纳米颗粒和分析物的浓度相关联；以及上述特征的任何子组合。
154.计算并报告分析物浓度的方法，其包括：从基准读数中减去检测到的热辐射信号以产生结果；将结果与存储在存储器中的预先确定的校准值进行比较；将检测到的热辐射信号的振幅、最大值和/或平均值与结合的纳米颗粒和分析物的浓度相关联；以及上述特征的任何子组合。
155.计算并报告分析物浓度的方法，其包括：从基准读数中减去检测到的热辐射信号以产生结果；将结果与在校准区进行的类似测量进行比较，其中校准区具有已知量的与表面结合的纳米颗粒；将检测到的热辐射信号的振幅、最大值和/或平均值与结合的纳米颗粒和分析物的浓度相关联；以及上述特征的任何子组合。
156.制造分析盒的测试区的方法，其包括：提供含有一层或多层的支撑衬底；在支撑衬底中于测试区的位置处形成开口或洞，其中所述洞贯穿支撑衬底的整个厚度；经含有匹配的开口或洞的粘合剂衬垫向支撑衬底的表面粘附替代方案126至129中任一项所述的纳米颗粒分析系统或另一纳米颗粒分析系统的测试区的材料层；沉积红外可透过材料薄层用于缀合化学物的附着；清洁并通过等离子体和/或化学方法进行表面处理，以激活表面用于化学/生物缀合；将缀合化学物附着于测试区的表面；仅选择性地将捕获探针置于测试区的表面，其直接位于支撑衬底中的孔或开口上方；以及上述特征的任何子组合。
157.利用替代方案126至129中任一项所述的纳米颗粒分析系统和/或另一纳米颗粒分析系统的测试区测量纳米颗粒分析的辐射信号的方法，其包括：将检测器置于分析盒后方，以使相机从后面或与分析发生的表面相对的一侧对测试区进行成像；测量测试区中洞或开口位置处测试区表面所发射的辐射；以及以上特征的任何子组合。
158.利用替代方案112至129中任一项所述的纳米颗粒分析系统和/或另一纳米颗粒分析系统进行纳米颗粒分析的方法，所述方法包括：提供具有一个或多个测试区的分析盒和/或另一分析盒；使缓冲液和/或类似溶液流动至测试区；在与任何样品溶液接触之前，将测试区暴露于辐射源并利用替代方案157所述的方法和/或另一种方法使用辐射检测器来测量测试区的可透过表面发射的光的基准读数；将含有目标分析物的样品分配进测试区，其中将样品通过外部压力推向测试区和/或通过移液进行操作；允许样品与测试区反应，持续配置时间，以使存在的目标分析物与测试区结合；将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次；将测试区暴露于含有与结合分析物的捕获探针分子缀合的纳米颗粒的溶液，持续预设时间；将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次；将测试区暴露于入射辐射；利用替代方案157所述的方法和/或另一种方法用辐射检测器检测测试区的可透过表面发射的散射辐射；通过分析检测到的热辐射信号计算并报告分析物的浓度；以及上述特征的任何子组合。
159.根据替代方案158所述的方法，其中在将测试区暴露于辐射并检测辐射信号之前不洗涤测试区。
160.根据替代方案158或159所述的方法，其中在将含有纳米颗粒复合物的溶液分配进测试区之前不洗涤测试区。
161.根据替代方案158至160中任一项的方法，其中在将测试区暴露于辐射并检测热辐射信号之前不洗涤测试区。
162.根据替代方案158至161中任一项所述的方法，其还包括在将测试区暴露于入射能量并测量热响应之前，移除测试区的大部分流体。
163.利用替代方案112至129中任一项所述的纳米颗粒分析系统和/或另一纳米颗粒分析系统进行纳米颗粒分析的方法，其中所述方法包括替代方案130至163中任一项所述的方法和/或另一种方法，该方法包括：在将测试区暴露于入射能量并测量信号之前，提供用捕获探针分子修饰的第二组纳米颗粒以附着于已经附着于捕获区表面的第一组纳米颗粒上的分析物或捕获探针分子；将含有第二组修饰的纳米颗粒的溶液分配进测试区；允许溶液与已经附着于测试区表面的第一组纳米颗粒反应，持续配置时间，以使第二组纳米颗粒与已经附着于表面的第一组纳米颗粒结合；将测试区用缓冲液和/或类似溶液洗涤和/或冲洗一次或多次；以及上述特征的任何子组合。
164.系统，其包括：可能含有一种或多种目标分析物的样品；包含含有至少一种电子传感器芯片的检测区的分析盒；包含含有一个或多个捕获区并且包括至少一个传感装置的测试区的电子传感器芯片；传感装置捕获区表面与分析物结合的捕获探针分子；与结合分析物的捕获探针分子缀合的纳米颗粒；辐射源，其中辐射激发纳米颗粒以产生可测量的响应；以及上述特征的任何子组合
165.根据替代方案164所述的系统，其中所述检测区包括电子传感器芯片阵列。
166.根据替代方案164或165所述的系统，其中所述测试区包括传感装置阵列。
167.根据替代方案166所述的系统，其中所述阵列中的各传感装置通过各传感装置之间的沟槽在衬底层相互分离。
168.根据替代方案166或167所述的系统，其中用相同的捕获探针分子将所述阵列中的各传感装置功能化。
169.根据替代方案166或167所述的系统，其中用不同的捕获探针分子将所述阵列中的各传感装置功能化。
170.根据替代方案166或167所述的系统，其中用捕获探针分子将所述阵列中的传感装置组功能化，其中所述捕获探针分子在组间是不同的。
171.根据替代方案164-170中任一项所述的系统，其中所述传感装置包括一个或多个的半导体装置、二极管、晶体管、电阻器、热敏电阻、电阻温度计装置、热电偶、热电堆、恒温器、辐射热测定器、微辐射热测定器或者它们的任何其组合。
172.根据替代方案164-171中任一项所述的系统，其中结合分析物的捕获探针分子通过接头分子与至少一个传感装置的表面偶联。
173.根据替代方案172所述的系统，其中所述接头分子包含一种或多种化学分子或功能性硅烷，其中所述接头分子的一个末端或分子链与所述传感装置的表面结合，并且所述接头分子的另一端或分子链包含能够与捕获探针分子结合的官能团。
174.根据替代方案164-173中任一项所述的系统，其中所述纳米颗粒包括一层或多层金、银、碳、铂、聚合物、塑料、氧化物、铁或者它们的任意组合。
175.根据替代方案164-174中任一项所述的系统，其中所述纳米颗粒的几何形状包括球体、圆柱体、棒状、核-壳状颗粒、海胆状、星形、盘状、立方体、卟啉体或者它们的任意组合。
176.根据替代方案164-175中任一项所述的系统，其中结合分析物的捕获探针分子通过接头分子与纳米颗粒的表面偶联。
177.根据替代方案176所述的系统，其中所述接头分子包含一个或多个化学分子或功能性硅烷，其中所述接头分子的一个末端、分子链与纳米颗粒的表面结合，并且所述接头分子的另一端或分子链包含能够与结合分析物的捕获探针分子结合的官能团。
178.根据替代方案164-177中任一项所述的纳米颗粒分析系统，其中所述捕获探针分子包含化学分子、抗体、酶、蛋白质、寡核苷酸、单链DNA、双链DNA、适配体、DNA酶、适体酶、能够与目标分析物结合的合成分子或者它们的任意组合。
179.根据替代方案164-178中任一项所述的系统，其中所述目标分析物包含寡核苷酸、蛋白质、抗体、化学分子或者它们的任意组合。
180.根据替代方案164-179中任一项所述的系统，其中所述辐射源包括二极管激光器、DPSS激光器、光纤耦合激光器、发光二极管或者它们的任意组合。
181.用于检测替代方案164-180中任一项所述的纳米颗粒分析系统和/或另一纳米颗粒分析系统中的纳米颗粒的传感器装置，其包括：对温度变化敏感的有源元件；有源元件上的绝热材料层，所述绝热材料层包括一个或多个图案化开口；有源元件上方的反射材料层，所述反射材料层包括一个或多个图案化开口；有源元件、绝热材料层和反射材料层上方的封盖材料层，所述封盖材料层包括捕获区的表面；包含用于从捕获区到有源元件的热传递的蓄热体的材料；以及上述特征的任何子组合。
182.根据替代方案181所述的传感器装置，其中使有源元件上方层中的开口对齐，以使穿过层的连续开口暴露有源元件或有源元件上方的层。
183.根据替代方案181或182所述的传感器装置，其中用所述热传导材料填充开口。
184.根据替代方案181-183中任一项所述的传感器装置，其中所述封盖层包括与所述封盖层下方层中的开口对齐的开口。
185.根据替代方案184所述的传感器装置，其中用所述热传导材料填充所述封盖层中的开口。
186.根据替代方案185所述的传感器装置，其中所述封盖层覆盖所述蓄热体。
187.根据替代方案181-186中任一项所述的传感器装置，其中所述蓄热体包含氧化物、金属、碳纳米管、石墨烯、石墨或者它们的任意组合。
188.用于检测替代方案164-180中任一项所述的纳米颗粒分析系统和/或另一纳米颗粒分析系统中的纳米颗粒的传感器装置，其包括：对红外线辐射敏感的有源元件；有源元件上方的绝热材料层；有源元件上方的反射材料层；有源元件、绝热材料层和反射材料层上方的封盖层，所述封盖材料层包括捕获区的表面；以及以上特征的任何子组合。
189.根据替代方案181-188中任一项所述的传感器装置，其中所述有源元件包括一个或多个半导体装置、二极管、晶体管、电阻器、热敏电阻、电阻温度计装置、热电偶、热电堆、恒温器、辐射热测定器、微辐射热测定器或者它们的任意组合。
190.根据替代方案181-188中任一项所述的传感器装置，其中所述绝热材料包含氧化物、聚合物、聚对二甲苯、气凝胶、空气隙或者它们的任意组合。
191.根据替代方案181-188中任一项所述的传感器装置，其中所述反射层包含金属、氧化物、氧化物堆叠、介电镜或者它们的任意组合。
192.根据权利要求181-188中任一项所述的传感器装置，其中所述封盖材料包含氧化物、聚合物、聚对二甲苯或者它们的任意组合。
193.制造辐射热测定器或微辐射热测定器装置的方法，所述方法包括：在衬底上形成反射层；在衬底上形成绝热层；在绝热层上形成热敏电阻层，其中形成热敏电阻层包括形成至少两个电触点；在绝热层中形成开口；在开口中形成导电通孔；将通孔与热敏电阻层的电触点电连接；在热敏电阻层上形成绝热材料层；在热敏电阻层上形成包含一种或多种材料的反射层；形成穿过绝热层和反射层的至少一个通孔；用红外反射材料或红外吸收材料填充通孔；在绝热材料层、包含一种或多种材料的反射层以及绝热层和反射层中的通孔上形成封盖材料层；封盖层包括捕获区的表面；以及上述特征的任何子组合。
附图简要描述
图1A-1F示出了利用测试盒进行PCR的一个实施方案，其中在包括一个或多个区域或反应区的衬底上进行反应。图1A描绘了衬底上的反应区，并示出了产热层的不同配置。图1B-1E显示了着色的(图1B和1D)或金(Au；图1C或1E)产热层衬底的可比较非接触式温度测量。图1F显示了衬底上的反应区的一个实施方案，其还包括热传导层。
图2A-2G描绘了测试盒内反应区的多个实施方案，其中反应区包括具有夹在两个衬底之间的封闭通道或室的反应区。图2A-2G显示了反应区的变化，其中衬底具有不同的层或层的组合。
图3A-3L示出了将三维的线距(line and space)图案并入反应区的多个实施方案。图3A-3B示出了具有限制PCR混合溶液的孔结构的反应区的实施方案。图3C-3H示出了具有通道和/或室结构的反应区的实施方案。图3I-3J示出了PCR期间或PCR之后测量PCR混合溶液的荧光的实施方案。图3K-3L显示了衬底的可比较非接触式温度测量。
图4A-4G示出了用作衬底以形成PCR反应区的径迹蚀刻膜的实施方案。图4A-4E示出了径迹蚀刻膜的多个实施方案。图4F-4G示出了与径迹蚀刻膜(图4G)相比，衬底(图4F)的可比较非接触式温度测量。
图5A-5H示出了可以发生固相PCR的反应区的实施方案，其中一组或多组引物可以附着于固体表面。图5A描绘了用于固相PCR的反应区的一个示例性实施方案。图5B-5E描绘了用于将引物附着于固体表面或邻近固体表面的多个实施方案。图5F-5H示出了利用通道/室形式的固相PCR的反应区的实施方案。
图6A-6E示出了测试盒反应区中的反应区阵列的实施方案。图6A-6C显示了实施方案或阵列。图6D和6E显示了来自单排反应区阵列的反应区的横截面视图。
图7A-7G示出了适于允许光学加热PCR混合溶液的小瓶的实施方案。图7H-7K显示了DNA扩增实验的凝胶电泳结果。
图8A-8C示出了具有在反应区下方制造的电阻加热器电路的反应区的实施方案。
图9A-9B示出了反应区表面的实施方案，其显示了检测扩增的固相PCR产物的方法。图9C-9D示出了配置用于固相PCR检测的反应区阵列的实施方案。
图10A-10F示出了用于在反应区上构建电化学电路的实施方案，其配置有电子激活产热层(图10A-10C)并且配置有光学激发的产热层(图10D-10F)。
图11A-11D示出了配置用于利用光学激发的产热层进行液相PCR的盒的实施方案。图11A显示了盒的实施方案的顶视图。图11B显示了盒的实施方案的分解图。图11C显示了组装的盒的实施方案的侧视图。图11D显示了插入读取器的盒的实施方案。
图12A-12C示出了用于自动化样品处理、混合和废物封存的多步骤诊断分析的自动化平台的实施方案。图12A显示了圆形旋转盒的实施方案的侧视图。图12B显示了圆形旋转盒的实施方案的截面图。图12C显示了利用圆形旋转盒进行样品分析的方法的实施方案。
图13A-13C示出了分析盒的测试区的实施方案。
图14A-14E示出了利用分析盒进行纳米颗粒分析的方法的实施方案。
图15A-15B示出了用于增加给定浓度的分析物的热信号的分析盒的实施方案。
图16A-16C示出了用于分析盒的衬底的实施方案。如图16A和16B所示，其示出了微流体平台的实施方案，包括反应室和封闭通道，其可以构建在衬底周围和顶部。图16C示出了利用图16A和16B的衬底的热检测系统的一个实施方案。
图17A-17B示出了由半导体材料薄晶片或半刚性塑料制成的衬底的实施方案。可以在衬底上制造无源传感器条并将其集成于微流体分析盒或其它检测平台中。
图18示出了用于分析盒的衬底的实施方案。可以通过测量光散射来检测附着于衬底上的捕获区的等离子体纳米颗粒。
图19A-19C示出了用于捕获分子分析物的衬底的实施方案。图19A示出了纳米颗粒的附着以放大或增强热信号。图19B示出了与寡核苷酸分析物一起使用的二次纳米颗粒附着的方法。图19C示出了在分析物是例如蛋白质的系统中使用二级纳米颗粒附着的方法。
图20A-20C示出了在纳米颗粒检测中使用温度敏感装置或元件的实施方案。
图21示出了可用于纳米颗粒分析的非接触式温度和/或红外敏感元件或装置的实施方案。
图22A-22B示出了传感器芯片的测试区的实施方案，其显示了阵列中的各捕获区和下面的温度/红外敏感装置以及稀疏分布的光敏装置。如图22B所示，可将光敏装置构建于各捕获区中。
图23示出了具有集成处理电路的传感器芯片布局的实施方案。
图24示出了用于制造微辐射热测定器传感器以与纳米颗粒分析兼容的方法的实施方案。
图25示出了包括测试盒和读取器装置的即时核酸扩增和检测系统的一个实施方案。
图26示出了用于核酸扩增反应的测试盒的一个实施方案。
图27示出了被配置为接收测试盒的读取器装置的一个实施方案。
详细描述
应当理解，本公开不限于所描述的具体实施方案。还应当理解，所使用的术语仅用于描述具体实施方案的目的，而不意图具有限制性。
除非另外定义，否则本文使用的技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。参见，例如Singleton等，Dictionary of Microbiologyand Molecular Biology第二版，J.Wiley&Sons(New York，NY 1994)；Sambrook等，Molecular Cloning，A Laboratory Manual，Cold Springs Harbor Press(Cold SpringsHarbor，NY 1989)。出于本公开的目的，以下术语定义如下。
本文使用的冠词“一个/一种(a)”和“一个/一种(an)”指一个/一种至多个/多种(例如，至少一个/一种)文章的语法对象。例如，“一个/一种元素”表示一个/一种元素或多个/多种元素。
在整个说明书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括(comprise)”，“包括(comprises)”和“包括(comprising)”将被理解为暗示包括所述步骤或元素或者步骤或元素组但不排除任何其它步骤或元素或者步骤或元素组。
“由......组成”意为包括但限于短语“由......组成”之后的任何内容。因此，短语“由......组成”指示所列元素是必需的或强制性的，并且不存在其它元素。“基本上由......组成”意为包括该短语之后列出的任何元素，并且限于不干扰或有助于本公开中针对所列元素指定的活性或作用的其它元素。因此，短语“基本上由......组成”指示所列元素是必需的或强制性的，但是其它元素是任选的并且可以存在或不存在，这取决于它们是否实质性地影响所列元素的活性或作用。
本文公开的任何方法不需要以所述顺序进行。本文公开的方法包括行动者采取的某些动作；但是，它们也可以明确地或暗示包括那些行为的任何第三方指令。例如，诸如“暴露测试区”的动作包括“指示暴露测试区”。本文公开的范围还涵盖任何以及所有的重叠、子范围以及它们的组合。诸如“至多”、“至少”、“多于”、“少于”、“在......之间”等的语言包括所述的数字。诸如“约”或“大约”的术语之后的数字包括所述数字。例如，“约3mm”包括“3mm”。“约”意为相对于参考量、水平、数值、数目、频率、百分比、尺寸、大小、数量、重量或长度，量、水平、数值、数目、频率、百分比、尺寸、大小、数量、重量或长度变化多达30％、25％、20％、15％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％或1％。
在PCR核酸扩增中，将含有靶标核酸(例如DNA、RNA)的样品添加至含有其它组分的溶液中，如含有聚合酶、靶标特异性的引物序列和碱基核苷酸的缓冲溶液。然后PCR混合物经历一定温度范围的热循环以完成扩增过程，其通常在50℃和95℃之间。PCR循环包括在95℃下使DNA链变性，随后在较低温度下使引物与变性链退火，该温度主要取决于引物序列，通常为～55℃，随后通过聚合酶在引物退火温度与变性温度之间的某个温度下，通常为～72℃延伸核酸链。完整的PCR过程可以利用上述循环序列的数个循环将核酸扩增至可检测的水平。
通常通过包括一个或多个金属加热块的专用台式设备进行热循环，所述金属加热块将热量传递至含有PCR混合溶液和样品的大瓶。大金属加热块代表显著的蓄热体，其均匀加热至PCR循环中不同热步骤对应的不同温度。考虑到加热块的较大表面积，需要显著的热能将蓄热体加热至更高的温度。此外，由于其高热传导性，在加热期间热量也会损失到加热块周围的环境中。因此，将加热块加热并维持在PCR中使用的较高温度下需要大量的电力。此外，在PCR循环的冷却步骤期间，快速冷却加热块以减少PCR循环时间需要强大的专用冷却装置。因此，常规的PCR系统实体较大且需要相当大的功率要求。因此，常规的PCR热循环仪是体积庞大且昂贵的台式机器。此外，来自加热块的热量必须通过含有PCR混合溶液的塑料小瓶转移至PCR混合物。由于塑料的低热传导性，绝缘塑料小瓶导致向PCR混合物的低效热传递。因为热量必须从加热块传递至塑料小瓶，因此小瓶中的或加热块的表面的任何小的缺陷都会恶化已经低效的热传递。向小瓶的缓慢的热传递以及来自小瓶的缓慢的热传递可以增加PCR循环期间的加热和冷却时间，这延长了总测试时间。为了改善通过小瓶的热传递，一些设计用于更有效的热传递的PCR系统被配置为更薄的塑料小瓶以及用于小瓶插入的具有严苛压配槽的加热块。但是，即使进行这些修改，总体功率和空间要求也未受影响。此外，由于将小瓶强制插入微小压配槽中通常导致在插入期间小瓶易于变形，因此此类系统可能难以使用。
对于利用PCR的POC核酸测试(NAT)，具体地，用常规加热块或电阻加热元件加热不是理想的解决方案。加热块或加热元件的巨大功率和冷却需求以及相关的体积和对完善接触的需要对设计用于可靠的现场使用的小型、便携且有效的POC NAT诊断设备呈现了重大障碍。
最后，终点或实时荧光检测通常用于检测扩增的DNA产物。实时或定量PCR在用于现代PCR系统的扩增DNA产物的原位检测中很流行。与从这种类型的PCR方法获得可靠的结果相关存在许多挑战，这导致各分析的严格优化。多重化的需要加剧了这种情况，其中在单次测试期间需要在一个样品中鉴定多种DNA靶标。由于多路复用和试剂数目的增加，实时PCR的成本随着待检测的独特DNA靶标的数目急剧增加。此外，由于有限数量的高分辨荧光染料需要不同的光学装置，因此在常规实时PCR中多路复用受到极大限制。
为了PCR在POC应用中的广泛应用，必须改善高PCR设备的速度、大小、便携性、性能和多路复用能力，同时降低分析的复杂性和成本。
本文公开了用于核酸扩增和检测的数种方案和装置，其可以减轻至少一些先前方法的上述限制并且能够实现POC NAT的新设计。
由于装置的简单性和低成本，侧向流动测定(LFA)非常适合于一些POC应用。但是，LFA通常具有灵敏度和特异性不足。PCT/US13/023839(WO2013/116333)中描述了一种具有增加的灵敏度的LFA分析类型，将其通过引用整体并入本文。该LFA采用用作为捕获分子的抗体功能化的金纳米颗粒的等离子体加热。结合样品中的分析物的捕获分子被物理吸附于由多孔材料制备的LFA膜条上的测试区。多孔材料包含多个空隙和孔。与大多数侧向流动条一样，通过毛细管作用将样品输送至测试区。随着它流经多孔条，它在到达测试区之前与试剂混合。将与结合分析物的分子缀合的金纳米颗粒与可能包含或不包含分析物的样品溶液混合。金纳米颗粒与样品溶液中的分析物形成纳米颗粒/分析物复合物。形成的纳米颗粒/分析物复合物的浓度取决于样品溶液中的分析物以及也向测试区移动的未结合的纳米颗粒的浓度。测试区上的捕获分子与测试区内的纳米颗粒/分析物复合物结合。捕获并保持在测试区内的纳米颗粒/分析物复合物的数目取决于样品溶液中分析物的浓度。然后将激光能量用于加热金纳米颗粒。通过热成像摄像机测量测试区内产生的热量的量并将其转换为样品溶液中分析物的浓度。
再次参考PCT/US13/023839(WO2013/116333)，未结合的纳米颗粒也可以保留在测试区中，这将产生背景信号。另外，用于加热金纳米颗粒的激光能量也加热多孔膜和LFA测试条的塑料衬底，产生背景信号。由于LFA测试条的多孔膜的随机3D结构，很可能不是所有结合的金纳米颗粒都暴露于激光能量，因此对测量的信号没有贡献。
因为LFA技术通常依赖于通过毛细管作用沿LFA测试条芯吸样品，LFA技术不适合掺入洗涤步骤以去除非特异性吸附的纳米颗粒，导致非特异性背景信号。测量红外线辐射。LFA测试条中使用的塑料材料通常吸收大量的入射激光能量，导致它们加热并发射红外线辐射，还引起非特定的背景信号。纳米颗粒/分析物复合物结合的LFA测试条的多孔膜的随机结构导致不均匀地暴露于入射辐射并因此导致测量的红外线辐射的变化。此外，从多孔膜主体中的纳米颗粒/分析物复合物发射的红外线辐射必须穿过膜以及样品中存在的流体或水，其在测量期间保留在测试区中。鉴于水的高红外吸收，信号可能在逃逸到达热像仪之前被吸收。
此外，LFA技术不适合掺入靶DNA的微流体PCR扩增，这可能是需要产生足够浓度的靶DNA以被LFA测定检测。
在使用等离子体纳米颗粒的加热进行定量分析物检测的典型LFA中，测试区的捕获分子被吸附到测试区并且在随机化多孔膜材料的孔隙和间隙内。当含有纳米颗粒/分析物复合物的样品溶液流过测试区时，一些纳米颗粒/分析物复合物被测试区表面附近的捕获分子结合，而大多数纳米颗粒/分析物复合物结合在多孔膜的孔隙和间隙内。多孔膜内的空间也被流体以及样品中存在的所有其它材料占据。由于缺少去除它们的洗涤步骤，未与靶分析物特异性结合的过量纳米颗粒也可能保留在测试区中。
当测试区暴露于辐射以等离子体加热纳米颗粒时，深入多孔膜内的纳米颗粒/分析物复合物可被上面结合的纳米颗粒/分析物复合物遮蔽或仅通过膜材料本身被遮蔽。因此，在测试区中由给定数量的纳米颗粒/分析物复合物产生的热量取决于多少纳米颗粒/分析物复合物直接看到热辐射。如果在多孔膜内深处结合的纳米颗粒/分析物复合物暴露于入射辐射，则由加热的纳米颗粒发射的红外线将容易被样品中存在的水吸收。鉴于水的高比热容的固有特性，热照相机测量的温度可以根据样品中和测试区内的水含量而变化。此外，在具有数百甚至数千种不同生物和化学实体的复杂样品中，难以选择特定加热纳米颗粒而不被这些干扰物质中的至少一些吸收的辐射波长。
由于上述问题以及LFA条带的膜和塑料材料的自加热，测量的热信号或温度可能在测试之间显著变化并且可能导致不准确的结果或广泛的分布。为了开发具有洗涤步骤的稳健测定并且还能够实现基于PCR的DNA/RNA检测应用，使用诸如盒的微流体平台可能是有利的，其中样品以及其它流体可以以受控的方式被运输到盒上的不同区域。但是，由于存在过量的流体/水，一些上述问题在微流体方法中加剧。本文公开了数种用于检测纳米颗粒的方案，其可以减轻先前方法中的至少一些上述限制。
图25说明了即时核酸扩增和检测系统的一个实施方案。在一些实施方案中，该系统包括测试盒2500和电子仪器2505，也称为读取器装置或电子阅读器。在一些实施方案中，该系统还包括智能手机2510。在一些实施方案中，盒2500被配置为接收至少一个测试样本，处理至少一个测试样本以从至少一个测试样本中提取和分离DNA和/或RNA，并扩增至少一种测试样品的DNA和/或RNA中的一种或多种目的核酸序列。在一些实施方案中，读取器装置2505被设计成与盒连接，使盒的各种样品处理功能自动化，并检测扩增反应的结果。在一些实施方案中，电子仪器在本文中称为读取器装置。在一些实施方案中，电子仪器或读取器装置被配置为接收测试盒。在一些实施方案中，读取器装置被配置为与智能手机2510通信。在一些实施方案中，智能手机2510配置有应用程序(application)或应用程序(app)，其促进与读取器装置2505的双向通信。在一些实施方案中，智能手机2510和读取器装置2505之间的双向通信可以包括协议、指令、状态和/或数据传输。在一些实施方案中，智能手机2510及其驻留界面应用程序或app还被配置为捕获和处理盒2500的主体上的条形码或QR码的图像。
图26示出了测试盒2600的一个实施方案，示出了测试盒的前侧的一个实施方案(左)和测试盒(右)2600的后侧的一个实施方案。在一些实施方案中，测试盒的后侧包括条形码或QR码，其可以由使用者扫描到智能手机应用中以识别盒并配置读取器装置2505。在一些实施方案中，测试盒被配置为接收一个或多个测试样本。例如，在一些实施方案中，测试盒配置为接收细菌拭子和/或病毒拭子。在一些实施方案中，测试盒2600配置为在样品裂解室202中接收单个测试样品。在一些实施方案中，室2604和2606含有洗涤缓冲液。在一些实施方案中，室2608含有洗脱缓冲液。在一些实施方案中，室2602、2604、2606和2608中的缓冲液和溶液可以包含在室内的密封袋或泡罩包装中。另外，在一些实施方案中，室2602可含有干试剂以促进测试样品中靶细胞的化学裂解。在一些实施方案中，测试盒包括封盖片2610和2612。在一些实施方案中，封盖片配置有穿刺特征，该穿刺特征被设计成在关闭帽时刺穿所述小袋或泡罩包装，从而在每个腔室中释放适当的流体。在一些实施方案中，在样品裂解室2602中输入样品后，使用者可使用封盖片210和2612密封室。在一些实施方案中，封盖片可配置为压缩每个室内的环境空气以对每个室加压。
在一些实施方案中，测试盒包括旋转阀2614。在一些实施方案中，旋转阀包含内部通道结构，以促进流体从腔室2602、2604、2606和2608流到盒中的其它区域。除了在瓣膜内的隔离区域或腔室中捕获核酸之外，还可以进行序列测定。在一些实施方案中，旋转阀2614被配置为具有内部通道结构，所述内部通道结构填充有捕获核酸的材料，特别是二氧化硅珠、浆液、凝胶、纤维或膜。在一些实施方案中，这些材料促进从来自室2602的测试样品中捕获核酸，之后可以通过使室2604和2606的洗涤溶液流过旋转阀2614来进行一次或多次洗涤。在一些实施方案中，旋转阀物理转向以适应每个腔室中的流体的顺序切换和/或流动。在一些实施方案中，样品裂解物和洗涤溶液流过阀并进入废物室2616。在一些实施方案中，在最后洗涤之后，旋转阀2614的分离区域内的捕获的核酸可以通过加压或环境空气干燥。
在一些实施方案中，来自腔室2608的洗脱缓冲液流过旋转阀2614，导致在瓣膜的隔离区域内捕获的核酸从固体支持物解离并混合到流过瓣膜的洗脱缓冲液中。在一些实施方案中，通过旋转阀2614将洗脱物引导至至少一个反应区或扩增室2618。在一些实施方案中，测试盒的背侧与能够形成产热层的材料组装，例如所述材料可以是颜料、染料、掺杂或未掺杂的半导体、化合物半导体、碳纳米管或富勒烯、氧化物、聚合物、金属和/或金属合金。产热层可以是物理沉积的平面层，或者可以包括由上述材料的任意组合制成的颗粒或珠粒，例如金或银纳米颗粒或浸渍有颜料、染料、半导体纳米颗粒等的聚合物珠粒。在一些实施方案中，测试盒的背面组装有呈黑色的塑料，以在每个反应区或放大室的背面提供产热层。在一些实施方案中，盒的后侧可以组装有任何塑料，同时在反应区中留下打开且未密封的切口。在一些实施方案中，开口可以用比盒背面薄得多(厚度在约1微米至3毫米之间)的呈黑色的塑料片密封，粘附作为密封反应区背面的条带；该方法可能是优选的，以减少加热时间并提高加热效率。在一些实施方案中，一个或多个核酸扩增反应可以在任何反应区或扩增室2618中进行。在一些实施方案中，每个反应区可以包含相同或不同组的干燥的机载(on-board)试剂，用于鉴定一个或多个靶标核酸序列。在一些实施方案中，试剂还可以包括一种或多种嵌入染料或分子信标，其相对于特定靶序列的扩增递增地发荧光，从而指示阳性结果，如图25的实施方案中的读取器装置2505所读取。
图27示出了顶侧剖视图，示出了读取器装置2700的实施方案，示出了读取器装置2700内部的组件的示例性布局。在一些实施方案中，测试盒通过插槽2702插入仪器中。在一些实施方案中，读取器装置2700容纳设计成与测试盒连接的组件和模块，以便驱动盒的某些组件，执行和监测扩增反应并测量由成功的扩增反应产生的荧光。在一些实施方案中，键控反馈控制的步进电机2704用于驱动盒上的旋转阀。在一些实施方案中，加热引擎2706容纳光源和红外检测器，用于单独向包括反应区或扩增室的背侧的产热层供能。在一些实施方案中，每个光源2708形成角度并与每个红外检测器2710对准，使得它们的焦点都汇聚在包括每个反应区的背面的产热层上的相同点上，从而提供最佳的温度跟踪和控制。在一些实施方案中，荧光检测器模块2712在扩增反应完成后和/或扩增反应期间监测每个反应区的荧光输出。在一些实施方案中，荧光检测器模块2712可以被机动化以在每个反应区之间行进，并且它可以包括单个或多个单独的发射器和检测器。在一些实施方案中，检测器可以配置为具有波长选择透镜的单独检测器或具有聚焦透镜的光谱仪。在一些实施方案中，电路板2714包括用于控制和/或询问步进电机2704的电路、加热引擎2706、荧光检测器模块2712以及用于与智能电话进行无线通信的电路。在一些实施方案中，可充电电池2716向电路板2714以及读取器装置2700中的其它电子组件提供电力。
在一些实施方案中，红外传感器检测红外光。在一些实施方案中，红外光是中到远红外线。在一些实施方案中，中-远红外包括波长为约3μm(微米)至约1,000μm的光，或波长为其间任何范围内的值。在一些实施方案中，红外光的波长为约4μm至约16μm，或其间的任何范围。在一些实施方案中，红外光的波长为约8至约14μm，或其间的任何范围。
在一个实施方案中，如图1所示，提供了用于在如本文所述的测试盒上进行PCR的示例性装置。在该实施方案中，反应在含有一个或多个区域或反应区的衬底上进行，其中液体样品的温度在PCR反应期间循环。图1A中所示的衬底101可以在较大的衬底上构成一个这样的反应区。衬底101可以是塑料、玻璃、半导体或金属；在该实施方案中，衬底101是塑料片或薄膜。在暴露于光能时加热的光学可激发的产热层103沉积在衬底101的顶部上。产热层也可以与衬底的顶部一起沉积在底部上或仅沉积在底部上。为了本实施方案的目的，产热层103沉积在衬底101的顶侧上。能量源111产生光113，其激发产热层103。在产热层沉积在衬底顶部的情况下如果从下面用光源激发，则衬底应该是可透过的，以允许光通过并激发产热层。能量源可以是一个或多个发光二极管和/或激光二极管。光源111还可以包含聚焦和/或准直光学装置，以将光聚焦到产热层上，成为具有高功率密度的光斑。在暴露于激发光113时，产热层的温度升高，并且通过非接触式热传感器109测量，在本实施方案中，非接触式热传感器109放置在衬底101下面。或者，热传感器109可以放置在衬底101和液体样品107上方，使得热传感器暴露于但不直接接触液体样品107。通过将热传感器放置在顶部，其中它暴露于液体样品传感器可以更直接地测量液体样品的温度，因为存在于液体样品中的水是良好的吸收剂，因此是良好的红外能量发射体。热传感器109可以是红外传感器，例如电荷耦合装置(CCD)、光电二极管、热电堆或辐射热测量计装置。由于材料的低发射率，使用非接触式红外传感器难以测量金属或半导体表面的温度。在较高的红外波长，例如8-14微米，测量误差可能很大。为了产生产热层温度的准确读数，可能需要使用针对800纳米至5微米之间的检测而优化的非接触式传感器。因此，如果测量产热层的温度，则热传感器109可以是针对近红外光谱中的检测而优化的传感器，例如由例如PbS或PbSe制成的光电导体，由例如Ge、InGaAs制成的光电探测器或黑色/多孔硅。或者，热传感器109也可以集成到反应区中，使得它直接接触液体样品。液体样品107显示在孔结构105内。用于PCR的液体样品107通常是聚合酶、缓冲盐、游离核苷酸、靶DNA、引物和水的混合物，被称为PCR混合溶液。井结构105可以是包括多个反应区的衬底上的许多孔中的一个。井结构可以用光致抗蚀剂、聚合物、塑料、硅酮、聚二甲基硅氧烷、橡胶、电介质等制造。井结构可以使用模塑、光刻、压印、3D打印或喷墨印刷来制造。或者，井结构可以单独制造并粘附或粘合到衬底和/或产热层上。暴露于PCR混合溶液107的孔的表面可另外涂覆有用于产热层(或图1F的实施方案中讨论的其它层)的相同材料，从而增加用于将热量传导至液体的表面积；沉积在孔结构上的任何此类其它的层也可以进一步用硅烷和/或吸附的蛋白质涂覆，以防止干扰PCR试剂。
产热层103可以是颜料、染料、掺杂或未掺杂的半导体、化合物半导体、碳纳米管或富勒烯、氧化物、聚合物、金属和/或金属合金。产热层103可以是物理沉积的平面层，或者可以包含由上述材料的任意组合制成的颗粒或珠子，例如金或银纳米颗粒或浸渍有颜料、染料、半导体纳米颗粒等的聚合物珠。
等离子体金属，例如金或银，是产热层的一种选择，因为已知等离子体材料选择性地吸收某些波长的光，这些光在材料中引起表面等离子体共振。该等离子体激元(plasmon)诱导的光吸收可以主要通过金属中过热的自由或未结合的电子来诱导等离子体材料的加热，该电子通过材料传导热量。但是，由于低吸收系数，金属中的光学穿透深度可能很高，需要厚层以获得最佳吸收。但是，随着金属厚度的增加，蓄热体也增加，从而加剧了散热并需要更高的光功率。此外，金属在大部分可见光谱中具有非常高的反射率，将最佳吸收限制在窄光谱范围内以获得最佳等离子体共振。表现出共振辅助吸收的典型金属，例如金，通常是高成本的贵金属。
使用等离子体金属进行光学加热的一种替代方案是使用本身在某些波长下具有高吸收的聚合物或塑料膜。聚酰亚胺薄膜，例如Kapton，是一种合适的产热层，因为它吸收蓝色到绿色的波长，导致表面发热。另一种替代方案是半导体材料，例如硅或锗。半导体材料构成更有效且显著更经济和通用的产热层。半导体表现出带隙，光学激发的电子被推进到带隙之外并进入导带。激发的电子经历各种重组过程，这导致电子在每次重组事件中损失大量能量。来自这些重新组合的受激电子的能量通过声子和热振动传递。声子在整个晶格中有效地传输热能，因为与金属中的电子不同，在热传导期间，半导体晶格内的声子有净移动。某些半导体，例如锗，在大部分可见光谱中表现出相当高的吸收系数，导致宽带光的显著吸收。而且，由于锗的高吸收系数，与等离子体金属相比，材料中的光学穿透深度更小。例如，锗的吸收系数保持在400和800nm波长之间的硅的吸收系数的约10至100倍之间，对于400nm的波长，穿透深度小至约15nm。因此，可以使用更薄的锗层来有效地吸收入射光，从而简化、加速并降低沉积工艺的成本。此外，与等离子体金属不同，由于其相对较低的热传导性，可以在诸如锗的光学激发的半导体中产生强烈的局部热量，这导致较少的横向散热。此外，与其它常见半导体(如硅)相比，锗具有相对较低的比热容，从而导致给定输入光能的温度更快升高。此外，诸如锗的半导体材料可以比诸如金的等离子体贵金属低10至100倍，使得它们在大规模生产的测试盒中使用时更加经济。半导体在暴露于空气中的水分时也会在其表面自发地产生自然氧化物；原生氧化物可形成天然钝化层，防止干扰PCR试剂和组分如聚合酶。因此，与诸如金的等离子体金属相比，优选使用锗作为光学可激发的产热层。
制造产热层的另一种替代方案是利用颜料和/或染料作为光能的吸收剂。可以用一种或多种颜料和/或染料注入或涂覆衬底，例如塑料薄膜。衬底中或衬底上的颜料颗粒和/或染料分子在吸收入射光能时产生热能，并将热量传递给衬底和任何随后涂覆的层以及PCR混合溶液。例如，图1A中所示实施方案的插图1示出了包括塑料膜和颜料或染料的产热层的不同配置。在插图的第一实施方案中，产热层103由塑料薄膜104构成，顶部具有颜料和/或染料102的涂层。颜料和/或染料可以涂覆在塑料薄膜的任一侧或两侧。在插图的第二实施方案中，产热层103由塑料薄膜104构成，底部具有颜料和/或染料涂层。在插图的第三实施方案中，产热层103由塑料薄膜106构成，塑料薄膜106预先注入颜料和/或染料。另外，产热层103还可以包括直接涂覆在下面的衬底101上的颜料或染料分子层。在图1A的插图中的实施方案中，涂层显示为黑色颜料或染料，但也可以是其它颜色。可商购的染料或颜料，包括诸如印度油墨、Sharpie油墨、Permachrome、Ultrachrome等的油墨，可用作吸收剂，用于在产热层中产生热量。颜料/染料颜色可以与光源111的激发波长匹配，使得颜料/染料在入射光113的波长处显示出强吸收。或者，也可以使用提供宽带吸收的黑色颜料/染料，并且是首选的。
图1B至1E显示了具有着色的产热层的衬底对比具有金产热层的衬底的可比较的非接触温度测量。用于产生这些结果的实验装置如下所述。衬底是塑料薄膜，厚度为100微米。将产热层施加或沉积在薄膜的底部。通过简单地将黑色标记施加于着色的产热层以包被薄膜的底部表面；黑色墨水含有颜料。在电子束物理气相沉积系统中将金产热层沉积至120nm的厚度。产热层由来自LED光源的光输出激发，峰值输出为～447nm。使用可透过胶带将超薄规格的热电偶粘附在薄膜底部的产热层上，以监测产热层的温度。由热电偶测量的温度用于通过使用闭环PID控制协议改变LED输出的光强度来控制产热层的温度。将红外热像仪(FLIR T420)放置在薄膜上方，以测量薄膜顶部的温度。图表显示了红外热像仪测量的顶侧温度。产热层的温度在设定点95℃，52℃和72℃之间循环以模拟PCR热循环。
图1B和1C分别比较了在干燥条件下测量的着色的产热层与金产热层的性能。如图1B所示，带有着色的产热层的薄膜顶面温度很快达到设定点温度(通过仔细调节PID参数可以消除过冲)。加热期间测得的温度斜率约为25℃/秒。但是，如图1C所示，由于金膜的低发射率，具有金产热层的Zeonex膜的顶部表面的温度似乎没有达到设定点温度。图1D和1E分别比较了在潮湿条件下测量的着色与金产热层的性能。将10微升水滴放在每个Zeonex膜的表面上，使得红外热像仪测量加热的水的温度。如图1D所示，具有着色的产热层的薄膜顶部的水温稳定在非常接近所有三个设定点的设定点温度。由于水的额外蓄热体，在加热期间测量的温度斜率约为15℃/秒，比干燥条件慢。但是，如图1E所示，具有金产热层的Zeonex薄膜顶部的水温增加得慢得多，有时甚至达不到设定温度。另外，由于更有效的光吸收和颜料的加热，在着色的产热层的情况下，LED光源用于激发产热层的电功率降低。因此，如图1B-E中的数据所示，为了简单起见，优选着色的产热层以及具有较低功率要求的溶液温度的准确和快速的升温。
图1F中的实施方案显示了反应区的另一种配置。热传导层115可以沉积在产热层103的顶部。热传导层可以更有效和均匀地将热量从产热层传导到液体。热传导层优选由具有较高热传导率的材料制成。热传导层115可以是金属、半导体或金属合金。光学反射材料，例如银或铝，可以是优选的，因为它将任何可以穿透产热层的光反射回产热层。用于产生热量或热传导层的材料可干扰PCR混合溶液107中的酶和/或引物并抑制PCR反应。因此，薄的钝化层116可以沉积在产热层103或热传导层115的顶部，使得钝化层116是暴露于PCR混合溶液107的最顶层。钝化层的厚度希望为尽可能地薄，优选在1纳米至1微米之间，使得不会显著阻碍热能向液体样品的传导。使用半导体作为发热的另一个优点是它与诸如SiO2的半导体氧化物的相容性，使得钝化层的沉积具有直接的良好粘附性。例如，在图1A所示的实施方案中，钝化层116可以简单地是薄的原生氧化物或沉积的二氧化硅层。可以在钝化层116上进一步涂覆硅烷分子和/或物理吸附或化学吸附的蛋白质，例如牛血清白蛋白，以进一步减轻任何潜在的PCR抑制。
图2中所示的实施方案描述了测试盒内反应区的另一种配置，其中反应区包括具有夹在两个衬底之间的封闭通道或腔室的反应区，其中PCR混合溶液的温度是循环的，用于PCR反应。样品加热和冷却机构可以类似于图1中所示的实施方案。应当理解，图2中描述的一个或多个实施方案可以包含其功能与图1的实施方案中描述的组件相似的组件；此类组件可以包括衬底、发热层、钝化层、热传导层、PCR混合溶液、能量源、热传感器和光输出。因此，图2的各种实施方案的这些部件可以包含或包括在图1的实施方案的描述中为类似部件指定的任何材料。例如，产热层203可以是与产热层103相同的材料。
反应区中的通道或室(其中配置以发生PCR反应)可以以数种不同的方式组装。一个或多个通道或腔室由通道或腔室的顶部和底部上的两个衬底形成并包围。通道或腔室结构的一个优点源于在PCR温度循环步骤期间防止PCR混合溶液的蒸发。另一个优点源于可能的加倍的表面积，用于产生热量和热传导。PCR混合溶液207均等地接触两个衬底，因此两个衬底可用于加热和/或冷却液体以改善性能。在图2A-2D的实施方案中，仅底部衬底被配置用于产生热量，而在图2E-F的实施方案中，顶部和底部衬底都被配置用于产生热量。
在图2A的实施方案中，底部衬底201涂覆有产热层203，接着涂覆有钝化层216。光源211输出光能213以激发和加热产热层203，其将热量传递给PCR混合物溶液。衬底201和202可以由多种材料制成，包括半导体、金属、FR-4、聚合物、塑料、环氧树脂、树脂、玻璃、硅酮、橡胶或者它们的任意组合。底部衬底201可以对光能213可透过，因此可以优选地由塑料或玻璃制成。顶部衬底202可以由与底部衬底201相同的材料制成。或者，顶部衬底202可以由具有较高热传导率的材料制成，其可以不必是可透过的。这样的配置可以有助于冷却性能，因为热量可以通过热传导顶部衬底202快速地从PCR混合溶液207传递出来。利用辅助冷却装置，放置在读取器中使得它接触顶部和/或底部衬底或一个或两个衬底的至少一些部分，可以进一步改善冷却性能。同样，也可以使用辅助加热装置来改善加热性能。读取器中的辅助加热和/或冷却装置可以是散热器、电风扇、诸如珀尔帖冷却器的热电装置、加热块、电阻加热器、印刷电路板加热器和/或柔性电路或箔加热器。热传感器209可以放置在顶部衬底202上方以测量PCR混合溶液的温度或者测量产热层203的温度并且外推PCR混合溶液207的温度。热传感器209也可以放置在底部衬底201下方以测量PCR混合溶液的温度或测量产热层203的温度并外推PCR混合溶液207的温度。或者，可以将热传感器构建或放置在顶部衬底上以通过接触反应通道或室内的PCR混合溶液来直接测量PCR混合溶液的温度。图2G中的实施方案示出了直接制造在顶部衬底202的表面的热传感器220。然后，热传感器220涂覆有在顶部衬底202上形成钝化层216的钝化材料层。热传感器220显示为使用接触式温度传感器的实例，例如热电偶或热敏电阻，它可以简单地制造在塑料衬底上，以便集成到反应通道或腔室中。热传感器220可以简单地制造为热敏电阻材料的薄螺旋或蛇形轨道，在轨道的任一端上具有电极，用于电偏置和测量。以这种方式在顶部衬底202上制造的热传感器220的低蓄热体将能够实现PCR混合溶液的直接、准确和快速的温度测量。
在图2B的实施方案中，热传导层215放置在产热层203的顶部。然后将钝化层216放置在热传导层215的顶部上。在图2C的实施方案中，底部衬底201包含产热层203和钝化层216，类似于图2A中的实施方案。顶部衬底202包含涂覆有钝化层216的热传导层215。这种配置允许顶部衬底202由常规材料制成，如塑料或玻璃，同时仍具有优异的热传导性能，以获得更好的冷却性能。在图2D的实施方案中，在底部衬底201上的产热层203和钝化层216之间添加热传导层215。顶部衬底202包含涂有钝化层的热传导层215。在图2E和2F的实施方案中，顶部和底部衬底都配置有用于产生热量的产热层。在图2E的实施方案中，底部和顶部衬底201和202都涂覆有产热层203，接着是钝化层216。两个光源211用于利用光能213激发两个衬底上的产热层。在图2F的实施方案中，热传导层夹在底部和顶部衬底201和202上的产热层203和钝化层216之间。
增加与PCR混合溶液接触的表面的表面积可以改善加热和冷却效率和速度。由于产热材料额外表面积捕获光，产热层的表面积的增加将允许更快地加热。产热层或热传导层的较大表面积也能够使热能快速传导至PCR混合溶液。为了增加表面积，可以在底部和/或顶部衬底的表面上制造三维特征，使得涂覆到衬底上的所有后续层都符合衬底的3D结构。产生3D结构化衬底的一种方法是使用模塑方法直接从衬底表面或在衬底表面上形成3D特征。或者，可以使用光刻、丝网印刷或喷墨印刷技术在衬底上制造和/或沉积3D特征，以将光致抗蚀剂(例如，SU-8)、聚合物、旋涂玻璃或其它可透过材料图案化到衬底表面。衬底上的3D特征可以采用分布式或均匀阵列中的各种3D结构的形式。此类3D特征可以包括但不限于支柱、液滴、球体、线、线距光栅、锯齿等。另外，可以产生特别针对所使用的光的波长而专门设计的重复3D图案，例如光栅。通过所得到的3D结构化的产热层，增强对光的吸收。
图3A和3B中的实施方案示出了将3D线距图案结合到具有井结构的反应区中以限制PCR混合溶液，类似于图1中的实施方案。光源311输出光能313激发产热层303。热传感器309测量PCR混合溶液或产热层表面的温度。衬底301的表面包含3D图案层317，在该实施方案中示为线距光栅。产热层303沉积在3D图案层317的顶部，使得其符合下面的3D图案层317的形状。钝化层316沉积在产热层303的顶部，使得其符合底层的形状。在图3B的实施方案中，与图3A中的实施方案略有不同之处在于，首先在热传导层303的顶部涂覆热传导层315，然后涂覆钝化层316。
图3C-H中的实施方案示出了将3D图案层结合到具有通道和/或腔室结构的反应区中的不同配置。在图3C的实施方案中，衬底301具有3D图案层317，其涂覆有产热层303，接着是钝化层316。顶部用衬底302覆盖，形成通道或腔室。在图3D的实施方案中，衬底301具有3D图案层317，其涂覆有产热层，热传导层315和钝化层316。在图3E和3F的实施方案中，顶部衬底涂覆有未图案化的热传导层315和钝化层316，而底部衬底具有3D结构，其具有与图3C和3D的实施方案类似的层。图3G和3H中的实施方案示出了一种配置，其中产热层也沉积在顶部衬底上，接着是热传导层和钝化层。在这种配置中，光源311和热传感器309也可以放置在顶部衬底上方，以允许顶部衬底产生热量。图3G中的实施方案的底部衬底包含3D图案层317，接着是产热层303和钝化层316。图3H中的实施方案的底部衬底包含3D图案层317，接着是产热层303，重要的是，要注意，在这些实施方案中，在将3D图案层组装到盒(未示出)之前，也可以在顶部衬底上制造3D图案层。顶部衬底上的3D图案层可以与底部衬底的3D图案层相同或不同。在顶部和底部衬底上具有3D图案层的反应区中产生的双3D配置将由于额外的表面积而加速PCR混合溶液的加热和/或冷却，从而显著改善PCR性能。图3的所有实施方案说明通道或腔室结构，其中顶部和底部衬底包围反应区，可以通过减轻蒸发问题和增加接触面积来显著增强PCR的性能。顶部衬底的独特且通用的用途，其可用于产生热量和/或用于传热的额外热传导，改善了整体加热和/或冷却性能。此外，通道或腔室配置可容易地适用于微流体或实验室芯片盒。
图3I和3J中的实施方案证明了在PCR期间或之后测量PCR混合物溶液的荧光的可能配置。在图3I和3J中，激发源319产生并将PCR混合溶液307暴露于对溶液中使用的荧光分子特异波长的光321，以指示成功扩增。光传感器323在激发源319激发时检测来自PCR混合溶液的发射荧光325。图3I和3J中所示的配置使用井形式来说明该概念；图3C-H中所示的腔室或通道形式也可以适于以直接方式进行检测。可以在整个PCR过程中以实时形式或简单地在最后的扩增循环之后以终点形式监测荧光输出。
图3K和3L示出了具有沉积在平坦表面的锗产热层与3D图案化表面的衬底的可比较的非接触温度测量。用于产生这些结果的实验装置如下所述。衬底是载玻片。在电子束物理气相沉积系统中将锗产热层沉积至300nm的厚度。在图3K的情况下，300nm的锗直接沉积在载玻片的平坦表面上。在图3L的情况下，首先使用Su-8光致抗蚀剂在载玻片上制造3D线距图案。Su-8线距图案高150微米，宽10微米，每条线之间的间隔为10微米。然后在Su-8图案上沉积300nm厚的锗层。产热层由DPSS激光器模块的光输出激发，峰值输出为～532nm。在两幅图中的测量持续时间内，两个样品的光输出强度保持在相同的水平。在加热之前将一滴水置于产热层的顶部。将红外热像仪(FLIR T420)放置在载玻片上方以测量水的温度。如图3K所示，在产热层沉积在平坦表面的情况下，水的温度在约20秒的过程中升至约63℃，之后其继续较慢的斜坡至约76℃。但是，如图3L所示，在3D图案化表面的情况下，由于与产热层接触的产热层的表面积增加，水的温度仅在约2秒的时间内非常快地升至约63℃；这比具有平坦表面的样品快一个数量级，如图3K所示。此外，冷却性能也得到改善，因为具有3D图案化的产热层的样品冷却至室温(～20℃)，而具有平坦产热层的样品冷却至仅约30℃。同时。这清楚地证明了使用3D图案化的产热层来增加PCR热循环期间的加热和冷却性能的优点。
图4中的实施方案显示了塑料径迹蚀刻膜400，其可以用作衬底，在其上可以沉积后续层，例如发热层、热传导层和钝化层，以形成用于PCR的反应区域。由于其小的通孔(其用作3D图案)，轨道蚀刻的膜衬底可显著增加与PCR混合溶液接触的表面积。图4B-E中的实施方案示出了径迹蚀刻膜400的不同横截面，以示出径迹蚀刻膜上的沉积层的不同配置。在图4B的实施方案中，产热层403和钝化层416沉积在径迹蚀刻膜400的表面上。在图4C的实施方案中，产热层403沉积在径迹蚀刻膜400上，接着是热传导层415和钝化层416。还可以在径迹蚀刻膜400的底侧和顶侧沉积这些层的任意组合。图4D和4E中的实施方案示出了轨道蚀刻的配置。膜400可以由另一个下面的衬底401支撑以用于结构支撑。在图4D的实施方案中，产热层403和钝化层416沉积在径迹蚀刻膜400上，径迹蚀刻膜400粘合或粘附到支撑衬底401。在图4E的实施方案中，产热层403，热传导层415和钝化层416沉积在轨道蚀刻的膜上。在图4D和4E的实施方案中所示的两种配置中，沉积层也可以在物理沉积过程期间，沉积在径迹蚀刻膜中的孔的内表面或侧壁中以及在支撑衬底401的暴露表面上。可以使用形成角度的沉积工艺来防止沉积到孔中并将其限制在径迹蚀刻膜的表面附近或表面上。但是，产热层和随后的层沉积到孔中和下面的支撑衬底的暴露部分上实际上可以导致更均匀的加热，因为孔中的溶液将从多个表面加热。代替在径迹蚀刻膜上沉积产热层，通常用于荧光应用的黑色轨道蚀刻可用作起始衬底。黑色径迹蚀刻膜通常直接由预染色的或预着色的塑料制成。
图4F和4G示出了具有沉积在平坦表面的锗产热层与径迹蚀刻膜的衬底的可比较的非接触温度测量。用于产生这些结果的实验装置如下所述。在电子束物理气相沉积系统中将锗产热层沉积至50nm的厚度。在图4F的情况下，50nm的锗沉积在载玻片的平坦表面上。在图4G的情况下，将50nm的锗沉积在平均孔径为约1微米的聚碳酸酯径迹蚀刻膜上。产热层由DPSS激光器模块的光输出激发，峰值输出为～532nm。在两幅图中的测量持续时间内，两个样品的光输出强度保持在相同的水平。将红外热像仪(FLIR T420)放置在衬底上方以测量干燥条件下的产热层的温度。如图4F所示，在沉积在平坦表面的产热层的情况下，产热层的温度在大约6秒内上升到稳态值。冷却也很慢；温度在至少15-16秒的过程中逐渐恢复到低值。但是，如图4G所示，在径迹蚀刻膜的情况下，温度非常快地升至稳态值，仅需约一秒钟。此外，使用径迹蚀刻膜也改善了冷却性能；温度仅在约两秒钟内迅速恢复到低值。径迹蚀刻膜上的快速加热和冷却性能归因于产热层的表面积的大幅增加，因为它被涂覆在径迹蚀刻膜的微孔内。这进一步证明了使用3D图案化的产热层来增加PCR热循环期间的加热和冷却性能的优点。图4F和4G中所示的温度测量值显示为相对温度值，而不是绝对温度值。这些比较图的重要注意事项是，图4F中的温度变化速率比图4G中的慢，这意味着图4G的设置中增加的表面积有助于加速发热和冷却。此外，可以在图4F和4G之间比较相对值，图4G中的温度更高，显示出更有效的产热层。
存在各种方法来进行PCR扩增反应和随后或同时检测扩增产物。例如，可以使用两步或三步循环过程进行典型的液相PCR。液相PCR也可以用等温PCR方法进行，无需温度循环。扩增产物的检测可以通过在PCR反应期间实时检测荧光分子或探针引物或通过PCR实验结束后分子的终点检测来实现。可以调节先前实施方案中公开的PCR温度循环系统、盒和装置，使得可以使用任何可用的方法进行液相PCR。
在一个实施方案中，例如，本文描述了使用标准三步法的碱性液相PCR反应的方法。图1的实施方案用于帮助描述下述方法，但应理解，该方法可适用于本公开的实施方案中的反应区的任何构型的使用。首先将可以包括靶DNA和PCR主混合物的PCR混合溶液107分配进样品限制层105中。然后用面向PCR混合溶液的热传感器109直接测量液体样品的温度，或者如果热传感器109面向产热层，则外推液体样品的温度。如果热传感器放置在衬底上方，使其捕获从PCR混合溶液发射的红外线，则其直接测量液体的温度。如果热传感器是基于接触的传感器并且放置在限制层的样品井内，与PCR混合溶液直接接触，则它还通过接触来直接测量液体的温度。如果热传感器放置在衬底下方，使其捕获从产热层的底表面发射的红外线，则基于光输出功率、曝光时间、基准/起始温度和加热的产热层的温度来间接外推或计算大部分液体样品的温度。接下来，将产热层103从能量源或光源111暴露于光113，直到温度达到至少95℃，如通过热传感器109测量，以允许DNA模板的初步变性。能量源或光源111可以以稳态或变化的功率水平通电；或者，功率水平可以从零逐渐增加到更高的值，直到达到所需的温度。在整个PCR实验期间，通过使用比例、比例-积分或比例-积分-微分(PID)控制器电路或软件，基于来自热传感器109的测量结果来调节能量源或光源111的光输出113，将产热层的温度保持在或接近所需的理想值。由逻辑电路和/或软件控制的热传感器109和能量源或光源111形成闭环温度控制系统，用于主动控制PCR混合溶液107的温度。PCR混合溶液加热到特定温度由下述提供：在闭环温度控制系统的帮助下调节光输出113，同时通过液体损失热能到环境和/或产热层103和/或热传导层115的蓄热体来促进冷却。在初始变性步骤中，将温度降低至适当水平以使引物与DNA模板或扩增子退火。接下来，根据所用聚合酶的类型，将温度升高至允许引物延伸的最佳聚合酶活性的水平。接下来，将温度升高至适于延伸DNA变性(～95℃)的水平。然后以受控方式在变性、引物退火和引物延伸温度之间将PCR混合溶液的温度重复循环，从而促进多个PCR循环。在完成所有PCR循环后，可以进行最终的变性循环。最后，将温度降低至低值(例如室温，～25℃)，以允许定量或定量测量荧光分子或探针的荧光，荧光分子或探针可存在于PCR混合溶液107中；如果靶DNA被扩增，分子将发出荧光，表明PCR反应成功。
前述实施方案中讨论的室、孔和通道构型可以容易地用于液相PCR，其中扩增反应在溶液的大部分中发生。所有这些构型也可用于固相PCR，其中一组或多组引物附着于固体表面，导致扩增过程发生在引物附着的固体表面附近或其上。图5A中的实施方案示出了由具有3D图案层517的衬底501和图案化并沉积在其表面的产热层503组成的示例反应区的剖视图。接头层527由中间化学分子组成，用于固定用匹配的连接化学分子修饰的核酸引物，用于与接头层共价结合。在图5的实施方案中，链接层527被示出其在产热层503的顶部被修改。但是，应该理解，链接层527可以被修改为可以在产热层503上沉积的任何后续层，如先前实施方案中所述。例如，接头层527可以沉积在钝化层的顶部，钝化层可以沉积在产热层上。接头层527可以包括一种或多种分子，例如功能性硅烷，然后可以随后用一种或多种化学接头改性，以赋予硅烷层表面某些功能。例如，接头层可包含具有胺官能团的APTES硅烷层，其可用于结合用NHS-酯修饰的引物。或者，APTES层可以与琥珀酸酐反应，产生羧基官能团，其可以用于结合胺封端的引物。具体化学品的选择可能取决于应用，以及其它考虑因素。显示核酸引物529附着于接头层527。应当理解，图5A中的实施方案仅说明了可以进行固相PCR的反应区的一个实例配置。图5A中示出的反应区具有3D图案，但是也可以使用平面表面代替3D图案。
引物附着于产热层或随后沉积的层的固体表面上或附近可以通过不同的方法完成。图5B-E中的实施方案显示了剖面图，其描述了将引物固定在反应区上的固体表面附近的各种方法。图5B中的实施方案显示了示例性固体表面的剖视图，其中核酸引物529直接物理结合到接头层527。图5C中的实施方案示出了示例性固体表面的剖视图，其中核酸引物529经由中间化学层531与接头层527化学结合。为了解决可能的空间位阻问题，核酸引物可以与固体表面相距一小段距离附着。这可以通过使用分子网(例如葡聚糖或PEG)或物理层(例如珠子)来实现。图5D中的实施方案显示了示例性固体表面的剖视图，其中核酸引物529通过聚合物刷533(例如羧甲基葡聚糖)与接头层结合，所述聚合物刷533共价连接至接头层527。图5E中的实施方案说明了通过使用接头分子531修饰的珠子或颗粒535将核酸引物固定在靠近固体表面的方法。珠子/颗粒应能够承受在典型的PCR反应中遇到的温度，向上至约95℃。因此，珠子可以是塑料或聚合物(例如，三聚氰胺)、玻璃(例如，SiO2)、金属或金属氧化物(例如，磁珠)。珠子535可以通过珠子上的接头分子531与固体表面的接头层527的共价结合而固定在固体表面上。图5D和5E中的实施方案中所示的构型可以减轻可能的空间位阻问题，同时保持引物与产热层的紧密接近，使得引物附近的溶液的温度与固体表面(例如产热层)的温度相同或非常接近。在具有发生PCR的一个或多个反应区的测试盒中，图5B-E的实施方案中描述的方法中的一种或任意组合可用于将引物固定在反应区表面附近。在测试盒上的反应区域的每个此类反应区中，在一个或多个支撑结构上将存在许多固定的引物。例如，特定反应区可具有多层聚合物刷分子层(图5D中显示为单个分子，用于说明)或多个改性珠粒或颗粒(图5E中显示为单个珠粒，用于说明)。
图5F-H中的实施方案显示了利用通道/室形式并利用增强性能和反应速度的3D图案层的用于固相PCR的反应区的三个示例性构造的剖视图。在图5F、5G和5H的实施方案中，底部衬底501配置有3D图案层517，其表面上沉积有产热层503。在产热层503上修改接头层527以固定核酸引物529。底部衬底上的产热层由来自光源511的光输出513加热，并且通过热传感器509测量温度。在图中的实施方案中如图5G所示，另一个光源用于加热顶部衬底上的产热层503，使得顶部和底部衬底上的两个产热层产生热量。在图5H的实施方案中，辅助加热装置或元件(例如，聚酰亚胺或硅酮箔加热器)用于加热顶部衬底501，而底部衬底和沉积在其上的产热层由光源511加热。热传感器(未示出)可以物理连接到辅助加热装置或辅助加热装置和顶部衬底之间，以监测和调节顶部衬底的温度。
图5F-H中所示的三种配置使得能够以不同方法进行固相PCR。在一种方法中，使用图5F中的实施方案中所示的配置，PCR混合溶液507被底部衬底上的产热层503加热到PCR中所使用的不同温度，其暴露于来自光源511的光以方便加热。结果是，仅改变底部衬底上的产热层503的温度以达到PCR期间所使用的不同温度(变性、退火和延伸温度)。使用光学激发的产热层进行固相PCR的一个关键优点是没有必要确保PCR混合溶液507的大部分在PCR反应中达到所需温度，因为扩增反应在固相PCR期间仅在固体表面(例如，产热层)附近发生。从技术上讲，为了成功进行固相PCR反应，只需要改变或循环靠近其表面的薄层PCR混合溶液的温度。因此，需要加热和冷却的有效蓄热体仅为产热层和靠近其表面的薄层PCR混合溶液。使用光学激发的产热层使得该过程快速且有效，因为它允许对反应区的表面进行局部选择性地点加热，而不会消耗能量以不必要地加热盒或衬底等的大部分。
在另一实施方案中，本文使用图5G中的实施方案中所示的配置来公开该方法。通过分开的光源，PCR混合溶液507被顶部和底部衬底501上的产热层503加热。这种配置允许从顶部和底部的不同加热用以可能需要PCR混合物溶液在PCR期间均匀加热的应用。顶部和底部产热层503都可以在PCR循环期间被加热到相同的温度，确保PCR混合溶液的均匀加热。或者，顶部衬底501上的产热层503可用于将PCR混合溶液加热到一定温度，而底部衬底501上的产热层503可用于将底部闪热加热到不同的温度。例如，在典型的两步PCR过程中，温度在引物退火和变性温度之间循环。使用图5G中的实施方案中所示的配置，顶部衬底501上的产热层503可用于将本体PCR混合溶液的温度保持在引物退火温度，而底部衬底501上的产热层503可以用于快速地将产热层的表面和靠近其表面的薄层溶液闪热至延伸和/或变性温度。通过用热传感器509测量底部衬底上的产热层的温度可以很好地控制温度上升速率，用于光源的闭环控制。因为本体PCR混合溶液的温度不必在所有不同温度下均匀循环，所以总体测试时间减少。类似于图5G中的实施方案，图5H中的实施方案中所示的配置也实现了顶部和底部衬底之间的差异加热。但是，在图5H的实施方案中所示的配置中，顶部衬底和本体PCR混合溶液用与顶部衬底接触的辅助加热装置加热。温度循环仅发生在通过光源511的闪热加热在底部衬底501上的产热层503的表面附近的溶液的薄区域中。
图6A中的实施方案说明了测试盒的反应区域中的反应区域阵列642的实例。可以用一个或多个核酸引物序列629修饰每个反应区的表面。可以在每个反应区中修饰不同组的引物序列，使得能够从样品中检测总共20种靶序列。反应区域阵列642的大小可以适于检测应用中所需的任何数量的序列。例如，该实施方案中的反应区642阵列包含20个反应区，并且能够检测样品中1至20种独特的靶序列。图6A的插图中的剖视图示出了用于固相PCR的一个反应区表面的引物固定的实例。在该插图中，引物629固定在反应区的表面上，并通过表面化学层627和631的组合直接在衬底601上的产热层603的顶上。图6B中的实施方案说明了单个反应之间的区域。区域644可以升高到每个反应区域的表面上方，使得反应区域的表面形成注入PCR混合溶液的孔或通道的底部，并且可以定位并容纳PCR混合溶液。可以通过在反应区顶部上形成、图案化或放置图案化的塑料、聚合物、抗蚀剂或氧化物层来制造孔或通道。可以通过制造图案化的层来形成孔，使得其在圆形反应区的顶部被蚀刻掉，仅留下反应区的表面暴露。或者，可以通过蚀刻掉暴露行或列反应区的矩形条和每行或每列中的连续反应区之间的中间空间来形成通道。在反应区阵列顶部制造这种孔或通道的另一种方法是将预切割的塑料插入物粘附或粘合在反应区阵列的顶部。图6B的插图中的剖视图示出了固定在这些孔或通道底部的一个反应区表面的引物用以固相PCR的实例。在该插图中，引物629固定在反应区的表面上，直接在衬底601上的产热层603的顶上以及由图案层644经由表面化学层627和631的组合形成的井或通道中。此类配置如图6中的实施方案所示，一组独立分离的反应区也可用于液相PCR。图6C中的实施方案说明了反应区642的阵列，其具有配置用于液相PCR的光学激发的产热层。反应区642阵列中的各个反应区由3D图案层644隔离，该3D图案层644在该示例性实施方案中被配置为井结构阵列。图6C的插图显示了用于液相PCR的示例性反应区的横截面图示。衬底601上的产热层603具有可选的在产热层603上的钝化层616。钝化层616可以是氧化物、塑料、硅酮或聚合物。或者，如果使用染料或颜料作为产热层，则可以通过用吸收性染料或颜料预先注入衬底或通过在衬底601的任一侧上沉积染料或颜料将产热层整合到衬底中。或者通过将另一可透过衬底与颜料/染料粘附/粘合到衬底601上。3D图案层644(该实施方案中的井结构)保持PCR混合溶液在井中和产热层上隔离，构成了可以进行液相PCR的反应区。可以通过非接触式红外传感器或接触式热传感器609监测产热层603和/或PCR混合溶液607的温度。如在先前实施方案中，来自光源611的光输出613激发产热层603，其将热能传递进溶液。
通过确保光源611暴露于具有已知和/或均匀强度分布的光输出613的阵列中的所有反应区，可以同时控制反应区642阵列中每个反应区的表面温度。或者，放置在光源和衬底之间的液晶光学元件，例如玻璃上芯片液晶装置，可以有助于离散地控制阵列中每个反应区下的光输出强度。通过控制液晶打开和关闭的频率，可以控制通过每个液晶像素的光输出，允许不同的光强度到达阵列中每个反应区的底部。也可以使用DLP镜像芯片来实现。图6D中的实施方案示出了来自单排反应区阵列的四个反应区650-653的横截面视图。到每个反应区的光输出能量613由放置在衬底601下方的玻璃上芯片LCD光学装置655单独控制，使得LCD芯片中的像素组被单独激活，以控制到达在阵列中的每个反应区下的产热层603的光的强度分布。以这种方式，LCD组件可用于在使用单个光源的同时向阵列中的每个反应区提供不同强度的光。该方法还可以允许校正光源输出的不均匀性(例如，校正来自LED光源的高斯光强度分布)，以向阵列中的每个反应区提供均匀强度的光。非接触式热传感器609用于在加热时从顶部监测每个反应区的温度。或者，可以在反应区阵列上扫描具有窄相干光束的目标能量源，例如激光二极管，在每个反应区下停止光束一段时间，使产热层达到所需温度。图6E中的实施方案示出了来自单排反应区阵列的四个反应区650-653的横截面视图。在阵列中的每个反应区上扫描光输出光束613，使得将每个反应区暴露于光束一段时间，所述一段时间是达到所需的温度所需要的时间，如非接触式热传感器609所测量的。转向装置657用于机械地或电子地操纵从光源611输出的光束613，光束611附接到转向装置657。转向装置657可以是电光束控制模块或物理检流计装置。图6D和6E中的实施方案中描述的任一种方法都可以用于分别控制每个反应区的表面温度(和每个反应区中溶液的温度)，从而允许定制和独立的PCR反应发生在阵列的每个反应区中。
尽管通过光学能量的局部点加热可以应用于使用盒式的PCR应用，但是塑料或玻璃瓶也可以用作PCR混合溶液和PCR反应的容器。在常规的实验室热循环仪中，液相PCR反应通常在由大热块均匀加热的塑料小瓶中进行。这些热循环器体积庞大，需要大量的电力需求。塑料小瓶可以适于利用在光学激发时产生热量的产热层，允许通过紧凑的低功率光源加热小瓶来代替大的热块。图7中的实施方案显示了适于允许在样品瓶中光学加热PCR混合溶液的小瓶的数种配置。为了加热小瓶内的溶液，小瓶的外表面可以涂覆有产热层，其类似于测试盒的反应区域中的反应区的表面，如本公开的先前实施方案中所述。产热层可以包括本公开中讨论的任何上述材料(例如，等离子体金属、半导体、光学吸收聚合物、或颜料和/或染料)。例如，可以在小瓶的外表面的至少一部分上沉积或涂覆薄的锗层。聚酰亚胺膜(例如带)可以粘附到小瓶的外表面的至少一部分上。在更简单的方法中，颜料层或染料层可以直接涂覆在小瓶的外表面的至少一部分上。如果涂覆一部分小瓶，则优选涂覆能由光源射入光的部分。小瓶应足够薄，具有大的表面积与体积比。小瓶的内部容积应构造成允许连续或均匀的薄液体层容纳在小瓶的内侧壁内，使得通过增加小瓶长度来容纳增量液体体积，同时保持相同的小横截面积。小瓶应该优选地具有薄的直径或横截面积，以确保热量从由光能加热的小瓶的外表面的部分均匀且快速地传递到小瓶内的溶液的主体。因此，优选具有均匀且小的矩形或圆形横截面积的薄且长的小瓶。可以基于用于应用的PCR混合溶液的体积来调节小瓶的总长度。小瓶封闭在底部并且在顶部具有可移除的盖子，其可以打开以注入液体并且在反应期间关闭以密封小瓶。图7A中的实施方案说明了设计用于与光学激发的产热层进行PCR反应的小瓶的一种可能的配置。小瓶701的外表面涂有产热层703，在本实施方案中由黑色颜料组成；黑色颜料至少覆盖小瓶的暴露于光学能量以加热的区域，或者可以覆盖小瓶的整个外表面。涂有产热层703的小瓶的外表面的至少一部分被来自能量源711的光输出713激发，以产生在小瓶内包含的PCR混合溶液707中发生PCR反应所需的热能。能量源711可以是诸如激光二极管或LED的光源，类似于先前的实施方案。图7B中的实施方案示出了另一种结构，其中小瓶702由塑料原料或颗粒模制或构建，所述塑料原料或颗粒预先注入黑色颜料或用黑色颜料染色，其用作产热层，从而不需要在小瓶的外表面进行颜料的二次涂层。如在图7A的实施方案中，小瓶包含PCR溶液混合物707并且由来自能量源711的光输出713加热。通过产热层对小瓶中的PCR混合物溶液进行局部光学加热，使得能够实现用于便携式DNA诊断的新的且非常规的形式因素。此类样品瓶内的PCR混合溶液的非接触式光学加热可以实现用于DNA诊断的紧凑和低功率便携式装置，因为可用于激发样品瓶的产热层的典型LED或激光二极管比常规的热块或加热元件显著更小且功率更有效。
为了监测和跟踪小瓶在加热时的温度，可以使用接触式或非接触式热传感器。图7C中的实施方案示出了一种配置，其中非接触式热传感器用于监测小瓶702的温度。小瓶702中的PCR混合溶液707由预染色或预着色的塑料构成，被来自能量源711的输出713的光加热。热传感器709通过测量加热表面输出的红外线辐射来监测小瓶的加热部分表面的温度。热传感器709可以是热电堆、辐射热测量计传感器芯片或焦平面阵列、或高温计。热传感器709连续或在短间隔内监测加热表面的温度，以提供反馈，使得能够实时闭环控制用于PCR反应期间的温度循环的来自能量源711的光输出713的强度。图7D和7E中的实施方案说明了使用接触式温度传感器监测小瓶中光学启动的PCR反应期间的温度的方法。图7D中的实施方案说明了通过可光学激发的塑料加热块对含有PCR混合溶液707的未改性小瓶进行局部光学加热的配置，其中可以插入未改性小瓶。将含有PCR混合溶液707的未改性小瓶701插入塑料加热块708中进行PCR反应。塑料加热块708的内表面(直接接触小瓶702的外表面)在本实施方案中涂有产热层709，例如黑色颜料。小瓶也可以用相同或另一个产热层改性，但在该实施方案中是未改性的。薄的微热电偶传感器710连接到产热层709，暴露于来自能量源711的光输出713，以监测产热层709的温度。小瓶表面的温度将紧密匹配塑料加热块708上的产热层709的温度。热电偶传感器可插入并固定在塑料加热块的孔中，使得它直接位于产热层709上或紧邻产热层709以获得准确的温度测量。图7E中的实施方案示出了一种配置，其中没有产热层的塑料块与具有产热层的小瓶结合使用。将含有PCR溶液混合物707的小瓶702插入塑料块713中。小瓶702由含有产热材料的塑料制成，例如黑色颜料，如前述一些实施方案中所述。小瓶702中的产热材料由来自能量源711的光输出713光学激发。塑料块714被配置为具有切入其中的孔或槽，通过该孔或槽插入薄的微热电偶710。将热电偶710插入塑料块714中并固定在适当位置，使得热电偶的热接点接触小瓶702的加热表面，以便监测加热小瓶的表面温度。在这种配置中，塑料块仅用于保持热电偶，同时通过小瓶上的产热层促进加热。在使用基于接触的热传感器的系统的任何配置中，热传感器可以是热电偶、热敏电阻、RTD或半导体温度传感器，其被配置为使得其接触或紧邻塑料加热块的加热表面或小瓶的加热表面。
在PCR之后需要实时或终点荧光检测的某些方案中，优选使用涂有产热层或材料的小瓶。图7F中的实施方案显示了在PCR过程期间或之后监测PCR混合溶液的荧光输出的配置。小瓶720涂覆有产热层703，例如黑色颜料，使得小瓶的一部分722保持未涂覆或去除了产热材料的涂层，使得通过开口722可见PCR混合溶液707。区域722可用于在PCR过程期间或之后监测PCR混合溶液的荧光输出。在图7G的实施方案中示出了使用图7F中的实施方案中所示的小瓶检测荧光输出的示例配置。小瓶701配置有产热层703，在产热层中具有开口722，以暴露PCR混合溶液707。荧光传感器单元724可通过光纤电缆或光纤电缆束723与开口722连接，以光学激发PCR混合溶液707并测量其荧光输出。荧光传感器单元724可以包含微型光学装置和用于荧光检测的传感器，例如LED光源，光学组件和光电检测器或微型光谱仪芯片等。此类型的配置将能够实现使用用于PCR反应的小瓶以低功耗超紧凑便携式的形式进行快速实时PCR或定量PCR。
图7H显示了实验的凝胶电泳结果，即在常规台式热循环仪中对比在使用具有光学激发的产热层的小瓶的原型便携式光学热循环仪中，扩增λDNA的90个碱基对区段。将涂覆有黑色颜料的聚丙烯PCR小瓶，类似于图7A中的实施方案中所示的小瓶，用于便携式光学热循环仪中。对于在便携式光学热循环仪中使用，将与在台式循环仪中使用的小瓶相同的PCR小瓶在小瓶的外表面上涂有黑色颜料，以在小瓶的外表面上产生光学激发的产热层。原型便携式光学热循环仪包含用于加热的LED，同时用附着在小瓶的加热表面的超薄规格热电偶测量小瓶表面的温度。如图7H所示，在使用具有着色的产热层的小瓶进行的便携式光学热循环仪中，靶DNA的扩增与常规台式热循环仪非常相似。这清楚地证明了使用具有着色的产热层的小瓶的可行性，其中通过光学能量的局部点加热用于PCR期间的热循环。
虽然图7H展示了光学加热在PCR中热循环的可行性，但使用热电偶的基于接触的温度测量可能对产品整合和功效提出挑战。通过热电偶进行温度测量需要将热电偶集成到样品瓶表面、样品瓶内部、使热电偶接触PCR混合溶液、或插入样品瓶所插入的夹具中-所有这些方法都很麻烦，成本高，在热电偶和小瓶之间需要完美接触，只提供来自小的有限点的温度数据。诸如红外(IR)传感器712(如图7C的实施方案中所示)的非接触式温度传感器提供来自由光源加热的产热层的基于区域的平均温度数据，从而提高了精度。闭环反馈系统控制光源的强度。此外，IR传感器712还有助于更容易地集成到仪器中，同时通过放松对插入力和配置的约束，使得仪器更容易用于最终使用者。图7I显示了实验的凝胶电泳结果，该实验比较了常规的基于热块的台式热循环仪和具有类似于图7C的实施方案的配置的原型便携式光学热循环仪中的DNA扩增。如图7C中的实施方案所示，在黑色颜料包被的聚丙烯PCR小瓶中扩增96个碱基对长的大肠杆菌靶序列DNA。用于该实验的原型便携式光学热循环仪采用LED光源711，其用于加热小瓶表面的黑色着色产热层。由LED光源加热的小瓶区域的表面温度由热电堆IR传感器712测量，如图7C的实施方案中所示的配置。类似于热电偶传感器710，IR传感器712提供闭环反馈，其能够实时控制来自LED光源711的光输出713的强度。但是，IR传感器712提供由LED光源激发的整个区域的更精确的温度测量，从而以更低的复杂性来提高精度。如图7I所示，使用IR传感器712的便携式光学热循环仪中的靶DNA扩增，与具有热电偶传感器710的便携式光学热循环仪以及使用加热块加热的常规台式热循环仪中的靶DNA扩增相当。这清楚地示出LED源的局部点加热的优点、效率和功效，该LED源由来自非接触式温度传感器的闭环反馈调节，用于光学热循环仪中的DNA扩增。
环介导的等温扩增(LAMP)是用于DNA扩增的常规PCR的有效等温替代方案。在自由能和相对稳定性的驱动下，LAMP反应可以在恒定温度下进行，并产生串联的DNA扩增子，其特征为凝胶上的梯状结构。与PCR相比，LAMP的样品制备更快且更简单，因为LAMP反应对反应混合物中的杂质和其它组分的敏感性显著降低。此外，由于LAMP反应在恒定温度下进行，因此与常规PCR相比，总体测定时间也得到改善，因为消除了热循环。光学加热方法特别适用于LAMP反应，因为在光学热循环仪的小型便携式形式因素中，非接触式闭环加热具有固有的低功率能力、便携性和易用性。图7J显示了实验的凝胶电泳结果，该实验比较了使用LAMP的常规基于热块的台式热循环仪和用于大肠杆菌靶DNA扩增的原型便携式光学热循环仪中的DNA扩增。从图7J清楚可见，在具有非接触式IR传感器712的原型便携式光学热循环仪中执行的LAMP反应，类似于图7C中的实施方案中所示的配置，产生了类似于台式热循环仪的结果。使用LAMP的等温DNA扩增采用更简单的样品制备和热方案，使LAMP成为便携式系统中的有利技术。用于热控制的非接触式闭环光学加热与LAMP尤其良好地协同，以实现更简单和/或便携式DNA扩增和检测系统。
图7K显示凝胶电泳结果，其中使用便携式光学热循环仪使用LAMP扩增A组链球菌(GAS)的靶基因。结果表明，便携式光学热循环仪是一种多功能工具，能够使用各种热方案对任何目标进行DNA扩增。原型便携式光学热循环仪执行DNA扩增与常规的基于热块的台式热循环仪一样好，但具有显著的优点。原型便携式光学热循环仪的功耗、尺寸和成本明显低于常规的台式热循环仪。便携式光学热循环仪中的非接触式光学加热和温度监测降低了复杂性，使其更加坚固且易于使用。此外，原型便携式光学热循环仪与典型的加热块激活热循环仪相比，通过降低仪器的复杂性进一步简化了LAMP的实施。因此，将光学热控制与LAMP配对利用了便携式光学热循环仪的有利特性，使得可以构建小而廉价但有效的DNA诊断消费产品。
再次参考盒配置，在测试盒的反应区中靶向局部加热PCR混合溶液的另一种方法是，使用直接在测试芯片或盒的反应区上制造的电阻加热器电路进行点加热。图8A中的实施方案显示了反应区的一种构型，其中在反应区下面制造了电阻加热器电路。电阻加热器电路803包括由金属、半导体或合金制成的螺旋轨道，轨道的任一端与电流驱动电路连接，电源驱动电路使电流流过轨道；可以在同一芯片/盒上制造/放置电源驱动电路。电流加热包括轨道的材料，从而将热能传递到PCR混合溶液807。电阻加热器电路803直接制造在下面的衬底801上，衬底801可以是塑料、玻璃或半导体。在反应区中或在电阻加热器电路803附近制造热敏电阻电路831，以监测电阻加热器电路附近的溶液的温度。热敏电阻电路可以配置为与处理电路连接，以将电流施加到热敏电阻轨道并分析返回电流/电压；处理电路可以在同一芯片/盒上制作/放置。热敏电阻电路831可以由金属、半导体、合金或氧化物制成。钝化层816沉积在暴露的衬底801、电阻加热器电路803和热敏电阻电路831上，以保护表面并防止干扰反应区中溶液中的生物组分。钝化层816可以由绝缘氧化物、塑料或硅酮制成。最后，在反应区周围制造或放置3D图案层844，以隔离各个反应区；3D图案层844可以以各种结构配置，包括井、腔室、通道等。3D图案层844可以由硅酮、聚合物、塑料或氧化物制成。图8A的插图显示了图8A的主要实施方案中的反应区的横截面视图，展示了各个层的构造并且显示了3D图案层844内的PCR混合溶液807，在该示例性实施方案中具有井结构。液相PCR可以在反应区中的PCR混合溶液807中进行，在每个反应区中具有电阻加热器和可选的热敏电阻电路。通过在电阻加热电路附近制造的热敏电阻电路831监测电阻加热器电路803和PCR混合溶液807的温度。或者，可以用放置在盒子之下或之上的非接触式红外热传感器监测温度，使得它可以测量由电阻加热器电路加热时由衬底或溶液发射的红外线。使用非接触式红外热传感器或内置热敏电阻电路监测温度，可以对施加到每个电阻电路加热器的电流进行闭环控制，以控制每个电阻加热器电路的温度以及每个反应区的溶液。在具有一系列反应区的测试盒中，每个反应区配置用于检测不同的核酸靶标，可能有利的是，单独控制每个反应区中溶液的温度，使得可以执行不同的反应区。同时在每个反应区中进行PCR方案(具有不同的温度要求)。因此，反应区阵列中每个反应区下的每个电阻加热器电路可以用不同的电流驱动，以分别控制每个反应区中溶液的温度，如热敏电阻电路831和/或非接触热墨盒外的传感器所读取。
图8A中的实施方案中讨论的反应区的构型可用于每个反应区中的固相PCR。图8B中的实施方案说明了配置用于固相PCR的反应区阵列中的一个反应区的横截面。电阻加热器和热敏电阻电路803和831分别制造在衬底801的顶部上并被钝化层816覆盖。反应区的边界由3D图案层844限定，在该示例性实施方案中配置为井结构。可以是化学分子层的接头层827沉积在钝化层816上。至少一组核酸引物829通过连接化学分子831共价固定在反应区的接头或钝化层的表面上。可以在该构造中通过下述进行固相PCR：使用电阻加热器电路或辅助加热装置将溶液温度维持在引物退火温度，同时闪热反应区的表面和表面上方的薄的水层(包含引物链)，在PCR的延伸和变性步骤中使用电阻加热器电路。由于核酸引物链固定在表面附近，所以仅需要在反应区表面附近快速闪热溶液薄层以使用固定在反应区表面的引物完成PCR。由于在延伸和变性步骤期间不需要均匀加热溶液的大部分，因此减少了蓄热体，从而降低了温度循环时间。图8C示出了反应区842的阵列，其具有在阵列的每个反应区上制造的各个加热器电路；可选的热敏电阻电路未示出，但可以添加到阵列中的每个反应区。每个电阻加热器电路的端部连接到驱动电路，该驱动电路控制流过每个电阻加热器电路(未示出)的电流。图8C的插图显示了反应区842阵列中的选择反应区的横截面视图，其被配置用于固相PCR。
许多检测方法可以适用于检测在前述实施方案的盒的反应区中扩增的DNA。使用在相对末端具有荧光团和猝灭剂的探针引物或嵌入染料的荧光检测是常用的，并且可以用于在本公开的实施方案中用盒进行的液相PCR中。但是，在液相PCR中，多于两个至三个靶的多路复用是复杂且昂贵的。因此，利用先前实施方案中讨论的技术(例如配置用于固相PCR的反应区阵列)进行的固相PCR，可以用作高度多重检测应用(例如，疾病组，其中单个测试应检测多种疾病和/或病原体或疾病和/或病原体的多种血清型和/或菌株)的替代方案。具有阵列反应区的固相PCR(单独或分批加热)特别适合于多重化，因为不同的核酸靶在阵列中物理分离(阵列中的每个反应区用不同的引物组修饰)检测不同的目标。用于液相PCR的上述基于荧光的方法也可用于检测在固相PCR期间在不同表面(表面、聚合物刷、珠/纳米颗粒)上延伸的扩增链。另外，也可以使用荧光标记的引物，其在靶DNA模板的存在下掺入延伸的链中。图9A中的实施方案显示了示例性反应区的表面，以说明用于检测扩增的固相PCR产物的方法。通过使用光能在衬底901上的产热层903上方的液体的薄的区域进行热循环来加热产热层903来进行固相PCR。在扩增之前，表面包含至少一组引物，例如通过表面化学层931固定在接头层927表面的正向引物。反应区表面上方的PCR混合溶液含有一组或多组引物，例如具有至少一种荧光标记的引物，如反向引物。在固相PCR期间，正向和反向链延伸均发生在表面上，导致扩增链946从固定的引物组延伸，扩增链948从PCR混合溶液中的反向引物延伸，其中反向引物已共价结合至荧光分子952。作为成功的固相PCR的结果，反应区的表面将具有许多延伸的扩增子并因此是具有荧光的。图9B中的实施方案显示了示例性反应区的表面，以说明用于检测扩增的固相PCR产物的另一种方法。通过使用光能在衬底901上的产热层903上方的液体的薄的区域进行热循环来加热产热层903而进行固相PCR。在扩增之前，表面包含至少一组引物，例如正向引物，通过表面化学层931固定在接头层927的表面上。在该实施方案中，在反应区表面上方的PCR混合溶液含有一组或多组引物以及至少一组荧光标记的核苷酸953，“G”或鸟嘌呤。在有义和反义扩增子947和949的正向和反向延伸期间，在PCR期间，将一定数量的荧光标记的核苷酸953掺入延伸的DNA链中，从而使得反应的表面在成功PCR时发荧光。图9C中的实施方案显示了20个反应区942的阵列，其配置用于使用光学激发的产热层对样品中的20种可能的靶标核酸序列进行固相PCR检测。用不同的引物组修饰阵列中每个反应区的表面，以检测不同的靶标。阵列中的每个反应区由3D图案层944隔离，在该实施方案中被配置为井结构。在该实施方案中，20个靶标核酸序列中的7个存在于样品中，在PCR过程之后，在反应区942的阵列内产生7个荧光点，如反应区960。样品中不存在其它13个靶标，导致13个钝点，如反应区962，其在PCR过程后不显示任何荧光。图9D中的实施方案显示了10个反应区942的阵列，其配置用于使用电加热的反应区对样品中的10种可能的靶标核酸序列进行固相PCR检测。用不同的引物组修饰阵列中每个反应区的表面，以检测不同的靶标。阵列中的每个反应区由3D图案层944隔离，在该实施方案中被配置为井结构。在该实施方案中，样品中存在10种目标核酸序列中的6种，在PCR过程之后在反应区942的阵列内产生6个荧光点，如反应区960。其它四个目标不存在于样品中，导致四个钝点，如反应区962，其在PCR过程后不显示任何荧光。以此类方式，在使用由光激发和/或电激活的产热层实现的紧凑且低功率的读取器的快速PCR过程之后，可以快速实现多个目标的多路检测。
在使用具有电激活的产热层的盒上的反应区的固相PCR的情况下，可以在没有任何光学组件的情况下，促进PCR和检测。这是通过选择DNA的电化学检测而不是基于荧光的读数来实现的。为了促进反应区表面上扩增的DNA靶标的电化学检测，可以在反应区的顶部与电阻加热器和/或热敏电阻电路一起制造类似电化学电池的简单电化学电路。
在前述实施方案中利用由光激发和/或电激活的产热层构建的反应区，可以应用各种电化学检测技术来检测扩增的DNA产物，所述液相和固相PCR都是反应区。在反应区的衬底上制造电化学电路可以实现广泛的电化学检测技术，例如电化学阻抗谱、循环伏安法、溶出伏安法、电流分析法、电位法等。图10A-C中的实施方案示出了构建电化学电路的结构，其可以构建在配置有电激活的产热层的反应区上，以及使用该电化学电路检测扩增的固相PCR产物的方法。图10A中的实施方案显示了由3D图案层1044隔离的反应区阵列的一个样品反应区，其配置有电阻加热器1003和在衬底1001上制造的热敏电阻1031电路，类似于图8中的实施方案。电阻加热电路1003与热敏电阻电路1031和/或非接触式热传感器一起使用以在反应区中进行PCR热循环。在该实施方案中，分别包括电化学电路的工作电极和辅助电极1063和1061被制造在钝化层1016的顶部，如图10A的插图中所示的反应区的横截面图所示。电化学电路的工作电极和辅助电极可以通过标准光刻、沉积和蚀刻技术制造。工作电极和辅助电极可以由惰性金属制成，例如金、铂、碳等。第三参比电极，其可以由在反应区阵列中的任何或所有反应区上所制造的所有电化学电路共用。可以存在于盒中且未示出。图10B中的实施方案显示了配置用于固相PCR的此类反应区的横截面图。至少一组核酸引物1029可以通过连接化学物质1031固定在工作电极的表面上。图10C示出了在成功的固相PCR之后，此类反应区的横截面图，以证明用于扩增的DNA链的电化学检测的溶出伏安法。在步骤1中，在成功进行固相PCR后，导致在工作电极表面上或附近延伸的长双链扩增子1065，反应区暴露于金属离子源，例如在硝酸银溶液中的银离子1067。可以用阳极或阴极溶出伏安法技术检测各种金属离子；在该实施方案中，银用作示例。带正电荷的银离子1067嵌入并静电连接到带负电荷的双链DNA扩增子1065，导致高浓度的银离子结合在反应区表面附近，与表面上或表面附近存在的扩增子的量成比例。在用缓冲液进行洗涤步骤之后，在步骤2中，分别在工作电极1063和辅助电极1061之间施加斜坡电压，使银离子在工作电极1063的表面上进行电化学沉积1068。作为结果，一层固体银金属1068沉积在工作电极1063的表面上。在沉积银膜1068期间，电化学电路提供用于该电化学过程的必要电子，导致测量电流的明显且逐渐的变化。在步骤3期间，施加到电化学电路的电压沿相反方向扫描，使得银从沉积的银膜1068中释放并作为银离子1067溶解回溶液中。在此过程中，电子被银释放并且由电化学电路捕获，导致测量电流的另一明显且逐渐的变化。可以进行多个溶出伏安法循环以产生可靠的平均峰值电流值以及电流变化的斜率，这两者都表示存在于反应区表面上或附近的扩增子的量。
电化学检测也可以在盒中进行，其中反应区配置有光激发的产热层。事实上，使用光激发的产热层可以降低需要在反应区上制造的电路的复杂性。图10D-F中的实施方案说明构建电化学电路的结构，其可以构建在配置有光激产热层的反应区上，以及使用电化学电路检测扩增的固相PCR产物的方法。图10D中的实施方案显示来自由3D图案层1044隔离并配置有光学激发的产热层1003的反应区阵列的一个样品反应区，类似于图6中的实施方案。光学激发的产热层1003与非接触式热传感器，用于在反应区中进行PCR热循环。在该实施方案中，分别包括电化学电路的工作电极和辅助电极1063和1061被制造在产热层1003的顶部，如图10D的插图中所示的反应区的横截面图所示。或者，可以将另一个衬底或钝化层(例如，塑料或氧化物)放置在产热层1003的顶部上，然后在该衬底或钝化层的顶部上制造电化学电路。电化学电路的工作电极和辅助电极可以通过标准光刻、沉积和蚀刻技术制造。工作电极和辅助电极可以由惰性金属制成，例如金、铂、碳等。第三参比电极，其可以由在反应区阵列中的任何或所有反应区上制造的所有电化学电路共用。可以存在于盒中且未示出。图10E中的实施方案显示了配置用于固相PCR的此类反应区的横截面图。至少一组核酸引物1029可以通过连接化学物质1031固定在工作电极的表面上。图10F中的实施方案说明在成功的固相PCR之后，此类反应区的横截面图，以证明用于扩增的DNA链的电化学检测的溶出伏安法。在步骤1中，在成功进行固相PCR后，导致在工作电极表面上或附近延伸的长双链扩增子1065，反应区暴露于金属离子源，例如在硝酸银溶液中的银离子1067。可以用阳极或阴极溶出伏安法技术检测各种金属离子；在该实施方案中，银用作示例。带正电荷的银离子1067嵌入并静电连接到带负电荷的双链DNA扩增子1065，导致高浓度的银离子结合在反应区表面附近，与表面上或表面附近存在的扩增子的量成比例。在用缓冲液进行洗涤步骤之后，在步骤2中，分别在工作电极1063和辅助电极1061之间施加斜坡电压，使银离子在工作电极1063的表面上进行电化学沉积1068。作为结果，一层固体银金属1068沉积在工作电极1063的表面上。在沉积银膜1068期间，电化学电路提供用于该电化学过程的必要电子，导致测量电流的明显且逐渐的变化。在步骤3期间，施加到电化学电路的电压沿相反方向扫描，使得银从沉积的银膜1068中释放并作为银离子1067溶解回溶液中。在此过程中，电子被银释放并且由电化学电路捕获，导致测量电流的另一个明显且逐渐的变化。可以进行多个溶出伏安法循环以产生可靠的平均峰值电流值以及电流变化的斜率，这两者都表示存在于反应区表面上或附近的扩增子的量。液相PCR产物也可以通过这些电化学检测方法检测，其通过在工作电极表面上简单地固定至少一组互补的单链DNA探针，从溶液中捕获变性的扩增PCR产物，然后进行电化学检测方案。
在图11的实施方案中示出了配置用于使用光学激发的产热层的液相PCR的原型盒作为示例。图11A中的实施方案示出了盒的俯视图。盒1100由粘附到每个后续层的塑料层组成。该盒包含用于样品收集和操作的密封腔室和通道以及发生液相PCR的最终腔室。该盒还含有干燥的板载试剂，用于在适当的位置进行细胞裂解和PCR。缓冲液包含在泡罩包装1102中，而空气包含在泡罩包装1104中。样品在样品收集室1105中收集，其中海绵1107用作样品收集海绵以及预先沉积有干燥裂解试剂的膜。阀室1109是用作阀室的空室，配件(未示出)插入其中以阻止流体流动。可以看到产热层1103为黑色，并且可以放置在盒子的整个流动路径或部分下面；在该实施方案中，产热层1103是已注入吸收性黑色颜料的塑料片。液相PCR在PCR室1111中进行。PCR室的右端也标记通道结构的末端，其配有疏水性塞子1113，其抵抗流体流动。通气孔1115放置在疏水塞1113上方的塑料密封膜中，以释放背压并促进流体流过盒。图11B中的实施方案示出了盒的分解图，以更好地示出其结构。盒的底部是塑料片，在右侧具有圆形切口，以允许来自读取器(未示出)中的能量源的光在PCR期间暴露在产热层1103。产热层1103是注入吸收性黑色颜料的薄塑料片。下一层是通道定义层1101，其包括塑料片，通过该塑料片切割通道结构(整个塑料的深度)。将海绵1107插入样品收集室1105中。当样品插入样品收集室时，它将预先干燥的裂解试剂水合到海绵1107上。将亲水过滤器1127插入通道的连接样品收集室1105和阀室1109的部分。过滤器1127用于从裂解的样品中过滤掉过量的蛋白质和细胞碎片，让核酸流过。疏水塞1113阻挡流体流动，同时允许空气通过，从而促进流体流过盒。密封层1125是具有适当切口的塑料片，以暴露样品收集室和阀室以及通气孔以允许气流。下一片塑料1123分别容纳包含缓冲溶液和空气的两个泡罩包装，1102和1104。最后，封盖块1121为下面的层和适合组分的深度提供保护，以密封和/或阀门调节暴露的样品收集室和阀室。封盖块1121中的两个小孔具有螺纹，以匹配下图所示的配件1131和1133的螺纹。图11C中的实施方案示出了组装的盒的侧视图。在将样品插入样品收集室之后，使用者将配件1131拧入封盖块1121中。在插入盒之前，样品可以直接插入或与盒外的小瓶中的缓冲液混合。如果样品与缓冲液混合，则使用者使用一次性塑料移液管将指定量的样品插入样品收集室。配件1131是塑料插塞式配件，其密封样品收集层的顶表面。在将样品插入样品收集室之后，配件1133也拧入封盖块1121中。配件1133与配件1131的不同之处在于它包含一个固体塞子，该塞子延伸超过配件的底部并进入阀室的内部，使得它防止流体流过阀室并进入PCR室1111。必要的是，将样品包含在样品收集室中一段特定的时间以允许细胞裂解发生。在细胞裂解发生后，使用者松开配件1133，允许流体流过后续腔室。按下含有缓冲液的泡罩包装以将缓冲溶液释放到盒的通道中。缓冲溶液流到样品收集室并与样品混合。它也可以流入亲水过滤器并继续进入PCR室。但是，为了确保流畅的流动，压缩含有空气的泡罩包装，从而将混合的缓冲液和样品推过亲水过滤器并进入PCR室1111。如图11D中的实施方案所示，在样品和缓冲液移动后，使用者将盒1100插入读取器1137中的槽1135中。读取器1137包含用于光学激发盒中的产热层的能量源以及用于在PCR热循环期间监测温度的热传感器。读取器1137还可以包含用于扩增产物的实时或终点荧光检测的光学装置；通过从顶侧对盒的PCR室中的溶液成像来促进荧光检测，因为密封层1125是可透过的。读取器1137还包含电源、控制和处理电路以及通信电路，以与诸如智能电话或计算机的主机进行控制和状态命令以及结果的通信。
高灵敏度蛋白质诊断通常通过多步骤和费力的过程进行，例如酶联免疫测定(ELISA)。由于测定的复杂性和用于执行测定的设备，通常仅在集中式实验室中执行诸如ELISA和其它高性能测定的复杂测试。图12中的实施方案显示了用于多步骤诊断测定的自动化的简单平台，其特征在于自动化样品处理、混合和废物遏制。图12A中的实施方案示出了圆形旋转盒1200的侧视图。盒具有凹陷1202的反应室，向下进入盒的中心体积。盒的顶部具有两个通气孔1204。蓝色箭头表示在操作期间盒的圆周运动。图12B的实施方案示出了旋转盒1200的横截面视图。反应室1202是盒的中心体积中的中空切口室，并且保持插入腔室中的样品和其它流体。用衬底1206密封反应室的底部表面，衬底1206可以包括方案中使用的任何测定组分。在该实施方案中，底部衬底1206包含测定芯片1214，其容纳测定所需的测定组分和/或试剂。该芯片可采用多种形式，例如用于不同类型测定的电子或塑料芯片。衬底和旋转盒可以适于允许各种不同类型的测定。中空废物室1210围绕反应室1202并且用作储存器，用于在将它们用于在反应室中的测定芯片1214上进行的测定中之后保持测定中使用的不同流体。废物室1210和反应室1202由具有倾斜侧壁的中空上升井1208分开，以允许流体从反应室流入废物室。在反应阶段期间，其中在测定期间将溶液插入反应室中，由于中空上升井1208的倾斜壁提供的阻塞，其保留在反应室中。接下来，为了从反应室中除去反应的溶液，盒子通过读取器或仪器中的马达绕其中心轴线旋转，使得流体被赋予能量以跨过中空上升井1208的倾斜侧壁上升并落入废物腔室1210中，从而清除先前来自反应室的溶液，为分析的下一步做准备。通气孔1204被疏水性塞子1205阻挡，使得空气穿过通气孔而不泄漏任何溶液。废物在盒内是独立的。以这种方式，多种溶液可以与测定芯片1214的表面串联反应，而不会受到测定期间使用的任何其它溶液污染。废物室1210、反应室1202、衬底1206和测定芯片1214的尺寸可以基于测定中的步骤数或测定期间使用的溶液总体积来配置。中空上升井1208的侧壁的斜度可以设计成仅当盒以特定阈值速度旋转时溶液才能在其上流动并进入废物室。这允许在低或振荡旋转速度的反应步骤期间，在反应室中混合或搅动溶液。
图12C中的实施方案是用于说明使用图12A和12B的实施方案中公开的旋转盒1200的示例测定程序的方案。在图12C的实施方案中，为了清楚起见，仅使用旋转盒的小切口横截面图，并突出显示盒的底部，其中反应在反应室中发生。在步骤1中，将含有目标分析物的样品溶液1220插入反应室1202中以使其与测定芯片1214反应。在步骤2中，将旋转盒以振荡模式旋转以搅拌和混合样品溶液1220，允许与测定芯片1214上的测定组分更有效地反应。在步骤3中，旋转盒以阈值速度旋转，迫使样品溶液1220流过中空上升井1208的屏障并进入废物室1210，从而抽空反应室1202。在步骤4中，将金纳米颗粒缀合物溶液1222插入反应室中，以与测定芯片上的测定组分反应。在步骤5中，旋转盒以振荡模式旋转以搅拌和混合金纳米颗粒缀合物溶液1222。在步骤6中，旋转盒以阈值速度旋转，允许金纳米颗粒缀合物溶液以抽空反应室。在步骤7中，将洗涤缓冲液1224插入反应室中，以在测量之前从测定芯片中除去未反应的样品、金纳米颗粒缀合物和其它测定组分。在步骤8中，旋转盒以阈值速度旋转，允许废物缓冲液以抽空反应室，将测定芯片准备好进行测量。在最后的步骤9中，读取器(未示出)中的激发源用能量1226激发测定芯片，从而从测定芯片发射另一能量1228，然后由读取器(未示出)捕获和分析。如该实施方案分析中所示，可以使用旋转盒以简单的方式执行需要多个步骤和溶液的复杂测定，而无需额外的设备。盒可适用于任何测定方案。
本文的一些实施方案涉及使用纳米颗粒标签检测生物标志物或分析物以提高灵敏度、特异性和性能的装置和方案。在一些实施方案中，如图13A所示，公开了分析盒的测试区。衬底1301包含一个或多个分析物捕获区1302。衬底1301可以包括单一材料或一堆或多层的不同的材料。衬底1301可以包括不吸收入射能量并因此不经历自加热的材料，例如玻璃、反射金属、可透过塑料或半导体材料。另一种选择是用反射材料涂覆衬底1301的表面，例如反射金属或介电镜堆叠。捕获区1302的表面包括捕获探针分子，其用于将蛋白质、靶DNA或RNA特异性捕获到表面上。捕获区1302以离散间隔的区域放置在衬底1301上，使得通过扫描能量源或通过物理移动衬底1301来单独扫描入射能量源(例如，激光束)穿过每个捕获区1302。捕获探针分子可以包括多种捕获探针，例如化学分子、抗体、单链或双链DNA和/或人工产生的探针，例如适配体、DNA酶或合成捕获分子。以这种方式，来自溶液的纳米颗粒/分析物复合物可以均匀地捕获在捕获区1302的表面上，使得所有或基本上所有纳米颗粒接收均匀的入射能量分布。或者，如图13B中的实施方案所示，可以将多个不同的捕获探针分子置于单个捕获区1302上，使得入射能量源同时暴露于捕获区1302中的所有或基本上所有捕获探针。入射在测试区的一个或多个捕获区1302上的能量的光斑尺寸可以小于或大于用捕获探针分子功能化的总表面积。如在后面的实施方案中所讨论，捕获区1302中的捕获探针分子的密度可以通过用3D结构图案化表面来显著增加，捕获探针分子可以附着在其上。此类3D结构将增加给定区域中附着的纳米颗粒的密度，而不会引起不均匀的光暴露或阴影，从而增加测量的响应或信号。
捕获探针分子可以物理吸附到测试区中的捕获区的表面或通过接头化学物质共价连接，所述接头化学将探针结合到捕获区1302的表面。捕获探针分子的共价连接是优选的，因为它将促进在整个捕获区1302上均匀且可重复地捕获分析物。在任何给定浓度下捕获的分析物的表面密度的可重复性通过缩小测试之间的热响应分布来提高结果的准确性。图13C显示了说明共价连接到捕获区表面的各种探针的横截面图。衬底1301可以涂覆有交界层1303。交界层1303可以包括多于一种的材料或层。例如，可以在衬底1301上涂覆高反射金属或电介质叠层，然后涂覆介电材料或聚合物以进行有效的化学改性。该改性或交界层将在暴露于入射能量时抑制或防止衬底1301自加热。实际上，反射层将反射最初未被纳米颗粒吸收的入射能量反射回纳米颗粒以增强吸收和热响应，从而同时提高灵敏度并改善信噪比。图13C(左侧)显示了这样的实施方案，其捕获探针分子通过接头分子1304或通过表面的直接化学修饰直接锚定到捕获区的表面或通过交界层1303锚定到捕获区的表面以允许捕获探针分子的共价附着。接头分子1304可以附着于捕获区的表面或附着于交界层1303(如图13C所示，左侧)。接头分子1304是双功能分子，例如硅烷或其它化学分子，这使得分子的一个末端共价连接到捕获区或交界层的表面，而另一个或多个末端含有用于结合捕获探针分子的官能团。可选地或另外地，探针可以物理吸附到衬底1301的表面，如图13C右侧所示。可以通过微注射器或喷墨印刷使捕获探针分子点干燥于测试区的捕获区上。类似的方法可用于使具有接头分子和/或捕获探针分子的裸露的纳米颗粒功能化。
图14A中的实施方案说明了一种进行具有改进性能的纳米颗粒分析的方法。使样品1401流过微流体分析盒或平台，该微流体分析盒或平台被分成用于各种过程的单独区域。样品1401可以进行初始过滤，然后进行细胞裂解和另外的过滤以除去细胞残余物。接下来，将样品与捕获探针分子1410修饰的纳米颗粒1405混合，捕获探针分子1410捕获靶分析物1415(如果其存在于样品1401中)。纳米颗粒1405可全部用相同的捕获探针分子或不同的捕获探针分子修饰用以多路复用。如果多路复用，旨在捕获不同分析物的纳米颗粒1405的大小和组成也可以不同。纳米颗粒405可以储存在分析盒的固体表面上或沉积在固体表面顶部的膜材料上。然后将包含纳米颗粒/分析物复合物1416(包含纳米颗粒1405、捕获探针分子和捕获的分析物1415)的溶液流向分析盒的测试区，在那里，其与捕获区表面的捕获探针1421结合。捕获区1420可以是分析盒上的微流体通道或区域的一部分，或者它可以位于集成到分析盒中的单独衬底上。用于捕获区1420的衬底可以包括固体材料，例如塑料、金属、玻璃或半导体，例如硅。捕获探针1421结合并捕获纳米颗粒/分析物复合物1416上的分析物1415，从而将纳米颗粒1405锚定到表面。可以进行一个或多个洗涤步骤以帮助确保洗掉所有或基本上所有非特异性结合的纳米颗粒以提高特异性和准确性。接下来，能量源1430(例如，激光束)入射到测试区的捕获区1420上，使得捕获的纳米颗粒/分析物复合物1416暴露于入射能量1431。纳米颗粒/分析物复合物1416可能浸没在分析盒的测试区内的流体中。选择纳米颗粒1405使得它们特异性地吸收入射能量1431。响应于共振波长的入射光，选择的纳米颗粒经历快速加热并发射红外能量1426，然后由热检测器1425检测。在暴露于入射能量1431和/或测量热响应之前，可以从测试区域中移除流体。可以通过使空气流过测试区以迫使流体流出来实现流体的移除。从测试区移除大部分流体可以增强测量的热响应，因为将保留较少的流体以吸收由捕获的纳米颗粒1405发射的红外能量1426。
图14B中所示的实施方案说明了用于进行纳米颗粒分析的另一种方法。样品1401经历与前一实施方案中描述的相同的任选的过滤和裂解步骤。然后样品1401立即流到测试区，其中样品中的分析物1415附着于测试区中捕获区1420的表面的捕获探针分子1421(图14B，右上)。一个或多个洗涤步骤可有助于确保在表面上特异性捕获靶分析物后洗去非特异性吸附的分析物。接下来，用捕获探针分子修饰的纳米颗粒1405流到测试区，在那里它们与分析物1415结合，分析物1415已经被捕获在捕获区1420的表面上(图14B，右下和中下)。同样，一个或多个洗涤步骤可有助于确保在表面上特异性捕获纳米颗粒1405之后洗掉非特异性吸附的纳米颗粒。接下来，能量源1430暴露捕获区1420并使捕获的纳米颗粒1405经历加热，其由热检测器1425检测。该方法可通过减少总测试时间来改善性能。由于较小分子的较快扩散速率，溶液中的游离分析物能够比纳米颗粒/分析物复合物更有效和/或更快地与表面的捕获探针结合。该方法的另一个益处是，每个纳米颗粒1405仅结合在表面上捕获的单个分析物分子，而在图13A的先前实施方案中，每个纳米颗粒1405可结合若干分析物。纳米颗粒与分析物的比例为1：1是优选的，因为与同一纳米颗粒结合的多种分析物对测量的信号没有贡献并因此被浪费。如果未除去非特异性吸附的纳米颗粒，该比例可以大于1：1。相反，如果单个纳米颗粒具有多于一个附着的分析物，则该比率可以小于1：1。该比例的这种偏移的程度取决于表面改性过程、测定条件和程序，以及所用纳米颗粒的尺寸和形状。该比例可以是例如约1：0.5至约1：1.5。因此，当将测量的热响应与样本1401中的分析物的估计浓度相关联时，该实施方案中描述的方法可以提高结果的准确性。
图14C中所示的实施方案说明了用于进行纳米颗粒分析的另一种方法。在任选的裂解和过滤步骤之后，将含有一种或多种分析物1415的样品与捕获探针分子1410混合，形成分析物-探针复合物1432。然后使分析物-探针复合物1432流向测试区，在那里，其被捕获在测试区中的捕获区1420的表面上。用捕获探针分子1435修饰纳米颗粒1405，所述捕获探针分子1435特异性结合分析物1410上的某个位点(例如，蛋白A或蛋白A/G，其特异性结合抗体的Fc片段)，然后流到捕获区1402。然后这些纳米颗粒/探针复合物1437与捕获区1420表面的分析物-探针复合物1432结合，然后通过能量源1430激发并用热检测器1425检测，例如，如上述实施方案所述。该方法对于简化的多路复用可能特别有用。无论样品中不同靶分析物的数量如何，相同的纳米颗粒/探针复合物1437可用于多种不同类型的分析物，从而降低材料的复杂性和/或成本。如果检测到多于一种分析物，则在捕获区的表面上捕获之前，将多种捕获探针分子(一种类型用于一种目标分析物)与样品混合。
可以将一个或多个控制区域添加到分析盒中，每个控制区域包含已知量的结合纳米颗粒。在制造分析盒期间，这些纳米颗粒可以附着于控制区域的表面。控制区域对入射能量的热响应的测量将提供参考热读数，用于在估计分析物浓度时关联来自测试区的测量的热信号。
图14D中的实施方案描述了用于进行纳米颗粒分析的方法，因为其可以应用于DNA的检测。样品1401经历细胞裂解、过滤、DNA扩增(例如，聚合酶链反应)，以及任选的过滤和分离步骤。接下来，分离DNA链，使得仅具有序列S'的单链扩增的靶DNA 1440流向测试区。捕获区1420的表面用单链DNA捕获探针分子1441修饰，其具有序列S1，其与扩增序列S'1440至少部分互补。纳米颗粒/探针复合物1443包含纳米颗粒1405和单链DNA捕获探针1442，其具有序列S2，其也与扩增序列S'1440的单独部分至少部分互补。在扩增序列1440部分结合捕获探针分子1441后，纳米颗粒/探针复合物1443流入测试区。纳米颗粒/探针复合物通过扩增序列S'1440的一部分与捕获区的表面结合，如图14D右下方所示。纳米颗粒1405的后续激发和热信号的测量与上述实施方案类似或相同。
图14E中描述的实施方案描述了用于进行DNA检测的纳米颗粒分析的另一种方法，其中在纳米颗粒1405上进行DNA扩增，得到的扩增子附着于纳米颗粒1405。在该实施方案中，纳米颗粒/探针复合物1445包含纳米颗粒1405和捕获探针链1444，它们是具有序列S'的扩增链。将扩增后与纳米颗粒上的S'连接的互补链分离，仅在纳米颗粒1405上留下S'。用捕获探针链1446修饰测试区中的捕获区1420的表面，其具有序列S，其与链1445完全互补，具有序列S'。捕获探针链1446捕获纳米颗粒标记复合物1445，然后激发和检测，例如，如上文实施方案中所述。
在上述实施方案中，纳米颗粒可以是等离子体或金属纳米颗粒，例如金或银纳米颗粒或由经历焦耳加热的材料(例如石墨烯，聚合物等)制成的纳米颗粒。纳米颗粒可以包含单一材料或多种不同材料。在核-壳结构中彼此混合或层叠在一起。这些层可以包括等离子体、金属或介电材料(例如，具有氧化物壳的金纳米颗粒，或反之亦然)。纳米颗粒可具有各种形状和尺寸，尺寸范围为约1纳米至约1毫米。形状可以是球体、棒状、立方体、笼状、星形、海胆状、薄板、管状等。
此外，该热检测方法还可以与顺磁性、超顺磁性或铁磁性纳米颗粒(例如，磁铁矿等)一起使用。在这种情况下，能量源是交变磁场。检测器可以是热检测器或磁场检测器，其将检测和计算入射磁场能量的差异以及由磁性纳米颗粒赋予的加性或减性磁场能量。
在一个非限制性实例中，捕获探针分子是针对靶蛋白的一个或多个表位的抗体或适配体，例如心肌肌钙蛋白I蛋白(cTn I)。用抗cTn I抗体1修饰捕获区的表面，其捕获靶蛋白的一个表位。纳米颗粒是用cTn I抗体2修饰的60nm金球，其捕获靶蛋白的另一表位。60nm金纳米颗粒的特征在于，在约532nm的波长下具有高吸收峰。使用中心波长为532nm的绿色二极管泵浦固态激光器(DPSS)作为激发源。
在另一个非限制性实例中，捕获探针分子是单链DNA，其与通过PCR反应扩增的DNA序列或扩增子部分互补。在该实施方案中，扩增子代表埃博拉病毒RNA基因组中的序列，其在逆转录PCR反应中扩增。用一系列与扩增子的一个末端部分互补的单链DNA修饰捕获区的表面。纳米颗粒是纳米棒，具有10nm直径和41nm长度，用另一个与扩增子的另一个末端互补的单链DNA序列修饰。10nm×41nm纳米棒的特征在于，在约808nm的波长处具有高吸收峰。使用中心波长为808nm的近红外激光二极管作为激发源。
为了增加给定浓度的分析物的热信号，在入射到衬底上的能量源(例如，激光束)的空间维度内增加纳米颗粒的密度可能是有利的。在图15A所示的实施方案中，将3D图案化层添加到衬底作为顶层，表面化学或接头分子被官能化。顶视图示出了测试区中的捕获区1501，其表面上具有图案化的三维线光栅。该图案包括在捕获区1501的表面上方突出的矩形线结构1502。图15A中所示的线光栅图案是一个示例。3D图案可以包括柱、孔或任何其它三维结构，其有效地增加了可用于特定捕获分析物以及后续纳米颗粒的表面积。或者，可以在单独的层上制造3D结构，然后将其添加到衬底1500的顶部(横截面视图)或添加到可能已经在衬底1500顶部的任何附加层。3D结构也可以是直接由衬底1500的材料制造。这些3D图案的尺寸可以变化。在任何尺寸上，结构可以小至1纳米，纳米级图案通常有利于最高表面积。3D结构包含的材料优选不能有效地吸收用于激发附着的纳米颗粒的入射能量；合适的材料可以包括某些未染色的聚合物、光致抗蚀剂、金属、金属氧化物、半导体或半导体氧化物。图15A中的横截面图示出了捕获区的衬底1500上的3D图案化的线1502，其中纳米颗粒1503特异地附接到表面。以这种方式，更高密度的纳米颗粒1503可以附着在衬底1500的较小区域中，该区域暴露于激发能量源，有效地增加了每单位面积的热响应。该方法还允许使用较小直径的激光束作为能量源，这增加了入射辐射能量的空间功率密度，从而允许较低功率的激光源用于激发。
图15B中的实施方案示出了使用3D图案化表面的热检测方法的一种可能的优化实现。两个能量源1505和1507(在这种情况下为激光二极管)以锐角定位，使得入射激光束1506和1508撞击线光栅3D结构1502的两个侧壁，在其上捕获纳米颗粒1503。检测由加热的纳米颗粒1503产生的红外线辐射1510的热检测器1509位于中心，使得其视场包围整个捕获区1502和/或测试区。
红外能量容易被水吸收，水存在于生物样品中并且是许多样品制备程序的组成部分。然而，由捕获的纳米颗粒1503发射的红外能量的吸收可以在测量的热信号方面不一致。随着吸收红外能量，水的温度会升高，尽管由于其高比热容而缓慢。在低分析物浓度下，对水的红外能量损失尤其成问题，这是由于在表面上捕获的纳米颗粒1503较少。此外，取决于测试区内的水量，水的温度在测试区内达到平衡所花费的时间将改变测试的响应时间。响应于入射能量(例如，激光束)时，衬底的任何自加热都会加剧这些问题。使用以下实施方案中描述的改进的底物和测定方法可以减轻这些问题。
图16A所示的实施方案描述了一种衬底1601，其设计用于减轻上述问题和/或改善性能。可以在衬底1601周围和顶部构建包括反应室和封闭通道的微流体平台。图16A中的顶视图示出了包括一个或多个捕获区1602的衬底1601上的测试区。横截面视图示出了该结构。衬底1601包括多层材料1606、1607、1608、1609。衬底1601的基层1609包括一层相对较厚且刚性的材料，例如聚苯乙烯；这种材料可以是塑料、金属、玻璃、织物等。基层1609为衬底1601提供足够的刚性，允许更容易处理。基层1609的材料厚度可在约1微米至约数毫米之间。基层1609以在捕获区1602的位置具有开口或孔的方式形成。层1608包括粘合材料，例如液体基粘合剂或粘合带，其将表面层1607粘附到衬底上。粘合剂层1608也形成为在捕获区1602的位置具有开口。与基础层1609中的开口相比，交界层1608中的开口的尺寸可以类似或不同。层1608可以在约数微米到数毫米之间。表面层1607可以包括低辐射红外可透过材料，其允许红外能量的有效传输，或高辐射率材料，其允许有效吸收红外能量。表面层1607优选地不显著吸收用于激发纳米颗粒的入射能量(例如，激光束)。表面层1607可以包括聚合物、塑料、半导体、半导体氧化物和/或金属氧化物。在该实施方案中，表面层1607是低密度聚乙烯(LDPE)、低辐射率塑料，其有效地传输长波红外能量(>90％)。优选使用绝热和疏水的材料，例如本实施方案中的LDPE。热绝缘表面层1607将抑制或防止测试区内的各个捕获区之间的热连通，从而增加信噪比。疏水表面层1607将允许样品或缓冲剂主要或仅被吸引到相对亲水的捕获区。表面层1607的厚度可以从大约1微米到大约数毫米变化。表面层1607优选地相对较薄，例如，相对于基层1609，以抑制或防止红外能量的显著衰减。LDPE表面层1607的表面涂覆有交界层1606，交界层1606可以被图案化为仅或主要存在于各个捕获区1602的表面上，用于有效的表面官能化。交界层1606可以包括膜材料、聚合物、半导体、半导体氧化物、金属和/或金属氧化物。在该实施方案中，交界层1606由SiO2图案化。该交界层1606还可包含3D结构以增加表面积，如先前实施方案中所述。交界层1606的厚度可以在约1纳米至约数毫米之间变化。但是，优选交界层1606相对于基层1609相对较薄，并且对红外能量可透过。或者，表面层1607可以用于表面化学和纳米颗粒的附着而没有交界层1606。或者，表面层1607可以用于一些表面化学，并且纳米颗粒和交界层1606的附着可以用于相同和/或其它表面化学和纳米颗粒的附着。
图16B中的实施方案示出了图16A的先前实施方案中描述的衬底1601的另一实施方案。为了减少或减轻由于粘合剂层1608和基层1609中的至少一些意外暴露于入射能量(例如，激光束)而导致的背景信号，可以在堆叠内添加反射层1615。该反射层1615有效地反射入射能量，而不会使下粘合层1608和基层1609的下层材料升温。反射层1615夹在粘合剂层1608之间，使得其底表面粘附到基层1609，并且其顶表面粘附到表面层1607。在该反射层1609中，在捕获区1602下方还有开口以促进红外线能量传输。反射层1615可以是对入射能量具有足够反射性的单一材料，例如金属、半导体或介电镜堆叠，或不同材料的组合，例如涂有反射材料的塑料片。
图16C中的实施方案描述了使用前述实施方案中描述的衬底的热检测系统的一种可能配置。示出了包括层1606至1609的衬底1601，其中纳米颗粒1605连接到捕获区的表面。能量源1610(这里是激光束)将捕获区暴露于入射能量1611以激发附着的纳米颗粒1605。纳米颗粒1605经历快速加热并发射全向红外线辐射1612。虽然纳米颗粒1605可以被水包围，但它们附着在交界层1606的数纳米内，红外能量在水中的吸收深度至少为数十微米。结果，红外能量1612直接且有效地透过交界层1606和表面层1607，而没有被纳米颗粒周围的水显著衰减。放置在衬底和分析盒后面的热检测器1613测量由纳米颗粒发射的该红外能量1612。某些未被吸收的入射能量部分1611也可以传输到热探测器。为了保护检测器1613免受来自能量源1610的入射能量1611，自动快门1614可以安装在读取器装置中，使得其在纳米颗粒标签被激发时阻挡入射能量1611。在设定的一段时间之后，与入射能量1611的终止一致，快门打开，使检测器暴露于红外能量1612。快门1614还可以配备半导体或热电偶温度测量装置以提供温度的测量。快门表面的一部分作为热检测器1613的参考或校准值。利用改进的响应时间的频率特定测量可用于缩短总测试时间。在激发期间，入射能量1611(例如，激光束)可以以特定频率打开和关闭，再与快门1614的关闭和打开一致，使得当入射能量1611暴露捕获区时关闭快门。
使用图16的先前实施方案中描述的衬底以及来自红外可透过衬底背面的红外信号的测量可以通过绕过存在于纳米颗粒顶部的水来显著增强性能。通过样品中的水或纳米颗粒周围的流体溶液收集并测量由纳米颗粒发射的红外能量而不衰减。此外，直接且立即测量从纳米颗粒发射的红外能量，而不是纳米颗粒周围的水的温度。因此，执行纳米颗粒分析的该方法可以导致增强的灵敏度、改善的稳定性和/或改善的响应时间。
另一种类型的衬底可以由半导体材料(例如，硅)的薄晶片或半刚性塑料(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯或PET)制成。与完善的半导体制造技术兼容的晶片可以支持在具有纳米级精度的大面积上均匀且一致地制造高分辨率2D和/或3D结构。每个包含一个或多个单独功能化的捕获区的无源传感器条带可以被高精度制造。然后可以将无源条带集成到微流体分析盒或任何其它检测平台中。
描述这种衬底的实施方案示于图17A中。衬底包括基层1701，其可以是半导体材料(例如，硅)、玻璃或塑料晶片(例如，PET)，其可以用作晶片用于后续处理和制造步骤。基层1701可以在约数微米到数毫米之间。接下来，在基层1701上沉积包括具有低热传导率的材料的绝热层1705，用于与衬底进行热隔离。如果基层1701的热传导率足够低(例如，如果基层包括塑料)，则可以不需要该隔热层1705。绝热层1705的厚度可以在约1纳米和约数毫米之间。接下来，捕获区1710或1711在基层1701的顶部上图案化和/或如图17A所示，形成隔热层1705。捕获区1710、1711可以由合适的材料制造或涂覆有合适的材料。这允许通过硅烷或其它化学物质进行后续的表面官能化。在该实施方案中，捕获区1710、1711由SiO2层制造/图案化。可以将各个捕获区图案化并蚀刻为2D平面结构1710或3D结构1711。然后用适当的化学方法使捕获区1710、1711功能化以用于捕获探针分子的生物共轭。
图17B的实施方案示出了衬底的替代结构。衬底包括基层1701，其可以是半导体材料(例如，硅)、玻璃或塑料晶片(例如，PET)，其可以用作晶片后续处理和制造步骤。接下来，层1715(在该实施方案中是通过氧化由硅制成或沉积的基层1701生长的SiO2)形成于基层1701的顶部或消耗部分的基层1701的顶部。层1715可以提供与基层的热隔离。通过涂覆和图案化的材料1720来限定各个捕获区1716，材料1720可以是绝热的。除了提供热隔离之外，层1720还可以是疏水的和/或使得其不能通过用于官能化捕获区的化学来官能化，从而进一步改善捕获区之间的隔离。层1720包括(例如，可以是被图案化的)聚合物或氧化物。层1720可以提供与基层的进一步热隔离和/或捕获区之间的热隔离。如图17A的先前实施方案中所述，各个捕获区可以包括2D平面结构和/或图案化和蚀刻以具有3D结构。层1720可以被图案化成3D结构，例如井和通道可以限定或至少部分地限定捕获区1716，其可以包括或不包括层1715中的图案，例如捕获区1717。捕获区以捕获区1717的方式形成可以是有利的，因为它们可以直接由层1715的材料(例如，包括氧化物)制造(例如，蚀刻)，以具有可以增加表面积和结合的纳米颗粒密度的结构(例如，3D结构)。
如果衬底对散射光可透过，则还可以通过测量光散射来检测附着于衬底上的捕获区的等离子体纳米颗粒。在图16的实施方案中描述的衬底可以用作这种可透过衬底。图18的实施方案示出了衬底和可以用于该测量的方法。图18中的衬底以与图16的实施方案中描述的相同的方式构造和使用。散射光1817，而不是基于发射的红外能量1612的热信号，用于在捕获纳米颗粒于捕获区表面之后的测量。诸如发光二极管或激光二极管的光源1816用适当波长的光将捕获区1809曝光，使得导致附着的纳米颗粒1811散射入射光。作为一个非限制性实例，75nm直径的球体银纳米颗粒在约450nm处具有峰散射，因此优选具有约450nm的中心波长的光源。可选的过滤器615可以进一步帮助确保纳米颗粒1811仅暴露于特定波长或窄波长范围的光。从源1816发射的光(电磁辐射)1813与捕获区1809的表面的纳米颗粒1811相互作用。与附着的纳米颗粒1811的浓度成比例的一定量的光1813被吸收或散射，导致透过衬底的光1817的强度降低。诸如光电二极管的光检测器1820测量透射光的强度1817。计算在附着纳米颗粒1811之前用暴露于捕获区1809的光源616测量的参考读数与在纳米颗粒1811附着之后测量的测试读数之间的差异。差异与附着的纳米颗粒的密度和数量成比例，因此可以与样品中分析物的存在和浓度相关联。
将微流体盒用于纳米颗粒分析允许进行放大增强的热信号的方法。通过捕获的分析物特异性结合到捕获区表面的纳米颗粒产生响应入射能量的热辐射。通过将额外的纳米颗粒附着于第一纳米颗粒层，可以显著地放大或增强热信号。图19A示出了具有分子分析物(例如蛋白质)的一个实例。捕获区1900的表面显示为经由接头分子1902附着于捕获探针分子1904。捕获探针分子1904(在该实例中为抗体)选择性地结合纳米颗粒-捕获探针-分析物复合物1912，其包括分析物1906、捕获探针分子1908和纳米颗粒1910。在这种情况下，含有分析物1906的样品在暴露于含有捕获区的测试区之前与纳米颗粒-捕获探针复合物反应。在附着之后，捕获在表面的纳米颗粒1910将具有至少一些捕获探针分子1908，其具有与其结合并暴露的分析物706；此类暴露的分析物可用于其它捕获步骤。在将第一组纳米颗粒-捕获探针-分析物复合物1912选择性附着于捕获区1900的表面之后，将含有第二组修饰的纳米颗粒1916的溶液分配进测试区。该溶液含有用捕获探针分子1914修饰的纳米颗粒1916，其也选择性地结合分析物1906。在纳米颗粒1916的表面上修饰的捕获探针分子1914可以与在捕获区1900的表面上修饰的捕获探针分子1904相同，也可以与捕获区1900表面上修饰的捕获探针分子1904不同，或者可以是包括相同和不同捕获探针分子的组合。该第二组纳米颗粒-捕获探针复合物1918(其包括捕获探针分子1914和纳米颗粒1916)结合分析物1906的暴露的和未结合的位点，其由一个或一组位点结合至纳米颗粒-捕获探针复合物1912。可以在附着纳米颗粒-捕获探针复合物1918之后添加任选的洗涤步骤，然后暴露于入射能量并测量热信号。该第二纳米颗粒附着步骤产生附着于捕获区1900的表面的附加纳米颗粒，导致在暴露于入射能量时的增加的热信号。另外，附着于第一组纳米颗粒的额外分析物不会被浪费(例如，多个分析物结合到单个捕获探针分子，发出大约与单个分析物结合到该捕获探针分子一样多的热信号)并有助于信号，这可以提高测定的定量准确性。
图19C说明在系统中使用二级纳米颗粒附着的方法，其中分析物是例如蛋白质。捕获区1900的表面显示为经由接头分子1902附着有捕获探针分子1904。捕获探针分子1904(在该实例中为抗体)选择性地结合纳米颗粒-捕获探针-分析物复合物1940，其包括捕获探针分子1936和纳米颗粒。在这种情况下，含有分析物1906的样品在暴露于纳米颗粒-捕获探针复合物1940之前与捕获区1900反应。在附着之后，捕获在表面的纳米颗粒1938将具有至少一些暴露的捕获探针分子1936；暴露的捕获探针分子1936可用于另外的捕获步骤。在将第一组纳米颗粒-捕获探针-分析物复合物1940选择性附着于捕获区1900的表面之后，将含有第二组修饰的纳米颗粒1946的溶液分配进测试区。该溶液含有用捕获探针分子1942修饰的纳米颗粒1944，其与分析物1906一样，选择性地结合第一组纳米颗粒1938上的捕获探针分子1936。捕获探针分子1942可以直接或间接结合(通过配体)捕获探针分子1936。可以修饰捕获探针分子1936以包含配体或半抗原或分子，使得捕获探针分子1942可以选择性地结合，但它们不会干扰捕获探针分子1936结合分析物1906的能力。在附着纳米颗粒-捕获探针复合物1946之后，可以添加任选的洗涤步骤，然后暴露于入射能量并测量热信号。
图19B说明与寡核苷酸分析物一起使用的二级纳米颗粒附着的方法。捕获区1900的表面显示通过接头分子1902附着有捕获探针分子1920。捕获探针分子1920(在该实例中为单链DNA)选择性地结合纳米颗粒-捕获探针-分析物复合物1928，其包括捕获探针分子1924和纳米颗粒1926。捕获探针分子1920和1924与分析物链1922的任一末端至少部分互补。在该实施方案中，含有分析物链1922的样品在分配于含有纳米颗粒-捕获探针复合物1928的溶液之前，已经与含有捕获区1900的测试区反应。在附着纳米颗粒-捕获探针复合物1928后，在表面上捕获的纳米颗粒1926将具有至少一些捕获探针分子1924，其不与分析物链1922结合。在第一组纳米颗粒-捕获探针-分析物复合物1928选择性附着到捕获区1900的表面之后，将含有第二组修饰的纳米颗粒的溶液分配进测试区。该溶液含有用捕获探针分子1930修饰的纳米颗粒1932，捕获探针分子1930是与捕获探针分子1924至少部分互补的单链寡核苷酸。该第二组纳米颗粒-捕获探针复合物1934与暴露的和未结合的捕获探针分子1924结合。可以在附着纳米颗粒-捕获探针复合物1934之后，添加任选的洗涤步骤，然后暴露于入射能量并测量热信号。
利用对温度变化敏感的微电子或半导体装置来检测由光学激发的纳米颗粒产生的热量在纳米颗粒分析的实施中是有利的，特别是对于多重测试。可以在一个芯片上排列多个传感器，以便以紧凑的形状因素进行大规模多路复用，这可以提高便携性和/或减少或最小化试剂使用。通过使检测器(传感装置)更靠近纳米颗粒可以改善性能，纳米颗粒将被捕获到半导体传感装置的表面上。由激发的纳米颗粒产生的热能可以通过传导元件的传导/对流热传递和/或通过测量由激发的纳米颗粒发射的红外线辐射来检测。
纳米颗粒产生的热量可以通过热传导接触而传导/对流传热到温度敏感装置来进行检测。图20A显示了温度敏感装置或元件2000如何用于纳米颗粒分析的实例。温度敏感元件2000，其可以包括p-n结、p-i-n结、二极管、晶体管、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)、辐射热测量计等，其中装置的电流和/或电压特性经历可预测的关于温度的变化，其可用于转换由激发的纳米颗粒2018发出的热量。温度敏感装置2000可以在各种衬底上制造，例如硅晶片、绝缘体上硅晶片、玻璃、塑料衬底等。多个此类温度敏感装置2000可以以阵列配置而制造，并且可以包括传感器芯片的测试区，形成多个捕获区或像元。可以在阵列中的每个温度敏感装置2000上方定义的单个捕获区(例如，图20A中所示的区域)，用不同的表面化学和/或生物捕获探针分子进行修饰，以从多个不同的分析物中捕获来自样品或来自多个样品的多种不同的分析物。可包含诸如聚合物或氧化物的电绝缘材料的层2002是可选的交界层，其被配置为电隔离温度敏感装置2000。交界层2002可以薄至数埃或数纳米。层2004包括具有低热传导率的材料，例如聚合物、氧化物、聚对二甲苯等，其被配置为热隔离衬底(未示出，在温度敏感装置2000下方)以及在相邻的温度敏感装置之间提供热隔离。层2006是可选的反射层，其被配置为阻挡入射能量，该入射能量用于激发捕获的纳米颗粒2018。层2006可以包括单层或多层反射材料(例如，金属)、多层形成介质镜的氧化物等。热隔离层2004和反射层2006的位置可以互换(例如，层2004可以在层2006上方(例如，沉积在其上、沉积在层2006的顶部)。层2008是交界层，其被配置为促进化学和/或生物表面官能化，例如包括用于随后经硅烷官能化的薄氧化物层。层2008可以包括平面层或者可以被图案化，例如，构造成诸如线栅或柱图案的构造，以增加捕获区的表面积，如本文所讨论。层2008的材料可以是包括捕获区的表面的覆盖材料。可以用接头分子2012修饰捕获区，并且捕获探针分子2014被配置为捕获分配进测试区上的样品中的特定靶分析物2015。在捕获目标分析物2015之后，将与捕获探针分子2016偶联的纳米颗粒2018附着于暴露的捕获分析物2015，例如，通过随后的反应和洗涤步骤。捕获后，纳米颗粒2018被入射能量激发，从而产生热量。反射层2006抑制或防止入射激发能量到达温度敏感装置2000，温度敏感装置2000可能对光能敏感。层2006将激发能量反射回纳米颗粒2018，从而提高激发效率。由激发的纳米颗粒2018产生的热量被传导到纳米颗粒2018周围的流体，并由温度敏感装置2000检测。由于捕获区的表面和温度敏感装置2000之间的多层材料的不同特性，可以向温度敏感装置2000进行不均匀的热传导/对流。包括热传导材料的通孔2010可以通过多个层2004、2006、2008以及可选的2002被图案化，以有效地将热量直接传导到温度敏感装置2000。小通孔2010可以导致低蓄热体提高传热效率。这些通孔2010可以制造成不同的形状和配置，以配置或优化热传递。一个示例是柱形通孔2010，其由具有低比热容的热传导材料构成，例如银或铜。通孔2010的上表面可以暴露于样品(如图20A所示)或被层2008覆盖。在捕获区中紧邻捕获的纳米颗粒2018周围的流体介质以比大部分流体更快的速率加热。来自被加热的流体的热量被传递到通孔2010并随后传递到温度敏感装置2000，这给温度敏感装置2000的电流或电压特性带来可测量的变化。热隔离层2004可以减少由于热量引起的“热串扰”在阵列中的各个温度敏感装置2000之间传送。
通过捕获区之间的隔离，可以减少或最小化通过捕获区上方的流体层的相邻装置之间的热串扰。温度敏感装置阵列2000上的各个捕获区可以通过包括具有低热传导率的材料(例如氧化物、聚合物、聚对二甲苯等)的图案化井或通道彼此分离和隔离。图20B示出了这样的实施方案，其中各个捕获区2023、2024、2025、2026，通过井或通道类型特征2022而彼此隔离。井/通道2022可以将大部分流体样品2028完全或部分地分离于每个捕获区2023、2024、2025、2026中。捕获区2023、2024、2025、2026的此类隔离的可能优点是，通过每个捕获区2023、2024、2025、2026中的纳米颗粒，在流体2028中以及在捕获区2023、2024、2025、2026的表面处产生的热量，与相邻捕获区中的流体2028隔离。通过在各个温度敏感装置2030、2034、2036、2038之间制造沟槽2032，可以减少或最小化阵列中相邻温度敏感装置之间的热串扰(例如，2030、2034、2036、2038)。这些沟槽2032可以是填充有具有低热传导率的材料(例如，聚合物、氧化物、聚对二甲苯等)或包括气隙。
图20C中的实施方案示出了减少或最小化相邻捕获区和/或温度敏感装置之间的热串扰的另一种方法。横向相邻的捕获区，例如2040、2042、2043，被示出为由井特征2022分开(图20B)。横向相邻的捕获区可以以这样的方式被功能化或使用，使得在任一区域上捕获的纳米颗粒被不同类型的入射能量激发。例如，可以设计像2040、2043(向上对角线阴影线)的部分来捕获30nm银纳米颗粒，其可以通过波长为405nm的入射辐射激发，而像2042(轮廓金刚石阴影线)的部分可以被设计为捕获金纳米颗粒。其可以通过波长为808nm的入射辐射激发。在捕获区上直接和横向彼此相邻的捕获的纳米颗粒不会同时被激发，从而降低相邻捕获区之间的热交叉的可能性或至少降低热交叉的速率。
检测由纳米颗粒产生的热量的另一种方法是利用微电子或半导体装置，其通过非接触手段感测温度的变化。图21中的实施方案说明了可用于纳米颗粒分析的非接触温度和/或红外敏感元件或装置2100的实例。温度/红外敏感元件或装置2100用作检测器，其对由加热(激发)的纳米颗粒(例如辐射热测量计或热电堆)产生的红外线辐射敏感。温度/红外敏感装置2100可以制造在各种衬底上，例如硅晶片、绝缘体上硅晶片、玻璃、塑料衬底等。多个此类温度/红外敏感装置2100可以以阵列配置制造并且可以包括传感器芯片的测试区，形成多个捕获区或像元。可以在阵列中的每个温度/红外敏感装置2100上方定义的单个捕获区(例如，图21中所示的区域)用不同的表面化学和/或生物捕获探针分子修饰以捕获来自样本或来自多个样本的多种不同的分析物。层2102包括具有低热传导率的材料，例如聚合物、氧化物、聚对二甲苯等，并且被配置为热隔离衬底(未示出，在温度/红外敏感装置2100下方)以及在相邻之间提供热隔离。层2104是可选的反射层，其配置为阻挡入射能量，该入射能量用于激发捕获的纳米颗粒2116。层2104可以包括单层或多层反射材料(例如，金属)、多层形成介质镜的氧化物等。层2104设计成反射入射能量，同时允许红外线辐射的透射。热隔离层2102和反射层2104的位置可以互换(例如，层2102可以在层2104上方(例如，沉积在层2104的上方、沉积在层2104的顶部)。层2106是交界层，其被配置为促进化学和/或生物表面官能化，例如包括用于随后经硅烷官能化的薄氧化物层。层2106可以包括平面层，例如被图案化如线栅或柱图案，以增加捕获区的表面积，如本文所讨论。可以用接头分子2108和捕获探针分子2110修饰捕获区，所述捕获探针分子2110被配置为捕获分配进测试区上的样品中的特定靶分析物2112。在捕获目标分析物2112之后，将与捕获探针分子2114偶联的纳米颗粒2116附着于暴露的捕获分析物2112，例如，通过随后的反应和洗涤步骤。捕获后，纳米颗粒2116被入射能量激发，从而产生热和红外线辐射。反射层2104抑制或防止入射的激发能量而非红外线辐射到达温度/红外敏感装置2100。反射层2104可以被配置为阻挡某个带宽，其中心波长与激发激光的波长基本相同。并允许其它波长如红外线辐射通过(例如，通过包括窄带介质镜)。层2104将激发能量反射回纳米颗粒2116，从而提高激发效率。由捕获的纳米颗粒2116产生的红外线辐射加热温度/红外敏感装置2100并引起温度/红外敏感装置2100的电流和/或电压特性的可测量的变化。使用温度/红外敏感装置2100作为检测器可以改善响应时间和性能，因为在损失到流体和/或任何导电蓄热体之前间接测量热量。热隔离层2102可以帮助隔离各个温度/红外敏感装置2100。可以在阵列元件之间制造可选的隔离特征2105，以进一步隔离阵列中的相邻温度/红外敏感装置。特征2105可以配置为反射器或吸收器，用于反射或吸收红外能量。特征2105可以包括金属、聚合物、氧化物等，这取决于它们的预期功能。本文公开的装置和捕获区隔离方法(例如，关于图20B和20C)也可以应用于温度/红外敏感装置2100。
用于激发纳米颗粒的入射能量可以包括光能。光能可以具有可以由诸如二极管的硅装置检测的光波长。如本文所讨论，入射能量束的形状、强度分布、光斑尺寸和功率可以影响由测试区中的各个温度/红外敏感装置测量的信号。一种曝光方法是将具有大光斑尺寸的入射能量束暴露于整个测试区。另一种曝光方法是使用具有小光点尺寸的入射能量束，其用于在测量结果信号之前一次对一个捕获区或多个捕获区进行曝光。可以基于曝光方法来不同地校准入射能量束。
如果使用大光斑尺寸，则可以相对于阵列中的位置校准强度分布。例如，给定具有高斯TEM00强度分布的激光束，曝光区域中每个点处的强度将根据高斯分布而变化。为了对准激光束并考虑功率波动，可以将光敏装置添加到温度/红外敏感装置阵列中以进行校准。图22A示出了传感器芯片的测试区，示出了阵列中的各个捕获区，其具有在下的温度/红外敏感装置以及稀疏分布的光敏装置。阵列中的各个捕获区2200可以被相邻的光敏装置2204包围或横向围绕。井2202可以物理地分离光敏装置2204和捕获区2200。诸如光电二极管的光敏装置2204可以被制造为像元。光敏装置2208可以构建在每个捕获区2210中，如图22B所示。光敏装置2208可以与捕获区2210中的温度/红外敏感装置结合或独立地制造。温度/红外敏感装置可以用作光敏装置，例如，通过图案化反射层2006(图20A)、2104(图21)以在2208的位置处具有开口。装置的电流和/或电压特性可以基于入射能量的强度(例如，与入射能量的强度成比例)而改变。入射能量束强度的此类测量可以用于光束的闭环调节和校准，或者对于给定的强度水平来调节测量的热信号。例如，如果阵列用广域入射光能照射，光束具有大光斑尺寸，则可以通过(用光敏感装置)在阵列中的每个温度/红外敏感装置处或周围测量能量强度来估计非均匀强度分布(高斯或其它)。通过与用于与分析物浓度相关的校准曲线进行比较，基于阵列中每个装置处或附近的入射激发能量的计算剂量，可以调节在每个装置上捕获的纳米颗粒的测量温度(和温度变化速率)。此类调节可以提供测量结果与分析物浓度的适当相关性，因为激发能量的剂量可以在阵列上显著变化，这取决于入射能量束的质量和强度分布。该调节也可以应用于这样的示例中，其中利用具有相对较小光点尺寸的入射能量束来激发各个阵列元件，其与每个阵列元件或多个阵列元件的尺寸相当。在这种情况下，入射能量强度的测量也可用于以上述方式来计算剂量。然后可以将该估计剂量应用于测量结果，以更好地将结果与估计分析物浓度相关联。该方法可以允许由于功率输出的可变性而校准光束。例如，如果由阵列中的光敏装置测量的入射能量的强度与预期或期望的量不匹配，则可以调节产生入射能量的装置的功率(例如，激光二极管)，使得改变输出强度。
将微电子或半导体装置用于片上捕获和检测的另一个可能的优点是集成用于信号处理的电路的能力。用于装置表征、控制、阵列寻址、放大、信号处理、模数转换、输入/输出到读取器等的一个、多个或全部的电路可以与包含光敏装置阵列和/或温度/红外敏感装置的测试区一起集成到小型传感器芯片上。可以使用标准MOS制造技术在相同工艺中与测试区中的光敏装置和/或温度/红外敏感装置一起制造附加电路，这可以改善功能和/或降低成本。图23中的实施方案示出了具有集成处理电路的微小传感器芯片的一个示例布局。传感器芯片2320包括集成信号处理电路、测试区2324和接触垫2322，接触垫2322被配置为使芯片2320与读取器连接。测试区2324的侧面是各种电路，例如，包括控制电路2330和多路复用器2328，多路复用器2328被配置为寻址测试区2324中的装置阵列中的各个传感器装置2336。来自传感器装置2336的信号可以在芯片上由电路2332进行处理，电路2332可以包括解复用器、放大器和/或模拟/数字转换电路。输入/输出电路可以促进与外部电路的通信和/或可以包含无线通信电路、天线等。接触垫2322使得能够与可以在电子阅读器或适配器中的外部电路进行连接。将电路集成到微型传感器芯片2320中可以通过减少电噪声来简化电子读取器/盒设计和/或提高性能。
通常在红外热成像应用中使用的辐射热测定器装置由于其高灵敏度而非常适合作为红外敏感装置2100，例如，在图21的实施方案中。微辐射热测定器使用MEMS制造技术制造并且通常具有浮动像元结构体。在典型的MEMS微辐射热测定器装置中，有源热敏电阻层通过桥接梁结构悬挂，桥接梁结构提供与衬底的连接以进行电学表征。浮动热敏电阻像元由于与衬底的极端隔离(例如，与衬底垂直间隔)而对红外线辐射表现出高灵敏度。典型的微辐射热测定器芯片通常是真空包装并密封以便更好地隔离。MEMS微辐射热测定器装置可以适于用作纳米颗粒分析中纳米颗粒发射的红外线辐射的检测器。
图24示出了制造微辐射热测定器传感器以与纳米颗粒分析相容的数种方法。在图24中，微辐射热测定器的吸收器/热敏电阻层2408下方的区域填充有固体材料(例如，密封层2402的材料)，用于机械支撑和与流体隔离。衬底2400可以包括塑料、硅、玻璃等，并且衬底2400或衬底2400与辐射热测量计之间的电路可以包含寻址和读出电路，用于表征辐射热测量计装置像元。螺柱或柱2404、2405提供将热敏电阻层2408连接到衬底2400或衬底2400上的电路的导电触点。螺柱2404、2405仅保持与热敏电阻层2408的小面积接触，以减少或最小化从热敏电阻层2408到衬底2400的散热和/或从衬底2400到热敏电阻层2408的热传递。反射器2406，示为靠近衬底2400并与热敏电阻层2408隔开，是用于任何红外辐射的反射层，其可以通过热敏电阻层2408传输或从热敏电阻层2408发射。另外地或可选地，反射器层2406可以靠近热敏电阻层2408并与衬底2400隔开，例如，通过薄电介质与热敏电阻层2408隔开。在典型的辐射热测定器装置中，浮动热敏电阻层下方的区域是气隙或真空。在图24所示的装置中，热敏电阻层2408下方的区域包括机械支撑和密封层2402，其包括绝热材料，例如聚合物、聚对二甲苯、氧化物、气凝胶等，其提供了用于后续制造步骤的密封表面和/或支撑。可以校准层2402的厚度，使得热敏电阻层2408和反射层2406之间的区域用作选定的红外波长的1/4波长谐振腔。吸收器/热敏电阻层2408被制造在每个捕获区2418下方的区域中，并且包括温度和/或红外敏感材料，例如氧化钒、硅、多晶硅、非晶硅等。可选的隔热层2410(包括隔热材料，诸如聚合物、聚对二甲苯、氧化物、气凝胶等)形成在热敏电阻层2408上。反射层2412被配置为将入射能量反射回捕获区2418。反射层2412可以包括单一材料，不同的堆叠反射层2412可以被配置为阻挡某个带宽，其中心波长与激发激光的波长基本相同，并允许其它波长如红外能量通过(例如，通过包括窄带介质镜)。交界层2414包含氧化物或聚合物，以促进捕获区的表面功能化。可以制造包括聚合物、氧化物等的井或通道特征2416以隔离各个捕获区并抑制或防止阵列中相邻捕获区之间的串扰。可选的隔离特征2409可以通过隔热层2410和反射层2412图案化，以将阵列中相邻微辐射热测定器装置的热敏电阻层与杂散红外线辐射隔离。特征2409可以配置为反射器或吸收器，用于反射或吸收红外能量。特征2409可以包括金属、聚合物、氧化物等，这取决于它们的预期功能。该结构允许通过在每个阵列元件下制造的微辐射热测定器同时多路检测附着于阵列中的多个捕获区的纳米颗粒。这种结构可以提高检测灵敏度，因为检测器(微辐射热测定器)距离纳米颗粒仅数百纳米或数微米。纳米颗粒在微辐射热测定器装置的正上方附着于捕获区，并且在激发时有效地将红外能量发射到微辐射热测定器，而没有周围流体的显著吸收。
虽然本发明易于作出多种修改和替代形式，仍在附图中显示且在本文详细描述了其具体实例。但应当理解，本发明不限于所公开的具体形式或方法，相反，本发明将涵盖落入所述各实施方案和所附权利要求的精神和范围内的所有修改、等同物和替代方案。

Claims (150)

1.用于进行一个或多个核酸扩增反应的盒，其包括：
一个或多个反应区，其被配置为接收用于进行涉及加热过程的一个或多个核酸扩增反应的试剂；和
产热层，其与所述一个或多个反应区热连通，其中所述产热层被配置为，经由光源提供的光，为至少一个加热循环产生热量。
2.如权利要求1所述的盒，其中所述产热层包含颜料、染料、着色或染色的塑料薄膜或薄板、半导体、化合物半导体、碳纳米管、富勒烯、石墨烯、氧化物、氧化石墨烯、金属氧化物、半导体氧化物、聚合物、塑料、金属、金属合金、锗、聚酰亚胺、玻璃、纳米颗粒和/或微米颗粒、或者它们的组合。
3.如权利要求1-2中任一项所述的盒，其中所述产热层包含颗粒或珠子。
4.如权利要求1-3中任一项所述的盒，其中所述一个或多个反应区被配置为井、洞、凹槽、通道或沟槽结构的一个或多个阵列。
5.如权利要求1-4中任一项所述的盒，其中所述盒包含含有选自下述的材料的衬底：半导体、金属、FR-4、聚合物、塑料、环氧树脂、树脂、玻璃、硅酮、橡胶、径迹蚀刻膜以及它们的组合。
6.如权利要求5所述的盒，其中所述衬底对波长为约400纳米至约1微米或其间任何范围的光是可透过的。
7.如权利要求5所述的盒，其中所述衬底对波长为约5微米至约13微米或其间任何范围的光是可透过的。
8.如权利要求5-7中任一项所述的盒，其中所述产热层和衬底结合在一起在中远红外线范围内具有0.1至约1或其间任何范围的发射率。
9.如权利要求5-8中任一项所述的盒，其中所述产热层和衬底结合在一起在中远红外线范围内具有约0.5至约1或其间任何范围的发射率。
10.如权利要求5-9中任一项所述的盒，其中所述产热层和衬底结合在一起在中远红外线范围内具有约0.8至约1或其间任何范围的发射率。
11.如权利要求1-10中任一项所述的盒，其还包括与所述产热层热连通的热传导层。
12.读取器，其被配置为接收权利要求1-11中任一项所述的盒，所述读取器包括：
光源，其被配置为向所述产热层提供光，以为所述加热过程产生热量；
检测器，其被配置为检测通过所述一个或多个核酸扩增反应产生的扩增产物；以及
热传感器或电路，所述热传感器检测由所述产热层所发射的红外光，所述电路传送指示温度的信号，所述信号由与所述盒中的产热层热连通的基于接触的温度传感器产生。
13.如权利要求12所述的读取器，其中所述读取器被配置为进行一个或多个加热循环。
14.如权利要求12-13中任一项所述的读取器，其中所述光源包括发光二极管、发光二极管阵列、激光二极管、激光二极管阵列、DPSS激光器、DPSS激光器阵列、至少一种聚焦透镜、至少一种准直透镜或它们的组合。
15.如权利要求12-14中任一项所述的读取器，其中所述检测器被配置为检测由所述扩增产物发射的荧光。
16.如权利要求12-15中任一项所述的读取器，其中所述热传感器包括红外传感器。
17.如权利要求16所述的读取器，其中所述红外传感器是电荷耦合装置(CCD)、互补式金属氧化物半导体装置(CMOS)、光伏装置、光电二极管装置、光导装置、热电堆装置、辐射热测定器装置或它们的组合。
18.如权利要求12-17中任一项所述的读取器，其中所述红外光是中远红外光。
19.如权利要求12-18中任一项所述的读取器，其中所述红外光的波长为约4至约16微米或其间任何范围。
20.如权利要求12-19中任一项所述的读取器，其中所述红外光的波长为约8至约14微米或其间任何范围。
21.如权利要求12-15中任一项所述的读取器，其中所述热传感器包括接触式温度传感器。
22.如权利要求21所述的读取器，其中所述接触式温度传感器是热电偶、电阻式温度检测器、热敏电阻或它们的组合。
23.如权利要求21-22中任一项所述的读取器，其中所述接触式温度传感器不与正进行扩增反应的样品中的液体接触。
24.如权利要求12-23中任一项所述的读取器，其还包括冷却系统，所述冷却系统被配置为冷却所述一个或多个核酸扩增反应。
25.如权利要求12-24中任一项所述的读取器，其还包括检测器，所述检测器被配置为检测由所述一个或多个核酸扩增反应产生的扩增产物。
26.如权利要求25所述的读取器，其中所述检测器被配置为检测由所述扩增产物发射的荧光。
27.如权利要求12-26中任一项所述的读取器，其中所述读取器是即时读取器。
28.系统，其包括权利要求1-11中任一项所述的盒和权利要求12-27中任一项所述的读取器。
29.进行包括至少一个加热循环的一个或多个核酸扩增反应的方法，所述方法包括在一个或多个反应区接收一个或多个样品，通过照射与所述一个或多个反应区热连通的产热层而在所述一个或多个反应区产生热量，以及对所述一个或多个样品进行核酸扩增反应。
30.如权利要求29所述的方法，其还包括检测所述产热层的温度。
31.如权利要求29-30中任一项所述的方法，其还包括检测扩增产物。
32.如权利要求29-31中任一项所述的方法，其中通过光源照射所述产热层，所述光源包括发光二极管、发光二极管阵列、激光二极管、激光二极管阵列、DPSS激光器、DPSS激光器阵列、至少一种聚焦透镜、至少一种准直透镜或它们的组合。
33.如权利要求30所述的方法，其中检测所述产热层的温度包括利用红外传感器检测由所述产热层发射的红外光，所述红外传感器包括电荷耦合装置(CCD)、互补式金属氧化物半导体装置(CMOS)、光伏装置、光电二极管装置、光导装置、热电堆装置、辐射热测定器装置或它们的组合。
34.如权利要求30或33中任一项所述的方法，其中检测所述产热层的温度包括利用接触式温度传感器检测所述温度，所述接触式温度传感器包括热电偶、电阻式温度检测器、热敏电阻或它们的组合。
35.如权利要求29-34中任一项所述的方法，其中所述方法包括一个或多个加热循环。
36.如权利要求29-35中任一项所述的方法，其中所述方法包括一个或多个冷却循环。
37.用于扩增和检测核酸分子的即时系统，其包括：
测试盒，其被配置为进行核酸扩增；
读取器装置，其被配置为检测核酸扩增产物；以及
能量源，其被配置为加热进行核酸扩增过程的液体样品。
38.如权利要求37所述的系统，其中所述能量源包括光源。
39.如权利要求37-38中任一项所述的系统，其中所述测试盒被配置为接收所述液体样品。
40.如权利要求37-39中任一项所述的系统，其中所述测试盒包括一个或多个反应区、衬底或产热层。
41.如权利要求40所述的系统，其中所述一个或多个反应区被配置为井、洞、凹槽、通道或沟槽结构的一个或多个阵列。
42.如权利要求40所述的系统，其中所述衬底被配置为用于一个或多个3D图案层、产热层、热传导层、钝化层、样品限制层、封盖层或封装层或它们的组合的包被、沉积和/或制造的基底。
43.如权利要求40-42中任一项所述的系统，其中所述衬底包含选自下述的材料：半导体、金属、FR-4、聚合物、塑料、环氧树脂、树脂、玻璃、硅酮、橡胶、径迹蚀刻膜以及它们的组合。
44.如权利要求43所述的系统，其中所述衬底材料在400纳米至1微米的波长范围是至少部分可透过的。
45.如权利要求43所述的系统，其中所述衬底材料在5微米至13微米的中长红外光谱内是至少部分可透过的。
46.如权利要求42所述的系统，其中将所述一个或多个3D图案层置于产热层下方，并被配置为增加所述产热层的表面积和/或增加所述产热层的高度，以降低反应物所必须扩散以到达所述产热层的长度。
47.如权利要求42或46中任一项所述的系统，其中所述一个或多个3D图案层包含选自下述的材料：聚合物、塑料、硅酮、橡胶、玻璃、金属氧化物、半导体氧化物以及它们的组合。
48.如权利要求42或46-47中任一项所述的系统，其中所述一个或多个3D图案层是平坦的层。
49.如权利要求42或46-48中任一项所述的系统，其中所述一个或多个3D图案层包含图案化的和/或沉积的特征和/或结构。
50.如权利要求49所述的系统，其中所述特征和/或结构包含柱、线、线距光栅、锥体、三角形、沟槽、球体或它们的组合的一个或多个阵列。
51.如权利要求49-50中任一项所述的系统，其中通过光刻、熔融沉积成型3D打印、立体平版印刷3D打印、选择性激光烧结3D打印、喷墨印刷、模塑、微阵列印刷/印迹/斑点或它们的组合来沉积和/或制造所述特征和/或结构。
52.如权利要求47所述的系统，其中所述一个或多个3D图案层中的材料在400纳米至1微米的波长范围是至少部分可透过的。
53.如权利要求47所述的系统，其中所述一个或多个3D图案层中的材料在5微米至13微米范围的中长红外光谱波长内是至少部分可透过的。
54.如权利要求40所述的系统，其中将所述产热层置于3D图案层的顶部。
55.如权利要求40或54中任一项所述的系统，其中所述产热层是光吸收层。
56.如权利要求55所述的系统，其中所述光吸收层被配置为吸收来自能量源的光能量输入并将其转化为热能。
57.如权利要求56所述的系统，其中所述光吸收层中产生的热能与来自能量源的能量输出量成比例。
58.如权利要求55-57中任一项所述的系统，其中所述光吸收层包含选自下述的材料：颜料、染料、半导体、化合物半导体、碳纳米管、富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯、金属氧化物、半导体氧化物、聚合物、塑料、金属、金属合金以及它们的组合。
59.如权利要求55-58中任一项所述的系统，其中所述光吸收层包含：锗、聚酰亚胺、颜料或染料或者着色或染色的塑料薄膜或薄板、纳米颗粒和/或微米颗粒，所述纳米颗粒和/或微米颗粒包含金属、半导体、化合物半导体、聚合物、塑料、氧化物、玻璃或它们的组合。
60.如权利要求59所述的系统，其中用权利要求58所述的光吸收材料灌注和/或封盖所述纳米颗粒和/或微米颗粒。
61.如权利要求40或54-60中任一项所述的系统，其中所述产热层为电阻加热器层。
62.如权利要求61所述的系统，其中所述电阻加热器层被配置为一个或多个迹线和/或电路，以分散或吸收来自能量源的电压和/或电流能量输入，并将其转化为热能。
63.如权利要求62所述的系统，其中热能在所述电阻加热器层的所述一个或多个迹线和/或电路中产生，其与所述电阻加热器层的所述迹线和/或电路的电阻以及从所述能量源流向所述电阻加热器层的所述迹线和/或电路中的电流成比例。
64.如权利要求63所述的系统，其中所述电阻加热器层的迹线和/或电路包含半导体、化合物半导体、碳纳米管、富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯、金属氧化物、半导体氧化物、金属、金属合金或它们的任意组合。
65.如权利要求37-64中任一项所述的系统，其中所述读取器装置被配置为接收所述测试盒。
66.如权利要求37-65中任一项所述的系统，其中所述能量源包括发光二极管、发光二极管阵列、激光二极管、激光二极管阵列、DPSS激光器、DPSS激光器阵列、至少一种聚焦透镜、至少一种准直透镜或它们的组合。
67.如权利要求37-66中任一项所述的系统，其还包括一种或多种热传感器。
68.如权利要求67所述的系统，其中所述一种或多种热传感器包括一个或多个非接触式红外检测器。
69.如权利要求68所述的系统，其中所述红外检测器是电荷耦合装置(CCD)、互补式金属氧化物半导体装置(CMOS)、光伏装置、光电二极管装置、光导装置、热电堆装置、辐射热测定器装置或它们的任意组合。
70.如权利要求66-69中任一项所述的系统，其中将所述一种或多种热传感器置于所述液体样品的下方或上方。
71.如权利要求66-70中任一项所述的系统，其中所述一种或多种热传感器包括一个或多个接触式温度传感器。
72.如权利要求71所述的系统，其中所述接触式温度传感器是热电偶、电阻式温度检测器、热敏电阻或它们的组合。
73.如权利要求66-72中任一项所述的系统，其中将所述一种或多种热传感器置于与所述液体样品接触。
74.如权利要求66-73中任一项所述的系统，其中将所述一种或多种热传感器置于样品限制层内并与所述液体样品接触。
75.如权利要求66-74中任一项所述的系统，其中所述一种或多种热传感器被配置为邻近产热层的图案化的和/或制造的电阻温度装置或热敏电阻。
76.如权利要求37-75中任一项所述的系统，其还包括热传导层。
77.如权利要求76所述的系统，其中所述热传导层被配置为促进向所述液体样品的热量传递和/或自所述液体样品的热量传递。
78.如权利要求76-77中任一项所述的系统，其中所述热传导层包含选自下述的材料：金属、金属合金、半导体、化合物半导体、石墨烯、碳纳米管、富勒烯、纳米颗粒、微米颗粒、金属氧化物、半导体氧化物以及它们的组合。
79.如权利要求37-78中任一项所述的系统，其还包括钝化层。
80.如权利要求79所述的系统，其中所述钝化层被配置为在所述液体样品与所述能量源之间形成交界部。
81.如权利要求79-80中任一项所述的系统，其中所述钝化层包含选自下述的材料：金属氧化物、半导体氧化物、玻璃、光致抗蚀剂、塑料、聚合物、半导体、金属、金属合金以及它们的组合。
82.如权利要求79-81中任一项所述的系统，其中所述钝化层包含表面，其中所述钝化层的表面被化学分子、硅烷、蛋白质、核酸或者它们的组合包被或修饰。
83.如权利要求37-82中任一项所述的系统，其还包括包含DNA的液体样品、聚合酶、DNase抑制剂、正向引物序列链、反向引物序列链、游离的未标记核苷酸、用一种或多种分子标记的游离核苷酸、水、缓冲盐、金属离子或者它们的组合。
84.如权利要求37-82中任一项所述的系统，其还包括包含RNA或mRNA的液体样品、逆转录酶、聚合酶、RNase抑制剂、正向引物序列链、反向引物序列链、游离的未标记核苷酸、用一种或多种分子标记的游离核苷酸、水、缓冲盐、金属离子或者它们的组合。
85.如权利要求37-84中任一项所述的系统，其还包括样品限制层，其中所述样品限制层包含井、洞、凹槽或沟槽结构。
86.如权利要求85所述的系统，其中由下述制造所述井、洞、凹槽或沟槽结构：金属氧化物、半导体氧化物、金属、金属合金、玻璃、塑料、聚合物、光致抗蚀剂、硅酮、橡胶或者它们的组合。
87.如权利要求85-86中任一项所述的系统，其中所述样品限制层被选自下述的热传导材料包被：金属、金属合金、半导体、化合物半导体、石墨烯、富勒烯、碳纳米管、纳米颗粒、微米颗粒以及它们的组合。
88.如权利要求87所述的系统，其中所述热传导材料被选自下述的钝化材料包被：金属氧化物、半导体氧化物、玻璃、光致抗蚀剂、塑料、聚合物、半导体、金属、金属合金以及它们的组合。
89.如权利要求37-88中任一项所述的系统，其还包括封盖层或封装层，其中所述封盖层或封装层被配置为防止所述液体样品蒸发。
90.如权利要求89所述的系统，其中所述封盖层或封装层包含油膜、塑料膜或玻璃膜。
91.如权利要求37-90中任一项所述的系统，其还包括辅助加热装置，其中所述辅助加热装置是热电装置、加热块、电阻加热器、印刷电路板加热器、柔性电路加热器或者它们的组合。
92.如权利要求37-91中任一项所述的系统，其还包括辅助冷却装置，其中所述辅助冷却装置是散热器、风扇、热电装置、珀尔帖冷却器或者它们的组合。
93.如权利要求37-92中任一项所述的系统，其中所述系统被配置为在所述反应区的表面处或邻近所述反应区的表面进行PCR反应。
94.如权利要求37-93中任一项所述的系统，其还包括反应区，其中所述反应区被配置进至少两个分离的区中，包括被配置为进行液相PCR的一个区域以及被配置为检测捕获表面上捕获的扩增产物的另一区域。
95.如权利要求94所述的系统，其中用接头层修饰所述捕获表面。
96.如权利要求95所述的系统，其中所述接头层被配置为经3’或5’末端结合双链或单链DNA或RNA链。
97.如权利要求95-96中任一项所述的系统，其中所述接头层包含硅烷或具有一种或多种反应性官能化学末端基团的化学小分子。
98.如权利要求95-97中任一项所述的系统，其中所述接头层包含与硅烷或化学小分子结合的单链DNA或RNA。
99.如权利要求95-98中任一项所述的系统，其中所述接头层包含一种或多种聚合物。
100.如权利要求99所述的系统，其中所述聚合物是下述形式：葡聚糖、羧甲基葡聚糖、壳聚糖、聚苯胺、PEG、PLL-PEG、PLL-g-PEG、PLA-PEG-PLL或者它们的组合。
101.如权利要求95-100中任一项所述的系统，其中所述接头层包含与聚合物结合的单链DNA或RNA。
102.如权利要求95-101中任一项所述的系统，其中所述接头层包含微米颗粒和/或纳米颗粒。
103.如权利要求102所述的系统，其中所述微米颗粒和/或纳米颗粒包括金属、半导体、化合物半导体、聚合物、塑料、氧化物、玻璃或者它们的组合。
104.如权利要求102-103中任一项所述的系统，其中所述微米颗粒和/或纳米颗粒被配置为结合所述接头层的硅烷和/或化学小分子。
105.如权利要求102-104中任一项所述的系统，其中所述微米颗粒和/或纳米颗粒包含表面，并且其中用硅烷和/或具有反应性官能化学末端基团的化学小分子至少部分地修饰所述微米颗粒和/或纳米颗粒的表面，以结合所述接头层的硅烷和/或化学分子。
106.如权利要求102-105中任一项所述的系统，其中所述微米颗粒和/或纳米颗粒被配置为结合所述接头层的所述DNA或RNA链。
107.如权利要求102-106中任一项所述的系统，其中扩增具体DNA/RNA靶标的PCR反应所需的一种或多种引物链与权利要求94-106中任一项所述的接头层化学或物理结合。
108.如权利要求107所述的系统，其中所述一种或多种引物链包括用于具体DNA/RNA靶标的正向引物链或反向引物链。
109.如权利要求107-108中任一项所述的系统，其中所述一种或多种引物链包含具体DNA/RNA靶标的一组引物链，并且其中所述一组引物链中的正向链或反向链与所述接头层结合。
110.如权利要求109所述的系统，其中所述液体样品中存在所述一组引物链的互补引物链组。
111.如权利要求108-110中任一项所述的系统，其中具体DNA/RNA靶标的正向和反向引物链均与所述接头层结合。
112.如权利要求37-111中任一项所述的系统，其中所述读取器装置为台式或便携式装置，所述台式或便携式装置被配置为接收所述测试盒以进行液相PCR以及检测扩增产物。
113.如权利要求112所述的系统，其中所述读取器装置还被配置为从所述能量源提供能量，用于加热和/或冷却所述测试盒上的一个或多个反应区。
114.如权利要求112-113中任一项所述的系统，其中所述读取器装置还被配置为用所述热传感器监测所述测试盒上的一个或多个反应区的温度。
115.如权利要求112-114中任一项所述的系统，其中所述读取器装置还被配置为基于所述热传感器的读数来调节能量源向所述测试盒上的一个或多个反应区的能量输出，从而维持选定温度。
116.如权利要求112-115中任一项所述的系统，其中所述读取器装置还被配置为使辅助加热和冷却装置启动和/或关闭，从而调节所述测试盒上的一个或多个反应区的温度。
117.如权利要求112-116中任一项所述的系统，其中所述读取器装置还被配置为利用激发源、用一种或多种激发波长的光激发所述测试盒上的一个或多个反应区。
118.如权利要求112-117中任一项所述的系统，其中所述读取器装置还被配置为用光传感器检测并测量所述测试盒上的一个或多个反应区所发射的光，并将读数转换为一种或多种输出信号。
119.如权利要求112-118中任一项所述的系统，其中所述读取器装置还被配置为在所述读取器上显示所述一种或多种输出信号。
120.如权利要求112-119中任一项所述的系统，其中所述读取器装置还被配置为经有线或无线连接将所述一种或多种输出信号显示于或传输至另一装置。
121.在即时系统中扩增和检测核酸的方法，所述方法包括：
提供权利要求37-120中任一项所述的即时系统；
在所述测试盒接收含有PCR组分的液体样品；
调整所述能量源的能量输出以交替地加热和冷却所述液体样品，从而扩增核酸；
扩增所述液体样品中的样品核酸；以及
利用所述读取器装置测量或检测扩增产物。
122.如权利要求121所述的方法，其还包括将含有PCR组分的液体样品分配进反应区，所述PCR组分包含至少一种靶标特异性的引物和靶标DNA或RNA。
123.如权利要求121-122中任一项所述的方法，其还包括用所述热传感器测量所述液体样品的基准温度。
124.如权利要求121-123中任一项所述的方法，其还包括用所述热传感器监测所述产热层和/或液体样品的温度。
125.如权利要求121-124中任一项所述的方法，其还包括基于所述热传感器的测量来调节所述能量源的能量输出，以使所述液体样品的温度达到并维持在初始变性期间的所述靶标DNA的最佳变性温度。
126.如权利要求125所述的方法，其还包括允许所述初始变性步骤持续预设时间，以使所述样品中的靶标DNA完全变性。
127.如权利要求121-126中任一项所述的方法，其还包括降低所述能量源的能量输出直至通过所述热传感器测量到所述液体样品的温度达到最佳引物退火温度。
128.如权利要求127所述的方法，其还包括基于所述热传感器的测量来调节所述能量源的能量输出，以使所述液体样品的温度达到并维持在所述最佳引物退火温度。
129.如权利要求127-128中任一项所述的方法，其还包括允许引物退火持续预设时间，以使所述正向引物和反向引物与所述变性的靶标DNA链完全杂交。
130.如权利要求127-129中任一项所述的方法，其还包括增加所述能量源的能量输出直至通过所述热传感器测量到所述液体样品的温度达到最佳引物延伸温度。
131.如权利要求130所述的方法，其还包括基于所述热传感器的测量来调节所述能量源的能量输出，以使所述液体样品的温度达到并维持在所述最佳引物延伸温度。
132.如权利要求130-131中任一项所述的方法，其还包括允许引物延伸持续预设时间，使得游离核苷酸或用一种或多种分子标记的游离核苷酸将所述靶标DNA链延伸。
133.如权利要求121-132中任一项所述的方法，其还包括通过调节所述能量源的能量输出并用所述热传感器监测所述液体样品的温度，将引物退火和引物延伸重复需要的循环数。
134.如权利要求121-133中任一项所述的方法，其还包括使所述能量源关闭以使所述液体样品的温度恢复至预设的较低温度，同时用所述热传感器监测所述液体样品的温度。
135.如权利要求121-133中任一项所述的方法，其还包括通过用激发源激发所述液体样品来测量所述样品的荧光输出，并用具有合适的滤光镜或透镜的光传感器测量所产生的发射。
136.如权利要求121-135中任一项所述的方法，其还包括在测量荧光输出之前进行最终的变性步骤。
137.如权利要求136所述的方法，其中在测量所述荧光输出之前，所述方法还包括：
将用荧光分子和淬灭分子标记的引物分配进所述液体样品中；
使所述液体样品的温度升高至所述靶标DNA的变性温度，持续预设时间；
使所述液体样品的温度降低至所述标记的引物的引物退火温度，持续预设时间，以允许所述标记的引物与所述液体样品中扩增的靶标DNA结合；以及
降低所述液体样品的温度以允许最佳荧光检测。
138.如权利要求121-137中任一项所述的方法，其中所述引物包含与5’或3’引物末端相连的荧光染料分子，但非两端都连接。
139.如权利要求121-138中任一项所述的方法，其中所述引物包含与3’或5’引物末端相连的淬灭分子，但非两端都连接。
140.如权利要求121-139中任一项所述的方法，其中当不与靶标扩增DNA结合时，所述引物形成发夹环结构，以使所述荧光分子的荧光被所述淬灭分子淬灭。
141.如权利要求121-140中任一项所述的方法，其中所述引物包含与扩增靶标DNA的变性链之一的至少一部分互补的核苷酸序列。
142.如权利要求121-141中任一项所述的方法，其中在引物退火步骤期间，所述引物伸长并与所述变性的靶标扩增的DNA杂交，以使所述荧光分子的荧光不被所述淬灭分子淬灭。
143.利用权利要求37-120所述的系统进行等温PCR反应的方法，所述方法包括：
将包含用于等温PCR的组分的液体样品分配进所述样品限制层和/或反应区，所述等温PCR包括重组酶聚合酶反应、环介导的等温PCR、链置换扩增、解旋酶依赖性扩增或切口酶扩增；
进行等温扩增，持续预设时间；
捕获PCR反应产物中的扩增的靶标DNA；以及
检测所述PCR反应产物中所捕获的扩增的靶标DNA。
144.如权利要求143所述的方法，其还包括用所述热传感器测量所述液体样品的基准温度。
145.如权利要求143-144中任一项所述的方法，其还包括用所述热传感器监测所述产热层和/或液体样品的温度。
146.如权利要求143-145中任一项所述的方法，其还包括基于所述热传感器的测量来调节所述能量源的能量输出，以使所述液体样品的温度达到并维持在初始变性期间的所述靶标DNA的最佳变性温度。
147.如权利要求143-146中任一项所述的方法，其还包括允许所述初始变性步骤持续预设时间，以使所述样品中的靶标双链DNA完全变性。
148.如权利要求143-147中任一项所述的方法，其还包括降低所述能量源的能量输出直至通过所述热传感器测量到所述液体样品的温度达到引物退火和等温扩增的最佳温度。
149.如权利要求143-148中任一项所述的方法，其还包括基于所述热传感器的测量来调节所述能量源的能量输出，以使所述液体样品的温度达到并维持在扩增步骤期间等温扩增的最佳温度。
150.如权利要求143-149中任一项所述的方法，其还包括使所述能量源关闭以使所述液体样品的温度恢复至预设的较低温度，同时用所述热传感器监测所述液体样品的温度。
CN201780017112.XA 2016-01-20 2017-01-19 即时核酸扩增及检测 Pending CN108883417A (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662281124P 2016-01-20 2016-01-20
US62/281,124 2016-01-20
US201662290646P 2016-02-03 2016-02-03
US62/290,646 2016-02-03
PCT/US2017/014175 WO2017127570A1 (en) 2016-01-20 2017-01-19 Point-of-care nucleic acid amplification and detection

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108883417A true CN108883417A (zh) 2018-11-23

Family

ID=59362633

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780017112.XA Pending CN108883417A (zh) 2016-01-20 2017-01-19 即时核酸扩增及检测

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20190032114A1 (zh)
EP (1) EP3405285A4 (zh)
CN (1) CN108883417A (zh)
CA (1) CA3011710A1 (zh)
WO (1) WO2017127570A1 (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112481080A (zh) * 2020-12-10 2021-03-12 深圳先进技术研究院 一种微流控芯片、微流控芯片制备方法及核酸提取方法
CN112770841A (zh) * 2018-07-26 2021-05-07 莱克斯诊断有限公司 变温反应器及其加热器和控制电路
CN113005026A (zh) * 2020-06-17 2021-06-22 山东大学 一种基因检测芯片及检测方法
WO2022161460A1 (zh) * 2021-01-31 2022-08-04 黄志嘉 聚合酶链反应的方法
WO2023280305A1 (en) * 2021-07-08 2023-01-12 Ixensor Co., Ltd. System and method to perform quantitative polymerase chain reaction
CN116814414A (zh) * 2023-08-30 2023-09-29 北京芯畅科技有限公司 一种激光诱导石墨烯pcr检测装置及方法

Families Citing this family (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PL235210B1 (pl) * 2016-12-21 2020-06-15 Genomtec Spolka Akcyjna Sposób detekcji materiału genetycznego w próbce biologicznej oraz urządzenie do jego realizacji
CN107225006B (zh) * 2017-07-03 2018-04-03 南京岚煜生物科技有限公司 基于主动控制液体流动的多通量微流控芯片
US11407034B2 (en) 2017-07-06 2022-08-09 OmniTek Technology Ltda. Selective laser melting system and method of using same
EP3501656A1 (en) * 2017-12-22 2019-06-26 ETH Zurich Sample holder, method for manufacturing the sample holder, and apparatus for receiving the metallic sample holder
CN108220123A (zh) * 2018-01-29 2018-06-29 黄昶荃 一种基于实时荧光定量pcr的快速便携式分子检测设备
DE102018103215B3 (de) * 2018-02-13 2019-08-14 Gna Biosolutions Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Extraktion einer Nukleinsäure aus einer Probenflüssigkeit
CN112400015A (zh) * 2018-03-15 2021-02-23 克里普托斯生物技术有限公司 进行热辅助的生化反应的方法和系统
WO2020081700A1 (en) * 2018-10-16 2020-04-23 Kryptos Biotechnologies, Inc. Method and system for temperature monitoring of a biochemical reaction vessel
WO2020106045A1 (ko) * 2018-11-19 2020-05-28 한국생명공학연구원 광-디지털 pcr 챔버 및 이를 이용하는 광-디지털 pcr 기기
CN113166974B (zh) * 2018-12-12 2024-04-05 深圳华大生命科学研究院 一种生物芯片及其制备方法与应用
EP3899401A4 (en) * 2018-12-21 2023-01-18 Kryptos Biotechnologies, Inc. METHOD AND SYSTEM FOR HEATING AND TEMPERATURE MEASUREMENT WITH STRUCTURED THIN FILMS
WO2020147013A1 (zh) * 2019-01-15 2020-07-23 京东方科技集团股份有限公司 检测芯片及其制备方法、检测系统
EP3950916A4 (en) * 2019-03-29 2022-12-28 Boe Technology Group Co., Ltd. DETECTION CHIP AND METHOD OF USE AND REACTION SYSTEM
US10895537B2 (en) * 2019-04-11 2021-01-19 Perkinelmer Health Sciences, Inc. Laser intensity calibration
US11609208B2 (en) 2019-04-12 2023-03-21 Western Digital Technologies, Inc. Devices and methods for molecule detection based on thermal stabilities of magnetic nanoparticles
US11579217B2 (en) 2019-04-12 2023-02-14 Western Digital Technologies, Inc. Devices and methods for frequency- and phase-based detection of magnetically-labeled molecules using spin torque oscillator (STO) sensors
US11738336B2 (en) 2019-04-12 2023-08-29 Western Digital Technologies, Inc. Spin torque oscillator (STO) sensors used in nucleic acid sequencing arrays and detection schemes for nucleic acid sequencing
US11327073B2 (en) * 2019-04-12 2022-05-10 Western Digital Technologies, Inc. Thermal sensor array for molecule detection and related detection schemes
US20210008550A1 (en) * 2019-07-09 2021-01-14 Kryptos Biotechnologies, Inc. Microfluidic reaction vessel array with patterned films
EP3769840A1 (en) * 2019-07-26 2021-01-27 LEX Diagnostics Ltd Systems and modules for nucleic acid amplification testing
US11208682B2 (en) 2019-09-13 2021-12-28 Western Digital Technologies, Inc. Enhanced optical detection for nucleic acid sequencing using thermally-dependent fluorophore tags
AU2020357429A1 (en) * 2019-09-30 2021-06-17 Illumina Singapore Pte. Ltd. Test cartridge for analysis instruments
WO2021092798A1 (zh) * 2019-11-13 2021-05-20 京东方科技集团股份有限公司 检测芯片及其制备方法和使用方法、反应系统
US11747329B2 (en) 2019-11-22 2023-09-05 Western Digital Technologies, Inc. Magnetic gradient concentrator/reluctance detector for molecule detection
US20210285943A1 (en) * 2020-03-11 2021-09-16 Newton Howard Virumeter for rapid detection of covid19 and other pathogens
US20230234050A1 (en) * 2020-05-28 2023-07-27 National University Of Singapore Microfluidic chip and system
KR102510536B1 (ko) * 2020-09-18 2023-03-15 광주과학기술원 증폭/검출 키트, 이를 이용한 광열 pcr 증폭 방법 및 미생물 검출 방법
TWI799879B (zh) * 2020-09-30 2023-04-21 富佳生技股份有限公司 檢測芯片、核酸檢測盒及核酸檢測設備
US20230405597A1 (en) * 2020-11-25 2023-12-21 Chang Gung University Nucleic acid amplification system and method thereof
CN113206367B (zh) * 2020-12-02 2022-09-13 西安黄河机电有限公司 一种有源相控阵天线
JP2022161308A (ja) * 2021-04-08 2022-10-21 日本電気株式会社 ボロメータ型検出器及びその製造方法
CN113358650B (zh) * 2021-06-01 2024-04-16 浙江大学 一种96孔微孔板阅读仪
TWI785636B (zh) 2021-06-07 2022-12-01 新加坡商克雷多生醫有限公司 檢測卡匣
EP4123411A1 (en) * 2021-06-29 2023-01-25 Samsung Electronics Co., Ltd. Compact optical high-speed system for nucleic acid amplification and detection
GB202112926D0 (en) * 2021-09-10 2021-10-27 Kromek Ltd Method and application for determining optically-manifest change in temperature controlled process
WO2023102254A1 (en) * 2021-12-03 2023-06-08 Baebies, Inc. Digital microfluidics (dmf) system, cartridge, and methods for thermal calibration of integrated heaters and sensors
WO2023182997A1 (en) * 2022-03-24 2023-09-28 Hewlett-Packard Development Company, L.P. A polymerase chain reaction (pcr) well including a thermal cycling zone

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008047272A2 (en) * 2006-10-17 2008-04-24 Koninklijke Philips Electronics N.V. Device for amplification and detection of nucleic acids
CN102203272A (zh) * 2008-10-23 2011-09-28 亚历山大·阿纳托莱维齐·斯特罗加诺夫 通过实时聚合酶链反应的核酸分析方法及实施该方法的装置
CN103451295A (zh) * 2013-09-06 2013-12-18 内蒙古科技大学 一种生物学评价受污染水体质量的方法
WO2014140596A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Bjs Ip Limited Fast pcr heating
CN104778964A (zh) * 2015-04-03 2015-07-15 程志 一种用于疾病诊断的检测u盘
CN104946507A (zh) * 2014-03-26 2015-09-30 精工爱普生株式会社 核酸扩增反应装置以及核酸扩增方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19826153C2 (de) * 1998-06-12 2002-11-07 November Ag Molekulare Medizin Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis einer in einer Probe ggf. enthaltenen Nukleotidsequenz
US20030054563A1 (en) * 2001-09-17 2003-03-20 Gyros Ab Detector arrangement for microfluidic devices
CN101068932B (zh) * 2004-10-27 2013-02-13 塞弗德公司 封闭系统多阶段核酸扩增反应
WO2007028084A2 (en) * 2005-09-01 2007-03-08 Canon U.S. Life Sciences, Inc. Method and molecular diagnostic device for detection, analysis and identification of genomic dna
ES2692380T3 (es) * 2006-03-24 2018-12-03 Handylab, Inc. Método para realizar PCR con un cartucho con varias pistas
WO2011094577A2 (en) * 2010-01-29 2011-08-04 Micronics, Inc. Sample-to-answer microfluidic cartridge
KR101368463B1 (ko) * 2010-04-23 2014-03-03 나노바이오시스 주식회사 2개의 열 블록을 포함하는 ｐｃｒ 장치
WO2012024658A2 (en) * 2010-08-20 2012-02-23 IntegenX, Inc. Integrated analysis system
US9677109B2 (en) * 2013-03-15 2017-06-13 Accelerate Diagnostics, Inc. Rapid determination of microbial growth and antimicrobial susceptibility
EP3058091B1 (en) * 2013-10-18 2020-03-25 The Broad Institute, Inc. Spatial and cellular mapping of biomolecules in situ by high-throughput sequencing
DE102014105437A1 (de) * 2014-04-16 2015-10-22 Amodia Bioservice Gmbh Mikrofluidik-Modul und Kassette für die immunologische und molekulare Diagnostik in einem Analyseautomaten

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008047272A2 (en) * 2006-10-17 2008-04-24 Koninklijke Philips Electronics N.V. Device for amplification and detection of nucleic acids
CN102203272A (zh) * 2008-10-23 2011-09-28 亚历山大·阿纳托莱维齐·斯特罗加诺夫 通过实时聚合酶链反应的核酸分析方法及实施该方法的装置
WO2014140596A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Bjs Ip Limited Fast pcr heating
CN103451295A (zh) * 2013-09-06 2013-12-18 内蒙古科技大学 一种生物学评价受污染水体质量的方法
CN104946507A (zh) * 2014-03-26 2015-09-30 精工爱普生株式会社 核酸扩增反应装置以及核酸扩增方法
CN104778964A (zh) * 2015-04-03 2015-07-15 程志 一种用于疾病诊断的检测u盘

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112770841A (zh) * 2018-07-26 2021-05-07 莱克斯诊断有限公司 变温反应器及其加热器和控制电路
CN112770841B (zh) * 2018-07-26 2022-09-06 莱克斯诊断有限公司 变温反应器及其加热器和控制电路
CN113005026A (zh) * 2020-06-17 2021-06-22 山东大学 一种基因检测芯片及检测方法
CN112481080A (zh) * 2020-12-10 2021-03-12 深圳先进技术研究院 一种微流控芯片、微流控芯片制备方法及核酸提取方法
WO2022161460A1 (zh) * 2021-01-31 2022-08-04 黄志嘉 聚合酶链反应的方法
WO2023280305A1 (en) * 2021-07-08 2023-01-12 Ixensor Co., Ltd. System and method to perform quantitative polymerase chain reaction
CN116814414A (zh) * 2023-08-30 2023-09-29 北京芯畅科技有限公司 一种激光诱导石墨烯pcr检测装置及方法
CN116814414B (zh) * 2023-08-30 2023-12-12 北京芯畅科技有限公司 一种激光诱导石墨烯pcr检测装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP3405285A1 (en) 2018-11-28
EP3405285A4 (en) 2019-06-19
WO2017127570A1 (en) 2017-07-27
US20190032114A1 (en) 2019-01-31
CA3011710A1 (en) 2017-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108883417A (zh) 即时核酸扩增及检测
US20210364511A1 (en) Micro-devices for disease detection and treatment
US10067122B2 (en) Micro-devices for improved disease detection
Zhou et al. Review of microfluidic approaches for surface-enhanced Raman scattering
Zhao et al. Magnetic liquid marbles: Toward “lab in a droplet”
He et al. Flexible microfluidic nanoplasmonic sensors for refreshable and portable recognition of sweat biochemical fingerprint
Schumacher et al. Highly-integrated lab-on-chip system for point-of-care multiparameter analysis
TWI652475B (zh) 改良的疾病檢測儀
TWI432713B (zh) 傳送液體樣品至感應器陣列之方法及系統
CN101031800B (zh) 分析装置
Shah et al. Generalized temperature measurement equations for rhodamine B dye solution and its application to microfluidics
US20090185955A1 (en) Microfluidic device for molecular diagnostic applications
CN102387863A (zh) 生物检验被分析物的一次性微流体测试盒
CN106918543A (zh) 一种用于检测单个金纳米颗粒表面生物分子的装置及方法
CN106959370A (zh) 一种基于耦合光栅的荧光生物传感器及检测方法
Arata et al. Temperature distribution measurement on microfabricated thermodevice for single biomolecular observation using fluorescent dye
Yang et al. Thermal sensing in fluid at the micro-nano-scales
US9121057B2 (en) Cartridge and device for analyzing biological samples using temperature-controlled biological reactions
Dan-Qun et al. Recent advances on optical detection methods and techniques for cell-based microfluidic systems
JP2024052866A (ja) 赤外分析チップ、及び赤外イメージングデバイス
Koklu et al. Characterization of temperature rise in alternating current electrothermal flow using thermoreflectance method
JP2018508762A (ja) 光熱分光法アッセイリーダー、関連するアッセイキット、及び方法
KR20090060635A (ko) 나노입자를 이용한 바이오 센서 및 그 제조 방법
KR102539869B1 (ko) 롤투롤 공정으로 제조된 금속-그래핀 기반 표면 플라즈몬 공명 분자진단 장치 및 이의 제조방법
Davanlou et al. In situ colorimetric detection and mixing of glucose–enzyme droplets in an open-surface platform via Marangoni effect

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20181123