CN109022263A - 一种管式控温装置及包含该管式控温装置的反应仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管式控温装置，其包括控温柱和反应管，所述反应管包括入口、出口和管身，所述反应管的管身螺旋盘绕在所述控温柱上；还涉及包括上述管式控温装置的反应仪，例如PCR仪。由于使用管式设计，使得本发明的控温装置在与泵结合后，十分有利于与前端的进样装置和后端的分离装置进行结合，由此来实现扩增DNA片段从体系配制到PCR反应再到PCR反应产物的分离的全自动化。

Description

一种管式控温装置及包含该管式控温装置的反应仪

技术领域

本发明涉及分子生物学器材，更特别地，涉及一种控温装置，以及包含该控温装置的PCR仪。

背景技术

DNA的半保留复制是生物进化和传代的重要途径。双链DNA在多种酶的作用下可以变性解旋成单链，在DNA聚合酶的参与下，根据碱基互补配对原则复制成同样的两分子挎贝。DNA在高温时也可以发生变性解链，当温度降低后又可以复性成为双链。因此，通过温度变化控制DNA的变性和复性，加入设计引物，DNA聚合酶、dNTP就可以完成特定基因的体外复制。

PCR(聚合酶链式反应)是利用DNA在95℃高温时变性会变成单链，低温(经常是60℃左右)时引物与单链按碱基互补配对的原则结合，再调温度至DNA聚合酶最适反应温度(72℃左右)，DNA聚合酶沿着磷酸到五碳糖(5’-3’)的方向合成互补链。基于聚合酶制造的PCR仪实际就是一个温控设备，能在变性温度，复性温度，延伸温度之间很好地进行控制。

自perkin–elmercetus公司第一台PCR仪问世以来，现已有几十家不同的厂家在国内外生产和销售PCR仪。在短短的几年间，PCR仪经过几代的发展，不断采用新技术，并且进一步朝方便、实用、高智能化和自动化的方向发展。PCR技术的基本原理类似于DNA的天然复制过程，其特异性依赖于与靶序列两端互补的寡核苷酸引物。PCR由变性、退火和延伸三个基本反应步骤构成：①模板DNA的变性：模板DNA经加热至95℃左右一定时间后，使模板DNA双链或经PCR扩增形成的双链DNA解链，形成单链，以便引物的结合，为下轮反应作准备；②模板DNA与引物的退火(复性)：模板DNA经加热变性成单链后，温度降至55℃左右，引物与模板DNA单链的互补序列配对结合；③引物的延伸：DNA模板/引物复合物在TaqDNase等嗜热聚合酶的作用下，以dNTP为反应原料，目的序列为模板，按碱基互补配对与半保留复制原理，合成一条新的与模板DNA链互补的半保留复制链，重复上述步骤就可获得更多的“半保留复制链”，而且这种新链又可成为下次循环的模板。每完成一个循环需2-4分钟，2-3小时就能将待扩目的基因扩增放大几百万倍。

毛细管电泳(capillary electrophoresis,CE)又叫高效毛细管电泳(HPCE),是近年来发展最快的分析方法之一。1981年Jorgenson和Lukacs首先提出在75μm内径毛细管柱内用高电压进行分离,创立了现代毛细管电泳。1984年Terabe等建立了胶束毛细管电动力学色谱。1987年Hjerten建立了毛细管等电聚焦，Cohen和Karger提出了毛细管凝胶电泳。1988-1989年出现了第一批毛细管电泳商品仪器。短短几年内,由于CE符合了以生物工程为代表的生命科学各领域中对多肽、蛋白质(包括酶，抗体)、核苷酸乃至脱氧核糖核酸(DNA)的分离分析要求,得到了迅速的发展。

目前，PCR技术虽然得到了很大的发展，但是所有的PCR仪都是通过以下方法来控制PCR反应的：将装有PCR反应体系的PCR管置于固定的控温底座的控温孔中，并紧贴控温孔的内壁，通过控制控温孔壁的温度来控制PCR管及其内部所装的反应体系的温度。这类装置虽然已经普遍化，然而它存在着一些不可克服的缺点。

首先，耗时长。正常的PCR反应一般包括30个循环，其中变性30s、退火30s、延伸30s/kb。加上初始变性5min，终末延伸10min，扩增1kb的片段只需要一个半小时左右的时间。然而，在PCR仪上进行反应时，我们发现，扩增1kb的片段往往需要至少超过2小时的时间。其原因在于，PCR仪中样品的位置是固定的，所以，必须操控控温底座的温度改变至反应进行到的阶段所需要的温度。30个循环，每次循环有3次变温，也就是说需要进行90次左右的变温。这接近100次的升降温过程需要消耗大量的时间。

其次，升降温看似逆过程，而事实上降温比升温的困难度更高，为了便于降温，PCR仪中还不得不设置风扇，增大了PCR仪的体积，提高了成本。

再次，根据当前的PCR仪的原理和设置，为了保证PCR体系内的热传导效率，PCR体系不能太大，单独的PCR反应的体系不能超过200微升，这就限制了特定基因的大量制备。PCR仪器扩大扩增的通量主要依靠增大反应的孔的数目，目前高通量的PCR仪器已经做到了384孔，可以同时扩增或者定量384个样品，但是面对上千或者上万的样品的扩增和检测，就比较困难了。

此外，毛细管检测技术(CE)实现了高通量检测，并且实现了自动化的操作，但是，目前的PCR仪由于结构和设置上的硬伤，不利于与毛细管检测形成一体化操作。

因此，需要一种新的PCR仪以及新的控温装置。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种管式控温装置，其包括控温柱和反应管，所述反应管包括入口、出口和管身，所述反应管的管身螺旋盘绕在所述控温柱上。所述入口和出口可分别直接与管身连通，或通过连接管与管身连通。所述控温柱可为柱状或筒状，所述管身可盘绕在所述控温柱的外表面上，也可盘绕在所述控温柱的内表面上。

在本发明的管式控温装置中，通过控制控温柱的温度来控制反应管的温度。使反应体系从反应管入口进入，经过管身，反应体系的温度通过热传导而与所处位置的管身温度相同，并在该温度下进行反应。这样的管式控温装置可营造恒温反应和温度循环变化反应的反应环境。当将控温柱的外周划分为多个不同的恒温加热区后，本发明的管式控温装置尤其适于营造温度循环变化的反应环境，例如用于PCR，该控温装置不需要传统PCR仪中需要循环切换控温底座的温度的过程，为PCR反应节省的大量时间。同时，由于使用管式设计，使得本发明的控温装置在与泵结合后，十分有利于与前端的进样装置和后端的分离装置进行结合，由此来实现扩增DNA片段从体系配制到PCR反应再到PCR反应产物的分离的全自动化。

在一个实施方案中，所述控温柱横截面的外周划分为三个恒温加热区，依次为变性区、退火区和延伸区，所述变性区的温度为90-98℃，所述退火区的温度为45-70℃，所述延伸区的温度为70-75℃，所述反应管的入口位于所述变性区的靠所述退火区的一端，所述反应管的出口位于所述延伸区靠所述变性区的一端。

三个恒温加热区的划分使得在反应管中形成一个PCR循环的三个阶段中所需的温度，并且在该控温装置中，这三个温区都是恒温，不需要在变性温度-退火温度-延伸温度之间进行循环切换。反应体系从变性区开始依次流过退火区、延伸区，完成一次PCR的温度循环，从而每绕控温柱运行一次即完成一个循环的PCR反应。

在另一个实施方案中，所述反应管的管身根据所处恒温加热区分段，每圈螺旋相应地依次分成变性区段、退火区段和延伸区段，并且相邻的区段之间通过热绝缘材料制成的短管连通。通过在相邻的区段之间采取热绝缘的短管连通，更好地避免了管身的不同恒温区段之间的热传递。本发明中所谓的热绝缘材料是指热传导率较低的材料，而非绝对不导热的材料。

在另一个实施方案中，所述控温柱表面具有与所述反应管管身相匹配的螺圈凹槽，所述反应管管身嵌入所述螺圈凹槽中。该设置使得能够更好更精确地控制反应管管身的温度。

在另一个优选实施方案中，所述螺圈凹槽对应的恒温加热区之间由热绝缘材料隔开。更好地隔离相邻恒温加热区之间的热传导。

在另一个实施方案中，所述管身具有多个出口，分别位于距所述入口不同的螺圈数处，并且除了离入口最远的出口外的每个出口都设置有出口阀(最远的出口也可设置有出口阀，也可不设置)。所述出口阀使得所处的出口处具有两个状态，一个状态是反应体系向下一个螺圈移动，另一个状态是反应体系离开反应管的管身，从出口出来。例如，反应管管身可在控温柱上盘绕30-60圈，并在距入口不同的圈数处设置出口，设置出口阀的状态使反应体系经过特定的圈数并从相应的出口出来，从而进行特定的PCR反应循环数。

反应管管身与入口的连接处也可设置有入口阀，入口阀可具有两种状态，一种状态是反应体系滞留于管身中；另一种状态是反应体系朝出口移动。

由于PCR反应分为三个阶段：初始变性阶段、循环阶段和终末延伸阶段。所以在PCR反应过程中，首先控制入口阀被控制关闭，将反应体系进给至管身中，由于入口阀关闭，反应体系并停留在入口阀前面(即，变性区的起始端)，控制系统在经过所设定的初始变性阶段的时间后，使入口阀打开，反应体系在泵的驱动下顺着管身移动，经进行循环反应。根据所需的循环圈数，控制相应的出口处的出口阀的状态使管身与出口连通(即，使反应体系朝该出口移动)，其他出口处的阀的状态为管身连通(即，使反应体系朝下一个螺圈移动)。当反应体系移动到最后一个循环的延伸区末端时，可控制泵停止驱动该反应体系移动，待其经历了所设定的终末延伸时间后再驱动其从出口出来。

出口阀也可设置成具有三种状态，第一种状态为使所述出口阀两边的螺圈连通(反应体系向下一个螺圈移动)；第二种状态为使所述管身与相应的出口连通(反应体系离开反应管的管身，从出口出来)；第三种状态为留滞状态(反应体系被滞留在管身与出口的连接处)。通过该设置，在PCR反应过程中，只需要控制出口阀的状态即可实现PCR终末延伸阶段，而不需要对泵进行额外的控制。在这种情况下，泵只需要按照初始设定的转速匀速运转即可。

本发明还涉及一种反应仪，其包括上述管式控温装置，以及进样管、反应产物排出管和泵，所述进样管与所述反应管的入口连接，所述反应产物排出管与所述反应管的出口连接，所述泵驱动进入所述进样管的反应物向所述反应产物排出管移动。该反应仪构建了与本领域原有的固定位置反应机构完全不同的新反应机构，使得更有利于一些需要循环变温的反应。通过控制泵的转速可控制反应体系在反应管中不同位置处的停留时间，从而控制反应程序。

在一个实施方案中，所述反应仪为PCR仪，所述控温柱横截面的外周划分为三个恒温加热区，依次为变性区、退火区和延伸区，所述变性区的温度为90-98℃，所述退火区的温度为45-70℃，所述延伸区的温度为70-75℃。

在另一个实施方案中，所述反应仪中包括多个加热装置以及相应的进样管和反应产物排出管，并且每两个加热装置中延伸区的长度相同或不同。设置特定的变性区-退火区-延伸区长度，使得可在循环过程中保持泵匀速，根据所需扩增的片段长度，在反应仪中选择不同的控温装置的得到不同的延伸时间。

在一个优选实施方案中，所述反应仪还包括控制器，所述泵和控温柱与所述控制器电连接，当所述出口处设置有出口阀和/或所述入口处设置有入口阀时，所述出口阀和/或所述入口阀与所述控制器电连接。控制器可控制反应仪的各项参数，以使反应精确进行。

附图说明

图1为控温装置的一个实例的示意图；

图2为控温装置一个实例的横截面视图；

图3为控温装置的一个实例的横截面视图；

图4为控温装置的一个实例的示意图；

图5为反应仪的一个实例的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、控温柱，2、反应管管身，3、入口，4、出口，5、进样管，6、反应产物排出管，101、变性区，102、退火区，103、延伸区，201、变性区段，202、退火区段，203、延伸区段，204、绝缘短管，301、出口阀，401、阀。

具体实施方式

以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例的控温装置包括控温柱1和反应管，所述反应管包括入口3、出口4和管身2，所述反应管的管身2螺旋盘绕在所述控温柱上1。

运行过程中，反应体系从入口3进入，经过管身2，反应体系的温度通过热传导而与所处位置的管身2温度相同，并在该温度下进行反应。这样的管式控温装置可用于营造恒温反应和温度循环变化反应的反应环境。

实施例2

如图2所示，本实施例的控温装置的控温柱1横截面的外周划分为三个恒温加热区，依次为变性区101、退火区102和延伸区103，所述变性区101的温度为90-98℃，所述退火区102的温度为45-70℃，所述延伸区103的温度为70-75℃，所述反应管的入口3位于所述变性区101的靠所述退火区103的一端，所述反应管的出口4位于所述延伸区103靠所述变性区101的一端。该装置可用于PCR仪中，作为PCR反应的控温装置。

三个恒温加热区的划分使得在反应管中形成一个PCR循环的三个阶段中所需的温度，并且在该控温装置中，这三个温区都是恒温，不需要在变性温度-退火温度-延伸温度之间进行循环切换。反应体系从变性区开始依次流过退火区、延伸区，完成一次PCR的温度循环，从而每绕控温柱运行一次即完成一个循环的PCR反应。

实施例3

如图3所示，本实施例的控温装置反应管的管身2根据所处恒温加热区分段，每圈螺旋相应地形成三个恒温区段，依次为变性区段201、退火区段202和延伸区段203，并且相邻的区段之间通过热绝缘材料制成的短管204连通。通过在相邻的区段之间采取热绝缘的短管204连通，更好地避免了管身2的不同恒温区段之间的热传递。本实施例中所谓的热绝缘材料是指热传导率较低的材料，而非绝对不导热的材料。

实施例4

在一个更优选的方案中，所述控温柱1表面具有与所述反应管管身2相匹配的螺圈凹槽，所述反应管管身2嵌入所述螺圈凹槽中。该设置使得能够更好更精确地控制反应管管身2的温度。更优选地，所述螺圈凹槽对应的恒温加热区之间由热绝缘材料隔开，更好地隔离相邻恒温加热区之间的热传导。本实施例中所谓的热绝缘材料是指热传导率较低的材料，而非绝对不导热的材料。

实施例5

如图4所示，所述管身具有多个出口4，分别位于距所述入口3不同的螺圈数处，并且每个出口4都设置有出口阀401，离入口3最远的出口4可不设置出口阀401。所述出口阀401使得所处的出口处具有两个状态，一个状态是反应体系向下一个螺圈移动，另一个状态是反应体系离开反应管的管身2，从出口出来。例如，反应管管身2可在控温柱1上盘绕30-60圈，并在距入口不同的圈数处设置出口4，设置出口阀401的状态使反应体系经过特定的圈数并从相应的出口4出来，从而进行特定的PCR反应循环数。

实施例6

如图5所示，本实施例为一种反应仪，包括上述管式控温装置，以及进样管5、反应产物排出管6和泵，所述进样管5与所述反应管的入口3连接，所述反应产物排出管6与所述反应管的出口4连接，所述泵驱动进入所述进样管5的反应物向所述反应产物排出管6移动。

运行过程中，将反应体系加入至进样管5中，开启泵，泵驱动反应体系从进样管5经过反应管管身2向反应产物排出管6运行，反应体系在经过反应管管身2的过程中完成反应。

该反应仪构建了与本领域原有的固定位置反应机构完全不同的新反应机构，使得更有利于一些需要循环变温的反应。通过控制泵的转速可控制反应体系在反应管中不同位置处的停留时间，从而控制反应程序。并且，在该反应仪中还可设置加压装置来控制反应管内部的压强，压强的提高可避免反应体系的蒸发。

实施例7

本实施例为一种PCR仪，其具有实施例6的基本设置，并且进一步地，所述控温柱2横截面的外周划分为三个恒温加热区，依次为变性区101、退火区102和延伸区103，所述变性区101的温度为90-98℃，所述退火区102的温度为45-70℃，所述延伸区103的温度为70-75℃。

优选地，该PCR仪中包括多个加热装置以及相应的进样管和反应产物排出管，并且每两个加热装置中延伸区103的长度相同或不同。设置特定的变性区-退火区-延伸区长度，使得可在循环过程中保持泵7匀速，根据所需扩增的片段长度，在反应仪中选择不同的控温装置的得到不同的延伸时间。

优选地，所述上述PCR仪还包括控制器，所述泵和控温柱与所述控制器电连接，当所述出口处设置有出口阀401和/或所述入口处设置有入口阀301时，所述出口阀401和/或入口阀301与所述控制器电连接。控制器可控制反应仪的各项参数，以使反应精确进行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种管式控温装置，其特征在于，包括控温柱和反应管，所述反应管包括入口、出口和管身，所述反应管的管身螺旋盘绕在所述控温柱上。

2.根据权利要求1所述的管式控温装置，其特征在于，所述控温柱横截面的外周划分为三个恒温加热区，依次为变性区、退火区和延伸区，所述变性区的温度为90-98℃，所述退火区的温度为45-70℃，所述延伸区的温度为70-75℃，所述反应管的入口位于所述变性区的靠所述退火区的一端，所述反应管的出口位于所述延伸区靠所述变性区的一端。

3.根据权利要求2所述的管式控温装置，其特征在于，所述反应管的管身根据所处恒温加热区分段，每圈螺圈相应地依次分成变性区段、退火区段和延伸区段，并且相邻的区段之间通过热绝缘材料制成的短管连通。

4.根据权利要求2所述的管式控温装置，其特征在于，所述控温柱表面具有与所述反应管管身相匹配的螺圈凹槽，所述反应管管身嵌入所述螺圈凹槽中。

5.根据权利要求4所述的管式控温装置，其特征在于，所述螺圈凹槽对应的恒温加热区之间由热绝缘材料隔开。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的管式控温装置，其特征在于，所述管身具有多个出口，分别位于距所述入口不同的螺圈数处，并且除了离入口最远的出口外的每个出口都设置有阀。

7.一种反应仪，其特征在于，包括权利要求1-6中任一项所述的管式控温装置，以及进样管、反应产物排出管和泵，所述进样管与所述反应管的入口连接，所述反应产物排出管与所述反应管的出口连接，所述泵驱动进入所述进样管的反应物向所述反应产物排出管移动。

8.根据权利要求7所述的反应仪，其特征在于，所述反应仪为PCR仪，所述控温柱横截面的外周划分为三个恒温加热区，依次为变性区、退火区和延伸区，所述变性区的温度为90-98℃，所述退火区的温度为45-70℃，所述延伸区的温度为70-75℃。

9.根据权利要求8所述的反应仪，其特征在于，所述反应仪中包括多个所述管式控温装置以及相应的进样管和反应产物排出管，并且每两个所述管式控温装置中延伸区的长度相同或不同。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的反应仪，其特征在于，还包括控制器，所述泵和控温柱与所述控制器电连接，当所述出口处设置有出口阀和/或所述入口处设置有入口阀时，所述出口阀和/或所述入口阀与所述控制器电连接。