CN109562383A - 用于样品分析与处理的快速热循环 - Google Patents

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龚海庆
文燕
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Star Array Pte Ltd
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Abstract

用于核酸热处理的设备和方法。该设备使用反应器握持架以握持各个容纳反应材料的反应器，此反应材料含有核酸。该设备包含第一浴槽；和第二浴槽，浴槽介质可分别维持在两个不同的温度THIGH和TLOW；以及一个转移装置，让反应器能在多个热循环中浸入此二浴槽，以交替地达到预定的高目标温度THT和预定的低目标温度TLT，同时该装置根据以下组合里的至少一个条件制定了温度偏移机制，此组合包括：a)THT低于THIGH b)TLT高于TLOW，以及c)a)和b)中的条件。

Description

用于样品分析与处理的快速热循环
技术领域
本发明涉及进行样品中核酸扩增反应的方法和装置。
背景技术
聚合酶链式反应(PCR)对于分子生物学、食品安全和环境监测日益重要。由于其高灵敏度和特异性，许多生物学研究人员在他们的核酸分析工作中使用PCR。PCR的时间周期通常约为1小时，主要是由于耗时的PCR热循环过程，该过程适于将含有样品的反应器加热并冷却至不同的温度以进行DNA变性，退火和延伸。通常，热循环设备和方法采用在两个加热浴槽之间移动反应器，所述两个加热浴槽的温度设定为核酸扩增反应所需的目标温度。研究人员一直在努力提高热循环的速度。
热电冷却器(TEC)或珀尔帖冷却器也用作加热/冷却元件。然而，它提供了典型的1-5℃/秒的升温速率，这样的反应器变温速度是较慢的，并且不利地延长了热循环的时间。
作为通过减少热质量来提高PCR速度的尝试，本发明开发了具有嵌入式薄膜加热器和传感器的微加工PCR反应器，以实现74 摄氏度/秒的冷却速率和约60-90度摄氏/秒的加热速率。然而，这种用于制造PCR装置的晶片制造工艺非常昂贵，因此在满足生物学测试中低成本一次性应用的要求方面不切实际。
热空气和冷空气交替地冲洗封闭室中的反应器，以实现比基于TEC的热循环仪更高的温度升降速度。然而，从传热的角度来看，空气的导热系数和热容量远低于液体，因此空气循环仪的温升比液体慢。TEC需要大量的时间来加热和冷却其本身以及TEC上方的热块。此外还需要克服加热块和反应器之间的接触热阻。
人们也开发了交替型水冲洗循环系统，以两种不同温度的水交替地冲洗反应器以实现快速PCR。但是，这些装置包含许多泵，阀门和管道连接器，这些部件在处理高温和高压时增加了维护的复杂性并降低了可靠性。使用循环液态浴槽介质时，液体通常从浴槽中溅出。
传统水浴PCR循环仪利用水的高导热性和热容量来实现有效的温度加热和冷却。但是，这样的循环器具有包含大量水的大型加热浴槽，其在装载和处理中难以管理，也使得在热循环开始之前要达到目标温度所需的时间过长。这种循环器也具有大的设备重量和高功耗。水会随着使用而蒸发，需要加满。此外，在热循环期间，每当反应器交替地插入浴槽中时，当从每个浴槽中取出时，一层水仍然附着在反应器本体上，由此导致反应器内的温度变化被减慢。
研究人员还测试了不同温度的移动加热辊交替接触反应器。然而，长管式反应器的使用不仅使安装和操作大量反应器麻烦，而且昂贵。当反应器处于大型阵列或面板中时，在所有反应器中实现加热均匀性可能具有挑战性。
本发明提供了一种改进的方法和装置，用于在不使用复杂和昂贵的部件或消耗品的情况下以实惠的成本以超高速度实现核酸热循环。该设备结实耐用，重量轻，使用方便，需要少量加热介质，并且可为反应材料处理一次性反应器，以避免从一个反应器到下一个反应器的交叉污染。本发明对生物分析提供了很积极的正面影响。
发明内容
除非另外指明，否则术语“包括”和“包含”及其语法变体旨在表示“开放”或“包容性”语言，使得它们包括所记载的要素，但也允许包含额外的未列举的要素。术语“第一浴槽”、“第二浴槽”、“第六浴槽”并不按顺序排列，而仅仅是根据其相对用途命名，以方便识别。这些浴槽可能并不代表独立的实体，因为它们中的一些可能是可共享的。术语“热处理”包括：a)热循环，并且可选地包括：b)热循环之前和/或之后的热处理步骤。术语“热曲线”是指单单在a)时或在a)与b)期间反应器的温度-时间变化。
根据第一方面，本发明提供了一种用于以热曲线对核酸进行热加工的设备，所述设备使用用于握持反应器的反应器握持架，每个反应器容纳含有核酸的反应材料并且所述反应器处于任何形式，例如管或多孔板或芯片或卡盒，所述设备包括：第一浴槽和第二浴槽，浴槽中的浴槽介质可分别保持在两个不同的温度THIGH和TLOW；以及用于允许反应器在多个热循环中处于两个浴槽中的转移装置，以交替地达到预定的高目标温度THT和预定的低目标温度TLT，同时该装置拥有由至少一个条件所定义的温度偏移机制，条件组合包括： a)THT低于THIGH，b)TLT高于TLOW，以及c)综合a)和b)中的条件，传输装置可由至少一种模式，包括：基于在热循环期间由反应器温度传感器感测到的实时温度可操作的温度引导运动控制装置(TeGMCM)，以及时间引导运动控制装置(TiGMCM)，该时间引导运动控制装置基于允许反应器在浴槽中的时间段是可操作的，任何浴槽中的浴槽介质处于任何阶段，包括空气，液体，固体，粉末和这些中的任何一种的混合物。在此，本发明有利地使用了牛顿的其中一项定律。此定律申明物体的热损失率和物体与周围的温差成比例。通过将第一浴槽温度保持在明显高于THT的THIGH和明显低于TLT的第二浴温度TLOW下，反应器可以显着更快地进行热循环。 TiGMCM可以根据时间段进行用户校准。TeGMCM允许更好的自动化和准确性，但需要非常快速的温度采样和信号处理电子器件，与反应器传输机制的快速数据通信以及反应器传输机制中的非常敏感的机械运动组件(例如电机和致动器)。另一方面，TiGMCM不需要如此高响应的设置，但需要用户根据温度偏移的程度进行校准。温度偏移机制的有利影响已由图2和图3中的实验图表证明。如图 12(a)和(b)所示，其中四十个循环的热循环时间显示减少到五分之一。所需时间可以通过增加温度偏移的幅度来进一步降低。
根据一个实施方案，设备提供了第三浴槽，其中的浴槽介质被维持在中等温度TMEDIUM以让反应器进行三步热循环。在此，转移装置让反应器能进入第三浴槽以达到预定的中等目标温度TMT。为了从TLT获得更快的加热速率，TMT可以低于TMEDIUM，或者TMT可以高于TMEDIUM以从THT获得更快的冷却速率。TMT可以保持与TMEDIUM相同。
根据一个实施方案，设备提供了第四浴槽，其中浴槽介质可保持在TAP温度以允许在热循环之前对反应器进行附加处理，附加处理组合包括：逆转录聚合酶连锁反应(RT-PCR)，热启动过程和等温扩增反应，其中转移装置允许反应器达到另外的过程目标温度TAPT，TAP等于或高于或低于TAPT。此法的优点与使用温度偏移功能相同，并有利地允许浴槽分享。以适当的温度设定，此法能节省设备的占地面积和质量。
第一浴槽中的浴槽介质可以保持在100摄氏度以上，以便更好地利用温度偏移特征的优点以及可以被加热到如此高的温度的合适浴槽介质。第二浴槽中的浴槽介质可以保持在室温以下，以更好地利用温度偏移的优点。
根据一个实施方案，当反应器达到低于THT的第一提离温度时，转移装置被校准以开始将反应器从(一个或多个)浴槽中提离，以弥补由操作电机延迟所造成对反应器不必要的过度加热或过度冷却，所述温度高于TLT。
根据一个实施例，该设备包括用于在热循环期间改变任何浴槽中的温度的改变装置。该特征显著地帮助减少设备中浴槽的数量，从而减少设备的占地面积和重量。
THT可以在85-99摄氏度的区域用于核酸的变性，并且TLT可以在45-75摄氏度的区域用于引物或探针退火到核酸上或用于引物延伸，第一和第二浴槽用于使反应器热循环以实现聚合酶链式反应(PCR)扩增或引物延伸。
该设备还可以包括用于热曲线中的温度稳定步骤的第五浴槽。如果热曲线需要，温度稳定步骤可以被设为目标温度之一。
该设备可以进一步包括荧光成像装置或电化学检测装置，用于当反应器处于任何浴槽内或浴槽外的空气时进行核酸分析。
该设备可以进一步包括第六浴槽，其中浴槽介质是可以保持在40-80摄氏度的液体或热空气，其中浴槽介质和浴槽壁的至少一部分是透明的，以允许来自光源的照明光和来自反应器的发射光的透射。
THIGH和THT之间的第一偏移可以在1至400摄氏度的范围内，而TLOW和TLT之间的第二偏移可以在1至100摄氏度的范围内。偏移数值越高，反应器达到的温度变化越快，从而加快热循环的速度。
第一浴槽中的浴槽介质可以是添加到具有较高沸点的第二液体中的第一液体，使得混合物中的温度可以保持在更高的数值，例如高于100摄氏度而不沸腾。
该设备还可以包括浴罩，一个或多个盖开口以允许反应器进入浴槽中并在反应器从浴槽中移出后关闭。此功能通过减少暴露在环境中的热量损失或增加而有助于节省能源。特别是当THIGH被设定为远高于环境温度的值时，装置的其他部分也被防止升温。这也减少了浴槽介质的蒸发和设备周围部件的污染。
该设备包括用于监测浴槽介质温度的浴槽温度传感器和能够在热循环期间与反应器保持器一起移动的反应器温度传感器，以监测反应器的实时温度。该设备可以进一步包括容纳用于封装反应器温度传感器的物质的容器，容器和物质具有与反应器和反应物质类似的构造或传热特性，以便让反应器传感器所检测到的温度在任何时刻都趋近于反应器内反应材料的温度。
该设备可以进一步包括第七浴槽，此第七浴槽可以接收反应器并且在热循环之后进行熔解曲线分析时逐渐加热。这有助于整合处理步骤，并特别有利于浴槽共享。
根据第二方面，本发明提供了对应于设备权利要求的方法权利要求。
本发明使得核酸的热循环和分析的整个过程能够在短短几分钟内完成，从浴槽加热准备到反应器热循环和荧光信号的获取。本发明提供了浴槽共享的范围。
附图说明
在以下附图中，相同的附图标记通常指代相同的部分。图纸不是按比例绘制的，而是着重描述这个概念。
图1a是根据本发明的含有核酸的反应材料的热循环装置的实施方式的示意图。
图1b是一张显示了反应器被容纳在可被用于本发明的示例性生物芯片中的透视图。
图1c是说明具有专门适用于粉末浴槽介质的不透明管状反应器的照明和荧光发射检测模块的横截面图。
图2是如图1所示用于热循环过程的装置的一个实施例的等距视图。
图3是具有图2中的设备的光学模块的反应器阵列和浴槽的实施例的等距视图。
图4a是根据一个实施例的典型的2步热循环过程连同熔解曲线分析的示例性图示。
图4b是根据一个实施例的典型的3步热循环过程连同熔解曲线分析的示例性图形表示。
图5a是用于加热速率的牛顿定律的图形表示。
图5b是用于冷却速率的牛顿定律的图形表示。
图6(a)是实验反应器温度随着时间变化的图示，其中使用前述装置在40次热循环，循环期间不使用温度偏移特征。
图6(b)是使用先前描述的设备并使用温度偏移特征的实验反应器温度在40次热循环循环期间随时间的变化的图示。
图7(a)至(e)是描述根据本发明实施例的温度偏移特征的概念的图形表示。
图8(a)和(b)是用于描述根据本发明的各种实施例的温度偏移特征的概念的示意性和正视横截面表示。
图8(c)是根据图8(a)和8(b)所描述的温度偏移机制概念的图形表示。
图9(a)至(d)是描述温度偏移机制概念的图形表示。
图10至图12是用于描述根据本发明的各种实施例的温度偏移机制概念的示意图。
具体实施方式
下面的描述以充足的细节呈现了本发明的几个优选实施例，使得本领域技术人员可以制造和使用本发明。
图1a显示用于核酸热循环(例如PCR，引物延伸或其他酶促反应)的热循环设备的一部分的实施方案的示意图。该装置具有两个包含浴槽介质75的浴槽50和51。每个浴槽50或51具有浴槽加热器17和沿浴槽表面安装的浴槽温度传感器39，以便控制浴槽介质75的温度。根据另一个实施例，浴槽温度传感器39可以定位在浴槽50,51内部。浴槽50可适用于变性步骤，浴槽51可适用于退火和/或延伸步骤。当浴槽51需要被主动冷却到室温以下时，冷却器16就可派上用场。这里所示出的浴槽介质75是液体，但是本发明也可以使用任何其他类型的流体或粉末或固体浴槽介质75。对于一些实施例，如果浴槽51不必被加热，则低温浴槽51上的浴槽加热器17是可选的。为了进行热循环，反应器15多次在浴槽50,51之间交替转移。为了使反应器15能够快速地插入浴槽介质75中，细长反应器15是优选的，例如玻璃毛细管。反应器15由密封剂或盖77密封，而反应器15的一部分是透明的，以让光通过，用于染料或探针激发和荧光成像。温度监测单元34被安装在反应器握持架33上，并与反应器15一起在浴槽50,51之间移动。温度监测单元 34内部包含高速反应温度传感器38。温度监测单元34具有与反应器15相似的形状，并被构造成具有与反应器15相似或相同的稳态和瞬态热特性，以使温度读数和热响应与反应器15类似或相同，除非另外的反应器15本身用于该目的。例如，温度监测单元34可以将快速响应温度传感器38插入水或油或者一层覆盖水的油层22并密封。尽管仅示出了一个反应器15，但根据其他实施例，反应器握持架33可容纳多个反应器15。反应器15可以是如图所示的一个或多个管状容器的形式，也可以是多孔板或芯片或卡盒。反应器转移装置85将反应器15和温度监测单元34高速传送到浴槽50和51中，以按照热循环所需的方式交替地将它们暴露于浴槽50和51中的不同温度。反应器转移装置85有许多可能的设计。一个这样的机构包括一个X台86沿着用于反应器15和温度监视单元34的X轴直线导轨87移动，以到达浴槽50和51上方的区域；以及一个Z台88沿着Z轴移动，用于反应器15的直线导轨89将它们向下移动以进入浴槽介质75或从浴槽介质75抽出。这样的转移装置85也可以包括旋转臂(未示出)，该旋转臂使得反应器15和温度监控单元 34沿着Z轴直线导轨89移动的同时沿着角度方向移动Z台88。反应器15具有用于装载的开口，而反应材料21和开口是可密封的。密封剂77可以由硅橡胶或UV固化的聚合物、在热循环过程中能处于固态的热熔和/或蜡和/或凝胶制成。本发明也可以使用液体如油，粘性聚合物和凝胶来实现密封。高粘性液体可以被施用于反应器15的开口和/或顶部，它能够阻止从反应材料21产生的蒸汽泄漏出去。用于荧光成像的装置可以遵照本领域中的任何形式规则部署。图1b是根据用于反应器15的替代实施例的反应器15的透视图，所述反应器15被容纳在与浴槽一起使用的卡31中。至少有一个入口313通过通道网络315与反应器15流体连通。待测试的反应材料21可以通过入口315被装载，随后会流入反应器15。图1c示出了特别在反应器15是不透明时的实施例。对于荧光成像，光纤309将来自诸如LED(未示出)的照明光源的光传输到反应器15内部的反应材料21中。光纤310用于从反应材料21到光检测器(未示出)的光传输。密封剂或帽77保持光纤309,310。或者，也可以对至少部分透明的反应器15进行成像，使用至少部分透明的、带有透明浴槽介质75的浴槽，如图3所示。在某些情况下，当反应器15在任何浴槽之外时可以进行成像。反应器15在浴槽介质75内时，反应器15 的荧光成像是重要的，因为当多个不同波长的多个图像被用于多重检测时，反应器15可能不得不在退火或延伸温度下保持延长的时间段或获取对照基因的荧光图像。反应器15的至少一部分需要是透明的，以允许光通过，使染料或探针激发和荧光成像。
图2示出了具有反应器传送机构85的设备的等距视图，其中光学模块206执行反应器15内的核酸的荧光检测，温度控制器模块205控制浴槽温度，运动控制器207控制所有运动，而系统控制器208利用数据通信和处理，图像处理和数据分析来控制系统。此图示出了浴槽模块204包括彼此相邻放置并且各自保持在预定温度的五个浴槽50,51,52,53,54。在本实施例中，在光学模块206中，反应器15位于具有以空气或透明液体为浴槽介质75的低温槽51。逆转录-聚合酶链式反应(RT-PCR)，热启动处理和等温扩增反应等附加处理也可以在任何浴槽内进行以达到热循环，其温度可以在热循环之前被设定成TAP，也可以在完成上述附加处理后把温度为热循环重新设定。图3示出了浴槽模块204和光学模块206的拆散图解。具有温度监测单元34的反应器阵列15在浴槽50至54之间转移。在该实施例中，浴槽51具有空气或透明液体作为浴槽介质75以及底部的透明窗口25，以如照射射线路径箭头所示将照明光和发射光传递到反应器15和从反应器15传出。浴槽加热器17或冷却器16被安装在浴槽的侧壁。该设备可以特地为反应器15在成像步骤增设热空气区(未显示)。这简化了设备。此设备也可具备电加热器或红外加热器，以形成浴槽上方或浴槽内的热空气区域。加热器最好跟反应器握持架33安装在一起。这样一来，当反应器15在浴槽之间移动时，只有反应器15的周围被加热。这一特点为设备省却了对其它部件不必要的加热。根据热循环的热曲线以及热循环之前和之后的步骤，该设备可以使用多个浴槽50至54。在热循环的三步热曲线中，反应器15在各个热循环步骤中分别被插入三个浴槽。在热循环之前，具有温度监测单元34的反应器15可以被插入四个浴槽中，该四个浴槽保持在预定温度，例如用于核酸扩增的热循环之前的附加处理。额外的过程可以来自由逆转录聚合酶链式反应 (RT-PCR)，热启动处理和等温扩增反应组成的组合。熔解曲线分析可以在热循环后使用浴槽进行。
图4a是典型的两步热循环处理之后进行熔解曲线分析的示例性时间-温度图形表示。在使用两个浴槽的变性与退火处理中，只有三个循环被显示。在热循环之后，当至少有一部分透明的浴槽介质75正在被逐渐加热时，反应器15被放置在此浴槽介质75中。在多个温度下获取来自反应器15的荧光信号以形成用于解链曲线分析的荧光-温度曲线。通过温度偏移机制增加反应器15的温度的斜升和斜降来加快热循环的速度，其中第一浴槽50中的浴槽介质75的温度保持在温度THIGH，该温度明显高于变性温度或高目标温度 THT的温度，而第二浴槽51中的介质75的温度保持在显着低于退火温度或低目标温度TLT的温度TLOW。该特征有利地使用牛顿冷却定律，该定律指出：“物体温度的变化率与其自身温度和环境温度(即其周围温度)之间的差值成比例。图4b是典型的三步热循环过程，之后是熔解曲线分析的示例性时间-温度图示。只有三个循环显示在使用三个浴槽的变性，退火和延伸过程中。热循环后，熔解曲线分析根据图4a的描述被执行。在此，图4a下描述的温度偏移机制进一步延伸用于第三浴槽52，其中浴槽介质75的温度保持在显著高于延伸温度或TMT的温度TMEDIUM。用于熔解曲线分析的浴槽介质75可以是空气或透明液体，而浴槽需要具有透明窗口25，两者都需要具有低自体荧光。
图5a示出了这项定律，其中当环境温度处于温度THIGH时，温度处于TLT的物体被显示在时间t1内被加热直到处于温度THT，其中THIGH>THT。当环境温度处于THT时，处于温度TLT的相同物体被显示在时间t2内加热至温度THT。如图所示，t1<t2，这表明当环境温度较高时加热速率较快。图5b示出了这项定律，其中当环境温度处于温度TLOW，其中TLOW<TLT时，温度为THT的物体被显示在时间t3内被冷却至温度TLT。如图所示，t3<t4，表明环境温度较低时冷却速率较快。因此，通过保持THIGH显着高于变性温度并且TLOW显着低于退火温度，反应器15的温度变化率在热循环过程中显着增加，由此使得热循环速度明显加快。
如图4a和4b所述，使用温度偏移的概念可以在热循环的任何阶段，根据处理所需使用任何数量的浴槽。保持温度偏移的这一特征可以选择性地仅用于加热或仅用于冷却步骤，或用于两者。高温浴槽50中的液体浴槽介质75可以具有比100摄氏度(即水之沸点) 更高的沸点，以实现反应器温度更快的提升。
图6(a)显示实验反应器温度随着时间变化的图形表示，该温度在使用前述设备的热循环的四十个循环期间随时间变化，并且通过维持THIGH＝THT＝95摄氏度和TLOW＝TLT＝60摄氏度，而不使用温度偏移特征。从时间轴看，四十次热循环耗时1450秒。图6(b) 示出了实验反应器温度随着时间的变化的图形表示，该温度在使用前述装置配上温度偏移机制的热循环的四十个循环期间随时间变化，并且通过保持THIGH＝120摄氏度，THT＝95摄氏度，TLOW＝25摄氏度和TLT＝60摄氏度。从时间轴看，进行四十次热循环所用的时间为300秒。因此，利用温度偏移机制，热循环的时间减少到大约五分之一。这是一个非常显着的改进，因为大约25分钟已经减少到5 分钟。在这种情况下，由于机电系统在更换浴槽中的延迟，在高温和低温浴槽50,51中均观察到轻微的过冲。这样的过冲可以通过校准装置以稍微在达到目标温度以补偿延迟之前从反应池50,51提升反应器15来避免。
为了使反应器15能够快速加热，根据一个实施方案，高温浴槽50中的液体浴槽介质75明显过热至125摄氏度并且高于高目标温度THT，用于DNA变性，其温度通常为约95摄氏度。混合比例为70:30或更高的甘油和水的混合物可用于避免液体在高于100摄氏度时沸腾，同时保持液体的良好导热性。为了使反应器15能够快速冷却，低温浴槽51中的液体被冷却至远低于目标温度TLT，以便为DNA分子进行退火和/或延伸，其温度约为58摄氏度。例如，低温浴槽51中的液体可以保持在10或30摄氏度，而室温为20℃。反应器15包含具有至少一个核酸分子和分析用试剂的反应物质21。
该设备使用了温度导向运动控制装置(TeGMCM)和时间导向运动控制装置(TiGMCM)(未示出)以便让反应器15停留在浴槽50 至54中，直到达到基本相应的目标温度，不管相应浴槽的温度如何。当反应器15即将达到由温度监测单元34感测到的目标温度时，TeGMCM/TiGMCM可以被馈送预先信号，以避免当反应器15从浴槽抽离时由机电操作延迟所造成的过热或过度冷却。这有助于为反应器15在获得预定目标温度方面维持更好的精准度。有了TeGMCM/TiGMCM,本发明有利地通过允许反应器15基于其能够保持在浴槽中以达到多个温度水平这项优点，而降低所需的高温和低温浴槽的数量。然而，为了在任何温度水平保持稳定温度，专门为该温度制定浴槽是有必要的。
上述过热和欠热方法的温度偏移使反应器15的温度升高/降低得更快。在包含公式(1-7)的本节，此理论得以被解释。操作中的其中一种反应器15是含有反应物质的管。管和反应材料21具有不同的热和其他材料特性。为了说明在热循环过程中装载反应物质21的反应器15浸入浴槽介质75中的传热特性，我们将装有反应物质21的浸没反应器15约略设为由具有外表面积As的均质材料制成的圆柱体，半径R，长度L，浸没的圆柱体的体积V，热容量cp。在热循环期间，为了估计圆柱体浸入高温浴槽时从TLT到THT所经历的加热时间长度，我们从牛顿冷却定律中利用圆柱体的平均表面温度Ts,avg判定平均热传导速率[参考文献1：YA Cengel和A.J.Ghajar， Heat and Mass Transfer：Fundamentals andApplications，Fifth Edition In SI Units by McGraw-Hill Education，2015]。也就是说，
其中THIGH是高温浴槽中浴槽介质的温度，Ts,avg＝(TLT+THT)/2。在高温浴槽的过热方案下，THIGH>THT。注：TLT的一个例子是 PCR中的退火温度，THT的一个例子是PCR中的变性温度。
接下来，我们判定从圆柱体传递的总热量[参考文献1]，简单地说，它就是当圆柱体从TLT加热到THT时的能量变化：
Qtotal＝Vcp(THT–TLT),……….Eq(2)
在这个计算中，我们假设整个圆柱体在圆柱体的整个区域上处于均匀温度。通过这个假设，从TLT到THT的加热时间Δt被确定为
由于上述假设，公式(3)不能产生准确的温度值，但它揭示了影响加热圆柱体时间的因素。
公式(3)中的传热系数h与加热介质和反应器之间的相对速度有关，这可以通过以下对外部流过圆柱体的对流传热的分析来获得 [参考文献1]：
穿过圆柱体的平均努塞尔数可以简洁地表示为
Nu＝CRe mPr n,………Eq(7-37)of Reference 1
其中常数C，m和n与雷诺数Re有关，其定义为
其中D是圆柱体的直径，ρ是浴槽液体的密度，μ是液体在浴槽中的动态粘度，v是加热介质和反应器之间的相对速度。
比方说，如果Re在40-4,000的范围内，则等式(7-37)可以被重写为
Nu＝0.683Re 0.466Pr 1/3 Eq(4),
如参考文献1中的表格7-1所示。
既然其中h是圆柱体表面上的传热系数，D是圆柱体的直径，k是浴槽中液体的导热系数，式(4)可以被重写成
将公式(5)代入公式(3)中，可得
式(6)显示了实施过热策略的优势；也就是说，过热浴槽的温度TH越高，将圆柱体从TLT加热到THT的时间越短。在实验上，图5a 示出了当过热浴槽温度THIGH从95℃的温度升高到115℃时，反应器15从50℃达到95℃(THT)的时间t1(TLT)远远短于当浴槽介质75设定在95℃时反应器15达到95℃(THT)的时间t2。
类似地，将圆柱体从THT冷却到TLT的时间被确定为
式(7)显示了实施欠热策略的优势；那就是，欠热浴槽温度TLOW越低，将圆柱体从THT冷却到TLT的时间就越短。实验上，图5b 示出当欠热浴槽的温度TLOW从50℃的温度降低至20℃，反应器15从95℃(THT)降至50℃(TLT)的时间t3远短于当浴温设定在50℃时，反应器15达到50℃(TLT)的时间t4。
下面描述使用上述装置进行快速热循环和核酸加工的各种示例性方法。当在高温浴槽50和低温浴槽51之间交替地转移反应器 15进行热循环时，图7(a)显示了本发明方法的优选实施方案中的反应器温度变化曲线200(点虚线曲线)高温浴槽50中的过热机制和温度变化曲线300(虚线)在另一实施例中不使用高温浴槽50中的过热方法。因此，在反应器15的热循环中，曲线200所代表的温度上升速率比曲线300所代表的快。于此，高温浴槽50的温度被设置成比变性所需温度THT还高的THIGH，而低温浴槽51的温度被设置为适于退火和/或延伸的TLT。在浴槽被分别加热至浴温THIGH和TLT之后，反应器转移装置85将反应器15转移至高温浴槽50以启动用于PCR或其它扩增反应的热循环，可具有热启动步骤，也可以不具有热启动步骤。此热启动步骤可能需要也可能不需要使用单独浴槽。一旦与曲线200或300相对应的反应器温度达到高温浴槽50中的THT，反应器转移装置85拉出反应器15并将它们转移至低温浴槽51以让反应器15温度达到TLT，随后转移反应器15回到高温浴槽50进行热循环。在该实施方案中，反应器15被允许在浴槽51中停留一段时间，称为核酸扩增所需的停留时间tL。一旦在浴槽51中达到停留时间tL，反应器转移装置85将反应器15 提升离开浴槽51以转移至浴槽50以继续热循环。类似的停留时间也可以应用在高温浴槽50中(未示出)。在一个实施例中，停留时间tL可以通过设备里与反应器一起移动的反应器温度检测单元进行测量，如图1a所示。但是，这种方法实施起来可能很昂贵。当反应器15浸入浴槽中时，反应器温度曲线200或300可以以极高的速率改变，例如40摄氏度至90摄氏度/秒。为了精确地控制反应器转移装置85提起反应器15的时间，设备需要速度非常快的温度取样和信号处理电子器件，与反应器转移装置85之间的快速数据通信，和反应非常灵敏的机械运动部件，例如转移装置里85的电动机和致动器。但实际上，在市场上可能还没有这样快速的电子设备，或者这对于制造本设备的特定机构来说太昂贵。在另一个实施方案中，停留时间tL从反应器15浸入浴槽中的那一刻开始计数。例如，在将反应器15浸入浴槽中4秒钟之后，假定反应器15在浸渍后1秒内达到其目标温度TLT或其附近，并停留在目标温度TLT或其附近3 秒。这种方法很重要，因为它可以低成本实现，而不需要任何能够进行高速温度采样，处理和数据通信的设备。类似的超快速加热和冷却技术也在用于各种形状的塑料和金属反应器时被观察。对于塑料反应器15，我们特地使用大幅低于室温的TLT,它使用的是诸如热电冷却器之类的主动冷却装置。如果需要，该设备可以允许用户选择条件THIGH＝THT或TLOW＝TLT。
图7(b)描述了使用高温浴槽50中的过度加热和低温浴槽51中的欠热进行热循环的方法。低温浴槽51中的温度TLOW被设定为低于TLT，使得低温浴槽51中反应器15与浴槽介质75之间的热传递强得多，致使反应器15更快地冷却。当反应器温度达到TLT时，反应器转移装置85立即提起反应器15并将它们转移到高温浴槽50继续热循环。图7(c)进一步描述了热循环方法，其中反应器温度过冲高于THT和低于TLT。该方法使得反应器15能够停留在THT附近更长的时间tL以变性和/或停留在TLT附近更长的时间段tL用于退火和延伸。在图7(d)所示的另一个实施方案中，在反应器15达到TLT附近的温度之后，反应器15被移出低温浴槽51进入空气区，以保持反应器温度13在附近温度或在TLT长达处理核酸分析所需的时间段，例如PCR中的退火和/或延伸，然后将反应器15移至高温浴槽50以继续热循环。可以加热空气区中的空气，并且可以使用红外线加热器、吹送热空气的风扇、电阻丝加热器或者在室温下为简单的空气区，在低温浴槽51附近建立加热的空气区。加热的空气区域也可以在高温浴槽50或低温浴槽51内的浴槽介质75上被创建，以利用浴槽50,51中的受限空间以更好地维持反应器温度13。加热的空气区域也可以在高温浴槽50或低温浴槽51的开口处在浴槽介质75上方形成。相同的策略也可以应用于高温浴槽50以保持THT长达规定的时间段。
在图7(e)所示的另一个实施方案中，在反应器15到达低温浴槽51中的TLT之下之后，反应器转移装置85将反应器15移出浴槽51进入热空气区以将反应器15加热至TLT以上，随后将反应器15移入低温浴槽51以将反应器15冷却至TLT以下，并根据需要多次重复该操作以产生波动式温度变化围绕TLT进行退火和引物延伸。通过使用冷却空气区将THT维持长达规定的时间段，也可以将相同的策略应用于高温浴槽50。
图8(a)示出了通过使用保持在低于TLT的温度35的一个欠热浴槽61来快速冷却反应器15的热循环的另一个实施例。之后，反应器15被移至低温浴槽51以保持反应器温度13在TLT附近。在沿着反应器传送路径56进行热循环的过程中，反应器15离开可能处于过热状态的高温浴槽50再进入低欠温浴槽61以迅速达到TLT附近，然后进入低温浴槽51以将温度维持在TLT长达荧光成像的所需时间，以进行实时定量PCR，然后设备将反应器15移回高温浴槽50以继续热循环。上述在热循环的每个循环中反应器15的荧光成像可能不是每个应用所必需的。对于一些应用，反应器15的荧光成像可以在每几个循环执行以减少核酸分析的总时间。反应器15 的荧光成像可以在热循环结束时进行，以执行终点PCR检测。图8(b)示出本实施例中的高温浴槽50，欠热浴槽61和低温浴槽51 的示意图。欠热浴槽61也可以冷却到室温以下。欠热浴槽61的温度越低，反应器15冷却到TLT附近的速度越快。在将反应器15移出欠热浴槽61之前，反应器温度13可以与TLT相同或更低或更高。在将反应器15移入低温浴槽51之前，要在反应器15处于欠热浴槽时精确地将它冷却至TLT可能是困难的。这些困难包括：温度传感器需要能够获得高采样率的温度控制器，快速温度信号处理，通过通信端口将温度数据快速传输到温度控制器或信号处理控制器，运动装置移动反应器的时间滞后从低温浴槽51中取出反应器15，等等。因此，在将反应器15转移到低温浴槽51之前，把反应器15先置入欠温浴槽使之冷却至比TLT高或低0.5-5℃，是比较实际的做法。在将反应器15从欠热浴槽61移动到低温浴槽51之后，为了加快温度变化以达到TLT，可以将低温浴槽51设定为与TLT不同的温度。例如，如果温度35的欠热浴槽61中的反应器15被冷却到低于TLT，则低温浴槽51中的温度14可以设定为高于TLT，如图8 (c)所示。类似地，如果欠热浴槽61中的反应器15被冷却到高于TLT，则低温浴槽51中的温度14可以设定为低于TLT。具体而言，低温浴槽51中的温度可以在TLT附近。欠热浴槽61中的浴槽介质温度的选择可以根据反应器15的传热特性而变化。例如，对于由玻璃或金属材料制成的反应器15，欠热浴槽61的温度35可以设定在室温下或其附近，而对于由塑料制成的反应器15，欠热浴槽61的温度35可被设定在远低于室温，或设于室温。上述温度设定也取决于反应器15的体积和反应器15的壁厚。对于大型反应器15和由塑料制成的反应器15，可以通过热电冷却器或再循环液体冷却系统主动冷却欠热浴槽61，以达到非常低的浴温，例如略高于0℃至20℃。通过使用防冻剂或使用盐，可以在欠热浴槽61中使用零度以下的液体以进一步提高反应器冷却速率。上述的强力欠热或冷却装置不仅快速冷却塑料反应器15，而且还迅速冷却玻璃或金属或塑料金属反应器15。而且，当图7(c)所示的热循环方案结合了用于快速加热THT的过热浴槽时，整个热循环过程可以进一步缩短。另外，为了缩短从欠温浴槽61向低温浴槽51转移反应器15的时间，可以将低温槽51的温度设定为比TLT高的温度，从而使反应器温度上升至TLT以上在TLT附近达到所需的时间段，或者在欠温浴槽61和低温浴槽51之间进行反应器15的循环转移，类似于图6(e)所示的过程，在TLT附近达到所需的一段时间。在上述方案中，欠热浴槽61 可以保持在室温或低于室温或高于室温。将反应器温度13维持在目标温度持续图7(a，b，c)所示的时间段的相同策略可以施加到高温浴槽50，以将反应器温度13维持在THT一段时间。
图9(a)描述了使用稳定浴槽的实施方式(3步PCR)。当设定在温度THIGH时，反应器温度13在高温浴槽50中升高82。当反应器15在稳定浴槽内并处于温度THT时，反应器温度13处于稳定区域92。反应器温度83在设定为温度TL的低温浴槽51中下降。当反应器15在TLT处于稳定浴槽中时，反应器温度13稳定93。反应器温度13升高84°至TMEDIUM的中等温度。反应器温度94反映的是当反应器15处于稳定浴槽内以维持在温度TMT时的状况。图9(b)描述了如图8(a)中的3步PCR的另一个实施方案，没有使用温度分别设在THT和TLT的稳定浴槽。图9(c)描述了三步PCR的另一个实施方案，采用了稳定浴槽，其中不同浴槽中的浴槽介质 75是不同的。例如，高温浴槽50中的浴槽介质75可以是导热颗粒或具有高蒸发温度例如超过100摄氏度的液体，而低温浴槽51中的浴槽介质75是纯水。当设定在温度THIGH且包含金属粉末或液体时，反应器温度13在高温浴槽50中升高82。反应器温度13在设定在温度TLOW且含有金属粉末或液体的低温浴槽51中下降83。反应器温度13在含有金属粉末或液体的温度TMEDIUM的中温或高温浴槽中升温84°。反应器温度13是当反应器15在稳定区域94并处于含有金属粉或液体或热空气的稳定浴槽内以让反应器15维持在中等目标温度TMT。当反应器15在另一个含有加热空气的稳定化浴槽或稳定化浴槽外的空气区稳定95以获得反应器15的至少一个荧光图像时，实现反应器温度13。图9(d)示出了图8(c)的方法，但浴槽没有被设定在温度TMEDIUM，而稳定区域94，95在温度处于 TLT的情况下进行。
图10(a)示出了另一实施例，其中在热循环期间将过热浴槽60添加到路径56以用于传送反应器15，以加速过热浴槽60中的温度升高到THT。在热循环过程中，反应器15离开低温槽51并移入过热浴槽60中以迅速达到THT附近，然后进入高温浴槽50以维持在THT长达变性的所需时间，再移回低温浴槽51，以及可选地途经欠温浴槽61，然后移至低温浴槽51。过热浴槽60的温度越高，反应器15就越快能加热到接近THT的温度。优选地，过热浴槽60中的温度在100摄氏度至135摄氏度之间。类似于图7a-c中描述的浴槽设置和温度控制，高温浴槽50可以设定在与THT不同的温度。具体而言，高温浴槽50中的温度可以在THT附近或之外。图10(b)表示从图9(a)的实施例中除去高温浴槽50的另一个实施例。在本实施例的热循环过程中，反应器15离开低温浴槽51并移入过热浴槽60中以迅速到达THT附近，然后移回低温浴槽51并且可选地经由欠热浴槽61再移入低温浴槽51。
图11(a)示出了执行涉及3个温度的生物或生物化学反应的方法，包括3步PCR，其中三个加热浴槽被组装在路径56中以传送用于热循环的反应器15。三个浴槽包括用于变性的高温浴槽50，用于引物延伸的中温浴槽52和用于退火的低温浴槽51。图11(b) 示出了另外的欠热浴槽61可选地在低温浴槽51之前加入到热循环路径56中，并且任选地将过热浴槽60添加到各个热循环路径56 中，并分别设置于中温度浴槽52和高温度浴槽50之前。图11(c)示出了从图10(b)所示实施例改进的实施例，其中在中温浴槽 52之前添加的过热浴槽60从热循环路径56移除。在本实施例的热循环过程中，反应器15离开低温浴槽51并进入为高温浴槽50设定的过热浴槽60或以虚线进入高温浴槽50，以迅速到达中等目标温度的附近，如图8(a)所示，然后移动到中温浴槽52以稳定在中间目标温度5长达延伸所需的时间。一旦延伸完成，反应器15移动到过热浴槽60以迅速到达THT附近，然后移动到高温浴槽50持续所需的一段时间以进行变性，然后再回到低温浴槽51或者可选地通过低温浴槽61。图11(d)示出了从图10(c)所示实施例改进的实施例，其中低温浴槽51和高温浴槽50被移动。在本实施例的热循环过程中，反应器15进入欠热浴槽61，一旦反应器15达到如图 8(b)所示的TLT，反应器离开低温浴槽61并进入为高温浴槽50所设的过热浴槽60，以迅速达到中目标温度5的附近，如图8(b)所示，然后移动到中温度浴槽52，使其持续稳定在中目标温度5长达延伸过程所需的时间。一旦延伸完成，反应器15移动到过热浴槽 60以迅速到达THT附近，然后返回到欠热浴槽61。在图10至11所描述的实施例中，如果内部的浴槽介质75对透光是透明的并且具有低自体荧光的话，可以对反应器15进行成像以便在浴槽介质51,52,60和61的其中一个内部进行荧光检测，这样的浴槽介质75可以是水、水-甘油混合物，油以及加热或未加热的空气。如果浴槽51，52，60和61内的浴槽介质不透光或具有高自体荧光，则反应器15可被移至浴槽外或浴槽内加热介质上方一个已加热或未加热的空气区域以进行荧光成像。让核酸样品设定在不同温度的加热浴槽中快速转移反应器15的方法可以与另外的至少一个预处理如逆转录和/或等温扩增和/或引物延伸一起引入。图12显示在开始PCR之前进行涉及至少一个预热浴槽53的生物或生物化学反应的方法。至少一个预热浴槽53可以设定在适合于逆转录和/或等温扩增和/或引物延伸的温度。在将反应器15暴露于预热浴槽53后，反应器被转移到另一个浴槽中进行等温DNA处理步骤和/或PCR热循环。在所示的实施例中，取决于核酸处理要求，可选的浴槽包括了过热浴槽60，欠热浴槽61，和中等温度浴槽52。在另一个实施例中，不使用过热加热方法，即既不过热也不欠热。在此实施例中，浴槽的目标温度被设置成用于核酸分析或核酸处理所需的温度。在此实施例中，设备使用了以下一种或多种手法:
1)反应器在至少一个浴槽内以高速往复运动，
2)反应器转移装置85在少于4秒内将反应器从一个浴槽转移到另一个浴槽，并且优选少于1秒，
3)该浴槽具有高长宽比的几何结构，在加热介质表面采用浴槽加热器17，形成较短的浴槽尺寸，以及
4)较低温的浴槽51具有光学透明窗口27，为浴槽51内的反应器里的液体样品进行荧光成像。
具有狭窄内腔的小反应器15，例如小孔玻璃毛细管难以通过常规移液管加载样品和试剂液体，因为空气可以被捕集在反应器腔内的液体下方。可以使用以下手法将液体加载到这样的狭窄空腔中：
1)将分配到反应器腔体入口的液体离心，
2)将比空腔的内部通道更细小的管插入到空腔的底部，
3)在装载液体之前使用真空去除腔体内的空气，
4)使用预先抽真空的腔体来装载液体，以及
5)在装载液体时使用具有至少一个通气孔的腔体并密封通气孔。
加载液体后，加载端口在热循环开始之前要密封。
根据需要，不同的浴槽可以包含不同的浴槽介质75以获得特定的优点。反应器15可以由塑料，弹性体，玻璃，金属，陶瓷及其组合组成，其中塑料包括聚丙烯和聚碳酸酯。玻璃反应器15可以小直径的玻璃毛细管的形式制成，例如外径为0.1mm-3mm和内径为0.02mm-2mm，而金属可以是薄膜、细空腔、毛细管形式的铝。反应器材料可以由具有化学或生物稳定性的非生物活性物质制成。反应器15的至少一部分优选为透明的。在另一个实施例中，反应器15可以是反应器阵列芯片或微流控芯片或阵列芯片的形式。例如，反应器15可以是基板的孔或通道的形式，并且可选地覆盖有固体材料层以形成反应材料21位于其中的封闭反应室。
反应器握持架33中的所有反应器15中的反应物质21可以不相同。如果浴温适合，可以同时针对不同的材料有利地进行PCR。反应器壁的至少一部分可以由厚度为1μm-2mm的金属片制成。该特征提高了浴槽和反应材料21之间的传热速率。反应器壁的至少一部分可以由厚度为0.5μm–500μm的塑料或玻璃片制成。反应器壁的至少一部分由透明材料制成以实现成像和检测过程。
本发明同样适用于反应器握持架33中的单个反应器15或多个反应器15。在上面的描述中使用的术语“液体”是加热介质的总称。对于本发明，加热介质可以是不同的形式，例如液体，水，与溶剂或其他化学流体或其他化学流体混合的水或其他固体颗粒，固体颗粒，金属颗粒，铜颗粒和粉末。
为了进一步解释和清楚理解本发明，下面的一些示例和说明被组合以进一步指导本发明，特别是使用该装置进行样本测试的方法。
实施例1.1：核酸分析方法，包括以下步骤：将至少一种反应材料21加入至少一个反应器15中，密封反应器15，扩增核酸，在核酸扩增过程中，采用加热和/或欠加热方法，描述了至少一个加热浴槽的温度高于或低于核酸扩增所需的目标温度。当核酸在被扩增时，反应器15被安排交替地进入具有不同温度的至少两个加热浴槽中进行热循环。当反应器15的温度接近或等于核酸扩增所需的目标温度时，反应器15被迅速地从反应器15所在的加热浴槽移至另一加热浴槽。当过热和/或欠热方法采用三步法进行核酸扩增时，加热浴槽I的温度设定为高于预变性和变性所需的目标温度，而温度将加热浴槽II设定为低于变性所需的目标温度，而将加热浴槽III的温度设定为高于延伸所需的目标温度，反应器的热循环所根据的是加热浴槽I、加热浴槽II、加热浴槽III、加热浴槽I这个顺序。
实施例1.2：本实施例与实施例1.1的不同之处在于，当反应器15的温度达到核酸扩增所需的目标温度时反应器15从加热浴槽I中移出并迅速转移到加热浴槽II中。
实施例1.3：本实施例与实施例1.1的区别在于，当反应器15的温度超过核酸扩增所需的目标温度时，反应器15迅速从加热浴槽III 移入加热浴槽IV，并且将加热浴槽IV的温度设定为延伸所需的目标温度。
实施例2.1：本实施例与实施例1.1之间的区别在于它在核酸扩增之前还包含逆转录(逆转录-聚合酶链式反应)。
实施例2.2：本实施例与实施例2.1之间的区别在于逆转录在核酸扩增的热循环之前或同时进行。
实施例2.3：本实施例和实施例2.2之间的区别在于，逆转录在核酸扩增之前进行，其需要加入加热浴槽或将加热浴槽的温度设定为所需的目标温度逆转录，然后将加热浴槽的温度设定为核酸扩增所需的目标温度。
实施例3.1：本实施例与实施例1.1的区别在于，当超温法采用三步法进行核酸扩增时，第一加热槽的温度被设定为高于预变性和变性所需的目标温度，加热浴槽II的温度被设定为预变性和变性所需的目标温度，而加热浴槽III的温度被设定为低于退火所需的目标温度，而加热浴槽IV的温度设定为退火所需的目标温度，而加热浴槽V的温度设定为延伸所需的目标温度，反应器15的热循环通过根据所需温度的顺序交替进入各个处于不同温度的加热槽，先进入加热槽I，再进入加热槽II，再进入加热槽III，再进入加热槽IV，再进入加热槽V，再进入加热槽I等。
实施例3.2：本实施例和实施例1.1之间的区别在于超温法用于进行聚合酶链式反应，而反应器15交替放置在具有不同温度的加热浴槽中。加热浴槽分别为加热浴槽I，加热浴槽II，加热浴槽III，加热浴槽IV，加热浴槽V，加热浴槽VI。加热浴槽I中的选定温度为105-135℃。加热浴槽II的选定温度是95℃。加热浴槽III的选定温度为10-40℃。加热浴槽IV的选定温度是50℃。加热浴槽V的选定温度是82-112℃。加热浴槽VI的选定温度是72℃。加热浴槽I的选定温度高于预变性和变性所需的目标温度，加热浴槽III的选定温度低于退火所需的目标温度，而加热浴槽V的选定温度是高于延伸所需的目标温度。加热浴槽I中反应器的温度将达到接近或超过目标温度95℃长达几秒钟，反应器迅速从加热浴槽I移至加热浴槽II。加热浴槽III中的反应体系的温度将达到、接近或超过目标温度50℃长达几秒钟，然后反应器迅速移动到加热浴槽IV。加热浴槽V中的反应体系的温度将达到、接近或超过目标温度72℃长达几秒钟，然后反应器15迅速移动到加热浴槽VI中。然后反应器15根据运动轨迹A依次移动到加热浴槽I，加热浴槽II，加热浴槽III，加热浴槽IV，加热浴槽V，加热浴槽VI，加热浴槽I。共35个循环，整个过程只需几分钟。当然，此转移可以由人力操作，也可以使用图1所示的反应器转移装置85来机械化。无论哪一种，与普通PCR相比，这种方法都是省时，高速，高效且适合在紧急情况下进行检测。如果使用PCR仪器，该过程分为95℃预变性4分钟，95℃变性1分钟，50℃退火1分钟，72℃延伸1.5分钟，72℃延伸5分钟，95℃变性1分钟，50℃退火1分钟，72℃延伸1.5分钟35个循环，最后一次保持在4℃。整个过程需要近两个小时，速度慢，效率低。
实施例3.3：本实施例与实施例1.1的区别在于，在上述任一方案中，优选的是，当超温法采用两步法进行核酸扩增时，加热浴槽I的温度被设定为高于预变性和变性所需的目标温度，而加热浴槽II的温度设定为低于退火或延伸所需的目标温度。
实施例3.4：本实施例与实施例3.3的区别在于，当超温法采用两步法进行核酸扩增时，加热浴槽I的温度设定为高于预变性和变性所需的目标温度，将加热浴槽II的温度设定为低于退火所需的目标温度，将加热浴槽III的温度设定为退火所需的目标温度，并将反应器15从加热槽I转移到加热槽II，并且以低于退火所需的目标温度的温度快速转移到加热浴槽III中，而在一定时间后转移到加热槽I以进行交替循环，并且核酸扩增的热循环步骤是加热浴槽I，加热浴槽II，加热浴槽III，然后加热浴槽II。
从前面的描述中，本领域技术人员将会理解，在不脱离如权利要求书中所定义的本发明的情况下，可以对设计，构造和操作的细节进行许多变化或修改。

Claims (39)

1.用于以热曲线进行核酸热处理的设备，所述设备使用用于握持反应器的反应器握持架，每个反应器容纳含有核酸的反应材料，而反应器为任何形式，例如管状容器或多孔板或芯片或卡盒，所述设备包括：
一个第一浴槽；和
一个第二浴槽，浴槽中的浴槽介质可分别保持在两个不同的温度THIGH和TLOW；以及
用于允许反应器在多个热循环中处于两个浴槽中的转移装置，以交替地达到:
预定的高目标温度THT，和
预定的低目标温度TLT，
同时该装置适用于温度偏移机制-其由至少一个条件定义，该组包括：
a)THT低于THIGH，
b)TLT高于TLOW，以及
c)a)和b)中的条件，
转移装置可通过至少一种模式操作，包括：
基于在热循环期间由反应器温度传感器感测到的实时温度以进行操作的温度引导运动控制装置(TeGMCM)，以及
时间引导运动控制装置(TiGMCM)，该时间引导运动控制装置基于允许反应器处于浴槽中的时间段可操作，
任何浴槽中的浴槽介质处于任何状态，包括空气，液体，固体，粉末以及它们之中的任何一种的混合物。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，TiGMCM可以被用户以时间分段的形式校准。
3.根据权利要求1所述的设备还包括：
一个第三浴槽，其中浴槽介质可以维持在中温TMEDIUM，其中转移装置允许反应器在第三浴槽中达到预定的中等目标温度TMT，其中TMEDIUM与TMT相同或从TMT偏移。
4.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：
一个第四浴槽，其中浴槽介质能够保持在TAP温度以允许在热循环之前对反应器进行附加的处理，所述附加的处理是来自以下的组中的一个：
a)反向转录-聚合酶链反应(RT-PCR)，
b)热启动处理，和
c)等温扩增反应，
其中转移装置允许反应器在第四浴槽中达到额外的过程目标温度TAPT，TAP与TAPT相同或从TAP偏移。
5.根据权利要求1所述的设备，其中第一浴槽中的浴槽介质可保持在100摄氏度以上。
6.根据权利要求1所述的设备，其中第二浴槽中的浴槽介质可保持在室温以下。
7.根据权利要求1所述的设备，其中转移装置被校准以当反应器达到低于THT的第一提离温度时开始将反应器从浴槽中提离，以及高于TLT的第二提离温度，以便弥补由操作电机延迟所造成的过度加热或过度冷却。
8.根据权利要求1所述的设备，还包括：
改变装置，用于在热循环期间改变任何浴槽中的温度。
9.根据权利要求1所述的设备，其中THT处于85-99摄氏度的区域中用于核酸的变性，而TLT处于45-75摄氏度的区域中用于引物或探针与核酸退火或用于引物延伸，第一和第二浴槽用于使反应器热循环以实现聚合酶链式反应(PCR)扩增或引物延伸。
10.根据权利要求1所述的设备进一步包括：
用于热曲线中的温度稳定步骤的第五浴槽。
11.根据权利要求10所述的设备，其中温度稳定步骤处于其中一个目标温度。
12.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：荧光成像装置或电化学检测装置，用于当反应器位于任何浴槽中或浴槽之外的空气中时分析核酸。
13.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：第六浴槽，其中浴槽介质是可保持在40-80摄氏度的液体或热空气，其中浴槽介质和浴槽壁的至少一部分是透明的，以透射来自光源的照明光和允许来自反应器的发射光的透射。
14.根据权利要求1所述的设备，其中THIGH与THT之间的第一偏移在1至400摄氏度的范围内，而TLOW与TLT之间的第二偏移在1至100摄氏度的范围内。
15.根据权利要求1所述的装置，其中第一浴槽中的浴槽介质是添加到第二液体中的第一液体，所述第二液体的沸点高于所述第一液体的沸点。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，第一液体和第二液体的混合物的沸点高于100摄氏度。
17.根据权利要求1所述的设备还包括在浴槽上的浴槽盖，此盖能被打开以允许反应器进入浴槽中，并且在反应器从浴槽中移出后关闭。
18.根据权利要求1所述的设备，还包括：用于监测浴槽介质的温度的浴槽传感器；以及在热循环期间能够与反应器握持架一起移动的反应器温度传感器，以监测反应器的温度。
19.根据权利要求18所述的设备，还包括容纳用于封装反应器温度传感器的物质的容器，所述容器和所述物质具有与反应器和反应物质相似的结构或传热特性。
20.根据权利要求1所述的设备，还包括：
第七浴槽，所述第七浴槽能够接收反应器并且在热循环之后进行熔解曲线分析的同时被逐渐加热。
21.用于以热曲线热处理核酸的方法，所述方法包括：使用用于握持反应器的反应器握持架，每个反应器容纳含有核酸的反应材料，而反应器可处于任何形式，例如管状容器或多孔板或芯片或卡盒；
采用包括第一浴槽和第二浴槽的装置；
将第一浴槽内的浴槽介质维持在THIGH，并将第二浴槽内的浴槽介质维持在TLOW；并且
在该设备中采用转移装置以允许反应器在多个热循环中处于两个浴槽中以交替地获得：
-预定的高目标温度THT，和
-预定的低目标温度TLT；以及
具备由以下组中至少一个条件限定的温度偏移机制：
a)THT低于THIGH，
b)当TLOW低于室温时，TLT高于TLOW，以及
c)在a)和b)的条件下，
转移装置可由至少一种模式操作，其组合包括：
温度引导运动控制装置(TeGMCM)，可根据反应器的温度传感器在热循环期间所探测到的温度进行操作，以及
一套基于允许反应器处于浴槽中的时间操作的时间引导运动控制装置(TiGMCM)，任何浴槽中的浴槽介质都处于任何状态中，包括空气，液体，固体，粉末和任何这些的混合物。
22.根据权利要求21所述的方法进一步包括：
将设备里第三浴槽维持在中等温度TMEDIUM，其中转移装置允许反应器在第三浴槽中达到预定的中等目标温度TMT，其中TMT与TMEDIUM相同或偏离TMEDIUM。
23.根据权利要求21所述的方法，还包括：
在热循环之前让反应器进入第四浴槽以进行附加处理，而第四浴槽内的浴槽介质被维持在温度TAP，所述附加处理是以下几项的其中一个：
a)逆转录-聚合酶链式反应(RT-PCR)，
b)热启动处理和
c)等温扩增反应；
并且使用转移装置以允许反应器处于第四浴槽中以获得额外的处理目标温度TAPT，TAP与TAPT相同或从TAP偏移。
24.根据权利要求21所述的方法进一步包括：
将第一浴槽中的浴槽介质保持在100摄氏度以上。
25.根据权利要求21所述的方法进一步包括：
将第二浴槽中的浴槽介质保持在室温以下。
26.根据权利要求21所述的方法进一步包括：
校准转移装置，以在反应器达到低于THT的第一提离温度和高于TLT的第二提离温度时启动反应器提离程序，以弥补由于电机系统反应滞后所造成的过度加热或过度冷却。
27.根据前述权利要求中任一项所述的方法进一步包括：
通过改变设备内的装置来在热循环期间改变任何浴槽内的温度。
28.根据权利要求21所述的方法，其中THT处于核酸变性的85-99摄氏度的区域中，而TLT处于45-75摄氏度的区域中，用于让引物或探针退火于核酸或用于引物延伸，第一和第二浴槽用于使反应器热循环以实现聚合酶链式反应(PCR)扩增或引物延伸。
29.根据权利要求21所述的方法进一步包括：
在热曲线中使用第五浴槽用于温度稳定步骤。
30.根据权利要求29所述的方法，其中温度稳定步骤处于目标温度中的一个。
31.根据权利要求21所述的方法进一步包括：当反应器位于任何浴槽内或位于浴槽外的空气中时，在设备内进行荧光成像或电化学检测以分析核酸。
32.根据权利要求21所述的方法进一步包括：
使用第六浴槽，其中浴槽介质是可被保持在40-80摄氏度的液体或热空气，其中浴槽介质和浴槽壁的至少一部分是透明的，以允许来自光源的照明光的透射和来自反应器的发射光的透射。
33.根据权利要求21所述的方法进一步包括：
在THIGH和THT之间设置在1-400摄氏度范围内的第一偏移；以及
在TLOW和TLT之间设置在1-100摄氏度范围内的第二偏移。
34.根据权利要求21所述的方法进一步包括：
将第二液体加入位于第一浴槽里的浴槽介质里的第一液体，第二液体的沸点高于第一液体的沸点。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，第一液体和第二液体的混合物的沸点高于100℃。
36.根据权利要求21所述的方法进一步包括：
在浴槽上使用浴盖，所述浴盖开口允许反应器进入浴槽中并且在反应器从浴槽中提离后关闭。
37.根据权利要求21所述的方法进一步包括：
在热循环期间让反应器温度传感器跟着反应器握持架一起移动，以监测反应器的温度。
38.根据权利要求37所述的方法进一步包括：
使用含有物质的容器封装反应器温度传感器，所述容器和所述物质具有与反应器和反应物相似的结构或传热特性。
39.根据权利要求21所述的方法进一步包括：
在设备中使用第七浴槽以接收反应器；并在热循环之后逐渐加热第七浴槽的同时进行解链曲线分析。
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