CN112400015A - 进行热辅助的生化反应的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
描述了基于光加热光吸收源，以通过聚合酶链式反应的快速热循环对核酸进行修饰的系统和方法。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年3月15日提交的美国临时专利申请第62/643,494号和于2018年4月4日提交的的美国临时专利申请第62/652,861号的优先权，其全部内容在此出于所有目的通过引用并入本文。
背景技术
聚合酶链式反应(PCR)是临床实验室、环境科学、法医学和农业科学领域的重要技术。具有对快速且准确的核酸诊断的需求。快速/超快PCR对于诸如疾病、遗传失调的时间敏感性诊断和实验室实验等应用以及其他应用而言是理想的。因此，超快PCR系统对于实验室测试以及稳健、简单、易于使用并且以低功耗为特征的即时检测将是理想的。
发明内容
在一些方面，提供了一种系统。该系统可以用于核酸修饰。该系统可以包括透明块体，该透明块体可以包括一个或多个内凹部(intrusion)。该系统可以包括设置在透明块体的一个或多个内凹部内的光吸收材料。另外，该系统可以包括反应容器，该反应容器被可移除地定位到透明块体的内凹部上。该系统可以包括光源。光源可以被配置以射向透明块体的内凹部，以使得来自光源的光可以在光吸收材料内产生热量，并随后加热反应容器。
在一些方面，提供了一种系统。该系统可以用于核酸修饰，并且可以包括聚合物反应容器，所述聚合物反应容器包括一个或多个孔。该系统可以包括设置在反应容器的一个或多个孔内的光吸收材料。该系统可以包括透明块体，该透明块体具有用于保持反应容器的内凹部。它还可以包括光源。光源可以被配置以射向透明块体的孔，以使得来自光源的光可以在光吸收材料内产生热量并且可以加热反应容器。该系统还包括设置在反应容器上的密封膜。
在一些方面，提供了一种系统。该系统可以用于核酸修饰，并且可以包括聚合物流体装置，所述聚合物流体装置包括一个或多个反应孔。该系统可以包括设置在第一支撑件上以限定反应孔的第一光吸收材料和设置在与第一支撑件相对的第二支撑件上的第二光吸收材料。第一端口和第二端口可以联接至反应孔；其中第一端口和第二端口可以被配置以允许使流体样品输入到反应孔中。冻干的试剂可以被预装在反应孔上。该系统还可以包括光源，该光源被配置以照射第一光吸收材料；其中，照射到第一光吸收材料上的光的第一部分可以被吸收到第一光吸收材料中，并且照射到第一光吸收材料上的光的第二部分可以透过第一光吸收材料。透过第一光吸收材料的光可以照射第二光吸收材料；其中，照射到第二光吸收材料上的透过的光的至少一部分可以被吸收到第二光吸收材料中。被吸收到第一光吸收材料中和第二光吸收材料中的光可以被配置以均匀地升高第一光吸收材料和第二光吸收材料的温度，这会使得反应孔内的流体样品被加热。
在一些实施例中，该系统还可以包括设置在反应容器上的密封膜。
在一些实施例中，透明块体的材料可以包括透明聚合物、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、环烯烃共聚物(COC)和/或石英。
在一些实施例中，透明块体的内凹部的形状可以是圆锥形、半球形、棱锥形、矩形、圆柱形、截头形或圆顶形。在一些实施例中，围绕一个或多个内凹部设置另外的通道。
在一些实施例中，透明块体可以包括流体循环通道。在一些实施例中，空气/水/液体流过循环通道。
在一些实施例中，光吸收材料可以包括金属薄膜、非金属薄膜、石墨、石墨烯、碳纳米管和/或涂料。在一些实施例中，金属薄膜可以包括单层或多层金属结构；金属结构包含一种或多种金属，所述金属选自包括以下金属的组：金(Au)、银(Ag)、镍(Ni)、钛(Ti)、铬(Cr)、锗(Ge)、钯(Pd)、钌(Ru)、钨(W)、铱(Ir)或铂(Pt)。
在一些实施例中，反应容器可以包含孔。反应容器中的孔的形状可以与透明块体中的内凹部的形状相同。
在一些实施例中，反应容器的厚度可以小于1mm。
在一些实施例中，光源可以是发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、钨灯、荧光灯、卤素灯、汞灯、氙灯、金属卤化物灯或其组合。
在一些实施例中，反应容器可以是PCR管、PCR板或PCR条。
在一些实施例中，该系统还可以包括一个或多个光源。光源的数量可以等于透明块体中的内凹部的数量。
在一些实施例中，光源的发射波长与用于核酸的实时检测的荧光染料的激发波长可以不重叠。
在一些实施例中，密封膜还可以包括光吸收层。在一些实施例中，密封膜可以被着色。
在一些实施例中，该系统还可以包括一个或多个温度传感器，所述温度传感器被配置以监测温度。
在一些实施例中，该系统还可以包括一个或多个激发LED，所述激发LED被配置用于激发荧光染料。
在一些实施例中，该系统还可以包括用于激发LED的一个或多个光学滤波器。
在一些实施例中，该系统还可以包括两个或更多个激发LED。每个激发LED可以具有不同的波长，以激发两种或更多种荧光染料。
在一些实施例中，可以将高折射率材料设置在透明加热块体的外部，以使来自激发LED的光发生内反射。
在一些实施例中，该系统还可以包括CMOS传感器、CCD传感器、光电二极管或分光光度计。
在一些实施例中，该系统还可以包括用于使荧光染料发光的第一滤波器和用于消除来自光源的光的第二滤波器。
在一些实施例中，第二滤波器可以是对于光源的发射波长具有高反射率的分布式布拉格反射器(DBR)。
在一些实施例中，该系统还可以包括用于聚焦来自荧光染料的发射光的嵌入式透镜。在一些实施例中，该系统还可以包括设置在光源和透明块体之间的透镜。该透镜可以被配置以聚焦来自光源的发射光。可替代地，该透镜可以被配置以聚焦来自荧光染料的发射光。
在一些实施例中，光电二极管可以是IR灵敏度抑制型。
在一些实施例中，冻干的PCR试剂可以被预装在反应容器中。
在一些实施例中，密封膜可以包括密封板，在板的表面上可以具有或不具有光吸收材料。
在一些实施例中，该系统还可以包括处理器，该处理器可以联接至光源并且可以被配置为具有使光源加热反应容器的指令。
在一些实施例中，该系统还可以包括处理器。该处理器可以联接至循环通道。处理器可以被配置为具有使反应容器冷却的指令。
在一些实施例中，光源可以是脉冲的，以用于光吸收材料的光热加热。
在一些实施例中，脉冲操作的占空比可以为1％至100％。
在一些实施例中，光源和激发源可以以交替的方式脉冲。
在一些实施例中，可以在光源的脉冲操作的关闭周期期间检测用于检测核酸修饰的信号。
在一些实施例中，光吸收材料还可包括钝化层，以防止热循环室内的PCR反应的抑制。在一些实施例中，钝化层可以包括氧化物薄膜或聚合物薄层。
在一些实施例中，孔中的一个或多个内凹部可以包括2-D或3-D微结构或纳米结构，2-D或3-D微结构或纳米结构的形式可以为柱阵列、1D或2D光栅、光子晶体或半球。
在一些实施例中，试剂可以是冻干的。冻干的试剂可以包含用于PCR的引物集。在一些实施例中，冻干试剂可以包含PCR试剂和引物组。在一些实施例中，冻干的试剂还可以包含稳定剂。
在一些实施例中，稳定剂可以包括石蜡或水凝胶。
在一些实施例中，该系统还可以包括位于孔之间的流体阀。在一些实施例中流体阀可以由外部控制器操作。该系统还可以包括设置在设置在光源和聚合物流体装置之间的透镜。
在一些实施例中，聚合物流体装置包括流体循环通道。例如，空气、水和/或液体可以流过循环通道。
在一些实施例中，该系统可以包括样品制备模块。样品制备模块可以包括多个隔室和盒；和微流体PCR装置。微流体PCR装置可以包括光子PCR孔。
在一些实施例中，样品制备模块还可以包括用于细胞的光热裂解的裂解系统。
在一些实施例中，样品制备模块可以包括位于室中的一个或多个过滤器。在一些实施例中，样品制备模块可以包括第一过滤器和第二过滤器，其中第一和第二过滤器具有不同的孔径。在一些实施例中，第一过滤器可以用于从样品中去除大碎片、晶体和/或大细胞。
在一些实施例中，第二过滤器可以基于细胞的大小来截留目的细胞。在一些实施例中，可以从在第二过滤器上截留的细胞中提取核酸。在一些实施例中，第二过滤器可以包含光吸收材料层。在一些实施例中，第二过滤器下方的室可以包含光吸收材料层。
在一些实施例中，样品制备模块可以包括隔室，所述隔室还包含放置在隔室周围的电极，以通过施加电压来改变溶液的pH。
在一些实施例中，样品制备模块可以包括废物室。在一些实施例中，废物室可包括用于防止流体回流的吸收性多孔纸、织物或海绵。
在一些实施例中，样品制备模块还可以包括微流体装置，该微流体装置包括具有孔的盒。
在一些实施例中，盒中的孔中可以预装有用于检测靶核酸的引物和探针组。
在一些实施例中，盒中的孔可以包括用于检测一种靶核酸的引物和探针组。
在一些实施例中，盒中的孔可以包括用于检测多种靶核酸的引物和探针组。
在一些实施例中，该系统可以包含光吸收材料，其中该光吸收材料可以包括一个或多个开口区域。在一些实施例中，开口区域可以形成光吸收材料的1％至90％。
通过的以下详细描述，本公开的其他方面和优点对于本领域技术人员将变得清楚，所述详细描述中仅示出并描述了本公开的示例性实施例。将会认识到，本公开能够具有其他不同的实施例，并且其若干细节能够在各个明显的方面进行修改而均不脱离本公开内容。因此，附图和描述本质上应被认为是说明性的，而非限制性的。
援引并入
本说明书中提到的所有出版物、专利和专利申请都通过引用并入本文，就好像每个单独的出版物、专利或专利申请被明确地并单独地被指出通过引用并入一样。如果通过引用并入的出版物和专利或专利申请与本说明书中所包含的公开内容相抵触，则本说明书旨在取代和/或优先于这样的矛盾的材料。
附图说明
在所附的权利要求书中具体阐述了本发明的新颖特征。通过参考以下的阐述了利用了本发明的原理的说明性实施例的详细描述和附图，将更好地理解本发明的特征和优点。
图1是描绘根据一些实施例的示例系统的示意图。
图2A是描绘根据一些实施例的可以用于核酸修饰的系统的示意图。
图2B是根据一些实施例的系统中的孔或内凹部的形状的图示。
图2C和2D是根据一些实施例的将要与系统一起使用的密封膜的示意图。
图2E是根据一些实施例的将嵌入式透镜放置在反应容器上方的示意图。
图3是根据一些实施例的具有入口通道和出口的系统的图示。
图4是根据一些实施例的具有流体通道的系统的示意图。
图5是根据一些实施例的具有光学信号测量设备的详细视图的系统的示意图。
图6是根据一些实施例的系统的分解示意图。
图7是根据一些实施例的反应容器系统的示意图和规格。
图8是根据一些实施例的装载系统的原理的示意性描绘。
图9A-C是根据一些实施例的光吸收材料的不同形式的示意图。
图10是根据一些实施例的光源的连续和脉冲操作的示意性描绘。
图11A是根据一些实施例的与信号测量相结合的光源和激发源的脉冲操作的示意性描绘。
图11B是根据一些实施例的与信号测量相结合的光源的脉冲操作和激发源的连续操作的示意性描绘。
图12是根据一些实施例的具有PCR反应孔的样品制备模块的分解图。
图13A至E是根据一些实施例的使用中的样品制备模块的示意性描绘。
图14是根据一些实施例的具有PCR反应孔的样品制备模块的示意性描绘。
图15示出了数字处理装置的非限制性示例；在本例中，装置具有一个或多个CPU、记忆体、通信接口和显示器。
图16示出了根据一些实施例的用于修饰核酸和确定靶核酸的方法的流程图。
图17示出了描绘使用检测靶细胞的方法和系统的示例的示意图。
图18A至C示出了用于检测各种基因序列的代表性终点数据。
具体实施方式
在以下的描述中，将描述本发明的各个方面。为了解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本发明的透彻理解。对于本领域技术人员将显而易见的是，本发明的其他实施例在不影响其本质的情况下在细节上有所不同。因此，本发明不限于附图所示和说明书中所描述的内容，而是仅如所附权利要求书中所表明，本发明的适当范围仅由权利要求书的最宽泛的解释来确定。
通过参考下文阐述了利用本公开的实施方式的原理的说明性实施例的详细描述和附图，将更好地理解本公开的特征和优点。
尽管已经在本文中示出和描述了本发明的各个实施例，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，仅通过示例的方式提供了这样的实施例。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员可以想到许多变化、改变和替换。应当理解，可以采用本文所述的本发明的实施例的各种替代方案。
除非另有定义，本文使用的所有技术术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。除非上下文中另有明确指出，如本说明书和所附权利要求书中使用的，单数形式“一种/一个(a/an)”和“所述(the)”包括复数引用。除非另有陈述，否则本文中对“或”的任何引用旨在涵盖“和/或”。
如本文所用的术语“样品”通常可以指对象的生物样品。样品可以是组织样品，例如活检组织检查、芯活检组织检查(core biopsy)、针吸出物或细针吸出物。样品还可以是流体样品，例如血液样品、尿液样品或唾液样品。样品可以是皮肤样品，脸颊拭子(cheekswab)。样品可以是血浆或血清样品。
核酸可以从一个或多个样品中进行分离。如本文所用，术语“核酸”通常是指任何长度的核苷酸的聚合形式，核苷酸为脱氧核糖核苷酸(dNTPs)或核糖核苷酸(rNTPs)或其类似物。核酸的非限制性示例包括DNA、RNA、基因或基因片段的编码或非编码区、由连锁分析定义的基因座、外显子、内含子、信使RNA(mRNA)、转移RNA、核糖体RNA、短干扰RNA(siRNA)、短发夹RNA(shRNA)、微小RNA(miRNA)、核酶、cDNA、重组核酸、分支核酸、质粒、载体、任何序列的分离DNA、任何序列的分离RNA、核酸探针和引物。核酸可以包含一个或多个修饰的核苷酸，例如甲基化的核苷酸和核苷酸类似物。
术语“核酸修饰”通常是指对一种或多种核酸进行修饰。修饰可以包括但不限于扩增、变性、延伸、引物延伸反应、核苷酸类似物的添加等。
如本文所用，术语“试剂”通常是指包括完成核酸修饰(例如，DNA扩增、RNA扩增)所必需的反应混合物的组合物，这样的试剂的非限制性示例包括对靶RNA或靶DNA具有特异性的引物组、RNA逆转录产生的DNA、DNA聚合酶、逆转录酶(例如，用于RNA的逆转录)、合适的缓冲液(包括两性离子缓冲液)、辅因子(例如，二价和一价阳离子)、dNTP和其他酶(例如尿嘧啶-DNA糖基化酶(UNG)等)。试剂还可包含用于掺入扩增产物中的报告剂或荧光染料。在一些情况下，试剂还可以包括一种或多种报告剂。试剂可以是冻干的，稳定化的或在溶液中的。试剂的稳定化可以使用水凝胶或石蜡进行。可以使用本领域普通技术人员已知的稳定化、冻干这样的试剂的其他方法。
如本文所用，术语“聚合酶”通常是指能够催化聚合反应的任何酶。可以使用聚合酶通过掺入核苷酸或核苷酸类似物来延伸引物。聚合酶的示例包括但不限于核酸聚合酶。聚合酶可以是天然存在或合成的。在一些情况下，聚合酶具有相对较高的持续合成能力(processivity)。示例聚合酶是Φ29聚合酶或其衍生物。聚合酶的示例包括DNA聚合酶、RNA聚合酶、热稳定聚合酶、野生型聚合酶、修饰的聚合酶、大肠杆菌DNA聚合酶I、T7 DNA聚合酶、噬菌体T4 DNA聚合酶、Φ29(phi29)DNA聚合酶、Taq聚合酶、Tth聚合酶、Tli聚合酶、Pfu聚合酶、Pwo聚合酶、VENT聚合酶、DEEPVENT聚合酶、EX-Taq聚合酶、LA-Taq聚合酶、Sso聚合酶、Poc聚合酶、Pab聚合酶、Mth聚合酶、ES4聚合酶、Tru聚合酶、Tac聚合酶、Tne聚合酶、Tma聚合酶、Tea聚合酶、Tih聚合酶、Tfi聚合酶、Platinum Taq聚合酶、Tbr聚合酶、Tfl聚合酶、Pfutubo聚合酶、Pyrobest聚合酶、Pwo聚合酶、KOD聚合酶、Bst聚合酶、Sac聚合酶、Klenow片段、具有3'至5'核酸外切酶活性的聚合酶及其变体、修饰的产物及衍生物。
如本文所用，术语“扩增(amplifying)”和“扩增(amplification)”可互换使用，并且通常是指产生核酸的一个或多个拷贝或“扩增产物”。核酸扩增方法的非限制性示例包括逆转录，引物延伸，聚合酶链式反应，连接酶链式反应，解旋酶依赖性扩增，不对称扩增，滚环扩增和多重置换扩增(MDA)。在扩增DNA的情况下，可以采用各种DNA扩增方法。DNA扩增方法的非限制性示例包括聚合酶链式反应(PCR)、PCR的变体(例如，实时PCR、等位基因特异性PCR、组装PCR、不对称PCR、数字PCR、乳液PCR、拨出PCR(dial-out PCR)、解旋酶依赖性PCR、巢式PCR、热启动PCR、反向PCR、甲基化特异性PCR、微型引物PCR、多重PCR、巢式PCR、重叠延伸PCR、热不对称交错PCR、降落PCR)和连接酶链式反应(LCR)。扩增可以用于将核苷酸和/或核苷酸类似物掺入到不断增长的核酸链中。PCR可以与热循环一起或等温地(即等温PCR)使用。可以使用报告剂(例如荧光染料)来鉴定靶核酸。
报告剂可以通过共价或非共价手段与包括扩增产物在内的核酸链接。非共价手段的非限制性示例包括离子相互作用、范德华力、疏水相互作用、氢键及其组合。在一些实施例中，报告剂可以与初始反应物结合，并且报告剂水平的改变可以用于检测扩增产物。在一些实施例中，报告剂可能仅在核酸扩增进行时是可检测的(或不可检测的)。在一些实施例中，光学活性染料(例如，荧光染料)可以用作报告剂。染料的非限制性示例包括SYBR绿、EvaGreen、LCGreen、SYBR蓝、DAPI、碘化丙啶、SYBR金、溴化乙锭、吖啶、原黄素、吖啶橙、吖啶黄、含氟香豆素、玫瑰树碱、道诺霉素、氯喹、偏端霉素D、色霉素、胡米溴铵、光神霉素、多吡啶钌、蒽霉素、菲啶和吖啶、溴化乙锭、碘化丙啶、碘化己啶、二氢乙啶、乙啡啶同型二聚体-1和-2、叠氮溴乙锭和ACMA、Hoechst 33258、Hoechst 33342、Hoechst 34580、DAPI、吖啶橙、7-AAD、放线菌素D、LDS751、羟芪巴脒、SYTOX蓝、SYTOX绿、SYTOX橙、POPO-1、POPO-3、YOYO-1、YOYO-3、TOTO-1、TOTO-3、JOJO-1、LOLO-1、BOBO-1、BOBO-3、PO-PRO-1、PO-PRO-3、BO-PRO-1、BO-PRO-3、TO-PRO-1、TO-PRO-3、TO-PRO-5、JO-PRO-1、LO-PRO-1、YO-PRO-1、YO-PRO-3、PicoGreen、OliGreen、RiboGreen、SYBR金、SYBR绿I、SYBR绿II、SYBR DX、SYTO-40、-41、-42、-43、-44、-45(蓝)、SYTO-13、-16、-24、-21、-23、-12、-11、-20、-22、-15、-14、-25(绿)、SYTO-81、-80、-82、-83、-84、-85(橙)、SYTO-64、-17、-59、-61、-62、-60、-63(红)、荧光素、异硫氰酸荧光素(FITC)、异硫氰酸四甲基若丹明(TRITC)、若丹明、四甲基若丹明、R-藻红蛋白、Cy-2、Cy-3、Cy-3.5、Cy-5、Cy5.5、Cy-7、德克萨斯红、Phar-红、别藻蓝蛋白(APC)、Sybr绿I、Sybr绿II、Sybr金、CellTracker绿、7-AAD、乙啡啶同型二聚体I、乙啡啶同型二聚体II、乙啡啶同型二聚体III、溴化乙锭、伞形酮、曙红、绿色荧光蛋白、赤藓红、香豆素、甲基香豆素、芘、孔雀石绿、对称二苯代乙烯、萤黄(lucifer yellow)、级联蓝(cascade blue)、二氯三嗪氨荧光素(dichlorotriazinylamine fluorescein)、丹磺酰氯、荧光镧系元素配合物(例如包含铕和铽的配合物)羧基四氯荧光素、5-和/或6-羧基荧光素(FAM)、5-(或6-)碘乙酰氨基荧光素、5-{[2(和3)-5-(乙酰巯基)-琥珀酰基]氨基}荧光素(SAMSA-荧光素)、丽丝胺若丹明B磺酰氯、5和/或6羧基若丹明(ROX)、7-氨基甲基香豆素、7-氨基-4-甲基香豆素-3-乙酸(AMCA)、BODIPY荧光团、8-甲氧基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐、3,6-二磺酸-4-氨基-萘二甲酰亚胺、藻胆蛋白、AlexaFluor 350、405、430、488、532、546、555、568、594、610、633、635、647、660、680、700、750和790染料、DyLight 350、405、488、550、594、633、650、680、755和800染料或其他荧光团。
本公开涉及用于核酸修饰和检测的方法和系统。所述系统和方法可以用于检测多个靶核酸样品和序列。所述方法和系统可以用作用于检测传染病、遗传异常以及其他用途的即时检测装置。
图1中描绘了根据本文所述方法扩增靶核酸的示例系统。该系统包括计算机105，也称为处理器，其可以充当输入和输出模块两者的一部分。用户使包含准备进行核酸修饰的反应混合物的样品/反应容器103进入热循环仪系统101。在一些情况下，样品/反应容器103可以是样品制备模块，所述样品制备模块制备样品并将样品装载到反应容器中。热循环仪系统101可以连接至光学信号测量设备102。输入和输出模块109包括处理器105和关联的输入装置106(例如，写字板、键盘、鼠标等)，其可以接收用户的扩增反应混合物中的靶核酸的请求。处理器105可以使用电子显示器107来发送修饰靶样品的准备的请求。输入和输出模块109将用户的请求传达至样品模块100，并且在热循环仪系统101中开始进行核酸修饰。随着修饰的进行，样品模块的光学信号测量设备102对扩增产物进行检测。关于扩增产物的信息(例如，由检测器获得的原始数据)从光学信号测量设备102传送回处理器105，所述处理器105还充当输入和输出模块109的组件。处理器105从样品模块104接收信息，对该信息进行任何另外的操作，然后产生包含已处理信息的结果。结果可以以报告的形式。一旦产生结果，则处理器105就以各种形式将报告经由计算机网络接口108通过计算机网络(例如内联网、因特网)传送给其最终接收者。
图2A示出了样品模块100的示例。在一些实施例中，系统或样品模块可以包括透明块体110。透明块体可以是常规的PCR模块。透明块体可以包含透明聚合物、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、环烯烃共聚物(COC)和或石英。透明块体110可以具有一个或多个内凹部或孔112，以便可移除地放置如图4所示的反应容器130。透明块体中的内凹部112可以是圆锥形、半球形、棱锥形、矩形、圆柱形、截头形或圆顶形。透明块体中的内凹部的形状的一些示例已经在图2B中示出。内凹部可以是常规的PCR管、条或板的形状。透明块体中的内凹部的数量可以是至少8、12、14、24、36、48、96、100或384孔。每个内凹部之间的距离可以与常规PCR管或板的孔之间的距离相同。
如图4中所示的反应容器130可以包括常规PCR管、条或板。反应容器可以是圆锥形、半球形、棱锥形、矩形、圆柱形、截头形或圆顶形。反应容器中的孔的形状的一些示例已经在图2B中示出。反应容器可包含热塑性聚合物，所述热塑性聚合物包括聚苯乙烯，聚丙烯，聚(甲基丙烯酸甲酯)，环烯烃共聚物，聚碳酸酯和/或它们的衍生物。在一些情况下，反应容器的厚度可以为0.01mm至4mm。在一些情况下，反应容器的厚度可以为至少0.01mm。在一些情况下，反应容器的厚度可以为至多4mm。在一些情况下，反应容器的厚度可以为4mm至3mm、4mm至2mm、4mm至1mm、4mm至0.5mm、4mm至0.1mm、4mm至0.05mm、4mm至0.01mm、3mm至2mm、3mm至1mm、3mm至0.5mm、3mm至0.1mm、3mm至0.05mm、3mm至0.01mm、2mm至1mm、2mm至0.5mm、2mm至0.1mm、2mm至0.05mm、2mm至0.01mm、1mm至0.5mm、1mm至0.1mm、1mm至0.05mm、1mm至0.01mm、0.5mm至0.1mm、0.5mm至0.05mm、0.5mm至0.01mm、0.1mm至0.05mm、0.1mm至0.01mm或0.05mm至0.01mm。在一些情况下，反应容器的厚度可以为小于4mm、3mm、2mm、1mm、0.5mm、0.1mm、0.05mm或0.01mm。
在一些情况下，透明块体110可以用作反应容器，如图3所示。透明块体110可以包含可用作反应孔131、132、133等的内凹部。在这样的情况下，该系统可以是微流体系统的一部分，其中样品输入和输出可以使用端口来进行。透明块体110可包括一个或多个入口端口310，所述入口端口310用于装载样品和试剂，如图3所示。在一些情况下，透明块体可以包括一个或多个出口端口312。
如图2A所示，反应容器可包括一个或多个光吸收层120。在一些情况下，具有反应孔的透明块体(如图3所示)可以包括光吸收层120。在一些情况下，光吸收材料120可以与试剂180直接接触。在一些实施例中，光吸收材料可以不与试剂直接接触。在一些情况下，光吸收材料可以具有钝化层(在此未示出)，以防止酶的抑制。在一些情况下，反应容器中的一个或多个孔可以包括2D或3D微结构或纳米结构，该微结构或纳米结构的形式为一个或多个柱阵列、1D或2D格状结构、光子晶体或半球。
光吸收层120可以呈反应容器的形状。在一些情况下，反应容器可以被光吸收层覆盖。在一些情况下，光吸收层可以沉积在孔的表面上。在一些情况下，光吸收层的厚度可以为1nm至1mm。在一些情况下，光吸收层的厚度可以为至少1nm。在一些情况下，光吸收层的厚度可以为至多1mm。在一些情况下，光吸收层的厚度可以为1nm至50nm、1nm至100nm、1nm至500nm、1nm至1,000nm、1nm至0.01mm、1nm至0.05mm、1nm至0.1mm、1nm至0.5mm、1nm至1mm、50nm至100nm、50nm至500nm、50nm至1,000nm、50nm至0.01mm、50nm至0.05mm、50nm至0.1mm、50nm至0.5mm、50nm至1mm、100nm至500nm、100nm至1,000nm、100nm至0.01mm、100nm至0.05nm、100nm至0.1mm、100nm至0.5mm、100nm至1mm、500nm至1,000nm、500nm至0.01mm、500nm至0.05mm、500nm至0.1mm、500nm至0.5mm、500nm至1mm、1,000nm至0.01mm、1,000nm至0.05mm、1,000nm至0.1mm、1,000nm至0.5mm、1,000nm至1mm、0.01mm至0.05mm、0.01mm至0.1mm、0.01mm至0.5mm、0.01mm至1mm、0.05mm至0.1mm、0.05mm至0.5mm、0.05mm至1mm、0.1mm至0.5mm、0.1mm至1mm或0.5mm至1mm。在一些情况下，光吸收层的厚度可以为1nm、50nm、100nm、500nm、1,000nm、0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.5mm或1mm。反应容器可以包括下光吸收层120和上吸收层121。上光吸收层可以是密封膜的一部分。
光吸收层120可以包括金属层。可以使用的金属的非限制性示例是金(Au)、银(Ag)、镍(Ni)、钛(Ti)、铬(Cr)、锗(Ge)、钯(Pd)、钌(Ru)、钨(W)、铱(Ir)或铂(Pt)。在一些情况下，光吸收层是合金。光吸收材料可以是碳基，其非限制性示例包括碳纳米管、石墨、石墨烯和/或氧化石墨烯。光吸收层可以包含涂料，例如丙烯酸涂料。光吸收层可以包括金属、金属合金、碳基或涂料的混合物。在一些情况下，可以使用多于一层的光吸收材料。一层光吸收层可以吸收来自光源的光并且将在第一光吸收层处未吸收的光传送到第二光吸收层以产生热量。所使用的光吸收材料可以是薄的，以维持高加热和冷却速率。
如关于图4更充分地讨论的，反应容器可以用密封膜150密封。密封膜可以包含粘合剂。在一些情况下，密封膜可以包括光吸收层152。密封膜中的光吸收层可以帮助维持反应容器中的均匀温度。密封膜可以包括铝、聚烯烃、聚丙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯和其他商业上使用的密封膜材料。密封膜可以是常规的PCR板密封膜。在一些情况下，密封膜可以着色以吸收光。密封膜可以包括如图2C至2D所示的多个层。密封膜可以具有粘合材料层151。除了粘合材料151，密封膜还可以具有光吸收材料层和/或着色膜152，如图2C所示。在一些情况下，除了粘合材料，密封膜还可以包括光吸收材料层152和透明的常规使用的PCR膜层153，如图2D所示。密封膜的厚度可以在约50μm至约255μm的范围内。
如图2A所示，该系统可以具有一个或多个光源140。系统中的光源可以是反应容器的主要热源。该系统可以在每个系统包括一个光源。可替代地，该系统可以包括多于一个的光源。在一些情况下，系统中的光源数量与透明块体中的内凹部数量相同。透明块体的每个内凹部可以与一个或多个光源发生联系。在一些情况下，透明块体的每个内凹部可以与单个光源热连通。在一些情况下，不同的孔/内凹部可能能够基于其光源维持不同的热曲线。例如，基于它们的光源，反应容器中的一个孔可以维持在65℃，并且另一个孔可以维持在60℃。光源的发射面积或芯片尺寸可以覆盖透明块体中的内凹部的尺寸。光源可以是发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、钨灯、荧光灯、卤素灯、汞灯、氙灯、金属卤化物灯或其组合。
在一些实施例中，光源的波长可以在与荧光染料的波长不一致的范围内。光源的波长的非限制性示例包括400nm、405nm、440nm、445nm、460nm、650nm、720nm、850nm和950nm。
在一些情况下，光吸收材料的加热速率可能取决于光源。使用3W LED作为光源的示例，光源对光吸收材料的加热速率可以为2℃/秒至20℃/秒。在一些情况下，加热速率可以为约2℃/秒至约20℃/秒。在一些情况下，加热速率可以为至少约5℃/秒。在一些情况下，加热速率可以为至多约20℃/秒。在一些情况下，加热速率可以为约2℃/秒至约3℃/秒、约5℃/秒至约7℃/秒、约5℃/秒至约10℃/秒、约5℃/秒至约13℃/秒、约5℃/秒至约15℃/秒、约5℃/秒至约18℃/秒、约5℃/秒至约20℃/秒、约7℃/秒至约10℃/秒、约7℃/秒至约13℃/秒、约7℃/秒至约15℃/秒、约7℃/秒至约18℃/秒、约7℃/秒至约20℃/秒、约10℃/秒至约13℃/秒、约10℃/秒至约15℃/秒、约10℃/秒至约18℃/秒、约10℃/秒至约20℃/秒、约13℃/秒至约15℃/秒、约13℃/秒至约18℃/秒、约13℃/秒至约20℃/秒、约15℃/秒至约18℃/秒、约15℃/秒至约20℃/秒、或约18℃/秒至约20℃/秒。在一些情况下，加热速率可以为约5℃/秒、约7℃/秒、约10℃/秒、约13℃/秒、约15℃/秒、约18℃/秒或约20℃/秒。在较高或较低功率的光源中加热速率可能不同。
在一些情况下，光热转换效率可以取决于光源的波长和光输出功率、光吸收材料的厚度以及光源与光吸收材料之间的距离。在一些情况下，光热效率为至少40％、至少45％、至少50％、至少55％、至少60％、至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％或至少95％。
系统可以包括光学信号测量设备(OSM)160。OSM设备可以包括一个或多个激发源161。在一些情况下，设备可以包括一个激发源。在一些情况下，设备可以包括多于一个激发源。激发源可以放置在透明块体的上方或透明块体的侧面。在一些情况下，激发源可以是LED。LED是可以用于产生所需波长的光以激发标记的激发源，所述标记用于检测实时PCR期间的核酸产物、热熔分析(thermal melt analysis)期间的解离行为、和/或核酸相关的测定。激发源可以用于激发反应容器中的一种或多种荧光染料。可以使用的荧光染料的示例可以是本文所述的和本领域普通技术人员已知的任何荧光染料。激发源的波长的非限制性示例包括460nm、440nm、470nm、500nm、600nm、650nm、700nm。
光学测量设备还可以包括一个或多个光学滤波器162。光学滤波器可以用于仅允许选定的波长到达设备的反应容器和孔中的荧光染料。可以在LED/激光的输出或两者都使用光学滤波器，以抑制任何不想要的光(例如，除中心波长峰值之外的由LED发射的光)。OSM可以包括多个滤波器，例如可允许激发源的波长通过的滤波器、允许发射源的波长通过的滤波器、用于减少或消除来自用于加热的光源的光的滤波器等。滤波器可以包括但不限于用于400至560nm的波长的长通滤波器(例如530长通滤波器)或用于800至900nm的波长的短通滤波器(例如840nm短通滤波器)。
OSM还可以包括一个或多个传感器或检测器165，以检测来自反应容器的信号。传感器可以是CMOS传感器、CCD传感器、光电二极管或分光光度计。对于反应容器的每个孔，设备可以包括一个或多个光电二极管。传感器可用于检测一种或多种核酸靶标的修饰。
该系统还可以包括一个或多个嵌入式透镜190，以聚焦来自反应容器的光并将该光导向传感器165。图2E示出了位于反应容器130上方的嵌入式透镜190的示例。嵌入式透镜190可以与本文所述的光学系统的其他元件集成。每个反应容器可以有一个传感器。在一些情况下，每个反应容器可以有多于一个透镜。可替代地，对于反应容器的每个孔都可以有透镜。嵌入式透镜可以放置在光源和透明块体之间。可替代地，嵌入式透镜可以放置在OSM中的检测器区域和反应容器之间。
该系统还可以包括一个或多个温度传感器(未示出)。一个或多个温度传感器可以放置在反应容器内部，放置在反应容器的表面上，嵌入反应容器的壁中或嵌在光吸收层的表面上。对于每个反应容器该系统可以包括一个温度传感器，或者温度传感器的数量可以等于反应容器中的孔的数量。温度传感器可以包括热电偶、IR温度传感器、电阻温度检测器、热敏电阻传感器和本领域普通技术人员已知的其他传感器。
如图2所示，可以将试剂180添加到反应容器的一个或多个孔中。试剂可以是冻干的。冻干的试剂可用水凝胶或石蜡包覆。可以利用阀门或端口将样品和试剂添加到反应容器的孔中(如图3所示)。试剂可以单独地或通过通道放置在孔上。该系统可以包括一个或多个通道网络。一个或多个通道网络可以是微流体通道网络。可以将样品或试剂添加到单独的孔或通过如图3所示的这样的通道330来添加。盖板或盖子157可以与微流体通道网络结合使用，如图3所示。
图3中的系统和在其他实施例中描述的系统可以包括一个或多个阀。在开始热循环之前，反应容器的孔可以预装有不同的试剂。一个或多个阀可以防止反应容器上的孔与孔之间的试剂溶液的混合。可以使用的阀的非限制性示例包括电磁阀、螺旋阀、气动阀等。在一些情况下，反应容器中的每个孔都可以通向一个或多个阀门。阀可以放置在反应容器中的每个反应孔之间、入口和第一个孔之间和/或出口和最后的孔之间。
该系统的另一种实施例在图4中示出。透明块体110可以放置在基座115上方。透明块体可以联接至侧支撑件116，并且可以利用侧支撑件进行放置。侧支撑件可以有助于在光源与透明块体之间维持一定距离。系统100可以包括具有流体循环通道170的透明块体110。具有通道170的透明块体的横截面在图4中示出。流体通道可以用于在热循环期间使任何流体循环。流体可以包括水、空气、冷却液和其他流体。流经流体循环通道的流体可以是透明的，以便不干扰来自光源140的光发射。流体循环通道可以被设计为具有与反应容器和透明块体中的内凹部的形状相似的形状。在热循环期间，可以在循环通道中使不同的流体循环。例如，在冷却阶段中，可以使水或冷却液循环，以冷却反应容器。在一些情况下，可以使空气在热循环期间循环。可以使用本领域已知的常规的泵使流体循环。
可以通过流体循环通道使流体循环至少1秒至至多60秒。在一些情况下，使流体在通道中循环约1秒至约60秒。在一些情况下，使流体在通道中循环至少约1秒。在一些情况下，使流体在通道中循环至多约60秒。在一些情况下，使流体在通道中循环约1秒至约5秒、约1秒至约10秒、约1秒至约20秒、约1秒至约30秒、约1秒至约40秒、约1秒至约50秒、约1秒至约60秒、约5秒至约10秒、约5秒至约20秒、约5秒至约30秒、约5秒至约40秒、约5秒至约50秒、约5秒至约60秒、约10秒至约20秒、约10秒至约30秒、约10秒至约40秒、约10秒至约50秒、约10秒至约60秒、约20秒至约30秒、约20秒至约40秒、约20秒至约50秒、约20秒至约60秒、约30秒至约40秒、约30秒至约50秒、约30秒至约60秒、约40秒至约50秒、约40秒至约60秒、或约50秒至约60秒。在一些情况下，使流体在通道中循环约1秒、约5秒、约10秒、约20秒、约30秒、约40秒、约50秒或约60秒。
在该示例中，光吸收材料120放置在透明块体110的内凹部上而不是在反应容器130的内部。在这样的情况下，任何常规PCR板可以用作与常规密封膜或本文所述的密封膜结合的反应容器。在其他示例中，光吸收层120可以放置在反应容器中。如关于图2C所讨论的，可以包含光吸收材料层152作为密封膜的构件，如图4中所示作为密封膜150。
该系统的另一种实施例在图5中示出。具有放置在内凹部中的光吸收层的透明块体110可以具有用密封膜150密封的反应容器。另外，可以用高折射率膜111在外部覆盖透明块体。当来自光源或激发源的光进入覆盖有高折射率膜的透明块体时，折射角可以小于入射角，并且光可以朝向表面的法线折射，以使光更均匀地透射到反应容器的孔中。
在图5中还示出了OSM设备160的实施例。OSM设备可以包括一个或多个激发源161。一个或多个激发源可以被配置以激发用于核酸修饰测定的一种或多种荧光染料。荧光染料及其相应的激发源可以是本领域普通技术人员已知的任何常用的荧光染料和激发源。在一个OSM设备中可以使用多于一种的激发源。例如，除了用于激发诸如LC绿的染料的波长为440nm的激发源，OSM设备还可以包括用于激发诸如FAM、SYBR绿等的染料的波长为460nm的激发源。
OSM设备还可包括一个或多个光学滤波器。在该示例中，光学滤波器162可以放置在激发源的前面。该光学源可以被配置以仅允许激发光的波长通过。例如，对于波长为460nm的激发源，光学滤波器162可以是480nm短通滤波器。也可以使用本领域中已知的其他光学滤波器。除了光学滤波器162，OSM设备还可以包括第一滤波器164和第二滤波器163。放置在反应容器上方的第二滤波器163可以用作用于去除来自光源140的光的消除滤波器。例如，第二滤波器163可以是专用于消除800至850nm波长的滤波器。第二滤波器可以是对于光源的发射波长具有高反射率的分布式布拉格反射器(DBR)。第一滤波器可以用作发射滤波器。发射滤波器可以仅允许由于激发反应容器中的荧光染料而从反应容器中发出的光通过。例如，第一滤波器或发射滤波器可以是专用于允许波长为470至530nm的光通过的长通滤波器。可以使用本领域普通技术人员已知的任何常规滤波器。OSM设备还可包括如本文先前所述的传感器165。
该系统的另一种实施例在图6至8中示出。图6是该系统的横截面视图的分解图。透明块体110可以包括内凹部(这里未示出)和如前文所述的流体循环通道170。该系统的组件可以联接至图6所示的横截面中未示出的支撑件。如前所述，反应容器130可以可移除地放置在透明块体110上。在一些实施例中，光吸收材料120可以可移除地放置在反应容器130上。样品可以放置在与光吸收层直接接触的反应容器中。密封板610可以可移除地地放置在反应容器130上。
密封板610可以由与反应容器相同的材料制成。密封板可以具有形状与如图6所示的反应容器的孔类似的内凹部612。密封板的底表面的部分或全部可以覆盖有光吸收材料121。密封板还可以包括间隔件155。
图7示出了将密封板610与该系统一起使用的机制。具有反应孔130的透明块体可以放置在透明块体上，其中所述反应孔130的孔覆盖有光吸收层120。试剂和样品可以放置在反应孔130的孔中。具有内凹部(即反应容器的孔的形状)的密封板610可以放置在反应容器的顶部。密封板610的底层可以包括光吸收材料层121。密封板的角部可以包括如图8所示的粘合剂层151以密封反应容器和密封板。密封板还可以包括如图8所示的间隔件155。间隔件可以用于维持密封板和反应容器之间的空间。
密封后，样品和试剂180可以均匀分布在两侧都覆盖有光吸收层120和121的反应容器中。反应容器可以包括下光吸收层和上光吸收层，其中反应容器可以被限定在两个光吸收层之间。反应容器和密封板可以用作光吸收层的支撑件，其中第一光吸收材料设置在第一支撑件上以限定反应孔，第二光吸收材料设置在与第一支撑件相对的第二支撑件上，是密封板的一部分。
用于这样的系统中的样品和试剂的体积可以被配置以在样品和密封板的角部之间留下气隙。该系统可以具有用于使反应容器均匀冷却的流体循环通道(此处未示出)。
图8更深入地示出了图7的实施例。底板可以包括覆盖有光吸收材料层120的反应孔(例如131)。光吸收层120的厚度可以为1nm至1mm。在该示例中，反应孔(131)的厚度为250μm。反应孔中的孔的直径可以为1mm至10mm。在该示例中，所示的反应孔的直径为4mm。反应孔可以用于容纳1μl至20μl的样品体积。
密封板610可以包括如图6所示的一个或多个内凹部612。密封板中的内凹部的直径可以小于反应孔中的孔的直径，以留出用于样品和试剂的空间。密封板中的内凹部的直径可以为0.5mm至8mm。在该示例中，密封板的直径为3mm。包括光吸收材料层121的密封板150可以放置在反应孔的顶部。光吸收层的厚度可以与层120相同。在一些实施例中，光吸收层的厚度可以小于或大于层120的厚度。在一些情况下，层120和层121可以由相同的材料制成。例如，在一个示例中，层120和层121均由金属(例如金或铬)制成。在一些可替代的实施例中，层120和层121可以由不同的材料制成。例如，层120可以由金属(例如金)制成，并且层121可以由碳基材料制成。
核酸的修饰可包括从样品中鉴定靶核酸。可以使用本文讨论的系统进行PCR反应以进行这样的修饰。可以将含有核酸的样品在存在缓冲溶液的情况下添加到试剂中(冻干的、稳定化的或在溶液中的)。然后，可以使混合物在一定温度范围内进行热循环以完成扩增过程。热循环可以包括多个循环，例如变性循环、退火循环、延伸循环和/或温育循环。
在一些实施例中，可以将试剂180放置在本文讨论的系统的反应孔130的孔中。试剂可以为冻干的珠粒或丸粒的形式。试剂的稳定化可以使用水凝胶或石蜡进行。水凝胶或石蜡可以具有高于室温的熔融温度。可以使用本文所述或本领域普通技术人员已知的通道、泵和阀将试剂和样品装载到反应孔的孔上。
装载和密封后，该系统可以通过热循环生成扩增产物。热循环可以包括一个或多个循环，所述一个或多个循环包括在变性温度下在变性时间段内温育反应混合物，然后在退火温度下在退火时间段内温育混合物，然后在延伸温度下在延伸时间段内温育混合物。如前所述，系统可以通过使用一个或多个光源140(未示出)来加热反应孔130(未示出)的孔。也可以使用通过位于一个或多个光源和反应孔之间的透镜聚焦的光。嵌入式透镜可以用于聚焦来自在反应容器/孔中结合的荧光染料的发射。对于冷却样品和试剂，可以在冷却时间段内关闭一个或多个光源。在一些情况下，流体循环通道170可以如先前所述的那样用于冷却反应孔的孔中的试剂和样品。
样品的扩增可以通过使用如先前所述的系统进行一个或多个热循环来进行，所述热循环包括变性循环、退火循环和延伸循环。可以产生扩增产物形式的可检测结果的扩增反应时间可以取决于靶核酸、样品、使用的试剂和PCR方案而变化。在一些情况下，扩增过程可以进行少于1分钟。在一些情况下，扩增过程可以进行约1分钟至约40分钟。在一些情况下，扩增过程可以进行至少约1分钟。在一些情况下，扩增过程可以进行至多约40分钟。在一些情况下，扩增过程可以进行以下的时间：约1分钟至约5分钟、约1分钟至约10分钟、约1分钟至约15分钟、约1分钟至约20分钟、约1分钟至约25分钟、约1分钟至约30分钟、约1分钟至约35分钟、约1分钟至约40分钟、约5分钟至约10分钟、约5分钟至约15分钟、约5分钟至约20分钟、约5分钟至约25分钟、约5分钟至约30分钟、约5分钟至约35分钟、约5分钟至约40分钟、约10分钟至约15分钟、约10分钟至约20分钟、约10分钟至约25分钟、约10分钟至约30分钟、约10分钟至约35分钟、约10分钟至约40分钟、约15分钟至约20分钟、约15分钟至约25分钟、约15分钟至约30分钟、约15分钟至约35分钟、约15分钟至约40分钟、约20分钟至约25分钟、约20分钟至约30分钟、约20分钟至约35分钟、约20分钟至约40分钟、约25分钟至约30分钟、约25分钟至约35分钟、约25分钟至约40分钟、约30分钟至约35分钟、约30分钟至约40分钟、或约35分钟至约40分钟。在一些情况下，扩增过程可以进行约1分钟、约5分钟、约10分钟、约15分钟、约20分钟、约25分钟、约30分钟、约35分钟或约40分钟。
在一些情况下，样品的扩增可以通过重复热循环5至40次来进行。在一些情况下，热循环可以重复至少5次。在一些情况下，热循环可以重复至多60次。在一些情况下，热循环可以重复5次、10次、15次、20次、25次、30次、35次、40次、45次、50次、55次或60次。
热循环可以在热循环时间段内完成。在一些情况下，热循环时间段可以为每个循环2秒至60秒。在一些情况下，热循环可以在约2秒至约60秒内完成。在一些情况下，热循环可以在至少约2秒内完成。在一些情况下，热循环可以在至多约60秒内完成。在一些情况下，热循环可以在以下时间内完成：约2秒至约5秒、约2秒至约10秒、约2秒至约20秒、约2秒至约40秒、约2秒至约60秒、约5秒至约10秒、约5秒至约20秒、约5秒至约40秒、约5秒至约60秒、约10秒至约20秒、约10秒至约40秒、约10秒至约60秒、约20秒至约40秒、约20秒至约60秒、或40秒至约60秒。在一些情况下，热循环可以在约2秒、约5秒、约10秒、约20秒、约40秒或约60秒内完成。
变性循环的温度和时间段可以取决于待鉴定的样品的特性、所使用的试剂和扩增方案。变性循环可以在约80℃至约110℃的温度下进行。变性循环可以在至少约80℃的温度下进行。变性循环可以在至多约110℃的温度下进行。变性循环可以在以下温度下进行：约80℃至约85℃、约80℃至约90℃、约80℃至约95℃、约80℃至约100℃、约80℃至约105℃、约80℃至约110℃、约85℃至约90℃、约85℃至约95℃、约85℃至约100℃、约85℃至约105℃、约85℃至约110℃、约90℃至约95℃、约90℃至约100℃、约90℃至约105℃、约90℃至约110℃、约95℃至约100℃、约95℃至约105℃、约95℃至约110℃、约100℃至约105℃、约100℃至约110℃、或约105℃至约110℃。变性循环可以在约80℃、约85℃，约90℃，约95℃，约100℃，约105℃或约110℃的温度下进行。
在一些情况下，变性循环的时间段可以小于约1秒。在一些情况下，变性循环的时间段可以为至多约100秒。在一些情况下，变性循环的时间段可以为约0秒至1秒、约1秒至约5秒、约1秒至约10秒、约1秒至约20秒、约1秒至约40秒、约1秒至约60秒、约1秒至约100秒、约5秒至约10秒、约5秒至约20秒、约5秒至约40秒、约5秒至约60秒、约5秒至约100秒、约10秒至约20秒、约10秒至约40秒、约10秒至约60秒、约10秒至约100秒、约20秒至约40秒、约20秒至约60秒、约20秒至约100秒、约40秒至约60秒、约40秒至约100秒、或约60秒至约100秒。在一些情况下，变性循环的时间段可以少于约1秒、约5秒、约10秒、约20秒、约40秒、约60秒或约100秒。
退火和延伸循环的温度和时间段可以取决于待鉴定的样品的特性、所使用的试剂和扩增方案。退火和/或延伸循环可以在约40℃至约70℃的温度下进行。退火和/或延伸循环可以在至少约40℃的温度下进行。退火和/或延伸循环可以在至多约70℃的温度下进行。退火和/或延伸循环可以在以下温度下进行：约40℃至约45℃、约40℃至约50℃、约40℃至约55℃、约40℃至约60℃、约40℃至约65℃、约40℃至约70℃、约45℃至约50℃、约45℃至约55℃、约45℃至约60℃、约45℃至约65℃、约45℃至约70℃、约50℃至约55℃、约50℃至约60℃、约50℃至约65℃、约50℃至约70℃、约55℃至约60℃、约55℃至约65℃、约55℃至约70℃、约60℃至约65℃、约60℃至约70℃、或约65℃至约70℃。退火和/或延伸循环可以在约40℃、约45℃、约50℃、约55℃、约60℃、约65℃或约70℃的温度下进行。
在一些情况下，退火和/或延伸循环的时间段可以小于约1秒。在一些情况下，退火和/或延伸循环的时间段可以为至多约60秒。在一些情况下，退火和/或延伸循环的时间段可以为约0秒至1秒、约1秒至约5秒、约1秒至约10秒、约1秒至约20秒、约1秒至约40秒、约1秒至约60秒、约5秒至约10秒、约5秒至约20秒、约5秒至约40秒、约5秒至约60秒、约10秒至约20秒、约10秒至约40秒、约10秒至约60秒、约20秒至约40秒、约20秒至约60秒、或约40秒至约60秒。在一些情况下，退火和/或延伸循环的时间段可以少于约1秒、约5秒、约10秒、约20秒、约40秒或约60秒。
在一些情况下，冷却循环可以在变性循环与退火和/或延伸循环之间进行。在一些情况下，冷却循环可以进行约1秒至约60秒。在一些情况下，冷却循环可以进行至少约1秒。在一些情况下，冷却循环可以进行至多约60秒。在一些情况下，冷却循环可以进行约1秒至约5秒、约1秒至约10秒、约1秒至约20秒、约1秒至约30秒、约1秒至约40秒、约1秒至约50秒、约1秒至约60秒、约5秒至约10秒、约5秒至约20秒、约5秒至约30秒、约5秒至约40秒、约5秒至约50秒、约5秒至约60秒、约10秒至约20秒、约10秒至约30秒、约10秒至约40秒、约10秒至约50秒、约10秒至约60秒、约20秒至约30秒、约20秒至约40秒、约20秒至约50秒、约20秒至约60秒、约30秒至约40秒、约30秒至约50秒、约30秒至约60秒、约40秒至约50秒、约40秒至约60秒、或约50秒至约60秒。在一些情况下，冷却循环可以进行约1秒、约5秒、约10秒、约20秒、约30秒、约40秒、约50秒或约60秒。
使用如前所述的OSM160检测扩增产物可以在扩增过程的各个阶段进行。在一些情况下，扩增产物的检测可以在扩增过程结束时进行。在一些情况下，扩增产物的检测可以在热循环期间进行。可替代地，在一些情况下，检测可以在每个热循环结束时进行。除了本文所述的检测方法，扩增产物的检测可以使用凝胶电泳、毛细管电泳、测序、短串联重复分析和本领域普通技术人员已知的其他方法进行。
如本文的任何实施例中所述，放置在用于核酸修饰的系统中的光吸收材料可以是实心形状的形式，如图9A所示。图9A示出为圆形的光吸收材料，但是它可以具有不同的形状，例如透明块体中的反应孔或内凹部的形状。在一些情况下，光吸收材料可以具有一个或多个开口区域。在一些情况下，光吸收材料可以具有在中心的一个开口区域910，如图9B中所示。位于能够代表如图2A所示的光吸收材料120或光吸收材料121或两者的光吸收材料的中心的开口区域910可以用于引导来自激发源的光，以检测反应混合物中的荧光。在一些情况下，光吸收材料可以具有多于一个开口区域，如图9C所示。多个开口区域912可以用于将不同的激发源引导至反应混合物中的荧光材料，或者可以使用光吸收材料中的多个开口区域来引导相同的激发源的光。光吸收材料中的开口区域可以仅位于反应容器中的光吸收材料上。在一些情况下，密封膜或密封板中的光吸收材料也可以具有一个或多个开口区域。在一些情况下，反应孔和密封膜/板中的光吸收材料均可以具有开口区域。
在一些情况下，光吸收材料中的开口区域的百分比可以为约1％至约90％。在一些情况下，光吸收材料中的开口区域的百分比可以为至少约1％。在一些情况下，光吸收材料中的开口区域的百分比可以为至多约90％。在一些情况下，光吸收材料中的开口区域的百分比可以为约1％至约10％、约1％至约20％、约1％至约50％、约1％至约70％、约1％至约90％、约10％至约20％、约10％至约50％、约10％至约70％、约10％至约90％、约20％至约50％、约20％至约70％、约20％至约90％、约50％至约70％、约50％至约90％、或约70％至约90％在一些情况下，光吸收材料中的开口区域的百分比可以为约1％、约10％、约20％、约50％、约70％、或约90％。
光源的操作可以以连续或脉冲方式进行。在一些情况下，光源的操作是连续的，例如如图10所示。在一些情况下，对于每个包括变性循环、退火循环和延伸循环的加热循环，光源可以被操作以升高温度用于变性。这可以通过向光源施加一定的注入电流来进行。要维持退火/延伸的温度，可以在不关闭光源的情况下调节光源的注入电流。在冷却循环期间可以关闭光源。
在一些情况下，光源可以以脉冲方式操作，如图10所示。对于每个加热循环，光源可以以短间隔重复地开启和关闭。在一些情况下，可以修改用于每个循环的间隔，例如，与较低的退火温度相比，变性循环可以具有较短的脉冲间隔。在一些情况下，可以在脉冲周期期间修改光源的注入电流。在冷却循环期间可以关闭光源。
在一些实施例中，激发源的操作可以是脉冲式的。在一些情况下，激发源的脉冲操作可以以相对于光源的脉冲交替的方式进行，如图11A所示。当光源脉冲到关闭周期时，可以开启激发源。当光源脉冲到开启周期时，可以关闭激发源。在一些实施例中，可以与激发源的脉冲并行地进行信号的检测。检测来自反应孔的荧光信号的传感器可以与激发源并行地以脉冲的方式来收集数据，如图11A所示。这样进行可以减少或避免光源与激发源之间的光学干涉，或减少或避免光源与可能由核酸修饰导致的反应孔中的荧光之间的干涉。
在其他实施例中，如图11B所示以及关于图10所讨论的，激发源的操作可以是连续的。因此，在一些情况下，虽然激发源的操作是连续的，光源的脉冲操作可以以交替方式进行。在一些实施例中，可以与激发源的脉冲并行地进行信号的检测。检测来自反应孔的荧光信号的传感器可以与光源并行地以脉冲形式收集数据，如图11B所示。这样操作可以减少或避免光源与激发源之间的光学干涉，或减少或避免光源与可能由核酸修饰导致的反应孔中的荧光之间的干涉。
样品制备
在一些情况下，用于核酸修饰的系统可以包括用于样品制备的系统或模块。样品制备系统可以用于浓缩目的细胞。目的细胞可以是任何特定的靶细胞。例如，目的细胞可以是红细胞、血小板、白细胞、传染性细胞(例如病原体)以及其他细胞类型。样品制备的细胞类型也可用于从靶细胞中提取和纯化核酸。用于浓缩靶细胞类型的样品可以是本文所述的任何样品类型。
在一些情况下，样品制备系统能够在少于15分钟的时间内从生物样品中浓缩感兴趣的细胞类型，从样品中提取和纯化核酸。在一些情况下，样品制备系统能够在少于15分钟、少于12分钟、少于10分钟、少于8分钟、少于5分钟、少于2分钟或少于1分钟的时间内从生物样品中提取和纯化核酸。
参考图12，示出了用于样品制备的系统。样品制备系统1200可以具有多个流体隔室，例如用于收集生物样品的样品隔室1210、一个或多个洗涤缓冲液隔室1220和1230、废物隔室1240和洗脱缓冲液隔室1250。样品制备系统的一个或多个隔室可以通过各种微流体通道、贮存器和通孔连接至具有盖1260的收集区域1261。微流体系统可以是样品制备系统中的可更换盒的形式。
样品隔室可以包括样品入口1215。样品入口1215可以包括预过滤器，该预过滤器用于按尺寸过滤出细胞、碎片和晶体。预过滤器可以位于通孔1211的上方而非样品入口1215处。在一些情况下，预过滤器的孔径可以为3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm。预过滤器能够从生物样品(例如尿液样品)中去除非靶材料(例如沉降物和较大的细胞)。
每个隔室可具有空气入口。液体容器的每个空气入口可以依次连接至微型电磁阀，然后连接至泵。如图12所示，每个流体隔室可以具有其特定的空气入口。对于样品隔室，样品入口1215也可以充当空气入口。在一些情况下，样品隔室可以具有单独的空气入口。图12还示出洗涤缓冲液隔室的空气入口1224和1234、废物隔室的空气入口1243和洗脱缓冲液隔室的空气入口1234。液体出口可以直接连接至指定的微通道，所述指定的微通道与每个隔室连接。微流体通道可以由PDMS PMMA、COC、其他常规聚合物和/或SU-8硅晶片制成。
微流体通道可以全部位于单个层中，或者它们可以被分在通道和收集区域、贮存器或通孔的多个层。例如，在图12中，示出的是两层微流体通道，即第一层和第二层。样品制备系统中的多个隔室可以横跨微流体系统的多个层。如图12所示，样品隔室可以连接至第一层中的通孔1211，通孔1211可以连接至具有微流体通道1213的第二层中的贮存器1212，所述微流体通道1213可以用于将样品隔室连接至具有盖1260的收集区域1261。微流体系统中的通孔和贮存器可以具有相同的形状和大小。可替代地，在一些情况下，贮存器可以大于通孔。通孔及其对应的贮存器可以对准在一起。
类似地，也可以连接其他隔室。在图12中，洗涤隔室1220和1230可以分别与第一层中的通孔1221或1231连接。通孔1221和1231可以分别与第二层中的贮存器1222或1232连接，并且分别通过通道1223和1233连接至收集区域1261。废物隔室也可以使用通孔和通道连接至微流体系统。如图12所示，废物隔室1240可以连接至通孔1241，并且还通过通道1242连接至收集区域1261。还如图12所示的是洗脱缓冲液隔室1250通过第一层中的通孔1251、第二层中的贮存器1252和用于将洗脱缓冲液隔室连接至收集区域1261的通道1253连接至微流体系统。图12表示的系统具有一个收集区域，并且从每个隔室有一个通道通向收集区域，但是样品制备系统可以包括多个收集区域，所述多个收集区域可以与用于每个隔室的多个通道连接。
收集区域1261可以呈如图12所示的孔的形状，并用盖1260覆盖。收集区域可以包括位于盖1260和收集区域1261之间的过滤器1270，所述过滤器1270用于截留和处理一种或多种靶细胞。样品制备系统可包括多于一个过滤器。可以在一个或多个过滤器上截留并处理靶细胞类型，以进行核酸提取和纯化。
收集区域1261也可以覆盖有用于使靶细胞光热裂解的光吸收材料1280。在一些情况下，收集区域1261覆盖有光吸收材料1280和过滤器1270。过滤器1270可以放置在光吸收材料1280的顶部。可替代地，光吸收材料1280可以位于收集区域1261的下方。在这样的情况下，过滤器1270可以位于收集区域上。靶细胞的光热裂解可以通过使用光源将光转换成热来进行。光源可以是本文其他地方所述的任何光源，并且可以放置在微流体系统的下方。在一些情况下，截留一种或多种靶细胞的过滤器1270可以放置在光源和光吸收材料1280的上方或附近。光吸收材料可以是本文其他地方所述的任何光吸收材料。在图12中，示出了微流体网络通过通道1291直接连接至PCR隔室1290。在其他示例中，微流体网络可以不在如图12所示的相同的盒中。在这样的示例中，可以使用不同的空气入口和泵来将样品核酸移动到如本文其他地方所述的反应孔中。
样品制备系统可以具有一个或多个空气入口。样品制备系统可以具有一个或多个气动控制阀。气动控制阀可以是用于驱动样品流体的气动控制系统的一部分。增压空气和控制阀可以用于使流体从一个贮存器移动到其他贮存器。图13中示出了使用阀和空气入口进行样品处理的示意图。
参考图12和13A，将样品溶液添加到样品隔室后，可以打开与样品隔室的空气入口和贮存器(1211，1212)以及废物隔室的空气入口(1241)连接的电磁阀，并且可以允许增压空气通过样品隔室的空气入口1215和通孔1211进入，以便仅将压力施加到样品隔室。可以关闭所有其他空气入口，以使得样品溶液仅通过微流体通道1213和1242。这些通道可以由两个微流体层组成，即顶层和底层。与样品隔室连接的通道1213可以位于第二微流体层(图12中所示的第二层)中，并且废物侧的通道1242位于顶层(图12中所示的第一层)中。这些通道之间的重叠可以是收集区域1261，所述收集区域1261包括用于选择性地分离靶细胞的过滤器1270。过滤器1270可以具有专门针对靶细胞的孔径。之后，可以通过电磁阀关闭样品隔室和废物隔室及其相应的空气入口，以进行下一步。样品隔室可以具有放置在隔室周围的一个或多个电极，以通过施加不同的电压来改变溶液的pH。
参考图13B，示出了洗涤步骤。可以通过与洗涤缓冲液A隔室的空气入口或贮存器(1224，1222)和废物隔室的空气入口(1243)连接的电磁阀，将洗涤缓冲液A隔室1220和废物隔室1240打开。可以通过相应的阀关闭所有其他空气入口，以使得洗涤缓冲液A溶液仅通过微流体通道1223和1242。可以通过空气入口1224将增压空气施加到洗涤缓冲液A隔室，以开启流动。这些通道可以位于图13A所示的相同的微流体层中。图13B中与洗涤缓冲液A隔室连接的贮存器1222可以位于第一层，并且废物侧的通道1242可以位于第二层。这些通道之间的重叠可以是如图12和13A中所示的收集区域1261和过滤器1270，以洗去在靶细胞分离步骤期间在过滤器中截留的不想要的材料。之后，可以通过电磁阀关闭洗涤缓冲液A隔室(1220)和废物隔室(1240)及其相应的空气入口，以进行下一步。
参考图12和13C，示出了第二洗涤步骤。可以通过与洗涤缓冲液B隔室的空气入口(1234)和废物隔室的空气入口(1243)连接的电磁阀打开洗涤缓冲液B隔室1230和废物隔室1240。可以通过相应的阀关闭所有其他空气入口，使得洗涤缓冲液B溶液仅通过微流体通道1233和1242。可以通过空气入口1234将增压空气施加到洗涤缓冲液B隔室，以开启流动。这些微流体通道可以位于如先前所示的相同的层中。与洗涤缓冲液B隔室1230连接的通道1233可以位于第一层，并且废物侧的通道1242可以位于第二层。这些通道之间的重叠可以是收集区域1261和相同的过滤器1270，以洗去过滤器单元中不需要的材料。之后，可以通过电磁阀关闭洗涤溶液B隔室和废物隔室，以进行下一步。废物隔室可包括用于防止流体回流的吸收性多孔纸、织物或海绵。
参考图13D，示出了作为靶细胞的光热裂解的下一步骤。在该过程期间，可以关闭所有阀。使用光源加热位于收集区域上的光吸收膜或位于收集区域下方的光吸收材料，可以使过滤器中截留的靶细胞热裂解。收集区域可以与一个或多个光源热连接。
参考图12和13E，示出了核酸洗脱步骤。可以将裂解的样品转移至光子PCR隔室中。可以通过打开洗脱缓冲液隔室1250的通孔1251和贮存器1252并使用空气入口1254向同一隔室施加增压空气，来开启洗脱步骤。可以关闭所有其他空气入口，以使得洗脱的样品仅通过通道1253(洗脱缓冲液通道)和1291(PCR隔室)。与洗脱缓冲液隔室1250连接的通道1253可以位于第一层，并且PCR隔室1290上的通道1291可以位于第二层。这些通道之间的重叠可以是过滤器单元中的相同过滤器1270。之后，可以通过电磁阀关闭所有空气入口，以进行PCR过程。洗脱隔室可以具有放置在隔室周围的一个或多个电极，以通过施加不同的电压来改变溶液的pH。在图13A至E，已经示出PCR单元1290具有四个反应孔，但是在一些情况下，如图14中所示，PCR单元可以具有的更多的如本文其他地方所述的孔。图14所示的具有PCR反应孔的样品制备模块与图12所示的具有PCR反应孔的样品制备模块具有共同的元件，并且关于图12提供的描述适当地适用于图14。在图14中，PCR反应孔的数量大于图12和13E中所示的四个PCR孔。
本文所述的系统和方法可以用于检测生物样品中的靶细胞。使用本文所述的方法和系统的测定的检测限可以低至2个拷贝的DNA。检测限在生物样品中可以为2个拷贝的DNA、5个拷贝的DNA、10个拷贝的DNA或20个拷贝的DNA。
在一些情况下，本文的系统和方法可以用于检测生物样品中的靶细胞。使用本文所述的方法和系统的测定的检测限在生物样品中可以低至2CFU/ml。在一些情况下，检测率在生物样品中低至2CFU/ml、5、7CFU/ml、10CFU/ml、12CFU/ml、15CFU/ml、20CFU/ml或25CFU/ml。
数字处理装置
在一些实施例中，本文所述的平台、系统、介质和方法包括数字处理装置或其使用。在进一步的实施例中，数字处理装置包括一个或多个执行装置功能的硬件中央处理单元(CPU)或通用图形处理单元(GPGPU)。在更进一步的实施例中，数字处理装置还包括被配置以执行可执行指令的操作系统。在一些实施例中，数字处理装置可选地连接至计算机网络。在进一步的实施例中，数字处理装置可选地连接至因特网，使得其能够访问万维网。在又进一步的实施例中，数字处理装置可选地连接至云计算基础设施。在其他实施例中，数字处理装置任选地连接至内联网。在其他实施例中，数字处理装置可选地连接至数据存储装置。
根据本文的描述，作为非限制性示例，合适的数字处理装置包括服务器计算机、台式计算机、膝上型计算机、笔记本计算机、小型笔记本计算机(sub-notebook computer)、上网本计算机、上网平板计算机、机顶计算机、媒体流装置、掌上计算机、因特网家电(Internet appliance)、移动智能电话、平板式计算机、个人数字助理、视频游戏机和车辆。本领域技术人员将认识到，许多智能电话适用于本文所述的系统。本领域技术人员还将认识到，具有可选的计算机网络连接的选择的电视、视频播放器和数字音乐播放器适用于本文所述的系统。合适的平板式计算机包括本领域技术人员已知的具有小册子(booklet)、平板(slate)和可改变配置的平板式计算机。
在一些实施例中，数字处理装置包括被配置以执行可执行指令的操作系统。操作系统是例如包含程序和数据的软件，该软件管理装置的硬件并提供用于执行应用程序的服务。本领域技术人员将认识到，作为非限制性示例，合适的服务器操作系统包括FreeBSD、OpenBSD、
Linux、
Mac OS X
Windows
和
本领域技术人员将认识到，作为非限制性示例，合适的个人计算机操作系统包括
Mac OS
和类似UNIX的操作系统，例如
在一些实施例中，操作系统由云计算提供。本领域技术人员还将认识到，作为非限制性示例，合适的移动智能电话操作系统包括
OS、
Research In
BlackBerry
Windows
OS、
Windows
OS、
和
本领域技术人员还将认识到，作为非限制性示例，合适的媒体流装置操作系统包括Apple
Google
Google
Amazon
和
本领域技术人员还将认识到，作为非限制性示例，合适的视频游戏机操作系统包括
Xbox
Microsoft XboxOne、
Wii
和
在一些实施例中，装置包括存储和/或记忆装置。存储和/或记忆装置是用于临时或永久地存储数据或程序的一个或多个物理设备。在一些实施例中，装置是易失性记忆体并且需要通电来维持存储的信息。在一些实施例中，装置是非易失性记忆体，并且在数字处理装置不通电时能保留所存储的信息。在进一步的实施例中，非易失性记忆体包括快闪记忆体。在一些实施例中，非易失性记忆体包括动态随机存取记忆体(DRAM)。在一些实施例中，非易失性记忆体包括铁电随机存取记忆体(FRAM)。在一些实施例中，非易失性记忆体包括相变随机存取记忆体(PRAM)。在其他实施例中，该装置是存储装置，作为非限制性示例，所述存储装置包括CD-ROM、DVD、快闪记忆装置、磁盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器和基于云计算的存储器。在进一步的实施例中，存储和/或记忆装置是诸如本文公开的那些装置的装置组合。
在一些实施例中，数字处理装置包括用于将视觉信息发送至用户的显示器。在一些实施例中，显示器是阴极射线管(CRT)。在一些实施例中，显示器是液晶显示器(LCD)。在进一步的实施例中，显示器是薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)。在一些实施例中，显示器是有机发光二极管(OLED)显示器。在各种进一步的实施例中，OLED显示器是无源矩阵OLED(PMOLED)或有源矩阵OLED(AMOLED)显示器。在一些实施例中，显示器是等离子体显示器。在其他实施例中，显示器是视频投影仪。在又进一步的实施例中，显示器是诸如本文公开的那些装置的装置组合。
在一些实施例中，数字处理装置包括用于接收来自用户信息的输入装置。在一些实施例中，输入装置是键盘。在一些实施例中，输入装置是指点装置，作为非限制性示例，所述指点装置包括鼠标、轨迹球、轨迹板、操纵杆、游戏控制器或触控笔。在一些实施例中，输入装置是触摸屏或多点触摸屏。在其他实施例中，输入装置是麦克风，以捕捉语音或其他声音输入。在其他实施例中，输入装置是摄像机或其他传感器，以捕捉运动或视觉输入。在进一步的实施例中，输入装置是Kinect、Leap Motion等。在又进一步的实施例中，输入装置是诸如本文公开的那些装置的装置组合。
参考图15，在一些实施例中，示例性数字处理装置1501被编程以或以其他方式被配置以装载样品和试剂，控制反应容器中的温度，冷却反应容器，并分析来自反应容器的信号。装置1501可以调控本公开的各个方面，例如，使用光源和冷却通道来升高和降低反应容器的温度。在本实施例中，数字处理装置1501包括中央处理单元(CPU，本文中也称为“处理器”和“计算机处理器”)1505，该中央处理单元1505可以是单核或多核处理器或用于并行处理的多个处理器。数字处理装置1501还包括记忆体或记忆位置1510(例如随机存取记忆体，只读记忆体，快闪记忆体)、电子存储单元1515(例如硬盘)、用于与一个或多个其他系统进行通信的通信接口1520(例如网络适配器)以及外围装置1525，例如缓存、其他记忆体、数据存储器和/或电子显示适配器。记忆体1510、存储单元1515、接口1520和外围装置1525通过通信总线(实线)(例如主板)与CPU 1505通信。存储单元1515可以是用于存储数据的数据存储单元(或数据存储库)。数字处理装置1501可以借助于通信接口1520可操作地联接至计算机网络(“网络”)1530。网络1530可以是因特网、因特网和/或外联网、或与因特网通信的内联网和/或外联网。在一些情况下，网络1530是远程通信和/或数据网络。网络1530可以包括一个或多个计算机服务器，所述计算机服务器能够进行分布式计算，例如云计算。在一些情况下，借助于装置1501，网络1530可以实现对等网络，该对等网络可以使联接至装置1501的装置能够充当客户端或服务器。
继续参考图15，CPU 1505可以执行机器可读指令序列，所述机器可读指令序列可以在程序或软件中体现。指令可以存储在记忆位置，例如记忆体1510中。指令可以被引向CPU1505，其可以随后对CPU 1505进行编程或以其他方式配置CPU 1505，以实现本公开的方法。CPU 1505执行的操作的示例可以包括获取、解码、执行和回写。CPU 1505可以是电路(例如集成电路)的一部分。装置1501的一个或多个组件可以被包括在电路中。在一些情况下，该电路是应用型专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。
继续参考图15，存储单元1515可以存储文件，例如驱动器、库和保存的程序。存储单元1515可以存储用户数据，例如，用户偏好和用户程序。在一些情况下，数字处理装置1501可以包括一个或多个外部的另外的数据存储单元，所述另外的数据存储单元例如位于通过内联网或因特网进行通信的远程服务器上。
继续参考图15，数字处理装置1501可以通过网络1530与一个或多个远程计算机系统通信。例如，装置1501可以与用户的远程计算机系统通信。远程计算机系统的示例包括个人计算机(例如，便携式PC)、平板或平板式PC(例如
iPad、
Galaxy Tab)、电话、智能电话(例如
iPhone、支持Android的装置、
)或个人数字助理。
通过存储在数字处理装置1501的电子存储位置上(例如在记忆体1510或电子存储单元1515上)的机器(例如计算机处理器)可执行代码，可以实现本文所述的方法。机器可执行或机器可读代码可以以软件的形式提供。在使用期间，代码可以由处理器1505执行。在一些情况下，可以从存储单元1515检索代码，并将所述代码存储在记忆体1510上以供处理器1505随时存取。在一些情形中，电子存储单元1515可能被排除，并将机器可执行指令存储在记忆体1510中。
非暂时性计算机可读存储介质
在一些实施例中，本文公开的平台、系统、介质和方法包括用程序编码的一种或多种非暂时性计算机可读存储介质，该程序包括可由可选地联网的数字处理装置的操作系统执行的指令。在进一步的实施例中，计算机可读存储介质是数字处理装置的有形组件。在又进一步的实施例中，计算机可读存储介质可选地可从数字处理装置移除。在一些实施例中，作为非限制性示例，计算机可读存储介质包括CD-ROM、DVD、快闪记忆装置、固态记忆体、磁盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器、云计算系统和服务等。在一些情况下，程序和指令被永久、基本上永久、半永久或非临时地编码在介质上。
计算机程序
在一些实施例中，本文所公开的平台、系统、媒体和方法包括至少一个计算机程序或其使用。计算机程序包括指令序列，所述指令序列可在数字处理装置的CPU中执行，并被编写为执行指定任务。计算机可读指令可以被实现为执行特定任务或实现特定抽象数据类型的程序模块，例如函数、对象、应用程序编程接口(API)、数据结构等。根据本文提供的公开内容，本领域技术人员将认识到，可以用各种语言的各种版本来编写计算机程序。
计算机可读指令的功能性可以在各种环境中根据需要组合或分布。在一些实施例中，计算机程序包含一个指令序列。在一些实施例中，计算机程序包含多个指令序列。在一些实施例中，从一个位置提供计算机程序。在其他实施例中，从多个位置提供计算机程序。在各种实施例中，计算机程序包括一个或多个软件模块。在各种实施例中，计算机程序部分或整体地包括一个或多个web应用程序、一个或多个移动应用程序、一个或多个独立应用程序，一个或多个web浏览器插件，扩展，加载项(add-in)或附加组件(add-on)或其组合。
web应用程序
在一些实施例中，计算机程序包括web应用程序。根据本文提供的公开内容，本领域技术人员将认识到，在各种实施例中，web应用程序利用一个或多个软件框架和一个或多个数据库系统。在一些实施例中，web应用程序基于诸如
.NET或Ruby on Rails(RoR)等软件框架来创建。在一些实施例中，web应用程序利用一个或多个数据库系统，作为非限制性示例，所述数据库系统包括关系数据库系统、非关系数据库系统、面向对象的数据库系统、联想式(associative)数据库系统和XML数据库系统。在进一步的实施例中，作为非限制性示例，合适的关系数据库系统包括
SQL Server、mySQLTM和
本领域技术人员还将认识到，在各种实施例中，web应用程序以一种或多种语言的一种或多种版本来编写。web应用程序可以以一种或多种标记语言、表示定义的语言、客户端脚本语言、服务器端编码语言、数据库查询语言或其组合来编写。在一些实施例中，web应用程序在某种程度上以诸如超文本标记语言(HTML)、可扩展超文本标记语言(XHTML)或可扩展标记语言(XML)等标记语言来编写。在一些实施例中，web应用程序在某种程度上以诸如级联样式表(CSS)等表示定义的语言来编写。在一些实施例中，web应用程序在某种程度上以诸如异步Javascript和XML(AJAX)、
Actionscript、Javascript或
等客户端脚本语言来编写。在一些实施例中，web应用程序在某种程度上以诸如活动服务器页面(ASP)、
Perl、JavaTM、Java服务器页面(JSP)、超文本预处理器(PHP)、PythonTM、Ruby、Tcl、Smalltalk、
或Groovy等服务器端编码语言来编写。在一些实施例中，web应用程序在某种程度上以诸如结构化查询语言(SQL)等数据库查询语言来编写。在一些实施例中，web应用程序集成了企业服务器产品，例如IBM Lotus Domino。在一些实施例中，web应用程序包括媒体播放器元件。在各种进一步的实施例中，媒体播放器元件利用许多合适的多媒体技术中的一种或多种，作为非限制性示例，所述多媒体技术包括
HTML 5、
JavaTM和
移动应用程序
在一些实施例中，计算机程序包括提供给移动数字处理装置的移动应用程序。在一些实施例中，在制造移动数字处理装置时将移动应用程序提供给移动数字处理装置。在其他实施例，将移动应用程序通过本文所述的计算机网络提供给移动数字处理装置。
鉴于本文提供的公开内容，移动应用程序使用本领域已知的硬件、语言和开发环境通过本领域技术人员已知的技术来创建。本领域技术人员将认识到，移动应用程序以几种语言来编写。作为非限制性示例，合适的编程语言包括C、C++、C#、Objective-C、JavaTM、Javascript、Pascal、Object Pascal、PythonTM、Ruby、VB.NET、WML和具有或不具有CSS的XHTML/HTML或其组合。
合适的移动应用程序的开发环境可从多个来源获得。作为非限制性示例，商业上可获得的开发环境包括AirplaySDK、alcheMo、
Celsius、Bedrock、FlashLite、.NET Compact Framework、Rhomobile和WorkLight Mobile Platform。其他开发环境是可免费获得的，作为非限制性示例，包括Lazarus、MobiFlex、MoSync和Phonegap。而且，移动装置制造商还发售软件开发工具包，作为非限制性示例，包括iPhone和iPad(iOS)SDK、AndroidTM SDK、
SDK、BREW SDK、
OS SDK、Symbian SDK、webOS SDK和
Mobile SDK。
本领域技术人员将认识到，发售的移动应用程序可从几个社区商城获得，作为非限制性示例，包括
App Store、
Play、Chrome WebStore、
AppWorld、Palm装置的App Store、webOS的App Catalog、
Mobile的Marketplace、
装置的Ovi Store、
Apps和
DSi Shop。
独立应用程序
在一些实施例中，计算机程序包括独立应用程序，所述独立应用程序是作为独立计算机进程而不是现有进程的附加组件(例如，不是插件)而运行的程序。本领域技术人员将认识到，经常编译独立应用程序。编译器是将以编程语言编写的源代码转换为二进制目标代码(例如汇编语言或机器代码)的计算机程序。作为非限制性示例，合适的编译程序语言包括C、C++、Objective-C、COBOL、Delphi、Eiffel、JavaTM、Lisp、PythonTM、Visual Basic和VB.NET或其组合。通常至少部分地执行编译以创建可执行程序。在一些实施例中，计算机程序包括一个或多个可执行的编译应用程序。
web浏览器插件
在一些实施例中，计算机程序包括web浏览器插件(例如，扩展等)。在计算中，插件是一个或多个软件组件，所述一个或多个软件组件将特定的功能性添加到较大的软件应用程序中。软件应用程序的制造商支持插件，以便使第三方开发者能够创建扩展应用程序的能力，能够容易地支持添加新特征，以及能够减小应用程序的大小。如果得到支持，则插件可用于自定义软件应用程序的功能性。例如，通常在web浏览器中使用插件来播放视频、生成交互性、扫描病毒以及显示特定文件类型。本领域技术人员将熟悉几种web浏览器插件，包括
Player、
和
在一些实施例中，工具栏包括一个或多个web浏览器扩展、加载项或附加组件。在一些实施例中，工具栏包括一个或多个资源管理器栏、工具栏或桌面栏。
鉴于本文提供的公开内容，本领域技术人员将认识到，几种插件框架是可用的，它们使得能够以各种编程语言来开发插件，作为非限制性示例，所述编程语言包括C++、Delphi、JavaTM、PHP、PythonTM和VB.NET或其组合。
web浏览器(也称为因特网浏览器)是软件应用程序，其被设计用于与连接网络的数字处理装置一起使用，以用于检索、呈现和遍历万维网上的信息资源。作为非限制性示例，合适的web浏览器包括：
Internet
Chrome、
Opera
和KDE Konqueror。在一些实施例中，web浏览器是移动web浏览器。移动web浏览器(也称为微型浏览器、迷你浏览器和无线浏览器)被设计用于在移动数字处理装置上使用，作为非限制性示例，所述移动数字处理装置包括但不限于掌上计算机，平板式计算机，上网本计算机，小型笔记本计算机，智能电话，音乐播放器，个人数字助理(PDA)和掌上视频游戏系统。作为非限制性示例，合适的移动web浏览器包括：
浏览器、RIM
浏览器、
浏览器、
移动版、
Internet
Mobile、
Basic
浏览器、Opera
Mobile和
PSPTM浏览器。
软件模块
在一些实施例中，本文公开的平台、系统、介质和方法包括软件、服务器和/或数据库模块或其使用。鉴于本文提供的公开内容，软件模块使用本领域已知的机器、软件和语言通过本领域技术人员已知的技术来创建。本文公开的软件模块以多种方式实现。在各种实施例中，软件模块包括文件、代码段、编程对象、编程结构或其组合。在进一步的各种实施例中，软件模块包括多个文件、多个代码段、多个编程对象、多个编程结构或其组合。在各种实施例中，作为非限制性示例，一个或多个软件模块包括web应用程序，移动应用程序和独立应用程序。在一些实施例中，软件模块在一个计算机程序或应用程序中。在其他实施例中，软件模块在多于一个计算机程序或应用程序中。在一些实施例中，软件模块被托管在一台机器上。在其他实施例中，软件模块被托管在多于一台机器上。在进一步的实施例中，软件模块被托管在云计算平台上。在一些实施例中，软件模块被托管在一个位置的一台或多台机器上。在其他实施例中，软件模块被托管在多于一个位置的在一台或多台机器上。
数据库
在一些实施例中，本文公开的平台、系统、介质和方法包括一个或多个数据库或其使用。鉴于本文提供的公开内容，本领域技术人员将认识到，许多数据库适合于存储和检索信息，例如方案、循环时间、温度范围、结果、检测结果和报告。在各种实施例中，作为非限制性示例，合适的数据库包括关系数据库、非关系数据库、面向对象的数据库、对象数据库、实体关系模型数据库，联想式数据库和XML数据库。进一步的非限制性示例包括SQL、PostgreSQL、MySQL、Oracle、DB2和Sybase。在一些实施例中，数据库是基于因特网的。在进一步的实施例中，数据库是基于web的。在又进一步的实施例中，数据库是基于云计算的。在其他实施例中，数据库基于一个或多个本地计算机存储装置。
参考图16，示出了用于确定靶核酸修饰的方法1600。方法1600可以使用本文描述的系统中的一个或多个。在第一步1610中，可以将样品和/或修饰核酸所需的试剂装载到反应容器或反应孔上。在一些情况下，可以将试剂预装到反应容器的孔中。在第二步1620中，可以将反应容器放置在透明块体上。在一些情况下，可以将反应容器放置在具有轻支持件的基座上方，而无需使用其他透明块体。可以使用本文所述的密封膜或密封板来密封反应容器。在第三步1630中，可以使用光源来加热反应容器。可以如本文所述以连续或脉冲方式操作光源。第四步1640，可以使用透明块体中的流体循环通道来冷却反应容器。在第五步1650中，可以使用激发源来激发在核酸修饰过程中结合的荧光染料。该步骤可以在核酸修饰循环期间或在核酸修饰循环之后进行。在第六步1660中，可以使用传感器来检测来自孔的折射光。在第七步1670中，可以将来自多个反应孔的信号作为输出进行报告。
在一些情况下，可以提供处理器。处理器可以被配置为具有执行图16所示的一系列步骤和本文所述的其他步骤的指令。在一些情况下，处理器可以提供用于核酸修饰和靶核酸检测的指令。处理器可以用于执行一些用于核酸修饰的方案，以使光源或激发源发生脉冲。处理器也可以用于以不同的时间间隔冷却反应容器。
尽管上述步骤示出了核酸修饰和靶核酸检测的方法，但是本领域普通技术人员将认识到基于本文所述的教导的许多变化。可以以不同的顺序完成这些步骤。可以添加或删除步骤。一些步骤可以包括子步骤。可以根据检测核酸的需要重复许多步骤。在一些实施例中，处理器被配置以执行本文所述方法的一个或多个步骤。
尽管已经在本文中示出和描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，仅通过示例的方式提供了这样的实施例。并非意图通过说明书中提供的特定示例来限制本发明。已经参考前述说明书描述了本发明，然而本文中的实施例的描述和图示并不意味着以限制性的意义来解释。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员将想到许多变化、改变和替换。此外，应当理解，本发明的所有方面不限于本文所阐述的具体描述、配置或相对比例，所述具体描述、配置或相对比例取决于多个条件和变量。应当理解，可以以实践本发明的方式采用本文所述的本发明的实施例的各种替代方案。因此，可以预期的是，本发明还将涵盖任何这样的替代方案、修改、变化或等同形式。本文旨在由以下权利要求限定本发明的范围，并且由此涵盖这些权利要求范围内的方法和结构及其等同物。
示例
示例1：作为即时检测装置使用
由于沙眼衣原体(Chlamydia trachomatis，CT)和淋病奈瑟菌(Neisseriagonorrhea，NG)的高共感染率，以及NG突变为多种对淋球菌抗菌药耐药(AMR)的菌株的能力，高通量检测对于诊断CT/NG和NG AMR是有利的。因此，基于高通量多重PCR的即时检测将是有利的。图17中呈现的是系统性诊断方案，该方案用于在15分钟内检测CT/NG并在另外15分钟内根据阳性测试结果对NG进行后续AMR测试，从而在一次测试中提供了完全可靠的诊断决定。这种系统性方法可以包括；1)基于盒的样品制备模块；2)气动压力驱动的液体操控平台；3)光子PCR热循环仪；4)用于CT/NG和淋球菌AMR的高通量DNA扩增的如本文先前所述的微流体阵列装置。这些测试的阳性结果对于形成有效的治疗计划会有帮助。
示例2：各种基因序列的代表性终点光子PCR(end-point photonic PCR)数据
图18A至C显示了用于各种扩增的终点光子PCR的演示，包括DENV-1cDNA(登革热)、crtA(针对脑膜炎奈瑟菌(N.meningitidis))、hpd(针对流感嗜血杆菌(Haemophilusinfluenzae))和mecA(针对耐甲氧西林的S金黄色葡萄球菌)。使用纯化的核酸(转化为cDNA的登革热的RNA，crtA、hpd和mecA的DNA)进行检测。采用从98℃到68℃的两步PCR热循环，扩增40个循环。PCR的反应体积为10μL。然后将扩增产物在凝胶上电泳，并与用作阳性对照的常规PCR的结果进行比较。凝胶带强度显示了为模板DNA浓度的函数的明显趋势(图18A和18C)，还使用crtA和hpd多重反应来演示多重光子PCR(图18B)。注意到，低至5个拷贝的mecA基因和每ml 103个病毒颗粒(103vp/ml)被成功地扩增，并在光子PCR扩增后通过凝胶电泳被确认(图18A和18C)。
Claims (40)
1.一种系统，包括：
透明块体，其包括一个或多个内凹部；
光吸收材料，其设置在所述透明块体的所述一个或多个内凹部内；
反应容器，其被可移除地定位到所述透明块体的所述内凹部上；
密封膜，其设置在所述反应容器上；和
光源；
其中，所述光源被配置以射向所述透明块体的所述内凹部，以使得来自所述光源的光在所述光吸收材料内产生热量，并随后加热所述反应容器。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述透明块体包括流体循环通道。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，空气、水和液体中的至少一种流过所述流体循环通道。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述密封膜还包括光吸收层。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括高折射率材料，所述高折射率材料设置在所述透明块体的外部，以使来自激发LED的光发生内反射。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于使荧光染料发光的第一滤波器和用于消除来自所述光源的光的第二滤波器。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述密封膜包括密封板，所述密封板的表面上具有光吸收材料。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光源是脉冲式光源。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统包括检测器，所述检测器能够操作以在所述脉冲式光源的关闭周期期间检测指示核酸修饰的信号。
10.一种系统，包括：
聚合物反应容器，其包括一个或多个孔；
光吸收材料，其设置在所述聚合物反应容器的所述一个或多个孔内；
透明块体，其具有用于保持所述聚合物反应容器的内凹部；
光源，其被配置以射向所述透明块体的所述内凹部，以使得来自所述光源的光在所述光吸收材料内产生热量并加热所述反应容器；和
密封膜，其设置在所述聚合物反应容器上。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，围绕所述内凹部设置另外的通道。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述孔的一个或多个内凹部包括2-D或3-D微结构或纳米结构，所述2-D或3-D微结构或纳米结构的形式为柱阵列、1D或2D光栅、光子晶体或半球。
13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述透明块体包括流体循环通道。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，空气、水和液体中的至少一种流过所述循环通道。
15.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述光源的发射波长与用于核酸的实时检测的荧光染料的激发波长不重叠。
16.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述密封膜还包括光吸收层。
17.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统还包括设置在所述透明块体的外部的高折射率材料，其中所述高折射率材料能够操作以反射来自激发LED的光。
18.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于使荧光染料发光的第一滤波器和用于消除来自所述光源的光的第二滤波器。
19.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述密封膜包括密封板，所述密封板的表面上具有光吸收材料。
20.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述光源包括脉冲式光源。
21.一种系统，包括：
聚合物流体装置，其包括一个或多个反应孔；
第一光吸收材料，其设置在第一支撑件上以限定反应孔；
第一端口和第二端口，其被联接至所述反应孔；
其中，所述第一端口和第二端口被配置以允许将流体样品输入到所述反应孔中，
冻干的试剂被预装在所述反应孔上；和
光源，其被配置为照射所述第一光吸收材料；
其中，照射到所述第一光吸收材料上的光的第一部分被吸收到所述第一光吸收材料中；和
其中被吸收到所述第一光吸收材料中的光的所述第一部分被配置以升高所述第一光吸收材料的温度，以加热所述反应孔内的所述流体样品。
22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，
第二光吸收材料设置在与所述第一支撑件相对的第二支撑件上；
照射到所述第一光吸收材料上的光的第二部分透过所述第一光吸收材料并照射所述第二光吸收材料；以及
照射到所述第二光吸收材料上的透过的光的至少一部分被吸收到所述第二光吸收材料中；以及
被吸收到所述第二光吸收材料中光被配置以升高所第二光吸收材料的温度，以进一步加热所述反应孔中的所述流体样品。
23.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于使荧光染料发光的第一滤波器和用于消除来自所述光源的光的第二滤波器。
24.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述冻干的试剂还包括稳定剂，所述稳定剂包括石蜡或水凝胶。
25.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述系统还包括位于孔之间的流体阀。
26.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述聚合物流体装置包括流体循环通道。
27.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，空气、水和液体中的至少一种流过所述流体循环通道。
28.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述光源包括脉冲式光源。
29.根据权利要求28所述的系统，其特征在于，所述系统包括检测器，所述检测器能够操作以在所述脉冲式光源的关闭周期期间检测指示核酸修饰的信号。
30.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述第一光吸收材料包括一个或多个开口区域。
31.一种系统，包括：
样品制备模块，其包括多个隔室和盒；和
微流体PCR装置，其包括光子PCR孔。
32.根据权利要求31所述的系统，其特征在于，所述样品制备模块包括位于隔室中的一个或多个过滤器。
33.根据权利要求32所述的系统，其特征在于，所述一个或多个过滤器包括第一过滤器和第二过滤器，其中，所述第一过滤器和所述第二过滤器具有不同的孔径。
34.根据权利要求33所述的系统，其特征在于，
所述第一过滤器被配置以从样品中去除大碎片、晶体和/或大细胞；以及
所述第二过滤器被配置以基于细胞的大小来截留目的细胞。
35.根据权利要求33所述的系统，其特征在于，所述第二过滤器包含光吸收材料层。
36.根据权利要求35所述的系统，其特征在于，所述光吸收材料层设置在位于所述第二过滤器下方的隔室中。
37.根据权利要求31所述的系统，其特征在于，所述隔室包括包含放置在所述隔室周围的电极，以通过施加电压来改变溶液的pH。
38.根据权利要求31所述的系统，其特征在于，所述系统还包括废物隔室，所述废物隔室包含用于防止流体回流的吸收性多孔纸、织物和海绵中的至少一种。
39.根据权利要求31所述的系统，其特征在于，所述微流体PCR装置包括用于检测一种或多种靶核酸的引物和探针组。
40.根据权利要求31所述的系统，其特征在于，所述系统包括光吸收材料，所述光吸收材料包括一个或多个开口区域。
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