CN114375323A - 加热器 - Google Patents

Abstract

用于进行PCR扩增的热循环的加热器。所述加热器包括：具有用于将热量传递到反应单元的反应表面的热扩散层；具有用于冷却的后表面的加热器轨道支撑层；支撑在所述加热器轨道支撑层与所述热扩散层之间的导电主加热器轨道；以及到所述主加热器轨道的四端电触点，适于提供用于驱动所述主加热器轨道并同时感测所述主加热器轨道的电阻的电连接。所述反应表面的横向尺寸大于所述加热器的厚度H，使得所述反应表面面积A>H²。

Description

加热器

本发明涉及用于在加热器的反应表面上提供可变温度的加热器。

需要这种加热器的一个示例性方法是通过聚合酶链反应(PCR)进行DNA扩增，其中加热器提供快速热循环以减少完成PCR的时间。

现有技术的加热器由被电绝缘衬底支撑的导电迹线制造。现有技术的加热器使用感测加热器温度的单独的温度传感器以及调制对加热器的电驱动的控制算法和电子驱动电路来控制。

为了提供快速的热响应，加热器必须具有低热容，并且加热器必须与反应表面紧密热接触。特别地，从加热器元件到反应表面的热扩散时间必须小于所需的温度变化响应时间，因此加热器和反应表面只能由薄层分开。

当试图实现快速响应、精确温度控制和均匀温度分布时，传统的加热器和温度控制系统具有几个缺点。

例如，使用与加热器分离的温度传感器在加热器控制回路中引入延迟，这可能降低响应速度或引入温度超调。

另外，由靠近反应表面定位的空间分离的电阻加热轨道内产生的热量产生了加热器轨道正上方的较热区域和加热器轨道之间的间隙上方的较冷区域，这导致了温度不均匀性。反应表面上的温度不均匀性是不希望的，因为它可能降低PCR扩增的效率和特异性。因此，本发明的目的在于增加温度均匀性，并且对改善的温度均匀性和增加的温度均匀性的提及是等同的。

通过使用更窄的轨道和间隙可以降低反应表面处的温度不均匀性，但这使得使用标准印刷电路板技术的制造复杂化。通过增加加热器轨道与反应表面之间的距离也可以降低反应表面处的温度不均匀性，但这增加了从加热器到反应表面的热扩散时间，并且减慢了加热器响应。

边缘效应也引起温度不均匀性，其中加热器的温度由于横向热流而在边缘处降低。在现有技术中，通过设计在加热器边缘附近具有增加的热量输出的加热器轨道模式，例如通过减小这些区域中的加热器元件的轨道和间隙宽度，减小边缘效应。然而，这种方法需要针对特定的操作温度和反应表面几何形状以及热负荷而仔细地设计，并且如果加热器轨道和间隙宽度已经接近标准制造工艺的实际最小值，则可能难以实现。还希望使加热器中心区域中的加热器轨道和间隙宽度最小化来使温度不均匀性最小化，因此难以进一步减小加热器边缘附近的加热器轨道和间隙宽度。

为了允许在加热器功率降低时快速冷却，加热器可以通过受控的热阻连接到散热器。然而，加热器温度均匀性将取决于加热器与散热器之间的热接触的均匀性。特别地，加热器与散热器之间的任何气隙都可以引入相当大的热阻和温度不均匀性。

鉴于上述问题和目的，本发明提供了用于热循环以进行PCR扩增的加热器。所述加热器包括：具有用于将热量传递到反应单元的反应表面的热扩散层；具有用于冷却的后表面的加热器轨道支撑层；支撑在所述加热器轨道支撑层与所述热扩散层之间的导电主加热器轨道；以及到所述主加热器轨道的四端电触点，适于提供用于驱动所述主加热器轨道并同时感测所述主加热器轨道的电阻的电连接。所述反应表面的横向尺寸大于所述加热器的厚度H，使得所述反应表面面积A＞H²。

优选地，主加热器轨道包括中心区域，所述中心区域包括多个基本上平行的轨道部分，所述轨道部分具有宽度W_track并由宽度W_gap的间隙分开，其中所述热扩散层的厚度H_D小于所述轨道部分的最小宽度W_track或小于最小间隙宽度W_gap，其中W_track或W_gap在所述主加热器轨道的所述中心区域中评估。这意味着可以使用PCB制造技术来制造所述主加热器轨道。这还意味着所述加热器对于需要快速温度变化的许多应用而言足够薄。

优选地，所述主加热器轨道的边缘附近的轨道部分的所述间隙宽度W_gap和/或所述轨道部分宽度W_track低于所述主加热器轨道的所述中心区域中的轨道部分的所述间隙宽度W_gap和/或所述轨道部分宽度W_track。这增加了所述主加热器轨道的中心区域的温度均匀性。

优选地，所述加热器还包括：在所述加热器轨道支撑层与所述热扩散层之间的保护加热器轨道，所述保护加热器轨道基本上包围所述主加热器轨道；以及独立于到所述主加热器轨道的四端电触点的到所述保护加热器轨道的两个另外的电触点。这抑制了横向热流并增加了所述主加热器轨道平面内的温度均匀性。

优选地，所述加热器轨道支撑层的热阻×面积的乘积为1×10^-4至1×10^-2K.m²/W，并且更优选为3×10^-4至3×10^-3K.m²/W。

优选地，所述加热器还包括：与所述热扩散层或所述加热器轨道支撑层中的一个接触定位或位于其中的反应表面均热器层。这改善了所述反应表面处的温度均匀性。

优选地，与所述热扩散层或所述加热器轨道支撑层中的一个相比，所述反应表面均热器层具有更高的热导率，具有更大的横向热导率，并且具有更低的热容。

优选地，所述反应表面均热器层位于所述加热器轨道支撑层内与所述主加热器轨道距离L_s处，其中L_s小于在所述中心区域中评估的所述加热器轨道宽度W_track和所述加热器间隙宽度W_gap的最小值的20％。这进一步改善了所述反应表面处的温度均匀性。

优选地，后表面均热器层位于所述后表面上。除了改善所述反应表面处的温度均匀性之外，这还改善了与邻近所述后表面的任何散热器的热接触。

优选地，所述加热器还包括与所述后表面接触的散热器。这具有当所述加热器未被驱动时降低所述加热器的温度的效果。

在另一方面，本发明提供了一次性使用的消耗品，其包括加热器和设置成与所述反应表面接触的反应单元。

在另一方面，本发明提供操作加热器或可变温度反应器的方法，所述方法包括驱动所述主加热器轨道，同时感测所述主加热器轨道的电阻，并基于所述感测到的电阻计算所述主加热器轨道的温度。

优选地，所述方法包括根据所述主加热器轨道的温度设定点的顺序进行所述主加热器轨道的基于反馈的驱动，以循环所述反应表面的温度以进行PCR扩增。

优选地，所述方法还包括驱动所述保护加热器轨道以提供比所述主加热器轨道更高的每单位面积的热量输出。

优选地，如前所述的加热器或一次性使用的消耗品还包括被配置成执行如前所述的方法的控制电路。

现在将参考附图描述本发明的实例，在附图中：

图1示出了包括加热器和散热器的本发明的实施方案的示意性横截面视图；

图2示出了实施方案的加热器中的加热器轨道和电连接的示意性布局的两个实例；

图3示意性地例示出可用于驱动加热器轨道的电子电路；

图4A和图4B示出了根据本发明的实施方案的保护加热器的模拟温度分布，以及与没有保护加热器的温度分布的比较；

图5示出了实施方案的加热器的另一个示意性横截面视图；

图6A和图6B示出了根据本发明的实施方案的具有不同厚度和两个不同位置的均热器的模拟温度分布；图6C和图6D示出了具有相对于加热器轨道不同位置的均热器的模拟温度分布；

图7A和图7B示出了根据本发明的实施方案的具有和不具有后表面均热器的模拟温度分布；

图8示出了根据本发明的实施方案的加热器的PCR热循环期间加热器轨道温度和反应表面温度的变化；

图9示出了根据本发明的加热器100中的电阻加热轨道的可选示意性布局；

图10示出了在热循环中包括保持步骤时的热阻的示例性范围。

以下我们描述了适于进行PCR扩增的热循环的示例性加热器。希望以足够快的速度进行热循环，使得温度变化所需的时间不会占热循环的总时间的大部分。热循环的总时间是温度变化的时间和反应的时间的总和，并且PCR反应的最慢部分是扩展阶段，对于100个碱基对的典型序列长度需要约1秒或更长。因此，我们的目标是温度斜升的时间＜1s。PCR的目标温度通常为60℃至95℃，因此我们需要70℃/s或更高的温度斜升速率用于加热和冷却，以将温度变化时间减少至1秒。高得多的温度斜升速率(200℃/s或更高)提供了有限的速度优势，因为所需的总时间将由反应时间占主导，而不是温度变化所需的时间。

在以下描述的一个实施方案中，用于进行快速热循环的加热器具有约100℃/s的温度斜升速率，而没有常规加热器和温度控制系统的缺点。

例如，加热器可以与反应单元一起布置在一次性使用的消耗品中。一次性使用的消耗品可以被供应必要的试剂和功率以进行单次反应测试，然后弃置。

加热器包含以下元件：被配置为使得能够经由加热器轨道的温度相关电阻同时进行加热和温度感测的主加热器轨道；基本上围绕主加热器轨道的保护加热器轨道；位于加热器轨道与反应表面之间的热扩散层；以及位于加热器轨道与加热器的后表面之间的加热器支撑层。加热器还可以设置有与后表面热接触的散热器，以允许在加热器驱动功率降低时快速冷却加热器。

图1示出了包括加热器100和散热器200的本发明的实施方案的示意性横截面。

加热器100具有在一个面上的反应表面110和在相对面上的后表面120。反应表面110被加热器加热以提供时间可变且基本上空间均匀的温度。后表面120与散热器200热接触，以允许当未驱动加热器100时进行冷却。

在以下描述中，我们定义了垂直于反应表面的轴向方向和处于反应表面的平面内的横向方向。

加热器包括用于电阻加热反应表面的主加热器轨道130。然而，希望限制与跨反应表面的温度梯度和温度不均匀性相关的横向热流，这降低了温度控制的精度。

为了限制主加热器轨道区域内的横向热流，主加热器轨道130基本上被保护加热器轨道140包围。保护加热器轨道是位于主加热器轨道边缘附近并被驱动以保持温度接近或高于主加热器轨道的目标温度的附加加热器轨道。保护加热器轨道的每单位面积的热量输出高于主加热器轨道的每单位面积的热量输出，以补偿横向热损失。保护加热器轨道可以独立于主加热器进行驱动。主加热器轨道130和保护加热器轨道140可以例如由诸如铜的金属形成。

主加热器轨道130和保护加热器轨道140位于加热器轨道支撑层150与热扩散层160之间。例如，加热器轨道支撑层150可以包括由FR4或聚酰亚胺或其它电绝缘支撑材料构成的印刷电路。

反应表面均热器层170，180位于加热器轨道支撑层150和热扩散层160中的每一个之内或与其接触。反应表面均热器层170，180是具有比热扩散层或加热器轨道支撑层更高的热导率的材料的层。反应表面均热器层的功能是增加反应表面110上的温度均匀性。每个反应表面均热器层具有厚度H_S、热导率k_S、密度ρ_s和比热容C_s，而加热器轨道支撑层150和热扩散层160分别具有各自的厚度H_B，H_D，热导率k_B，k_D、密度ρ_B，ρ_D和比热容C_B，C_D。为了在保持快速温度响应的同时增加温度均匀性，反应表面均热器层必须具有比加热器轨道支撑层150/热扩散层160更大的横向热导率和/或更低的热容量。为了使均热器层具有比热扩散层更大的横向热导率，H_Sk_S＞H_Dk_D。为了使均热器层具有比热扩散层更低的热容量，H_Sρ_SC_s＜H_Dρ_DC_D。对于加热器支撑层，这些条件分别被H_Sk_S＞H_Bk_B和H_Sρ_SC_S＜H_Bρ_BC_B代替。

每个反应表面均热器层170，180位于主加热器轨道130附近。在该具体实例中，热扩散层160中的反应表面均热器层170设置在距主加热器轨道的上表面10μm的距离处，并且加热器轨道支撑层150中的反应表面均热器层180设置在距主加热器轨道的下表面5μm的距离处。

后表面120也设置有后表面均热器190以增加反应表面110上的温度均匀性。

散热器200可以采用任何形式，包括图1中所示的实心块和图7中所示且以下所述的单个柱。当不能保证加热器轨道支撑层与散热器之间的热接触是均匀的时，后表面均热器190是特别有用的。

为了实现与主加热器轨道的良好热接触，主加热器轨道与后表面均热器或散热器之间的热阻×面积的乘积应优选为1×10^-4至1×10^-2K.m²/W，更优选为3×10^-4至3×10^{- 3}K.m²/W。

加热器和散热器(如果使用的话)可以具有平面或弯曲的形式。可以优选平面形式，以便于构造和光学监测待使用加热器的反应。然而，诸如部分球形或圆柱形的其它形式也是可行的，并且这些形式在允许张紧的柔性反应单元与加热器层彼此之间以及与通常为刚性金属部件的散热器之间实现良好的热接触方面具有益处。

图2示出了加热器100中的电阻加热轨道和电连接的示意性布局的两个实例，包括主加热器轨道130、保护加热器轨道140和与这些加热器轨道的电连接。

如图2(i)和图2(ii)中所示，这些实施方案的主加热器轨道130具有蛇形构造。替代地，主加热器轨道130可以包括多个并联定位且电联接的轨道部分。类似地，如图2(i)和图2(ii)中所示，这些实施方案的保护加热器轨道140具有蛇形构造。如图2的实例可以看出，在一些实施方案中，保护加热器轨道140不完全包围主加热器轨道130，而是基本上包围主加热器轨道130至实现限制主加热器轨道区域内的横向热流的效果所需的程度。在许多实施方案中，该要求对应于包围主加热器轨道130的超过50％的周长的保护加热器轨道140。

图2(i)示出了在主加热器轨道130中具有均匀的轨道和间隙宽度的加热器，而图2(ii)示出了在中心区域131中具有较大的轨道和间隙宽度以及在加热器的边缘133附近具有较小的加热器轨道和间隙宽度的主加热器轨道130。边缘区域133提供每单位面积增加的热量输出，并且还含有平行于加热器的边缘而定向的轨道，以便减小垂直于加热器的边缘的方向上的热导率，从而减小横向热流并增加中心区域131中的温度均匀性。

空间上分开的温度传感器可能在主加热器轨道处的温度变化与温度传感器处的温度变化之间引起时间滞后。这种时间滞后可能引起诸如加热器元件温度的超调或振荡的问题。为了避免这些问题，主加热器轨道被配置为温度传感器，其中加热器元件的电阻被用于确定其温度。金属加热器元件通常会具有正的电阻温度系数，而金属氧化物或半导体加热器元件会具有负的温度系数。期望加热器元件的电阻温度系数(TCR)的大小是大的，优选大于500ppm/K，更优选大于2，500ppm/K。

主加热器轨道130具有4线连接，包括电驱动正和负连接132和134，以及电压感测V_sense正和负连接136和138。使用诸如图3中所示的电路，可以使用V_sense的测量来精确地监测轨道电阻。结合主加热器轨道130的已知的电阻温度系数TCR或期望的温度设定点，V_sense可以用于进行主加热器轨道130的温度感测。使用具有单独触点的4线连接来驱动主加热器轨道并感测跨主加热器轨道的电压，而不是使用传统的2线连接来驱动和感测，具有消除由于经其向主加热器轨道提供电流的连接的内部电阻而引起的任何电压降的优点。

保护加热器轨道140具有独立于主加热器轨道130驱动的正和负连接142和144。

图3示意性地例示出由电源连接V_pos和V_neg驱动的电子电路，其可以用于驱动主加热器轨道，同时感测主加热器轨道的电阻，并且基于感测到的电阻计算主加热器轨道的温度。这种控制电路可以包括在加热器100中，或者可以在加热器使用时被连接。参考图3，电流经由正驱动连接132和负驱动连接134流过加热器轨道130。加热器轨道设置有4线触点，以允许使用正电压感测触点136和负电压感测触点138以及电压测量电路310来测量跨加热器轨道的电压V_sense。使用具有已知电阻R_isense的电流感测电阻器320和用于测量跨电流感测电阻器的电压V_isense的电压测量电路330来测量流过加热器轨道130的电流。通过加热器的电流计算如下：I_heater＝V_isense/R_isense。然后，加热器轨道130的电阻计算为R_heater＝V_sense/I_heater。然后可以根据温度设定点的顺序执行主加热器轨道的基于反馈的驱动。通过确定对应于期望的温度设定点的R_heater的设定点值并控制加热器驱动以满足加热器电阻设定点值来实现温度控制。替代地，可以基于已知的电阻温度系数TCR跨温度范围连续地进行温度控制。开关340(可以是晶体管)被打开以测量加热器电阻，然后根据R_heater是高于还是低于当前所需的设定点电阻而被关闭或保持打开预定的时间间隔。替代地，开关340可以用脉宽调制波形驱动，选择占空比来用所需的功率驱动加热器。在这两种方法中，开关340用于调制对主加热器轨道的电驱动，以循环反应表面的温度以进行PCR扩增。

保护加热器轨道可以经由温度设定点等于或大于主加热器轨道的温度设定点的闭环控制来操作，或者保护加热器轨道可以经由与主加热器元件相同的控制器或开/关定时序、但经由不同的驱动电压来操作，可以调节驱动电压以优化特定温度设定点的温度均匀性。

回顾图2，模拟沿该示例性构造的纵向和横向的截面A和B，以确定如图4A和图4B中所示的温度分布。这些模拟的结果说明通过使用保护加热器获得了增加的温度均匀性。

转至图4A和图4B，从矩形加热器区域的中心到纵向(A)和横向(B)上的边缘获得反应表面上的温度分布的模拟结果。在每个图中，在纵轴上示出了温度，并且在横轴上示出了从中心沿纵向/横向的位置。示出了没有保护加热器(实线)和具有保护加热器(虚线)的温度分布，当使用保护加热器时示出了更均匀的温度分布。主加热器和保护加热器的位置在图4A和图4B中的每一个上标明。

图5示出了通过加热器100和散热器200的另一个示意性横截面。如图5中所示，主加热器轨道130包括由宽度W_gap的间隙隔开的多个基本上平行的具有宽度W_track的轨道部分。轨道部分不需要精确地平行，只要可以限定出间隙宽度W_gap即可。由于轨道和间隙的有限宽度，主加热器轨道130的热量输出是不均匀的。需要使热扩散层的厚度H_D小以实现快速的温度变化，加剧了这种情况。在该实施方案中，热扩散层的厚度H_D小于轨道部分的最小宽度W_track或小于最小间隙宽度W_gap。较窄的轨道和间隙宽度将增加反应表面处的温度均匀性，但这受到典型设计规则的限制，例如PCB制造技术的要求。

图5还显示了模拟加热器和散热器的模拟区域C。图6A、图6B、图6C和图6D示出了在模拟区域C内沿反应表面的温度的模拟结果。该模拟假设具有铜轨道的加热器，其中W_track和W_gap恒定为75μm，并且进一步假设加热器轨道支撑层150由FR4制成并且热扩散层160由聚丙烯制成。示出了对于两种情况的增加均热器层厚度的效果，其中，在每个图中，在纵轴上示出了反应表面上的温度，并且在横轴上示出了在模拟区域C内从加热器轨道部分的中心开始沿反应表面的位置。图6A示出了模拟的结果，其中由铝制成的反应表面均热器层170位于热扩散层内，在加热器轨道与反应表面110之间，距加热器轨道10μm的距离处，并且省略了反应表面均热器层180(配置A)。图6B示出了模拟的结果，其中由铝制成的反应表面均热器层180位于加热器轨道支撑层内，在加热器轨道与加热器的后表面120之间，距加热器轨道5μm的距离处，并且省略了反应表面均热器层170(配置B)。在两种情况下，均热器层均增加了温度均匀性，更厚的均热器层更有效，并且配置A比配置B更有效。

图6C和图6D示出了模拟结果，其中反应表面均热器层170的位置是变化的。在图6C中，反应表面均热器位于热扩散层中，并且图6C中的图的图例中所示的距离示出了加热器轨道的上表面和均热器层的分离。在图6D中，均热器位于加热器支撑层中，并且图6D中的图的图例中所示的距离示出了加热器轨道的下表面和均热器层的分离。在这两种情况下，均热器均由铝制成并具有100nm的厚度。当均热器位于热扩散层内时，反应表面均热器位置对温度均匀性影响很小(图6C)。然而，当反应表面均热器位于加热器支撑层中时，反应表面均热器优选地位于加热器的15μm内，以提供温度均匀性的显著改善(图6D)。该距离与轨道和间隙宽度成比例，并且对应于在中心区域中评估的最小轨道和间隙宽度的20％。

在图1中，加热器100包括后表面均热器190。尽管在本发明的所有实施方案中均不需要该特征，但后表面均热器190具有进一步改善反应表面110处的温度均匀性的优点，如使用模拟所证明的。图7A和图7B示出了比较没有(图7A)和具有(图7B)后表面均热器190的加热器的模拟结果。在每个图中，上图示出了在模拟加热器上40℃至60℃的温度等值线。模拟加热器包括如虚线所示的加热器轨道，其中较短的虚线表示主加热器轨道130并且较长的虚线表示保护加热器轨道140。在加热器轨道上方，反应单元710被具有反应表面110的热扩散层160包围，从而可以根据反应表面的温度来控制反应单元的内容物的温度。另外，在每个图中，下图示出了沿反应表面的温度分布(实线，图例中的“A”)，在切穿加热器轨道的平面中的温度分布(图例中的“B”)和在加热器的后表面上的温度分布(图例中的“C”)。图7B的模拟假设后表面均热器由12μm厚的铜层构成。在两种模拟中，具有非均匀热接触的散热器200由一组三个铝柱表示，宽度为0.5mm，高度为1.0mm。示出了在位置x＝0处具有对称平面的2D半模型的几何形状和结果。在两种情况下，加热器设定点温度均为60℃。

图8示出了具有后表面均热器的上述加热器的瞬态响应的模拟，其使用58℃、73℃和98℃的温度设定点以4s循环时间进行热循环。主加热器轨道的温度显示于迹线A(虚线)，而反应表面中心处的温度显示于迹线B(实线)。

作为实例，根据本发明的加热器可以用于向反应提供热量。在这样使用时，加热器的反应表面与具有容纳样品的反应体积的反应单元接触定位。为了加热反应表面，接通加热器元件，并且由加热器元件产生的热量流经反应表面进入反应体积。如果需要快速冷却，加热器可以在其后表面接触散热器，从而当加热器元件关闭时，热量从反应表面流经加热器并进入散热器。

当加热器用于热循环，例如用于驱动PCR反应时，与目标循环时间相比，加热器与样品之间的热扩散时间小，是有利的。通常，材料样品的热扩散时间t由下式给出：

t＝L²/D，

其中L是材料样品的特征长度标度并且D是材料的热扩散率。以下表1显示了根据本发明的加热器的材料的示例性选择，其中热扩散层的热扩散时间小于PCR的反应时间，对于100个碱基对DNA序列的扩增，我们花费约1秒。

另外，可以优化加热器轨道支撑层的热阻R_T，以使针对给定温度分布以及散热器温度T_Sink和加热器功率p_Heat的热循环时间最小化。当加热时间等于冷却时间时，使T_LOW与T_HIGH之间的热循环所需的时间最小化，并且当R_T＝R_T，Opt时满足该条件，如下：

R_T，Opt＝(T_HIGH+T_LOW-2T_Sink)/p_Heat。

表2(以下)示出了加热器功率、最佳热阻和热循环时间的示例值。示出了反应表面的面积为50mm²，并且热容为0.04J/K，在60℃与95℃之间循环，散热器温度为30℃的情况下的各值。

表3(以下)示出了其中热循环包括在72℃持续时间为1s的保持步骤的情况下的加热器功率、最佳热阻和热循环时间的示例值。示出了反应表面的面积为50mm²，并且热容为0.04J/K，在60℃与95℃之间循环，散热器温度为30℃的情况下的各值。

图9示出了根据本发明的加热器100中的电阻加热轨道的可选示意性布局。在该实施方案中，两个主加热器轨道130彼此相邻布置，以便加热反应表面110的独立的各个区域。主加热器轨道均被保护加热器轨道140包围和分开。

图9的实施方案例示出根据本发明的加热器怎样可以为反应表面的多个独立的温度控制区域中的每一个设置主加热器轨道。保护加热器轨道140抑制横向热流，由此增加了反应表面的各个独立区域中可以被温度控制的精确度。

如图9中所示，保护加热器轨道140具有三个连接142，144和146，使得每单位面积的电流和热量输出可以在两个主加热器轨道130之间和周围均不同。替代地，每个主加热器轨道130可以设置有具有两个连接的单独的保护加热器轨道140。

图10示出了当在用于控制如本文所述的加热器或可变温度反应器的热循环中包括保持步骤时热阻1001的示例性优选范围。PCR循环由熔化、退火和扩展步骤组成，并且扩展通常是反应最耗时的部分且可能需要保持步骤。在该实例中，包括在72℃持续时间为1秒的保持步骤，以允许在PCR反应中足够的时间进行扩展。扩展所需的时间可以根据聚合酶的速度和扩增的DNA序列的长度而变化。1s的保持步骤可适于以100个至150个碱基对的长度快速扩增DNA序列，该长度通常用于基于核酸的诊断测试，而更长的序列通常需要更长的扩展时间。保持步骤持续时间将最优地足够长以允许扩展，但不太长，否则它将不期望地主导并延长总循环时间。本领域技术人员应容易看到，可以对保持步骤持续时间进行调整(在以上实例中例举为1s)，而对整个操作没有显著的影响。

图10中的图例示出允许低的热循环时间(实线)和低的每循环能量消耗(虚线)的热阻值的优选范围(在对数标度上示出)：当热阻大于最大优选值1003时，包括保持步骤的最小热循环时间t_cycle1004变得不希望地大(＞5s)，而当热阻低于最小优选值1002时，每循环能量消耗E_cycle1005变得不希望地大(＞10J)。总而言之，对于快速热循环(t_cycle＜5s)以及低的每循环能量消耗(E_cycle＜10J，对于A_cell＝5×10^-5m²)，优选热阻×单元面积的乘积R_T，Opt×A_cell为3×10^-3至3×10^-2K.m²/W。

在上述实施方案中，加热器设置在具有散热器的组件中。然而，本发明也可应用于需要均匀加热但不需要散热器的情况。例如，对于冷却时间不太重要的应用，可以省略散热器。

在上述实施方案中，加热器设置有保护加热器轨道140。然而，除了或代替提供保护加热器轨道140，主加热器轨道130可以被设计成在其边缘附近具有更高的热量输出并且扩展超过反应体积。通过与主加热器轨道中心处的加热器轨道部分相比，减小主加热器轨道边缘附近的两个或更多个加热器轨道部分之间的间隙宽度，可以增加加热器轨道的密度，从而实现这种更高的热量输出效果。另外地或替代地，通过与主加热器轨道中心处的加热器轨道部分相比，减小主加热器轨道边缘附近的一个或多个加热器轨道部分的宽度或高度，可以增加主加热器轨道的电阻，从而实现这种效果。加热器元件的边缘附近的更高的热量输出可以补偿横向热流，并且跨反应体积提供更均匀的温度条件。此外，在加热器具有显著扩展超过所需反应体积的反应表面的情况下，可以省略保护加热器轨道和主加热器轨道边缘附近的改进。

此外，在以上描述中，对包括和省略每个均热器之间的比较进行评估。因此，阅读者应理解，尽管优选地包括均热器170、180和190，但在本发明的实施方案中可以省略均热器170、180和190中的每一个。

Claims (15)

1.用于进行PCR扩增的热循环的加热器，所述加热器包括：

具有用于将热量传递到反应单元的反应表面的热扩散层；

具有用于冷却的后表面的加热器轨道支撑层；

支撑在所述加热器轨道支撑层与所述热扩散层之间的导电主加热器轨道；以及

到所述主加热器轨道的四端电触点，其适于提供用于驱动所述主加热器轨道并同时感测所述主加热器轨道的电阻的电连接，

其中所述反应表面的横向尺寸大于所述加热器的厚度H，使得所述反应表面面积A>H²。

2.根据权利要求1所述的加热器，其中所述主加热器轨道包括中心区域，所述中心区域包括多个基本上平行的轨道部分，所述轨道部分具有宽度W_track并由宽度W_gap的间隙分开，其中所述热扩散层的厚度H_D小于所述轨道部分的最小宽度W_track或小于最小间隙宽度W_gap，其中W_track或W_gap在所述主加热器轨道的所述中心区域中评估。

3.根据权利要求2所述的加热器，其中所述主加热器轨道的边缘附近的轨道部分的间隙宽度W_gap和/或轨道部分宽度W_track低于所述主加热器轨道的所述中心区域中的轨道部分的间隙宽度W_gap和/或轨道部分宽度W_track。

4.根据前述权利要求中任一项所述的加热器，还包括：

在所述加热器轨道支撑层与所述热扩散层之间的保护加热器轨道，所述保护加热器轨道基本上包围所述主加热器轨道；以及

独立于到所述主加热器轨道的四端电触点的到所述保护加热器轨道的两个另外的电触点。

5.根据前述权利要求中任一项所述的加热器，其中所述加热器轨道支撑层的热阻×面积的乘积为1×10^-4至1×10^-2K.m²/W，并且更优选为3×10^-4至3×10^-3K.m²/W。

6.根据前述权利要求中任一项所述的加热器，还包括与所述热扩散层或所述加热器轨道支撑层中的一个接触定位或位于其中的反应表面均热器层。

7.根据权利要求6所述的加热器，其中与所述热扩散层或所述加热器轨道支撑层中的一个相比，所述反应表面均热器层具有更高的热导率，具有更大的横向热导率，并且具有更低的热容。

8.根据权利要求2或3以及根据权利要求6或7所述的加热器，其中所述反应表面均热器层位于所述加热器轨道支撑层内与所述主加热器轨道的距离L_s处，其中L_s小于在所述中心区域中评估的所述加热器轨道宽度W_track和所述加热器间隙宽度W_gap的最小值的20％。

9.根据前述权利要求中任一项所述的加热器，其中后表面均热器层位于所述后表面上。

10.根据前述权利要求中任一项所述的加热器，还包括与所述后表面接触的散热器。

11.一次性使用的消耗品，包括前述权利要求中任一项所述的加热器和布置成与所述反应表面接触的反应单元。

12.操作前述权利要求中任一项所述的加热器或可变温度反应器的方法，包括驱动所述主加热器轨道，同时感测所述主加热器轨道的电阻，并基于所述感测到的电阻计算所述主加热器轨道的温度。

13.根据权利要求12所述的方法，包括根据所述主加热器轨道的温度设定点的顺序进行所述主加热器轨道的基于反馈的驱动，以循环所述反应表面的温度以进行PCR扩增。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述加热器是权利要求4所述的加热器，并且所述方法还包括驱动所述保护加热器轨道以提供比所述主加热器轨道更高的每单位面积的热量输出。

15.根据权利要求1至11中任一项所述的加热器或一次性使用的消耗品，还包括控制电路，所述控制电路被配置成执行权利要求12至14中任一项所述的方法。

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