CN116194216A - 样本承载器和回转装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明的设计并用在基于回转的用于扩增或检测DNA的方法中的样本承载器(1)具有盘状的主体(2)和多个形成在主体(2)中的孔腔(4,6,8)，在该孔腔中在按规定的方法步骤(S1,...,S4)中容纳至少潜在含有DNA的样本液。主体(2)的一盘面侧形成热输入侧(39)，与之背对的平面侧形成热输出侧。孔腔(6)或者或许有的多个孔腔(4,6,8)之一通过具有第一通道部和第二通道部(50,52)的环形通道构成，第一和第二通道部在两个纵向端头分别借助连通部(54)流通相连。第一通道部(50)在主体(2)的厚度方向上相对于第二通道部(52)错开布置。

Description

样本承载器和回转装置

技术领域

本发明涉及一种用在DNA扩增方法中的样本承载器以及一种回转装置，该回转装置也设计成用于用在这种方法中。本发明还分别涉及这种样本承载器和这种回转装置在DNA扩增方法中的用途。

背景技术

DNA(脱氧核糖核酸)通常除了科学遗传分析、父亲身份测试等外还被分析以对当前疾病进行研究或被探测以证明病原体。当前，这因为SARS-CoV-2传播和探测所需的试验也是相对已知的。为了分析(或探测)，在此必须从样本例如涂片、血样等扩增其所含DNA(可选还有RNA)的特定片段。在证明或分析样本中的RNA(例如为了证明病毒)的情况下，它首先通过所谓“逆转录”在DNA中被改写并且随后被扩增。

为了DNA扩增，通常采用在液态反应配料中的所谓聚合酶链式反应(缩写PCR)。DNA一般以双螺旋结构形式存在，其由两个互补的DNA单链构成。在PCR中，DNA首先通过液态配料的一般在90至96摄氏度之间的更高温度被解离成两条单链(变性阶段)。

接着又降低温度(退火阶段，一般在50至70摄氏度范围内)以实现所谓引物分子特异附着到单链。引物分子是互补的短DNA链，其在规定位点结合至DNA的单链。引物作为酶、即所谓聚合酶的起点，所述酶在所谓延伸阶段中与当前单链DNA序列互补地补足DNA骨架(dNTP)。在此从引物分子起又出现双链DNA。延伸一般在与退火阶段一样的温度下或在65至75摄氏度的略微升高温度下执行。在延伸之后，温度又针对下一变性阶段被升高。引物分子以及上述骨架也存在于反应配料中。通常，它们包含在接收样本的初始混合物中。

液态反应配料内的温度在两个到三个温度范围之间的前述循环被称为PCR热循环并且一般重复30到50轮。在每轮周期中，特定DNA片段被扩增。一般，液态反应配料的热循环在反应容器中通过控制外界温度来实现。反应容器在此例如位于换热块中，在换热块中PCR热循环通过加热和冷却与反应容器热接触的固体来实现。就这样供应或排走来自反应配料液体的热。替代用于实现PCR热循环的加热和冷却概念是环绕反应容器流动的流体(尤其是空气和水)的温度控制的概念，以及例如通过由IR辐射或激光射线输入热的基于辐射的概念。

在常见的聚合酶链式反应中，工作过程时间位于一般为45分钟至3小时的范围内，因而比较费时。

发明内容

本发明基于的任务是，加速聚合酶链式反应、尤其是整个分析过程。

根据本发明，该任务通过一种具有权利要求1的特征的样本承载器完成。另外，该任务通过一种具有权利要求9的特征的回转装置完成。另外，该任务根据本发明通过具有权利要求15的特征的用途以及具有权利要求16的特征的用途完成。在从属权利要求和以下说明书中表明了有利的且本身部分有创意的实施方式和改进方案。

根据本发明的样本承载器(容器)和根据本发明的回转装置优选共同、但或者也彼此无关地(即样本承载器与回转装置无关或反之)应用在用于DNA扩增或DNA证明(探测)的方法中。根据方法，在此优选首先用样本液填充一个(或本发明的)样本承载器、具体说是样本承载器的至少一个孔腔，样本液优选或者(例如在病原体研究情况下)至少潜在含有DNA。接着借助一个(或本发明的)回转装置使样本承载器绕旋转轴线回转。优选该样本承载器的孔腔在此借助加热装置在位于(即尤其平行于)回转平面内的热输入侧被加热到高温值。优选地，不进行在与热输入侧相对的一侧的加热。所述加热造成在孔腔内产生样本液对流。优选地，对流在此基本上呈环状产生，其中第一流动部分尤其是大致平行于热输入侧延伸，第二流动部分从热输入侧延伸到对置的热输出侧(也是冷侧)，第三流动部分平行于热输出侧延伸，第四流动部分又(从热输出侧)延伸回到热输入侧。由此，样本液优选被引导经过变性区(它尤其是具有高温值)、所谓的退火区(也是引物杂化区)和延伸区并回到变性区。样本液的液体微粒的沿对流流动路径的循环时间在此情况下尤其借助回转的转数来设定(尤其是控制)。

尤其是，液体微粒的循环时间也还受到其它参数的影响，例如像孔腔的几何形状、样本液黏度、样本液密度、调设出的温度梯度等。

因为孔腔的前述单侧加热，换言之，表现出优选垂直于作用于孔腔内样本液的主要力、尤其是源自回转的离心力的温度梯度(因此在从热输入侧到热输出侧的递减方向上取向)。

尤其是通过前述垂直于回转平面取向的流动份额或流动部分(即第二和第四流动部分)进行聚合酶链式反应所需的在变性区与退火区之间的流体交换。

但优选除了前述第四流动分外也还存在由离心力和/或科里奥利力造成的沿其横向流动的部分。这在此有利地导致样本液的附加混合，从而实现反应组分、即待扩增的DNA、引物分子和链骨架的尽量均匀的混合。

术语“循环时间”在此和以下尤其是指(尤其是无穷小的)液体微粒为了通过变性区、退火区(也称为引物杂化区)和延伸区流回至变性区所需要的持续时间(时间)。循环时间可以借助转数(因而是转速)被调节至在0.1-20秒范围内的时间。在对应于样本承载器反应腔的相应孔腔内，因此可以调节出在高达22mm/s数量级内的平均流速。

通过这样短的循环时间和/或如此高的流速，允许特别快速的聚合酶链式反应，从而可有利地节约处理时间。

在一个优选的方法变型中，在与热输入侧相对的热输出侧(或也称为冷侧)的相应孔腔被冷却到比在热输入侧的高温值低的温度值。由此，退火区(可选地还有包含于其中的延伸区)的温度可以有利地被调节并且尤其是防止样本液在退火区区域中逐渐变热或至少以可忽略的程度变热。

本发明的样本承载器设置成用在前述的以及还有下述的基于回转的DNA扩增方法中。样本承载器在此具有盘状主体。另外，样本承载器具有多个在主体内形成优选是微流的孔腔，在孔腔中在按规定的方法步骤中容纳有样本液，其至少潜在(尤其在关于是否存在病原体的分析的情况下如此)含有DNA(或者必要时为替代的RNA)。主体的平面侧(或盘面侧)在此优选形成热输入侧，与之(即热输入侧)背对的平面侧(或盘面侧)尤其是形成热输出侧(也称为冷侧)。该孔腔或或多个孔腔之一在此通过具有第一和第二通道部的环形通道、即优选设计成弯状或环状的通道构成。这两个通道部(即第一和第二)在此在各纵向端分别借助一个连接部(或连接通道)至少间接在流体技术上相连。此外，第一通道部在主体的厚度方向(尤其在按规定的旋转轴线的方向上)相对于第二通道部错开布置。换言之，两个通道部之一错移向热输入侧，另一个错移向冷侧。

“盘状”在此和以下尤其按照“板状”含义来理解、即尤其理解如下，相应物体具有平面延伸尺寸，它比其厚度大许多倍，优选原则上与其界定平面延伸尺寸的外形的几何形状无关。

术语“一些”在此和以下尤其是按照术语“数量”的含义来理解，因此一些元件不仅表示唯一的元件，也表示至少两个元件。

“微流”在此和以下尤其是指，至少一个孔腔具有不到0.5或甚至0.1至10-15毫米的尺寸。尤其是，至少一个尺寸例如宽度或深度位于不到0.5毫米的范围内。尤其是形成通道的腔的纵向延伸尺寸也可超出前述15毫米。

环形通道优选形成处理腔或反应腔，在其中在样本承载器按规定使用时发生聚合酶链式反应(简称PCR)。这得到呈环形通道的孔腔形状的支持，因为因此可以特别简单地如此形成对流和重力驱动流动，即，各自“液体微粒”根据以上说明依次流过这些通道部。尤其是在强烈变热的通道部内液体微粒在转动时克服离心力“上浮”，而较冷的且因此较致密的或较重的液体微粒在其它通道部中在离心力方向上“下降”。前述的第二和第四流动部分在此经过第一与第二通道部之间的连接通道。尤其是，容纳在环形通道中的全部样本液的混合和运动和进而处理得到改善。此外，通过将第一通道部和第二通道部错移向热输入侧或冷侧(即在厚度方向上)有利地实现热输入和热输出(即尤其是冷却)尤其作用于相应的(即近设的)通道部，优选只限于相应的通道部。换言之，对错移向热输入侧的通道部的冷却作用被减轻。相反情况适用于错移向冷侧的通道部。

优选地，第一通道部布置在样本承载器的热输入侧(即向着它)且第二通道部布置在冷侧(即向着它)。优选地，第一通道部在按规定使用中用于热输入至样本液，而第二通道部相应用于热输出。更优选地，第一和第二通道部也平行于(在按规定处理期间所突显的)离心力方向(即尤其是在样本承载器在按规定使用时回转所绕的旋转轴线的径向)取向。

在一个合适的实施方式中，第一通道部(在前述情况下)相对于第二(错移向冷侧布置的)通道部(至少局部)具有缩小的横截面。缩小的横截面积在此一方面导致流速增大以及进而也导致一些液体微粒在第一通道部中滞留时间的缩短。另外，可供热输入所用的表面大多较小，故可能的热输入有限。

在另一个合适的实施方式中，优选布置在热输入侧(即错位向着它)的第一通道部(作为缩小的横截面积的补充或替代)相对于尤其布置在冷侧的第二通道部(至少局部)具有在主体的盘面方向上取向的缩小通道宽度。由此，热输入的作用面与热输出的作用面相比小。由此可以使热输出与热输入协调。尤其是由此可以将冷却安排得很简单，尤其通过环境气氛。可以有利地不进行主动和进而耗能的制冷。而主动加热一般本来就是必需的。

特别是在第二通道部错移向冷侧的实施方式中，第二通道部在合适的实施例中包括冷却通道和优选在处理期间在按规定的样本液流动方向上与之相接的设计成具有比冷却通道缩小的退火通道。冷却通道在此情况下用于实现尽量快速的处理液体冷却。在退火通道内的冷却与此相比被减轻，从而在此存在尽量恒定的温度条件。可选地，冷却通道的和退火通道的横截面积是相同的和/或如此选择的，即，在退火通道情况下存在较大深度、即在主体厚度方向上的较大伸展尺寸。尤其是在第一情况下，流速也至少近似保持不变。但或者该退火通道的横截面积也相对于冷却通道被缩小，从而在这里流速增大且进而滞留时间缩短。与术语冷却通道和退火通道无关地，已经可以在冷却通道内让DNA骨架附着在自第一通道部因那里的加热而供给的经过变性的DNA链上。

在一个优选实施方式中，退火通道替代地具有与冷却通道相同的通道宽度，但与之不同地具有较大深度。由此该退火通道内的体积相比于冷却通道被增大，故有碍于较大量(具体说较大体积)的样本液的冷却，因此该冷却放缓。

在一个可选设计方案中，第一通道部也包括两个部分腔(或局部)，其被称为变性通道和阻力通道。阻力通道在此位于上游，即在按规定的流动方向上在变性通道之前(因此尤其在退火通道之后)。此外，阻力通道设计成具有比变性通道缩小的宽度、优选缩小的横截面积。在阻力通道内，由此进行样本液的加速。但尤其是阻力通道一方面影响退火通道内的流速，另一方面也影响(例如超过40％、优选超过50％)环形通道外的流阻和因此流过各自通道部的液体微粒的循环时间(至少理论上)。循环时间又影响所吸收和所散发的热量和进而在样本液内调节出的温度值。因此，阻力通道也有利地用于样本液内的各自温度值的设计技术上的“控制环节”。

或者省掉变性通道。变性尤其可以在合适的工艺运用如外部加热和/或比较低的转速下，也在此情况下尤其是仅设计成阻力通道的第一通道部中进行。

环形通道的前述实施方式(或结构化)有利地允许借助通道横截面或通道轮廓和/或借助转速设定(或控制)循环时间和一些温度值。尤其是，通道几何形状可以如此适配于借助分析仪(尤其是以下所详述的回转装置)预定的工艺参数(如加热和冷却温度值)，即，不(再)尤其通过加热时间或冷却时间设定时间限制，而是至少有20％以上由生物化学过程来设定。

在一个合适的实施方式中，第一和第二通道部除了在厚度方向上错开外还在盘面方向上相互错开。

在另一个合适的实施方式中，样本承载器具有隔热层。它在其长度的至少一部分范围朝向热输入侧垫设于通道部之下(或者视观察方向位于上侧；概括讲，隔热层因此布置在第二通道部与热输入侧之间)。由此有利地在按规定的工作中禁止热从加热腔输入到第二通道部(尤其是在厚度方向上错开的情况下更多)。可选地，隔热层在此仅配属于前述冷却通道(例如垫设)，从而防止热输入到冷却通道或至少减少至可忽略程度，并且热输出明显占优。因而在此可选情况下，热输入到随后的退火通道是允许的，从而样本液在该通道内仅还被较轻微冷却，或者温度甚至可近似(即有几摄氏度、例如等于或小于10摄氏度或5摄氏度之差)保持恒定。

在一个优选实施方式中，环形通道在经此在按规定使用时进行环形通道填充(尤其是样本液)的入口区连通至气泡阱腔。在此情况下，最好将气泡阱腔连通至环形通道的缩颈被设计成如此粗大，即允许通常出现的气泡从环形通道穿入气泡阱腔。例如至少100微米的缩颈粗细尤其在20Hz转速下足以用于气泡穿入气泡阱腔。出现气泡尤其是因为样本液变热。如果气泡留在环形通道中，则它们在具有很小的横截面的过渡处、即尤其在窄缝处导致类似于气栓塞的堵塞。在按上述方法的样本承载器规定使用中，优选如此将许多样本液填充入环形通道，使得样本液至少部分填充气泡阱腔。由此进一步使气泡流出环形通道地进入气泡阱腔变得容易，因为无需克服液-气界面。此外，气泡阱腔符合目的地在按规定的样本承载器转动时相对于环形通道径向靠内布置。由此，比样本液更轻的气泡能与回转驱赶的重力场相反地浮升，即径向向内运动。

优选各有一个气泡阱腔优选设于还在径向上延伸的第一和第二通道部。

在一个可选实施方式中，环形通道具有第三通道部，其在流体引导技术上在第一与第二通道部之间尤其在第二通道部下游接入。优选地，第三通道部(至少近似)平行于第一和第二通道部取向。因此在样本承载器的主体的厚度方向上看，第三通道部布置在第一和第二通道部之间。由此，在按规定的工作中，位于第一和第二通道部的各自(平均)温度值之温度值最好形成在第三通道部内。例如第一通道部内的目标温度值为约85-100摄氏度、尤其是95摄氏度，第二通道部内的目标温度值为50-75摄氏度、优选为约60摄氏度，第三通道部内的目标温度值(如果有)为约65-80摄氏度、优选为约72摄氏度，(例如)以便支持DNA的延伸。

在另一个可选实施方式中，样本承载器具有多个前述环形通道，每个环形通道具有不同的结构(即优选尤其与其横截面和宽度相关的尺寸)。由此得到样本液在一些区域内的不同的滞留时间，从而在样本承载器中尤其在保持不变的加热和冷却条件下在不同工艺参数(尤其是不同的温度值和/或循环时间)下能可选地用不同的生物化学来测试。

以下详述的本发明回转装置可选地是独立的且因此与前述样本承载器无关的发明。但将前述样本承载器应用在此处和以下所述的回转装置中还是很有利的。在此，本发明的回转装置设置成用在前述基于回转的方法中。回转装置为此具有分析腔以及安置在分析腔中的样本架。后者为了保持至少一个样本承载器、尤其是具有多个形成在所说(或一个)主体中的腔的前述样本承载器，其在按规定的方法步骤中容纳至少潜在含有DNA的样本液。此外，回转装置具有回转驱动装置，借此使样本架在按规定的工作中绕旋转轴线回转。此外，回转装置具有加热装置，借此在按规定的工作中将在分析腔的形成加热腔的局部区域内的气氛加热到目标加热温度，以及回转装置具有冷却装置，借此在按规定的工作中在分析腔的形成冷却腔的局部区域内的气氛调温到目标冷却温度。加热腔和冷却腔在此通过样本架至少与保持在其上的样本承载器合作地被相互流体隔断。另外，回转装置具有控制器(也称为控制装置)，其在控制技术上与该回转驱动装置和加热装置以及还有冷却装置逻辑关联并用于设定样本架的转速以及目标加热温度和目标冷却温度。

因而所述加热和冷却优选通过该加热腔或冷却腔的经过温度调节的各自气氛进行。各自气氛尤其优选是空气。由此得到特别简单的回转装置结构。

在优选设计方案中，控制器至少在核心上通过具有处理器和数据存储器的微控制器构成，由此以工作软件(固件)形式用程序技术地实现用于执行方法的功能，从而该方法或许与操作者互动地在工作软件于微控制器内运行时自动执行。但替代地，本发明范围内该控制器也可以通过不可编程的电子元件如ASIC构成，由此实现用于利用开电路技术装置执行该方法的功能。

在一个优选实施方式中，该回转装置具有壳体，壳体包围分析腔及因而是联合地包围加热腔和冷却腔。换言之，壳体未划分分析腔。相反，划分为加热腔和冷却腔通过样本架或样本承载器进行。样本架或在按规定的工作中保持在其上的样本承载器在此与壳壁、尤其是壳体的一个侧壁一起形成密封间隙。其尺寸设定为让在加热腔与冷却腔之间的气体交换的减少或甚至抑制气体交换。例如，密封间隙具有等于或优选小于1mm、尤其是等于或小于0.5mm的宽度(即样本架或样本承载器与侧壁的距离)。

在一个关于加热腔与冷却腔之间的密封作用有利的改进方案中，壳壁与样本架或样本承载器一起在加热腔与冷却腔之间形成一种迷宫密封。迷宫密封一般在非接触密封概念中具有比较高的密封作用。在此情况下，优选在壳壁、尤其是侧壁中形成环绕的槽，样本架或样本承载器插入该槽中。密封间隙在此也具有最好等于或小于1mm的尺寸。

优选地，该分析腔设计成圆柱形。样本架在此本身单独构成或至少与一个或多个保持在其上的样本承载器一起构成一圆盘。由此该密封间隙优选是环绕相同的。优选在迷宫密封的情况下，该壳体可上翻或可拆以便装载样本架和或许也以便维护目的。壳体的分离平面在此情况下适当地布置在前述槽中。

在另一个合适的实施方式中，该回转装置的样本架设立用于在(在此是样本架的)朝向加热腔的热输入侧容纳样本承载器。这尤其在回转驱动装置安置在冷却腔区域内时就是这种情况。但或者同样可行的是，在加热腔侧定位回转驱动装置，使得样本架尤其在(样本架的)朝向冷却腔的冷侧容纳样本承载器。在任何情况下，样本架都具有至少一个将热输入侧与(样本架的)冷侧相连的窗。穿过该窗，在按规定的工作中，样本承载器的诸多孔腔(即尤其是第一通道部或第二通道部)的待冷却或待加热的区域相应地与冷却腔或加热腔传热相连。即，样本承载器的待冷却区域(尤其是第二通道部)，针对样本承载器就位于本架的热输入侧(因而在加热腔内)的情况，与冷却腔相连。在前述的本发明样本承载器情况下，其错移向冷侧的(尤其是第二)通道部可选地突出入该窗或穿过该窗突出向冷侧。针对样本承载器要安置在样本架的冷侧的情况，类似情况适用于待加热区域。

在一个可选设计方案中，优选对于本发明的样本承载器与回转装置连用的情况，样本架具有隔热层。它如此布置，样本承载器诸多孔腔的至少一部分的待冷却和/或待加热的区域在按规定的工作中被屏蔽隔断加热腔或冷却腔的温度作用。这尤其在样本承载器本身不具有隔热层时就是这种情况。样本架的隔热层可选地通过单独安置在样本架上的元件例如导热性差的材料构成。样本架的隔热层用于与本发明样本承载器的前述隔热层一样的目的。

在一个合适的实施方式中，该回转装置的冷却装置具有用于将冷却腔连通至回转装置的周围环境的可控阀和/或用于将环境气氛、优选是环境空气(尤其是主动)充入冷却腔的风扇。因此可不进行借助空调等形式的主动冷却(即伴随主动制冷)。这尤其就如下而言是有利的，该设计、即可控阀或风扇可以在技术上简单实现。在该冷却腔内的目标冷却温度尤其在控制器侧被设定至约(即具有例如±5摄氏度的偏差)50摄氏度。出现这种相比于常见的环境温度较高的温度值是因为(可选有目的的)经由前述密封间隙的泄漏和/或穿过样本架的导热效果。优选地，为了调温至该温度值，温度传感器设置在冷却腔中并且与控制器布线连接。控制器在升温下打开这个或这些阀，故可以进行与环境的交换。或许且如果有，控制器也启动风扇以便能将更多环境气氛、尤其是空气输送经过冷却腔且因此加强冷却作用。

该控制器优选被设立用于如此地控制该加热装置，即在加热腔中存在约80-120摄氏度的温度值。为此也优选在加热腔中设置温度传感器。加热装置可选地具有加热金属丝、面式加热器等。因为在按规定工作中样本架连同保持在其上的各自样本承载器进行回转，故有利地进行加热腔内气氛的涡旋和进而均温化。另外，由于样本承载器关于气氛的相对运动，对流传热得以改善，这尤其是因为在样本承载器与加热腔之间存在的起隔绝作用的边界层总是反复被消除或无法形成之故。

根据本发明，前述的本发明样本承载器被应用在前言所述的方法中。在此，样本承载器因此首先被填充至少潜在含有DNA的样本液并且借助回转装置、可选上述的本发明回转装置绕旋转轴线被回转。至少第一通道部在此至少局部借助用加热装置加热的气氛被加热到高温度值，由此在相应孔腔的环形通道内产生样本液的对流。代替本发明的回转装置的，可选地采用这种回转装置，其代替前述的用于加热加热腔内气氛的加热装置地具有优选集成到样本架中的接触式加热装置或面加热装置。在此情况下，第一(或待加热)通道部通过例如借助帕贴耳元件或电阻体的导热被单侧加热。

还根据本发明，前述的本发明回转装置被应用在前言所述的方法中。可选地，在此情况下也可以采用并非前述本发明样本承载器的其它样本承载器。但优选采用本发明的样本承载器。在此，在本发明的范围内，样本承载器的孔腔的至少一个部段或或许多个孔腔之一至少部分借助用加热装置加热的气氛被加热到高温值，以及优选另一部段(优选同一孔腔)借助存在于冷却腔中的最好较冷的气氛被冷却。因为所述加热，尤其是因为由附加冷却造成的温差，在此在相应孔腔内产生样本液对流。

附图说明

以下将结合图来详细解释本发明的实施例，其中：

图1以仰视示意图示出具有多个孔腔的样本承载器，

图2和3以准透视侧视示意图分别示出用在该方法中的回转装置的一个可选的实施例，

图4以流程示意图示出用于扩增DNA的方法，

图5-10以仰视和侧视的细节示意图分别示出样本承载器孔腔的各不同的实施例。

具体实施方式

彼此对应的零部件在所有图中总是带有相同的附图标记。

图1粗略示意性示出样本承载器1，其设置成应用在以下将结合图4所详述的基于回转的用于扩增或探测DNA的方法中。样本承载器1具有盘状、即扁平的且在本实施例中呈半圆形的主体2。在主体中形成多个微流孔腔，在此仅举例示出一个取样被送入其中的填充腔4、一个对此设于“下游”的处理腔6以及一个在两者之间的连接通道8。处理腔6的相对于主体2的尺寸在这里为了表明以下详述的性能被极其夸大地示出。

图2和3示出回转装置10的两个实施例，它们也设置成优选与样本承载器1一起应用在基于回转的DNA扩增方法中。回转装置10在此具有壳体12，其侧壁14包围圆柱形的以下称为分析腔16的壳体内腔。另外，回转装置10具有样本架18。样本承载器1在该方法执行时(即按规定的工作中)保持在其上。样本架18借助回转驱动装置20绕旋转轴线22可回转。因此样本架18是转盘。

样本架18如此安置在分析腔16中，即它将分析腔分为两个部分。在图2和3中靠上的部分在此形成加热腔24。回转装置10具有加热装置26，其设立用于加热加热腔24内的气氛、具体说是空气。在图2和3中靠下的分析腔16部分形成冷却腔28。为了其温度调节，回转装置10具有冷却装置30。在所示实施例中，它包括风扇32，借此冷却腔28在按规定的工作中被由吸入的外部空气形成的冷却空气流流过。此外，冷却装置30包括可控阀34，空气可以经此从冷却腔28流出到周围环境中或在未启动风扇32下被引入。

设有回转装置10的用于控制回转驱动装置20、加热装置26和冷却装置30、即风机32和阀34的控制器，但未详细示出。

为了保持尽量少的热空气从加热腔24溢流到冷却腔28中，将侧壁14与样本架18之间的密封间隙36保持为小于1mm。

在另一个实施例中，壳体12设计成借助在加热腔24与冷却腔28之间的铰链38可上翻。由此，样本架18可容易地装载和/或回转装置10可容易维护。样本架18的外边缘在此置于开设于侧壁14内的槽40中。由此提供一种迷宫密封(见图3)。原则上，根据图2的实施例的壳体12也能上翻以便能装载样本架18，但不一定在样本架18的平面内。

在另一个未示出的实施例中，规定将样本承载器1自动拉入回转装置10中，类似于CD驱动器或DVD驱动器。

此外，回转装置10在一个合适的实施例中具有用于读取例如条形码和/或QR码的读码器，可借此将实际样本的分析结果专门经由一网络转发至数据库。

为了扩增DNA，在第一方法步骤S1(见图4)中提供样本承载器1和包含DNA的样本。样本液在样本被送入填充腔4之后形成并且除了待扩增的DNA外还包含引物分子、脱氧核糖核苷三磷酸(dNTP)、构建新DNA链的骨架以及聚合酶和聚合酶辅因子。此外，该液体被缓存。优选在填充腔4或另一个未示出的腔室内预存入一液体，液体用于从样本承载器(如喷嘴)“洗出”样本物以及用作用于上述试剂的载体液。可选地，大多也只以预存的(干)物质形式在处理腔6内加入所述试剂。在第二方法步骤S2中，被填充的样本承载器1被安放到样本架18上并且被固定在其上。样本承载器1在此安放在样本架18的位于加热腔24内的热输入侧40。

在第三方法步骤S3中借助加热装置26将加热腔24内的空气加热到约100摄氏度。这在所述方法中是高温值。与之并行地，回转驱动装置20驱动样本架18绕旋转轴线22回转，从而也使样本承载器1的每个孔腔绕旋转轴线22回转。借助冷却装置30，冷却腔28内的空气被调温至约50摄氏度的低温值。因为样本架18的回转，也进行在加热腔24以及在冷却腔28内的空气的运动和进而混合。

如图1和图5所示，样本承载器1的处理腔6具有环形延伸的通道机构，其又由第一通道部50和第二通道部52构成。通道部50和52设计成长条形并且彼此平行地延伸(至少近似，即可选地以个位数的几度角度的角度错位)以及相对于在按规定的工作状态下垂直于旋转轴线22的径向(至少近似平行)延伸。换言之，两个通道部50、52因此在该方法期间在按规定回转时在离心力方向上取向。通道部50和52分别在端侧通过连接通道54流通相连。另外，通道部50和52在主体2的厚度方向上、即在旋转轴线22的方向上相互错开。具体说，第一通道部50在此在样本承载器1的按规定使用状态下错移向热源，即，在本实施例的回转装置10中，错移向加热腔24。相反，第二通道部52错移向冷却腔28。为了实现冷却腔28内的空气与处理腔6、至少与第二通道部52的换热，样本架18具有窗56，空气穿过窗可从冷却腔28流到第二通道部52。可选地，第二通道部52超出样本架18的热输入侧40的平面且因此突入窗56中或甚至朝向底侧突出，即进入冷却腔28地超出样本架18(未示出)。

故在方法步骤S3中因为其(与第二通道部52相关地看)更靠近加热腔24而有比第二通道部52更多的热被送入第一通道部50。因为样本架18的回转和由此引起的相对于空气的相对运动，两个通道部50和52与加热腔24或冷却腔28的对流换热也得到支持。

因为第一通道部50由加热腔24加热和第二通道部52由冷却腔28冷却，在处理腔6的通道结构内形成平行于旋转轴线22延伸的温度梯度。因为所述回转，出现在旋转轴线22的径向上的人工重力场。另外，该温度梯度导致样本液内的密度差。

由温度引起的密度差与人工重力场相关地导致浮升驱动对流，其主流动方向因人工重力场而原则上径向取向。换言之，主浮力分量为径向向内。因为处理腔6的环形结构，液体元素因其在第一通道部50内变热和随之而来的密度减小而径向向内流动。相应地，液体元素因在第二通道部52内变冷和随之而来的密度增大而由重力引起地径向向外流动。因为这两个通道部50、52连成一个环，故液体元素在径向上在内侧从第一通道部50经由连接通道54流出到第二通道部52并在其端头又流入第一通道部50。但因为该回转的离心力(在图4中指向右)和因该回转而存在的科里奥利力，也进行样本液的横向于对流的基本流动路径的混合(混匀)。对流速度在此随着转速增大而增大。

如图5和6所示，第二通道部52具有两个部分腔室或“子腔室”，其中径向靠内的部分腔室被称为冷却通道58，径向靠外地与之相邻的部分腔室被称为退火通道60。冷却通道58在此具有在主体2的平面方向上比退火通道60更大的宽度，以允许尽量快速冷却到约65摄氏度的“退火温度”。退火通道60的横截面在此实施例中被选择为小于冷却通道58的横截面，以实现比较高的流出速度和进而减少的热输出以及还有在过渡至第一通道部50时的小的热损失。

第一通道部50也具有两个部分腔室，其中的径向靠外的部分腔室被称为阻力通道62，径向靠内的部分腔室被称为变性通道64。阻力通道62在此具有与退火通道60还有连接通道54相比进一步减小的横截面。由此，样本液被加速并且经过退火通道60的流动受到控制(或也被设定)。在变性通道64内，该温度(例如为90-100摄氏度、尤其约为95摄氏度)可能因为其又在当前实施例中扩大的横截面而至少近似保持恒定。

图7和8示出处理腔6的另一实施例。在这种情况下，与在前实施例的区别在于退火通道60相比于冷却通道58的尺寸以及第一通道部50的设计。退火通道60在此具有与冷却通道58相同的“深度”或“高度”(即在旋转轴线22的方向上延伸的尺寸)。由此，所述流动相比于根据图5和6的实施例被小一些地加速。第一通道部50在此在其整个长度范围设计成几乎一致。在此情况下无法区分阻力通道62和变性通道64。第一通道部50在此大致设计成喷嘴状，其具有比较细长的缩窄中间部。一旦达到相应温度，变性就在此也在缩窄的中间部中进行。这在一个实施例中，至少在一个带接触加热的回转装置中是可能的，此时第一通道部50的横截面积(在其缩窄区域中)为0.162mm²，以及第二通道部52被设计成在样本承载器1的10Hz转速下该样本液如此长期留在第一通道部50内，即，获得变性温度值。对于较高转数，第一通道部50的横截面积可以因为较高的流速而被相应缩小。

为了减小加热腔24的被加热空气或其它加热介质对第二通道部52的作用，其下方垫设隔热层66。例如隔热层是充气的“枕垫”如空心板或泡沫板。

图9和10示出处理腔6的另一个实施例。在此情况下，退火通道60设计成比冷却通道58更窄、但为此更深。由此，退火通道60内的体积被增大，使得可以保持小的热损失，尽管在这里隔热层66仅垫设在冷却通道58下方。在这里又显著存在的变性通道64与根据图5和6的实施例相似地设计成具有比阻力通道62扩大的横截面。

在每个前述实施例中，第一和第二通道部50、52在切向上相互错开。由此，一方面简化了隔热层66的其中设置，但另一方面也允许尤其针对主体2至少在处理腔6的区域中设计成透明的情况下监测两个通道部50和52内的过程，例如借助荧光探测器等。

另外，在每个前述实施例中给两个通道部50、52分配一个进口68(或进口区)，经此进行样本液填充。进口68具有两个也称为“气泡阱70”的进口腔，其中每个进口腔通过缩颈72与两个通道部50、52之一流体连通。所供应的样本液量在此被如此选择，在按规定填充道部50和52之后，即当样本液处于两个通道部50和52中以及在连接通道54中时，样本液的一部分也处于气泡阱70中。缩颈72的尺寸在此被如此设定，在按规定的工作中因样本液变热而形成的气泡与人工重力场相反地可穿过它升起到气泡阱70中且在那里汇集，而没有让缩颈去堵塞。这通过部分填充的气泡阱70而有效起来。

在此如此选择通道部50、52及连接通道54的尺寸，即在5-40Hz范围内的回转转速情况下，样本液在退火腔60内具有约为65摄氏度的温度值且在第一通道部50内高于DNA的熔点，具体说高于90摄氏度、尤其约为90摄氏度。

尤其是，方法步骤S1-S3也可以至少部分相互同时进行。尤其是，样本架10不必在处理腔6填充期间停止。同样，加热装置26也已经能加热加热腔24内的空气。

在该方法的一个可选实施方式中，方法步骤S3维持一段预定持续时间。随后，在第四方法步骤S4中调节样本架10的回转以及借助加热装置26的加热。可选地，当借助前述的荧光探测器确定足够高的试剂反应时，也可以启动第四方法步骤S4。

本发明的主题不局限于前述的实施例。相反，技术人员可以从前面描述中推导出本发明的其它实施方式。尤其是，本发明及其变型设计的依据各不同实施例所描述的单独特征也能以其它方式相互组合。

附图标记列表

1 样本承载器

2 主体

4 填充腔

6 处理腔

8 连接通道

10 回转装置

12 壳体

14 侧壁

16 分析腔

18 样本架

20 回转驱动装置

22 旋转轴线

24 加热腔

26 加热装置

28 冷却腔

30 冷却装置

32 风扇

34 阀

36 密封间隙

38 铰链

39 槽

40 热输入侧

50 通道部

52 通道部

54 连接通道

56 窗

58 冷却通道

60 退火通道

62 阻力通道

64 变性通道

66 隔热层

68 进口

70 气泡阱

72 缩颈

S1-S4 方法步骤

Claims (16)

1.一种样本承载器(1)，其用在基于回转的用于扩增或检测DNA的方法中，该样本承载器具有盘状的主体(2)和多个形成在该主体(2)中的孔腔(4,6,8)，在该孔腔中在按规定的方法步骤(S1,...,S4)中容纳至少潜在含有DNA的样本液，其中，

-该主体(2)的一盘面侧形成热输入侧(39)，背对它的平面侧形成热输出侧，

-该孔腔(6)或者或许有的多个孔腔(4,6,8)之一由具有第一通道部和第二通道部(50,52)的环形通道构成，所述第一通道部和第二通道部在两个通道端头分别借助连通部(54)流通相连，

-第一通道部(50)在该主体(2)的厚度方向上相对于第二通道部(52)错开布置。

2.根据权利要求1所述的样本承载器(1)，其中第一通道部(50)布置在该热输入侧(40)并且相对于布置在该热输出侧的第二通道部(52)具有缩小的横截面积。

3.根据权利要求1或2所述的样本承载器(1)，其中第一通道部(50)布置在该热输入侧(40)并且相对于布置在该热输出侧的第二通道部(52)具有对准该主体(2)的盘面方向的缩小的通道宽度。

4.根据权利要求3所述的样本承载器(1)，其中第二通道部(52)包括冷却通道(58)和与之相接的、设计成具有比该冷却通道(58)更大的深度的退火通道(60)。

5.根据权利要求2至4之一所述的样本承载器(1)，其中第一通道部(50)包括变性通道(64)和在该变性通道前方的设计成具有比该变性通道(64)更小的宽度的阻力通道(62)。

6.根据权利要求1至5之一所述的样本承载器(1)，其中所述第一通道部和第二通道部(50,52)在盘面方向上相互错开。

7.根据权利要求1至6之一所述的样本承载器(1)，具有隔热层(66)，其在其长度的至少一部分范围朝着该热输入侧方向看垫在第二通道部(52)下方。

8.根据权利要求1至7之一所述的样本承载器(1)，其中该环形通道当按规定使用时在实现该环形通道的填充的入口区域(68)与气泡阱腔(70)连通，尤其是其中将该气泡阱腔(70)与该环形通道相连的缩颈(72)如此粗大，即，通常出现的气泡可以从该环形通道进入该气泡阱腔(70)。

9.一种用于应用在基于回转的用于扩增或检测DNA的方法中的回转装置(10)，具有：

-分析腔(16)，

-安置在该分析腔(16)内的用于保持至少一个尤其根据权利要求1至8之一所述的样本承载器(1)的样本架(18)，该样本承载器具有多个形成在该主体(2)内的孔腔(4,6,8)，在该孔腔中在按规定的方法步骤中容纳至少潜在含有DNA的样本液，

-回转驱动装置(20)，借此在按规定的工作中使该样本架(18)绕旋转轴线(22)回转，

-加热装置(26)，借此在按规定的工作中将在该分析腔(16)的形成加热腔(24)的局部区域内的气氛加热到目标加热温度，

-冷却装置(30)，借此在按规定的工作中将在该分析腔(16)的形成冷却腔(28)的局部区域内的气氛调温至目标冷却温度，其中该加热腔(24)和该冷却腔(28)通过该样本架(18)、至少与保持在其上的样本承载器(1)合作地相互流体隔断开，

-控制器，其在控制技术上与该回转驱动装置(20)、该加热装置(26)和该冷却装置(30)逻辑关联且为此用于设定该样本架(18)的转速以及目标加热温度和目标冷却温度。

10.根据权利要求9所述的回转装置(10)，具有共同包围所述加热腔(24)和冷却腔(28)的壳体(12)，其中该样本架(18)或在按规定的工作中保持在其上的样本承载器(1)与该壳体(12)的壳体壁(14)一起形成密封间隙(36)，该密封间隙设计成减小在该加热腔(24)与该冷却腔(28)之间的气体交换。

11.根据权利要求10所述的回转装置(10)，其中该壳壁(14)与该样本架(18)或样本承载器(1)一起在所述加热腔(24)与冷却腔(28)之间形成一种迷宫密封，尤其是因为该样本架(18)或该样本承载器插入环绕形成到该壳体壁(14)中的槽(39)中。

12.根据权利要求9至11之一所述的回转装置(10)，其中该样本架(18)设立用于在朝向该加热腔(24)的热输入侧(40)或朝向该冷却腔(28)的冷却侧容纳该样本承载器(1)，并且其中该样本架(18)具有至少一个将该热输入侧(40)与该冷却侧相连通的窗(56)，该样本承载器(1)的多个孔腔(4,6,8)的待冷却或待加热的区域在按规定的工作中穿过该窗相应地与该冷却腔(28)或该加热腔(24)热交换相连。

13.根据权利要求12所述的回转装置(10)，具有如此布置的隔热层，即，该样本承载器(1)的多个孔腔(4,6,8)的待冷却和/或待加热的区域的至少一部分在按规定的工作中相对于该加热腔(24)或该冷却腔(28)的温度作用被屏蔽隔断。

14.根据权利要求9至13之一所述的回转装置(10)，其中该冷却装置(30)具有用于将该冷却腔(28)与该回转装置(10)的周围环境相连的可控阀(34)和/或用于使环境气氛涌入该冷却腔(28)的风扇(32)。

15.将根据权利要求1至8之一所述的样本承载器(1)用在用于扩增或检测DNA的方法中的用途，在此根据方法，

-容纳有至少潜在含有DNA的样本液的该样本承载器(1)借助尤其根据权利要求9至14之一所述的回转装置(10)绕旋转轴线(22)被转动，

-至少该第一通道部(50)至少局部借助用加热装置(26)加热的气氛被加热到高温值，

-因为所述加热，故在对应的孔腔(6)的该环形通道内产生样本液对流。

16.将根据权利要求9至13之一所述的回转装置(10)用在用于扩增或检测DNA的方法中的用途，在此根据方法，

-承载器(1)，尤其根据权利要求1至8之一所述的样本承载器(1)借助回转装置(10)绕旋转轴线(22)被转动，该样本承载器具有多个孔腔(4,6,8)，其中至少一个容纳有至少潜在含有DNA的样本液，

-该孔腔(6)的或也许是多个孔腔(4,6,8)之一的至少一个部段至少部分借助用该加热装置(26)加热的气氛被加热到高温值，

-基于所述加热，在相应的孔腔(6)内产生样本液对流。

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