[发明专利]生物化学反应系统

说明书

本发明涉及用于化学和/或生物化学反应例如聚合酶链反应（PCR）的系统中的改进。

需要高度准确地控制温度变化的很多化学和生物化学反应被执行。这样的反应常常需要经历变化的温度的几个或甚至很多循环，以便产生所需的效应。此外，产生可探测的光信号例如荧光、化学发光或生物荧光信号的很多这样的化学和生物化学反应被执行，所述可探测的光信号在某些反应条件下出现或被修改。这样的信号可由于在某些条件下发射光的试剂或反应的结果例如由于正施加的激发能而发出，或可通过由反应本身产生而发出。

可以用各种方法使用这些光信号的探测。特别是，它们可允许探测反应的出现，其可指示特定的试剂在测试样本中的存在或不存在，或提供关于特定的反应的进展或动力学的信息。虽然术语“光”通常用于包括可见光，不过将认识到，可从反应发出并被探测的光信号也可出现在光谱的红外和/或紫外部分中，且意图是术语“光”包括能够从可被探测到的任何波长的反应发出的所有光信号。

当然，精确的荧光测量依赖于精确的激发光源。这又依赖于一个或多个激发光源被谨慎控制，但也依赖于从所述源或每个源耦合到反应容器的光被适当地控制为均匀的且在强度和波长上被控制。在已知的系统中，缺少对源和到反应容器的耦合的这样的源控制。

其中需要相对大数量的高度准确地控制的温度变化循环以及监控可探测的信号特别是荧光信号的反应的特定例子是在核酸扩增技术且特别是聚合酶链反应（PCR）中。DNA通过聚合酶链反应（PCR）的扩增是对分子生物学的基本技术。PCR是用于探测样本内的特定核酸的存在的广泛使用和有效的技术，即使在目标核酸的相对数量低的场合。因此，它在包括诊断和探测以及研究的各种领域中是有用的。

通过PCR进行核酸分析需要样本准备、扩增和产物分析。虽然这些步骤通常被顺序地执行，但扩增和分析可同时发生。

在PCR的过程中，特定的目标核酸通过步骤的循环的一系列反复来扩增，其中存在于反应混合物中的核酸在相对高的温度例如在95°C变性（变性），然后反应混合物被冷却到短的寡核苷酸引物结合到单链目标核酸的温度，例如55°C（退火）。其后，引物使用聚合酶例如在72°C扩展（扩展），使得原始核酸序列被复制。变性、退火和扩展的重复循环导致在样本中存在的目标核酸的数量的指数增加。

例如通过在变性和退火温度之间循环或通过从一个循环到另一循环修改一个或多个温度，这个热剖面的变化是可能的。

很多这样的化学或生物化学反应在具有布置成阵列的很多——有时大量——容座(receptacle)的装置中发生。为了不影响反应，容座常常由聚丙烯形成，作为在板中的盛器(well)的阵列。盛器插入用热的方法控制的金属块中，以便按照穿过盛器的壁的导热率用热的方法控制盛器。提供所需的热控制的各种方法是已知的。最常见的方法之一是通过使用可用于（根据通过模块的电流的方向）提供加热或冷却的热电模块，例如Peltier模块。虽然Peltier模块是公知的且将不在这里被详细描述，应注意，Peltier模块本质上由一对陶瓷导热板组成，半导体接连地安装在这对陶瓷导热板之间，以形成p-n和n-p结。每个结与导热板热接触。当切换一个极性的电流时，温度差在导热板之间形成：其中一个导热板变热并作为散热器操作，另一个导热板冷却并作为冷却装置操作。

然而，Peltier模块在用于准确、重复的热循环时形成很多缺点，因为它们最初没有对这样的热循环被设计。首先，因为Peltier模块本身是导热的，有通过设备的功率的损失。其次，电流反向引起横跨不是对称的半导体结的掺杂物迁移，因此半导体节随着时间的过去实际上失去其作为不同的半导体之间的结的功能。