[发明专利]快速热循环仪

说明书

本申请是申请号为200780036554.5的中国专利申请的分案申请，原申请是国际申请PCT/US2007/018946的中国国家阶段申请。

相关申请：本申请要求临时申请号60/824027的优先权，该申请名为“快速热循环仪(Rapid Thermal Cycler)”，于2006年8月30日提交，并以参考方式并入本文。

技术领域

发明领域：本发明属于用于实施聚合酶链式反应(PCR)的热循环仪领域。

背景技术

相关技术：多种工业、技术及研究应用利用热循环来实现应用，如化学或生化反应或者分析应用。

分子生物学领域中利用热循环的一个重要工具是称为“聚合酶链式反应”(PCR)的方法。PCR从遗传物质的少量样品产生出大量的遗传物质。这很重要，因为对遗传物质的少量样品进行测量或分析或为任何实际目的使用都可能是困难的或昂贵的，而通过PCR扩增方法产生大量所需遗传物质的能力使人们能进行重要的活动，例如鉴定样品中特定的遗传物质，或者测定存在多少遗传物质，或者产生足以用作其他应用中组分的遗传物质。

PCR过程是在含有用于DNA复制的以下组分的小反应管中进行的：待复制的DNA、装配起来以形成DNA的四种核苷酸、称为“引物”的两种不同的合成DNA(每种用于DNA互补链中的一条)和称为DNA聚合酶的酶。

DNA是双链的。PCR过程以将DNA的两条链分离成各个互补链开始，这一步骤称为“变性”。它通常是通过将PCR反应混合物加热至约94至96摄氏度的温度并持续几秒至超过一分钟的时间来实现的。

一旦DNA被分成单链，就将混合物降温至约45至约60摄氏度(通常选择成低于引物解链温度约5度)以允许引物结合到混合物中DNA的每条相应单链上。此步骤通常称为“退火”。退火步骤通常需要几秒钟到几分钟不等。

接下来，将反应管加热至约72至73摄氏度，在此温度下，反应混合物中的DNA聚合酶通过向引物添加核酸的方式在单链上建立DNA的第二条链，以形成与原始DNA链完全相同的双链DNA。此步骤通常称为“延伸”。延伸步骤通常需要几秒钟至几分钟来完成。

这一系列的三个步骤(有时也称为“阶段”)定义了一个“循环”。一个PCR循环的完成导致反应管中DNA的量倍增。重复一个循环导致反应管中DNA的量再次倍增。通常这一过程重复多次，如10-40次，产生大量相同的DNA片段。进行20个循环产生原始DNA样品的超过一百万个拷贝。进行30个循环产生超原始DNA样品的过十亿个拷贝。“热循环仪”用于使在需要的时间在需要的温度之间移动反应管的过程自动化。

当使用常规设备时，进行约30个循环可能需要约3个小时。由于完成每个PCR步骤之间温度变化所花费的时间以及在每个目标温度下停留的时间，所以需要这样的时间量。

发明内容

尽管能够在几小时内产生一百万以上的拷贝是分子生物学领域中极其重要的进展，但是能够缩短运行每个PCR循环所需的时间将非常有价值。

本发明提供通过缩短每个步骤所需时间量而允许聚合酶链式反应更快进行的方法和设备。这是通过使用具有相对较小热质量(thermal mass)的样品装置及能将该样品装置迅速加热至所需温度然后保持该温度下的相配套的加热元件来实现的。包含具有相对大热质量的冷却器(cold sink)的独立冷却装置来根据需要迅速降低样品装置的温度，这通过使冷却器与样品装置物理接触来实现。

本发明的这些和其他目的和特征通过下文的描述和所附权利要求将变得更为明显，或者可以通过如下文所述实施本发明来理解。

附图说明

为了进一步阐明本发明的以上及其他优点和特征，将通过参考附图中所示其特定实施方案更为具体地描述本发明。应当明白，这些附图仅展示了本发明的一些典型实施方案，因而不能认为是对其范围的限制。将使用下列附图通过更多的特性和细节来描述和解释本发明，其中：

图1A是一种构造的热循环仪中多个组件的示意图，其中样品是热分离的；

图1B是与图1B相似的示意图，但它显示了导致样品冷却的不同构造；

图2是快速热循环仪的一个说明性实施方案的透视图；

图3是图2中实施方案的各个组件的分解图；

图4A是图2中实施方案的横截面，其以样品模块与冷却器热分离的位置显示；

图4B是与图4A相似的横截面，其中样品模块与冷却器热连通；

图5A图2-4中样品模块的透视图；且