[发明专利]变温反应器及其加热器和控制电路

说明书

描述了一种用于在其中进行预定反应的变温反应器。该反应器包括反应池、加热器和散热器。反应池具有厚度为H_V且宽度为W_V的反应体积，其中W_V＞4H_V，并且由多个表面限定，反应体积的其中一个面积较大的表面由厚度为H_W的外壁界定。加热器与所述外壁接触。加热器包括位于更靠近反应体积的表面上的发热的加热器元件和位于相反表面上的加热器支撑件。加热器支撑件与散热器接触，使得加热器支撑件在加热器元件与散热器之间提供热阻R_T。当反应器填充有热扩散系数为D_V的试剂，并且在厚度方向上具有扩散时间t_V时，t_V＝H_V²/D_V。t_V小于反应时间常数t_R。外壁具有热扩散系数D_W并且具有热扩散时间_tW＝H_W²/D_W＜t_V。

本发明涉及用于需要快速调节温度的反应的反应器。它还涉及用于该反应器的加热器和驱动和感测电路，以及操作该反应器的对应方法。

需要这种反应器的一个示例方法是通过聚合酶链反应(PCR)进行DNA扩增，其中反应器适合于快速热循环以减少完成PCR的时间。另一示例是通过合成进行DNA测序，其中可以通过调节多步骤反应的每个步骤的温度来优化碱基添加。

本发明的反应器还适合于通过溶液中寡核苷酸的量热检测来监测PCR的进度。该反应器还适合于数字PCR或多重PCR，以提供对连续连接的液体样品中多个位置的子样品的独立分析。

本发明还涉及一种用于快速调节反应体积的温度并且具有高度的温度均匀性和精确的温度控制的加热器。

本发明还涉及一种使用样品和在惠斯通电桥电路中配置参比加热器进行差示扫描量热法(DSC)或差示热分析(DTA)的设备。

PCR需要在大约60℃至95℃的温度之间重复进行温度循环。通常，加热和冷却是使用珀尔帖元件进行的，以在需要提高温度时将热量从散热器驱动到样品中，或者在需要降低温度时将热量从样品驱动到散热器。散热器通常用风扇冷却。

这种方法有许多缺点：所需的设备很大并且功耗很高。在热循环中改变温度的设备部分的热容量明显大于样品的热容量，从而导致增加的能量使用和减缓的热循环。穿过珀尔帖元件和用于与样品热接触并容纳样品的部件以及穿过样品本身的漫长热扩散时间会限制温度上升速率，并且增加热循环时间。这些因素导致PCR缓慢且能效低下。

通常，使用远离珀尔帖和样品的温度传感器来控制热循环仪。与珀尔帖相比，温度传感器的热响应不可避免地会滞后，这会使系统的热控制复杂化。经常使用一种调优PID算法来最大程度地提高温度斜率和最小化过冲，但是开发和实施起来可能很复杂，并且可能无法提供样品中预期的时间-温度曲线。

另一缺点是，由于重复的热循环导致的机械应力，珀尔帖元件的寿命受到限制。

这些缺点适用于需要精确控制温度和快速温度变化的其他反应。

用于热循环的替代现有技术方法是在固定温度的水浴或加热器之间移动样品。图1至图33示出三个示例。在图1中，样品在水浴之间转移，而在图2中，样品在加热器块之间转移。由于具有运动部件，这些解决方案具有很高的机械复杂性和较大的空间要求。在图3中，样品穿过微流体芯片，该芯片中有一条蛇形路径穿过两个加热器块，其缺点是样品暴露于大表面积的微流体通道中。这带来了两个缺点：样品和试剂可能粘附在通道壁上，降低了灵敏度，增加了样品体积要求并增加了试剂成本，并且微流体芯片的尺寸和成本也增加了。

图3中所示的长蛇形通道的尺寸和表面积较大是因为要求通道在空间上分离开的两个不同温度区域(通常距离1mm)之间通过。此外，样品体积小于蛇形通道的内部体积，从而增加了通道表面积与样品体积的比率。