[发明专利]热控设备及其使用方法

说明书

本文提供了适合提供温度循环中提高的控制和效率的热控设备。此类热控设备可包括与另一个热操控设备协同控制的热电冷却器以控制热电冷却器的相对面和/或微环境。一些此类热控设备包括由热电容器分隔的第一和第二热电冷却器。热控设备可以被配置于平面配置，所述平面配置具有用于与样品分析仪的平面反应容器热耦合的工具，其用于反应容器中的流体样品的聚合酶链式反应中的热循环。还提供了使用此类热控设备进行热循环的方法。

相关申请

本申请是中国专利申请201680052768.0号的分案申请。

本申请要求2015年7月23日提交的题为“Thermal Control Device and Methodsof Use”的美国临时专利申请第62/196,267号的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文。

本申请大体涉及2013年3月15日提交的题为“Honeycomb tube”的美国专利申请第13/843,739号；2002年1月25日提交的题为“Fluid Processing and Control”的美国专利第8,048,386号；以及2000年8月25日提交的题为“Fluid Control and ProcessingSystem”的美国专利第6,374,684号；其每一个出于所有目的通过引用整体并入本文。

背景技术

本发明大体涉及热控设备，尤其是用于在核酸分析中热循环的设备、系统和方法。

各种生物测试程序需要热循环经由热交换促进化学反应。此类程序的一个实例是用于DNA扩增的聚合酶链式反应(PCR)。另外的实例包括快速-PCR、连接酶链式反应(LCR)、自我持续序列复制、酶动力学研究、匀质配体结合测定和需要复杂温度变化的复杂生化机理研究。

此类程序需要可准确地升高和精确且快速地降低样品温度的系统。常见的系统通常使用冷却设备(如风扇)，其占用大量的物理空间并需要大量的电力来提供所需的性能(即，快速温降)。基于风扇的冷却系统有启动滞后时间和停机重叠的问题，即它们将在关闭后会起作用，因此不会像数字般的快速精确运行。例如，离心风机将在打开时不会立即以完全容积容量(volumetric capability)吹扫，并且还将在关闭电源后也会继续旋转，因此，在测试中必须考虑执行的重叠时间。此类滞后和重叠问题随着设备年龄而变得更加严重。

基于风扇的冷却系统通常提供了成本低、性能相对可接受且易于实施的系统，因此几乎没有为业界提供动力来解决这些问题。迄今为止的答案是并入具有更佳容量输出速率的更强大的风扇，这也增加了空间和功率要求。这样做的一个代价是对现场测试系统的可移植性产生负面影响，其可用于例如快速检测偏远地区的病毒/细菌暴发。另一个问题是，这种方法在高温环境下不太成功，诸如在热带地区可能会存在问题。因此，所未解决的需要是解决生物测试系统中已知的加热/冷却设备的缺陷。

热循环通常是大多数核酸扩增方法的一个基本方面，其中流体样品的温度在较低的退火温度(如60度)和较高的变性温度(如95度)之间循环多达五十次。这种热循环通常使用较大的热质量(如铝块)以加热流体样品和风扇以冷却流体样品来进行。由于铝块的热质量很大，加热和冷却速率限制在约1℃/秒，因此50个循环的PCR过程可能需要两个或更多个小时才能完成。在环境温度可能升高的热带气候中，冷却速率可能受到不利影响，从而延长热循环的时间，例如从2小时至6小时。

一些商业仪器提供5℃/秒数量级的加热速率，而冷却速率显著更小。由于这些相对较低的加热和冷却速率，已经观察到一些过程，诸如PCR可能变得低效和无效。例如，反应可能发生在中等温度，产生不想要的和干扰性的DNA产物，诸如引物二聚体或异常扩增子，以及消耗用于预期的PCR反应所必需的试剂。当在非均匀的温度环境中进行时，其它过程(诸如配体结合或其它生化反应)类似地经历对分析方法有潜在危害的副反应和产物。

对于PCR和其它化学检测方法的一些应用，经测试的样品流体体积可能对热循环产生重大影响。