[发明专利]热循环器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在热循环反应中使用的热循环器设备。本发明的多个方面涉及执行热循环反应的方法。

背景技术

热循环方法应用是现代分子生物学的组成部分。例如，用于扩增核酸的聚合酶链式反应(PCR)在不同温度下使用一系列DNA解链、退火和聚合步骤以大大地“扩增”样本中的DNA的量。其它热循环方法应用也是公知的。

典型的热循环设备由金属样品模块构成，所述金属样品模块包括适当数量的凹部以容纳一个或多个反应容器。样品模块可以被成形为符合96孔板形式或通常为0.5μl或0.2μl微离心(Eppendorf)管。金属块用作热质量，所述热质量将其热能传递给反应样品和从反应样品传递热能。通常，使用热电冷却(TEC)装置(通常也被称为珀尔帖效应元件(PE))提供热循环能量。热循环设备通常还使用有助于将热量传递给珀尔帖效应元件和从珀尔帖效应元件传递热量的散热器和大风扇等，以移除在冷却期间珀尔帖效应元件产生过量热以及传递给散热器的过量热。

珀尔帖元件是将电流转换成温度梯度的固态装置。珀尔帖元件包括两侧-热侧和冷侧。金属样品模块用作热泵，因为金属样品模块使热量从冷侧移动到热侧。电流流动方向的切换将交换热侧和冷侧状态，并且调节该电流用于使样品模块的温度循环以提供PCR所需的加热和冷却。珀尔帖元件的热侧需要移除用于单元的热量以进行恰当地运行并进行有效地冷却的方法。越有效地从热侧移除该热量，冷侧将越冷地工作，并且冷侧将更快地达到用于热传递的最佳温度。这受到所使用的散热器的质量以及用于从散热器移除过量热所使用的风扇的气流的限制。通常，热循环器设计在特定散热器的额定功率与在该设计中可以被容纳的散热器和风扇的尺寸之间进行妥协。在标准珀尔帖块热循环器中，散热器和风扇单元表示装置的大多数单元和质量。

虽然方便，但这种热循环器具有大量缺点。在这些缺点中关键在于当珀尔帖元件用于加热和冷却两者时效率会降低-例如，珀尔帖装置具有散热器形式的有效的热质量，所述散热器必须本身被加热或冷却以能够有效地对样品模块进行热传递。实现加热和冷却两者合理的效率是复杂的，并且大多数热循环器设计必须在珀尔帖元件与到样品模块的热传递的期望速率之间进行妥协。由于这种妥协，传统的热循环器通常达到不多于每秒3摄氏温度的加热或冷却速率并具有高功率消耗来实现这些中等速率的性能。

发明内容

本发明提供一种可选的热循环器装置。

根据本发明，提供了一种热循环器，包括：

用于容纳样品的样品模块；

与样品模块相邻的珀耳帖型热电元件，所述珀耳帖型热电元件被构造成冷却样品模块；

与样品模块相邻的非珀耳帖型加热装置，所述非珀耳帖型加热装置被构造成加热样品模块；

散热器，所述散热器与样品模块和珀耳帖型热电元件分隔开；和

将散热器连接到珀耳帖型热电元件的热管，所述热管允许将热能从珀耳帖型热电元件传递到散热器。

根据本发明的热循环器将加热功能和冷却功能分开，从而允许每个功能对于期望功能的优化。进一步地，使用单独的加热器和冷却元件意味着散热器的热质量不会影响珀耳帖的性能和样品模块的加热和冷却效率。另外，传统的加热元件，例如电阻加热元件，通常比珀耳帖型热电元件更加有效地进行加热和冷却两者；珀耳帖型热电元件当仅用于冷却时或当仅用于加热时更有效。

在优选的装置中，样品模块被夹在珀耳帖型热电元件与非珀耳帖型加热装置之间；例如，珀耳帖型热电元件和非珀耳帖型加热装置位于样品模块的相对表面上。传统的热循环器装置使用堆叠布置，其中样品模块定位在珀耳帖型热电元件上方，珀耳帖型热电元件定位在散热器上方，散热器定位在冷却风扇上方。样品管从上面装载到样品模块中。这种常规布置意味着除了将非珀耳帖型加热装置定位在样品模块与珀耳帖型热电元件之间之外，没有可以方便地定位非珀耳帖型加热装置的位置，这将由于需要通过加热器进行冷却而进一步降低效率。

循环器还可以包括光学组件-例如，包括光源和光检测器，任选地具有一个或多个透镜。这允许循环器用于当反应进行时实时检测来自反应的荧光或其它信号。光源和光传感器可以包括任意电磁辐射，而不只是可见光。循环器还可以包括限制特定波长的光的滤光器。循环器还可以包括第二光源；这允许相对低成本的两个标记检测系统，其中两个光源以不同波长进行照射。在循环器在每一个循环反应中使用多个样品或反应容器的情况下，循环器可以适当地包括用于每一个样品的至少一个光源/传感器组合。