[发明专利]具有控温囊的聚合酶链式反应热循环仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种用来进行化学反应的设备，特别是用来进行聚合酶链式反应(PCR)的自动设备。更具体地说，本发明提供了对自动PCR设备中的反应温度进行控制的方法和设备。本发明可以应用于分析化学、分子生物学和过程化学中。

背景技术

聚合酶链式反应(PCR)已经成为生物化学实验室中的主流，其原因在于：这种利用聚合酶酶(例如Taq聚合酶)来对寡核苷酸进行复制的一流的方法已经成为生物技术研究和产品的蓬勃发展中的主要因素。该方法及其应用是本领域技术人员所公知的(Ausubel，Brent等人1992)。简单地说，PCR使寡核苷酸(特别是DNA)能被迅速复制，从而能使寡核苷酸(oligonucleotide)的单拷贝转化为高浓度从而能进行进一步的操作或分析。所述PCR过程包括：使靶寡核苷酸从样品中转移至粗提取物中；向所述提取物中加入含有各种酶、缓冲剂、三磷酸盐(dNTPS)和互补(complimentary)的寡核苷酸引物的水溶液，以形成反应混合物；使反应混合物的温度在两个或三个温度之间进行重复循环(例如，90℃-96℃、37℃-65℃和72℃)，从而使所述靶寡核苷酸的复制能够进行；然后对扩增的寡核苷酸进行检测。还可以包括中间步骤，例如反应产物的提纯和表面弯曲的引物(surface-bending primers)的结合。每一个循环都使靶低聚物序列的数量加倍。PCR技术能够使寡核苷酸或寡核糖核苷酸的单个分子扩增约10⁶至约10⁹倍。

由于遗传信息可以用来证实对有机体的个体和类型的识别，并且由于PCR能从非常小的样品中产生可以进行分析的量的遗传物质，因此存在有许多技术以促进PCR在分析作业和法医作业中的应用。具体来说，在执法过程中和军事中广泛地利用PCR来对身份不明的尸体和罪犯进行识别。将PCR应用于国防和国家安全中也属于积极发展生物防御领域内容。而且，医生和医院越来越希望获得能在给予照护过程中使用的便携式PCR技术。这种用途的实例包括：

·筛选血液、唾液或尿液样品中的多种与上呼吸道、肠道或STD(性传播疾病)感染有关的传染病。

·确定传染病是否对抗生素具有耐受性。

·确定感染是病毒性感染还是细菌性感染。

·识别个体对药物不良反应的易感性。

·对癌症类型进行诊断(例如，乳腺癌、前列腺癌、卵巢癌、胰腺癌)。

·识别个体容易患阿尔茨海默式病(alzheimer's disease)的倾向性。

这些应用产生了对自动化PCR设备的大量需求，这些PCR设备能从远程对小样品浓度进行就地处理，从而向研究者和医务工作者提供分析数据。

如以上所提到的，所述PCR过程中的基本操作是热循环，即升高或降低反应温度从而使所述扩增过程能够进行，其中，将反应混合物的温度在约60℃至约95℃之间进行50次或更多次的调节。热循环通常具有四个阶段：将样品加热至第一温度；将所述样品保持在该第一温度下；将所述样品冷却至较低的温度；以及保持该较低温度下的温度。传统的PCR仪器通常使用具有多达96个锥形反应管的铝块(aluminum block)，该反应管中含有样品和扩增所必须的试剂。在所述PCR扩增过程中对该铝块进行加热和冷却，通常使用Peltier加热/冷却设备，或闭环液体加热/冷却体系，该体系在铝块中加工出来的通道内流通。然而，所述铝块的大质量以及铝的传导率将加热和冷却的速率限制为每秒1℃；因此，50次循环的PCR扩增过程需要花费至少2个小时。

此外，所述铝块的冷却速率明显低于加热速率。加热速率和冷却速率之间的不对称降低了PCR过程的效率。例如，不期望的副反应能够在产生不需要的DNA产品的极端条件之间的温度下发生，例如被称为“引物-二聚物”和不规则的扩增子(amplieon)，它们会消耗期望PCR反应所必须的试剂。其他过程，例如配体结合(有机的或酶的)也会在不均匀的温度下发生不期望的副反应，这经常会降低分析的等级。出于这些原因，PCR过程以及类似的生物化学反应过程的最优化的要求是，尽可能快地达到所期望的最佳反应温度，中间温度占去最少的时间。因此，必须将含有试剂的反应器设计为使加热速率和冷却速率最优化，允许实时光学审讯(real time optical interrogation)，并接受各种样品体积。