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CN106573245B - 实现pcr的浮动热接触 - Google Patents

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CN106573245B
CN106573245B CN201580036116.3A CN201580036116A CN106573245B CN 106573245 B CN106573245 B CN 106573245B CN 201580036116 A CN201580036116 A CN 201580036116A CN 106573245 B CN106573245 B CN 106573245B
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Abstract

本发明大体上涉及利用浮动热接触在热力管理装置中实现PCR的系统。所述系统由附接到框架的多个热力区构成，每个区是独立地致动的隔离的子组件。每个区的致动确保与不均匀、但平坦的微流体芯片物理接触，以实现有效的传导性热传递。每个区的隔离用来将热力区彼此绝热，并且使相邻区之间的不期望的热传递最小化，从而使每个区处于适当的均匀温度。

Description

实现PCR的浮动热接触
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2014年6月30日的名称为“FLOATING THERMAL CONTACTENABLED PCR(实现PCR的浮动热接触)”的美国临时申请第62/018,893号的优先权和权益，给申请的公开内容以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明属于分子生物学和仪器的技术领域中。
背景技术
通过使用具有合适长度和几何形状的通道将反应空间物理移动通过微流体装置的各分开的热力区，可以循环聚合酶链反应(PCR)装置的温度以用于在反应空间中的DNA复制。典型的PCR系统在相对大的室中具有流体，并且循环该室周围的温度。其它系统使用柔性配管将流体循环经过各受热区。在刚性的平面微流体装置中进行PCR的一个问题是，可能难以实现良好的热力连接，因此结果可能是不一致且不可靠的。为了降低成本和制造复杂性，希望热力管理系统是能附接到微流体组件的外部装置。微流体装置上的热力区的数量、各热活性区的温度范围、各区彼此的接近度均限制可进行的关于热力管理装置的设计选择。以下发明使用浮动热接触来实现PCR反应。描述了这样一种装置：该装置用于通过使用隔离的、可移动且导电的各区来管理外部部分或组件上的多个区的加热和冷却，从而能够进行非常高效的PCR反应。本申请中的任何文献的引用或识别不是承认该文献可作为本发明的现有技术。
发明内容
本发明大体上涉及一种系统，该系统利用在热力管理装置中的浮动热力接触在联接的微流体装置中实现PCR。热力管理装置包括附接到框架的多个热力区，其中每个区是单独地致动的隔离的子组件。每个区的致动确保与不均匀、但平坦的微流体芯片的物理接触，以实现有效的传导性热传递。每个区的隔离用来将各热力区彼此绝热，并且使相邻区之间的不期望的热传递最小化，从而使每个区处于适当的均匀温度。
t应当指出，在本公开中，特别是在权利要求书和/或段落中，诸如“包括”、“包括了”、“包括有”等的术语可具有在美国专利法中归属于其的含义；例如，它们可以表示“包含”、“包含了”、“包含有”等；并且诸如“大致由...组成”和“大致由...构成”的术语具有在美国专利法中归属于其的含义，例如，它们允许未明确列举的要素，但排除可见于现有技术中或影响本发明的基本或新颖特征的要素。
t如本文所用，“微流体”是指包括至少一个流体通道的装置、设备或系统，该流体通道具有小于1mm的横截面尺寸和至少约3:1的长度与垂直于该通道的最大横截面尺寸的比率。如本文所用，“微流体通道”是满足这些标准的通道。
t在一些实施例中，本公开涉及用于在微流体通道中实现PCR反应的热力管理装置，其中，该装置包括：框架；一个或多个热力区子组件，其联接到框架，其中，每个热力区子组件可具有热力控制元件，并且其中，每个热力区子组件可由一个或多个热致动机构联接到框架；以及一个或多个热力扩散器，其被构造成接触所述一个或多个热力区子组件的热力控制元件。在其中可进行PCR的微流体装置可安装在热力管理装置上或机械联接到热力管理装置上。
t在一些实施方式中，热致动机构还包括绝热轴承、紧固件和弹簧，其中，弹簧被构造成施加力以将热力控制元件朝所述一个或多个热力扩散器中的一个驱动。在一些方面中，绝热轴承为基于聚合物的轴承。在其它方面中，每个紧固件为带肩螺钉，并且每个热致动机构包括至少一个基于聚合物的轴承，其中，该轴承可在附接到框架的带肩螺钉的轴上上下行进，并可由弹簧推动(在一些构型中，向上)。在另外的方面中，每个热力控制元件可被构造成具有从约22℃至约95℃的操作温度。在一些方面中，热致动机构中的每一个还包括围绕带肩螺钉的第一绝热纤维垫圈，该垫圈将弹簧保持在位。在这样的方面中，轴承可包括凸缘，凸缘在轴承的与框架接触的一端上扩展。在其它方面中，每个热力区子组件具有在其自身和任何其它热力区子组件或框架之间的1mm的最小间距。
t在一些实施例中，至少一个热力区组件具有用来将热力区保持在室温以上的温度的电阻加热元件。在另外的实施例中，至少一个热力区组件具有用来将热力区保持在室温或以下的温度的热电元件。在这样的方面中，至少一个热力区组件将热力区保持在室温以上的温度，并且至少另一个热力区组件将热力区保持在室温或以下的温度。在一些实施方式中，第一热力区和第五热力区保持在室温或以下的温度，第二热力区、第四热力区和第六热力区保持在室温以上的温度，并且第三热力区保持在高于至少第二热力区的温度的温度。在一些方面中，热力区子组件中的至少一个联接到散热器。在这样的方面中，散热器可以是翅片散热器，热力区子组件中的至少一个可经由热管远程地连接到散热器，并且替代地或另外地热力区子组件中的至少另一个可直接安装在散热器上。
t在另外的实施例中，柔性加热器电路被构造和布置成热力管理装置的两个或更多个热力区子组件的热力控制元件。在一些方面中，柔性加热器电路的第一区域可由热致动机构中的一个移动至与热力扩散器中的一个接触。在其它方面中，柔性加热器电路的第一区域与热力扩散器中的一个接触，并且柔性加热器电路的至少第二区域与热力扩散器中的另一个接触。在另外的方面中，柔性加热器电路的第一区域和柔性加热器电路的第二区域可相对于彼此挠曲约0.75mm至约1.0mm的距离。
t这些和其它实施例从下面的具体实施方式公开或显而易见并且由具体实施方式涵盖。
附图说明
t以下详细描述结合附图可以最好地理解，该描述以举例方式提供，但并非意图将本发明仅限于所描述的具体实施例。
t图1是根据本公开的各方面的布置在热力管理装置中的用于PCR的热力区的示意性布局，其标有指示每个区的示例性温度标记。
t图2A是根据本公开的各方面的用于热力管理装置的热力区致动机构的示意性剖视图，该热力管理装置用于微流体芯片PCR。
t图2B是根据本公开的各方面的用于微流体芯片PCR的热力管理装置的区域的示意性剖视图，其具有多个热力区致动机构。
t图3是根据本公开的各方面的示例性热力区子组件的设计示意图和分解示意图，该组件带有远程安装的散热器，有该散热器的分解示意图。
t图4是根据本公开的各方面的示例性热力区子组件的设计示意图和分解示意图，该组件带有直接安装的散热器，有该散热器的分解示意图。
t图5是根据本公开的各方面的示例性的电阻性多热力区组件的设计示意图和分解示意图，有该电阻性多热力区组件的分解示意图。
t图6是根据本公开的各方面的用于使用热力管理装置对PCR进行热力控制的示例性过程的流程图。
具体实施方式
t下面提供本发明的一些实施例的简要总结，以便获得对本发明的基本理解。该总结并不是本发明的详尽概述。并且并非意图识别本发明的关键或重要元素或描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化的形式提出本发明的一些实施例，作为之后提出的更详细描述的序言。
t为了使用聚合酶链反应(PCR)方法复制DNA，反应体积被循环通过一系列不同的温度以开始或停止不同的化学反应。传统上，这通过利用电热模块同时加热和冷却反应体积来实现。这种热力循环也可通过将反应体积移动通过保持在不同温度的多个区来实现。一种通常的解决办法是将柔性盘缠绕在热力区周围，其中柔性盘管适形于各热力区。为了移动非常小的反应体积，人们可以典型地在一体化的平面微流体回路中使用带有具有合适长度和几何形状的通道的微流体装置。然而，这些装置通常是刚性的，这使得难以实现与热力管理系统的各热力区的良好的热接触。本公开提供了这样的结构和方法，其确保热力管理装置的每个热力区在各操作温度下与微流体装置有效地进行接触。
t本文所考虑的微流体装置(替代地称为储盒)可以是带有一系列贮存器的主体，贮存器用于存储和接收不同的化学试剂，这些试剂被供应至结合到主体的微流体“芯片”。在一些方面中，试剂可作为多个小滴提供至样品流体。微流体芯片可以是装置的相对平坦的部分，其包含多个微米级的通道和有利于不同的化学反应的其它管件特征。在本公开的示例性实施例中，这些反应的结果可被分析以确定一种或多种特定基因的DNA序列。为了为这些化学反应供给或移除热量，该微流体装置可被插入热力管理系统中，其中，热力管理装置的各个热力区子组件可调整并移入操作位置，从而直接接触微流体装置的各区域。每个单独的热力区子组件可具有一个或多个热力区致动机构，以将诸如热扩散元件的热元件调整并移动至在具体位置处与微流体装置接触。
t微流体装置的几何形状(包括其热活性区的尺寸和形状)在设计热力管理装置过程中带来许多挑战。困难的是制造这样的微流体部件或多区热装置，其具有足够高的平坦度，以确保在微流体装置和各不同区之间的适当接触和传导。微流体部件的平坦度的偏差可以仅仅是仍在制造公差内的不可避免的机械偏差的结果。各热力区本身彼此非常靠近，并且在一些情况下希望它们尽可能地靠近彼此，以便在在热力区之间传送的样品中实现反应。例如，各相邻区的温度可具有40℃/mm或更高的陡峭的温度梯度。一般来讲，在操作期间，各热力区可处于35℃或更高的温度，并且可被称为加热热力控制区。在一些情况下，温度区中的一些需要加热并升温至35℃或更高的温度，但其它热力控制区可以冷却至低于25℃(室温)。例如，冷却各热力控制区可操作用于保存保持在微流体装置内的易腐试剂，这些试剂在长期暴露于相对较高的温度时会损坏。
t传导是在固体和液体之间热传递的最有效形式，它只能通过直接物理接触进行。为了在这种情况下发生传导，在微流体装置和热力管理装置之间必须存在接触。如前所指，在较大的表面积上确保接触是困难的，尤其是在与基于塑料或玻璃的微流体装置相互作用的多元件组件中。在较大的表面积上分散热量的一些方法已经在微流体装置和热源之间使用了导热流体或热力油脂，但这样的实施是复杂的，并且需要大量的维护。为了在足够的表面积上充分且准确地分散热量，本公开的热力区均为独立致动的，以使得它们能够适形于微流体装置中的任何局部或全局不平坦。
t为了单独地致动每个区，有用的是使每个区成为分开的子组件，这使得每个区可以与其它各区热隔离。在本发明的一个实施例中，每个区在其自身和任何其它区或各区所附接到的装置的框架之间具有1毫米(1mm)的最小间距。本发明提供了用于每个区的多个轴承和轴元件，这些元件可被称为热力区致动机构。为了将每个热力区与框架进一步绝热，本发明可使用热绝热轴承(例如，基于聚合物的轴承)和非导热垫圈，该垫圈具有比任何金属等同物低得多的传导速率。该构型将对于可用于每个区到随后的区的热传递路径进行限制，从而提高了热力管理装置的能量效率。
t换句话讲，通过直接接触到各个热子组件而维持了到微流体装置的各具体部段的强的热传导。相对较弱的热梯度仍可存在，至少部分地由于例如：每个区之间的气隙中的对流；在每个区和热力管理装置的支撑框架之间经由绝热的纤维垫圈进行的传导；和/或在每个区和支撑框架之间经由聚合物轴承和将热力管理装置子组件联接在一起的不锈钢带肩螺钉进行的传导。
t各种加热元件用来满足装置的不同热力区的不同温度要求。加热元件中的一些直接或远程地安装到散热器(例如，翅片散热器)，以增加热质量并有利于从各区到环境的对流性热传递。各加热元件可以是电阻加热器、帕尔贴加热器等。
t当微流体装置被插入、连接和/或联接到热力管理装置时，在每个热力区致动机构中的弹簧荷载将每个热力区子组件的加热和/或冷却元件推动至与微流体装置上的各有关热力区直接接触。这确保良好的接触和因此向微流体芯片内的良好热传导。
t图1是布置在示例性热力管理装置100中的用于PCR的各热力区的示意性布局，其标有指示每个热力区的示例性温度标记。一般来讲，假设系统正在处于标准的25℃室温或略高的环境中操作。热力控制区中的一些(例如，设定至约22℃或约35℃的各区域)可由热电元件加热和/或冷却。升高至相对较高的温度的热力控制区中的一些(例如，设定至约95℃的各区域)可由电阻加热元件加热。在一些实施方式中，热力管理装置的每个热力区与各个热力控制子组件有关。在一些实施例中，热力管理装置的每个热力控制区被独立地且分开地控制。
t热力管理装置100具有可用于加热和/或冷却的多个热力控制区。包含微流体芯片(其元件显示为覆盖在热力管理装置100上)的装置可被插入在热力管理装置100上方且相邻的PCR装置中，其中，微流体芯片可具有一个或多个通道，这些通道对齐以在热力管理装置100的各特定热力控制区上方经过。因此，待扩增和/或测序的样品经由一个或多个通道(替代地被称为蛇形PCR)移动通过各区域，而不是温度斜坡上升和下降的单个热块。
t一旦安装在PCR装置内，在微流体芯片上的样品就被定位在第一热力区102(替代地被称为样品冷却区)上方，其中，样品处于微流体装置上的主贮存器103中。第一热力区102可将主贮存器103中的样品的温度冷却或保持在约22℃±4℃的温度。附加的样品、试剂、缓冲液、油、和/或其它流体或材料也可存储在微流体装置上。样品流体被从主贮存器103通过微流体芯片的第一通道部段101(替代地被称为上部蛇形区域)向外导向。附加的样品、试剂、缓冲液、油、和/或其它流体或材料可添加到在第一通道部段101中的样品，并且反应可在第一通道部段101内发生。在穿过微流体芯片通道时，样品可呈小滴的形式。在替代实施例中，附加的样品、试剂、缓冲液、油、和/或其它流体或材料可添加到在主贮存器103内的样品。在另外的替代实施例中，样品可被注入具有相关的试剂、缓冲液、油等的芯片上的现有小滴中。在另一些实施例中，样品可在大液滴(称为“段塞”)内进行PCR，该大液滴可在PCR后随后被注入微流体芯片上预先存在的小滴中。
t样品通过第一通道部段101导向离开主贮存器103且远离第一热力区102，并且在各种试剂被添加且反应进行(在未示出的微流体芯片的各区中)之后，样品进入第二热力区104(替代地被称为主扩展区)和第三热力区106(替代地被称为变性区)。在一些实施方式中，样品被导引通过上部蛇形区域在经过主扩展区之前一时间段内经过变性区。由于第一通道部段101交替地经过第二热力区104和第三热力区106，样品循环通过在第二热力区104和第三热力区106之间的热梯度，该热梯度可被设定为促进PCR。在一些实施方式中，第二热力区104可被设定至约65℃±2℃的温度。在一些实施方式中，第三热力区106可被设定至约95℃±5℃的温度。在一些特定实施方式中，第三热力区106可被设定至约98℃±2℃的温度。第一通道部段101可继续将样品朝第四热力区108(替代地被称为次扩展区)导向，并且交替地经过第三热力区106和第四热力区108，使得样品循环通过在第三热力区106和第四热力区108之间的热梯度，该热梯度可被设定为进一步促进PCR。在一些实施方式中，第四热力区108可被设定至约55℃±6℃的温度。在一些特定实施方式中，第四热力区108可被设定至约51℃±2℃的温度。
t在穿过第一通道部段101之后，样品可与(多种)附加的温度受控的试剂(例如，酶溶液)以及其它非温度受控的试剂一起注射，以有利于测序反应。(多种)温度受控的测序试剂可保持在微流体装置上的次贮存器105中，并可与其它试剂一起通过注射通道107引入样品中。次贮存器105可被定位在第五热力区(替代地被称为酶冷却区)上方，第五热力区可将次贮存器105中的测序试剂(例如，酶溶液)冷却或保持在约22℃±4℃的温度。一旦与测序试剂一起注射，样品继续通过微流体芯片的第二通道部段109(替代地被称为下部蛇形区域)。
t微流体芯片的第二通道部段109可经过第六热力区112(替代地被称为测序孵化区)，第六热力区可被设定至约34℃±2℃的温度。在一些特定实施方式中，第六热力区112可被设定至约35℃±1℃的温度。在样品穿过处于第六热力区112的温度或附近的温度的第二通道部段109的同时，样品可经历测序反应。第二通道部段109可从第六热力区112返回至第二热力区104，使得测序反应可在约第二热力区104的温度下完成。经扩增和测序的样品可接着通过第二通道部段109行进至光学检测区域111，在那里，样品可被观测、测量和/或表征。在穿过光学检测区域111之后，样品可被导引至废物贮存器113。光学检测区域111和废物贮存器113中的任一者或两者可位于微流体芯片上。在一些实施例中，光学检测区域111和废物贮存器113中的任一者或两者可位于微流体装置上，但不在微流体芯片上。在各替代实施例中，光学检测区域111和废物贮存器113可位于PCR装置中，离开微流体装置。在一些实施方式中，光学检测区域111位于微流体芯片上，并且废物贮存器113位于微流体装置上，但不在微流体芯片上。
t热力控制装置100的各种热力控制区中的每一个可以是单独的子组件，其具有热力控制元件、支撑框架、引导螺钉、弹簧和热力扩散器元件，热力扩散器元件被构造成当微流体装置安装在PCR装置内时接触微流体装置的特定区域。各个子组件也可联接到散热器和/或绝热体。在各种构型中，第一热力区102、第二热力区104、第三热力区106、第四热力区108、第五热力区110和第六热力区112中的每一个可直接联接到绝热材料。在另外的构型中，第一热力区102、第二热力区104、第三热力区106、第四热力区108、第五热力区110和第六热力区112中的每一个可直接联接到散热器。在另外的替代构型中，第一热力区102、第二热力区104、第三热力区106、第四热力区108、第五热力区110和第六热力区112中的每一个可经由诸如热管的热传导元件间接联接到散热器。对于本文所公开的间接联接到散热器的各热力区来说，联接可通过一根热管、两根热管或三根或更多根热管进行。在本公开的一些实施方式中，第三热力区106可联接到绝热材料，第一热力区102、第二热力区104和第四热力区108可直接联接到相应的散热器，并且第五热力区110和第六热力区112可间接联接到相应的散热器。
t在一些实施例中，微流体芯片还可包括中间观测区域。在一些方面中，在样品实际上进入通道的上部蛇形部分之前，主观测区域115可沿着第一通道部段101定位。主观测区域115可被构造成当用于PCR的试剂被添加到样品时测量并观测总体流体。类似地，在各其它方面中，次观测区域117可被定位成在样品实际上进入通道的下部蛇形部分之前靠近第一通道部段101、注射通道107和第二通道部段109的接口。次观测区域117可被构造成当用于测序的试剂被添加到样品时测量并观测总体流体。光学检测区域111保留在测序后的位置处以测量并观测测序后的样品。
t图2A是用于热力管理装置的热力区致动机构200的示意性剖视图，该热力管理装置用于微流体芯片PCR。在一些实施例中，每个热力控制区具有三到五(3-5)个热力区致动机构200，其布置为各子组件的一部分，间隔开以平衡在每个热力区的中心或附近的总弹簧力。框架201为固定元件，其同时为用于每个热力区致动机构200的微流体装置和安装结构两者提供支承。对于每个热力区致动机构200来说，带肩螺钉202经由螺纹孔附接到整个热框架201。热模块基板203(如本文所示绝热的热模块基板203)可延伸横跨热力区的面积的至少一部分，在热模块基板203中具有孔，聚合物轴承204被插入该孔中。如本文所示，热模块基板203可以是单部分部件，但在另外的实施例中，更大的或多部分热模块可被定位在热模块基板203在图2A和图2B中实施的地方。聚合物轴承204中的孔允许带肩螺钉202穿过。在一些方面中，热模块基板203可机械地和/或热联接到热源或加热元件，使得热模块基板203可控制热量向联接到热力区致动机构200的热扩散元件的传导。轴承204允许热模块基板203沿着热力区子组件中的带肩螺钉202的轴上下行进。在每个热力区致动机构200中，轴承204和热模块基板203中的任一者或两者操作地联接到弹簧205且由弹簧205向上推动。相应地，由于热模块基板203沿着带肩螺钉202的长度的位置是可变的，其中来自热力区中的所述一个或多个弹簧205的弹簧力在热模块基板203上向上推动，并且其中任何重量或荷载(例如，微流体芯片)经由框架201在热模块基板203上施加向下的力，热绝缘体203和轴承204可被称为相对于框架201“浮动的”，因为它们提供到置于框架201上的各种荷载的接触。
t在一些实施例中，第一绝热纤维垫圈206和第二绝热纤维垫圈206'可位于带肩螺钉202周围。特别地，第二绝热纤维垫圈206'可被定位在热模块基板203和框架201之间，以将各区与框架201和带肩螺钉202热绝缘。类似地，第一绝热纤维垫圈206可提供较大的物理直径，以将弹簧205保持在位，以分布来自压缩的力，并且将带肩螺钉202与弹簧205绝热，因为弹簧205与热模块基板203直接接触。当微流体装置被夹紧到整个热系统时，微流体芯片固定到装置框架201，使得热模块基板203被向下推动，从而压缩在所有热力区中的弹簧205。弹簧205由此向微流体装置的各区施加向上的压力。在替代实施例中，轴承204的形状可被构造成具有与框架201接触的凸缘，该凸缘足够大，以消除对第二绝热纤维垫圈206'的需求。
t弹簧205解决了本来可能由于微流体芯片的构造中的偏差而导致的不完美的接触的问题。弹簧205将力施加到轴承204，从而将此处以简化形式示出为单部分热模块基板203(例如，加热元件)的热模块设置成与微流体芯片热接触。每个热模块可具有用于每个区的多个机构，使得弹簧力可均匀地横跨给定区中的任何负载施加。在一些实施方式中，热模块可被构造成具有两个、三个、四个、五个、六个或更多个机构以施加弹簧力，如本文所公开的。在一些方面中，任何弹簧205的压缩位移可以是0.1mm、0.2mm、0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、或在该范围内的长度的任何增量或梯度。在另外的方面中，任何弹簧205的压缩位移可以小于0.1mm或大于2.0mm。
t在热力区致动机构的替代实施例中，除了图示卷簧205之外的结构可独立地或结合地使用，以提供力，从而确保在热力区子组件和微流体装置之间的接触。在一些方面中，这样的替代方案可包括：拉伸弹簧，其由二元或“翻转”机构触发；弹性体零件，例如由橡胶制成的零件；挠曲机构；马达；气动致动器；气体弹簧；蝶形弹簧；波型弹簧；盘式弹簧；扭转弹簧；配重；磁体；记忆合金；或在其中热源和热量扩散器被定位在微流体装置上方的实施例中的重力。
t在热力区致动机构的许多实施例中，轴承204可以是聚合物轴承。轴承204可替代地被构造为：金属衬套，可选地用涂有的油或聚合物润滑；挠曲机构；或滚珠轴承套。在另外的替代实施例中，带肩螺钉202或联接到带肩螺钉202的托架可以是用塑料或油浸渍的塑性部件，其中托架具有充当衬套的平孔，并且该构型不包括单独的轴承。
t图2B是用于微流体芯片PCR的热力管理装置的两个热力控制区的示意性剖视图，其具有位于各热力控制区上的多个热力区致动机构。如图2B所示，围绕带肩螺钉202的轴承204具有与框架201接触的凸缘，其有助于接触和可以从框架201或从联接到轴承204的弹簧205施加的力的分布。还示出热力扩散器207(替代地被称为热量扩散器)，微流体板在PCR操作期间可驻留在该扩散器上方。在一个热力扩散器207(右侧)下方是绝热热模块基板203，其通过抑制远离该热力扩散器的热量传输而提供温度控制。在另一个热力扩散器207(左侧)下方是散热器热模块基板208。每个热力扩散器207热联接到加热元件209，其中加热元件209可以是柔性的电阻加热元件，并且还可具有两个、三个或更多个加热力区，这些加热力区可被设定至不同温度或相同温度。在另外的实施方式中，加热元件209也可是多个元件。
t加热元件209可以是单个柔性主体，其包含多个独立地控制的加热力区。相应地，加热元件209可将所述一个或多个热力扩散器207的温度升高至特定的温度或温度范围，各种热力区致动机构可提供向上的力，以确保每个热力扩散器207与微流体芯片上的对应的区域直接接触，其中接触是大体上均匀的并且在热力扩散器207的整个区域上具有相等的力。此外，框架201可有助于在不同的热力扩散器207或其它热力控制区子组件之间的定位控制。热力扩散器207还可包括通道，以允许连接到热敏电阻器的线材联接到子组件，其中热敏电阻器可在热力扩散器207的顶侧和底侧中的任一侧或两侧上。在一些实施方式中，热力扩散器207可由铜、其它导电金属或合金或聚合物间隙垫材料制成。在另外的实施方式中，热力扩散器207可以是充分柔性的，使得每个热力区不需要单独的热力扩散器207，相反，单个热力扩散器207可延伸横跨两个或更多个热力区并且在被致动到与微流体装置接触的位置时相应地挠曲。
t在用于热力管理装置的热力区致动机构的另外的替代实施例中，带肩螺钉202和轴承204的取向可互换。在这样的构型中，带肩螺钉202可被称为轴，并且轴承204可被称为衬套，其中衬套机械地联接到框架201，并且轴可机械地联接到诸如托架的其它支承结构。
t需要达到高温的装置中的热力控制区常常使用电阻加热、热电元件(帕尔贴)、红外线、受热流体、或其它加热方法。例如，升高至95℃的热力控制区(例如，变性区)可使用安装在托架上的电阻加热元件，托架由诸如Garolite增强的酚醛树脂的刚性绝热材料制成，以便减少向环境的不期望的热传递。在一些实施例中，升高至约65℃(例如，主杂交区)和约55℃(例如，次杂交区)的温度但位于靠近设定在95℃的热力控制区附近(在各区之间具有例如1mm的小间隙)的一个或两个其它热力控制区可安装在翅片散热器上，以增加其热质量和向环境的热传递速率。联接到设定在65℃和55℃的热力控制区的这些翅片散热器可帮助耗散从相邻的95℃区中传递的热量，并且也允许更容易地控制各区的温度，因为散热器增加了冷却速率。换句话讲，让散热器在温度相对较高的区上使得在使用者或过程控制器请求较低的温度时散热器可以更快地冷却，并且也使得加热器控制器更难超过所需的温度。
t具有中间温度的热力区可能需要具有不同的功能。例如，设定在约35℃的热力控制区可用来使用电阻或热电元件加热其自己的热力控制区。替代地，设定在约35℃的热力控制区可用来充当散热器，以对相邻的相对更热的热力控制区移除/传递热量。另一个示例是其中两个热力控制区被构造成靠近试剂贮存器、其中试剂需要保持在室温或以下(例如，在22℃)。这样的热力控制区由单独的热电元件或其它冷却方法冷却。
t可用于所公开的热力控制区的替代的加热或冷却元件包括但不限于：硅树脂电阻加热器；陶瓷电阻加热器；斯特林发动机；液氮、干冰或其它相变材料；液体冷却或液体加热电路；以及诸如“加热灯”的红外照明。用于冷却热力区的另外的应用包括：直接吹在热力控制元件的表面上的风扇或其它空气源；液体冷却；使用连接到热力控制元件的底盘作为冷却散热器；和/或配管，其具有与受热区接触的冷却气体，以提供热交换管道(例如，如在冷藏机中)。
t图3是具有远程安装的散热器302的示例性热力区子组件300的设计示意图。在一些实施例中，热力区子组件300可以是热力控制区子组件之一，其相对于相邻的热力控制区子组件中的一个或多个保持较低的温度。当与微流体装置接触时，热电模块301(作为热力区子组件300的一部分)可将热量传导到微流体装置的区域中。热力区子组件300将多余的热量或废热从热电模块301传递至远程散热器302。在各种方面中，该构型和结构可在本来没有足够的空间将散热器直接附接到热电模块301的情况下使用。热电模块301和远程散热器302也可附接到托架303(在图2A中示出为热模块主体203)。通过该托架303，多个热管305可用来将废热通过相对较小的空间并且以相比仅通过固体材料传导能实现的更高的速率传导远离热电模块301。在其中没有足够的间隙用于具有足够的尺寸和热容量的散热器302的区域中，散热器302可附接到与热电模块301相对的这些热管305的端部。
t在一些方面中，热力区子组件300也可包括热量扩散器306，其布置成使得微流体装置不直接接触热电模块301，而是布置成使得热电模块301(或其它热力控制元件)可散布在比由热电模块301单独占据的更大的面积上。换句话讲，来自热力区子组件300的热力控制元件的热量被传导至表面，该表面在这种情况下具有比元件自身的表面更大的表面积，并可加热微流体装置的对应区域。在此图中还示出作为致动机构一部分的聚合物衬套304。
t热接口材料307可与散热器302和热管305两者接触，并且被定位成确保在散热器302和热管305之间的热传导。此外，顶侧热敏电阻器308和底侧热敏电阻器309可分别定位在热电模块301的上方和下方，以监测该热电模块301和相应的热子组件的温度。这样的热敏电阻器中的一个或多个可以与控制系统或控制器通信，以调整热电模块301的温度或停止其操作。在一些应用中，可在热电模块301上使用热力油脂来确保在热电模块301的一侧或两侧上的传导。
t图4是具有直接安装的散热器的示例性热力区子组件的设计示意图。在一些实施例中，热力区子组件400可以是热力控制区子组件之一，其相对于相邻的热力控制区子组件中的一个或多个保持较低的温度。当与微流体装置接触时，热电模块401(作为热力区子组件400的一部分)可将热量传导到微流体装置的区域中。热力区子组件400将多余的热量或废热从热电模块401传递至直接安装的散热器402。在各种方面中，该构型和结构可在有足够的空间将散热器402直接附接到热电模块401的情况下使用。
t在一些方面中，热力区子组件400也可包括热量扩散器406，其布置成使得微流体装置不直接接触热电模块401，而是布置成使得热电模块401(或其它热力控制元件)可散布在比由热电模块401单独占据的更小的面积上。换句话讲，来自热力区子组件400的热力控制元件的热传递被传导至表面，该表面在这种情况下具有比元件自身的表面更小的表面积，并可将热量传递至微流体装置的对应区域。在此图中还示出作为致动机构一部分的聚合物衬套404。
t此外，顶侧热敏电阻器403和底侧热敏电阻器405可分别定位在热电模块401的上方和下方，以监测该热电模块401和相应的热子组件的温度。这样的热敏电阻器中的一个或多个可以与控制系统或控制器通信，以调整或停止热电模块401的操作。在一些应用中，可在热电模块401上使用热力油脂来确保在热电模块401的一侧或两侧上的传导。
t图5是示例性的电阻性多热力区组件的设计示意图。柔性加热器电路501(在图2B中示出为加热元件209)被定位在一组热扩散元件和相应的热力区子组件中的对应的一组热致动机构之间。如图所示，柔性加热器电路501具有三个相连但结构上不同的区域，这些区域可各自设定到相同或不同的温度。在其它实施例中，柔性加热器电路501可被构造成具有两个相连但结构上不同的区域，并且在其它实施例中，柔性加热器电路501可被构造成具有四个或更多个相连但结构上不同的区域。在替代实施例中，柔性加热器电路501可被构造成具有单个区域。在柔性加热器电路501下方设置有第一散热器502和第二散热器503(在图2B中示出为散热器热模块基板208)、以及绝热热模块主体505(在图2A和图2B中示出为绝热热模块主体203)，其中第一散热器502可直接安装到柔性加热器电路501，并且第二散热器503可远程地联接到柔性加热器电路501，使得各个散热器和绝热热模块主体对应于不同的热力区。聚合物轴承504指示可施加力以移动各个热力区模块的热力区致动机构的位置，以便将第一热量扩散器元件509、第二热量扩散器元件510和第三热量扩散器元件511放置成与微流体装置接触。柔性加热器电路501的每个区域由材料的相对小的凸块相连，从而允许每个区在由相应的热力区致动机构驱动时独立地移动。在一些方面中，柔性加热器电路501的每个区可相对于柔性加热器电路501的其它区移动或挠曲至多约0.75mm至1.0mm的距离。
t在第一热量扩散器元件509、第二热量扩散器元件510和第三热量扩散器元件511与柔性加热器电路501之间定位有第一热敏电阻器506、第二热敏电阻器507和第三热敏电阻器508，每个热敏电阻器位于柔性加热器电路501的不同区内。这些热敏电阻器可监测柔性加热器电路501和连接到柔性加热器电路501的相应的热子组件的温度。这样的热敏电阻器中的一个或多个可与控制系统或控制器通信，以调整柔性加热器电路501的各区中的一个或多个的温度或停止其操作。在柔性加热器电路501上方设置有第一热量扩散器509、第二热量扩散器510和第三热量扩散器511。当对应的热力区致动机构接合时，柔性加热器电路501的对应的一个或多个区域可被移动(经由聚合物轴承504)至与第一热量扩散器509、第二热量扩散器510和第三热量扩散器511中的一个或多个直接接触。因为各部件刚性地安装在一起，每个热力区组件在被致动时一致地移动，尽管柔性加热器电路501作为多于一个热力区组件的部件向四周扩散(例如，如图5所示，存在三个单独的热力区组件，其由以下元件的布置来识别：509-506-501-505、510-507-501-503和511-508-501-505)。与第一热量扩散器509、第二热量扩散器510和第三热量扩散器511中的一个或多个接触的微流体装置可由此被加热(或在一些方面中冷却)至由柔性加热器电路501的对应区域确定的温度。
t在一些示例性方面中，柔性加热器电路501可被控制以使每个区域设定至不同的温度，其中各热力区可相对于彼此表征为“低温”、“中等温度”和“高温”。例如，柔性加热器电路501可被构造成使得：第一热量扩散器509充当低温热量扩散器，第二热量扩散器510充当中等温度热量扩散器，并且第三热量扩散器511充当高温热量扩散器。搁置在热量扩散器元件上或以其它方式联接到热量扩散器元件的微流体装置的区域可因此升高(或在一些方面中降低)温度，以达到柔性加热器电路501的相邻区域的温度。
t在另外的实施例中，整个热力管理装置或其各部分可由薄的导热膜覆盖，以便帮助密封组件中的物理间隙中的任一个或全部。这样的密封可防止液体漏入或漏出组件。
t如上文所指，加热元件中许多直接安装到翅片散热器，以增加热质量并有利于从各区到环境的对流性热传递。在一些构型中，这样的区被单独的组件约束在物理空间内，并且没有用来直接安装散热器的物理空间。这些区使用热管将热量传递到远程散热器，图3中示出了远程散热器的一个示例。
t同样如上文所指，通过为每个区形成单独的模块，物理隔离和绝热热力管理装置中的每个热力区确保在每个区之间的热传导的最有效路径是附接的微流体装置自身。微流体装置可由作为弱热导体的聚合物制成，从而确保在各区之间仅存在少量热传递。这样，每个区的温度可保持很均匀且约束到各指定的热力区。
t图6是用于PCR的热力管理装置的热力控制的示例性过程的流程图。一般来讲，控制器600操作性地联接到热力管理装置，其中，控制器600被构造成将指令中继至热力管理装置及其部件和从热力管理装置及其部件接收传感器数据(例如，温度)。在一些方面中，控制器600可包括用户接口，以允许操作者直接或手动地控制热力管理装置的操作。控制器600可以是非暂时性计算机可读介质，其还被构造成存储并执行对热力管理装置的部件的编程的操作指令。在一些实施例中，控制器600可电子地联接到：在各个热力控制区中的加热和/或冷却元件、热力区致动机构、以及作为热力管理装置一部分的传感器(例如，热敏电阻器或光学检测器)。在其它实施例中，控制器600还可操作性地和电子地联接到微流体装置，使得当微流体装置联接到和紧邻热力管理装置时控制器600可部分地控制试剂和/或样品向微流体装置的通道中的引入和流动。
t在示例性过程中，在步骤602中，微流体储盒(替代地被称为芯片或板)被装载到热力控制系统中，并且机械地定位或联接到邻近的热力管理系统。微流体芯片可将样品保持在一个或多个贮存器中，或者样品可在一旦装载到热力控制系统中后立即添加到微流体芯片。在步骤604中，热力管理系统的各个热力控制区可被升高或降低以手动地设定或预设温度。在步骤606中，样品被从贮存器移入微流体芯片的反应通道区域中。在步骤608中，一种或多种试剂可在微流体芯片的相同的反应区域或反应通道处添加到样品，其中这样的试剂可以是用于样品的扩增的PCR试剂。在步骤610中，样品和任何添加的试剂被导引通过微流体芯片中的反应通道区域。步骤608和步骤610的过程可在额外的样品和试剂被添加到微流体通道时同时进行。在步骤606中，试剂(例如，PCR的扩增试剂)与样品的添加和反应可由诸如光学检测器的第一传感器观测和/或测量。此外，在步骤606期间，当样品流体紧邻热力管理系统的热力控制区经过时，样品和试剂的温度被控制，该温度在一些方面中可被控制到使得样品和试剂流体可经历扩增反应。
t在步骤612中，(扩增后的)样品从微流体芯片的反应通道区域且朝微流体芯片的测序通道区域进一步移动。在步骤614中，一种或多种试剂可在微流体芯片的相同测序通道区域处添加到样品，其中这样的试剂可以是用于样品的测序的酶。在步骤616中，样品和任何添加的试剂被导引通过微流体芯片中的测序通道区域。步骤614和步骤616的过程可在额外的样品和试剂被添加到微流体通道时同时进行。在步骤612中，试剂(例如，诸如酶的测序试剂)与样品的添加和反应可由诸如光学检测器的第二传感器观测和/或测量。此外，在步骤612期间，当样品流体紧邻热力管理系统的热力控制区经过时，样品和试剂的温度被控制，该温度在一些方面中可被控制到使得样品和试剂流体可经历测序反应。
t在步骤618中，在样品流体已离开各热力控制区之后(或者换句话讲，一旦扩增和测序后的样品流体已进入不紧邻热力控制区的(多个)微流体通道的区域)，样品可由替代地被称为最终传感器或测序传感器的诸如光学检测器的传感器观测和/或测量。在步骤620中，在观测/测量之后，样品可被导引至废物贮存器，并且微流体储盒可从热力控制系统被移除。
t在本公开的替代实施例中，允许在微流通道中进行PCR反应的热力管理装置可包括：框架，其具有通道和一个或多个隔离的、可移动且导电的热力区子组件，热力区子组件经由热绝缘轴承和紧固件附接到框架，其中，每个热力区子组件可被加热或冷却至适合PCR反应的温度。在一些方面中，紧固件可以是带肩螺钉。在其它方面中，热绝缘轴承可以是基于聚合物的轴承。在另外的方面中，热力区子组件中的每一个可包含至少一个基于聚合物的轴承，该轴承在附接到框架的带肩螺钉中的至少一个的轴上上下行进，并可由一个或多个弹簧向上推动。在一些这样的方面中，热力区子组件中的每一个可包含一个基于聚合物的轴承，该轴承可经由一个带肩螺钉附接到框架并可由一个弹簧向上推动。在另外的实施例中，热力区组件中的每一个还可包括围绕带肩螺钉且在热力区子组件和框架之间的第一绝热纤维垫圈，且具有将弹簧保持在位的第二绝热纤维垫圈，其中，当微流体装置夹紧到热力管理装置时，热力区子组件中的每一个可被向下推动以压缩弹簧，从而施加向上的压力以接触微流体装置。在一些方面中，每个单独的热力区子组件可具有在自身和任何其它热力区子组件或框架之间的1毫米(1mm)的最小间距。在其它方面中，至少一个热力区组件可具有电阻加热元件。在其中所述至少一个热力区组件具有电阻加热元件的另外一些方面中，加热元件可用来将热力区保持在室温以上的温度。在其它方面中，至少一个热力区组件可具有热电元件。在另外的方面中，具有热电元件的至少一个热力区子组件可用来将热力区保持在室温或以下的温度。在一些方面中，热力区子组件中的至少一个可安装在散热器上，其中，在各个方面中，散热器可以是翅片散热器。在另一些方面中，热力区子组件中的至少一个可经由至少一个热管连接到远程散热器。在其它方面中，热力区子组件中的至少一个可具有热电元件，并且包括热量扩散器，其围绕热电元件以将热量从该元件扩散到热量扩散器的表面。
t在本公开的替代实施例中，公开了一种在微流体装置中进行PCR反应的方法，该方法包括以下步骤：提供本文所述热力管理装置，该装置包含多个小滴，这些小滴包含对于所需PCR反应必要的试剂；以及在所述装置中进行PCR。
t应当理解，本文所述示例和实施例仅用于说明目的，并且根据其的各种修改或变化将被暗示给本领域的技术人员且包括在本申请的精神和范围内以及所附权利要求的范围内。本文援引的所有出版物、专利和专利申请均以引用方式全文并入本文中以用于各种目的。

Claims (15)

1.一种启用微流通道中的PCR反应的热力管理装置，所述装置包括：
框架；
一个或多个热力区子组件，所述一个或多个热力区子组件联接到所述框架，每个热力区子组件具有热力控制元件，并且其中，每个热力区子组件由一个或多个热致动机构联接到所述框架；以及
一个或多个热力扩散器，所述一个或多个热力扩散器被构造成接触所述一个或多个热力区子组件的各所述热力控制元件，
所述热致动机构实质上由绝热轴承、紧固件和弹簧组成，其中，所述弹簧被构造成施加力以将所述热力控制元件朝所述一个或多个热力扩散器中的一个驱动，
每个紧固件为带肩螺钉，并且其中每个热致动机构包括至少一个基于聚合物的轴承，所述至少一个基于聚合物的轴承在附接到所述框架的所述带肩螺钉中的至少一个带肩螺钉的轴上上下行进并且由所述弹簧推动，
柔性加热器电路被构造和布置成所述热力管理装置的两个或更多个热力区子组件的所述热力控制元件，所述柔性加热器电路的第一区域可由所述热致动机构中的一个移动至与所述热力扩散器中的一个接触，所述柔性加热器电路的所述第一区域与所述热力扩散器中的一个接触，并且所述柔性加热器电路的至少第二区域与所述热力扩散器中的另一个接触，所述柔性加热器电路的所述第一区域和所述柔性加热器电路的所述第二区域可相对于彼此挠曲0.75mm至1.0mm的距离，
每个热力区子组件具有在其自身和任何其它热力区子组件或所述框架之间的1mm的最小间距。
2.根据权利要求1所述的热力管理装置，其特征在于，所述绝热轴承为基于聚合物的轴承。
3.根据权利要求1所述的热力管理装置，其特征在于，每个热力控制元件可被构造成具有从22°C至95°C的操作温度。
4.根据权利要求1所述的热力管理装置，其特征在于，所述热致动机构中的每一个还包括围绕带肩螺钉的第一绝热纤维垫圈，所述第一绝热纤维垫圈将所述弹簧保持在位。
5.根据权利要求1所述的热力管理装置，其特征在于，至少一个热力区组件具有电阻加热元件，所述电阻加热元件用来将热力区保持在室温以上的温度。
6.根据权利要求1所述的热力管理装置，其特征在于，至少一个热力区组件具有热电元件，所述热电元件用来将热力区保持在室温或以下的温度。
7.根据权利要求1所述的热力管理装置，其特征在于，至少一个热力区组件将热力区保持在室温以上的温度，并且其中，至少另一个热力区组件将热力区保持在室温或以下的温度。
8.根据权利要求7所述的热力管理装置，其特征在于，第一热力区和第五热力区保持在室温或以下的温度，其中，第二热力区、第四热力区和第六热力区保持在室温以上的温度，并且其中，第三热力区保持在高于至少所述第二热力区的温度的温度。
9.根据权利要求1所述的热力管理装置，其特征在于，所述热力区子组件中的至少一个联接到散热器。
10.根据权利要求9所述的热力管理装置，其特征在于，所述散热器为翅片散热器。
11.根据权利要求9所述的热力管理装置，其特征在于，所述热力区子组件中的至少一个经由热管远程地连接到所述散热器。
12.根据权利要求9所述的热力管理装置，其特征在于，所述热力区子组件中的至少一个直接安装在所述散热器上。
13.一种用于在微流体装置中进行PCR反应的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供热力管理装置，所述装置包括：
框架；
一个或多个热力区子组件，所述一个或多个热力区子组件联接到所述框架，每个热力区子组件具有热力控制元件，并且其中每个热力区子组件由一个或多个热致动机构联接到所述框架；以及
一个或多个热力扩散器，所述一个或多个热力扩散器被构造成接触所述一个或多个热力区子组件的各所述热力控制元件，其中所述热致动机构实质上由绝热轴承、紧固件和弹簧组成，其中所述弹簧被构造成施加力以将所述热力控制元件朝所述一个或多个热力扩散器中的一个驱动，其中每个紧固件为带肩螺钉，并且其中每个热致动机构包括至少一个基于聚合物的轴承，所述至少一个基于聚合物的轴承在附接到所述框架的所述带肩螺钉中的至少一个带肩螺钉的轴上上下行进并且由所述弹簧推动，且其中所述热力管理装置包含多个小滴，所述多个小滴包含对于所需PCR反应必要的试剂，柔性加热器电路被构造和布置成所述热力管理装置的两个或更多个热力区子组件的所述热力控制元件，所述柔性加热器电路的第一区域可由所述热致动机构中的一个移动至与所述热力扩散器中的一个接触，所述柔性加热器电路的所述第一区域与所述热力扩散器中的一个接触，并且所述柔性加热器电路的至少第二区域与所述热力扩散器中的另一个接触，所述柔性加热器电路的所述第一区域和所述柔性加热器电路的所述第二区域可相对于彼此挠曲0.75mm至1.0mm的距离，每个热力区子组件具有在其自身和任何其它热力区子组件或所述框架之间的1mm的最小间距，以及
(b)在所述微流体装置中进行PCR。
14.一种启用微流通道中的PCR反应的热力管理装置，所述装置包括：
框架；
一个或多个热力区子组件，所述一个或多个热力区子组件联接到所述框架，每个热力区子组件具有热力控制元件，并且其中每个热力区子组件由一个或多个热致动机构联接到所述框架；
一个或多个热力扩散器，所述一个或多个热力扩散器被构造成接触所述一个或多个热力区子组件的各所述热力控制元件；以及
柔性加热器电路，所述柔性加热器电路构造和布置成用于所述热力管理装置的两个或多个热力区子组件的所述热力控制元件，
其中所述柔性加热电路的第一区域能通过所述热致动机构之一移动以与所述热力扩散器中的一个接触，其中所述柔性加热器电路的至少第二区域与所述热力扩散器中的另一个接触，且其中所述柔性加热器电路的所述第一区域和所述柔性加热器电路的所述第二区域能相对于彼此挠曲0.75mm至1.0mm的距离，
每个热力区子组件具有在其自身和任何其它热力区子组件或所述框架之间的1mm的最小间距。
15.如权利要求14所述的热力管理装置，进一步其中所述热致动机构实质上由绝热轴承、紧固件和弹簧组成，其中，所述弹簧被构造成施加力以将所述热力控制元件朝所述一个或多个热力扩散器中的一个驱动，其中每个紧固件为带肩螺钉，并且其中每个热致动机构包括至少一个基于聚合物的轴承，所述至少一个基于聚合物的轴承在附接到所述框架的所述带肩螺钉中的至少一个带肩螺钉的轴上上下行进并且由所述弹簧推动。
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