在微流体装置上的加热、冷却和热循环的系统与方法

专利名称：在微流体装置上的加热、冷却和热循环的系统与方法
技术领域：
本发明涉及在热循环中使用的在微流体装置上的一体化加热器与冷却器，和更具体地，涉及在仪表板上具有加热、冷却和热循环系统的便携式微流体插件。本发明进一步涉及用于微流体装置的具有一体化换热器回路或热电冷却器(TEC)的微流体插件，以提供用于例如PCR或rtPCR中的热循环。
背景技术：
提供纳升尺寸液体体积控制的一体化微流体处理系统在使目前的分析试验小型化和处理在生物医学测试中常用的小样品尺寸这两个方面均是有用的。可在单一的微流体装置上进行完全的化学分析。微流体装置包括例如通道、阀门、泵、流体传感器、混合室和光学检测器之类的元件。可在US 5932100、US 5922210、US 6387290、US 5747349、US 5748827、US 5726751、US 5724404、US 5716852、US 5974867、US 6007775、US 5972710、US 5971158、US 5948684和US 6171865中找到这些元件和系统的实例(这些专利在此作为参考全文引入)。
进行微流体分析的能力提供产量、试剂消耗和自动化的明显优势。微流体系统的另一优势是能将许多不同的操作一体化到单一的“芯片实验室”装置上以供进行分析和/或合成用反应物的处理。受益于微流体优势的操作的一个实例是聚合酶链反应，常常被称为PCR或rtPCR，常常被称为逆转录酶-聚合酶链反应。
PCR是扩增特定DNA片断所使用的一种技术。简而言之，与含DNA聚合酶的溶液接触的DNA解开核苷酸碱基和“引物”(即与所需的DNA片断的一端相连的短序列的核苷酸)。使用两种引物。第一种引物在两个成对的DNA链之一上在所需片断的一端处结合，而第二种引物在另一DNA链的另一端结合。加热该溶液到约95℃的温度下，使DNA链之间的键断开。由于引物不可能在这一高温下结合DNA链，因此冷却溶液到约55℃。在这一温度下，引物结合或“退火”至分离的链。由于DNA聚合酶在约72℃下作用最好，因此再次升高温度，和DNA聚合酶通过将游离的核苷酸碱基连接到引物上，从而快速建立新链。当重复这一工艺时，和用一种引物形成的一条链结合到另一引物上，从而导致仅仅局限于所需片断的新链。因此，选择性复制引物之间的DNA区域。进一步重复这一工艺可在数小时内产生DNA小片的亿万个复制品。
为了能检测特定细菌或病毒或基因疾病，PCR已成为人类诊断的最有力的工具之一。由于PCR可扩增小至DNA的单一分子，污染问题变得突出。为了最小化污染的危险，许多实验室需要建立独立的空间容纳其PCR机。
对于逆转录酶-聚合酶链反应来说，rtPCR较短。它是其中RNA链转录到能使之进行PCR扩增的DNA补体内的技术。转录RNA链到DNA补体内被称为逆转录并通过酶的逆转录酶进行。
PCR基分析具有三个基本步骤分离DNA、扩增DNA和检测DNA。过去，DNA的分离方法牵涉非常费力的工序且是诊断PCR的限制因素。随着技术的进展，DNA的分离工序得到简化，结果可采用试剂添加和离心快速提取DNA。尽管得到简化，但分离的常规方法要求使用昂贵和笨重的设备，其中包括例如要求相对离心力(RCF)为约16000g的至少1300rpm的非制冷离心机。另外，对于所要求的DNA提取来说，还要求Micro-pipettes的良好的可高压灭菌装置，以及变速的大功率Vortex混合器、渗析细胞用的微波烘箱和沸腾以及培育用的水浴。
在分离DNA之后，可在每一循环中利用热循环装置将温度从96℃变化到55℃到72℃而扩增单一的DNA分子到如上所述亿万个以上复制品。在常规的PCR中，使用玻璃毛细管作为反应容器以供快速加热和冷却PCR反应混合物，缩短扩增时间。但即使在这些进展的情况下，仍需要简化的PCR系统和方法，其最小化污染或人类错误的危险，是便携式、成本有效和快速的。一旦扩增，可通过任何可获得的技术例如光学仪器检测DNA。取决于是否需要证实或定量化，也可通过电泳或液体杂化实现DNA的检测。
尽管微流体已用于多种应用，但对于有效进行微流体化的PCR来说，仍存在进行分离、扩增和检测步骤的许多技术问题。一个难题是热循环装置的一体化。已进行了各种尝试开发监控和改变微流体装置上的温度的许多装置。例如，国际专利申请PCT/US98/1791涉及通过施加电流到流体上，在其内产生热量，以及测量溶液导电率作为流体温度的量度，从而控制和监控在微流体系统内温度的装置。
在US 6541274中公开了在微流体装置上控制温度的另一系统。该专利涉及在基底内具有多个贮池的反应器系统。换热器插入到贮池内以控制温度。控制微流体上温度的已有装置的其它实例是如US6018616中所述的利用辐射热，和在US 6020187中所述的温度调节控制块。
尽管通常在微流体和具体在PCR或rtPCR领域内已经作出了明显进展，但本领域仍需要含有热循环装置、特别在微流体PCR或rtPCR的微流体装置。本发明满足这一需要并提供进一步相关的优势。

发明内容
本发明大体涉及在仪表板上具有加热、冷却和热循环系统的微流体装置，和涉及具有一体化的换热器回路或热电冷却器(TEC)的微流体装置。
在一个实施方案中，公开了在仪表板上具有加热、冷却和热循环系统的微流体装置，以便可便利地使用该装置(例如为插件形式)。微流体装置包括含有放热或吸热材料的一个或多个贮池。一旦贮池材料的化学过程被激活，则贮池为微流体插件的特定位置提供加热或冷却。多个贮池可包括在单个插件内，以便在插件上的不同位置提供可变的温度。可将任何所需的分析化学品移动到各贮池中，以便产生在许多生物反应例如包括PCR中有用的热循环。
在另一实施方案中公开了一体化的换热器。该交换器是含有流体的微流体回路，该流体独立地被加热或冷却，或是与含有分析流体的微流体回路相邻设置的放热或吸热材料，以便在相邻回路内的流体使独立的分析回路内的分析流体发生温度变化。换热器回路和分析回路二者包含在微流体装置上。可通过将该装置连接到提供泵送设备的歧管或仪器上，从而循环换热器回路内的流体。
在本发明的另一实施方案中，热电冷却器(TEC)与包含在微流体插件内的扩增贮池相邻设置。提供TEC控制器以控制TEC的温度和相应控制扩增贮池，并提供电源，以为TEC提供功率。
参考附图和下述详细描述，本发明的这些和其它方面将变得显而易见。
附图描述

图1描述了根据本发明原理的热循环微流体装置的示意图。
图2描述了根据本发明原理的本发明热循环微流体装置的一个实施方案的平面视图。
图3描述了根据本发明原理沿线3A-3A的图2的微流体装置的剖面视图。
图4A-C描述了根据本发明原理，在歧管内的热循环微流体装置的流程图和照片。
图5是根据本发明原理，描述热室的阶跃响应随时间变化的图线。
图6是根据本发明原理，描述热室的温度升高随时间变化的图线。
图7是根据本发明原理，描述热室的温度下降随时间变化的图线。
图8是根据本发明原理，描述三种电平的PCR调制与时间关系图线。
图9是根据本发明原理，描述流体热循环装置元件的流程图。
图10是根据本发明原理，描述热电循环装置元件的流程图。
图11是根据本发明原理，插入到扩增室内的具有热电偶的微流体测试层压体的简图。
图12是根据本发明原理，描述当TEC直接放置在TEC和微流体插件之间不具有热界面材料的不锈钢板上时，温度随时间变化的图线。
图13是根据本发明原理，描述当TEC放置在散热片上和石墨热界面垫片置于TEC和层压体之间时，温度随时间变化的图线。
图14是根据本发明原理，图13的插件的照片。
图15是根据本发明原理，描述当TEC放置在TEC和扩增室之间的散热片和石墨垫片上时，温度随时间变化的图线。
图16是图15的部分图线的特写镜头。
图17是根据本发明原理，描述当TEC放置在Thermagap散热片上时，温度随时间变化的图线。
图18是根据本发明原理的热循环装置的石墨界面(GUI)的屏幕镜头。
图19是根据本发明原理，描述添加或删除曲线的GUI的屏幕镜头。
图20是根据本发明原理的GUI的另一屏幕镜头。
图21是根据本发明原理的GUI的另一屏幕镜头。
图22是根据本发明原理的GUI的另一屏幕镜头。
图23是根据本发明原理的GUI的另一屏幕镜头。
图24是根据本发明原理的GUI的另一屏幕镜头。
图25是根据本发明原理的GUI的另一屏幕镜头。
图26是根据本发明原理的GUI的另一屏幕镜头。
图27是根据本发明原理的GUI的另一屏幕镜头。
图28是根据本发明原理的GUI的另一屏幕镜头。
图29是根据本发明原理，使用TEC的用于热循环的微流体插件的截面。
具体实施例方式
如上所述，本发明大体涉及在仪表板上具有加热、冷却和热循环系统的微流体装置，具有一体化的换热器回路的微流体装置或与微流体装置组合使用以提供热循环的TEC。
根据本发明的一个方面，便携式微流体装置为插件形式，并在仪表板上具有加热、冷却和热循环系统，以便可便利地使用该插件(尽管一般来说，此处所述的本发明的微流体装置为平面“插件”形式，但它可采用任何物理形式)。该微流体插件包括含有放热或吸热材料的一个或多个贮池。一旦贮池材料的化学过程被激活，则该贮池为微流体插件的特定位置提供加热或冷却。多个贮池可包括在单个插件上，以提供可变的温度。可将分析化学品移动到各贮池中，产生在许多生物反应例如PCR中有用的热循环。
图1描述了本发明的一个例举的实施方案。微流体插件100包括容纳放热或吸热粉末混合物的贮池110。贮池110具有可例如通过胶带覆盖的填充孔120，直到引发加热或冷却循环。已知在固体或液体混合物的不同组分之间的数种化学和物理过程是明显放热或吸热的。例如，铁粉、活性炭粉末和纤维素的混合物可在数小时内提供60℃的恒定温度。另一方面，若添加氯化铵，则水溶液的温度下降。存在数百种不同的混合物，若在恰当浓度下，会提供一定的热量吸收或输出直到各组分被用完(即反应完成或各组分的浓度达到平衡)。
在例举的实施方案中，材料的放热或吸热混合物包含在贮池110内。一旦从填充孔或入口处除去胶带，则空气接触该混合物，并引发混合物内的反应，从而引起贮池上方的温度上升(或下降)，这取决于在贮池内的材料选择。在一个实例中，使用铁粉、活性炭粉末和纤维素的混合物，和(在10分钟之后)发现维持62℃(±3℃)的温度4小时。这一混合物可放置在微流体插件上的不同位置，和一旦暴露于空气、湿气或另一化学品下，可引发加热(或冷却)过程。
该插件的一种实际应用包括进行生物反应的无源或便携式微流体插件，其中所述生物反应需要在恒温下培育，例如在37℃下保持数分钟以供培育用免疫分析。许多其它生物反应基于在37℃下的酶培育数分钟或数小时。这些特别包括依赖DNA的DNA聚合酶、限制性内切酶、依赖RNA的DNA聚合酶、环介导的等温扩增(LAMP)和核酸序列基扩增(NASBA)。
另一实施方案包括在微流体插件上提供热和/或冷区域的具有不同混合物的多个区域，其中所述微流体回路将以任何顺序和经所需的任何接触时间在热和/或冷区域上携带所需的流体。例如，可在这一装置上进行核酸扩增的热循环实验。不同于目前尝试在其中包含样品的静态位置处改变温度的热循环装置，该实施方案通过微流体技术循环样品到插件的不同区域内。这些不同位置具有所需的温度。
例如，PCR插件具有95℃、55℃和72℃的三个区域。当陡增的时间(从一个温度变为另一温度的时间)短得多时，这一应用将导致较短的循环时间。陡增的时间占典型的热循环装置上大于50％的循环时间。另一益处是使用小得多的体积的能力。在典型的热循环装置中，典型的体积为10-25微升，大多数受到可通过实验室移液管测量的量的限制。在本发明的实践中，可实现低至例如微升或甚至100nl体积的扩增。此外，由于较低的重量和功率要求，因此本发明使得可设计手动无源的热循环插件，该插件要求很少或不要求操作用的外部仪器。
无源或便携式PCR微流体插件具有许多益处。PCR基分析的头两个步骤(即分离和扩增)现可整合到信用卡大小的可弃置的塑料装置内，但微流体和微管道系统导致下述益处(1)最小化污染；(2)降低样品/试剂量；(3)降低分析时间；(4)方便(其中包括需要仔细施用的点)；(5)简单；(6)前后一体化(例如在单一插件上组合样品制备和分析)；和(7)省去多个分析系统。
具体地，关于仪器和设备，对PCR-基微流体插件来说具有许多优点。在PCR插件中，可通过混合、分子扩散和使用包埋的膜或基体分离DNA取代以前DNA提取所要求的步骤(要求非制冷离心)。类似地，对于RNA的分离来说，仪器可被替代，和另外可通过使用化学反应物改变温度。当通过液压移动流体时，可省去微型移液管和PCR。通过扩散进行混合，和通过不在微波烘箱内与渗析试剂混合进行细胞渗析。类似地，当可通过在插件内的化学反应试剂改变温度时，则不需要水浴。关于DNA的扩增，在本发明的PCR插件中，热循环装置可被在仪表板上的贮池或与分析回路相邻的微流体回路替代。此外，由于所有的步骤在PCR插件内在所包含的无菌条件下发生，因此，提供明显缩小的空间，且不要求独立的清洁室。
流体加热和冷却换热器根据本发明的另一方面，一体化的换热器是含有流体的微流体回路，所述流体独立地被加热或冷却，或是与含有分析流体的微流体回路相邻设置的放热或吸热材料，以便相邻回路内的流体使独立回路内的分析流体温度发生变化。换热器回路和含分析流体的回路二者均包含在微流体插件内。可通过连接插件到提供泵送设备的仪器的歧管上，从而循环换热器回路内的流体。
在微流体插件的任何例举的实施方案中，整体加热和冷却包括两个或多个泵和紧密相邻的阀门控制的微流体回路(例如一个在另一之上或者相邻)。一个回路允许特定量的两份加热或冷却混合物互相扩散，和另一回路是含有要求加热和/或冷却的分析化学品的微流体回路。通过控制加热混合物中组分的相互扩散，例如可调节确切的温度并保持该温度，只要加热混合物的这两种组分处于流动状态即可。
这种快速热循环装置的一个实施方案是图2所述的微流体插件，这一构造能使PCR尺寸的热变化的热转移能力比标准热循环装置快4倍以上。根据实验测定这些结果，并用真实数据证明显示出高达17℃/秒的陡增速度(显示出在小于3秒内50℃的变化)，或17℃/秒的陡增速度。
具有有源微流体回路用以提供加热和/或冷却的微流体插件存在许多操作、制造和技术优势。例如，这些系统要求相对低的功率，微流体插件具有小的尺寸，和加热/冷却单元的目标为例如4英寸3，可采用合适的热控制器实现在含水范围内的任何中间温度(0-100℃)，和/或含水样品可被冷冻以及沸腾。此外，考虑到其尺寸较小和所使用的塑料的绝热性能，微流体阀门的容量提供快速改变温度的能力，且不必改变阀门和插件塑料内大的热质的温度。类似地，低的热质允许非常快速的热变化。
图2是描述热循环换热器试验插件的一个实施方案的顶视图。制造这一具体地设计和制造的插件，以测量加热和冷却流程的有效性。图3是沿着图2所示的试验插件的线3A-3A的截面。图4A是试验插件的流程图。图4B是插入到歧管内的试验插件的照片。图4C是具有包埋的热电偶的试验插件的照片。
在图5至图8中，下述是附图符号的定义ColdSrc-表示在冷流体储罐内冷流体的温度(在此情况下冰水为约0.3℃)。
HotSrc-表示在热流体储罐内热流体的温度(在此情况下水被加热到约80℃)。
ColdIN-是在插件入口处所测量的循环冷水的温度。这是冷流体沿着通向待测试的插件的路径温度升高的指示。这一升温对于这些实验来说并不是关键的，但采用小型紧密偶合的流体加热器/冷却器将最小化这一升温。
HotIN-是在插件入口处所测量的循环热水的温度。这是热流体沿着通向待测试的插件的路径温度下降(至环境室温)的指示。
Mixer-在驱使流体直接流经样品流体之上和之下的通道之前，使热和冷流体的混合物平衡所使用的室的温度。这表示通过指示热或冷流体阀门的状态变化和热与冷混合物的温度变化，温度变化所要求的时间。
Chamber-在试验插件的25微升样品室内包埋的热电偶的温度。这是所测量的样品的热响应。
图5是热室温度阶跃响应的图线。阶跃响应是控制系统的标准线性系统的表征。图5所示的开环阶跃响应表示上升和下降时间，所述上升和下降时间可表征对于我们所测试结构的最大循环时间。通过平衡室温度与冷流体阀门开度，然后闭合冷流体阀门，且与此同时打开热流体阀门50秒，然后闭合热流体阀门，并再次打开冷流体阀门，从而得到阶跃响应。
图6是室温升随时间变化的图线。室温升的时间响应比混合器换热器流体的升温延迟约1秒。这主要是由于流体的流动速度和热电偶的分离。从驱动温度到响应温度的延迟降低，可增加流量。在所设计的插件的构造中，在3秒内进行50℃的样品升温。PCR的一种方案要求从50℃跃变到95℃再到75℃并返回到50℃的温度平台。采用适当加热和控制的驱动流体，这一正向升温可在小于3秒内实现。
图7是室温随时间下降的图线。换热的降温时间实现在小于3秒内40℃的温降，再者，在典型的PCR方案中，要求20-30℃的温降。采用合适设计的闭环热流控制器，可在约10秒内通过3种PCR温度热循环25微升的样品。从而允许在约5分钟内发生30次左右的PCR循环。
图8是三种水平(例如PCR)调解的图线。通过同时打开热和冷流体阀门以实现中间温度，从而证明简单的开环三种水平的温度循环。这证明阀门系统实现在热和冷流体极限之间的中间温度的能力。利用具有合适设计的混合器的热和冷阀门的工作循环调节的阀门控制系统，可实现任何中间温度。它还允许微调驱动温度功能以实现更快的循环时间和稳定的中间温度。
图9是描述以上详述的流体热循环装置内流体流动的流程图。
加热在层压插件内的局部区域的热流体方法具有数种优点。一个主要的优点是能定位热区域，以便在插件上的非固定位置处扩增。第二个优点是能用移动的热流体“围绕”或“覆盖”扩增室，从而确保均匀快速地加热样品。
该系统具有两个泵，具有温度控制的两个换热器(热和冷)、热流体贮池、相关的管道连接、缓和来自泵的脉冲的限流器和电贮池、除去因加热Fluorinert Thermal流体而产生的气泡的除泡回路。
关于热流体，水作为热流体是不实际的，这是因为操作温度达到沸点，因此，Fluorinert FC-40作为替代品来测试，这是因为其具有惰性的性能和其相对高的沸点155℃。FC-40的比热是水的1/4(单位重量)和导热率是水的约1/10。FC-40极其惰性且具有充足的挥发性，结果溢流和泄漏物容易蒸发。本领域技术人员会理解，可根据本发明的教导使用许多其它热流体。
由于热流体不是有效的传热材料，对离入口端有多远和扩增室可以是多大具有限制。所有元件从换热器到插件具有在热循环过程中必须加热或冷却的一些热质。为了适应较大的扩增区域，要求增加流量或减缓循环流量。
当加热Fluorinert FC-40到所要求的温度时，一个问题是溶解在该流体内的任何空气在高温下从溶液中出来。小的气泡倾向于在回路的较高点处集中，当累积的空气产生足够大的气泡阻止流体流动时，它被向前推动，从而引起温度控制问题。脱气不是实际的选择，这是因为热流体系统不可能容易地与大气分离且循环流体倾向于再次吸收空气。为了减缓这一问题，设计具有回路泄气(bleed)的气泡“阱”。来自换热器的流体被泵送到室的中点，在此流出的流体必须从底部离开。在入口端上方是可收集气泡的室。在该室顶部存在连到泄气管上的端口。泄气管导引回到热流体贮池。在泄气管的贮池端，限流器降低流量。较短长度的0.020″PEEK管道起到贮池的作用。
使用导热冷却器Peltier(TEC)的热循环在本发明的又一替代性实施方案中，可使用热电冷却器(TEC)例如Peltier实现热循环。图10描述了以下进一步描述的本发明的热电循环装置中各元件的流程图。这一构造用于测试使用TEC作为与PCR和rtPCR一起使用的微流体扩增室的加热和冷却源的可行性。
所使用的设备电源0-20vdc(设定为7.5VDC)DPDT开关转换电流方向散热片DVMTEC(Melcor CPO-8-63-06MM，12mm×25mm，Imax2.1A，Vmax7.62vdc)热电偶Micronics“驱动电机”软件和Thermocycler Dart，用于获取数据例举的TEC控制器构造通过PC连接·RS-232·USB
·GPIB热敏电阻20-100℃驱动TEC升温和降温的能力。
在19VDC下电流负载3.7安培(可能7.4安培)在电流范围内可调的电压输出0-20vdc(或使用独立电源的能力)测验并收集数据的能力快速的PID环P＝1-200℃I＝1秒或更少D＝1秒或更少使用不同PID环加热和冷却的能力陡变并保温(soak)到三种温度最小值。陡变速度6℃/秒或更快。
一个例举的目标曲线加热到65-75℃并保持60秒。尽可能快速陡增到94-95℃，保持(保温)5秒；陡降到65-70℃，保持(保温)另外5秒。重复前面的两个步骤(94和72℃)。每回总的重复次数估计为40次基于扩增所选择的化学改变温度和保温时间。
第二个例举的目标曲线95℃3分钟，27℃30秒，65℃10分钟。在可变的时间内从27-95℃存在另外5个阶跃变化。但该思想超出PID要求。
第三个例举的目标曲线保持温度一直到90分钟。
试验装置和结果在所有试验中，在7.5V下操作TEC。
试验操作将TEC放置在不锈钢片上充当散热片。将热电偶胶粘到TEC上表面上。当循环TEC从热变冷时，获取数据。这一试验得到的数据显示出从60℃变为95℃的过渡时间为4.25秒或8.65℃/秒的速度。从96℃变为60℃的冷却时间为3秒或12℃/秒的速度。
该试验证明使用TEC改变温度的可行性。
扩增室试验设计简单层压插件，其具有通过一层0.004″Mylar覆盖的扩增室。这允许室的覆盖层与TEC直接接触放置。如图11所示，将热电偶插入到扩增室内，并用Fluorinert FC-40填充该室。
扩增室的设计体积为约10微升。该体积略微增加，这是因为热电偶在室内引起膨胀。实际的体积可能介于15-20微升。热电偶监控扩增室的温度。
第一试验采用直接贴着TEC放置的层压体。绝缘垫片放置在该层压体上，和3.50z的重量放置在顶部以提供部分压力。
在图12的图线中，7.5v，无界面材料，TEC直接在板上，可以看出，加热慢于冷却；特别是在开始时。图13描述了在图12中的一些数据的放大。
进行第二次试验。此刻将TEC放置在散热片上，和在TEC与层压体之间放置石墨热界面垫片。图13描述了在具有散热片和石墨垫片的TEC上的插件。图14是得到图13结果时所测试的插件的照片。
图15描述了在散热片上的TEC以及在TEC和扩增室之间的石墨垫片。注意到在第一幅图中，加热更稳定，且速度最终没有下降(在起始加热之后)。但冷却速度确实下降。图16示出上述数据的放大。总循环时间为15.2秒。
评论TEC将热量从一侧移动到另一侧；在该工艺中，它增加热量(TEC形成相当大的电流)。若冷却侧贴着已经冷的表面，则从该表面转移的热量最小和在“热”侧发生的加热主要来自于流经TEC的电流。这在其中TEC与冷不锈钢板(约17℃)直接接触的第一次试验中是显而易见的。在数次循环之后，在TEC下的面积略微加热和从70℃到95℃的升温时间较快。
冷却时间较快，这是因为在TEC和板之间存在充足温差使热量快速移动。
当TEC安装在散热片上时，散热片能储存热量，所述热量可快速转移到层压体上。因此，升温时间较快。但冷却时间较长，这是因为在TEC和散热片之间的温差不可能很快带走过量的热量。
以上描述了对于有效(和一致)的操作来说必须实现的热平衡。散热片应当储存足够的热量以便快速转移到层压体上，与此同时，它不应当热到减慢冷却过程的程度。
所使用的石墨热界面材料是所测试的唯一材料，可使用其它合适的材料。
在这些试验中使用的TEC是相对便宜且效率低的材料。可容易获得较高功率的TEC。在热和冷侧之间的最大温差为约60℃且没有层叠。在本实施方案中，我们应当认为使用层叠(堆积)的TEC。一些应用可需要27-95℃的范围。层叠的TEC将有助于热量从插件上来回移动并防止热量累积。
结论采用合适尺寸的散热片、TEC和更有效的热界面材料，可大大改进16秒的循环时间(在试验中最差的情况)。即使在16秒时，30次完全循环仅花8分钟。TEC的尺寸可与插件的扩增器面积相匹配。
更新的测试使用Parker Chomerics Thermagap材料61-02-0404-F574(厚度0.020″)，重复上述循环试验。574系列是仅需要5-10psi压力以提供1.6W/m-K导热率的软质弹性体(＜5肖氏A)。
完全循环的时间为13-14秒，其中包括在循环顶部和底部时1秒的转向时间。30次完全循环花7分钟。升温速度为～5℃/秒。降温速度为～4℃/秒。
参见图17中所示的下述图线。注意，陡增和陡降要求在目标温度下的“四舍五入”，以避免过界。这可明显增加总的循环时间。紧密的PID控制环可最小化这一四舍五入。
热循环装置的石墨界面(GUI)如图18所示，热循环装置的石墨界面允许科学家或技术人员开发并微调分析研究用温度曲线。可开发常规的曲线以供不同的加热和冷却要求。
在图19中，该图线描述了在控制热敏电阻上的温度。可在顶部面板上调节PID环(比例积分和微分)，以微调每一曲线。可在每一曲线的下方面板上设定计时。可通过按下“Save Data”按钮记录数据。当要终止保存时，按下“Store Data”按钮。以CSV文件形式保存。
如图19所示，可通过在靠近D或P.Select插入或删除处恰当地点击PID面板，添加或删除一系列曲线(元素)。
如图20所示，在曲线2和3之间插入新的元素。在此情况下，我们包括其中温度控制器断开的5秒“曲线”。当微调一系列曲线时，有时有利地断开TEC数秒。当冷却以避免过界时，这可能特别有用。
如图21所示，在保存之后，新的曲线变为曲线3和初始的曲线3变为曲线4。
如图22所示，开始一系列曲线。开始曲线光是亮(lit)的。使用中的光表示哪一曲线是激活的(电源光也是亮的，若不是模拟的话)。计时器显示曲线已经激活了多长时间。在“循环次数”框内选择要进行的循环次数。注意所有一系列曲线必须检测至少一个框，以表明它被循环。在“循环次数”框内指示1次循环，可以在没有重复的情况下从开始运行到结束。循环的长系列的曲线可连接在一起。单独、没有重复的曲线可放置在循环系列之前和之后。
如图23所示，第二个热敏电阻安装在TEC的正面上。对其监控以防TEC过热或冷却。重要的是当运行循环装置时，总是在合适地方具有控制热敏电阻。
图24描述了长系列的一个实例。曲线1和2进行1次。曲线3-7全部检测循环框。它们将一个接一个地进行，然后重复39次(循环次数＝39)。在进行曲线7第39次之后，曲线8-10进行1次。在进行曲线10之后，程序将断开达到TEC上的控制器输出。
图25描述了使用两个曲线以达到最小过界温度的一个实例。较低P(比例增益)引起控制器快速驱动TEC。然后转换到较高P下，控制器的输出下降，和温度不会过界目标值。在曲线3和4中，TEC被驱动下降到58.5℃。由于在该系统内的潜力，它将过界且转变TEC内的温度。进入TEC内的热量将降低过界。通过调节设定温度、比例增益和计时，可使温度在所需温度下的变化水平没有过界。然后促使该曲线保持该温度。注意除非断开输出(参见上文)，否则控制器将试图驱动TEC升至或降至设定温度。若时间充足，则这将变得水平成为“平坦的直线”，但对于快速的热循环来说，微调陡增和陡降是有益的。
图26-28描述了GUI的各个方面。使用下拉菜单可选择最后打开的文件。可从30秒到5分钟之间选择所显示的图线时间。可选择“室温”以及输出的开或关。注意在完成一个系列之后关闭控制器输出。在一个系列的最后，具有室温曲线常常是有用的。当打开控制器时，它驱动TEC到最后的“设定温度”。
图29是根据上述本发明原理使用用于热循环的TEC的微流体插件的截面。在图29中，多个扩增贮池或流体室确实同时通过TEC循环。在PET材料和ACA(粘合剂载体粘合剂)材料层之间包含扩增贮池，提供可弃置的微流体插件。
进一步如图29所示，可在TEC和扩增贮池之间使用隔热板或热量扩散器，以便在整个TEC表面上提供更均匀的受热。最终通过TEC的温度曲线测定热量扩散器，但一个例举的热量扩散器是在铜层之间的PTFE层，但本领域技术人员会理解热量扩散器的许多变化是可接受的。
图29所示的界面垫片是更有效地将热量传递到微流体插件上的热量垫片。同样，在TEC和热量扩散器或隔热板之间的热油脂是本领域技术人员已知用于以进一步提高传热的。
例举的扩增方法和温度循环使用本发明的方法与装置，在微流体插件上实现下述温度曲线。
A.聚合酶链反应(PCR)的温度曲线
主要目标1)一致2)对于退火步骤来说，可调和精确的温度(最低的T)3)对于退火步骤来说，可调的保温时间4)在延长步骤(72℃)可调的保温时间5)不超过95℃(放置酶变性)6)快速B.基于核酸序列分析(NASBA)的温度曲线 主要目标1)稳定的40℃温度(＞42℃使酶变性)，+/-1.0℃。
2)对于65℃和40℃来说可调的保温时间，40℃最大90分钟2)65℃或更高是可以的3)在65℃下保持2-5分钟是标准的，但更短时间也是可以的(未知)4)在65℃之后一致的时间到40℃(对于按程序的酶添加来说)5)时间越短越好，但在65℃冷却到40℃经1-2分钟是可以的
-所使用的具有DART的电流模块加热器花费～10分钟-电流热循环装置花费～1分钟。
℃.逆转录酶(rt)温度曲线 主要目标1)在0或最小的过界情况下稳定的47℃温度2)对于47℃来说可调的保温时间，最大60分钟3)经10分钟快速升高到75℃或更高D.环形介导的扩增(LAMP)温度曲线 主要目标1)在最小的过界情况下稳定62℃2)对于62℃来说可调的保温时间，最大60分钟结论本发明所述实施方案的上述描述不打算穷举或限制本发明至所公开的精确形式。尽管此处为了阐述的目的描述了本发明的具体实施方案和实施例，但在本发明的范围内的各种等价的改进方案是可能的，这是本领域技术人员应意识到的。此处提供的本发明的教导可用于其它微流体装置上，不一定是上述PCR和rtPCR插件。
根据前述描述应理解，尽管为了阐述的目的此处描述了本发明的具体实施方案，但可在不偏离本发明精神和范围的情况下进行许多改进。因此，仅通过所附权利要求来限定本发明。
权利要求
1.一种具有一体化热循环系统的微流体装置，包括具有第一块板和第二块板的微流体装置，其中第一块板具有第一表面和第二表面，其中在第一表面内形成流体输送回路，第二块板具有内侧和外侧，其中第二块板的内侧封接到第一块板的第一表面上；和固定到外表面上且与部分所述回路热接触的至少一个贮池，以便通过贮池温度影响回路内流体的温度，该贮池进一步包括具有开口的入口端。
2.权利要求1的微流体装置，其中所述贮池进一步包括包含在其中的放热材料，其中打开贮池的入口端激活放热材料，并引发贮池内和与贮池热接触的部分回路内的温度变化。
3.权利要求1的微流体装置，其中所述贮池进一步包括包含在其中的吸热材料，其中打开贮池的入口端激活吸热材料，并引发贮池内和与贮池热接触的部分回路内的温度变化。
4.权利要求1的微流体装置，进一步包括设置在微流体装置外表面上的至少两个贮池，其中第一个贮池与回路的第一部分热接触，和第二贮池与回路的第二部分热接触。
5.权利要求1的微流体装置，进一步包括设置在微流体装置外表面上的三个贮池，其中这三个贮池增加热相邻回路部分的温度到适合完成聚合酶链反应(PCR)的温度。
6.权利要求1的微流体装置，进一步包括在贮池入口端的开口上的气密封。
7.权利要求1的微流体装置，其中该装置是便携式的。
8.一种具有一体化换热器回路的微流体装置，包括具有第一块板和第二块板的微流体装置，其中第一块板具有第一表面和第二表面，其中第一表面具有在其内形成的第一流体输送回路和第二流体输送回路，其中第一和第二流体输送回路热接触，和第二块板封接到第一块板的第一表面上。
9.一种换热器系统，包括含流体流动回路的装置；包含在该装置内的第一流体流动回路；和与第一流体流动回路热接触的第二流体流动回路，以便第二流体回路的温度影响第一流体回路的温度。
10.权利要求9的换热器系统，其中第二流体流动回路含有连续流动的流体。
全文摘要
在微流体插件上的一体化换热系统。根据本发明的一个方面，便携式微流体插件在仪表板上具有加热、冷却和热循环系统，以便该插件可便利使用。该微流体插件包括含有放热或吸热材料的一个或多个贮池。一旦贮池材料的化学过程被激活，则贮池为微流体插件的特定位置提供加热或冷却。多个贮池可包括在单个插件内以提供可变的温度。可将分析化学品移动到各贮池中，以便产生在许多生物反应例如聚合酶链反应(PCR)或trPCR中有用的热循环。根据本发明的另一方面，一体化的换热器是相邻的含有流体的微流体回路，所述流体独立地被加热或冷却或是放热或吸热材料，以便相邻回路内的流体使独立回路内的分析流体发生温度变化。根据本发明又一方面，使用热电冷却器(TEC)用于可弃置微流体插件的扩增室热循环。
文档编号B01L7/00GK1812839SQ200480018164
公开日2006年8月2日 申请日期2004年6月7日 优先权日2003年6月6日
发明者W·布赖德福特, C·A·兰开斯特, J·W·哈延加, R·L·巴德尔, J·F·托恩, B·H·魏格尔 申请人:精密公司