一种热循环装置的制作方法

本发明涉及执行化学反应或者生物反应的反应容器技术领域，尤其涉及一种热循环装置。

背景技术：

在探索生物样品或者化学样品的最佳反应温度和最佳反应时间的过程中，经常需要对生物样品或者化学样品设置和执行一系列温度循环，从中选出最佳的温度和时间组合。

现有技术中执行上述一系列温度循环的装置有聚合酶链反应（pcr，polymerasechainreaction）核酸扩增仪，又可称为pcr仪、热循环装置。热循环装置包含其上均匀设置有盲孔阵列的样品块，在样品块相对的两侧的下方均设置有加热装置和冷却装置。将装有生物样品的pcr板或者pcr管放入样品块的盲孔中，通过预设加热温度和加热时间、冷却温度和冷却时间，使生物样品在热循环装置内经历若干个温度循环。对样品块进行加热时，两个加热装置独立升温到不同的预设温度，对与其对应的样品块两侧进行加热，样品块两侧之间的部分通过热传导可实现在两个预设温度之间的阶梯温度，热量通过样品块的盲孔和pcr板传导至生物样品。对样品块进行冷却时，冷却装置移动到样品块相对的两侧的下方执行散热过程。样品块上温度的特点与加热过程相似，在此不再赘述。

由此，与加热装置、冷却装置对应的样品块两侧的温度可精准地控制到预设温度，样品块两侧之间的部分的温度则由于热传导作用的不可控而影响实验的可重复性。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种热循环装置，旨在解决现有技术中对样品块各部分的温度控制的准确性和实验可重复性的问题。

第一方面，提供了一种热循环装置，包括：

设置有盲孔阵列的样品块（1）；以及

n个加热和冷却装置（2），n为大于2的正整数；

其中，所有盲孔（11）的上部相连，n个加热和冷却装置（2）分别对位于样品块（1）n个不同区域的盲孔（11）的底部进行加热和/或冷却，每个区域包括一个或者多个盲孔（11）。

本发明实施例将样品块中的盲孔的上部相连，通过n个加热和冷却装置分别对样品块不同区域的盲孔的底部进行加热和/或冷却，降低了样品块不同区域的盲孔之间的热传递作用，提高了对样品块不同区域的温度控制的准确性和实验的可重复性。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例一提供的热循环装置的爆炸图；

图2是本发明实施例提供的盲孔底部不相连时样品块的俯视图和仰视图；

图3是本发明实施例提供的盲孔底部按列相连时样品块的俯视图和仰视图；

图4是本发明实施例提供的盲孔底部按两列相连时样品块的俯视图和仰视图；

图5是本发明另一实施例提供的盲孔底部按两列相连时样品块的俯视图和仰视图；

图6本发明实施例二提供的热循环装置的爆炸图；

图7是本发明实施例二提供的样品块的俯视图；

图8是本发明实施例三提供的热循环装置的爆炸图；

图9是本发明实施例三提供的热循环装置的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

本发明实施例将样品块中的盲孔的上部相连，通过n个加热和冷却装置分别对样品块不同区域的盲孔的底部进行加热和/或冷却，降低了样品块不同区域的盲孔之间的热传递作用，提高了对样品块不同区域的温度控制的准确性和实验的可重复性。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的热循环装置的爆炸图。如图1所示，该热循环装置包括样品块1、n个加热和冷却装置2。

在本发明实施例中，样品块1上设置有均匀等间距排列的盲孔11，形成盲孔阵列。盲孔11指的是样品块1上可以放置pcr管的孔槽，其尺寸和间距设置为与标准的或者非标准的pcr板、pcr管匹配，使得装有生物样品的pcr板可整体放入盲孔阵列中，并且盲孔11的内壁与pcr板的管子的外壁尽量贴近，有利于热传导。生物样品为需经历热循环反应的物质，包括但不限于作为引物的寡核苷酸、dntp混合物、taqdna聚合酶和pcr缓冲液等。所有盲孔11的上部相连。连接部分尽量靠近盲孔开口或者与盲孔开口平齐，远离盲孔底部。连接部分和各盲孔11可使用相同的材料一体成型制作而成，形成一整块的样品块1。

作为本发明的一个实施例，样品块1包括在盲孔阵列的最外围盲孔11的上部朝外周凸出的第一基板12。第一基板12可为上述连接部分朝外周的延伸，与上述连接部分、各盲孔11使用相同的材料一体成型制作而成。热循环装置还包括压固件3。压固件3通过第一基板12将样品块1压紧在n个加热和冷却装置2上，盲孔阵列从压固件3中间的窗口露出。

样品块1作为一个整体，材质可选用具有良好热传导性能的材料。优选地，为铝合金、铝、铜或者银等。

n个加热和冷却装置2位于样品块1的下方，n为大于2的正整数。如图1所示n为六，但不限于此。加热和冷却装置2包括但不限于tec（半导体制冷器，thermoelectriccooler）、发热丝、发热棒、空气传导装置或者液体传导装置等。在本发明实施例中，六个tec分别独立地对位于样品块1的六个不同区域的盲孔11的底部进行加热和/或冷却到目标温度，每个区域包括一个或者多个盲孔11。如图1所示，一个tec对两列（12个）盲孔11的底部进行加热和/或冷却。

图2为所有盲孔11的底部不相连时样品块1的俯视图和仰视图，在这种情况下，以tec的形状对样品块1划分不同的区域。每个tec对应的盲孔11即为其加热和/或冷却的区域。

考虑对不同区域的盲孔11温度均匀性的问题，作为本发明的实施例，各盲孔的底部连接方式可为如图3、图4、图5所示的m列盲孔的底部相连，m为大于等于1、小于等于n的正整数。图3为盲孔11的底部按列相连时样品块1的俯视图和仰视图；图4为盲孔11的底部按两列相连时样品块1的俯视图和仰视图；图5为盲孔11的底部按两列相连时样品块1的俯视图和仰视图，并且在该连接部分设置凹槽，凹槽不贯通该连接部分。盲孔11的底部的连接部分和样品块1可使用相同的材料一体成型制作而成，形成一整块的样品块1。基于盲孔11的底部的不同连接方式，样品块1被划分为了不同的区域，对应地，多个tec分别独立地对不同区域的盲孔的底部进行加热和/或冷却。通过这种方式，可以对样品块1的不同区域设定不同的加热温度、不同的加热时间和不同的升温速率，还可以根据样品块1不同区域的划分改变其pcr管内生物样品的体积、改变其pcr管内的引物，来探索进行实验的最优条件。

由于制作样品块1的材料为热传导性能良好的金属，为了降低样品块1的整体重量，除盲孔11上部的连接部分和盲孔11底部的连接部分，所有盲孔11的外壁不相连。

在实验的过程中，样品块1容纳装有生物样品的pcr板或者pcr管，生物样品主要分布在与盲孔11下部对应的位置，本发明实施例将样品块中的盲孔的上部相连，通过n个加热和冷却装置分别对样品块不同区域的盲孔的底部进行加热和/或冷却，降低了样品块不同区域的盲孔之间的热传递作用，样品块各区域内的盲孔温度均一，提高了对样品块不同区域的温度控制的准确性和实验的可重复性，适合于多重pcr核酸扩增过程的优化。

实施例二

在本发明实施例中，热循环装置的基本结构与实施例一相同，与实施例一相同的各部件沿用与实施例一相同的标号，包括在实施例一中描述的全部特征，在此不再赘述。

图6是本发明实施例二提供的热循环装置的爆炸图。图7是本发明实施例二提供的样品块的俯视图。结合图6和图7，该热循环装置包括样品块1、n个加热和冷却装置2、压固件3。样品块1还包括在盲孔11的上部相连的面内设置的通孔阵列。在盲孔11上部的连接部分、各盲孔11之间设置通孔13。在本发明实施例中，如图7所示，在每四个盲孔11包围的中间区域设置了一个通孔13。进一步地，在该区域和/或每两个盲孔11之间设置多个通孔13。由此，将该区域的金属传热改变为空气传热，降低了盲孔11之间的热传导作用。为了进一步降低该热传导作用，热循环装置还包括填充在通孔13中的隔热材料和填充在盲孔11外壁的隔热件4。这些隔热材料和隔热件4的热传导性能应低于空气的热传导性能。

在本发明实施例中，样品块1包括在盲孔阵列的最外围盲孔的底部朝外周凸出的第二基板14。第一基板14与各盲孔11使用相同的材料一体成型制作而成压固件3通过第二基板14将样品块1压紧在n个加热和冷却装置2上，盲孔阵列从压固件3中间的窗口露出。

本发明实施例将样品块中的盲孔的上部相连，在盲孔的连接部分打孔，在样品块的空隙填充隔热材料，通过n个加热和冷却装置分别对样品块不同区域的盲孔的底部进行加热和/或冷却，降低了样品块不同区域的盲孔之间的热传递作用，提高了对样品块不同区域的温度控制的准确性和实验的可重复性。

实施例三

在本发明实施例中，热循环装置的基本结构与实施例一或者实施例二相同，与实施例一或者实施例二相同的各部件沿用相同的标号，包括其中描述的全部特征，在此不再赘述。

图8是本发明实施例三提供的热循环装置的爆炸图。图9是本发明实施例三提供的热循环装置的示意图。结合图8和图9，该热循环装置包括样品块1、n个加热和冷却装置2、压固件3、第一导热元件5、tec隔离件6、第二导热元件7、散热装置8、热盖9和底壳10。

底壳10用于承载热循环装置的所有重量。散热装置8固定在底壳10内，其上部为平整的平面。一整块或者n个第二导热元件7平放在散热装置8上部的平面上，第二导热元件7的下表面和散热装置8的上表面接触。上表面和下表面均涂抹了导热硅脂的n个tec分别对应放置在n个第二导热元件7上，tec的下表面和第二导热元件7的上表面接触。镂空的tec隔离件6将上述n个tec分隔开，tec隔离件6为耐高温隔热材料，镂空部分根据tec的数量和尺寸确定，使得tec之间相互热隔离。n个第一导热元件5分别对应放置在n个tec上，第一导热元件5的下表面和tec的上表面接触。第一导热元件5和第二导热元件7包括但不限于热垫片、铝箔、铜箔或者银箔等热传导效率高的材料。样品块1放置在n个第一导热元件5上，各盲孔11的底部和第一导热元件5的上表面接触。压固件3压放在样品块1的第一基板12的位置，再通过螺钉将压固件3连接到散热装置8上，进一步将样品块1、第一导热元件5、tec、第二导热元件7压紧在散热装置8上。其中，导热硅脂和第一导热元件5在压力下将各盲孔11的底部和tec上表面的缝隙填满，导热硅脂和第二导热元件7在压力下将tec下表面和散热装置8的上表面的缝隙填满。无缝隙的设计可减少热阻、增加热传导效率。

该热循环装置对样品块1不同区域的盲孔底部的温度控制可以有多种实施方式。作为本发明的一个实施例，样品块1所有盲孔11内容纳的pcr管按照相同的温度进行反应，n个tec按照同一温度指令加热或者制冷，以达到所有盲孔11的温度一致。作为本发明的另一实施例，样品块1不同区域的盲孔11内容纳的pcr管按照不同的温度进行反应，实现在同一次热循环过程中，样品块1不同区域的盲孔11的温度呈梯度变化。作为本发明的又一实施例，从样品块1不同区域选取部分盲孔11容纳pcr管且按照不同的温度进行反应。选取的盲孔11的间距越大越好，相邻的盲孔11之间可以采用tec进行温度补偿（加热或者冷却），达到减少选取的相邻盲孔11之间的热影响。

如图9所示，该热循环装置还包括加热及冷却控制系统、中央控制系统、散热控制系统。在本发明实施例中，样品块1的不同区域分别连接不同的高灵敏度的热敏传感器（图中未示出）。

进行加热时，中央控制系统发出样品块加热指令，该指令通过中央与加热冷却控制回路传送到加热及冷却控制系统。加热及冷却控制系统经过处理后再通过tec控制回路作用于n个tec，tec上表面开始发热，下表面相应地开始制冷。热敏传感器将检测到的温度通过tec控制回路传回加热及冷却控制系统，加热及冷却控制系统判断是否达到目标温度，然后通过tec控制回路控制tec继续加热或者停止加热。若为继续加热，tec不断地将热量传导至样品块1，从而不断地为pcr板或者pcr管内的生物样品提供热量。此过程需要循环若干次。

进行冷却时，中央控制系统发出样品块冷却指令，该指令通过中央与加热冷却控制回路传送到加热及冷却控制系统、通过中央与散热控制回路传送到散热控制系统。加热及冷却控制系统经过处理后再通过tec控制回路作用于n个tec，tec的上表面开始制冷，下表面相应地开始将热量传递给散热装置8。热敏传感器将检测到的温度通过tec控制回路传回加热及冷却控制系统，加热及冷却控制系统判断是否达到目标温度，然后通过tec控制回路控制tec继续冷却或者停止冷却。若为继续制冷，tec从样品块1不断地吸取热量，从而不断地为pcr板或者pcr管内的生物样品进行冷却。散热控制系统经过处理后再通过散热控制回路作用于散热装置8，将热量传递至热循环装置的外部。此过程需要循环若干次。

热盖9内部设置有加热装置（图中未示出）和高灵敏度的热敏传感器（图中未示出）。进行加热时，中央控制系统发出热盖加热指令，该指令中央与加热冷却控制回路传送到加热及冷却控制系统。加热及冷却控制系统经过处理后再通过热盖加热控制回路作用于热盖9，热盖9中的加热装置开始发热。热敏传感器将检测到的温度通过热盖加热控制回路传回加热及冷却控制系统，加热及冷却控制系统判断是否达到目标温度，然后通过热盖加热控制回路控制热盖9中的加热装置继续加热或者停止加热。若为继续加热，热盖9中的加热装置不断地将热量传导到pcr板或者pcr管的管口。此过程需要循环若干次。

上述的加热及冷却控制系统、中央控制系统和散热控制系统也可集成为一个控制系统，在此不做限定。

本发明实施例将样品块中的盲孔的上部相连，通过n个加热和冷却装置分别对样品块不同区域的盲孔的底部进行加热和/或冷却，降低了样品块不同区域的盲孔之间的热传递作用，提高了对样品块不同区域的温度控制的准确性和实验的可重复性。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。