专利名称：在rt-pcr过程中执行热循环操作的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种在RT-PCR (逆转录聚合酶-链式反应)过程中执行热循环操作的装置。
背景技术：
众所周知，由于操作于少量试样上的诊断装置有利地改善了化验的可靠性、减小了其体积并且因此减少了这一活动所需的时间以及相应的成本，它们的使用日益地得到普及。已知设备基本上包括固体基质和固定化特定受体，例如，生物分子(DNA、RNA、蛋白质、抗原、抗体、半抗原、糖等)、化学物种、微生物或其组成部分(细菌、病毒、孢子、细胞、细胞器等)。这里，“受体”含义为可以键合在一起的一对或多个元素(键合对)中的任何元素，从而受体与自己的键合对象键合或反应，并且因此检测它自己的键合对象。这里的受体包括诸如蛋白质受体和配体等的传统受体但也包括设计用于互相作用或配对的任何元素，例如凝集素、碳水化合物、链霉亲和素、生物素、蛋白质、基质、寡核苷酸、核酸、叶啉、金属离子、抗体、抗原等。根据光学检测技术，当这些受体被布置成与待分析的试样直接接触时，这一试样中存在的能够与受体配对或相互作用的分子会激活特定标记(例如，荧光标记)，当被在第一波长的光辐射激发时，该特定标记发射具有不同于第一波长的第二波长的自己的光辐射。已知荧光诊断设备包括具有功能化的表面的兼容层，从而形成包括具有特定标记的受体的检测区域。存在许多不同的方法用于准备涉及光信号的测试。例如，常见的三组分结合分析法采用在固体基质上首先将抗体固定化，该抗体可与试样溶液中的抗原配对。然后，利用第二抗体检测与抗原的结合，该第二抗体键合至相同抗原的不同表位并具有贴于其上的荧光标签。因此，荧光量与试样中的抗原量相关。另一解决方案包括在基质上的固定化或寡核苷酸探针溶液的使用，然后该寡核苷酸探针与试样中的互补DNA、cDNA或mRNA杂交，并且可以用嵌入式染料(例如，溴化乙锭)检测该双链核酸。根据另一解决方案，令两灭光标记在测定中严格接近，在化验中基于灭光共振能量转移(FRET)测量标记的猝灭。备选地，重金属与荧光团的键合也可以通过荧光染料来检测。已经提出了具有用于检测光信号的主动或被动方案的各种装置，不论对测定进行的处理如何，也不论产生光信号的技术如何。这些装置中，光辐射由探测器(例如，对发射的光辐射的波长灵敏的CCD (电荷耦合器件)型或CMOS型光电探测器)采集，其中，光强或其变化为在测定中激活的特定标记量的函数，并且因此也是检测到的分子或生物分子量的函数。[0012]在利用qRT-PCR(量化逆转录聚合酶链式反应)进行分析的情况中，该装置(例如，在60°C、72°C和90°C )产生用于被搜寻目标分子的扩增的热循环，并即刻提供其准确的量化估计。为正确执行扩增过程，热循环必须以受控和均匀的温度发生在文称为“反应腔”的区域内。例如，图1示出用于执行诊断分析的装置I的一部分，包括具有导引装置3的反应区2，其中保持件4被插入并且具有加热装置6。保持件4的上方区域形成面向发光元件11 (例如LED)和探测器12 (例如CXD探测器)的热腔室10。另外，该装置I具有通风单元8，其例如包括布置于反应区2下方的风扇。电子装置(未示出)控制电流向加热装置6的供给和通风单元8的激活从而获得期望的热循环。这里保持件4 (也可参见图2，其中该保持件相对于图1旋转了 90度而纵向显示)由例如适当的生物可兼容的透明塑料(例如聚碳酸酯)的模制体形成并且具有平行六面体形状，所述保持件具有在其上固定加热装置6的底部。保持件4在顶面上具有一系列上端开口且设计用于包含试剂和反应产物的腔室7。如图2和图3所示，示例中加热装置6由模具形成，包括半导体材料的衬底15，在其一侧具有导电材料(例如铝或其它金属)的线圈16，该线圈16遍布腔室7的区域延伸。线圈16与衬垫17连接。然而，其它类型的保持件也是可能的，例如没有腔室7。在这种情况下，直接在模具内形成腔室，其背面具有加热装置。利用所示结构，不可能在反应区2内获得高热均匀性。实际上，如图1a所示，该图形示出了反应区2内沿Y轴的热轮廓。其中，在距保持件4一定距离处的接近周围环境值TR的温度，随着接近加热装置6快速增加至加热值TH，并且然后在热腔室10内逐渐回落，在热腔室10上方增长直至温度达到接近环境温度TR的值。特别地，申请人进行的测试显示，由于存在散逸，反应区2内存在约10_15°C的热梯度。由于可能危害到反应执行的正确性并且因此危及所得诊断结果的正确性，这是非常不利的。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种在反应区中提供更高热均匀性的在RT-PCR过程中执行热循环的装置。根据本实用新型，提供一种在RT-PCR过程中执行热循环的装置，包括:框架；热腔室，由定界壁侧向界定，并且配置成由反应支架向下界定，其中反应支架承载有多个用于容纳化学反应物质的反应腔；透明材料的盖子，向上界定热腔室；光辐射源，布置于热腔室外部从而面向盖子并且配置成产生激励光辐射；光辐射探测器，布置于热腔室外部从而面向盖子并且配置成采集反应腔在使用中发出的光辐射；以及处理元件，与光辐射探测器耦合并且配置成探测在使用中发出的光辐射的特征。在一个或多个实施方式中，盖子具有朝向热腔室的加热器。在一个或多个实施方式中，加热器由耦合到电流源的至少一条的金属布线形成。[0026]在一个或多个实施方式中，本实用新型的执行热循环的装置，包括透明屏蔽层，屏蔽层在其面向热腔室的一侧覆盖盖子和加热器。在一个或多个实施方式中，本实用新型的执行热循环的装置，包括附加到盖子上并面向热腔室的温度传感器。在一个或多个实施方式中，定界壁包括恒温材质制成的导引区并且导引区配置成使得在插入过程中导弓I反应支架并且侧向保持反应支架。在一个或多个实施方式中，导引区包括可移动的、一次性导轨。在一个或多个实施方式中，本实用新型的执行热循环的装置，包括第一和第二冷却回路，其分别包括第一和第二通风单元，其中，第一冷却回路还包括延伸至热腔室下方并且耦合至第一通风单元的下冷却室；并且第二冷却回路还包括与第二通风单元耦合的热腔室。在一个或多个实施方式中，第一和第二通风单元由分别放置在第一和第二风扇隔间的吸风机形成。在一个或多个实施方式中，本实用新型的执行热循环的装置，包括在热腔室的相对侧沿纵向方向延伸的第一和第二柱，其中，第一柱形成与装置的外部耦合的进气室，并且第二柱形成与第一和第二风扇隔间耦合以及与装置的外部耦合的出气室，进气室还通过第一连接口耦合至下冷却室并且经由隔间和经由开口耦合至热腔室，开口在定界壁之一中延伸。在一个或多个实施方式中，第一风扇隔间被布置成相对于第二风扇隔间侧向偏移。在一个或多个实施方式中，本实用新型的执行热循环的装置，包括耦合至加热器、第一和第二通风单元和温度传感器的温度控制单元以用于控制热腔室内的温度。在一个或多个实施方式中，温度控制单元还包括具有加热元件的耦合装置，加热元件在反应支架内的反应腔下方延伸。
为更好理解本实用新型，现仅通过非限制性示例，参考以下附图描述其优选的实施例，其中:图1是已知诊断装置的一部分的侧视图；图1a示出图1所示装置内的热轮廓；图2是用于图1的装置的保持件的透侧视图(ghost side view)；图3是图2的保持件的底视图；图4是本诊断装置的反应区的侧视图；图4a示出图4的反应区内的热轮廓；图5是图4的反应区盖子的透视底视图；图6是盖子的一部分的放大截面和透视图；图7a_7e是布置于图5所示盖子上的加热器的不同实施例；图8是本装置沿图9的VII1-VIII平面的横截面；图9是本装置沿图8的IX-1X平面的纵截面；[0048]图9a是图9的放大细节的透视图；和图10是本装置的方框图。
具体实施方式
图4示出用于执行诊断分析的装置100的一部分，从而采用如上所述的qRT-PCR技术检测目标分子的存在和数量。特别地，图4示出了一反应区102，该反应区包括用于类似于参考图1和图2描述的保持件104的导引装置103。特别地，该保持件104具有形成于模具105的第一加热装置106，并且形成一系列的反应腔107 (示于透视图中且顶侧开口)，该反应腔设计用于包含试剂和反应产物和/或试管。备选地，第一加热装置106可直接模制在保持件104的底部或一侧。这里保持件104上方的区域形成顶部由盖子115封闭的热腔室110。通常为矩形形状的盖子115对发光元件165 (见图8)的光和反应过程中的荧光透明的，从而能够支持经由布置在热腔室110上方的探测器166 (也在图8中可见)的采集。特别地，盖子115可以是玻璃、GaN或其它透明材料，用于使反应过程中发出的辐射能够通过，从而保证下面腔室102的热密封性。第二加热装置116布置于盖子115朝向保持件104 (也见图5)的那一面上，并且图5至图7中更加详细地示出该第二加热装置。特别地，第二加热装置116由厚度大的导电通路(例如，诸如Al或Mo等的金属层)形成，该厚度优化用于高电流容量(例如，2-3微米即能够负载包含在0.5A至2A之间的电流)，且第二加热装置可以具有如图7a_7e所示的不同形状。导电通路通常具有沿平行方向延伸至盖子115的三个侧面的外围部分116a(图5、图7a_7e)，并与衬垫117连接。外围部分116a可能地连接至多个相互平行和/或相互交叉(图5，图7a-7c)且穿盖子115的区域的中间部分116b，从而在一个反应腔107和另一反应腔之间的空间延伸，并不至于干扰PCR过程中发出的辐射。继而，如图5中的局部放大图所示，外围部分116a和中间部分116b可以完全或部分形成为线圈。为了方便初始化设置和驱动，第一加热装置106和第二加热装置116可以具有相同的电阻标称值(例如，15至24欧姆)。而且，可以将温度传感器120固定在盖子115栅(见图5)，该温度传感器包括独立的、与自身衬垫121连接的模具，并且能够测量热腔室110内的温度并提供可以用于温度反馈控制的信号。第二加热装置116和传感器120的衬垫117、121连接至连接器122，继而如下文参照图10所描述的那样，连接至该装置100的控制单元。如图6所示，第二加热装置116可以被钝化层123覆盖，该钝化层形成用于金属通路116a、116b的屏蔽。例如，该钝化层123可以是厚度约为I微米的二氧化硅或氮化硅，并且除了保护第二加热装置116的金属通路之外，还具有消除反应过程中发出的光由盖子115所引起的可能反射。这样(见图4)，归功于第一加热装置106从下方供给的热量和第二加热装置116从上方供给的热量，包括热腔室110和保持件104直到第一加热装置106的区域，如图4a所示可保持在基本均匀的温度。[0059]盖子115可由比盖子115面积大得多(例如玻璃)的板制成，该板印刷有金属通路116a、116b (同时形成用于多个盖子的许多加热装置116)，并且覆盖有钝化层123。玻璃板然后可以刻痕以分隔单个盖子115。温度传感器120和连接器122经由导电膏或导电胶安装在每个盖子115上，盖子115安装在该装置100上。所有步骤均是干法类型，从而避免表面粗糙。为优化执行反应(例如，PCR或qRT-PCR)提供的加热和冷却步骤，如图8和图9中详细示出的，所示装置100具有双冷却回路,该图8和图9表示在互相垂直平面内的两部分。具体地，该装置100具有定义了封闭结构的平行六面体形状的框架，包括:横向侧(见图8)上的第一和第二定界壁131、132，纵向侧(见图9)上的第一和第二柱133、134，底部147和顶部135。这样，壁131、132，柱133、134 (尤其是后面描述的壁154a、154b)、盖子115和保持件104 —起划定热腔室110的界限，其中，垂直方向(图4中的Y方向)中的温度是均匀的在装置100的框架内，发光元件165 (如LED)与探测器166 (如CXD探测器)布置在热腔室110的上方。定界壁131、132定义了导引装置103，并与柱133、134—道形成用于盖子115的置放结构。有利地，形成导引装置103的定界壁131、132的部分131a、132a由导轨形成，该导轨可以从剩余的定界壁移除(并且例如由螺丝或其它可释放的约束装置固定)，从而它们可以在每次反应时更换(一次性导轨)。导轨131a、132a为恒温材料(例如ABS或PVC)，从而有利于在反应腔102内维持均匀的温度，并且甚至在后续分析中防止腔室内部试剂的意外污染。柱133、134内部定义了用于冷却空气的双通路，包括:入口通路135，一对冷却通路145、155和出口公共通路136。具体地，如图9所示，入口通路135由第一柱133的底部147上的入口开口 140、该入口开口 140上方的第一栅格141、第一栅格141上方的入口腔142形成。如下文指示的其他栅格，第一栅格141由例如网格或者多孔过滤器形成，从而防至灰尘(特别是大尺寸颗粒)的吸吮或在一般入口中。紧接于热腔室102之下，朝向装置100的内部，第一柱133具有多个第一开口 143(也参见图8)，其中，引起一部分空气在反应区102下流动从而在底部围住保持件104(因此形成了第一冷却通路145)。为了沿第一冷却通路145 (图9)导引空气,导流板144以相对于装置100的纵向方向在第一柱133和第二柱134之间的反应区102下方延伸。在导流板144的端部上方，第二柱134具有多个第二开口 148(图9中仅I个可见)，其中，第一冷却通路145内的空气被布置在第一风扇舱147中的第一风扇149沿着出口通路136向布置在第二柱134的出口腔158抽出。此外，流经热腔室102的部分空气被偏折从而在顶部(第二冷却通路155)围住保持件104。为此，入口腔142在顶部连接至后部区域151 (位于保持件104后面并且由滑动门153关闭)，然后连接至多个第三开口 152 (也见图8)，该第三开口形成在第一顶壁154a内，并且开口至热腔室110上。第二柱134内的第二风扇舱157内的第二风扇156沿着第二冷却通路155并且通过多个第四开口 153(图9中仅I个可见)抽取空气。该第四开口153形成在第二柱134顶端附近的第二顶壁154b内。在图9中可以看到，特别在局部放大图中，第二风扇156布置在相对于第一风扇149更高的水平,但相对于第一风扇149有侧向偏移。这里，第一风扇149不与第一冷却通路145纵向对准而是侧向移位。备选地，第二风扇149可以相对于第二冷却通路155偏移。在两种情形中，来自第一和第二冷却通路145、155的空气被吸入出口腔158，并且通过底部147的出口开口 159和通过第二栅格160排出。本装置100具有在图10的方框图中所表示的架构。具体地，作为采集光辐射的功能的探测器166产生供给至信号处理单元170的第一电信号，该信号处理单元170基于接收的第一电信号向处理单元171供给第二电信号，该第二电信号根据实施的反应和协议以定性和/或定量的形式指示在腔室107内发生的反应。处理单元171除了通过一个或多个输入/输出单元172向外界供给所需的信息夕卜，还监管该反应的热控制。为此，它与温度控制单元175相连，该温度控制单元通过自身的驱动电路176控制第一和第二加热装置106、116的致动，从而供给用于它们操作必需的电流(并且因此像电流源一样操作)以及第一和第二风扇149、156的致动。温度控制单元175还连接至温度传感器120以接收反应腔102内关于温度的信息，从而以精确的方式控制设想中的热循环的执行。电源单元177为该装置100的各个单元提供电源。反应开始之前，向上滑动打开后门153，使得后部隔间151和待接收保持件104的区域均访问。然后，在装置100中的导引部件131a、132a的可能装配之后，将具有第一加热装置106的保持件104插入到后部隔间151中直到其抵住第一柱133的壁附近的止动装置为止(图9)。然后，关上门153之后，可以在中央单元171的控制下，启动诊断程序启动，该中央单元171然后基于发出的光辐射提供所请求的诊断结果。所示装置100能够在反应腔102 (特别是腔室107)内借助布置在保持件104两侧的两个加热器(第一和第二加热装置106、116)的存在维持均匀的温度，这就生成了气垫并且减少了保持件104的顶部与底部之间的热梯度。可以在保持件104的上方和下方以独立的方式支配和控制的两加热器106、116的存在，支持了边界条件的设置并且因此使得系统能够独立于外部/环境变化并且屏蔽内部。产生两个独立空气流的两条冷却通路145、155的存在，也归功于盖子115上温度传感器120的存在，使得能够执行具有高热均匀性的精确热循环，其中该两个独立空气流在顶部和底部包围保持件104并且独立地受控。如上所述，导引装置103由一次性导轨131a、132a构成的事实，有利于高均匀性并防止防止任何污染。位于离反应发生的腔室107 —定距离的透明材质的盖子115为周围环境提供了热不连续性，而不干扰反应的光学监测和发出光辐射的采集。最后，应当清楚，可以对于这里描述和说明的装置作出修改或变型，而不偏离所附权利要求书定义的本实用新型的范围。例如，如所指示的，保持件104可以不同，并且同样地，被设计用于提供双冷却通路的部件也可以以不同于所表示部件的方式制造。
权利要求1.一种在RT-PCR过程中执行热循环的装置，包括: 框架； 热腔室，由定界壁侧向界定，并且配置成由反应支架向下界定，其中所述反应支架承载有多个用于容纳化学反应物质的反应腔； 透明材料的盖子，向上界定所述热腔室； 光辐射源，布置于所述热腔室外部从而面向所述盖子并且配置成产生激励光辐射；光辐射探测器，布置于所述热腔室外部从而面向所述盖子并且配置成采集所述反应腔在使用中发出的光辐射；以及 处理元件，与所述光辐射探测器耦合并且配置成探测在使用中所述发出的光辐射的特征。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，盖子具有朝向所述热腔室的加热器。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述加热器由耦合到电流源的至少一条的金属布线形成。
4.根据权利要求2所述的装置，包括透明屏蔽层，所述屏蔽层在其面向所述热腔室的一侧覆盖所述盖子和所述加热器。
5.根据权利要求1所述的装置，包括附加到所述盖子上并面向所述热腔室的温度传感器。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述定界壁包括恒温材质制成的导引区并且所述导引区配置成使得在插入过程中导引所述反应支架并且侧向保持所述反应支架。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述导引区包括可移动的、一次性导轨。
8.根据权利要求2或5所述的装置，包括第一和第二冷却回路，其分别包括第一和第二通风单元，其中，所述第一冷却回路还包括延伸至所述热腔室下方并且耦合至所述第一通风单元的下冷却室；并且所述第二冷却回路还包括与所述第二通风单元耦合的所述热腔室。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第一和第二通风单元由分别放置在第一和第二风扇隔间的吸风机形成。
10.根据权利要求9所述的装置，包括在所述热腔室的相对侧沿纵向方向延伸的第一和第二柱，其中，所述第一柱形成与所述装置的外部耦合的进气室，并且所述第二柱形成与所述第一和所述第二风扇隔间耦合以及与所述装置的外部耦合的出气室，所述进气室还通过第一连接口耦合至所述下冷却室并且经由隔间和经由开口耦合至所述热腔室，所述开口在所述定界壁之一中延伸。
11.根据权利要求9或10所述的装置，其中，所述第一风扇隔间被布置成相对于所述第二风扇隔间侧向偏移。
12.根据权利要求8所述的装置，包括耦合至所述加热器、所述第一和所述第二通风单元和所述温度传感器的温度控制单元以用于控制所述热腔室内的温度。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述温度控制单元还包括具有加热元件的耦合装置，所述加热元件在所述反应支架内的所述反应腔下方延伸。
专利摘要一种在RT-PCR过程中执行热循环的装置，具有包围热腔室的框架，该热腔室由定界壁侧向界定并且配置成使得由承载多个反应腔的反应保持件在底部界定，反应腔被设计成接收化学反应物质。透明材质的盖子固定到所述框架并且在顶部界定热腔室。光辐射源布置于面向盖子的热腔室的外侧，并且配置成生成激励光辐射。光辐射探测器布置于面向盖子的热腔室外侧，并且配置成采集反应腔在使用中发出的光辐射。处理器连接至光辐射探测器并且配置成探测在使用中发出的光辐射的特征。
文档编号C12M1/00GK203159589SQ201220550010
公开日2013年8月28日 申请日期2012年10月19日 优先权日2011年10月19日
发明者E·方塔纳, A·斯卡德里 申请人:意法半导体股份有限公司