用于磁混合的设备和方法与流程

本申请要求于2014年6月18日提交的美国临时专利申请序列号No.62/013,648的优先权，其内容通过参引并入本文。

技术领域

本发明的实施方式涉及利用磁场来使组分混合。具体实施方式涉及向一个或更多个腔室施加磁场并且使每个腔室中的磁响应部件移动以混合腔室中的内容物。

背景技术：

以下描述和示例并不由于其包括在本部分中而被承认是现有技术。

包括聚合酶链式反应(PCR)的化学反应和生物反应通常使用处于一种或更多种物理状态的多种类型的试剂。通常需要使反应的组分混合，例如以提高效率和/或结果的一致性。特别地，冻干试剂可能比液体需要更大量的混合以使试剂再水化并将所述试剂分布在反应容积中。在PCR的情况下，例如，通常通过将液体上下吸移多次来使试剂混合。

组分在PCR过程之前或PCR过程期间的混合可能存在若干挑战。例如，可能难以将混合机构结合在封闭的抽样应答(sample-to-answer)系统中。此外，可能需要以精确受控的方式混合某些过程中的组分，以降低反应组分乳化的可能性。

本公开的示例性实施方式用于以精确受控的方式使组分混合。此外，示例性实施方式可以结合到PCR组件的空间限制内。

技术实现要素：

本公开的示例性实施方式涉及经由位于腔室内部的部件与位于腔室外部的部件之间的磁耦合而使腔室中的内容物混合的系统和方法。

特定实施方式涉及施加磁场以使腔室中的磁响应部件移动。磁响应部件可以是例如球状件、盘状件或杆状件。在具体实施方式中，利用磁响应部件进行磁混合有助于下述各项中的一项或更多项：气泡相对于反应容积的底部或侧部的移位、冻干试剂的再悬浮和/或通过破坏蜡-再悬浮缓冲剂的界面处的表面张力而使尚未自然翻转的蜡翻转。在某些实施方式中，磁响应部件还破坏表面张力，这可以允许气泡更容易地从液体逃逸。此外，可以连续地或间歇地使用磁混合以降低反应容积中的温度梯度。这在例如像涉及腔室的加热和/或冷却的PCR那样的应用中是有利的。在特定实施方式中，在混合过程期间，磁体朝向腔室移动，这将磁响应部件提升至恰好位于液体的弯液面下方，并且接着磁体或者以利用磁吸引力将磁响应部件引导至腔室底部的动作或者以使磁响应部件由于重力而落到腔室底部的动作来远离腔室移动。在某些实施方式中，磁响应部件在其上部位置(例如，邻近弯液面)保持大约0秒、1秒、2秒、3秒、4秒或5秒，并且在其下部位置(例如，在腔室的底部)保持大约0秒、1秒、2秒、3秒、4秒或5秒。在特定实施方式中，磁响应部件在其上部位置与下部位置之间的移动可以持续大约15秒、30秒、60秒、90秒、120秒、180秒、240秒或360秒，或者可以持续大约15秒至180秒之间、30秒至120秒之间、或大约60秒至120秒之间、或大约60至240秒之间、或大约60至360秒之间，以使腔室中的内容物混合。在某些实施方式中，磁响应部件在其上部位置与下部位置之间的移动在腔室中发生反应的整个时间内是连续的或间歇的。在特定实施方式中，该腔室的容积在25μl与2ml之间、25μl与1ml之间、25μl与500μl之间、25μl与100μl之间、50μl与2ml之间、50μl与1ml之间或50μl与500μl之间。

某些实施方式包括下述设备，该设备包括：轴，该轴包括第一端和第二端以及在第一端与第二端之间延伸的纵向轴线；联接至轴的马达，其中，该马达构造成使轴绕该轴的纵向轴线旋转；联接至轴的磁体，其中，该磁体包括邻近轴的纵向轴线的第一端和远离轴的纵向轴线的第二端；以及壳体，该壳体构造成接纳腔室。在特定实施方式中，轴构造成从第一轴位置移动至第二轴位置，其中，在第一轴位置，磁体的第二端远离壳体，并且在第二轴位置，磁体的第二端邻近壳体。

在具体实施方式中，轴构造成从第一轴位置旋转至第二轴位置。在一些实施方式中，壳体包括构造成接纳腔室的插入件。一些实施方式还可以包括接纳在壳体内的腔室和设置在该腔室内的可移动磁响应部件。在特定实施方式中，可移动磁响应部件在轴处于第一轴位置时处于第一位置，并且可移动磁响应部件在轴处于第二轴位置时处于第二位置。

在一些实施方式中，可移动磁响应部件在该可移动磁响应部件处于第一位置时与腔室的底表面接触，并且可移动磁响应部件在该可移动磁响应部件处于第二位置时与腔室的侧表面(而非底表面)接触。在具体实施方式中，壳体包括热电冷却器(TEC)。在某些实施方式中，该腔室包含稳定的冻干生物试剂的组合物。在特定实施方式中，腔室的侧表面是渐缩的并且腔室的底表面是弯曲的。在具体实施方式中，该底表面以第一半径弯曲；可移动磁响应部件是具有第二半径的球形的球状件；并且第一半径大于第二半径。在某些实施方式中，第二半径(即，球状件的半径)是第一半径(即，底表面的半径)的至少50％、60％、70％、80％或90％(但小于100％)。

在特定实施方式中，可移动磁响应部件是球状件、盘状件或杆状件。在某些方面，磁响应部件可以具有最长尺寸在大约0.5mm至大约5mm之间或者在大约1mm至大约2mm之间的直径或长度。在一些实施方式中，杆状件的长度在大约0.0625英寸和0.125英寸之间。在具体实施方式中，可移动磁响应部件是不锈钢球状件。在特定实施方式中，不锈钢球状件是400系列不锈钢球。在一些实施方式中，该球状件的直径为大约1.6mm。在一些实施方式中，不锈钢物体(例如，球状件、盘状件或杆状件)已被钝化以将游离铁或其它夹杂物从该不锈钢物体的表面去除。不锈钢可以通过例如一系列的酸浴而钝化，酸浴将游离铁或其它夹杂物从表面清除并形成保护不锈钢以免腐蚀的均匀自然的氧化物层。磁响应部件优选地由对其所处的反应条件呈惰性的材料制成或者至少涂覆有对其所处的反应条件呈惰性的材料。在某些方面，磁性材料或磁响应材料可以被包裹在非磁响应材料中或涂覆有非磁响应材料以防止所述磁性材料或磁响应材料与反应环境相互作用。例如，磁性材料或磁响应材料可以被包裹在陶瓷、玻璃或塑料(例如聚苯乙烯、聚乙烯(polyethylene)、聚乙烯(polyethene)、聚丙烯、氯丁橡胶、聚(四氟乙烯))中或者涂覆有该陶瓷、玻璃或塑料。

在某些实施方式中，该腔室包含适于在聚合酶链式反应(PCR)核酸扩增过程中使用的内容物，并且可移动磁响应部件被钝化以形成与该腔室的内容物不反应的氧化物层。在具体实施方式中，该腔室包含适于在聚合酶链式反应(PCR)核酸扩增过程中使用的试剂。

在一些实施方式中，第一轴位置与第二轴位置成大约15度、20度、25度、30度、35度、50度、60度、70度、80度或90度。在一些实施方式中，第一轴位置与第二轴位置介于大约15度至90度之间、20度至50度之间或20度至30度之间。具体实施方式还包括构造成将轴的旋转限制在第一轴位置与第二轴位置之间的开关。在某些实施方式中，该开关是包括联接至轴的盘状件的光学开关。在特定实施方式中，该设备联接至配置成将轴的旋转控制在第一轴位置与第二轴位置之间的聚合酶链式反应(PCR)控制模块。在一些实施方式中，该PCR控制模块配置成将轴从第一轴位置至第二轴位置的旋转控制成使得：可移动磁响应部件在第一位置保持大约0秒、1秒、2秒、3秒、4秒或5秒(或其中的任意范围)，并且可移动磁响应部件随后移动至第二位置并在第二位置保持大约0秒、1秒、2秒、3秒、4秒或5秒(或其中的任意范围)。在具体实施方式中，PCR控制模块配置成将轴从第一轴位置至第二轴位置的旋转控制成使得：可移动磁响应部件在第一位置与第二位置之间循环大约15秒、30秒、60秒、90秒、120秒、180秒、240秒或360秒(或其中的任意范围)。在一些实施方式中，PCR控制模块配置成将轴从第一轴位置至第二轴位置的旋转控制成使得：可移动磁响应部件在PCR开始之前或者在PCR开始的同时(例如，在初始变性步骤期间或在为RT-PCR(逆转录聚合酶链式反应)的情况下在逆转录阶段期间)在第一位置与第二位置之间循环、在PCR期间间歇地在第一位置与第二位置之间循环(例如，在温度变化期间进行混合以减少反应中的热梯度)或者在整个或大部分PCR期间连续地在第一位置与第二位置之间循环。

在某些实施方式中，磁体的最大能积(BHmax)在48兆高奥(MGOe)与54兆高奥之间。在一些实施方式中，磁体的最大能积(BHmax)为大约52MGOe。在特定实施方式中，磁体的第二端定位成距旋转轴的纵向轴线大约0.70英寸、0.75英寸、0.80英寸、0.82英寸、0.85英寸或0.90英寸(或其中的任意范围)。在一些实施方式中，磁体的第二端在系统处于第一轴位置时距可移动磁响应部件的质心大约0.10英寸、0.15英寸、0.20英寸、0.21英寸、0.22英寸或0.25英寸(或其中的任意范围)。该设备可以构造使得磁体仅在该磁体处于第二位置时近到足以磁吸引磁响应部件，或者该设备可以构造成使得磁体在该磁体处于第二位置和第一位置时都近到足以磁吸引磁响应部件。与单独通过重力相比，将磁响应部件磁吸引至其下部位置使得能够在需要的情况下使磁响应部件更快地移动至下部位置。在具体实施方式中，磁体被纵向磁化。在某些实施方式中，磁体由钕制成。在特定实施方式中，磁体为圆柱形形状并具有约0.125英寸的直径和0.375英寸的长度。在一些实施方式中，壳体包括第一开口，所述第一开口构造成接纳磁体，使得磁体的第二端在轴处于第二轴位置时延伸到第一开口中。在某些实施方式中，磁体的第二端还可以在轴处于第一轴位置时延伸到第一开口中或部分地延伸到第一开口中。在具体实施方式中，壳体包括构造成接纳腔室的第二开口。在特定实施方式中，壳体包括构造成接纳光纤线缆的第三开口。在一些实施方式中，壳体包括构造成接纳第二光纤线缆的第四开口。在某些实施方式中，壳体包括限定圆锥形空间的插入件。

一些实施方式包括下述设备，该设备包括：轴，该轴包括第一端和第二端以及在第一端与第二端之间延伸的纵向轴线；联接至轴的马达，其中，该马达构造成使轴绕该轴的纵向轴线旋转；多个磁体，所述多个磁体沿着轴的纵向轴线联接至该轴，其中，每个磁体均包括邻近轴的纵向轴线的第一端和远离轴的纵向轴线的第二端；以及包括沿着直线轴线布置的多个壳体的模块。该模块可以包括例如4个至24个壳体、4个至12个壳体、4个至8个壳体、4个至6个壳体、6个至24个壳体或6个至12个壳体。在具体实施方式中，轴的纵向轴线大致平行于所述多个壳体的直线轴线；并且所述多个磁体中的每个磁体均与所述多个壳体中对应的壳体对准。

在某些实施方式中，轴构造成从第一轴位置旋转，在第一轴位置中，每个磁体的第二端均远离对应的壳体；并且该轴构造成旋转至第二轴位置，在第二轴位置中，每个磁体的第二端均邻近对应的壳体。特定实施方式还包括布置在所述多个壳体中的每个壳体内的腔室和布置在每个腔室内的可移动磁响应部件。在一些实施方式中，每个磁体的第二端均在轴处于第一位置时远离腔室的侧表面；并且每个磁体的第二端均在轴处于第二位置时邻近腔室的侧表面且远离腔室的底表面。在具体实施方式中，每个腔室中的可移动磁响应部件在轴处于第一轴位置时处于与腔室的底表面接触的第一位置中；并且每个腔室中的可移动磁响应部件在轴处于第二轴位置时处于与腔室的侧表面接触并且不与腔室的底表面接触的第二位置中。

在某些实施方式中，每个腔室的侧表面均是渐缩的并且每个腔室的底表面均是弯曲的。在特定实施方式中，壳体包括热电冷却器(TEC)。在一些实施方式中，每个腔室均包含稳定的冻干生物试剂的组合物，所述冻干生物试剂包括含有核苷三磷酸(NTPs)和聚合酶的冻干颗粒。在特定实施方式中，可移动磁响应部件是不锈钢球。在某些方面，磁响应部件可以具有最长尺寸在大约0.5mm至大约5mm之间或在大约1mm至大约2mm之间的直径或长度。在一些实施方式中，可移动磁响应部件是直径大约为0.0625英寸的球体(即球)。在具体实施方式中，每个腔室均包含适于在聚合酶链式反应(PCR)核酸扩增过程中使用的内容物，并且其中，可移动磁响应部件被钝化而形成与腔室中的内容物不反应的氧化物层。在某些实施方式中，每个腔室均包含适于在聚合酶链式反应(PCR)核酸扩增过程中使用的试剂。在特定实施方式中，每个腔室还包括液体。

在一些实施方式中，每个腔室中的可移动磁响应部件在轴处于第一轴位置时处于与腔室的底表面接触的第一位置中；每个腔室中的可移动磁响应部件在轴处于第二轴位置时处于接触腔室的侧表面的第二位置中；并且可移动磁响应部件的第二位置位于液面与腔室的底表面之间。在具体实施方式中，第一轴位置与第二轴位置成大约15度、20度、25度、30度、35度、50度、60度、70度、80度或90度。在一些实施方式中，第一轴位置与第二轴位置介于大约15至90度之间、20度至50度之间或20度至30度之间。

某些实施方式还包括构造成将轴的旋转限制在第一轴位置与第二轴位置之间的开关。在特定实施方式中，该开关是包括联接至轴的盘状件的光学开关。在一些实施方式中，该设备联接至配置成将轴的旋转控制在第一轴位置与第二轴位置之间的聚合酶链式反应(PCR)控制模块。在具体实施方式中，该PCR控制模块配置成将轴从第一轴位置至第二轴位置的旋转控制成使得：可移动磁响应部件在第一位置保持大约0秒、1秒、2秒、3秒、4秒或5秒(或其中的任意范围)，并且可移动磁响应部件随后移动至第二位置并在第二位置保持大约0秒、1秒、2秒、3秒、4秒或5秒(或其中的任意范围)。在某些实施方式中，PCR控制模块配置成将轴从第一轴位置至第二轴位置的旋转控制成使得：可移动磁响应部件在第一位置与第二位置之间循环大约15秒、30秒、60秒、90秒、120秒、180秒、240秒或360秒(或其中的任意范围)。在一些实施方式中，PCR控制模块配置成将轴从第一轴位置至第二轴位置的旋转控制成使得：可移动磁响应部件在PCR开始之前或者在PCR开始的同时(例如，在初始变性步骤期间或在为RT-PCR的情况下在逆转录阶段期间)在第一位置与第二位置之间循环、在PCR期间间歇地在第一位置与第二位置之间循环(例如，在温度变化期间进行混合以减少反应中的热梯度)或者在整个或大部分PCR期间连续地在第一位置与第二位置之间循环。

其它实施方式包括利用本文中公开的设备混合试剂的方法。该方法例如可以包括获得如下设备，该设备包括容纳磁响应部件和试剂的腔室；以及联接至旋转轴的磁体，其中，该轴构造成从第一轴位置移动至第二轴位置；在第一轴位置，磁体的第二端远离该腔室；并且在第二轴位置，磁体的第二端邻近该腔室；该方法还包括将轴从第一位置移动至第二位置，其中，磁响应部件在腔室内从第一位置移动至第二位置，从而使试剂混合。试剂可以是例如PCR试剂和/或逆转录试剂。在一些实施方式中，试剂可以包括酶。在某些实施方式中，酶可以是聚合酶、核酸内切酶或核酸外切酶。某些实施方式包括在聚合酶链式反应(PCR)期间混合试剂的方法。在具体实施方式中，该方法包括获得如下设备，该设备包括：容纳磁响应部件和试剂的腔室，其中，所述试剂适于PCR；以及磁体，该磁体构造成使磁响应部件在腔室中的第一位置与腔室中的第二位置之间(例如，在腔室的底表面与腔室的侧表面之间)移动。特定实施方式可以包括联接至旋转轴的磁体，其中，该轴构造成从第一轴位置移动至第二轴位置，并且在第一轴位置，磁体的第二端远离腔室；在第二轴位置，磁体的第二端邻近腔室。在某些实施方式中，该方法包括将轴从第一位置移动至第二位置，其中，磁响应部件在该腔室内从第一位置移动至第二位置，从而使试剂混合。

在特定实施方式中，腔室包括底表面和侧表面，并且其中，磁响应部件在第一位置中接触底表面，并且磁响应部件在第二位置中接触侧表面。在一些实施方式中，磁响应部件从第一位置移动至第二位置并在第二位置中保持大约0秒、1秒、2秒、3秒、4秒或5秒(或其中的任意范围)；并且磁响应部件从第二位置移动至第一位置并在第一位置中保持大约0秒、1秒、2秒、3秒、4秒或5秒(或其中的任意范围)。在具体实施方式中，磁响应部件在第一位置与第二位置之间循环大约15秒、30秒、60秒、90秒、120秒、180秒、240秒或360秒(或其中的任意范围)。在某些实施方式中，可移动磁响应部件在PCR开始之前或者在PCR开始的同时(例如，在初始变性步骤期间或在为RT-PCR的情况下在逆转录阶段期间)在第一位置与第二位置之间循环、在PCR期间间歇地在第一位置与第二位置之间循环(例如，在温度变化期间进行混合以减少反应中的热梯度)或者在整个或大部分PCR期间连续地在第一位置与第二位置之间循环。在具体实施方式中，试剂中的至少一者以冻干的形式提供。在一些实施方式中，腔室的侧表面是渐缩的并且腔室的底表面是弯曲的。在该方法的具体实施方式中，底表面弯曲成具有第一半径；可移动磁响应部件是具有第二半径的球形球体；并且第一半径大于第二半径。该方法的某些实施方式包括在开始第一PCR循环之前移动磁响应部件。特定实施方式包括在每个PCR循环的至少一部分期间使磁响应部件移动。

在一些实施方式中，磁响应部件的移动发生在温度升高阶段期间。在具体实施方式中，磁响应部件从第一位置至第二位置的移动降低了腔室中的温度梯度。某些实施方式包括在聚合酶链式反应之前以及在聚合酶链式反应期间使磁响应部件移动。特定实施方式包括在开始逆转录反应之前使磁响应部件移动。一些实施方式包括在逆转录反应的至少一部分期间使磁响应部件移动。具体实施方式包括在聚合酶链式反应之前以及在聚合酶链式反应期间使磁响应部件移动。

在某些实施方式中，磁响应部件从第一位置至第二位置的移动使腔室中的熔融蜡层翻转。在所述方法的特定实施方式中，磁响应部件是球体。在该方法的一些实施方式中，该球体的直径为大约0.0625英寸。在该方法的具体实施方式中，磁响应部件是具有第一直径的盘状件或球体，并且其中，从磁响应部件的第一位置至第二位置的距离在第一直径的两倍与五倍之间。在某些实施方式中，试剂是聚合酶链式反应(PCR)试剂。在特定实施方式中，试剂是逆转录试剂。在一些实施方式中，试剂包括酶，并且在具体实施方式中，所述酶是聚合酶、核酸内切酶或核酸外切酶。

某些实施方式包括下述设备，该设备包括：壳体；布置在壳体内的插入件，其中，该插入件构造成接纳腔室；第一电磁体，该第一电磁体邻近插入件上的第一位置；以及第二电磁体，该第二电磁体邻近插入件上的第二位置。在特定实施方式中，第一电磁体和第二电磁体构造成分别交替地向插入件上的第一位置和第二位置施加磁力。在一些实施方式中，插入件包括由具有第一端和第二端的渐缩的侧表面限定的圆锥形空间；第一端的直径大于第二端的直径；第一端是敞开的并且第二端是闭合的；插入件上的第一位置位于插入件的第一端与第二端之间；并且第二位置定位成邻近插入件的第二端。

一些实施方式还包括接纳在插入件内的腔室和布置在腔室内的可移动磁响应部件。在具体实施方式中，可移动磁响应部件在第一电磁体被启用而施加磁力时处于第一位置中；并且可移动磁响应部件在第二电磁体被启用而施加磁力时处于第二位置中。在某些实施方式中，腔室包含适于在聚合酶链式反应(PCR)核酸扩增过程中使用的内容物，并且可移动磁响应部件被钝化而形成与腔室的内容物不反应的氧化物层。在特定实施方式中，该腔室包含适于在聚合酶链式反应(PCR)核酸扩增过程中使用的试剂。

某些实施方式包括下述设备，该设备包括：壳体；布置在壳体内的插入件，其中，该插入件构造成接纳腔室；和电磁体，该电磁体邻近插入件上的第一位置，其中，该电磁体构造成交变地向插入件上的该位置施加磁力。在具体实施方式中，插入件包括由具有第一端和第二端的渐缩的侧表面限定的圆锥形空间；第一端的直径大于第二端的直径；所述第一端是敞开的并且第二端是闭合的；并且插入件上的第一位置位于插入件的第一端与第二端之间。

某些实施方式还包括容纳在插入件内的腔室和布置在该腔室内的可移动磁响应部件。在特定实施方式中，可移动磁响应部件在电磁体为施加磁力而通电时处于第一位置；并且可移动磁响应部件在电磁体没有为施加磁力而通电时处于第二位置。在某些实施方式中，腔室包含适于在聚合酶链式反应(PCR)核酸扩增过程中使用的内容物，并且可移动磁响应部件被钝化以形成与腔室的内容物不进行反应的氧化物层。在特定实施方式中，腔室包含适于在聚合酶链式反应(PCR)核酸扩增过程中使用的试剂。

术语“联接”被定义为连接，但不是必需直接地连接并且不是必需机械地连接。如果两个物件可以联接至彼此，则这两个物件是“可联接的”，并且当联接时，这两个物件仍然可以具有“可联接的”的特征。除非上下文另外明确要求，否则可联接的物件也是可以断开联接的，相反，可断开联接的物件也是可以联接的。第一结构件能够联接至第二结构件的一种非限制性方式是将第一结构件构造成联接(或者构造成可联接至)至第二结构件。

除非本公开另有明确要求，否则术语“一”和“一个”被定义为一个或更多个。

术语“大致”及其变型(例如，“大约”和“约”)被定义为很大程度上的完全但不必是如本领域普通技术人员所理解的指定的完全(并且包括所指定的完全)。在任何公开的实施方式中，术语“大致”、“大约”和“约”可以用所指定的“[百分比]范围之内”替换，其中，百分比包括0.1％、1％、5％和10％。

术语“包含”(以及任何形式的包含)、“具有”(以及任何形式的具有)、“包括”(以及任何形式的包括)和“含有”(以及任何形式的含有)是开放式连接动词。因此，“包含”、“具有”、“包括”或“含有”一个或更多个步骤或元件的方法或装置拥有这一个或更多个步骤或元件，但不限于仅拥有这一个或更多个元件。同样，方法的“包含”、“具有”、“包括”或“含有”一个或更多个特征的步骤或装置的“包含”、“具有”、“包括”或“含有”一个或更多个特征的元件拥有这一个或更多个特征，但不限于仅拥有这一个或更多个特征。例如，包含超声换能器的系统具有一个样品储存器单元，但该系统可以具有多于一个的超声换能器。

此外，以某种方式构造的装置或结构至少以这种方式构造，但也可以以未列出的方式构造。公制(米制)单位可以通过应用转换和四舍五入到最接近的毫米而由所提供的英制单位导出。

除非被本公开或实施方式的性质明确禁止，否则即使未描述或示出，一个实施方式的一个特征或多个特征也可以应用于其他实施方式。

所公开的装置和方法中的任何装置和方法的任何实施方式都可以由任意所描述的元件和/或特征和/或步骤组成或主要由其组成，而不是包含/包括/含有/具有任意所描述的元件和/或特征和/或步骤。因此，在任何权利要求中，术语“由…组成”或“主要由…组成”可以替代上述开放式连接动词中的任意开放式连接动词，以改变原本使用开放式连接动词所得到的给定权利要求的范围。

参照以下结合附图对具体实施方式的详细描述，其它特征和相关联的优点将变得清楚。

附图说明

以下附图通过示例而非限制的方式示出。为了简洁和清楚起见，给定结构的每个特征可能不会在出现该结构的每幅图中都标记。相同的附图标记不一定指示相同的结构。相反，相同的附图标记可以用于指示类似的特征或具有类似功能的特征，正如不同的附图标记可以用于指示类似的特征或具有类似功能的特征。

图1是根据本公开的示例性实施方式的包括磁致动组件和热电冷却器(TEC)子组件的聚合酶链式反应(PCR)模块化组件的立体图。

图2是图1的实施方式的磁致动组件的立体图。

图3是图1的实施方式的(TEC)子组件的立体图。

图4是图1的实施方式的磁致动组件和(TEC)子组件的第一立体图。

图5是图1的实施方式的部分磁致动组件和(TEC)子组件的第二立体图。

图6是图1的实施方式的部分磁致动组件和(TEC)子组件的第三立体图。

图7是图1的实施方式的磁致动组件和(TEC)子组件在第一位置中的局部截面图。

图8是图1的实施方式的磁致动组件和(TEC)子组件在第二位置中的局部截面图。

图9是图1的实施方式的磁致动组件和(TEC)子组件在第一位置中的局部立体图。

图10是图1的实施方式的磁致动组件和(TEC)子组件在第二位置中的局部立体图。

图11是由图1的实施方式进行的针对PCR循环而绘制的在PCR期间检测的相对荧光单位(RFU)的曲线图。

图12是由图1的实施方式进行的针对温度而绘制的在溶解期间检测到的Δ相对荧光单位(RFU)的曲线图。

图13是部分磁致动组件和(TEC)子组件的立体图。

图14是图13的实施方式的局部截面图。

图15是包括多个电磁体的PCR模块化组件的局部截面图。

图16是包括单个电磁体的PCR模块化组件的局部截面图。

具体实施方式

通过参照在附图中示出并在以下描述中详述的非限制性实施方式来更充分地解释各种特征和有利细节。然而，应当理解的是，详细描述和具体示例虽然指示了本发明的实施方式，但其仅作为说明而不是作为限制给出。通过本公开，各种代替方案、改型、添加和/或重新布置对本领域普通技术人员来说将变得明显。

在以下描述中，提供了许多具体细节以提供对所公开的实施方式的透彻理解。然而，相关领域的普通技术人员将认识到，本发明可以在没有一个或更多个这些具体细节的情况下进行实践或者利用其他方法、部件、材料等来实践。在其他情况下，公知的结构、材料或操作未被示出或详细描述以避免模糊本发明的各方面。应当理解的是，为了清楚起见，对于每副图中可见的每个部件而言，并非示出了所有附图标记。

首先参照图1至图6，构造成用于核酸扩增的聚合酶链式反应(PCR)模块化组件50包括联接至热电冷却器(TEC)子组件200的磁致动组件100。在示出的实施方式中，(PCR)模块化组件50还包括构造成对磁致动组件100进行控制的PCR控制模块60，对磁致动组件100进行控制包括例如对磁致动组件100的轴110的移动或旋转进行控制。

现在具体参照图2至图6，磁致动组件100包括经由联轴器125(例如，波纹管联轴器)联接至电动马达120的轴110。在示出的实施方式中，磁致动组件100还包括支承板130和支承轴110的支承构件135。在特定实施方式中，支承构件135可构造成包含塑料衬套的轴台。如下面进一步详细说明的，磁致动组件100还可以包括能够限制轴110的旋转的一个或更多个开关115。

在示出的实施方式中，轴110包括第一端111和第二端112，其中，在第一端与第二端之间延伸有纵向轴线113。示出的实施方式还包括沿着纵向轴线113联接至轴110的多个磁体150。

磁致动组件100还包括多个保持构件160，所述多个保持构件160构造成保持其他部件(例如，光纤线缆161)以免干扰磁致动组件100的操作。如图4和图5中所示，TEC子组件200还可以包括加热模块201和散热器202。

如图3和图6中所示，TEC子组件200包括分别布置在壳体205内的多个插入件250。在示例性实施方式中，插入件250可以构造为铝TEC块，所述铝TEC块构造成将热能传导至如图7和图8中所示的腔室230(例如，PCR管)。在示例性实施方式中，壳体205可以构造为TEC块绝缘体。

如图7和8所示，插入件250可以构造成用于接纳腔室230。在特定的实施方式中，插入件250包括构造成用于接纳腔室230的圆锥形空间210。在示出的实施方式中，插入件250的圆锥形空间210由渐缩的侧表面270限定，该侧表面270具有较大且敞开的第一端271和较小且闭合的第二端272。在示出的实施方式中，多个壳体205沿着与轴110的纵向轴线113大致平行的直线轴线217布置(在图5中示出)。在示出的实施方式中，每个磁体150均与对应的壳体205对准。

在特定的实施方式中，每个腔室230包括渐缩的侧表面211和弯曲的底表面212，使得侧表面211和底表面212形成大体上圆锥形的结构。应当理解的是，贯穿本公开使用的术语“侧表面”和“底表面”仅用于对附图进行参照的目的。例如，根据腔室230的取向，底表面212并不一定必须位于腔室230的绝对最低部分处。在操作期间，腔室230可以包含用于PCR核酸扩增的许多不同的组分。例如，腔室230可以包含试剂，所述试剂包括缓冲剂、核苷酸、修饰核苷酸、引物、探测剂、酶、糖以及稳定剂。

在某些情况下，可能需要确保试剂充分地混合在一起以提高PCR过程中的效率和准确性。然而，组分的混合也可能产生不理想的效果。例如，混合可能产生气泡，这些气泡干扰通过光纤线缆161进行的光学检测。此外，某些PCR过程可以在试剂214的顶部上包括隔离层213(例如，油层或蜡层)以减少蒸发。在具体的实施方式中，隔离层213可以包含25μL的二十二烷蜡或矿物油。如果混合过程未被适当地控制，则隔离层213可能与试剂214乳化，从而增加蒸发并降低PCR检测和分析的准确性。

本公开的实施方式提供用于将PCR试剂以受控的降低不期望的气泡形成或隔离层213和试剂214乳化的可能性的方式进行混合。特定的实施方式包括设置在腔室230内的可移动磁响应部件220。在某些实施方式中，可移动磁响应部件220可以构造成被钝化以形成非反应性氧化物层的磁性400系列(例如，440C级)不锈钢球。在具体实施方式中，可移动磁响应部件220可以相对于腔室230的底表面212的大小来定尺寸。例如，可移动磁响应部件220可以是下述磁性球：该磁性球的尺寸设定成接合底表面212的最低部分(例如，远离隔离层213的部分)，而没有同时接合渐缩侧表面211。特别地，可移动磁响应部件220可以是半径R1小于底表面212的半径R2的球形形状或球体形状。这可以允许可移动磁响应部件220在可移动磁响应部件220与底表面212之间不会困住气泡的情况下在整个腔室230中充分地接合并混合内容物。在具体实施方式中，可移动磁响应部件220可以构造成具有1/16(0.0625)英寸的直径(即，1/32或0.03125英寸的半径)的球形球体。

现在参照图7至图10，磁致动组件100可以被致动，使得轴110从第一轴位置117移动(例如，转动)至第二轴位置119。如图7和图8中所示，磁体150经由将磁体150与轴110的轴线113间隔开的联接件155联接至轴110。在该实施方式中，每个磁体150均包括邻近纵向轴线113的第一端151和远离纵向轴线113的第二端152。这种构型允许第二端152在轴110转动时以比第一端151更宽的旋转弧度摆动。

在示出的实施方式中，开关115(在图2中示出)可以将轴110的旋转限制在第一轴位置117与第二轴位置119之间。在特定的实施方式中，开关115可以构造为光学开关，其将轴110的旋转限制在第一轴位置与第二轴位置之间的大约25度。在具体实施方式中，开关115可以包括盘状件116，该盘状件116断开开关115内的光路径以对轴110的旋转进行控制。

在第一轴位置117(在图7和图9示出)中，磁体150的第二端152远离腔室230。在该第一位置中，可移动磁响应部件220还接触腔室230的底表面212。在特定实施方式中，磁体150可以是轴向磁化的磁体。这种构型可以允许磁体150在轴110处于第一位置中时在可移动磁响应部件220上施加朝向底表面212的磁力。这可以帮助克服可移动磁响应部件220与试剂214之间的粘性阻力并且辅助可移动磁响应部件220接触底表面212。在某些情况下，重力独自可能不足以克服粘性力以确保可移动磁响应部件220与底表面212之间的接触。

在轴110的第二轴位置119(在图8和图10中示出)中，磁体150的第二端152邻近腔室230并且可移动磁响应部件220由于由磁体150施加的磁力而接触腔室230的侧表面211。如图8中所示，在第二轴位置119中，可移动磁响应部件220位于隔离层213与试剂214的界面215下方(例如，位于界面215与底表面212之间)。可移动磁响应部件220在接触底表面212的第一位置与接触侧表面211的第二位置之间的重新定位可以促进腔室230的内容物的混合。

如图3、图9和图10中所示，每个壳体205均可以包括面向磁体150的狭槽或开口206。在图9中示出的第一位置中，磁体150邻近开口206的下部，并且在图10中示出的第二位置中，磁体150延伸到开口206中并且邻近开口206的上端。开口206构造成接纳磁体150，使得磁体150的第二端152在轴110处于第二轴位置119时延伸到开口206中。

在某些实施方式中，壳体205可以起绝缘体或加热块的作用以保持腔室230中的由加热模块201提供的热能。此外，壳体205可以包括用于接纳并联接光纤线缆161的开口207。此外，壳体205可以包括开口208，开口208用于接纳腔室230以及构造成接合腔室230的侧表面270的渐缩壁221(限定大体上圆锥形的形状)。

在特定实施方式中，可移动磁响应部件220可以保持在第二位置中持续约3秒并且随后被移回至第一位置持续约3秒，以使腔室230的内容物混合。在某些实施方式中，可移动磁响应部件220在第一位置与第二位置之间的这种循环可以重复进行大约90秒。在特定实施方式中，轴110在第一轴位置与第二轴位置之间的旋转可以由PCR模块化组件50的PCR控制模块60控制。

在具体实施方式中，腔室230可以包含生物试剂，所述生物试剂在环境温度下内在地不稳定并且通过冻干用糖使其稳定。生物试剂的冻干导致产生具有低水分含量(例如，小于5％)的材料，并且已冻干材料的功能在其未被干燥储存的情况下受损。因此，已冻干材料的持续稳定性需要用来防止吸湿的方法，该用来防止吸湿的方法包括辅助容器、干燥的湿度环境中储存等。在某些示例中，可以使用蜡层来形成用于已冻干材料的湿气屏障，该湿气屏障提高了已冻干试剂的稳定性。

在某些实施方式中，已冻干材料可以通过隔离层213来稳定，这允许在环境条件下储存样品提取盒，而对低湿度环境没有特殊要求。如前面提到的，隔离层213也可以在PCR期间用作蒸气屏障以减少或防止蒸发。在PCR循环之后，隔离层213(例如，蜡)还可以固化并形成对潜在的扩增子污染物的完全或部分的阻隔。扩增子在其污染了实验室的情况下可能难以消除，而固体蜡显著降低了这种情况发生的机会。

本文中所述的混合过程可以通过破坏隔离层-再悬浮缓冲剂界面处的表面张力来辅助未自然翻转的隔离层213的翻转。可移动磁响应部件220也可以破坏该表面张力，从而允许可能被捕获在再悬浮缓冲剂中的气泡得以释放并上升至顶部。此外，本文中所述的磁混合方法可用于将再悬浮缓冲剂与冻干的块状物进行混合并促进组分的均匀分布，以及降低腔室230内的温度梯度。

混合腔室230的内容物的益处的示例可以在图11和图12中示出。在图11中，关于PCR循环数绘制了在PCR期间检测到的相对荧光单位(RFU)的图。图12以导数溶解曲线示出了关于温度绘制的ΔRFU。在图11和图12中，较浅色的线/虚线示出了来自在PCR腔室中没有进行混合的内容物的结果，而较深色的线(非虚线)示出了来自混合过的内容物的结果。图11示出了未混合的结果直至进行了大约18至20次循环才达到所期望的基线RFU值并且在混合过的结果与未混合的结果之间在肩状部中存在延迟。图12示出了与混合过的结果的ΔRFU相比，未混合的结果中的ΔRFU显著减少。

其他示例性实施方式可以采用与上面公开的部件或构型不同的部件或构型。例如，某些示例性实施方式可以包括旋转磁杆而不是联接至旋转杆的多个磁体。现在参照图13至图14，TEC 200联接至磁致动组件400，磁致动组件400包括由支架460和470支承的旋转磁杆450。如在图14的轴向视图中所示，磁杆450被径向磁化，使得磁场的北极(N)从杆的周界上的位置延伸，并且磁场的南极(S)从在周向上距北极大约180度的位置延伸。因此，当磁杆450沿着轴线413旋转时，北极N和南极S将指向插入件250和插入到插入件250中的PCR腔室(未示出)。类似于前述实施方式，交变磁场可以引导容纳在布置于插入件250内的PCR腔室内的可移动磁响应部件的移动。这种移动可用于多种目的，包括例如使组分混合或者降低温度梯度。

除了前述实施方式之外，一些实施方式可以利用电磁体来向PCR腔室的包括可移动磁响应部件的内容物施加磁力。现在参照图15，构造成用于核酸扩增的聚合酶链式反应(PCR)模块化组件40包括第一电磁体351和第二电磁体352。类似于先前的实施方式，该实施方式也包括壳体205和插入件250。为了清楚起见，并非插入件250的所有特征都在图15中被标记，但是应当理解的是，图15中的插入件250包括与图7和图8中示出的特征等同的特征(例如包括具有较大且敞开的第一端271和较小且闭合的第二端272的渐缩的侧表面270)。

在该实施方式中，第一电磁体351邻近插入件250上的位于第一端271与第二端272之间的第一位置261。第二电磁体352邻近与插入件250的第二端272邻近的第二位置262。第一电磁体351和第二电磁352构造成交替且分别地向插入件250上的第一位置261和第二位置262施加磁力。例如，第一电磁体351可以通电以向第一位置261施加磁力，而第二电磁体352没有为施加磁力而通电。随后，第二电磁体352可以通电以向第二位置352施加磁力，而第一电磁体352没有为施加磁力而通电。该模式可以重复进行，使得磁力被交替地施加至第一位置261和第二位置262。

因此，由于第一电磁体351和第二电磁体352被交替通电以分别向第一位置261和第二位置262施加磁力，因此磁场将在插入件250内和插入到插入件250中的PCR腔室(未示出)内变化。类似于前述实施方式，交变磁场可以引导容纳在布置于插入件250内的PCR腔室内的可移动磁响应部件的移动。这种移动可以用于多种目的，包括例如使组分混合或者降低插入件内或布置在插入件内的腔室内的温度。

现在参照图16，另一示例性实施方式包括单个电磁体551。该实施方式类似于图15中所描述的实施方式，但是(替代由第二电磁体施加的磁力)该实施方式允许重力将磁响应部件220引导至腔室230的底表面212。在该实施方式中，电磁体551可以被通电以施加磁力并且将磁响应部件220引导至腔室230的侧表面211。随后，电磁体551可以被断电以减小或消除施加至磁响应部件220的磁力，从而允许磁响应部件220落到腔室230的底表面212。电磁体551可以被交替地通电和断电以使球体从第一位置(例如，侧表面211)移动至第二位置(例如，底表面212)。这种移动可以用于例如使组分混合或者降低插入件内或布置在插入件内的腔室内的温度。

另外又一些实施方式可以包括不同构型的电磁体。例如，某些实施方式可以包括处于相同水平但以相反极性布线的两个电磁体，使得磁通量跃过电磁体之间的间隙(类似于火花塞中的火花)。其它实施方式可以包括使极性沿着相邻PCR腔室的排列交替变化的电磁体，以用于将通量集中在PCR腔室的区域中的效果。某些实施方式可以包括具有各种护铁构型以对磁通场的形状进行控制的电磁体。

应当理解，本发明的装置和方法不意在限于所公开的特定形式。相反，本发明的装置和方法将覆盖落入权利要求的范围内的所有改型、等同方案和替代方案。例如，在某些实施方式中，可以使用不同构型的磁体和/或可移动磁响应部件。此外，其他一些实施方式可以使用不同的时长来将轴和可移动磁响应部件保持在不同的位置。

上述说明和示例提供了对示例性实施方式的结构和用途的完整描述。尽管上文已经以一定程度的特殊性或者参照一个或更多个单独的实施方式描述了某些实施方式，但是本领域技术人员可以在不背离本发明的范围的情况下对所公开的实施方式进行多种改变。因此，本发明的装置的说明性实施方式不意在限于所公开的特定形式。相反，本发明的装置包括落入权利要求的范围内的所有改型和替换方案，并且除了所示出的实施方式之外的其他实施方式可以包括所描绘的实施方式的特征中的一些特征或全部特征。此外，在适当的情况下，上述示例中的任何示例的方面可以与所描述的其他示例中的任何示例的方面进行组合以形成具有类似或不同特性并解决相同或不同问题的另外的示例。类似地，应当理解的是，上述益处和优点可以涉及一个实施方式或者可以涉及若干实施方式。

权利要求不应被解释为包括功能性限定的装置或功能性限定的步骤，除非这种限定在给定权利要求中分别使用短语“用于...的装置”或“用于...的步骤”明确地叙述。

参考文献

以下参考文献通过参引并入本文中：

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