聚合酶链反应(pcr)是遗传分析中扩增dna样本的常用工具。该过程可包括将dna生物样本置于样本固持器中或样本固持器上，该样本固持器适于在反应位点处将每个样本与其他样本隔离。此类样本固持器在本领域中是众所周知的，并且可采取多种形式，诸如但不限于微量滴定板、微卡、单独的管、连接管条带、毛细管、微阵列和载玻片。另外，样本固持器中容纳的样本的数量可根据例如所需的分析类型而变化，并且单个样本固持器中或样本固持器上可容纳一个样本至数千个样本。
设计用于诸如混合、流体输送、加热和冷却等多种功能的样本固持器遇到的挑战之一是，难以在不对相邻区域产生热影响的情况下对固持器的某一区域进行热控制。在处理小的、间距密集的样本的情况下(例如，聚合酶链反应(pcr))也可具有挑战性。使用pcr过程扩增dna(脱氧核糖核酸)涉及在热循环仪中通过若干不同的温育期对特殊构成的液体反应混合物进行循环。反应混合物由各种组分组成，包括待扩增的dna和至少两种与样本dna充分互补的引物，以便能够产生扩增的dna的延伸产物。pcr的关键是热循环仪器中热循环的概念。热循环仪可设计成使dna变性的替代步骤，使短引物退火为所得的单链，并且延伸那些引物以形成双链dna的新拷贝。在热循环过程中，pcr反应混合物在用于使dna变性的约95℃的高温到用于引物退火和延伸的约50℃至70℃的低温之间反复循环。
在一些之前的pcr仪器中，将样本管插入金属块上的样本孔中。为实施pcr过程，根据用户在pcr方案文件中所指定的温度和时间对金属块的温度进行循环。该循环通过计算机及相关联的电子器件控制。随着金属块温度的变化，各个管中的样本的温度发生相似的温度变化。此类加热的金属块可与上述样本固持器中的任一种一起使用。然而，在例如对非常小的样本执行pcr时，该设备可能会受到非常苛刻的热循环方案的约束，这些热循环方案在一些之前的pcr仪器中并不常见。一种此类方案可能需要将一个或多个样本加热至例如95℃，而相邻的一个或多个样本需要保持在与95℃大不相同的温度下。就需要不同温度的样本而言，所述块不仅可加热期望的反应位点，而且还可将热量传递到周围区域及其他样本。这种热传递可对其他样本产生不利影响，并对样本的扩增或温育产生负面影响。因此，期望提供样本固持器并且可用于执行例如pcr热循环反应而对邻近的反应不产生热影响。
技术实现要素：
在本发明的一个实施例中，提供了一种热块组件。该组件包括：基底，该基底包括配置有多个反应位点的第一表面，每个反应位点构造成用于容纳生物样本，其中基底构造为具有特征结构以改善反应位点的热隔离；以及样本块，该样本块包括多个基座，这些基座构造成用于热调节多个生物样本，其中每个基座热耦合至反应位点中的一者。
在另一个实施例中，提供了一种热块组件。该组件包括：基底，该基座包括配置有多个反应位点的第一表面，每个反应位点构造成用于容纳生物样本；样本块，该样本块包括配置在一行或多行中的多个基座，其中每个基座热耦合至反应位点中的一者并且配置为具有特征结构以改善反应位点的热隔离；以及多个冷却块，每个冷却块与一个反应位点相关联并且能够使反应位点之间的热流最小化。
在另一个实施例中，提供了一种用于热隔离反应位点的方法。该方法包括以下步骤：设置基底，该基底包括多个反应位点，每个反应位点构造成用于容纳生物样本；设置样本块，该样本块包括基座，每个基座具有的尺寸基本上等于反应位点的尺寸并且热耦合至反应位点；利用热电装置通过一系列温度和保持时间来调节基座的温度；使反应位点彼此热隔离；以及利用冷却块使反应位点冷却。
下文说明和权利要求示出本发明的另外的方面、特征和优点，特别是结合附图予以考虑时，附图中类似的参考标号表示类似的部件。
附图简略说明
为了更完全地理解本文中所公开的原理和其优点，现在结合附图参考以下描述，在附图中：
图1为具有两行反应位点的基底及其与样品块的空间关系的透视图。
图2a为通过单个加热块或棒加热的反应位点行的热分析透视图。
图2b为一行加热的反应位点的热透视图及其对相邻行的热效应。
图3a为根据各种实施例通过包含热块的基座加热的一行反应位点的透视图。
图3b为一行加热的反应位点对相邻行的影响的透视图。
图4为根据各种实施例包含基座和添加至每个基座的半径的加热块的透视图。
图5为通过图4的加热块加热的一行反应位点的热图。
图6a为根据各种实施例具有插入两行反应位点之间的狭槽的基底的顶视图。
图6b为示出根据各种实施例的样本块和插入两行反应位点之间的狭槽之间的关系的底视图。
图7a为根据各种实施例的基底的透视图，该基底具有插入两行反应位点之间并且关于反应位点偏移的狭槽。
图7b为加热的反应位点行与相邻的反应位点行的热分析透视图，其中各行之间插有狭槽。
图8为根据各种实施例在各行之间具有增加的间隔的基底的透视图。
图9a为加热的反应位点行与相邻的反应位点行的热分析透视图。
图9b为加热的反应位点行与相邻的反应位点行的另一个热分析透视图。
图10a为根据各种实施例加热的反应位点行与相邻的反应位点行的另一个热分析透视图。
图10b为加热的反应位点行与相邻的反应位点行的另一个热分析透视图。
图11为根据各种实施例的热块的透视图，其中在相邻反应位点下方添加有冷却块。
图12为加热的反应位点行与相邻的反应位点行的热分析透视图。
具体实施方式
本说明书中描述了用于在基底的元件之间提供热隔离的设备、系统和方法的实施例。本文中所使用的章节标题仅用于组织目的并且不应解释为以任何方式限制所描述主题。
现将详细参考本发明的各个方面，这些方面的实例如附图所示。在可能的情况下，将贯穿附图使用相同的参考标号来指代相同或类似的部件。
在各种实施例的此详细描述中，出于解释的目的，阐述许多特定细节以提供所公开的实施例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将理解，这些各种实施例可在有或无这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，以框图形式展示结构和装置。此外，所属领域的技术人员可以容易地了解，呈现和执行方法的具体顺序为说明性的，且预期所述顺序可以改变且仍保持在本文中所公开的各种实施例的精神和范围内。
本专利申请中引用的所有文献和类似材料(包括但不限于专利、专利申请、文章、书籍、论文和因特网网页)出于明确以全文引用的方式并入本文用于任何目的。除非另有定义，否则本文中所使用的所有技术和科学术语具有与本文中所描述的各种实施例所属领域的一般技术人员通常所理解相同的含义。当并入的参考文献中的术语定义看起来不同于本发明教示中提供的定义时，应以本发明教示中提供的定义为准。
应当理解，在本发明教示中论述的温度、距离等之前隐含“约”，使得微小并且非实质的偏差在本发明教示的范围内。在本专利申请中，除非另外具体陈述，否则单数的使用包含复数。此外，“包括”、“含有”和“包含”的使用并非旨在进行限制。在本专利申请中，术语“基底”用于指本领域中已知的所有样本固持器形式并且并非旨在限制为任何特定的形式。另外，应当理解，以上一般描述和以下详细描述仅是示例性和解释性的，且不限制本发明教示。
虽然结合各种实施例描述本教导内容，但是并非旨在将本教导内容限制于此类实施例。相反，本领域的技术人员应当了解，本教导内容涵盖各种替代方案、修改以及等效形式。
另外，在描述各种实施例时，本说明书可已将方法和/或过程呈现为特定序列的步骤。然而，在所述方法或过程并不依赖于本文中所阐述的特定次序的步骤的程度上，所述方法或过程不应限于所描述的特定序列的步骤。本领域的普通技术人员应当了解，其他序列的步骤可为可能的。因此，本说明书中所阐述的特定次序的步骤不应解释为对权利要求书的限制。另外，针对所述方法和/或过程的权利要求书不应限于其步骤按所写次序的执行，且所属领域的技术人员可易于了解所述序列可变化且仍保留在各种实施例的精神和范围内。
本发明教示公开了在整个装置中具有改善的热隔离的基底和样本块的各种实施例。如随后所详述，具有改善的热隔离的基底和样本块的各种实施例为利用此类装置的生物分析仪器提供了期望的性能。
例如，就pcr而言，出于若干原因，可期望在循环中所需的温度之间尽可能快地改变样本温度。首先，化学反应的每个阶段有其最佳温度，因此，在非最佳温度下花费较少的时间可意味着获得更出色的化学结果。其次，在设定每个方法的最小周期时间的任何给定设定点处通常需要最小时间并且在设定点之间的转变中花费的任何时间添加到此最小时间。由于循环次数通常相当大，因此这一转变时间可明显增加完成扩增所需的总时间。
在方法的每个步骤中获得的每个反应位点的绝对温度对于产物的收率至关重要。因此，有利的是热隔离基底的区域以便使一个区域对另一个区域的影响最小化。可见于基底中的几何形状通常很小，从而导致热区域或暖区域非常接近装置的较冷区域。由于从热区域或暖区域到冷区域的热量流过该装置，因此这种紧邻关系可导致较冷区域的温度高于预期，从而影响较冷区域的性能。另外，较小的几何形状使热隔离热区域和冷区域难以实现。
图1示出本领域中并不少见的一个实施例。在该实施例中，示出基底140，该基底上具有两行110和120八个反应位点。加热块130连接到基底140的下侧，该加热块呈棒状，处于行110的下方并且与行100的基底相背对。基底、反应位点和加热块之间的此类关系在本领域中同样并不少见。加热块也是本领域中众所周知的，并且通常由具有高热导率的材料制成。用于加热块的合适的材料的一些示例包括但不限于银、金、铝、镁和铜。在一些实施例中，加热块可以制成矩形几何形状，但是也可呈圆形、正方形或适用于相关应用的任何其他形状。通常，所述块的表面具有能够接收有时称为板或管的样本容器装置的凹陷的阵列。阵列大小各异，并且可为例如8、16、24、48、96、384、1536或更多。在一些应用中，金属块可包括平坦表面，该平坦表面不含用于容纳可具有平坦表面诸如载玻片的反应位点阵列的凹陷。
在该实施例中，块130制造成具有平坦上表面的金属棒，并且其尺寸设计为热耦合至基底140的下侧与行110中的反应位点相背对。行120保持为室温或大约27℃。块130被加热至95℃并且确定行110和120的温度。图2a示出热分析结果。从该热图中可以明显看出，行110和120均被加热至几乎相同的温度，并且各个反应位点无法区分。图2b示出加热的行110和未加热的行120之间更详细的相互作用。如均匀的阴影所示，加热的行110具有均匀的高温。该温度在行110和120之间提供足够高的温差，热量从行110流过基底140并流至行120。图2b中包括的温标指示最靠近加热的行110的未加热的行120的区域的温度为约50℃。另外，从图中还可看出，在约20℃的未加热的行120内存在显著的温度梯度。这些结果展示了紧密间隔的具有明显不同的温度要求的相邻行的相互作用的大小。在执行pcr时，常见的是(例如)将一行加热至95℃并保持长达10分钟，同时要求相邻行的温度保持在37℃以下。为确保加热的行对未加热的相邻行不产生不利的热相互作用，最大程度减小对相邻行的热效应将是有利的。图2a和图2b所示的数据确认相邻行之间的热相互作用，并且表明需要最大程度减小这一效应的实施例。
许多因素可影响反应位点之间的热相互作用。其中一些因素可包括但不限于间隔、可与间隔相关的反应位点大小、反应位点与基底材料之间的温差。本领域的技术人员应当理解，可需要这些因素中的一种或组合以实现期望的隔热程度。借助这一理解，热隔离的解决方案如下文所示。
基底材料
用于制造基底的材料可为例如弹性体，诸如表现出橡胶状弹性的聚合物。本领域的技术人员还将知道，弹性体包括很多类型，例如饱和橡胶、不饱和橡胶、热塑性弹性体和聚硫橡胶。这些材料均表现出相对较差的热导率，因此在反应位点的相邻行之间提供了较高的隔热水平。例如，购自
基底也可由聚合物制成，所述聚合物包括例如聚丙烯，但是也可使用其他聚合物。作为举例，聚丙烯具有大约0.1w/mk至0.22w/mk的热导率。如果反应位点之间的温差足够大(如上所述)，则这种热导率仍可导致反应位点影响其他反应位点。
热块几何形状
从图2b的热图中可以明显看出，将样本块130加热至95℃为行110和基底140提供了足够的热量，从而将行120的至少一部分加热至大约50℃，如上所述，这样将导致足以对行120中的反应产生不利影响。图3a示出与图2a所示的热图类似的热图。然而，在图3a所示的实施例中，图2b中的块130替代为块150。块150与块130的不同之处在于，块130的平坦上表面已被替代为一系列基座。每个基座的上表面可具有基本上呈圆形(如图3a所示)、正方形、椭圆形、矩形或适用于相关应用的任何其他形状。另外每个基座的上表面450(如图4所示)例如具有的面积可基本上等于对应的反应位点的接触表面的面积、小于对应的反应位点的接触表面的面积、或大于对应的反应位点的接触表面的面积。无论形状和尺寸如何，块150均可位于基底140下方，其中每个基座表面450(如图4所示)与基座表面620的一个区域(如图6b中所示)对准，该区域与反应位点相背对。
热块150设置为95℃，并且结果如图3a所示。图3a清晰地示出在图2a中不可见的各个反应位点。将基座添加至热块150中表现出对行110中的反应位点实现了更局部的加热，而不显著影响行120。图3b提供了行110和120的更详细的热分析结果。同样，所示的行110具有均匀的阴影，表明其温度均匀。图3b中提供的温标现在指示行120的最热区域现在为约46℃，并且反应位点之间的梯度为约16℃。将这些结果与图2a所示的结果进行比较，结果表明将基座添加至热块150中降低了行120的绝对温度，并且反应位点中的热梯度改善了约4℃或约8％。本领域的技术人员将认识到，基座的尺寸和几何形状以及反应位点尺寸可根据其他应用进行修改，如上文所述。
相比于图2a改善了相邻反应位点之间的热隔离的另一个实施例在图4中示出。所示的热块440具有基座430和基座表面450。在该示例中，基座的形状基本上呈圆形。然而，本领域的技术人员将认识到，基座可为任何形状或尺寸，如上文所述。在这种情况下，基座已修改为包括绕顶部圆周的某一半径以容纳环410和420。所示的环410具有的厚度小于环420，并且基本上呈圆形以匹配基座的形状。本领域的技术人员将知道，环可为匹配基座形状的任何形状或尺寸，因此在一些实施例中可以不被描述成环。环410和420还可包含绝热材料以进一步防止热量从热块440泄漏至相邻的行。将热块440加热至95℃并保持10分钟所得到的结果如图5所示。根据图5所示的温标，行120被行110加热至约43℃的最高温度。图5还示出具有环410的基座的温度高于具有环420的基座，从而确定改变基座的几何形状并且包括热阻环降低了行之间的热相互作用。在该实施例中，未加热的行120达到约43℃的最高温度，其中热梯度为14℃，从而相比于图2a中的数据使行120的温度总体改善14％。
反应位点之间的狭槽
图6a示出另一个实施例，其中狭槽610位于行110和120之间。狭槽610可在行之间引入热阻，从而减少从加热的行流至未加热的行的热量。可影响装置中热量流动的因素可包括但不限于间隙的长度、间隙的宽度和间隙的位置。图6a示出基底的一部分的透视图，该基底包括位于基底140下方的加热的块150并且与行110中的反应位点相对地对准。块150与图4的块150具有相同的构造。图6a还示出位于每个行110中的反应位点和行120之间的狭槽。行110和行120之间的距离为10mm，并且狭槽的尺寸为1mm×4mm。本领域的技术人员还将知道，狭槽的尺寸以及行之间的距离为任意的，并且选择用于提供该实施例所需的性能。在该示例中，行和狭槽之间的距离是基于基底和对应的反应位点的尺寸以及反应位点的密度。
为确定该实施例的效果，将块150加热至95℃并且在该温度下保持10分钟。如上所述，这种时间/温度组合在pcr方案中并不少见，并且可代表热泄漏到邻近反应位点的最坏情况。图6b示出热分析结果以及基底140下侧的视图。块150被取向成使得上面四个基座配有厚0.5mm的环，并且下方四个基座配有厚1.0mm的环。狭槽610阻止热量从行110流动至行120，使得行120的上方4个反应位点的最高温度在36℃–38℃的范围内，并且下方4个反应点的最高温度在35℃–37℃的范围内。
图6b所示的结果表明，与图2a相比，在反应位点之间使用狭槽也可以是一种有效的方式来阻止热流，从而显著降低相邻行的最高温度。本领域的技术人员可以看到，能够对槽进行进一步优化。图7a中所示的一个此类实施例示出在反应位点之间略有偏移的槽。图7b示出将热块加热至95℃并在95℃下保持10分钟所得到的热分析结果。如温标所示，相邻反应位点的最高温度已降至约34℃。这一结果展示了与图2a相比狭槽改善反应位点之间的热隔离的效果。
行间隔与环境温度
根据另一个实施例，相对于图1，可通过改变反应位点行之间的距离来改善热隔离。
图8示出的间隔相对于上文图1所示的间隔有所增加。在加热块150被加热至95℃并且在95℃下保持10分钟后(环境温度25℃)，图9a示出保持10分钟后得到的结果。参见图9a中的温标，相邻行120的温度达到约26℃的最高温度。这一最高温度相比于图1所示的间隔显著改善了热隔离。在图9b中，示出从环境温度增加至30℃的效果。参见其中的温标，环境温度升高5℃导致行120的温度提高约4℃。图10a显示了15mm的行间隔在环境温度为25℃的条件下得到的类似结果，并且图10b显示了相同的15mm间隔在环境温度30℃下得到的结果。该数据表明，反应位点之间间隔的增加以及环境温度的降低相比于图2a可改善反应位点之间的热隔离。本领域的技术人员将认识到，所选的行间隔可取决于基底的几何形状以及反应位点密度。
冷却块
在另一个实施例中，如上所述的相邻行可被冷却。图11示出位于基底140下侧的一个实施例。加热块150同样被示为与行110中的反应位点相背对，如前所述，并且冷却块1110示出为与行120中的反应位点相背对，其中一个冷却块与每个反应位点对准。
在一个实施例中，冷却块1110可用于与散热器可用于将热量从高温物体传递至环境大致相同的方式，为相邻行120提供更大的热质量。因此，冷却块包含导热材料诸如铝和铜将是有利的。本领域的技术人员可以理解，冷却块在本实施例中的效果也可取决于例如冷却块1110的尺寸与反应位点的尺寸的相对大小。
一个另选的实施例能够为冷却块1110提供主动冷却。主动冷却可通过本领域中已知的任意多种具体实施来提供。例如，主动冷却的各种具体实施可包括但不限于热电冷却、将冷却液泵送通过冷却块和热管。主动冷却解决方案的热分析结果如图12所示。加热块150被加热至95℃并在95℃下保持10分钟，并且冷却块1110被冷却并保持在25℃下，然后采集得到图12所示的热图。从温标中可以看出，行120的最热边缘保持为大约28℃，该温度为图2a中行120的最高温度的大约一半。从图12中还可看出，相比于图2a所示的热图，相邻行120中的热梯度已经显著降低，进一步证明了冷却块610对于热隔离反应位点的效果。
虽然已经结合热块和基底的各种实施例描述了本发明的原理，但是应明确了解，这些描述仅仅是为了举例并且不打算限制本发明的范围。已经出于说明和描述的目的提供了本文中已经公开的内容。这并不打算是穷尽性的或将所公开的内容限制于所述的精确形式。许多修改以及变化对于所属领域的技术人员来说将是显而易见的。选择并描述所公开的内容以便最佳地解释所述领域所公开的实施例的原理和实际应用，由此使得所属领域的其他技术人员能够了解适合于所涵盖的特定用途的各个实施例和各种修改。本公开内容的范围打算由以下权利要求书和其等效物限定。