分子分析系統及其應用的制作方法

技術領域

本申請涉及一種分子分析系統，特別地，涉及一種具有熱電加熱冷卻裝置的分子分析系統，其用于通過聚合酶鏈式反應(PCR)檢測樣品中的生物材料。

背景技術：

分子檢測是一種在分子水平上進行的檢測，用于檢測測試樣品中的生物材料，例如DNA、RNA和/或蛋白質。分子檢測由于其速度、靈敏度和特異性，正開始成為一種黃金標準。例如，當鑒別腦脊液中的腸道病毒時，發現分子測定比常規培養方法的靈敏度高75％，并且現在被認為是該診斷的黃金標準(Leland等,Clin.Microbiol Rev.2007,20：49-78)。

臨床使用的分子測定通常限于在單一反應(即實時PCR測定)中鑒別少于6個基因序列。微陣列是附接到固體載體上的分子探針的模型，是增加可被特異性鑒別的序列數目的一種方式。然而，這一工作流程通常是復雜的，并且在與微陣列進行培養或雜交之前需要進行分子擴增。分開的擴增和雜交允許用于擴增的容器設計用于有效的傳熱；然而，流體具有相當的復雜性。組合擴增和雜交是一種簡化流體和操作復雜性的方式；然而，該方法可能導致傳熱低效，因為反應容器通常包括微陣列可附接的傳熱低效的邊界或載體。

概述

本申請的一個方面涉及一種分子檢測裝置。該裝置包括加熱冷卻模塊，該加熱冷卻模塊包括熱電加熱冷卻裝置，以及一個可移動檢測模塊，該可移動檢測模塊包括擴增雜交組合反應室，該反應室包括導熱外表面和設置于內表面上的微陣列，其中，該熱電裝置包括適于與所述反應室的導熱外表面接觸的傳熱表面。

本申請的另一個方面涉及一種用于進行PCR的裝置。該裝置包括加熱冷卻模塊，該加熱冷卻模塊包括熱電加熱冷卻(TEHC)裝置，該熱電加熱冷卻裝置包括傳熱表面；支架，該支架用于接收可移動檢測模塊，該可移動檢測模塊包括具有導熱外表面的反應室；移動系統，當所述檢測模塊放置在所述支架中時，該移動系統使所述傳熱表面與所述導熱外表面接觸；以及可編程控制模塊，所述可編程控制模塊調節所述傳熱表面的溫度。

本申請的另一個方面涉及一種在反應室的微陣列上進行PCR的方法。該方法包括以下步驟：(a)將包括反應室的檢測模塊放置到PCR裝置中，其中，反應室包括導熱外表面和設置在內表面上的微陣列；以及其中PCR裝置包括加熱冷卻模塊，該模塊包括具有傳熱表面的熱電加熱冷卻裝置，PCR裝置還包括調節傳熱表面溫度的可編程控制模塊；(b)使熱電加熱冷卻裝置的傳熱表面開始接觸反應室的導熱外表面；然后(c)基于存儲在控制模塊中的PCR程序，通過傳熱表面加熱或冷卻所述反應室完成PCR。

附圖說明

圖1是加熱冷卻模塊的一個實例的示意圖。

圖2是流動池反應室和廢物室陣列的一個實例的示意圖。

圖3A-3B是流動池反應室陣列的一個實例的示意圖。

圖4是在加熱冷卻模塊頂部的流動池反應室陣列的一個實例的示意圖。

圖5是降低到流動池頂部的加熱冷卻模塊的一個實例的示意圖。

圖6是在光吸收層、絕熱層和支撐底座頂部上的流動池的示意圖。

圖7是在加熱冷卻單元內具有兩個薄膜熱電加熱和冷卻芯片的熱電加熱和冷卻(TEHC)裝置的示意圖。

圖8A-8F是具有多個TEHC裝置的加熱冷卻模塊的不同的示意圖。

圖9示出了使反應室的暴露部分絕熱減小了在設定溫度與由位于反應室中心的電阻式溫度檢測器(RTD)測定的實際溫度之間的溫度偏差。

圖10示出了來自微陣列點的示例性熒光信號強度。

圖11示出了在加熱冷卻模塊降低到反應室頂部的情況下進行PCR時的結果。

圖12顯示了當加熱冷卻模塊降低到反應室頂部時在反應室里的組合PCR和雜交反應。

詳細說明

下面給出詳細說明以使本領域技術人員能夠制造和使用本發明。為了更好地說明，列出了具體的術語以提供對本申請的透徹理解。然而，對本領域技術人員顯而易見的是，這些具體細節不是實施本發明所必需的。說明的具體實施例和應用只作為代表性的實例。該說明是作為本發明原理的示例，而不是將本發明限制所示的特定實施例中。

以下說明應結合附圖來理解，附圖被認為是本發明整個書面說明的一部分。為了清楚和簡明起見，附圖不一定按比例繪制，并且本發明的某些特征可能以夸大的比例或以某種示意性的形式示出。在說明書中，相關術語比如“前”、“后”、“上”、“下”、“頂部”、“底部”及其派生詞，應該理解為在所涉及的附圖中描述或顯示的參考方向。這些術語是為了方便描述，通常不是為了要求一個特定的方向。關于附接(attached)、耦合等術語，如“連接”和“附接(attaching)”，除非特別說明，指的是結構之間直接地或通過中間結構間接地相互固定或連接的一種關系，以及可移動的或剛性附接或關系。

本文所用的術語“樣品”包括生物樣品，例如細胞樣品、細菌樣品、病毒樣品、其它微生物樣品、取自優選人受試者的哺乳動物受試者的樣品，例如組織樣品、細胞培養物樣品、糞便樣品和生物液體樣品(例如血液、血漿、血清、唾液、尿液或者脊髓液、淋巴液以及乳頭溢液)；環境樣品，如空氣樣品、水樣品、粉塵樣品以及土壤樣品。

下文描述的實施例中使用的術語“核酸”，是指單個核酸以及核酸聚合物鏈，包括DNA和RNA，無論是天然的或人工合成的(包括其類似物)、或其修飾，特別是那些已知發生在自然界中的具有任何長度的修飾。符合本發明核酸長度的實例，包括但不限于，適合于PCR產物的長度(例如，約50-700堿基對(bp))以及人類基因組DNA(例如，約千堿基對(Kb)到十億堿基對(Gb)的數量級)。因此，應當理解，術語“核酸”包括單個核酸以及核苷酸，核苷，天然或人工的核苷酸及其組合，小片段，例如表達的序列標簽或基因片段，以及更大的鏈，如基因組材料，包括單個基因，甚至整個染色體。術語“核酸”還包括肽核酸(PNA)和鎖核酸(LNA)寡聚體。

本文所用的術語“親水表面”是指將與位于這樣的表面上的一滴純水形成的接觸角小于45°或更小的表面。本文使用的術語“疏水表面”是指將與位于這樣的表面上的一滴純水形成的接觸角大于45°的表面。接觸角可以使用接觸角測角儀測量。

本申請的一個方面涉及一種分子檢測裝置。該裝置包括加熱冷卻模塊以及擴增雜交組合反應室。在一些實施例中，該加熱冷卻模塊包括用于與反應室的外表面接觸的傳熱表面，以及該反應室包括微陣列。

在一些實施例中，該加熱冷卻模塊包括多個TEHC裝置和相同數量的擴增雜交組合反應室。每個反應室中的溫度由單獨的TEHC裝置控制，使得不同的加熱/冷卻程序可以應用于不同的反應室。在一些實施例中，加熱冷卻模塊包含2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多個TEHC裝置以及相同數量的擴增雜交組合反應室。

加熱冷卻模塊

在一些實施例中，加熱冷卻模塊包括熱電加熱冷卻(TEHC)裝置。一個或多個TEHC裝置可以集成到該模塊中。在另一些實施例中，加熱冷卻模塊還包括溫度傳感器。溫度傳感器的實例是電阻式溫度檢測器(RTD)、熱電偶、熱電堆和熱敏電阻。在一些實施例中，溫度傳感器是RTD。在另一些實施例中，溫度傳感器是熱敏電阻，其具有較高的分辨率、較小的溫度范圍和較大的隨時間漂移。在一些實施例中，加熱冷卻單元的熱敏電阻耦合到電子模數轉換器(ADC)。

在一些實施例中，TEHC裝置是珀耳帖裝置。珀耳帖裝置是一種熱電加熱冷卻裝置，其使用珀爾帖效應在兩種不同類型的材料的接頭之間產生熱通量。珀耳帖裝置用作固態主動熱泵，其根據電流的方向使用電能將熱從裝置的一側傳遞到另一側。這種儀器可用于加熱或冷卻，并且也稱為珀耳帖熱泵，固態制冷器或熱電制冷器(TEC)。在一些實施例中，珀耳帖裝置由陶瓷材料制成(例如，型號為72001/127/085B的菲洛泰克(Ferrotec)珀爾帖冷卻器)。陶瓷材料的實例包括：氧化鋁、氧化鈹和氮化鋁。

在另一些實施例中，TEHC裝置是一種薄膜半導體(例如碲化鉍)。在另一些實施例中，TEHC裝置是由p型和n型半導體制成的熱電偶。p型和n型半導體的實例是鉍銻、碲化鉍、碲化鉛和硅鍺。這種類型的TEHC裝置具有比陶瓷TEHC裝置的1-3秒響應時間更短的響應時間。該特性允許快速升溫速率和更精細的溫度控制。在一些實施例中，TEHC裝置是一種具有短于300ms、100ms、30ms、10ms、5ms、2ms或1ms的響應時間的薄膜半導體。在一些實施例中，TEHC裝置具有能夠將加熱和冷卻聚集到目標區域(比如流動池的反應室的外表面)的占用空間(footprint)(例如，2.4mm×3.5mm)。在一些實施例中，TEHC裝置具有150mm²或更小、50mm²或更小、40mm²或更小、30mm²或更小、20mm²或更小、或10mm²或更小的占用空間。在另一些實施例中，TEHC裝置具有約8.7mm×15mm、5mm×10mm、4mm×8mm、3mm×6mm或2.4mm×3.5mm的占用空間。

此外，這些裝置的高傳熱功率(例如，與陶瓷珀爾帖裝置的3W/cm2相比，Qmax/cm2～80W/cm2)使得它們非常適合于加熱和冷卻小流動池反應室。在一些實施例中，薄膜半導體熱電裝置耦合到較大幾何形狀的散熱器，以與不規則形狀的流動池反應室相接。這些裝置還提供抗震性，并且比陶瓷珀耳帖更不容易產生由熱循環應力引起的故障。

圖1顯示了加熱冷卻模塊200的一個實施例。在該實施例中，加熱冷卻模塊200包括多個TEHC裝置204，每個TEHC裝置204包括具有傳熱表面202的散熱器208及加熱冷卻單元207；容納TEHC裝置204的平臺209(如圖所示，保護TEHC裝置204的框架(bezel))；以及耦合到TEHC裝置204的另一側的散熱件201。散熱件201和散熱器208的實例是銅、鋁、鎳、熱管和/或蒸汽室。在操作期間，傳熱表面202與流動池(如圖2和圖3所示)的反應室的外表面緊密接觸，從而控制流動池的反應室內部的溫度。在一些實施例中，加熱冷卻模塊200還包括集成印刷電路板203和位于散熱件201下方的風扇205。

在一些實施例中，散熱件201和/或散熱器208通過導熱環氧樹脂、導熱粘合劑、液態金屬(例如，鎵)或焊料(例如，銦)耦合到TEHC裝置204的加熱冷卻單元207。在一個實施例中，傳熱表面202是平的。在這些實施例中的一些中，散熱器208具有矩形形狀的傳熱表面202，其尺寸范圍從3mm×3mm至75mm×80mm，優選地為8mm×10mm至10mm×20mm。在一些實施例中，散熱器208的傳熱表面202具有加熱流動池的流體通道的入口部分，其中入口部分的尺寸小于加熱反應室的區域的尺寸。該入口部分可以是矩形的并且具有0.1-5mm寬和1-20mm長的尺寸范圍。在另一個實施例中，散熱器208的傳熱表面202具有出口部分，以加熱流動單元的流體通道，其尺寸范圍為0.1-15mm寬和1-75mm長。在一些實施例中，散熱器208的傳熱表面202具有三個部分，入口加熱部分，反應室加熱部分和出口加熱部分。散熱器208的厚度優選為0.05-5mm，更優選為0.1-1mm，進一步優選為0.15-0.6mm。

流動池

本文所用的術語“流動池”是指一種基于微陣列的檢測裝置。在一些實施例中，流動池包括具有樣品入口、樣品出口和位于其中的微陣列的反應室。在一些實施例中，反應室是能夠在相同室中進行擴增反應(例如PCR)和雜交反應的擴增雜交組合反應室。在一些實施例中，流動池還包括與反應室流體連通的廢物室。在一些實施例中，反應室涂覆有親水材料并具有親水表面，其能夠促進反應室的完全填充和從反應室到廢物室的流體流動。在液體從樣品入口進入反應室時，親水表面與之接觸，并允許完全填充微陣列室。在某些實施例中，反應室為寬度可變的細長通道的形狀，并直接連接到廢物室。在另一些實施例中，微陣列室通過廢物通道連接到廢物室。

在另一些實施例中，流動池包括兩個或更多個反應室或反應室陣列。在另一些實施例中，流動池包括兩個或更多個反應室或反應室陣列，以及兩個或更多個廢物室或廢物室陣列，每個反應室通過廢物通道連接到廢物室。在又一些實施例中，流動池包括兩個或更多個反應室或反應室陣列以及單個廢物室，其中每個反應室通過廢物通道連接到廢物室。

在一些實施例中，微陣列位于反應室的底表面上，并且反應室的頂表面或至少頂表面的一部分涂覆有親水材料。親水性材料的實例包括但不限于親水性聚合物如聚乙二醇，聚羥乙基異丁烯酸酯，生物砂屑巖(Bionite)，聚(N-乙烯基內酰胺)，聚(乙烯基吡咯烷酮)，聚(環氧乙烷)，聚(環氧丙烷)，聚丙烯酰胺，纖維素，甲基纖維素，聚酸酐，聚丙烯酸，聚乙烯醇，聚乙烯基醚，烷基酚乙氧基化物，復合多元醇單酯，聚氧乙烯油酸酯，聚氧乙烯失水山梨醇油酸酯和失水山梨醇脂肪酸酯；無機親水材料如無機氧化物，金，沸石和類金剛石碳；以及表面活性劑如曲拉通(Triton)X-100，吐溫，十二烷基硫酸鈉(SDS)，十二烷基硫酸銨，烷基硫酸鹽，十二烷基醚硫酸鹽(SLES)，烷基苯磺酸鹽，皂，脂肪酸鹽；溴化十六烷基三甲銨(CTAB)、又稱十六烷基三甲基溴化銨，烷基三甲基銨鹽，氯化十六烷基吡啶，牛脂胺聚氧乙烯醚(POEA)，苯扎氯銨(BAC)，芐索氯銨(BZT)，十二烷基甜菜堿，十二烷基二甲基氧化胺，椰油酰胺丙基甜菜堿，椰油兩性甘氨酸烷基酯聚聚(環氧乙烷)聚(環氧丙烷)的共聚物(商業上稱為泊洛沙姆或泊洛沙胺)，烷基聚葡糖苷，脂肪醇，椰油酰胺MEA，椰油酰胺DEA，椰油酰胺TEA。

在一些實施例中，一種或多種表面活性劑與諸如聚氨酯和環氧樹脂的反應聚合物混合以用作親水涂層。在另一些實施例中，通過諸如大氣等離子體處理、電暈處理或氣體電暈處理的表面處理使反應室的頂表面或底表面親水。

反應室中的微陣列可以是任何類型的微陣列，包括但不限于寡核苷酸微陣列和蛋白質微陣列。在一個實施例中，微陣列是抗體微陣列，并且微陣列系統用于捕獲和標記靶抗原。在一個實施例中，微陣列是使用例如美國專利5,741,700、5,770,721、5,981,734、6,656,725和美國專利申請10/068,474、11/425,667和60/793,176中描述的印刷凝膠點法形成的微陣列，所有這些其全部內容通過引用的形式合并于此。在某些實施例中，微陣列包含印刷在微陣列基底上的多個微陣列點，該微陣列基底形成了微陣列室的底部。

圖2顯示了流動池反應室和廢物室的一種示例性陣列。在該實施例中，流動池包括多個反應室110，每個反應室具有一個將反應室110的樣品出口連接到廢物室120的入口的通道118。在一個實施例中，通道118的側壁是疏水性的以消除氣泡。在一些實施例中，通道118的廢物室端部處的橫截面面積比在通道118的反應室端部處的橫截面面積大至少2倍、3倍、4倍或5倍。在一些實施例中，通道118包括一個轉向部分，其包括兩次轉向以形成S形或Z形通道部分。在更進一步的實施例中，兩次轉向是90°轉向。

圖3A顯示了一種具有多個反應室110的流動池100的另一個實施例。在該實施例中，反應室110由基底211、間隔件212和蓋213構成(圖3B)。用于制成基底211、間隔件212或蓋213的材料包括但不限于陶瓷、塑料、彈性體和金屬。陶瓷的實例包括但不限于玻璃、硅、氮化硅和二氧化硅。塑料的實例包括聚碳酸酯、聚乙烯(低密度、高密度、超高分子量)、聚甲醛、聚丙烯、聚偏二氯乙烯、聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯和聚氨酯。彈性體的實例包括但不限于天然聚異戊二烯、合成聚異戊二烯、聚丁二烯、氯丁二烯、丁基橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠、乙丙橡膠、三元乙丙橡膠、表氯醇橡膠、聚丙烯酸橡膠、硅橡膠、氟硅橡膠、氟橡膠、全氟橡膠、聚醚嵌段酰胺、氯磺化聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯、熱電彈性體、蛋白彈性體、彈性蛋白、聚硫橡膠和聚烯烴彈性纖維。金屬的實例包括但不限于鋁、鉑、金、鎳、銅及這些金屬的合金。這些材料可以被鑄造、擠出(例如，薄膜)、機加工和/或模制成適當的形狀。

在一些實施例中，基底材料是熱導率約0.2W/mK的塑料。在其它情況下，基底材料是熱導率約1W/mK的玻璃。在一些實施例中，基底材料具有0.2-3W/mK范圍內的熱導率。在一些實施例中，基底材料具有3至30W/mK范圍內的熱導率。在一些實施例中，基底材料具有30-400W/mK范圍內的熱導率。在另一些實施例中，基板材料具有至少1、3、10、30、100或300W/mK的熱導率。在一些實施例中，間隔件212接合到蓋213和基底211。接合方法包括粘合劑、超聲波焊接、激光焊接、熱熔接、溶劑粘合、熱接合和彈性體間隔件的壓制。用于接合的粘合劑可以是液體或粘彈性形式。粘合劑的實例包括但不限于環氧樹脂、丙烯酸樹脂、硅氧烷、多糖和橡膠。粘合劑固化可以通過加熱、加壓、紫外線照射、暴露于空氣和/或催化劑來實現。

在另一實施例中，間隔件212和基底211是單獨的整體部件。在另一個實施例中，間隔件212和蓋213是單獨的整體部件。在另一個實施例中，基底211、間隔件212和蓋213是單獨的整體部件。

在一些實施例中，反應室110包括在基底211上形成的一個或多個微陣列130。在一些實施例中，一個或多個微陣列130是DNA微陣列、蛋白質微陣列或其混合微陣列。這里所用術語“微陣列”是指用于結合感興趣的配體的點的有序陣列。一個微陣列由至少兩個點組成。在一些實施例中，微陣列由單行點組成。在另一些實施例中，微陣列由多行點組成。感興趣的配體包括但不限于核酸(例如分子信標、寡核苷酸適配子、鎖核酸、肽核酸)、蛋白質、多肽、多糖、抗體、抗原、病毒和細菌。

加熱冷卻模塊與反應室之間的接口

在一些實施例中，流動池100被放置在加熱冷卻模塊200的頂部上，以使反應室110位于加熱冷卻裝置的傳熱表面202的頂部。參見圖4。在一些實施例中，加熱冷卻模塊200安裝在移動系統中。在一些實施例中，加熱冷卻裝置的傳熱表面吸收光。如何實現光吸收的實例包括涂黑傳熱表面202，黑色陽極氧化，或通過電鍍用黑色鉻涂覆。光吸收減少了可干擾成像微陣列的散射。在一些實施例中，熱循環在成像之前發生。在一些實施例中，熱循環與成像同時發生。

在另一個實施例中，加熱冷卻模塊200適于下降至安裝在流動池支架300上的流動池100上，或者流動池支架300上升至加熱冷卻模塊200，以使流動池100的反應室110與TEHC裝置的傳熱表面202接觸(參見圖5)。在一些實施例中，可壓縮裝置用于限制施加到流動池100的力。在一些實施例中，可壓縮裝置位于安裝有TEHC裝置的平臺209的上方(參加圖5)。在另一些實施例中，可壓縮裝置260位于流動池100的下方(參見圖6)。在另一些實施例中，可壓縮裝置位于平臺209的上方和流動池100的下方。可壓縮裝置的實例包括但不限于彈簧、泡沫、記憶海綿、板簧和可變形塑料或諸如硅的其它材料。

在一些實施例中，不與傳熱表面202接合的反應室110的外表面是絕熱的。在一些實施例中，絕熱件是消耗品的部件。在另一些實施例中，絕熱體是儀器的部件。在另一些實施例中，絕熱件是消耗品和儀器的部件。絕熱件的實例包括靜氣、聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、氣凝膠、玻璃纖維和塑料。在一些實施例中，絕熱層270吸收光。絕熱的效果可以建模如下：

其中T_偏差是設定溫度和實際溫度之間的差，T_TEC是散熱器的溫度，T_液體是液體的溫度，以及R_絕熱是絕熱層的熱阻。

圖6顯示了一個實施例，其中流動池100在絕熱層270的一側是絕熱的。在該實施例中，諸如黑箔的光吸收材料271將絕熱層270與流動池100分離。可壓縮裝置安裝在絕熱層270的下方。基座250包括用于可壓縮裝置的定位特征261。在一些實施例中，定位特征261是螺柱、銷或栓。在另一些實施例中，定位特征261是腔、孔或凹陷。在另一些實施例中，定位特征261是在其中心具有柱、銷或栓的空腔、孔或凹陷。

在另一些實施例中，單個反應室110可以與兩個或更多個TEHC裝置204相連接。在一個實施例中，一個TEHC裝置204與反應室110的頂表面相連接，同時另一個TEHC裝置204與反應室110的底表面相連接。

在另一個相關實施例中，加熱冷卻模塊200包括多個TEHC裝置204，其與流動池100中等數量的反應室110相連接，其中每個TEHC裝置204包括一適于與相應的反應室110的外表面接觸的傳熱表面202。在一些實施例中，TEHC裝置204附接到公共散熱件201。在一些實施例中，所有TEHC裝置204由單個控制器控制。在另一些實施例中，每個TEHC裝置204被單獨地控制，以使每個反應室110中可以執行不同的反應。

圖7顯示了一種具有在加熱冷卻單元207內安裝有兩個薄膜熱電芯片280的TEHC裝置204的實施例。薄膜熱電芯片280由氮化鋁半導體制造并且通過焊料銦安裝到主散熱件221，以及通過液體金屬鎵安裝到散熱器208。散熱器208是具有鎳涂層的0.6mm厚的銅。聚酰亞胺片狀間隔件用作散熱件和散熱器202之間的支架。薄膜RTD 281也附接到散熱器208。

圖8A-8F顯示了具有多個TEHC裝置204的另一個示例性加熱冷卻模塊200的不同視圖。每個TEHC裝置204包括具有傳熱表面202的散熱器208和具有主散熱件221的加熱/冷卻單元。多個TEHC裝置204附接有具有多個風扇205的公共次級散熱件201。

熱循環控制方案

在一些實施例中，控制加熱冷卻模塊以使得設定點溫度在線性狀態間變化，作為一種快速接近所需溫度的手段。在一些實施例中，設定點人工設定在高于所需溫度-5℃至5℃的范圍內。

加熱冷卻模塊250執行熱循環方案，其可以包括在兩個溫度之間循環，在三個溫度之間循環，用于儲存或雜交的長時間保持溫度，以及降落PCR方案。溫度轉變可以遵循階躍變化、鋸齒波形或正弦波形。這些波形也可以關于特定的設定溫度發生，以誘發熱對流混合。

本申請的一個方面涉及一種分子檢測裝置，其包括：加熱冷卻模塊，該模塊包括薄膜熱電加熱冷卻裝置；以及可移動檢測模塊，該模塊包括擴增雜交組合反應室，其包括導熱外表面和在內表面上的微陣列；其中所述熱電加熱冷卻裝置包括傳熱表面，其用于與所述反應室的所述導熱外表面接觸。

在一些實施例中，薄膜熱電加熱冷卻裝置是珀爾帖裝置。在進一步的一些實施例中，珀爾帖裝置為陶瓷珀爾帖裝置。

在另一些實施例中，薄膜熱電加熱冷卻裝置包括薄膜半導體，該薄膜半導體包括鉍銻、碲化鉍、碲化鉛或硅鍺。在進一步的一些實施例中，該薄膜半導體包括碲化鉍。

在另一些實施例中，薄膜熱電加熱冷卻裝置是由p型和n型半導體制成的熱電偶。在進一步的一些實施例中，所述p型和n型半導體選自由鉍銻、碲化鉍、碲化鉛和硅鍺構成的組。

在又一些實施例中，微陣列是凝膠點(gel spot)微陣列。

在一些實施例中，反應室還包括用絕熱材料絕熱的外表面。

在另一些實施例中，可移動檢測模塊還包括廢物室。

在另一些實施例中，可移動檢測模塊包括多個放大和雜交組合反應室，其中每個反應室包括導熱外表面，以及其中所述加熱冷卻模塊包括多個熱電加熱冷卻裝置，其中每個熱電加熱冷卻裝置包括適于與擴增雜交反應室的導熱外表面接觸的傳熱表面。

在又一些實施例中，加熱冷卻模塊還包括溫度傳感器。在進一步的一些實施例中，溫度傳感器包括熱敏電阻或熱電阻裝置。

本申請的另一方面涉及一種用于進行聚合酶鏈式反應(PCR)的裝置，包括：加熱冷卻模塊，該模塊包括薄膜熱電加熱冷卻裝置，其包括傳熱表面；支架，用于接收可移動檢測模塊，該模塊包括具有傳熱表面的反應室；移動系統，當所述檢測模塊放置在所述支架中時，所述移動系統使所述傳熱表面與所述導熱外表面接觸；以及可編程控制模塊，其調節所述傳熱表面的溫度。

在一些實施例中，熱電裝置是珀耳帖裝置。在進一步的一些實施例中，熱電加熱冷卻裝置包括薄膜半導體和散熱件。

在另一些實施例中，加熱冷卻模塊還包括溫度傳感器。在進一步的一些實施例中，溫度傳感器包括熱敏電阻或熱電阻裝置。

在另一些實施例中，所述加熱冷卻模塊包括多個薄膜熱電加熱冷卻裝置，每個薄膜熱電加熱冷卻裝置包括傳熱表面，其中，所述可移動檢測模塊包括多個反應室，每個反應室具有導熱外表面，其中，所述可編程控制模塊能夠單獨地調節每個所述傳熱表面的溫度，以便每個反應室中在不同條件下進行PCR。

本申請的又一方面涉及在反應室中的微陣列上進行聚合酶鏈式反應(PCR)的方法。該方法包括若干步驟，包括將包括反應室的檢測模塊放置到PCR裝置中，其中，所述反應室包括導熱外表面和設置在內表面上的微陣列；并且其中所述PCR裝置包括加熱冷卻模塊、該加熱冷卻模塊包括具有傳熱表面的薄膜熱電加熱冷卻裝置，以及調節所述傳熱表面的溫度的可編程控制模塊。該方法還包括使所述薄膜熱電加熱冷卻裝置的所述傳熱表面與所述反應室的所述導熱外表面接觸的步驟。該方法還包括通過基于存儲在所述控制模塊中的PCR程序通過所述傳熱表面加熱或冷卻所述反應室來完成PCR的步驟。

通過以下實施例進一步說明本發明，這些實施例不應被解釋為限制性的。本申請通篇引用的所有參考文獻、專利和公開的專利申請以及附圖和表格的內容通過引用納入本文。

實施例

實施例1：絕熱效果的證明

將薄膜RTD(Minco RTD型號S39)結合到反應室(厚0.5mm)中，用導熱膏填充，并放置在平坦的量子(Quanta)熱循環儀上。一個反應室包括一英寸厚的泡沫聚苯乙烯絕熱層，而另一個不具有絕熱。將兩個反應室依次引入熱循環儀。熱循環方案是30個循環，88℃60秒，然后55℃60秒。僅繪制變性溫度。溫度測量值代表20秒的移動平均值。從圖9可以看出，當反應室未絕熱時，88℃的設定點可以有1℃的溫度偏差。

實施例2：使用加熱冷卻模塊和反應室時的PCR的證明。

反應室由科士達TM(QuestarTM)基底、0.5mm雙面壓敏粘合劑間隔帶和蓋膜組成。反應室容積填充有約50μL。反應室具有入口和出口孔。

反應室注入含有引物混合物的1×凱杰(Qiagen)QuantiFastRT-PCR混合液(Qiagen，瓦倫西亞(Valencia)，加利福尼亞，美國)，10ng通過NIST SRM 2372試劑盒提取的人類基因組DNA，以及104份純化的化膿鏈球菌和甲型流感核酸。

引物在濃度上是不對稱的，并且較高濃度的引物用熒光團標記。在PCR之后，熒光標記的擴增子與微陣列表面上的凝膠點中的探針雜交。

熱循環方案為：在47℃下12.5分鐘；在88℃下5分鐘；以及88℃30s和52.5℃35s的35個循環。

使用與上述相同的試劑及下述熱循環方案在常規MJ熱循環儀上在PCR管中擴增進行對照實驗，熱循環方案為：在47℃下12.5分鐘；在88℃下5分鐘；88℃15s和52.5℃20s的35個循環。

PCR之后，將試劑從反應室中取出，并在50℃下與印刷在玻璃基底上的微陣列雜交1小時。

圖10顯示了來自微陣列點的化膿鏈球菌和甲型流感探針的熒光信號強度。數據顯示了具有反應室的加熱冷卻裝置與具有PCR管的常規熱循環儀之間的對比結果。

實施例3：當加熱冷卻模塊降低到反應室上時的PCR的證明。

如實施例2中所述的加熱冷卻模塊200安裝到具有用于將組件降低到反應室上的線性驅動器的機械裝置上(參見圖5)。該組件由4個彈簧構成，當下降到反應室上時彈簧壓縮。

構造六個類似于實施例2的反應室，并用雙面膠帶附接到聚氟乙烯(PVC)泡沫絕熱泡沫。

反應室填充有PCR試劑和33pg來自ATCC的純化的結核分枝桿菌(MTB)DNA。

以下熱循環方案是：在88℃下7.5分鐘，88℃30秒和55℃60秒的50個循環。

將來自PCR試劑的產物與雜交緩沖液混合，并在凝膠點微陣列上培養，所述凝膠點微陣列包括用于katG(具有賦予異煙肼藥物抗性的可能突變的基因)和MTB的探針。將其加入具有封口膜蓋的25-μL框架密封室(伯樂(Biorad))中，并在55℃培養3小時。培養后，將載玻片在水浴中攪拌5分鐘，所述水浴由含有0.01％Triton X-100的1xSSPE緩沖液組成。然后通過2,300rpm離心2分鐘來干燥載玻片。

在艾康妮(Akonni)成像系統(參見美國專利8,623,789；其全部內容通過引用合并于此)中進行成像0.2秒，并用Akonni軟件進行分析。

來自軟件的信號強度顯示在圖11中。圖11中的數據顯示了當用野生型MTB DNA攻擊時，來自具有MTB和katG探針的微陣列點的陽性擴增和檢測。

實施例4：反應室中的組合PCR和雜交

N-乙酰半胱氨酸、氫氧化鈉消化的唾液用107cfu/mL的H37Ra細胞修飾。使用美國專利8,399,190(其全部內容通過引用合并于此)中描述的裝置實現均質化和裂解。使用美國專利8,236,553和8,574,923(其全部內容通過引用合并于此)中描述的裝置和方法實現DNA的提取。

將純化的MTB DNA與實施例3中所述的PCR試劑混合，并加入到與實施例2相似的反應室中。組合PCR和雜交方案如下：在90.5℃下7.5分鐘，然后90.5℃30秒和56℃60秒的50個循環，以及在55℃雜交3小時。

在該方案后，用300μL的1xSSPE洗滌反應室，并使用類似如美國專利8,623,789中所述的光學系統成像0.2秒。分析圖像并提取來自凝膠液滴的信號強度并繪制在圖12中。圖12顯示了MTB、katG、inhA(具有賦予對異煙肼藥物抗性的可能突變的基因；該分離物是野生型)和rpoB(具有賦予對利福平藥物抗性的可能突變的基因；該分離物是野生型)的標記的成功擴增和檢測。

上面的說明是為了教導本領域普通技術人員如何實施本發明，并且不希望詳細說明所有那些明顯的修改和變化，這些修改和變化對于本領域技術人員在閱讀本說明后將變得顯而易見。然而，目的是所有這些明顯的修改和變化都包括在本發明的范圍內。