專利名稱：特別地用于在rt-pcr過程中執(zhí)行熱循環(huán)操作的具有光檢測的診斷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種特別地用于在RT-PCR(逆轉(zhuǎn)錄聚合酶-鏈?zhǔn)椒磻?yīng))過程中執(zhí)行熱循環(huán)操作的具有光檢測的診斷裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，由于操作于少量試樣上的診斷裝置有利地改善了化驗的可靠性、減小了其體積并且因此減少了這一活動所需的時間以及相應(yīng)的成本，它們的使用日益地得到普及。已知設(shè)備基本上包括固體基質(zhì)和固定化特定受體，例如，生物分子(DNA、RNA、蛋白質(zhì)、抗原、抗體、半抗原、糖等)、化學(xué)物種、微生物或其組成部分(細(xì)菌、病毒、孢子、細(xì)胞、細(xì)胞器等)。這里，“受體”含義為可以鍵合在一起的一對或多個元素(鍵合對)中的任何元素，從而受體與自己的鍵合對象鍵合或反應(yīng)，并且因此檢測它自己的鍵合對象。這里的受體包括諸如蛋白質(zhì)受體和配體等的傳統(tǒng)受體但也包括設(shè)計用于互相作用或配對的任何元素，例如凝集素、碳水化合物、鏈霉親和素、生物素、蛋白質(zhì)、基質(zhì)、寡核苷酸、核酸、葉啉、金屬離子、抗體、抗原等。根據(jù)光學(xué)檢測技術(shù)，當(dāng)這些受體被布置成與待分析的試樣直接接觸時，這一試樣中存在的能夠與受體配對或相互作用的分子會激活特定標(biāo)記(例如，熒光標(biāo)記)，當(dāng)被在第一波長的光輻射激發(fā)時，該特定標(biāo)記發(fā)射具有不同于第一波長的第二波長的自己的光輻射。已知熒光診斷設(shè)備包括具有功能化的表面的兼容層，從而形成包括具有特定標(biāo)記的受體的檢測區(qū)域。 存在許多不同的方法用于準(zhǔn)備涉及光信號的測試。例如，常見的三組分結(jié)合分析法采用在固體基質(zhì)上首先將抗體固定化，該抗體可與試樣溶液中的抗原配對。然后，利用第二抗體檢測與抗原的結(jié)合，該第二抗體鍵合至相同抗原的不同表位并具有貼于其上的熒光標(biāo)簽。因此，熒光量與試樣中的抗原量相關(guān)。另一解決方案包括在基質(zhì)上的固定化或寡核苷酸探針溶液的使用，然后該寡核苷酸探針與試樣中的互補DNA、cDNA或mRNA雜交，并且可以用嵌入式染料(例如，溴化乙錠)檢測該雙鏈核酸。根據(jù)另一解決方案，令兩滅光標(biāo)記在測定中嚴(yán)格接近，在化驗中基于滅光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)測量標(biāo)記的猝滅。備選地，重金屬與熒光團的鍵合也可以通過熒光染料來檢測。已經(jīng)提出了具有用于檢測光信號的主動或被動方案的各種裝置，不論對測定進行的處理如何，也不論產(chǎn)生光信號的技術(shù)如何。這些裝置中，光輻射由探測器(例如，對發(fā)射的光輻射的波長靈敏的CCD(電荷耦合器件)型或CMOS型光電探測器)采集，其中，光強或其變化為在測定中激活的特定標(biāo)記量的函數(shù)，并且因此也是檢測到的分子或生物分子量的函數(shù)。在利用qRT-PCR(量化逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng))進行分析的情況中，該裝置(例如，在60°C、72°C和90°C )產(chǎn)生用于被搜尋目標(biāo)分子的擴增的熱循環(huán)，并即刻提供其準(zhǔn)確的量化估計。為正確執(zhí)行擴增過程，熱循環(huán)必須以受控和均勻的溫度發(fā)生在文稱為“反應(yīng)腔”的區(qū)域內(nèi)。例如，圖1示出用于執(zhí)行診斷分析的裝置I的一部分，包括具有導(dǎo)引裝置3的反應(yīng)區(qū)2，其中保持件4被插入并且具有加熱裝置6。保持件4的上方區(qū)域形成面向發(fā)光元件11 (例如LED)和探測器12 (例如CXD探測器)的熱腔室10。另外，該裝置I具有通風(fēng)單元8，其例如包括布置于反應(yīng)區(qū)2下方的風(fēng)扇。電子裝置(未示出)控制電流向加熱裝置6的供給和通風(fēng)單元8的激活從而獲得期望的熱循環(huán)。這里保持件4 (也可參見圖2，其中該保持件相對于圖1旋轉(zhuǎn)了 90度而縱向顯示)由例如適當(dāng)?shù)纳锟杉嫒莸耐该魉芰?例如聚碳酸酯)的模制體形成并且具有平行六面體形狀，所述保持件具有在其上固定加熱裝置6的底部。保持件4在頂面上具有一系列上端開口且設(shè)計用于包含試劑和反應(yīng)產(chǎn)物的腔室7。如圖2和圖3所示，示例中加熱裝置6由模具形成，包括半導(dǎo)體材料的襯底15，在其一側(cè)具有導(dǎo)電材料(例如鋁或其它金屬)的線圈16，該線圈16遍布腔室7的區(qū)域延伸。線圈16與襯墊17連接。然而，其它類型的保持件也是可能的，例如沒有腔室7。在這種情況下，直接在模具內(nèi)形成腔室，其背面具有加熱裝置。利用所示結(jié)構(gòu)， 不可能在反應(yīng)區(qū)2內(nèi)獲得高熱均勻性。實際上，如圖1a所示，該圖形示出了反應(yīng)區(qū)2內(nèi)沿Y軸的熱輪廓。其中，在距保持件4一定距離處的接近周圍環(huán)境值TR的溫度，隨著接近加熱裝置6快速增加至加熱值TH，并且然后在熱腔室10內(nèi)逐漸回落，在熱腔室10上方增長直至溫度達到接近環(huán)境溫度TR的值。特別地，申請人進行的測試顯示，由于存在散逸，反應(yīng)區(qū)2內(nèi)存在約10_15°C的熱梯度。由于可能危害到反應(yīng)執(zhí)行的正確性并且因此危及所得診斷結(jié)果的正確性，這是非常不利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在反應(yīng)區(qū)中提供更高熱均勻性的診斷裝置。根據(jù)本發(fā)明，提供如權(quán)利要求1所述的診斷裝置。


為更好理解本發(fā)明，現(xiàn)僅通過非限制性示例，參考以下附圖描述其優(yōu)選的實施例，其中:圖1是已知診斷裝置的一部分的側(cè)視圖；圖1a示出圖1所示裝置內(nèi)的熱輪廓；圖2是用于圖1的裝置的保持件的透側(cè)視圖(ghost side view)；
圖3是圖2的保持件的底視圖；圖4是本診斷裝置的反應(yīng)區(qū)的側(cè)視圖；圖4a示出圖4的反應(yīng)區(qū)內(nèi)的熱輪廓；圖5是圖4的反應(yīng)區(qū)蓋子的透視底視圖；圖6是蓋子的一部分的放大截面和透視圖；圖7a_7e是布置于圖5所示蓋子上的加熱器的不同實施例；圖8是本裝置沿圖9的VII1-VIII平面的橫截面；圖9是本裝置沿圖8的IX-1X平面的縱截面；圖9a是圖9的放大細(xì)節(jié)的透視圖；和圖10是本裝置的方框圖。
具體實施例方式圖4示出用于執(zhí)行診斷分析的裝置100的一部分，從而采用如上所述的qRT-PCR技術(shù)檢測目標(biāo)分子的存在和數(shù)量。特別地，圖4示出了一反應(yīng)區(qū)102，該反應(yīng)區(qū)包括用于類似于參考圖1和圖2描述的保持件104的導(dǎo)引裝置103。特別地，該保持件104具有形成于模具105的第一加熱裝置106，并且形成一系列的反應(yīng)腔107 (示于透視圖中且頂側(cè)開口)，該反應(yīng)腔設(shè)計用于包含試劑和反應(yīng)產(chǎn)物和/或試管。備選地，第一加熱裝置106可直接模制在保持件104的底部或一側(cè)。

這里保持件104上方的區(qū)域形成頂部由蓋子115封閉的熱腔室110。通常為矩形形狀的蓋子115對發(fā)光元件165 (見圖8)的光和反應(yīng)過程中的熒光透明的，從而能夠支持經(jīng)由布置在熱腔室110上方的探測器166 (也在圖8中可見)的采集。特別地，蓋子115可以是玻璃、GaN或其它透明材料，用于使反應(yīng)過程中發(fā)出的輻射能夠通過，從而保證下面腔室102的熱密封性。第二加熱裝置116布置于蓋子115朝向保持件104 (也見圖5)的那一面上，并且圖5至圖7中更加詳細(xì)地示出該第二加熱裝置。特別地，第二加熱裝置116由厚度大的導(dǎo)電通路(例如，諸如Al或Mo等的金屬層)形成，該厚度優(yōu)化用于高電流容量(例如，2-3微米即能夠負(fù)載包含在0.5A至2A之間的電流)，且第二加熱裝置可以具有如圖7a_7e所示的不同形狀。導(dǎo)電通路通常具有沿平行方向延伸至蓋子115的三個側(cè)面的外圍部分116a(圖5、圖7a_7e)，并與襯墊117連接。外圍部分116a可能地連接至多個相互平行和/或相互交叉(圖5，圖7a_7c)且穿蓋子115的區(qū)域的中間部分116b，從而在一個反應(yīng)腔107和另一反應(yīng)腔之間的空間延伸，并不至于干擾PCR過程中發(fā)出的輻射。繼而，如圖5中的局部放大圖所示，外圍部分116a和中間部分116b可以完全或部分形成為線圈。為了方便初始化設(shè)置和驅(qū)動，第一加熱裝置106和第二加熱裝置116可以具有相同的電阻標(biāo)稱值(例如，15至24歐姆)。而且，可以將溫度傳感器120固定在蓋子115柵(見圖5)，該溫度傳感器包括獨立的、與自身襯墊121連接的模具，并且能夠測量熱腔室110內(nèi)的溫度并提供可以用于溫度反饋控制的信號。第二加熱裝置116和傳感器120的襯墊117、121連接至連接器122，繼而如下文參照圖10所描述的那樣，連接至該裝置100的控制單元。如圖6所示，第二加熱裝置116可以被鈍化層123覆蓋，該鈍化層形成用于金屬通路116a、116b的屏蔽。例如，該鈍化層123可以是厚度約為I微米的二氧化硅或氮化硅，并且除了保護第二加熱裝置116的金屬通路之外，還具有消除反應(yīng)過程中發(fā)出的光由蓋子115所引起的可能反射。這樣(見圖4)，歸功于第一加熱裝置106從下方供給的熱量和第二加熱裝置116從上方供給的熱量，包括熱腔室110和保持件104直到第一加熱裝置106的區(qū)域，如圖4a所示可保持在基本均勻的溫度。蓋子115可由比蓋子115面積大得多(例如玻璃)的板制成，該板印刷有金屬通路116a、116b (同時形成用于多個蓋子的許多加熱裝置116)，并且覆蓋有鈍化層123。玻璃板然后可以刻痕以分隔單個蓋子115。溫度傳感器120和連接器122經(jīng)由導(dǎo)電膏或?qū)щ娔z安裝在每個蓋子115上，蓋子115安裝在該裝置100上。所有步驟均是干法類型，從而避免表面粗糙。為優(yōu)化執(zhí)行反應(yīng)(例如，PCR或qRT-PCR)提供的加熱和冷卻步驟，如圖8和圖9中詳細(xì)示出的，所示裝置100具有雙冷卻回路,該圖8和圖9表示在互相垂直平面內(nèi)的兩部分。

具體地，該裝置100具有定義了封閉結(jié)構(gòu)的平行六面體形狀的框架，包括:橫向側(cè)(見圖8)上的第一和第二定界壁131、132，縱向側(cè)(見圖9)上的第一和第二柱133、134，底部147和頂部135。這樣，壁131、132，柱133、134 (尤其是后面描述的壁154a、154b)、蓋子115和保持件104 —起劃定熱腔室110的界限，其中，垂直方向(圖4中的Y方向)中的溫度是均勻的在裝置100的框架內(nèi)，發(fā)光元件165 (如LED)與探測器166 (如CXD探測器)布置在熱腔室110的上方。定界壁131、132定義了導(dǎo)引裝置103，并與柱133、134—道形成用于蓋子115的置放結(jié)構(gòu)。有利地，形成導(dǎo)引裝置103的定界壁131、132的部分131a、132a由導(dǎo)軌形成，該導(dǎo)軌可以從剩余的定界壁移除(并且例如由螺絲或其它可釋放的約束裝置固定)，從而它們可以在每次反應(yīng)時更換(一次性導(dǎo)軌)。導(dǎo)軌131a、132a為恒溫材料(例如ABS或PVC)，從而有利于在反應(yīng)腔102內(nèi)維持均勻的溫度，并且甚至在后續(xù)分析中防止腔室內(nèi)部試劑的意外污染。柱133、134內(nèi)部定義了用于冷卻空氣的雙通路，包括:入口通路135，一對冷卻通路145、155和出口公共通路136。具體地，如圖9所示，入口通路135由第一柱133的底部147上的入口開口 140、該入口開口 140上方的第一柵格141、第一柵格141上方的入口腔142形成。如下文指示的其他柵格，第一柵格141由例如網(wǎng)格或者多孔過濾器形成，從而防至灰塵(特別是大尺寸顆粒)的吸吮或在一般入口中。緊接于熱腔室102之下，朝向裝置100的內(nèi)部，第一柱133具有多個第一開口 143 (也參見圖8)，其中，引起一部分空氣在反應(yīng)區(qū)102下流動從而在底部圍住保持件104(因此形成了第一冷卻通路145)。為了沿第一冷卻通路145 (圖9)導(dǎo)引空氣，導(dǎo)流板144以相對于裝置100的縱向方向在第一柱133和第二柱134之間的反應(yīng)區(qū)102下方延伸。
在導(dǎo)流板144的端部上方，第二柱134具有多個第二開口 148(圖9中僅I個可見)，其中，第一冷卻通路145內(nèi)的空氣被布置在第一風(fēng)扇艙147中的第一風(fēng)扇149沿著出口通路136向布置在第二柱134的出口腔158抽出。此外，流經(jīng)熱腔室102的部分空氣被偏折從而在頂部(第二冷卻通路155)圍住保持件104。為此，入口腔142在頂部連接至后部區(qū)域151 (位于保持件104后面并且由滑動門153關(guān)閉)，然后連接至多個第三開口 152 (也見圖8)，該第三開口形成在第一頂壁154a內(nèi)，并且開口至熱腔室110上。第二柱134內(nèi)的第二風(fēng)扇艙157內(nèi)的第二風(fēng)扇156沿著第二冷卻通路155并且通過多個第四開口 153(圖9中僅I個可見)抽取空氣。該第四開口153形成在第二柱134頂端附近的第二頂壁154b內(nèi)。在圖9中可以看到，特別在局部放大圖中，第二風(fēng)扇156布置在相對于第一風(fēng)扇149更高的水平,但相對于第一風(fēng)扇149有側(cè)向偏移。這里，第一風(fēng)扇149不與第一冷卻通路145縱向?qū)?zhǔn)而是側(cè)向移位。備選地，第二風(fēng)扇149可以相對于第二冷卻通路155偏移。在兩種情形中，來自第一和第二冷卻通路145、155的空氣被吸入出口腔158，并且通過底部147的出口開口 159和通過第二柵格160排出。本裝置100具有在圖10的方框圖中所表示的架構(gòu)。具體地，作為采集光輻射的功能的探測器166產(chǎn)生供給至信號處理單元170的第一電信號，該信號處理單元170基于接收的第一電信號向處理單元171供給第二電信號，該第二電信號根據(jù)實施的反應(yīng)和協(xié)議以定性和/或定量的形式指示在腔室107內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)。處理單元171除了通過一個或多個輸入/輸出單元172向外界供給所需的信息夕卜，還監(jiān)管該反應(yīng)的熱控制。為此，它與溫度控制單元175相連，該溫度控制單元通過自身的驅(qū)動電路176控制第一和第二加熱裝置106、116的致動，從而供給用于它們操作必需的電流(并且因此像電流源一樣操作)以及第一和第二風(fēng)扇149、156的致動。溫度控制單元175還連接至溫度傳感器120以接收反應(yīng)腔102內(nèi)關(guān)于溫度的信息，從而以精確的方式控制設(shè)想中的熱循環(huán)的執(zhí)行。電源單元177為該裝置100的各個單元提供電源。

反應(yīng)開始之前，向上滑動打開后門153，使得后部隔間151和待接收保持件104的區(qū)域均訪問。然后，在裝置100中的導(dǎo)引部件131a、132a的可能裝配之后，將具有第一加熱裝置106的保持件104插入到后部隔間151中直到其抵住第一柱133的壁附近的止動裝置為止(圖9)。然后，關(guān)上門153之后，可以在中央單元171的控制下，啟動診斷程序啟動，該中央單元171然后基于發(fā)出的光輻射提供所請求的診斷結(jié)果。所示裝置100能夠在反應(yīng)腔102 (特別是腔室107)內(nèi)借助布置在保持件104兩側(cè)的兩個加熱器(第一和第二加熱裝置106、116)的存在維持均勻的溫度，這就生成了氣墊并且減少了保持件104的頂部與底部之間的熱梯度?？梢栽诒３旨?04的上方和下方以獨立的方式支配和控制的兩加熱器106、116的存在，支持了邊界條件的設(shè)置并且因此使得系統(tǒng)能夠獨立于外部/環(huán)境變化并且屏蔽內(nèi)部。產(chǎn)生兩個獨立空氣流的兩條冷卻通路145、155的存在，也歸功于蓋子115上溫度傳感器120的存在，使得能夠執(zhí)行具有高熱均勻性的精確熱循環(huán)，其中該兩個獨立空氣流在頂部和底部包圍保持件104并且獨立地受控。
如上所述，導(dǎo)引裝置103由一次性導(dǎo)軌131a、132a構(gòu)成的事實，有利于高均勻性并防止防止任何污染。位于離反應(yīng)發(fā)生的腔室107 —定距離的透明材質(zhì)的蓋子115為周圍環(huán)境提供了熱不連續(xù)性，而不干擾反應(yīng)的光學(xué)監(jiān)測和發(fā)出光輻射的采集。最后，應(yīng)當(dāng)清楚，可以對于這里描述和說明的裝置作出修改或變型，而不偏離所附權(quán)利要求書定義的本發(fā)明的范圍。例如，如所指示的，保持件104可以不同，并且同樣地，被設(shè)計用于提供雙冷卻通路的部件也可以以·不同于所表示部件的方式制造。
權(quán)利要求
1.一種執(zhí)行熱循環(huán)的裝置(100)，包括: 框架(131-134、137、147)； 熱腔室(110)，由定界壁(103、154a、154b)側(cè)向界定，并且配置成由反應(yīng)支架(104)向下界定，其中所述反應(yīng)支架(104)承載有多個用于容納化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的反應(yīng)腔(107)； 透明材料的蓋子(105)，向上界定所述熱腔室； 光輻射源(165)，布置于所述熱腔室(110)外部從而面向所述蓋子(115)并且配置成產(chǎn)生激勵光福射； 光輻射探測器(166)，布置于所述熱腔室外部從而面向所述蓋子并且配置成采集所述反應(yīng)腔(107)在使用中發(fā)出的光輻射；以及 處理元件(171)，與所述光輻射探測器(166)耦合并且配置成探測在使用中所述發(fā)出的光輻射的特征。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，蓋子(115)具有朝向所述熱腔室(110)的加熱器(116)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述加熱器(116)由耦合到電流源(176、177)的至少一條的金屬布線形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，包括透明屏蔽層(123)，所述屏蔽層(123)在其面向所述熱腔室(110)的一側(cè)覆蓋所述蓋子(115)和所述加熱器(116)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4 任意之一所述的裝置，包括附加到所述蓋子(115)上并面向所述熱腔室(110)的溫度傳感器(120)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意之一所述的裝置，其中，所述定界壁包括恒溫材質(zhì)制成的導(dǎo)引區(qū)(103)并且所述導(dǎo)引區(qū)(103)配置成使得在插入過程中導(dǎo)引所述反應(yīng)支架(106)并且側(cè)向保持所述反應(yīng)支架(104)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述導(dǎo)引區(qū)(103)包括可移動的、一次性導(dǎo)軌。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7的一個或多個所述的裝置，包括第一和第二冷卻回路(135、145、155、136、149、156)，其分別包括第一和第二通風(fēng)單元(149、156)，其中，所述第一冷卻回路還包括延伸至所述熱腔室(110)下方并且耦合至所述第一通風(fēng)單元(149)的下冷卻室(145);并且所述第二冷卻回路(155)還包括與所述第二通風(fēng)單元(156)耦合的所述熱腔室(110)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述第一和第二通風(fēng)單元(149、156)由分別放置在第一和第二風(fēng)扇隔間(147、157)的吸風(fēng)機形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，包括在所述熱腔室(110)的相對側(cè)沿縱向方向延伸的第一和第二柱(133、134)，其中，所述第一柱(133)形成與所述裝置(100)的外部耦合的進氣室(142)，并且所述第二柱(134)形成與所述第一和所述第二風(fēng)扇隔間(147、157)耦合以及與所述裝置(100)的外部耦合的出氣室(158)，所述進氣室(142)還通過第一連接口(143)耦合至所述下冷卻室(145)并且經(jīng)由隔間(151)和經(jīng)由開口(152)耦合至所述熱腔室(110)，所述開口 (152)在所述定界壁(154a，154b)之一 (154a)中延伸。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的裝置，其中，所述第一風(fēng)扇隔間(147)被布置成相對于所述第二風(fēng)扇隔間(157)側(cè)向偏移。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至11任意之一所述的裝置，當(dāng)從屬于權(quán)利要求2和5時，包括耦合至所述加熱器(116)、所述第一和所述第二通風(fēng)單元(149、156)和所述溫度傳感器(120)的溫度控制單元(175)以用于控制所述熱腔室(110)內(nèi)的溫度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述溫度控制單元(175)還包括具有加熱元件(106)的耦合裝置， 所述加熱元件(106)在所述反應(yīng)支架(104)內(nèi)的所述反應(yīng)腔(107)下方延伸。
全文摘要
一種用于執(zhí)行熱循環(huán)的裝置(100)，具有包圍熱腔室(110)的框架(131-134、137、147)，該熱腔室(110)由定界壁(103，154a，154b)側(cè)向界定并且配置成使得由承載多個反應(yīng)腔(107)的反應(yīng)保持件(104)在底部界定，反應(yīng)腔(107)被設(shè)計成接收化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)。透明材質(zhì)的蓋子(105)固定到所述框架并且在頂部界定熱腔室。光輻射源(165)布置于面向蓋子(115)的熱腔室(110)的外側(cè)，并且配置成生成激勵光輻射。光輻射探測器(166)布置于面向蓋子(115)的熱腔室(110)外側(cè)，并且配置成采集反應(yīng)腔(107)在使用中發(fā)出的光輻射。處理器(171)連接至光輻射探測器(166)并且配置成探測在使用中發(fā)出的光輻射的特征。
文檔編號C12M1/34GK103114032SQ201210408739
公開日2013年5月22日 申請日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者E·方塔納, A·斯卡德里 申請人:意法半導(dǎo)體股份有限公司