專利名稱：三階段熱對(duì)流裝置及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的特征是多階段熱對(duì)流裝置(特別是三階段熱對(duì)流裝置)及其用途。所述裝置包含至少一個(gè)輔助聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)的溫度成形元件(temperature shapingelement)。本發(fā)明有多種應(yīng)用，包括在無(wú)需與現(xiàn)有設(shè)備相關(guān)的笨重且通常昂貴的硬件的情況下擴(kuò)增DNA模板。在一個(gè)實(shí)施 方案中，該裝置可以放于使用者手掌上用作便攜式PCR擴(kuò)增設(shè)備。
背景技術(shù)：
聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)是在每次溫度變化循環(huán)完成時(shí)擴(kuò)增多核苷酸序列的技術(shù)。參見(jiàn)例如，PCR :A Practical Approach, M. J. McPherson 等，IRL Press (1991) ；PCRProtocols A Guide to Methods and Applications, Innis等,Academic Press (1990);和PCR Technology !Principals and Applications for DNA Amplification, H. A. Erlich,Stockton Press (1989)。在許多專利(包括美國(guó)專利 No. 4，683，195,4, 683，202、4，800，159,4, 965，188,4, 889，818,5, 075，216,5, 079，352,5, 104，792,5, 023，171、5，091，310 和 5，066，584)中也描述了 PCR。在許多應(yīng)用中，PCR涉及使目的多核苷酸(“模板”)變性，然后使期望的引物寡核苷酸(“引物”)與變性的模板退火。退火之后，聚合酶催化合成新多核苷酸鏈，其包含引物并且對(duì)其進(jìn)行延伸。這一系列的步驟(變性、引物退火和引物延伸)構(gòu)成一個(gè)PCR循環(huán)。這些步驟在PCR擴(kuò)增過(guò)程中重復(fù)多次。隨著循環(huán)的重復(fù)，新合成的多核苷酸的量以幾何級(jí)數(shù)增加。在許多實(shí)施方案中，弓丨物是成對(duì)選擇的，它們可以與給定雙鏈多核苷酸的相對(duì)鏈退火。在這種情況下，可以擴(kuò)增兩個(gè)退火位置之間的區(qū)域。需要多在多循環(huán)PCR實(shí)驗(yàn)中改變反應(yīng)混合物的溫度。例如，DNA變性通常在約90°C至約98°C或更高的溫度下發(fā)生，引物與變性DNA的退火通常在約45°C至約65°C下進(jìn)行，而用聚合酶延伸退火引物的步驟通常在約65°C至約75°C下進(jìn)行。為了使PCR以最佳狀態(tài)進(jìn)行，這些溫度步驟必須被依次重復(fù)。為了滿足該需要，已開(kāi)發(fā)多種市售設(shè)備用于進(jìn)行PCR。許多設(shè)備的重要組件是熱“循環(huán)儀”，其中的一個(gè)或更多個(gè)溫度控制元件(有時(shí)稱為“加熱塊”)容納PCR樣品。在一段時(shí)間中加熱塊的溫度變化以支持熱循環(huán)。遺憾的是，這些設(shè)備有重大缺點(diǎn)。例如，大多數(shù)設(shè)備是巨大、笨重且通常昂貴的。通常需要大量電力來(lái)加熱和冷卻加熱塊以支持熱循環(huán)。使用者常常需要接受大量培訓(xùn)。因此，這些設(shè)備一般不適于現(xiàn)場(chǎng)使用?？朔@些問(wèn)題的嘗試并不是完全成功的。例如，一種嘗試涉及使用多個(gè)溫度控制加熱塊，其中每個(gè)塊保持在期望的溫度并且使樣品在加熱塊之間移動(dòng)。但是，這些裝置有其他缺點(diǎn)，如需要復(fù)雜的機(jī)械裝置使樣品在不同加熱塊之間移動(dòng)，以及需要一次加熱或冷卻一個(gè)或幾個(gè)加熱塊。已有一些在一些PCR過(guò)程中使用熱對(duì)流的嘗試。參見(jiàn)Krishnan，M.等.(2002)Science 298:793 ；Wheeler, E. K. (2004)Anal. Chem. 76 :4011-4016 ；Braun, D. (2004)Modern Physics Letters 18 :775-784 ;和 W002/072267。但是，這些嘗試都沒(méi)有生產(chǎn)出小型、便攜、更實(shí)惠，而且減少對(duì)電力的大量需求的熱對(duì)流PCR設(shè)備。而且，這些熱對(duì)流裝置往往有低的PCR擴(kuò)增效率和擴(kuò)增子尺寸的限制。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了多階段熱對(duì)流裝置(特別是三階段熱對(duì)流裝置)及其用途。該裝置通常包含至少一個(gè)輔助聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)的溫度成形元件。如下文所述，典型的溫度成形元件是該裝置中支持熱對(duì)流PCR的結(jié)構(gòu)和/或位置特征。溫度成形元件的存在增加 PCR擴(kuò)增的效率和速度、支持小型化、并且減少對(duì)大量電力的需要。在一個(gè)實(shí)施方案中，該裝置容易地放于使用者手掌上并且具有電池足以運(yùn)行的低電力需求。在該實(shí)施方案中，該裝置比許多現(xiàn)有PCR設(shè)備更小、更便宜且更便攜。因此，在一方面，本發(fā)明的特征是適于進(jìn)行熱對(duì)流PCR擴(kuò)增的三階段熱對(duì)流裝置(“裝置”)。優(yōu)選地，該裝置具有至少一個(gè)(優(yōu)選所有的)作為可操作連接組件的下述元件
(a)用于對(duì)槽進(jìn)行加熱或冷卻并且包含上表面和下表面的第一熱源，所述槽適于容納進(jìn)行PCR的反應(yīng)容器，
(b)用于對(duì)所述槽進(jìn)行加熱或冷卻并且包含上表面和下表面的第二熱源，所述下表面朝向第一熱源的上表面，
(C)用于對(duì)所述槽進(jìn)行加熱或冷卻并且包含上表面和下表面的第三熱源，所述下表面朝向第二熱源的上表面，其中所述槽由接觸第一熱源的底端和與第三熱源的上表面鄰接的通孔限定，并且其中底端與通孔的中心點(diǎn)之間形成槽軸，圍繞其布置所述槽，
(d)至少一個(gè)適于輔助熱對(duì)流PCR的溫度成形元件；以及
(e)在第一熱源內(nèi)適于容納所述槽的接收孔。還提供了制造上述裝置的方法，該方法包括以足以進(jìn)行本文所述熱對(duì)流PCR的可操作組合組裝(a)-(e)中的每個(gè)。在本發(fā)明的另一方面中，提供了適于使用至少一種本文所述裝置進(jìn)行PCR的熱對(duì)流PCR離心機(jī)(“PCR離心機(jī)”)。本發(fā)明還提供了通過(guò)熱對(duì)流進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)的方法。在一個(gè)實(shí)施方案中，該方法包括至少一個(gè)(優(yōu)選所有的)下述步驟
(a)將包含接收孔的第一熱源維持在適于使雙鏈核酸分子變性并形成單鏈模板的溫度范圍內(nèi)，
(b)將第三熱源維持在適于使至少一條寡核苷酸引物與單鏈模板退火的溫度范圍內(nèi)， (C)將第二熱源維持在適于支持引物沿單鏈模板聚合的溫度；以及
(d)在足以產(chǎn)生引物延伸產(chǎn)物的條件下在接收孔和第三熱源之間產(chǎn)生熱對(duì)流。另一方面，本發(fā)明提供了適于被本發(fā)明裝置容納的反應(yīng)容器。


圖I為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案的俯視圖。示出了穿過(guò)裝置的剖面(A-A 和 B-B)。圖2A至C為示意圖 ，其顯示具有第一室100的裝置的一個(gè)實(shí)施方案的剖面圖。圖2A至C為沿A-A面(圖2A、2B)和B-B面(圖2C)的橫截面圖。圖3A至B為示意圖，其顯示裝置的一些實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖。每個(gè)裝置具有相對(duì)于槽軸80寬度不等的第一室100和第二室110。圖4A至B為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案的剖面圖(A-A)。圖4B顯示區(qū)域(由圖4A中的虛線圓確定)的放大圖。裝置具有第一室100、第二室110和第三室120。第一室與第二室之間的區(qū)域包含第一熱制動(dòng)器130。第二室與第三室之間的區(qū)域包含第二熱制動(dòng)器140。圖5A至D為示意圖，其顯示裝置的槽的一些實(shí)施方案(A-A面)。圖6A至J為示意圖，其顯示裝置的槽的一些實(shí)施方案。剖面與槽軸80垂直。圖7A至I為圖示，其顯示裝置的多種室的一些實(shí)施方案。剖面與槽軸80垂直。陰影線部分表示第二或第三熱源。圖8A至P為圖示，其顯示裝置的多種室和槽的一些實(shí)施方案。剖面與槽軸80垂直。陰影線部分表示第二或第三熱源。圖9A至B為示意圖，其顯示裝置的一些實(shí)施方案的剖面圖(A-A面)。第一室100
呈錐形。圖IOA至F為示意圖，其顯示具有第一熱制動(dòng)器130的多種裝置的實(shí)施方案的剖面圖(A-A面)。圖10BU0D和IOF分別顯示圖10AU0C和IOE中所示虛線圓確定的區(qū)域的放大圖，以說(shuō)明第一熱制動(dòng)器130的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。圖IlA至B為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案的剖面圖(A-A)。圖IlB顯示圖IlA中所示虛線圓確定的區(qū)域的放大圖，以突出第一熱制動(dòng)器130和第二熱制動(dòng)器140的位置。圖12A為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案的剖面圖(A-A)。第一熱源20和第二熱源30的特征為沿槽軸80有突出部(23、24、33、34)。顯示第一熱制動(dòng)器130在第一室100之下。圖12B顯示圖12A所示裝置的定位實(shí)施方案。裝置相對(duì)于重力方向傾斜(傾斜0 g確定的角度)。圖13為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案的剖面圖(A-A)。接收孔73圍繞槽軸80不對(duì)稱布置并且形成接收孔間隙74。圖14A為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案的剖面圖(A-A面)。第一室100和第二室110分別位于第二熱源30和第三熱源40中。圖14B為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案的剖面圖(A-A面)。第一室100和第二室110位于第二熱源30中，第三室120位于第三熱源40中。第一熱制動(dòng)器130位于第二熱源30內(nèi)的第一室100與第二室110之間。圖14C為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案的剖面圖(A-A)，其中第一室100和第二室Iio分別位于第二熱源30和第三熱源40中。顯示第一熱制動(dòng)器130在第一室100之下。圖15A至B為示意圖，其顯示裝置的一些實(shí)施方案的剖面圖(A-A面)，其中第一室100位于第三熱源40中。圖15B中，第一熱源20的特征為圍繞接收孔73對(duì)稱布置突出部(23,24)。圖16A至C為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案的剖面圖。圖16A至C為沿A-A面(圖16A至B)和B-B面(圖16C)的橫截面圖。第二熱源30包含圍繞槽軸80對(duì)稱布置且沿第一室100的長(zhǎng)度延伸的突出部(33、34)。圖17A至C為的裝置的一個(gè)實(shí)施方案沿A-A面(圖17A至B)和B-B 面(圖17C)的示意圖。第一熱源20、第二熱源30和第三熱源40包含突出部(23、24、33、34、43、44)，每個(gè)突出部圍繞槽軸80對(duì)稱布置。圖18A為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案的剖面圖(A-A)。裝置相對(duì)于重力方向傾斜(傾斜e g確定的角度)。圖18B顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案，其中在第二熱源30中槽70和第一室100相對(duì)于重力方向傾斜。重力方向相對(duì)于熱源保持垂直。圖19為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案的剖面圖(A-A)。在這種實(shí)施方案中，第一熱源20的特征為具有接收孔間隙74的接收孔73。圖20A至B為示意圖，其顯示裝置的一些實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖。第一熱源20包含接收孔間隙74。在由圖20B所示的實(shí)施方案中，接收孔間隙74包含相對(duì)于槽軸80傾斜的上表面。圖21A至B為示意圖，其顯示裝置的一些實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖。第一熱源20的特征為突出部23圍繞接收孔73不對(duì)稱布置。在圖21A中，與接收孔73相鄰的突出部23具有多個(gè)上表面，其中之一更高并且更接近第一室100。在圖21B中，突出部23具有一個(gè)相對(duì)于槽軸80傾斜的上表面，從而使一側(cè)與相對(duì)于接收孔73的另一側(cè)相比更高且更接近第一室100。圖22A至D為示意圖，其顯示裝置的一些實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖。在這些實(shí)施方案中，第一熱源20和第二熱源30的特征為突出部23和33圍繞槽軸80不對(duì)稱布置。突出部23和33的一側(cè)與相對(duì)于槽軸80的另一側(cè)相比更高。突出部23的頂端和突出部33的底端具有多個(gè)表面(圖22A和22C)或相對(duì)于槽軸80傾斜(圖22B和22D)。在圖22A和22B中，第一室100的特征為底端102，其一部分與相對(duì)于槽軸80的另一部分相比更接近突出部23的一側(cè)。在圖22C和22D中，第一室100的底端102與突出部23上表面的距離基本恒定。圖23A至B為示意圖，其顯示裝置的一些實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖。在這些實(shí)施方案中，第一熱源20的特征為突出部23圍繞接收孔73對(duì)稱布置，第二熱源30的特征為突出部33圍繞槽軸80不對(duì)稱布置。在圖23A中，第一室100的底端102的特征為具有多個(gè)表面，從而使底端102 —側(cè)的一部分比與槽軸80相對(duì)的另一部分更接近突出部23。在圖23B中，第一室100的底端102相對(duì)于槽軸80傾斜，從而使底端102的一部分比與槽軸80相對(duì)的另一部分更接近突出部23。圖24A至B為示意圖，其顯示裝置的一些實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖。在這些實(shí)施方案中，第二熱源30的特征為突出部33和34圍繞槽軸80不對(duì)稱布置。突出部33的底端和突出部34的頂端相對(duì)于槽軸80傾斜(圖24A)或具有多個(gè)表面(圖24B)。第一室100的特征為底端102的一部分比與槽軸80相對(duì)的另一部分更接近第一熱源20的上表面。頂端101的特征也是其一部分比與槽軸80相對(duì)的另一部分更接近第三熱源40的下表面。圖25為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖，其顯示在第二熱源30內(nèi)，第一室100和第二室110圍繞槽軸80不對(duì)稱布置。圖26為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100包含相對(duì)于槽軸80以一定角度布置的壁103。 圖27A至B為示意圖，其顯示裝置的一些實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖。在這些實(shí)施方案中，第二熱源30的特征為突出部(33、34)圍繞槽軸80不對(duì)稱布置。突出部33的底端和突出部34的頂端相對(duì)于槽軸80傾斜(圖27A)或具有多個(gè)表面(圖27B)。在圖27B中，第一熱源20和第三熱源40的特征為突出部(23、24、43、44)圍繞槽軸80對(duì)稱布置。在圖27A和B兩圖中，第一室100底端102的一部分所處的位置比與槽軸80相對(duì)的另一部分更接近第一熱源20的上表面。同樣地，頂端101的一部分所處的位置比與槽軸80相對(duì)的另一部分更接近第三熱源40的下表面。圖28A至B為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖，其中第二熱源30內(nèi)有第一室100和第二室110。如圖28B所示，該裝置的特征為第一熱制動(dòng)器130圍繞槽70不對(duì)稱布置且處于第一室100和第二室110之間，其壁133接觸槽70的一側(cè)。圖29A為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案的剖面圖，其中第一室100在第二熱源30內(nèi)并且圍繞槽70不對(duì)稱布置(偏離中心)。圖29B至C為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖。第一室100圍繞槽70不對(duì)稱布置。如圖29C所示，顯示熱制動(dòng)器130圍繞槽70不對(duì)稱布置并且壁133接觸槽70的一側(cè)。 圖30A至B為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100和第二室110在第二熱源30內(nèi)。第一室100和第二室110圍繞槽軸80不對(duì)稱布置。在圖30B所示的放大圖中，顯示熱制動(dòng)器130圍繞槽70對(duì)稱布置在第一室100和第二室110之間。熱制動(dòng)器130的壁133接觸槽70。圖30C至D為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100和第二室110在第二熱源30內(nèi)。第一室100和第二室110圍繞槽軸80不對(duì)稱布置。第一室100垂直于槽軸80的寬度小于第二室110沿槽軸80的寬度。在圖30D所示的放大圖中，顯示第一熱制動(dòng)器130圍繞槽70不對(duì)稱布置并且壁133接觸槽70的一側(cè)。圖31A至B為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100和第二室110在第二熱源30內(nèi)。第一室100和第二室110沿A-A面以相反方向圍繞槽軸80不對(duì)稱布置。顯示熱制動(dòng)器130圍繞槽70對(duì)稱布置并且壁133接觸槽70。圖32A至B為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100和第二室110在第二熱源30內(nèi)。第一室100和第二室110圍繞槽軸80不對(duì)稱布置。如圖32B所示，第一熱制動(dòng)器130也圍繞槽70不對(duì)稱布置并且壁133接觸槽70的一側(cè)。圖32C至D為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100和第二室110在第二熱源30內(nèi)并且圍繞槽軸80不對(duì)稱布置。如圖32D所示，第一熱制動(dòng)器130也圍繞槽70不對(duì)稱布置并且壁133接觸槽70的一側(cè)。圖33A至B為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100和第二室110在第二熱源30內(nèi)并且沿A-A面以相反方向圍繞槽軸80不對(duì)稱布置。在圖33B所示的放大圖中，顯示在第一室100中，第一熱制動(dòng)器130不對(duì)稱布置并且壁133接觸槽70的一側(cè)。還顯示在第二室110中，第二熱制動(dòng)器140不對(duì)稱布置并且壁143接觸槽70的一側(cè)。第一熱制動(dòng)器130的頂端131基本位于與第二熱制動(dòng)器140的底端142相同的高度。圖33C至D為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100和第二室110在第二熱源30內(nèi)并且沿A-A面以相反方向圍繞槽軸80不對(duì)稱布置。在圖33D所示的放大圖中，顯示第一熱制動(dòng)器130和第二熱制動(dòng)器140不對(duì)稱布置并且其壁(133、143)各自接觸槽70的一側(cè)。第一熱制動(dòng)器130頂端131所處的位置高于第二熱制動(dòng) 器140的底端142。圖33E至F為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100和第二室110在第二熱源30內(nèi)并且沿A-A面以相反方向圍繞槽軸80不對(duì)稱布置。在圖33F所示的放大圖中，顯示第一熱制動(dòng)器130和第二熱制動(dòng)器140不對(duì)稱布置并且其壁(133,143)各自接觸槽70的一側(cè)。顯示第一熱制動(dòng)器130頂端131所處的位置低于第二熱制動(dòng)器140的底端142。圖34A至B為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100和第二室110在第二熱源30內(nèi)并且圍繞槽軸80不對(duì)稱布置。第一室100的頂端101和第二室110的底端112相對(duì)于槽軸80傾斜。第一室100的壁103和第二室110的壁113各自與槽軸80基本平行。在圖34B所示的放大圖中，顯示第一熱制動(dòng)器130相對(duì)于槽軸80傾斜并且壁133接觸槽70。圖35A至D為示意圖，其顯示裝置的一些實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100和第二室110在第二熱源30內(nèi)并且圍繞槽軸80不對(duì)稱布置。在圖35A至D中，顯示第一室100的壁103和第二室110的壁113相對(duì)于槽軸80傾斜。在圖35B所示的放大圖中，顯示熱制動(dòng)器130圍繞槽70對(duì)稱布置并且壁133與槽70接觸。在圖3 所示的放大圖中，顯示第一熱制動(dòng)器130相對(duì)于槽軸80傾斜并且壁133接觸槽70。圖36A至C為示意圖，其顯示多個(gè)裝置的實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100在第二熱源30內(nèi)并且第二室110在第三熱源40內(nèi)(圖36A和C)，或者第一室100和第二室110在第二熱源30內(nèi)并且第三室120在第三熱源40內(nèi)(圖36B)。在所有圖中，室圍繞槽軸80對(duì)稱布置。在圖36A至C中，第二熱源30的特征為突出部33限定出第一室100并且圍繞槽軸80對(duì)稱布置，第一熱源20的特征為突出部23和24。在圖36A至B中，第一室100的底端102接觸第一絕熱體50。在圖36C中，第一室100的底端102接觸第二熱源30。圖37A至C為示意圖，其顯示多種裝置的實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100在第二熱源30內(nèi)并且第二室110在第三熱源40內(nèi)(圖37A和C)，或者第一室100和第二室110在第二熱源30內(nèi)并且第三室120在第三熱源40內(nèi)(圖37B)。在所有圖中，室圍繞槽軸80對(duì)稱布置。突出部23、24、33和34圍繞槽軸80對(duì)稱布置。在圖37A至B中，第一室100的底端102接觸第一絕熱體50，而在圖37C中，其接觸第二熱源30。
圖38A至C為示意圖，其顯示多種裝置的實(shí)施方案沿A-A面的剖面圖。在圖38A和C，第一室100在第二熱源30內(nèi)并且第二室110在第三熱源40內(nèi)，在圖38B中，第一室100和第二室110在第二熱源30內(nèi)并且第三室120在第三熱源40內(nèi)。室圍繞槽軸80對(duì)稱布置。突出部23、24、33、34和43圍繞槽軸80對(duì)稱布置。在圖38A至B中，第一室100的底端102接觸第一絕熱體50，而在圖37C中，其接觸第二熱源30。圖39為示意圖，其顯示裝置10的一個(gè)實(shí)施方案的俯視圖，顯示第一固定元件200、第二固定元件210、加熱/冷卻元件(160a至c)和溫度傳感器(170a至C)。指示了多個(gè)剖面(A_A、B-B 和 C-C)。圖40A至B為示意圖，其顯示圖39所示的裝置實(shí)施方案沿A-A (圖40A)和B-B (圖40B)面的截面圖。圖41為第一固定元件200沿C-C面的截面圖的示意圖。圖42為裝置一個(gè)實(shí)施方案的俯視圖的示意圖，其顯示多個(gè)固定元件、熱源結(jié)構(gòu)、加熱/冷卻元件和溫度傳感器。圖43A至B為裝置一個(gè)實(shí)施方案的俯視圖(圖43A)和截面圖(圖43B)的示意圖，顯示第一殼體元件300，其限定出第三絕熱體310和第四絕熱體320。圖44A至B為裝置一個(gè)實(shí)施方案的俯視圖(圖44A)和截面圖(圖44B)的示意圖，其包含第二殼體元件400和第五絕熱體410及第六絕熱體420。圖45A至B為一個(gè)PCR離心機(jī)的一個(gè)實(shí)施方案的不意圖。圖45A顯不俯視圖，圖45B顯示沿A-A面的截面圖。圖46為示意圖，其顯示PCR離心機(jī)裝置的一個(gè)實(shí)施方案沿A-A面的截面圖。圖47A至B為不意圖,其顯不包含第一室和第一熱制動(dòng)器的PCR離心機(jī)的實(shí)施方案。在圖47A中，沿A-A的剖面穿過(guò)槽70。在圖47B中，沿B-B的剖面穿過(guò)第一固定工具200和第二固定工具210。圖48A至C為示意圖，其顯示用于圖47A至B所示PCR離心機(jī)的第一熱源(圖48A)、第二熱源(圖48B)和第三熱源(圖48C)的一些實(shí)施方案。指示了穿過(guò)裝置的剖面(A-A 和 B-B)。圖49A至B為示意圖，其顯示不包含室結(jié)構(gòu)的PCR離心機(jī)的一個(gè)實(shí)施方案。在圖49A中，沿A-A的剖面穿過(guò)槽70。在圖49B中，沿B-B的剖面穿過(guò)第一固定工具200和第二固定工具210。圖50A至C為示意圖，其顯示用于圖49A至B所示PCR離心機(jī)的第一熱源(圖50A)、第二熱源(圖50B)和第三熱源(圖50C)的一些實(shí)施方案。指示了穿過(guò)裝置的剖面(A-A 和 B-B)。圖51A至D為示意圖，其顯示多種反應(yīng)容器實(shí)施方案的截面圖。圖52A至J為示意圖，其顯示多種反應(yīng)容器實(shí)施方案垂直于反應(yīng)容器軸95的截面圖。圖53A至C為使用圖12A的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示用使用分別來(lái)自Takara Bio、Finnzymes和Kapa Biosystems的3種不同DNA聚合酶擴(kuò)增來(lái)自Ing質(zhì)粒樣品的373bp序列。圖54A至C為使用圖12A的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示來(lái)自Ing質(zhì)粒樣、品的三個(gè)目標(biāo)序列(大小分別為177bp、960bp和I, 608bp)的擴(kuò)增。圖55顯示使用圖12A的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示來(lái)自Ing質(zhì)粒樣品的多個(gè)目標(biāo)序列(大小為約200bp至約2kbp)的擴(kuò)增。圖56A至C為使用圖12A的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示在提高的變性溫度(分別為100°C、102°C和104°C )下PCR擴(kuò)增加速。圖57A至C為使用圖12A的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示來(lái)自IOng人基因組樣品的三個(gè)目標(biāo)序列(大小分別為363bp、475bp和513bp)的擴(kuò)增。圖58為使用圖12A的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示來(lái)自IOng人基因組和 cDNA樣品的多個(gè)序列(大小為約IOObp至約800bp)的擴(kuò)增。圖59為使用圖12A的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示來(lái)自非常低拷貝的人基因組樣品的363bp P -珠蛋白序列的擴(kuò)增。圖60顯示當(dāng)將目標(biāo)溫度分別設(shè)定為98°C、70°C和54°C時(shí)，圖12A裝置的第一、第二和第三熱源作為時(shí)間的函數(shù)的溫度變化。圖61顯示了具有12個(gè)槽的圖12A的裝置作為時(shí)間的函數(shù)的功率消耗。圖62A至E為使用圖12B的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示作為重力傾斜角度的函數(shù)的PCR擴(kuò)增加速。圖62A至E的重力傾斜角度分別為0°、10°、20°、30°和45°。圖63A至D為使用圖12B的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示作為重力傾斜角度的函數(shù)的PCR擴(kuò)增加速。圖63A至D的重力傾斜角度分別為0°、10°、20°和30°。圖64A至B為使用圖12B的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示作為重力傾斜角度的函數(shù)的PCR擴(kuò)增加速。圖64A的重力傾斜角度為0°，圖64B的為20°。圖65為使用圖12B的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示當(dāng)引入重力傾斜角度時(shí)來(lái)自非常低拷貝的人基因組樣品的363bp P -珠蛋白的擴(kuò)增。圖66為使用圖14C的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示來(lái)自Ing質(zhì)粒樣品的152bp序列的擴(kuò)增。圖67為使用圖14C的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示來(lái)自Ing質(zhì)粒樣品的多個(gè)序列(大小為約IOObp至約800bp)的擴(kuò)增。圖68A至B為使用圖14C的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示來(lái)自IOng人基因組樣品的500bp ^ -珠蛋白(圖68A)和500bp ^ -肌動(dòng)蛋白(圖68B)序列的擴(kuò)增。圖69為使用圖14C的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示來(lái)自非常低拷貝的質(zhì)粒樣品的152bp序列的擴(kuò)增。圖70A至D為使用圖17A的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示當(dāng)接收孔深度為約2mm時(shí)作為室直徑的函數(shù)的PCR擴(kuò)增的依賴性。圖70A的室直徑為約4mm，圖70B的為約
3.5mm,圖70C的為約3mm，圖70D的為約2. 5mm。圖71A至D為使用圖17A的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示當(dāng)接收孔深度為約2. 5mm時(shí)作為室直徑的函數(shù)的PCR擴(kuò)增的依賴性。圖7IA的室直徑為約4mm，圖71B的為約3. 5mm,圖71C的為約3mm，圖71D的為約2. 5mm。圖72A至D為使用圖17A的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示當(dāng)接收孔深度為約2mm并且引入10°的重力傾斜角度時(shí)，作為室直徑的函數(shù)的PCR擴(kuò)增的依賴性。圖72A的室直徑為約4臟，圖72B的為約3. 5mm,圖72C的為約3mm，圖72D的為約2. 5mm。
圖73A至D為使用圖17A的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示當(dāng)接收孔深度為約2. 5mm并且引入10°的重力傾斜角度時(shí)，作為室直徑的函數(shù)的PCR擴(kuò)增的依賴性。圖73A的室直徑為約4臟，圖73B的為約3. 5mm,圖73C的為約3mm，圖73D的為約2. 5mm。圖74A至F為使用具有第一熱制動(dòng)器的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示作為第一熱制動(dòng)器沿槽軸位置的函數(shù)的PCR擴(kuò)增的依賴性。第一熱制動(dòng)器的底端位于第二熱源底部上方的Omm(圖74A)、約Imm(圖74B)、約2. 5mm(圖74C)、約3. 5mm(圖74D)、約4. 5mm(圖74E)和約5. 5mm(圖74F)。第一熱制動(dòng)器沿槽軸的厚度為約1mm。圖75A至E為使用具有或不具有第一熱制動(dòng)器的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示當(dāng)不使用重力傾斜角度時(shí)作為第一熱制動(dòng)器沿槽軸之厚度的函數(shù)的PCR擴(kuò)增的依賴性。第一熱制動(dòng)器沿槽軸的厚度為Omm (圖75A，即沒(méi)有第一熱制動(dòng)器)、 約Imm (圖75B)、約2mm(圖75C)、約4mm(圖75D)和約5. 5mm(圖75E，即僅有槽而無(wú)室結(jié)構(gòu))。第一熱制動(dòng)器的底端位于第二熱源的底部。圖76A至E為使用具有或不具有第一熱制動(dòng)器的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果，其顯示當(dāng)引入10°的重力傾斜角度時(shí)作為第一熱制動(dòng)器沿槽軸之厚度的函數(shù)的PCR擴(kuò)增的依賴性。第一熱制動(dòng)器沿槽軸的厚度為0mm(圖76A，即沒(méi)有第一熱制動(dòng)器)、約lmm(圖76B)、約2mm(圖76C)、約4mm(圖76D)和約5. 5mm(圖76E，即僅有槽而無(wú)室結(jié)構(gòu))。第一熱制動(dòng)器的底端位于第二熱源的底部。圖77顯示使用具有對(duì)稱加熱結(jié)構(gòu)的圖12A的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果。圖78A至B顯示使用具有不對(duì)稱接收孔的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果。接收孔的一側(cè)比相對(duì)一側(cè)深約O. 2mm (圖78A)和約O. 04mm (圖78B)。圖79顯示使用具有不對(duì)稱熱制動(dòng)器的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR的結(jié)果。圖80A至B為示意圖，其顯示裝置的一些實(shí)施方案的剖面圖，所述實(shí)施方案具有一個(gè)或更多個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元600至603，這些檢測(cè)單元沿槽軸80與第一熱源20隔開(kāi)并且足以檢測(cè)來(lái)自反應(yīng)容器90中的樣品的熒光信號(hào)。所述裝置包含單個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元600以檢測(cè)來(lái)自多個(gè)反應(yīng)容器的熒光信號(hào)(圖80A)，或者包含多個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元601至603 (圖80B)以檢測(cè)來(lái)自每個(gè)反應(yīng)容器的熒光信號(hào)。在圖80A至B所示的實(shí)施方案中，光學(xué)檢測(cè)單元檢測(cè)來(lái)自反應(yīng)容器90的底端92的熒光信號(hào)。第一熱源20包含光學(xué)端口(optical port)610,其位于槽70的底端72與第一熱源突出部24之間的槽軸80周圍，并且為光的激發(fā)和發(fā)射提供與槽軸80平行的路徑(分別用向上和向下的箭頭表示)。圖81A至B為不意圖,其顯不裝置的一些實(shí)施方案的剖面圖,所述實(shí)施方案具有一個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元600 (圖81A)或多于一個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元601至603 (圖81B)。每個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元600至603沿槽軸80與第三熱源40隔開(kāi)并且足以檢測(cè)位于反應(yīng)容器90中的樣品的熒光信號(hào)。在這些實(shí)施方案中，反應(yīng)容器蓋(未顯示)的中心部分通常適合反應(yīng)容器90的頂部開(kāi)口并且作為與槽軸80平行的激發(fā)光和發(fā)射光的光學(xué)端口(圖81A至B中分別用向上和向下的箭頭表示)發(fā)揮作用。圖82為示意圖，其顯示裝置的一個(gè)實(shí)施方案的剖面圖，所述實(shí)施方案具有與第二熱源30隔開(kāi)的光學(xué)檢測(cè)單元600。在該實(shí)施方案中，光學(xué)端口 610沿與槽軸80垂直的路徑位于第二熱源30中，光學(xué)端口 610朝向足以從反應(yīng)容器90中樣品的側(cè)面檢測(cè)的熒光信號(hào)的光學(xué)檢測(cè)單元600。光學(xué)端口 610為反應(yīng)容器90和光學(xué)檢測(cè)單元600之間的激發(fā)光和發(fā)射光提供了路徑(如指向左右的箭頭所示，或反之亦然)。在這種實(shí)施方案中，沿光路的反應(yīng)容器90的一側(cè)部分和第一室100的一部分也作為光學(xué)端口起作用。圖83為示意圖，其顯示光學(xué)檢測(cè)單元600的剖面圖，光學(xué)檢測(cè)單元600定位成從反應(yīng)容器90底端92檢測(cè)熒光信號(hào)。在這種實(shí)施方案中，配置光源620、激發(fā)透鏡630和激發(fā)濾光器640以產(chǎn)生激發(fā)光,它們以相對(duì)于槽軸80呈直角的方向定位,檢測(cè)器650、光圈或狹縫655、發(fā)射透鏡660和發(fā)射濾光器670可操作用以檢測(cè)發(fā)射光，它們沿槽軸80定位。還顯不了傳輸突光發(fā)射和反射激發(fā)光的二色分束器680。圖84為示意圖，其顯示光學(xué)檢測(cè)單元600的剖面圖，光學(xué)檢測(cè)單元600定位成從反應(yīng)容器90底端92檢測(cè)熒光信號(hào)。在這種實(shí)施方案中，定位光源620、激發(fā)透鏡630和激發(fā)濾光器640以產(chǎn)生沿槽軸80的激發(fā)光。沿相對(duì)槽軸80呈直角的方向定位檢測(cè)器650、光圈或狹縫655、發(fā)射透鏡660和發(fā)射濾光器670以檢測(cè)發(fā)射光。還顯示了傳輸激發(fā)光和反射熒光發(fā)射的二色分束器680。
圖85A至B為示意圖，其顯示光學(xué)檢測(cè)單元600的剖面圖，光學(xué)檢測(cè)單元600定位成從反應(yīng)容器90底端92檢測(cè)熒光信號(hào)。在這些實(shí)施方案中，使用單透鏡635使激發(fā)光成形以及檢測(cè)熒光發(fā)射。在圖85A所示的實(shí)施方案中，光源620和激發(fā)濾光器640沿與槽軸80呈直角的方向定位。在圖85B所不的實(shí)施方案中，檢測(cè)突光發(fā)射的光學(xué)兀件(650、655和670)沿與槽軸80呈直角的方向定位。圖86為示意圖，其顯示光學(xué)檢測(cè)單元600的剖面圖，光學(xué)檢測(cè)單元600定位成為反應(yīng)容器90頂端91檢測(cè)熒光信號(hào)。如圖83中所示，沿與槽軸80呈直角的方向定位光源620、激發(fā)透鏡630和激發(fā)濾光器640，沿槽軸80定位檢測(cè)器650、光圈或狹縫655、發(fā)射透鏡660及發(fā)射濾光器670。在這種實(shí)施方案中，還顯示了以可密封方式連接至反應(yīng)容器90的頂端91的反應(yīng)容器蓋690，并且其包含圍繞反應(yīng)容器90的頂端91的中心點(diǎn)布置且用于傳輸激發(fā)光和發(fā)射光的光學(xué)端口 695。在這種實(shí)施方案中,光學(xué)端口 695進(jìn)一步被反應(yīng)容器蓋690的上部和反應(yīng)容器90的上部限定。圖87A至B為示意圖，其顯示具有反應(yīng)容器蓋690和光學(xué)端口 695的反應(yīng)容器90的剖面圖。反應(yīng)容器蓋690以可密封方式連接至反應(yīng)容器90的上部和光學(xué)端口 695。在這些實(shí)施方案中，使得在反應(yīng)容器90被反應(yīng)容器蓋690密封時(shí)，光學(xué)端口 695的底端696接觸樣品。在光學(xué)端口 695的底端696和反應(yīng)容器蓋690—側(cè)提供開(kāi)放空間698，以使得當(dāng)反應(yīng)容器90被反應(yīng)容器蓋690密封時(shí)，樣品可充滿該開(kāi)放空間。樣品彎液面(meniscus)位于高于光學(xué)端口 695的底端696的位置。在圖87A至B中，光學(xué)端口 695圍繞反應(yīng)容器蓋690下部的中心點(diǎn)布置并且進(jìn)一步被反應(yīng)容器蓋690的下部和反應(yīng)容器90的上部限定。圖88為示意圖，其顯示在反應(yīng)容器90之上布置光學(xué)檢測(cè)單元600的反應(yīng)容器90d的剖面圖。反應(yīng)容器90用反應(yīng)容器蓋690密封，反應(yīng)容器蓋690具有圍繞反應(yīng)容器90上部中心點(diǎn)布置的光學(xué)端口 695，其足以接觸樣品。在這種實(shí)施方案中，在不通過(guò)反應(yīng)容器90中所含空氣的情況下，激發(fā)光和熒光發(fā)射通過(guò)光學(xué)端口 695達(dá)到樣品或反之亦然。
詳述以下附圖標(biāo)記可幫助讀者更好的領(lǐng)會(huì)本發(fā)明，包含附圖和
權(quán)利要求
10 :裝置實(shí)施方案
20:第一熱源(底層)21:第一熱源的上表面
22:第一熱源的下表面
23:第一熱源突出部(指向第二熱源)
24:第一熱源突出部(指向操作臺(tái)) 30:第二熱源(中層)
31:第二熱源的上表面
32:第二熱源的下表面
33:第二熱源突出部(指向第一熱源)
34:第二熱源突出部(指向第三熱源)
40:第三熱源(頂層)
41:第三熱源的上表面
42:第三熱源的下表面
43:第三熱源突出部(指向第二熱源)
44:第三熱源突出部(指向單元外)
50:第一絕熱體(或第一絕熱間隙)
51:第一絕熱體室
60:第二絕熱體(或第二絕熱間隙)
61:第二絕熱體室
70:槽
71:槽/通孔的頂端
72:槽的底端
73:接收孔
74:接收孔間隙
80 :槽的(中心)軸
90:反應(yīng)容器
91:反應(yīng)容器的頂端
92:反應(yīng)容器的底端
93:反應(yīng)容器的外壁
94:反應(yīng)容器的內(nèi)壁
95:反應(yīng)容器的(中心)軸
100:第一室
101:第一室的頂端，限定出該室的上部界限
102:第一室的底端，限定出該室的下部界限
103:第一室的第一壁，限定出該室的水平界限
105:第一室的間隙
106:第一室的(中心)軸
110:第二室
111:第二室的頂端
112:第二室的底端113:第二室的第一壁115 :第二室的間隙
120:第三室
121:第三室的 頂端
122:第三室的底端
123:第三室的第一壁125 :第三室的間隙
130:第一熱制動(dòng)器
131:第一熱制動(dòng)器的頂端
132:第一熱制動(dòng)器的底端
133:第一熱制動(dòng)器的第一壁，基本上接觸槽的至少一部分
140:第二熱制動(dòng)器
141:第二熱制動(dòng)器的頂端
142:第二熱制動(dòng)器的底端
143:第二熱制動(dòng)器的第一壁，基本上接觸槽的至少一部分160 :加熱/冷卻元件
160a :第一熱源的加熱(和/或冷卻)元件
160b :第二熱源的加熱(和/或冷卻)元件
160c :第三熱源的加熱(和/或冷卻)元件
170 :溫度傳感器
170a :第一熱源的溫度傳感器
170b :第二熱源的溫度傳感器
170c :第三熱源的溫度傳感器
200:第一固定元件，包含以下元件中的至少一個(gè)
201:螺釘或緊固件(通常由絕熱體制得)
202a :墊圈或定位支座(通常由絕熱體制得)
202b :間隔物或定位支座(通常由絕熱體制得)
202c :間隔物或定位支座(通常由絕熱體制得)
203a :第一熱源的固定元件
203b :第二熱源的固定元件203c :第三熱源的固定元件210 :第二固定元件(通常制成翼結(jié)構(gòu))
——用以將熱源組件組裝到第一殼體元件300上
300 :第一殼體兀件
310 :第三絕熱體(或第三絕熱間隙)
—位于熱源側(cè)面與第一殼體元件側(cè)壁之間；以及——填充有絕熱體(如空氣、氣體或固體絕熱體)
320 :第四絕熱體(或第四絕熱間隙)
—位于第一熱源底部與第一殼體元件底壁之間；以及—填充有絕熱體(如空氣、氣體或固體絕熱體)
330 :底座
400 :第二殼體元件
410 :第五絕熱體(或第五絕熱間隙)
—位于第一殼體元件側(cè)壁與第二殼體元件側(cè)壁之間；以及 ——填充有絕熱體(如空氣、氣體或固體絕熱體)
420 :第六絕熱體(或第六絕熱間隙)
—位于第一殼體元件底壁與第二殼體元件底壁之間；以及 ——填充有絕熱體(如空氣、氣體或固體絕熱體)
500:離心機(jī)單元
501:馬達(dá)
510 :離心旋轉(zhuǎn)軸 520 :旋轉(zhuǎn)臂 530 :傾斜軸
600至603 :光學(xué)檢測(cè)單元
610 :光學(xué)端口
620 :光源
630 :激發(fā)透鏡
635 :透鏡
640 :激發(fā)濾光器
650 :檢測(cè)器
655 :光圈或狹縫
660 :發(fā)射透鏡
670 :發(fā)射濾光器
680 : 二色分束器
690 :反應(yīng)容器蓋
695:光學(xué)端口
696:光學(xué)端口的底端
697:光學(xué)端口的頂端
698:反應(yīng)容器內(nèi)壁與光學(xué)端口側(cè)壁之間的開(kāi)放空間
699:光學(xué)端口的側(cè)壁如所討論的，在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的特征為適于進(jìn)行熱對(duì)流PCR擴(kuò)增的三階段熱對(duì)流裝置。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述裝置包含作為可操作連接的組件的以下元件
(a)用于對(duì)槽進(jìn)行加熱或冷卻并且包含上表面和下表面的第一熱源，所述槽適于容納進(jìn)行PCR的反應(yīng)容器，
(b)用于對(duì)所述槽進(jìn)行加熱或冷卻并且包含上表面和下表面的第二熱源，所述下表面朝向第一熱源的上表面，
(C)用于對(duì)所述槽進(jìn)行加熱或冷卻并且包含上表面和下表面的第三熱源，所述下表面朝向第二熱源的上表面，其中所述槽由與第一熱源接觸的底端和與第三熱源的上表面鄰接的通孔限定，并且其中底端與通孔的中心點(diǎn)之間形成槽軸，圍繞其布置所述槽，
(d)圍繞所述槽布置且在第二或第三熱源的至少一部分內(nèi)的至少一個(gè)溫度成形元件，如至少一個(gè)間隙或空間(例如室)，所述室間隙足以降低第二或第三熱源與槽之間的熱傳遞；以及
(e)適于在第一熱源內(nèi)容納所述槽的接收孔。實(shí)施時(shí)，所述裝置使用位于裝置內(nèi)的多個(gè)熱源(通常為3個(gè)、4個(gè)或5個(gè)熱源，優(yōu)選為3個(gè)熱源)，從而在典型的實(shí)施方案中每個(gè)熱源與其它熱源基本上平行。在這種實(shí)施方案中，裝置將產(chǎn)生適于快速且有效的以對(duì)流為基礎(chǔ)的PCR方法的溫度分布。通常裝置包含布置在第一、第二和第三熱源內(nèi)的多個(gè)槽，從而使得使用者可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)PCR反應(yīng)。例如，裝置可包含至少I(mǎi)個(gè)或2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)、6個(gè)、7個(gè)、8個(gè)、9個(gè)至約10個(gè)、11個(gè)或12個(gè)、20個(gè)、30個(gè)、40個(gè)、50個(gè)或多至數(shù)百個(gè)延伸穿過(guò)第一、第二和第三熱源的槽，對(duì)于許多發(fā)明 應(yīng)用一般優(yōu)選約8個(gè)至約100個(gè)槽。一個(gè)優(yōu)選的槽功能是接收裝有使用者的PCR反應(yīng)的反應(yīng)容器，以及在反應(yīng)容器與a)熱源，b)溫度成形元件和c)接收孔中的至少一個(gè)(優(yōu)選全部)之間提供直接或間接的熱交換。三個(gè)熱源中每個(gè)熱源與其它熱源的相對(duì)位置是本發(fā)明的重要特征。裝置的第一熱源通常位于底部并且保持適于核酸變性的溫度，第三熱源通常位于頂部并且保持適于變性的核酸模板與一種或更多種寡核苷酸引物退火的溫度。在一些實(shí)施方案中，第三熱源保持適于退火和聚合二者的溫度。第二熱源通常位于第一和第三熱源之間并且保持適于引物沿變性的模板聚合的溫度。因而，在一個(gè)實(shí)施方案中，第一熱源中槽的底部和第三熱源中槽的頂部分別具有適于PCR反應(yīng)變性和退火步驟的溫度分布。槽的頂部與底部之間(其中布置第二熱源)是過(guò)渡區(qū)，其中發(fā)生大部分從第一熱源的變性溫度(最高溫度)到第三熱源的退火溫度(最低溫度)的溫度變化。因而，在典型的實(shí)施方案中，過(guò)渡區(qū)的至少一部分具有的溫度分布適于引物沿變性的模板聚合。當(dāng)?shù)谌裏嵩淳S持適于退火和聚合二者的溫度時(shí)，除過(guò)渡區(qū)的上部之外，第三熱源中槽的頂部也提供適于聚合步驟的溫度分布。因此，過(guò)渡區(qū)中的溫度分布對(duì)于完成有效的PCR擴(kuò)增(特別是對(duì)于引物延伸)是重要的。反應(yīng)容器內(nèi)的熱對(duì)流通常依賴于過(guò)渡區(qū)中產(chǎn)生的溫度梯度的大小和方向，因而過(guò)渡區(qū)中的溫度分布對(duì)于在反應(yīng)容器內(nèi)產(chǎn)生有助于PCR擴(kuò)增適當(dāng)?shù)臒釋?duì)流也是重要的。多個(gè)溫度成形元件可與裝置一起使用以在過(guò)渡區(qū)中產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臏囟确植?，用以支持快速且有效的PCR擴(kuò)增。通常，將每個(gè)熱源各自保持在適于引起熱對(duì)流PCR的每個(gè)步驟的溫度。另外，在裝置的特征為具有三個(gè)熱源的一些實(shí)施方案中，三個(gè)熱源的溫度被適當(dāng)?shù)嘏帕幸哉T導(dǎo)經(jīng)過(guò)反應(yīng)容器內(nèi)樣品之熱對(duì)流。本發(fā)明引起適當(dāng)熱對(duì)流的一個(gè)一般條件是，在裝置內(nèi)保持較高溫度的熱源比保持較低溫度的熱源位于更低的位置。因而，在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，在裝置中第一熱源位于比第二或第三熱源更低的位置。在這種實(shí)施方案中，一般優(yōu)選的是在裝置中將第二熱源放置在低于第三熱源的位置。只要實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果，其它設(shè)置也是可行的。如所討論的，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供具有至少一個(gè)溫度成形元件的裝置。在大多數(shù)實(shí)施方案中，裝置的每個(gè)槽將包含少于約10個(gè)這樣的元件，例如每個(gè)槽有I個(gè)、2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)、6個(gè)、7個(gè)、8個(gè)、9個(gè)或10個(gè)溫度成形元件。溫度成形元件的一個(gè)功能是通過(guò)提供支持PCR的結(jié)構(gòu)或位置特征而提供有效的熱對(duì)流介導(dǎo)的PCR。如從以下實(shí)施例和討論中將更加顯而易見(jiàn)的，這些特征包括但不限于至少一個(gè)間隙或空間(如室)；至少一個(gè)位于熱源之間的絕熱體或絕熱間隙；至少一個(gè)熱制動(dòng)器；在第一、第二和第三熱源的至少一個(gè)中的至少一個(gè)突出結(jié)構(gòu)；裝置內(nèi)(尤其是槽、第一熱源、第二熱源、第三熱源、間隙(如室)、熱制動(dòng)器、突出部、第一和第二絕熱體或接收孔的至少一個(gè)中)的至少一個(gè)不對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu)；或者至少一個(gè)結(jié)構(gòu)的或位置的不對(duì)稱。結(jié)構(gòu)不對(duì)稱通常根據(jù)槽和/或槽軸確定。位置不對(duì)稱的一個(gè)實(shí)例為相對(duì)于重力方向傾斜或以另外方式放置裝置。詞語(yǔ)“間隙”和“空間”常常在本文中互換使用。間隙是在裝置內(nèi)小的封閉或半封閉空間，其意在輔助熱對(duì)流PCR。具有確定結(jié)構(gòu)的大間隙或大空間在本文中稱作“室”。在許多實(shí)施方案中，室包含間隙并在本文中稱作“室間隙”。間隙可以是空的，或者被本文所述的絕熱材料充滿或部分充·滿。對(duì)于許多應(yīng)用，用空氣填充的間隙或室通常是有用的?？稍诒景l(fā)明裝置中使用一個(gè)溫度成形元件或其組合(相同或不同)。將詳細(xì)討論示例性的溫度成形元件。
示例性溫度成形元件 A-間隙或室在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，每個(gè)槽包含至少一個(gè)作為溫度成形元件的間隙或室。在一個(gè)典型的實(shí)施方案中，裝置包含I個(gè)、2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)或者甚至6個(gè)圍繞各個(gè)槽布置并且在第二和第三熱源的至少一個(gè)中的室，例如，每個(gè)槽有I個(gè)、2個(gè)或3個(gè)這樣的室。在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)例中，室在槽與第二或第三熱源之間產(chǎn)生了空間，允許使用者在裝置內(nèi)精確地控制溫度分布。也就是說(shuō)，所述室?guī)椭刂七^(guò)渡區(qū)中槽溫度分布的形狀?！斑^(guò)渡區(qū)”意指大致在接觸第三熱源的槽上部與接觸第一熱源的槽下部之間的槽區(qū)域。只要實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果，所述室?guī)缀蹩梢晕挥诓壑車娜魏挝恢谩＠?，在第二熱源、第三熱源或第二和第三熱源兩者之?nèi)或附近定位的室(或多于一個(gè)室)將用于許多發(fā)明應(yīng)用。在裝置的槽具有多個(gè)室的實(shí)施方案中，裝置中的每個(gè)室可以與其他室分開(kāi)，并且在一些情況下可以與一個(gè)或更多個(gè)其它室接觸。一個(gè)間隙或室結(jié)構(gòu)或者不同間隙或室結(jié)構(gòu)的組合適用于本發(fā)明。一般的要求是，所述室應(yīng)該在過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生滿足至少一個(gè)(優(yōu)選全部)以下條件的溫度分布(I)產(chǎn)生的溫度梯度(尤其是穿過(guò)槽的豎直面的)必須足夠大以產(chǎn)生穿過(guò)反應(yīng)容器內(nèi)的樣品的熱對(duì)流；和(2)由溫度梯度這樣產(chǎn)生的熱對(duì)流必須足夠地慢(或適當(dāng)?shù)乜?從而可以為PCR過(guò)程的每個(gè)步驟提供足夠的時(shí)間。尤其地，由于聚合步驟通常比變性和退火步驟花費(fèi)更多時(shí)間，因而特別重要的是要使聚合步驟的時(shí)間足夠長(zhǎng)。間隙或室配置的具體示例在以下公開(kāi)。如果期望，本發(fā)明裝置內(nèi)的槽可具有至少一個(gè)圍繞槽軸基本對(duì)稱或不對(duì)稱布置的室。在許多實(shí)施方案中，優(yōu)選具有I個(gè)、2個(gè)或3個(gè)室的裝置。所述室可被布置在一個(gè)熱源或熱源的組合中，例如在第一熱源、第二熱源、第三熱源或第二和第三熱源兩者中。對(duì)于一些裝置，在第二熱源或第二和第三熱源內(nèi)具有I個(gè)、2個(gè)或3個(gè)室將尤其有用。這些室的實(shí)施方案的實(shí)例提供如下。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述室將進(jìn)一步由本文所稱的“突出部”限定，所述“突出部”來(lái)自第一熱源、第二熱源和第三熱源中的至少一個(gè)。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，突出部以大體平行于槽軸的方向從第二熱源向第一熱源延伸。其它實(shí)施方案是可能的，如包括以大體平行于槽軸的方向從第二熱源向第三熱源延伸的第二突出部的實(shí)施方案。另外的實(shí)施方案包括這樣的裝置，其具有以大體平行于槽軸的方向從第一熱源向第二熱源延伸的突出部。還有一些實(shí)施方案包括這樣的裝置，其具有也以大體平行于槽軸的方向從第三熱源向第二熱源延伸的突出部。在一些實(shí)施方案中，所述裝置可包含至少一個(gè)相對(duì)于槽軸傾斜的突出部。在本發(fā)明的這些實(shí)例中，可以大幅降低第一、第二和/或第三熱源的體積以及熱源之間的熱傳遞，同時(shí)延長(zhǎng)所述室沿槽軸的尺寸。已發(fā)現(xiàn)這些特征提高熱對(duì)流PCR的效率并且降低功率消耗。圖2么、34、44、98、124、144、15么和22A提供了用于本發(fā)明的可用的室的一些實(shí)例。其它適當(dāng)?shù)氖医Y(jié)構(gòu)在以下公開(kāi)。
B.熱制動(dòng)器本發(fā)明裝置內(nèi)的每個(gè)槽可以包含I個(gè)、2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)、6個(gè)或更多個(gè)熱制動(dòng)器(通常為一個(gè)或兩個(gè)熱制動(dòng)器)以控制裝置內(nèi)的溫度分布。在很多實(shí)施方案中，熱制動(dòng)器由 頂端和低端以及任選地與槽熱接觸的壁限定。熱制動(dòng)器通常與間隙或室的壁(如果存在)相鄰或在它們附近布置?？梢酝ㄟ^(guò)包含作為溫度成形元件的熱制動(dòng)器來(lái)控制(通常降低)不期望的從一個(gè)熱源到另一個(gè)的溫度分布譜干擾。如將在以下被詳細(xì)描述，發(fā)現(xiàn)熱對(duì)流PCR擴(kuò)增效率對(duì)熱制動(dòng)器的位置和厚度敏感?？捎玫臒嶂苿?dòng)器可相對(duì)于槽對(duì)稱或不對(duì)稱布置。只要實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果，本文所述的一個(gè)或更多個(gè)熱制動(dòng)器可以位于所裝置各個(gè)槽周圍的任何位置。因而，在一個(gè)實(shí)施方案中，可以將熱制動(dòng)器定位為與室相鄰或靠近室以屏蔽或降低來(lái)自鄰接熱源的不期望的熱流并實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)腜CR擴(kuò)增。圖10B、10D、10F、11B、14B和14C提供了用于本發(fā)明的適當(dāng)熱制動(dòng)器的一些實(shí)例。其它適當(dāng)?shù)臒嶂苿?dòng)器在以下公開(kāi)。
C.位置或結(jié)構(gòu)不對(duì)稱發(fā)現(xiàn)當(dāng)本發(fā)明裝置包含至少一個(gè)位置或結(jié)構(gòu)不對(duì)稱元件(例如，每個(gè)槽有I個(gè)、2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)、6個(gè)或7個(gè)這樣的元件)時(shí)，熱對(duì)流PCR更快且更有效。這些元件可被置于一個(gè)或更多個(gè)槽周圍甚至整個(gè)裝置中。不希望受到理論約束，認(rèn)為裝置內(nèi)存在的不對(duì)稱元件以使擴(kuò)增過(guò)程更快且更有效的方式增加了浮動(dòng)力。發(fā)現(xiàn)通過(guò)在裝置內(nèi)引入至少一個(gè)可造成相對(duì)于槽軸或重力方向的“水平方向上不對(duì)稱的加熱或冷卻”的位置或結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，可以幫助熱對(duì)流PCR。不希望受到理論約束，認(rèn)為其中具有至少一個(gè)不對(duì)稱元件的裝置打破了裝置對(duì)槽進(jìn)行加熱或冷卻的對(duì)稱性并且?guī)椭蛟黾痈?dòng)力的產(chǎn)生，從而使擴(kuò)增過(guò)程更快且更有效?！拔恢貌粚?duì)稱元件”意指使槽軸或裝置相對(duì)于重力方向傾斜的結(jié)構(gòu)元件?！敖Y(jié)構(gòu)不對(duì)稱元件”意指裝置內(nèi)相對(duì)于槽和/或槽軸不對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu)元件。如所討論的，為了產(chǎn)生熱對(duì)流(并且也為了滿足PCR過(guò)程的溫度需要)，有必要在樣品流體內(nèi)產(chǎn)生豎直的溫度梯度。但是，即使存在豎直的溫度梯度，如果溫度分布的等溫線相對(duì)于重力方向(即豎直方向)是平的(即水平的)，則可能不產(chǎn)生引起熱對(duì)流的浮動(dòng)力。在這樣的平溫度分布中，由于各部分流體與同一高度的其它部分流體具有相同的溫度(以及因此造成的相同的密度)，流體不會(huì)經(jīng)受任何浮動(dòng)力。在對(duì)稱的實(shí)施方案中，所有結(jié)構(gòu)元件相對(duì)于槽或槽軸對(duì)稱，并且重力方向基本上與槽或槽軸平行。在這些對(duì)稱的實(shí)施方案中，槽或反應(yīng)容器內(nèi)溫度分布的等溫線相對(duì)于重力場(chǎng)常常是近乎或完全平的，因而常常很難產(chǎn)生足夠快的熱對(duì)流。不希望受到理論約束，認(rèn)為可以在溫度分布中引起波動(dòng)或不穩(wěn)定的一些干擾的存在常常幫助或增加浮動(dòng)力的產(chǎn)生，并且使PCR擴(kuò)增更快且更有效。例如，通常存在于一般環(huán)境中的小振動(dòng)可干擾近乎或完全平的溫度分布，或者裝置中微小的結(jié)構(gòu)缺陷可打破槽/室結(jié)構(gòu)或反應(yīng)容器結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，從而干擾近乎或完全平的溫度分布。在這種經(jīng)干擾的溫度分布中，至少部分流體與同一高度的其它部分流體相比可具有不同的溫度，因而，由于這種溫度波動(dòng)或不穩(wěn)定，很容易產(chǎn)生浮動(dòng)力。在對(duì)稱的實(shí)施方案中，這種天然或偶然的干擾對(duì)產(chǎn)生熱對(duì)流通常很重要。當(dāng)裝置內(nèi)存在位置或結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，可以可控地使槽或反應(yīng)容器內(nèi)的溫度分布在同一高度中不均勻(即，水平方向上不均勻或不對(duì)稱)。在這種水平方向上不對(duì)稱的溫度分布存在的情況下，可容易且通常更強(qiáng)烈地產(chǎn)生浮動(dòng)力，以使熱對(duì)流PCR更快且更有效。有用的位 置或結(jié)構(gòu)不對(duì)稱元件引起槽相對(duì)于槽軸或重力方向有“水平方向上不對(duì)稱的加熱或冷卻”。通過(guò)一個(gè)策略或策略的組合，可以將不對(duì)稱引入本發(fā)明裝置中。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如通過(guò)相對(duì)于重力方向傾斜裝置或槽，可以使發(fā)明裝置具有施加在該裝置上的位置不對(duì)稱。通過(guò)整合進(jìn)能夠相對(duì)于重力方向偏置槽軸的結(jié)構(gòu)，可以使幾乎任何本文公開(kāi)的裝置實(shí)施方案傾斜。可用結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子為楔形物或相關(guān)的傾斜形狀，或者傾斜的槽。本發(fā)明實(shí)施方案的例子參見(jiàn)圖12B和18A至B。在另一些實(shí)施方案中，裝置內(nèi)至少一個(gè)以下元件可相對(duì)于槽軸不對(duì)稱布置a)槽山)間隙(如室)；c)接收孔；d)第一熱源；e)第二熱源；f)第三熱源；g)熱制動(dòng)器；和h)絕熱體。因而，在一個(gè)發(fā)明實(shí)施方案中，裝置的特征為作為結(jié)構(gòu)不對(duì)稱元件的室。在本發(fā)明的實(shí)例中，裝置可包含一種或更多種其它結(jié)構(gòu)不對(duì)稱元件，如室、接收孔、熱制動(dòng)器、絕熱體或一個(gè)或更多個(gè)熱源。在另一個(gè)實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)不對(duì)稱元件是接收孔。在又一個(gè)實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)不對(duì)稱元件是熱制動(dòng)器或多于一個(gè)熱制動(dòng)器。所述裝置可以包含一個(gè)或更多個(gè)其它不對(duì)稱或?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)元件，如第一熱源、第二熱源、第三熱源、室、槽、絕熱體等。在第一熱源、第二熱源和/或第三熱源的特征為結(jié)構(gòu)不對(duì)稱元件的一些實(shí)施方案中，該不對(duì)稱可尤其存在于通常與槽軸平行地延伸的突出部(或多于一個(gè)突出部)。以下提供另一些實(shí)例，具體參見(jiàn)圖21A至B、22A至D、23A至B、24A至B、25、26和27A 至 B。如所討論的，槽和室之一或此二者可相對(duì)于槽軸對(duì)稱或不對(duì)稱地布置在裝置中。實(shí)例還參見(jiàn)圖6A至J、7A至I和8A至P，其中槽和/或室為對(duì)稱或不對(duì)稱結(jié)構(gòu)元件。通常理想的是其中接收孔為結(jié)構(gòu)不對(duì)稱元件的裝置。不期望受任何理論約束，認(rèn)為接收孔與室或第二熱源底端之間的區(qū)域是裝置中產(chǎn)生熱對(duì)流流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力的位置。顯而易見(jiàn)的是，該區(qū)域是發(fā)生最初加熱至最高溫度(即變性溫度)和轉(zhuǎn)變?yōu)樽畹蜏囟?即聚合溫度)的區(qū)域，因此最大的驅(qū)動(dòng)力應(yīng)源于該區(qū)域。例如參見(jiàn)圖13和21A至B，其顯示不對(duì)稱接收孔結(jié)構(gòu)。
P-絕熱體和絕熱間隙通常有用的是將各熱源與其它熱源隔離以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。從以下討論中顯而易見(jiàn)的是，置于各熱源之間的絕熱間隙中的多種絕熱體可用于所述裝置中。因而在一個(gè)實(shí)施方案中，將第一絕熱體置于第一與第二熱源之間的第一絕熱間隙中，將第二絕熱體置于第二與第三熱源之間的第二絕熱間隙中。可使用具有低導(dǎo)熱率的一種氣體或固體絕熱體或其組合。對(duì)于本發(fā)明的許多目的通常有用的絕熱體是空氣(靜止空氣在室溫具有約O. 024W · πΓ1 · Γ1的低導(dǎo)熱率，隨著溫度增加逐漸增加)。盡管可以使用比靜止空氣導(dǎo)熱率高的材料而不顯著降低裝置除功率消耗之外的性能，但是一般優(yōu)選使用導(dǎo)熱率與空氣相似或小于空氣的氣體或固體絕熱體。良好的熱絕熱體的例子包括但不限于木材、軟木、織物、塑料、陶瓷、橡膠、硅、氧化硅、碳等。由這些材料制得的硬質(zhì)泡沫尤其有用，因?yàn)樗鼈冿@示出非常低的導(dǎo)熱率。硬質(zhì)泡沫的例子包括但不限于泡沫聚苯乙烯(Styrofoam)、聚氨酯泡沫、氧化硅氣溶膠、碳?xì)馊苣z、SEAgel、硅酮泡沫或橡膠泡沫、木材、軟木等。除空氣外，聚氨酯泡沫、氧化硅氣溶膠和碳?xì)馊苣z是在升高的溫度下使用的尤其有用的絕熱體。在具有絕熱間隙的本發(fā)明裝置的實(shí)施方案中優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。例如，裝置的使用者能夠1)通過(guò)大幅降低從一個(gè)熱源到下一個(gè)熱源的熱傳遞來(lái)降低功率消耗；2)控制產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的溫度梯度(以及因此控制熱對(duì)流)，這是由于在絕熱間隙區(qū)域中發(fā)生從一個(gè)熱源到下一個(gè)熱源的大幅溫度變化；和3)平衡三個(gè)熱源之間的熱傳遞，從而簡(jiǎn)化同時(shí)保持三個(gè)鄰接布置的熱源的溫度的機(jī)械裝置，從而使功率消耗盡可能小。發(fā)現(xiàn)具有低導(dǎo)熱率絕熱體的較大絕熱間隙一般有利于降低功率消耗。使用突出部結(jié)構(gòu)對(duì)于大幅降低功率消耗尤其有用，這是因?yàn)榭梢蕴峁┹^大的平均間隙，同時(shí)獨(dú)立地控制各絕熱間隙的不同區(qū)域(即，分別 控制接近和遠(yuǎn)離槽的區(qū)域)。還發(fā)現(xiàn)改變絕熱間隙(尤其在接近槽的區(qū)域中)可以控制熱對(duì)流的速度，因而控制PCR擴(kuò)增的速度。已發(fā)現(xiàn)控制接近槽區(qū)域的第一絕熱間隙在調(diào)節(jié)熱對(duì)流速度中尤其有用。另外，已發(fā)現(xiàn)第一和第二絕熱間隙沿槽軸的平均厚度比在平衡三個(gè)熱源之間的熱傳遞中非常有用。兩個(gè)鄰接熱源之間熱傳遞的量與這兩個(gè)熱源之間的間距成反比。因此，由于三個(gè)熱源之間熱傳遞的平衡，通過(guò)調(diào)整第一和第二絕熱間隙的平均厚度t匕，位于第一與第三熱源之間的第二熱源可被加熱至接近期望溫度而沒(méi)有功率消耗。這不僅大幅降低裝置的功率消耗，還極大簡(jiǎn)化了裝置所需要的溫度控制機(jī)械裝置和機(jī)制。在許多例子中，通過(guò)選擇適合于三個(gè)熱源之期望溫度的平均厚度比，制造所述裝置可以僅使用加熱元件而無(wú)需冷卻元件，后者通常消耗更多功率且經(jīng)常更龐大。具有絕熱間隙的其它優(yōu)勢(shì)將從以下的討論和實(shí)施例中顯而易見(jiàn)。從以下的討論和實(shí)施例中顯而易見(jiàn)的是，本發(fā)明的裝置可包含一個(gè)前述溫度成形元件或其組合。因而，在一個(gè)實(shí)施方案中，裝置的特征為至少一個(gè)室(例如I個(gè)、2個(gè)或3個(gè)室)，其圍繞槽對(duì)稱地布置并且通常與將第一、第二和第三熱源彼此分隔的第一和第二絕熱體一起平行于槽軸。在這種實(shí)施方案中，所述裝置還可包含一個(gè)或兩個(gè)熱制動(dòng)器以進(jìn)一步幫助熱對(duì)流PCR。在所述裝置包含兩個(gè)室(例如在第二熱源內(nèi))的一個(gè)實(shí)施方案中，每個(gè)室相對(duì)于槽軸可具有相同或不同的水平位置。在另一個(gè)實(shí)施方案中，第二熱源的特征為突出部向第一和/或第三熱源延伸并且一般平行于槽軸，其中突出部限定出室。在這種實(shí)施方案中，所述裝置還包含從第一熱源向第二熱源延伸的突出部；以及任選地從第三熱源向第二熱源延伸并且一般平行于槽軸的突出部。在這些實(shí)施方案中，第二熱源可不包含室、包含一個(gè)或兩個(gè)相對(duì)于槽軸對(duì)稱布置的室，第三熱源可不包含室、包含一個(gè)或兩個(gè)相對(duì)于槽軸對(duì)稱布置的室，前提是至少一個(gè)所述熱源包含室。如所討論的，通常有用的是在裝置內(nèi)包含不對(duì)稱結(jié)構(gòu)元件。因而，本發(fā)明的一個(gè)目的是在裝置內(nèi)包含相對(duì)于槽軸不對(duì)稱布置的接收孔。在這種實(shí)施方案中，所述裝置可包含一個(gè)或更多個(gè)相對(duì)于槽軸對(duì)稱或不對(duì)稱布置的室?？商鎿Q地或另外地，所述裝置的特征可以是至少一個(gè)熱制動(dòng)器相對(duì)于槽軸不對(duì)稱布置。在這種實(shí)施方案中，所述裝置可包含相對(duì)于槽軸對(duì)稱或不對(duì)稱布置的一個(gè)或更多個(gè)室?？商鎿Q地或另外地，所述裝置的特征可以是至少一個(gè)突出部相對(duì)于槽軸不對(duì)稱布置。在一個(gè)實(shí)施方案中，從第一熱源延伸出的突出部圍繞槽軸不對(duì)稱布置，而從第二熱源延伸出的一個(gè)或兩個(gè)突出部(和室)圍繞槽軸對(duì)稱布置?？商鎿Q地或另外地，第二熱源的一個(gè)或更多個(gè)突出部(和室)可以圍繞槽軸不對(duì)稱布置。在這些實(shí)施方案中，所述裝置還可包含從第三熱源向第二熱源延伸的突出部，其相對(duì)于槽軸對(duì)稱或不對(duì)稱布置。但是，在另一個(gè)實(shí)施方案中，裝置內(nèi)的一個(gè)或更多個(gè)槽甚至所有的槽不需要包含任何室或間隙結(jié)構(gòu)。在這種實(shí)例中，所述裝置優(yōu)選包含一個(gè)或更多個(gè)其他溫度成形元件，如相對(duì)于重力的槽傾斜角(位置不對(duì)稱的一個(gè)實(shí)例)。可替換地或另外地，槽可包含結(jié)構(gòu)不對(duì)稱或經(jīng)受本文提供的離心加速度。例如，參見(jiàn)實(shí)施例6和圖76E(僅有槽，具有10°的重力傾斜角)與圖75E(僅有槽，沒(méi)有重力傾斜角)比較。應(yīng)理解，可以在本發(fā)明的裝置中存在替代的或額外的對(duì)稱元件。例如，所述裝置可包含兩個(gè)或三個(gè)室，其中一個(gè)或更多個(gè)室相對(duì)于槽軸不對(duì)稱布置。在裝置包含單個(gè)室的實(shí)施方案中，該室可相對(duì)于槽軸不對(duì)稱布置。一些實(shí)施方案包括這樣的裝置，其中從第二熱源向第一和第三熱源的每個(gè)延伸的突出部相對(duì)于槽軸不對(duì)稱布置。
如期望，任何前述發(fā)明實(shí)施方案可包含位置不對(duì)稱，其通過(guò)相對(duì)于重力方向傾斜裝置或槽或者將裝置或槽置于楔形物或其它傾斜形狀上來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)理解，只要實(shí)現(xiàn)期望結(jié)果，裝置實(shí)施方案的幾乎任何溫度成形元件(無(wú)論在裝置內(nèi)相對(duì)于槽軸是對(duì)稱還是不對(duì)稱布置)可以與一個(gè)或更多個(gè)其他溫度成形元件(包括裝置的其它結(jié)構(gòu)或位置特征)組合。應(yīng)理解，本發(fā)明是靈活的，并且包括每個(gè)槽包含相同或不同溫度成形元件的裝置。例如，所述裝置的一個(gè)槽可以不具有室或間隙結(jié)構(gòu)，而裝置的另一個(gè)槽包含I個(gè)、2個(gè)或3個(gè)這樣的室或間隙結(jié)構(gòu)。只要實(shí)現(xiàn)期望結(jié)果，本發(fā)明不限于任何槽構(gòu)造(或一組槽構(gòu)造)。但是，通常優(yōu)選的是本發(fā)明裝置的所有槽具有相同數(shù)目和類型的溫度成形元件，以簡(jiǎn)化使用和制造時(shí)的設(shè)計(jì)。涉及以下附圖和實(shí)施例意于提供對(duì)熱對(duì)流PCR裝置的更佳理解。其目的不在于并且不應(yīng)被認(rèn)為是限制本發(fā)明的范圍。見(jiàn)圖I和2A至C，裝置10的特征為作為有效連接組件的以下元件
(a)用于加熱或冷卻槽70并且包含上表面21和下表面22的第一熱源20,其中槽70適于容納進(jìn)行PCR的反應(yīng)容器90 ；
(b)用于加熱或冷卻槽70并且包含上表面31和下表面32的第二熱源30，其中下表面32朝向第一熱源21的上表面；
(c)用于加熱或冷卻槽70并且包含上表面41和下表面42的第三熱源40,其中下表面42朝向第二熱源31的上表面，其中槽70由接觸第一熱源20的底端72和與第三熱源上表面41鄰接的通孔71限定。在這種實(shí)施方案中，底端72與通孔71之間的中心點(diǎn)形成槽軸80，圍繞其布置槽70 ；
(d)圍繞槽70布置并且在第二熱源30或第三熱源40的至少一部分內(nèi)的至少一個(gè)室。在這種實(shí)施方案中，第一室100包含在第二熱源30或第三熱源40與槽70之間的室間隙105，其足以降低第二熱源30或第三熱源40與槽70之間的熱傳遞；和
(e)其適于在第一熱源20內(nèi)容納槽70的接收孔73。
短語(yǔ)“可操作連接”、“可操作結(jié)合”等意指裝置的一個(gè)或更多個(gè)元件可操作性地連接至一個(gè)或更多個(gè)其它元件。更具體地，這種結(jié)合可以是直接的或間接的(例如熱)、物理的和/或功能性的。一些元件被直接連接而另一些元件被間接連接(例如熱)的裝置在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在圖2A所示的實(shí)施方案中，所述裝置還包含位于第一熱源20上表面21與第二熱源30下表面32之間的第一絕熱體50。所述裝置還包含位于第二熱源30上表面31與第三熱源40下表面42之間的第二絕熱體60。應(yīng)理解，只要絕熱體的數(shù)目足夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期結(jié)果，本發(fā)明的實(shí)施不限于僅具有兩個(gè)絕熱體。也就是說(shuō)，本發(fā)明可包含多個(gè)絕熱體(例如，2個(gè)、3個(gè)或4個(gè)絕熱體)。在圖2A所示的實(shí)施方案中，第一絕熱體50沿槽軸80的長(zhǎng)度大于第二絕熱體60沿槽軸80的長(zhǎng)度。在另一些實(shí)施方案中，第一絕熱體50的長(zhǎng)度可小于或基本上等于第二絕熱體60的長(zhǎng)度。但是，一般優(yōu)選的是第一絕熱體50的長(zhǎng)度大于第二絕熱體60 的長(zhǎng)度。這種實(shí)施方案的優(yōu)勢(shì)在于降低功率消耗和便于溫度控制。在另一個(gè)實(shí)施方案中，優(yōu)選沿槽軸80，第二熱源30的長(zhǎng)度大于第一熱源20或第三熱源30的長(zhǎng)度。盡管在另一些實(shí)施方案中，第二熱源30的長(zhǎng)度可以小于或基本上等于第一熱源20或第三熱源40的長(zhǎng)度，但是有利的是第二熱源30具有較大長(zhǎng)度以使聚合步驟有較長(zhǎng)的路徑長(zhǎng)度。在圖2A所示的一個(gè)實(shí)施方案中，第一絕熱體50、第二絕熱體60或絕熱體50、60 二者填充有具有低導(dǎo)熱率的絕熱體。優(yōu)選的熱絕熱體具有的導(dǎo)熱率為約幾十W .m-1 -T1至約O. Olff · πΓ1 · Γ1或者更少。在這種實(shí)施方案中，將第一絕熱體50沿槽軸80的長(zhǎng)度(以及優(yōu)選地第二絕熱體60沿槽軸80的長(zhǎng)度)制得較小，例如，約O. Imm至約5mm,優(yōu)選約O. 2mm至4_。在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)例中，從一個(gè)熱源到鄰接熱源的熱損失可非常大，在運(yùn)行裝置的過(guò)程中引起大的功率消耗。對(duì)于許多應(yīng)用，通常優(yōu)選的是將這三個(gè)熱源(例如，20、30和40)中的至少一個(gè)與其它的隔離，優(yōu)選為將兩個(gè)熱源彼此熱隔離(例如，將20和30彼此隔離，30和40彼此隔離等)，對(duì)于許多發(fā)明應(yīng)用而言，一般優(yōu)選的是所有的三個(gè)熱源(例如20、30和40)均彼此熱隔離。使用一個(gè)或更多個(gè)絕熱體常常是有用的。例如，在第一絕熱間隙50和第二絕熱間隙60中使用絕熱體常常可降低功率消耗。因此，在圖2A至C所示的本發(fā)明的實(shí)施方案中，第一絕熱體50包含固體或氣體或者由其組成?？商鎿Q地或另外地，第二絕熱體60包含固體或氣體或者由其組成。在圖2A至C所示的裝置中，第二熱源內(nèi)室壁103與槽70之間的室間隙105可部分或全部地填充絕熱體(如氣體、固體、或氣體-固體組合)。通常有用的絕熱體包括空氣以及導(dǎo)熱率與空氣類似或比空氣低的氣體或固體絕熱體。由于室間隙105的一個(gè)重要功能是控制(通常為降低)從第二熱源向第二熱源內(nèi)的槽的熱傳遞，所以也可以使用導(dǎo)熱率高于空氣的材料如塑料或陶瓷。但是，當(dāng)使用這些導(dǎo)熱率更高的材料時(shí)，與使用空氣作為絕熱體的實(shí)施方案相比，室間隙105應(yīng)被調(diào)整為更大。類似地，如果使用導(dǎo)熱率比空氣更低的材料，與空氣絕熱體的實(shí)施方案相比，室間隙105應(yīng)當(dāng)被調(diào)整為更小。尤其地，圖2A至C顯示了一個(gè)裝置的實(shí)施方案，其中在第一絕熱體50和第二絕熱體60以及室間隙105中使用空氣或氣體作為絕熱體。這些間隙內(nèi)的槽結(jié)構(gòu)用虛線描繪，以代表當(dāng)空氣(或氣體)用作絕熱體時(shí)這些結(jié)構(gòu)的不可見(jiàn)性。如果期望實(shí)現(xiàn)特定的發(fā)明目的，可以使所述裝置適合于將固體絕熱體用于室間隙105?？商鎿Q地或另外地，所述裝置可在第一絕熱體50和第二絕熱體60中包含固體絕熱體。
圖2B和2C顯示圖I中所標(biāo)記的裝置A_A和B_B剖面的透視圖。顯示了空氣或氣體被用作絕熱體的實(shí)施方案。如圖I和2A至C的實(shí)施方案所示，所述裝置的特征為具有12個(gè)槽(在本文中有時(shí)稱作反應(yīng)容器槽)。但是，根據(jù)預(yù)期用途可以有更多或更少的槽，例如，約I或2至約12個(gè)槽，或者約12至幾百個(gè)槽，優(yōu)選約8至約100個(gè)槽。優(yōu)選地，每個(gè)槽獨(dú)立地適于容納反應(yīng)容器90，反應(yīng)容器90通常由第一熱源20內(nèi)的底端92和第三熱源41頂部上的頂端91限定。第一熱源20、第二熱源30和第三熱源40中的槽70通常穿過(guò)第一絕熱體50和第二絕熱體60。槽70的頂端71和底端72之間的中心點(diǎn)形成槽80的軸(在本文中有時(shí)稱作槽軸)，圍繞其布置熱源和絕熱體。在圖I和2A至C所示的實(shí)施方案中，槽70適合于使反應(yīng)容器90可適合地安裝在其中，g卩，槽70的大小形狀與圖2A所示的反應(yīng)容器下部基本相同。在運(yùn)行時(shí)，槽作為容納反應(yīng)容器的接收物發(fā)揮作用。但是，如以下更詳細(xì)解釋的，可相對(duì)于槽軸80調(diào)整和/或 移動(dòng)槽70的結(jié)構(gòu)，以在反應(yīng)容器90與熱源20、30和40的一個(gè)或更多個(gè)之間提供不同熱接觸可能性。例如，在第三熱源中所形成的通孔71可作為槽70的頂部發(fā)揮功能。在這種實(shí)施方案中，第三熱源40內(nèi)的槽70與第三熱源40物理接觸。也就是說(shuō)，延伸進(jìn)第三熱源40的通孔71的壁與反應(yīng)容器90物理接觸。在這種實(shí)施方案中，所述裝置可提供從第三熱源40至槽70和反應(yīng)容器90的有效熱傳遞。對(duì)于許多發(fā)明應(yīng)用，一般優(yōu)選的是第三熱源中通孔的尺寸與槽或反應(yīng)容器的尺寸基本相同。但是，其他通孔的實(shí)施方案在本發(fā)明的范圍內(nèi)并且在本文中公開(kāi)。例如，在圖2A至C中，可以將第三熱源40中的通孔71制造為比反應(yīng)容器90的尺寸更大。但是，在這種情況下，從第三熱源40到反應(yīng)容器90的熱傳遞可變得效率較低。在這種實(shí)施方案中，降低第三熱源40的溫度對(duì)于最優(yōu)地實(shí)施發(fā)明可有用。對(duì)于大多數(shù)的發(fā)明應(yīng)用，普遍有用的是第三熱源40中通孔71的尺寸與反應(yīng)容器90的尺寸基本相同。在接收孔73具有在第一熱源20中形成的封閉底端72的本發(fā)明實(shí)施方案中，其常常作為槽70的底部發(fā)揮作用。例如參見(jiàn)圖2A。在這樣的一個(gè)實(shí)施方案中，第一熱源20的接收孔73的尺寸與反應(yīng)容器92底部的尺寸基本相同，在大多數(shù)這種實(shí)施方案中，這將對(duì)反應(yīng)容器90提供物理接觸和有效的熱傳遞。如將要討論的，在一些本發(fā)明實(shí)施方案中，第一熱源20中的接收孔73可以具有比反應(yīng)容器底部稍大的部分室結(jié)構(gòu)或尺寸。
室結(jié)構(gòu)和功能在圖2A至C所示的裝置中，第一室100圍繞槽70對(duì)稱布置且在第二熱源30內(nèi)。裝置10內(nèi)存在的這種物理上不接觸(但是熱接觸)的空間提供了許多益處和優(yōu)勢(shì)。例如，不希望受到任何理論的限制，第一室100的存在以所期望的較低效率提供從第二熱源30至槽70或反應(yīng)容器90的熱傳遞。也就是說(shuō)，室100大幅降低了第二熱源30與槽70或反應(yīng)容器90之間的熱傳遞。如從以下的討論中更加顯而易見(jiàn)的，本發(fā)明的該特征支持在裝置10內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定且更快的熱對(duì)流PCR。盡管通常有用的是在第二熱源30內(nèi)包含物理上不接觸的空間，但是在裝置10中一個(gè)或更多個(gè)其他熱源(例如第一熱源20和第三熱源40之一或二者)內(nèi)包含這樣的空間也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，第一熱源20或第三熱源40可包含一個(gè)或更多個(gè)室，意在減少一個(gè)或更多個(gè)熱源與室70或反應(yīng)容器90之間的熱傳遞。圖2A至C中所示的本發(fā)明實(shí)施方案在第二熱源20中包含第一室100作為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，第一室100獨(dú)立地適于容納從第二熱源頂部31向第二熱源底部32和第一熱源頂部21的槽70。第一室100由以下限定第二熱源30頂部上的頂端101、第二熱源30底部上的底端102，以及圍繞槽軸80布置并且與第二熱源30內(nèi)的槽70隔開(kāi)的第一室壁103。室壁103以一定的距離圍繞第二熱源20內(nèi)的槽70，形成室間隙105。在室壁103與槽70之間的室間隙105優(yōu)選為約O. Imm至約6mm，更優(yōu)選為約O. 2mm至約4mm。第一室100的長(zhǎng)度為約Imm至約25mm,優(yōu)選為約2mm至約15mm。本發(fā)明適于使用多種熱源和絕熱體構(gòu)造。例如，第一熱源20沿槽軸80的長(zhǎng)度可以大于約Imm,優(yōu)選為約2mm至約IOmm ;第二熱源30沿槽軸80的長(zhǎng)度可以為約2mm至約25mm,優(yōu)選為約3mm至約15mm ;第三熱源40沿槽軸80的長(zhǎng)度可以大于約Imm,優(yōu)選為約2mm至約 10mm。如所討論的，一般有用的是裝置具有第一絕熱體50和第二絕熱體60。例如，在沒(méi)有突出部的實(shí)施方案中，第一絕熱體50沿槽軸80的長(zhǎng)度可以為約O. 2mm至約5mm，優(yōu)選為約O. 5mm至4mm。第二絕熱體60沿槽軸80的長(zhǎng)度可以為約O. Imm至約3mm,優(yōu)選為約O. 2mm至約2. 5mm。在存在突出部結(jié)構(gòu)的另一些實(shí)施方案中，第一絕熱體50和第二絕熱體60沿槽軸80可具有不同的長(zhǎng)度，其取決于相對(duì)于槽70的位置。例如，在接近槽或其周圍的區(qū)域(即突出部?jī)?nèi))，第一絕熱體50沿槽軸的長(zhǎng)度可以為約O. 2mm至約5mm,優(yōu)選為約O. 5mm至4mm,第二絕熱體60沿槽軸80的長(zhǎng)度可以為約O. Imm至約3mm,優(yōu)選為約O. 2mm至2. 5mm。在遠(yuǎn)離槽的區(qū)域(即，突出部結(jié)構(gòu)外)，第一絕熱體50沿槽軸的長(zhǎng)度可以為約O. 5mm至約IOmm,優(yōu)選為約Imm至8mm,第二絕熱體60沿槽軸80的長(zhǎng)度可以為約O. 2mm至約5mm,優(yōu)選為約O. 5mm至4mm。如所討論的，本發(fā)明裝置在至少一個(gè)熱源(如第二熱源)內(nèi)可包含多個(gè)室(例如，2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)或更多個(gè)室)。在圖3A至B所示的實(shí)施方案中，所述裝置包含完全位于第二熱源30內(nèi)的第一室100。在這種實(shí)施方案中，第一室100包含沿槽軸80面向第一室底端102的室頂端101。所述裝置還包含完全位于第二熱源30內(nèi)并且與第一室100的頂端101接觸的第二室110。第一室100的壁103基本上與槽軸80平行排列。第二室110還由位置與槽軸80基本上平行的壁113限定。第二室110還由與第二熱源30的頂端31接觸的頂端111以及與第一室100的頂端101接觸的底端112限定。如所示，第一室100和第二室110分別包含間隙105和115。在所示的實(shí)施方案中，第二室110的頂端111和底端112各自與槽軸80垂直。如圖3A中所示,第一室100距離槽軸80的寬度或半徑小于第二室110距離槽軸80的寬度或半徑(約小O. 9至O. 3倍)。但是，如圖3B的實(shí)施方案所示，第一室100距離槽軸80的的寬度或半徑大于第二室110距離槽軸80的寬度(大大約I. I至約3倍)。在圖3A至B中，第一室100和第二室110提供了高度有效的溫度控制或成形作用。在這些實(shí)施方案中，第一室100(圖3A)或第二室110(圖3B)比其它室有更小的直徑或?qū)挾?。與其它室相比，第二室110(圖3B)或第一室100 (圖3A)的狹窄部分提供來(lái)自第二熱源30的更有效的熱傳遞。另外，在這些實(shí)施方案中所示的室構(gòu)造優(yōu)選阻礙來(lái)自更靠近狹窄部分的熱源的熱傳遞(例如，圖3A中的第一熱源20)。除非另外指明，具有多個(gè)室的實(shí)施方案通過(guò)自從第一熱源始(通常的位置為最靠近裝置的底部)對(duì)室進(jìn)行編號(hào)來(lái)描述。因此，最接近第一熱源的室被指定為“第一室”，與第一熱源第二接近的室被指定為“第二室”，依此類推。
熱制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和功能圖4A顯示了具有位于熱源之一中的3個(gè)室的本發(fā)明實(shí)施方案。具體地，裝置10具有位于第二熱源30中的第一室100、第二室110和第三室120。在這種實(shí)施方案中，第三室120包含間隙125。第三室120包含位置基本上與槽軸80平行的壁123。第三室120還由與第二熱源頂部31鄰接的頂端121限定。第三室120還由與第二熱源30內(nèi)特定區(qū)域接觸的底端122限定(參見(jiàn)圖4A中的虛線圓)。如所示，第三室120的頂端121和底端122與槽軸80垂直。圖4B是圖4A所示虛線圓的放大圖。具體地，第一室100與第二室110之間的區(qū)域限定出第一熱制動(dòng)器130。如上所述，第一熱制動(dòng)器130意在控制裝置10內(nèi)的溫度分布。在所示的實(shí)施方案中，第一熱制動(dòng)器130由頂端131和底端132以及基本上接觸槽70的壁133限定。在這種實(shí)施方案中，第一熱制動(dòng)器130的功能是降低或屏蔽不期望的從第一熱源20到第二熱源30和第三熱源40的溫度分布譜干擾。第一熱制動(dòng)器130的另一個(gè)功能是在第二熱源30與槽70之間提供有效的熱傳遞，以使該區(qū)域中的槽快速地達(dá)到第二熱源30的溫度。第一熱制動(dòng)器130圍繞槽70對(duì)稱布置。如圖4B中所示，本發(fā)明的該實(shí)施方案包含第二熱制動(dòng)器140，其由第二室110與第三室120之間的區(qū)域限定。尤其地，第二熱制動(dòng)器140還由通過(guò)壁143基本上接觸至少部分槽70的頂端141和底端142限定。第二熱制動(dòng)器140的一個(gè)重要功能是進(jìn)一步幫助控制裝置10內(nèi)的溫度分布。在這種實(shí)施方案中，第二熱制動(dòng)器140尤其用于降低或屏蔽不期望的從第三熱源40到第二熱源30的溫度分布譜干擾，并且還在第二熱源30與槽70之間提供有效的熱傳遞，以便使該區(qū)域的溫度保持為接近第二熱源30的溫度。第二熱制動(dòng)器140圍繞槽70對(duì)稱布置。如期望，第一室100、第二室110和第三室120 (或其部分)中的至少一個(gè)可包含適當(dāng)?shù)墓腆w或氣體絕熱體。可替換地或另外地，所示的第一絕熱體50和/或第二絕熱體60之一或二者可包含適當(dāng)?shù)墓腆w或氣體或者由其組成。適當(dāng)?shù)慕^緣氣體的一個(gè)實(shí)例為空氣。
槽結(jié)構(gòu)
A.豎盲形狀本發(fā)明完全適用數(shù)種槽構(gòu)造。例如，圖5A至D顯示了適當(dāng)槽構(gòu)造的豎直剖面。如所示，槽的豎直形狀可形成線形(圖5C至D)槽或錐形(圖5A至B)槽。在錐形的實(shí)施方案中，槽可從頂部到底部或者從底部到頂部逐漸變細(xì)。盡管對(duì)于槽的豎直形狀而言可以有多種修飾(例如，具有彎曲側(cè)壁的槽，或以兩種或更多種不同的角度逐漸變細(xì))，但是一般優(yōu)選使用從頂部到底部逐漸變細(xì)(線性地)的槽，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)不僅便于制造過(guò)程，而且便于將反應(yīng)容器引入槽。普遍有用的錐度角(Θ)為約0°至約15°，優(yōu)選為約2°至約10°。在圖5A至B所示的實(shí)施方案中，槽70還由開(kāi)口頂部71和封閉底端72 (其末端可與槽80垂直(圖5A)或是彎曲的(圖5B))限定。底端72可以是凸面形或凹面形彎曲，其具有的曲率半徑等于或大于底端水平形狀的半徑或半寬。比其它形狀更優(yōu)選的是平的或接近平的底端(其曲率半徑比底端水平形狀的半徑或半寬大至少兩倍)，這是由于其可以為變性步驟提供加強(qiáng)的熱傳遞。槽70還由沿槽軸80的高度(h)和與槽軸80垂直的寬度、(wl)限定。對(duì)于許多發(fā)明應(yīng)用，有用的是槽70基本上是直的(S卩，不是彎曲的或錐形的)。在圖5C至D所示的實(shí)施方案中，槽70具有開(kāi)口頂部71和封閉底端72，封閉底端72可以與槽軸80垂直的(圖5C)或是彎曲的(圖OT)。與錐形槽實(shí)施方案中的相同，底端72可以具有凸面形或凹面形的彎曲，而通常較優(yōu)選地是具有大曲率的平的或接近平的底端。在這些實(shí)施方案中，槽70還由沿槽軸80的高度(h)和與槽軸80垂直的寬度(wl)限定。在圖5A至D所示的槽實(shí)施方案中，高度(h)至少為約5mm至約25mm,對(duì)于約20微升的樣品體積而言優(yōu)選為8mm至約16mm。每個(gè)槽實(shí)施方案還由沿槽80的平均寬度(wl)(通常為至少約Imm至約5mm)限定。圖5A至D中所示的每個(gè)槽實(shí)施方案還可由豎直長(zhǎng)寬比(高度(h)與寬度(wl)之比)和水平長(zhǎng)寬比(分別沿第一和第二方向的第一寬度(wl)與第二寬度(w2)之比，它們彼此垂直并與槽軸垂直排列)限定。一般適當(dāng)?shù)呢Q直長(zhǎng)寬比為約4至約15，優(yōu)選為約5至約10。水平的長(zhǎng)寬比通常為約I至約4。在槽70為錐形的實(shí)施方案(圖5A至B)中，槽的寬度或直徑隨槽的豎直形狀改變。作為一般性指導(dǎo)的是，對(duì)于大于或小于20微升的樣品體積，高度和寬度(或直徑)可通過(guò)體積比的立方根或者有時(shí)平方 根的因數(shù)確定。如所討論的，如圖5A至D所示，槽的底端72可以是平的、圓的或彎曲的。當(dāng)?shù)锥耸菆A的或彎曲的時(shí)，其通常具有凸面的或凹面的形狀。如所討論的，對(duì)于本發(fā)明的許多實(shí)施方案而言，平的或接近平的底端比其它形狀更優(yōu)選。不希望受到任何理論的限制，認(rèn)為設(shè)計(jì)的這種底部可加強(qiáng)從第一熱源20到槽70底端71的熱傳遞，從而有助于變性過(guò)程。前述的豎直槽形狀均不相互排斥。也就是說(shuō)，第一部分為直的而且第二部分為錐形的(相對(duì)于槽軸80)的槽在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
B.水平形狀本發(fā)明還適用多種水平槽形狀。當(dāng)考慮制造的方便時(shí)，一般優(yōu)選基本上對(duì)稱的槽形狀。圖6A至J顯示了幾種可用的水平槽形狀的實(shí)例，每個(gè)具有指定的對(duì)稱性。例如，槽70相對(duì)于槽軸80可具有圓形(圖6A)、正方形(圖6D)、圓角正方形(圖6G)或六角形(圖6J)的水平形狀。在另一些實(shí)施方案中，槽70可具有寬度大于長(zhǎng)度(反之亦然)的水平形狀。例如，如圖6B、E和H的中間列所示，槽70的水平形狀可以是橢圓形(圖6B)、矩形(圖6E)或圓角矩形(圖6H)。當(dāng)包含在一側(cè)(例如，在左側(cè))向上和在相對(duì)側(cè)(例如，在右側(cè))向下的對(duì)流模式時(shí)，這種類型的水平形狀是有用的。由于包含的寬度面相比于長(zhǎng)度相對(duì)較大，可以減少向上和向下對(duì)流的流之間的干擾，從而使循環(huán)流動(dòng)更平穩(wěn)。所述槽的水平形狀的一側(cè)可以比相對(duì)側(cè)更窄。在圖6C、F和I右列顯示了一些實(shí)例。例如，示出的槽左側(cè)比右側(cè)更窄。當(dāng)包含在一側(cè)向上(例如，在左手側(cè))和在相對(duì)側(cè)向下(例如，在右手側(cè))的對(duì)流模式時(shí)，這種類型的水平形狀也是有用的。另外，當(dāng)這種類型的形狀被包含時(shí)，相對(duì)于向上流動(dòng)，向下流動(dòng)(例如，在右手側(cè))的速度可被控制(通常為降低)。因?yàn)樵跇悠返倪B續(xù)介質(zhì)內(nèi)對(duì)流必須是連續(xù)的，所以當(dāng)橫截面面積變得較大時(shí)流動(dòng)速度應(yīng)降低(反之亦然)。這個(gè)特征對(duì)于增強(qiáng)聚合效率尤其重要。聚合步驟通常發(fā)生在向下的流中(即，退火步驟之后)，因此聚合步驟的時(shí)間可通過(guò)使向下流動(dòng)相對(duì)于向上流動(dòng)更慢而延長(zhǎng)，引起更有效的PCR擴(kuò)
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>曰ο因而，在一個(gè)本發(fā)明實(shí)施方案中，至少一部分槽70(包括全部的槽)具有沿與槽軸80基本上垂直的平面的水平形狀。在一個(gè)本發(fā)明實(shí)施例中，水平形狀具有至少一個(gè)鏡像對(duì)稱元素(σ)或旋轉(zhuǎn)對(duì)稱元素(Cx)，其中X為1、2、3、4直到⑴(無(wú)窮大)。只要滿足預(yù)期的發(fā)明目的，幾乎任何水平的形狀都是可用的。另一些可用的水平形狀包括沿平面的圓形、菱形、正方形、圓角正方形、橢圓形、平行四邊形、矩形、圓角矩形、卵形、半圓形、梯形或圓角梯形。如期望，與槽軸80垂直的平面可在第一熱源20、第二熱源30或第三熱源40內(nèi)。前述的水平槽形狀并不相互排斥。也就是說(shuō)，例如，具有第一部分為圓形并且第二部分為半圓形(相對(duì)于槽80)的槽在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
水平室形狀和位置如所討論的，本發(fā)明的裝置可包含至少一個(gè)室，優(yōu)選為I個(gè)、2個(gè)或3個(gè)室以幫助控制裝置(例如，槽的過(guò)渡區(qū))內(nèi)的溫度分布。只要實(shí)現(xiàn)預(yù)期的發(fā)明結(jié)果，所述槽可具有一個(gè)適當(dāng)?shù)男螤罨蛐螤畹慕M合。
例如，圖7A至I顯示了適當(dāng)?shù)氖业乃叫螤?第一室100僅用于說(shuō)明)。在本發(fā)明的該實(shí)施方案中，室100的水平形狀可制成多種不同的形狀，但是基本上對(duì)稱的形狀常常便于制造過(guò)程。例如，第一室100可具有如左列中所示的圓形、正方形或圓角正方形的水平形狀。參見(jiàn)圖7A、D和G。第一室100可具有寬度大于長(zhǎng)度的水平形狀(反之亦然)，例如，中間列所示的橢圓形、矩形或圓角矩形。第一室100可具有右列所示的一側(cè)比相對(duì)側(cè)更窄的水平形狀。參見(jiàn)圖7C、F和I。如所討論的，室結(jié)構(gòu)用于控制(通常為降低)從熱源(通常為第二熱源)到槽或反應(yīng)容器的熱傳遞。因此，重要的是根據(jù)本發(fā)明的目的實(shí)施方案改變第一室100相對(duì)于槽70的位置。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一室100相對(duì)于槽70的位置對(duì)稱布置，S卩，室軸(由室的頂端和低端的中心點(diǎn)形成的軸，106)與槽軸80重合。在這種實(shí)施方案中，意于使從熱源20、30或40到槽的熱傳遞在穿過(guò)槽水平面(在某個(gè)豎直位置)的全部方向上恒定。因此，在這種實(shí)施方案中優(yōu)選使用與槽的形狀相同的第一室100的水平形狀。參見(jiàn)圖7A至I。但是，室結(jié)構(gòu)的另一些實(shí)施方案在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，裝置內(nèi)的一個(gè)或更多個(gè)室可相對(duì)于槽70的位置不對(duì)稱布置。也就是說(shuō)，特定室的頂端與底端之間所形成的室軸106相對(duì)于槽軸80可以是偏離中心的、傾斜的或者偏離中心且傾斜的。在這種實(shí)施方案中，一個(gè)或更多個(gè)槽70與室壁之間的室間隔在一側(cè)較大并且在該室的相對(duì)側(cè)較小。這些實(shí)施方案中的熱傳遞在槽70的一側(cè)較高并且在相對(duì)側(cè)較低(而在與上述兩側(cè)位置垂直的方向上的兩側(cè)中相同或類似)。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，優(yōu)選使用第一室100為圓形或圓角矩形的水平形狀。一般更優(yōu)選圓形。因而，在裝置的一個(gè)實(shí)施方案中，至少一部分第一室100(包括全部室)沿基本上與槽軸80垂直的平面具有水平形狀。參見(jiàn)圖7A和圖2A至C。通常，水平形狀具有至少一個(gè)鏡像或旋轉(zhuǎn)對(duì)稱元素。供本發(fā)明使用的優(yōu)選的水平形狀包括沿與槽軸80垂直的平面的圓形、菱形、正方形、圓角正方形、橢圓形、平行四邊形、矩形、圓角矩形、卵形、半圓形、梯形或圓角梯形。在一個(gè)實(shí)施方案中，與槽軸80垂直的平面在第二熱源30或第三熱源40內(nèi)。應(yīng)理解，關(guān)于室結(jié)構(gòu)和位置的前述討論適用于除第一室100外的更多室實(shí)施方案。也就是說(shuō)，在具有多個(gè)室的一個(gè)本發(fā)明實(shí)施方案(例如，具有第二室110和/或第三室120的實(shí)施方案)中，這些考慮也可應(yīng)用。
不對(duì)稱和對(duì)稱槽/室構(gòu)造
如所提及的，本發(fā)明適用多種槽和室構(gòu)造。在一個(gè)實(shí)施方案中，適當(dāng)?shù)牟巯鄬?duì)于室不對(duì)稱布置。圖8A至P顯示了該概念的一些實(shí)例。具體地，圖8A至P顯示了參照室100 (第一室100僅用于說(shuō)明目的)內(nèi)槽70的位置，適當(dāng)?shù)牟酆褪医Y(jié)構(gòu)的水平剖面。例如，第一室100和槽70的水平形狀顯示為圓形或圓角矩形。第一列(圖8A、E 、I和M)顯示了對(duì)稱定位的結(jié)構(gòu)的實(shí)例。在這些實(shí)施方案中，室軸與槽軸70重合。因此，第一室壁(103，實(shí)線)和槽70(虛線)之間的間隙對(duì)于左側(cè)和右側(cè)以及上側(cè)和下側(cè)而言是相同的，這在兩個(gè)方向上提供了對(duì)稱的從熱源到槽的熱傳遞。第二列(圖8B、F、J和N)顯示了不對(duì)稱定位的結(jié)構(gòu)的實(shí)例。槽軸80的位置從室軸偏離中心(向左手側(cè))，并且第一室壁103與槽70之間的間隙在左側(cè)更小(而上側(cè)和下側(cè)的間隙相同)，提供了從左側(cè)的更高的熱傳遞。第三列(圖8C、G、K和O)和第四列(圖8D、H、L和P)顯示了提供更多不對(duì)稱熱傳遞的不對(duì)稱定位結(jié)構(gòu)的另一些實(shí)例。第三列(圖8C、G、K和O)顯示了其中室壁在一側(cè)(左側(cè))與槽接觸的實(shí)例。第四列(圖8D、H、L和P)顯示了其中一側(cè)(右側(cè))形成了第一室100而相對(duì)側(cè)(左側(cè))形成槽70的實(shí)例。在這兩種實(shí)例中，來(lái)自左側(cè)的熱傳遞比來(lái)自右側(cè)的熱傳遞高得多。在第三和第四列中所示的物理接觸側(cè)意在作為熱制動(dòng)器發(fā)揮功能，尤其作為僅為一側(cè)提供熱制動(dòng)的不對(duì)稱熱制動(dòng)器。因而，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供這樣的裝置，其中至少有一個(gè)室(例如，第一室100、第二室110或第三室120中的一個(gè)或更多個(gè))沿與槽軸基本上垂直的平面圍繞槽基本對(duì)稱布置。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣的裝置，其中至少一個(gè)室沿與槽軸基本上垂直的平面圍繞槽不對(duì)稱布置。所有或部分特定的室可按照需要圍繞槽軸對(duì)稱或不對(duì)稱布置。在至少一個(gè)室圍繞槽軸不對(duì)稱布置的實(shí)施方案中，室軸和槽軸可以基本上彼此平行但偏離中心、傾斜或者偏離中心且傾斜。在前述的更具體的實(shí)施方案中，至少一部分室(包括整個(gè)室)沿與槽軸垂直的平面圍繞槽不對(duì)稱布置。在另一些實(shí)施方案中，至少一部分槽沿與槽軸垂直的平面位于室內(nèi)。在這種實(shí)施方案的一個(gè)實(shí)例中，至少一部分槽沿與槽軸垂直的平面與室壁接觸。在另一個(gè)實(shí)施方案中，至少一部分槽沿與槽軸垂直的平面位于室外部并且接觸第二或第三熱源。對(duì)于一些本發(fā)明的實(shí)施方案，與槽軸垂直的平面接觸第二或第三熱源。
豎盲室形狀本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣的裝置，其中第二熱源包含至少一個(gè)室(通常為I個(gè)、2個(gè)或3個(gè)相同的室)以幫助控制溫度分布。優(yōu)選地，所述室?guī)椭刂蒲b置內(nèi)從一個(gè)熱源(例如，第一熱源20)至另一個(gè)熱源(例如，第三熱源40)的過(guò)渡區(qū)的溫度梯度。只要所述室產(chǎn)生的溫度分布適于本發(fā)明基于對(duì)流的PCR過(guò)程，對(duì)室的多種改造都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供這樣的裝置，其中至少室的一部分(多至并包括整個(gè)室)沿槽軸是錐形的。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，其中一個(gè)或更多個(gè)室(包括全部室)沿槽軸是錐形的。在一個(gè)實(shí)施方案中，一個(gè)或所有室的至少一部分位于第二熱源內(nèi)，并且垂直于槽軸的寬度(W)朝向第三熱源的比朝向第一熱源的更大。在一些實(shí)施方案中，室的至少一部分位于第二熱源內(nèi)，并且垂直于槽軸的寬度(W)朝向第一熱源的比朝向第三熱源的更大。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述裝置包含位于第二熱源內(nèi)的第一室和第二室，第一室與槽軸垂直的寬度(W)比第二室的寬度(W)更大(或更小)。對(duì)于一些實(shí)施方案，第一室朝向第一熱源或第三熱源。
另外的i兌明性裝置實(shí)施方案在本申請(qǐng)中描述了合適的熱源、絕熱體、槽、間隙、室、接收孔構(gòu)造和PCR條件，并且它們可以根據(jù)需要用于本發(fā)明以下實(shí)施例中。
A-錐形室現(xiàn)參照?qǐng)D9A-B，該裝置實(shí)施方案的特征是與槽同軸的第一室100。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，室軸(即通過(guò)室的頂端中心和底端中心形成的軸)與槽軸80重合。第一室100的室壁103相對(duì)于槽軸80具有一個(gè)角度。也就是說(shuō)，室壁103從第一室100的頂端101至底端102逐漸變細(xì)(圖9A)。在圖9B中，室壁103從第一室100的底端102至頂端101逐漸變細(xì)。該結(jié)構(gòu)在底部提供窄孔并在頂部提供寬孔，或者反之亦然。例如，如果如圖9A所示將底部做得更窄，那么從第二熱源30的底部32向槽70進(jìn)行的熱傳遞變得大于從第二熱 源30的頂部31進(jìn)行的熱傳遞。此外，與第三熱源40相對(duì)低的退火溫度相比，更優(yōu)選屏蔽第一熱源20通常的高變性溫度。如圖9B中，如果將第二熱源31的頂部做得更窄，那么將更優(yōu)選屏蔽第三熱源的作用。在圖9A-B所示的實(shí)施例中，可利用錐形室結(jié)構(gòu)來(lái)控制第二熱源30內(nèi)槽70的溫度分布。根據(jù)所使用的DNA聚合酶的溫度特性，可需要利用該結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)第二熱源30內(nèi)的溫度條件，這是因?yàn)榫酆闲蕦?duì)第二熱源30內(nèi)的溫度條件敏感。對(duì)于大多數(shù)廣泛使用的TaqDNA聚合酶或其衍生物而言，更優(yōu)選從頂部到底部逐漸變細(xì)的第一室壁103，因?yàn)樵诔Ｒ?guī)操作條件中，與變性溫度相比，Taq DNA聚合酶的最適溫度(70°C左右)更接近退火溫度。
B. —個(gè)或兩個(gè)室，一個(gè)熱制動(dòng)器現(xiàn)參照?qǐng)D10A，裝置10的特征是在第二熱源30中圍繞槽軸80基本對(duì)稱布置的第一室100和第二室110。在該實(shí)施方案中，第一室100位于第二熱源30的底部，第二室110位于第二熱源30的頂部。裝置10包含第一熱制動(dòng)器130以幫助提供更有效的溫度分布控制。在該實(shí)施方案中，第一室100與第二室110的寬度大致相同。然而，根據(jù)如以下討論的所用DNA聚合酶的溫度特性,第一室100和第二室110的高度可為約O. 2mm至第二熱源30沿槽軸80的長(zhǎng)度的約80%或90%。圖IOB提供了由頂端131、底端132和接觸槽70的壁133限定出的第一熱制動(dòng)器130的放大圖。在該實(shí)施方案中，第一熱制動(dòng)器130沿槽軸80的位置和厚度將由第一室100和第二室110沿槽軸80的高度限定。熱制動(dòng)器130沿槽軸80的厚度為約O. Imm至第二熱源30沿槽軸80的高度的約80%，優(yōu)選約O. 5mm至第二熱源30的高度的約60%。根據(jù)所使用的DNA聚合酶的溫度特性，第一熱制動(dòng)器130可在第二熱源內(nèi)位于第一室100與第二室110之間的幾乎任意位置。如果與第一熱源20的變性溫度相比，所使用的DNA聚合酶的最適溫度更接近第三熱源40的退火溫度，那么優(yōu)選將第一熱制動(dòng)器130放置為更接近第二熱源30的下表面32，或者反之亦然。圖IOC是其中第一室100的寬度小于第二室110的寬度(例如小約O. 9倍至約O. 3倍，優(yōu)選約O. 8倍至約O. 4倍)的實(shí)施例。根據(jù)所使用的DNA聚合酶的溫度特性，也可米用相反的布置，即第一室100的寬度大于第二室110的寬度。圖IOD中不出第一熱制動(dòng)器130的放大圖。在圖10A-D所示的實(shí)施方案中，該裝置的特征是非錐形的第一室和第二室。在這些實(shí)施方案中，第一室與第二室以沿槽軸80以長(zhǎng)度(I)分隔開(kāi)。在一個(gè)實(shí)施方案中，以足以降低來(lái)自第一熱源或向第三熱源進(jìn)行的熱傳遞的面積和厚度(或體積)，第一室、第二室和第二熱源限定出了在第一室與第二室之間接觸槽的第一熱制動(dòng)器。參照?qǐng)D10E-F，該裝置的特征是圍繞槽軸80對(duì)稱布置的第一室100。第一熱制動(dòng)器130位于第一室100與第一絕熱體50之間的第二熱源30的底部上。圖10E-F中示出的第一熱制動(dòng)器130沿槽軸80的厚度由第一熱制動(dòng)器130的頂端131至底端132的距離限定。優(yōu)選該距離為約O. Imm至第二熱源30沿槽軸80的高度的約80%，更優(yōu)選約O. 5mm至第二熱源30的高度的約60%。在該實(shí)施方案中，該裝置的特征是定位在第二熱源底部上的第一室以及第一室與第一絕熱體限定出第一熱制動(dòng)器。第一熱制動(dòng)器以足以降低來(lái)自第一熱源的熱傳遞的面積和厚度(或體積)在第一室與第一絕熱體之間接觸槽。在該實(shí)施方案中，第一熱制動(dòng)器包含上表面和下表面，其中第一熱制動(dòng)器的下表面與第二熱源的下表面位于大致相同的高度。當(dāng)使用與第一熱源的變性溫度相比，其最適溫度更接近第三熱源的退火溫度的DNA聚合酶(例如，Taq DNA聚合酶)時(shí)，該實(shí)施方案尤其有用。
C- 一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)室，兩個(gè)熱制動(dòng)器如所提到的，在一些本發(fā)明實(shí)施方案中，降低裝置內(nèi)一個(gè)或更多個(gè)熱源(例如來(lái)自第一熱源和第三熱源)的溫度分布譜干擾是有用的。在該實(shí)施方案中，包含兩個(gè)熱制動(dòng)器一般是有用的。現(xiàn)參照?qǐng)D11A，裝置10包含第一室100、第一熱制動(dòng)器130和第二熱制動(dòng)器140。在該實(shí)施例中，第一熱制動(dòng)器130位于第一室100的下部以屏蔽或降低來(lái)自第一熱源20的熱傳遞。第二熱制動(dòng)器140位于第一室100的上部以進(jìn)一步屏蔽或降低來(lái)自第三熱源40的熱傳遞。圖IlB示出裝置內(nèi)第一熱制動(dòng)器130和第二熱制動(dòng)器140的放大圖。每個(gè)熱制動(dòng)器沿槽軸80的厚度可根據(jù)用途而變化。然而，熱制動(dòng)器130和140均優(yōu)選為至少約O. Imm,更優(yōu)選至少約O. 2mm。兩個(gè)熱制動(dòng)器130、140的厚度之和小于第二熱源沿槽軸的高度的約80%，更優(yōu)選小于該高度的約60%。熱制動(dòng)器130和140各自的尺寸可根據(jù)裝置的預(yù)期用途而相同或不同。圖4A示出一個(gè)相關(guān)的實(shí)施方案。在該實(shí)施方案中，裝置10包含第一室100、第一熱制動(dòng)器130、第二室110、第二熱制動(dòng)器140和第三室120。在該實(shí)施例中，第一熱制動(dòng)器130位于第一室100與第二室110之間的下部以屏蔽或降低來(lái)自第一熱源20的熱傳遞。第二熱制動(dòng)器140位于第二室110與第三室120之間的上部以進(jìn)一步屏蔽或降低來(lái)自第三熱源40的熱傳遞。圖4B示出裝置內(nèi)第一熱制動(dòng)器130和第二熱制動(dòng)器140的放大圖。每個(gè)熱制動(dòng)器沿槽軸80的厚度可根據(jù)用途而變化。然而，熱制動(dòng)器130和140均優(yōu)選為至少約O. Imm,更優(yōu)選至少約O. 2mm。兩個(gè)熱制動(dòng)器130、140的厚度之和小于第二熱源沿槽軸的高度的約80%，更優(yōu)選小于該高度的約60%。熱制動(dòng)器130和140各自的尺寸可根據(jù)裝置的預(yù)期用途而相同或不同。在另一些實(shí)施方案中，裝置10可在第二熱源中包含兩個(gè)室和兩個(gè)熱制動(dòng)器。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一熱制動(dòng)器位于第一室與第一絕熱體之間的第二熱源底部，第二熱制動(dòng)器位于第二熱源內(nèi)的第一室與第二室之間。在另一實(shí)施方案中，第一室位于第二熱源的底部，第一熱制動(dòng)器位于第一室與第二室之間。在該實(shí)施方案中，第二熱制動(dòng)器位于第二室與第二絕熱體之間的第二熱源頂部。P- 一個(gè)室、第一熱源和第二熱源、突出部在一些本發(fā)明實(shí)施方案中，通過(guò)改變至少一個(gè)熱源的結(jié)構(gòu)來(lái)改造一個(gè)或更多個(gè)室的結(jié)構(gòu)是有用的。例如，可將第一熱源、第二熱源和第三熱源的至少一個(gè)適配成包含一個(gè)或更多個(gè)突出部，該突出部限定出間隙或室并且一般與槽軸或室軸基本平行地延伸。突出部可圍繞槽軸或室軸對(duì)稱或不對(duì)稱布置。大部分突出部在裝置內(nèi)從一個(gè)熱源向另一熱源延伸。例如，第二熱源突出部從第二熱源向第一熱源或第三熱源的方向延伸。在這些實(shí)施方案中，突出部接觸室并限定出室間隙或室壁。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，第二熱源突出部沿槽軸的寬度或直徑隨著對(duì)第二熱源的遠(yuǎn)離而減小，而與突出部鄰接的第一絕熱體或第二絕熱體沿槽軸的寬度增加。每個(gè)室可具有相同或不同的突出部(包括沒(méi)有突出部的情況)。突出部的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是幫助減小熱源沿槽軸的大小以及延長(zhǎng)室和絕熱體或絕熱間隙沿槽軸的尺寸。發(fā)現(xiàn)這些和另一些益處促進(jìn)裝置中的熱對(duì)流PCR同時(shí)顯著降低裝置的功率消耗。
圖12A中示出具有突出部的本發(fā)明裝置的一個(gè)具體實(shí)施方案。該裝置包含圍繞槽軸80基本對(duì)稱布置的第二熱源30的突出部(33，34)。重要的是，在第二熱源底部32與第一熱源頂部21之間有間隙。在該實(shí)施方案中，第一熱源20還包含圍繞槽70對(duì)稱布置并且從第一熱源20向第二熱源30或從第一熱源的下表面22向外延伸的突出部23、24。在該實(shí)施方案中，第一熱源突出部23、24沿槽軸80的寬度或直徑隨著對(duì)第一熱源20的遠(yuǎn)離而減小。該裝置還包含定位在第一室底端102與第二熱源30的下表面32之間的熱制動(dòng)器130。如圖12A所示，第二熱源30包含圍繞槽70對(duì)稱布置并且從第二熱源30向第三熱源40延伸的突出部34。在該實(shí)施方案中，在第一室頂部101與第三熱源底部41之間有間隙。如圖12A所示，接收孔73圍繞槽軸80對(duì)稱布置。在該實(shí)施方案中，接收孔73垂直于槽軸80的寬度或直徑與槽70的寬度或直徑大致相同?？商孢x地，接收孔73垂直于槽軸80的寬度或直徑可以稍大于槽70的寬度或直徑(例如，大出約O. Olmm至約O. 2mm)。如所討論的，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供包含至少一個(gè)溫度成形元件的進(jìn)行熱對(duì)流PCR的裝置，該溫度成形元件在一個(gè)實(shí)施方案中可在裝置上布置為位置不對(duì)稱。圖12B示出該實(shí)施方案的一個(gè)重要實(shí)施例。如所示出的，該裝置相對(duì)于重力方向以角度9g(傾斜角度)傾斜。該類型的實(shí)施方案尤其可用于控制(通常增加)熱對(duì)流PCR的速度。如將在下文中討論的，增加傾斜角度通常引起更快且更穩(wěn)定的熱對(duì)流PCR。將在下文中更詳細(xì)地描述包含一個(gè)或更多個(gè)位置不對(duì)稱的另一些實(shí)施方案。圖12A-B所示的實(shí)施方案尤其適于許多發(fā)明應(yīng)用，包括“困難”樣本如基因組的或染色體靶序列或長(zhǎng)序列靶模板(例如，長(zhǎng)于約I. 5kbp或2kbp)的擴(kuò)增。具體地，圖12A示出具有對(duì)稱的室和槽構(gòu)造的熱源。熱制動(dòng)器130有效地屏蔽朝向第一室100內(nèi)的第一熱源20的高溫干擾，因?yàn)榈谝粺嶂苿?dòng)器定位在第二熱源底部32上。在使用時(shí)，第一絕熱體區(qū)域50中的溫度迅速地從第一熱源20的高變性溫度(約92°C至約106°C )降至第二熱源30的聚合溫度(約75°C至約65°C )。在通常情況下，在第二絕熱體區(qū)域60中從第二熱源30到第三熱源(約45°C至約65°C )的溫度下降相對(duì)較小。因此，第二熱源30內(nèi)的溫度較窄地分布于第二熱源30的聚合溫度左右(由于之前通過(guò)第一熱制動(dòng)器對(duì)高變性溫度進(jìn)行了屏蔽)以使得第二熱源30內(nèi)的大量體積(和時(shí)間)可用于聚合步驟。圖12A與12B所示實(shí)施方案之間的主要區(qū)別是圖12B的裝置具有傾斜角度Θ g。當(dāng)裝置結(jié)構(gòu)最優(yōu)化時(shí)，不具有傾斜角度的裝置(圖12A)運(yùn)行良好，其需要約15分鐘至25分鐘來(lái)擴(kuò)增Ing質(zhì)粒樣本以及約25分鐘至30分鐘來(lái)擴(kuò)增IOng人基因組樣本(3000個(gè)拷貝)。如果如圖12B中所示的引入約2°至約60° (更優(yōu)選約5°至約30° )的傾斜角度，則可以進(jìn)一步提高該裝置的PCR擴(kuò)增效率。利用引入該結(jié)構(gòu)的重力傾斜角度(圖12B)，IOng人基因組樣本的PCR擴(kuò)增可在約20分鐘至25分鐘內(nèi)完成。參見(jiàn)下述實(shí)施例I和2。
E.不對(duì)稱接收孔如所提到的，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供具有至少一個(gè)水平不對(duì)稱的溫度成形元件的裝置。“水平不對(duì)稱”意指沿垂直于槽和/或槽軸的方向或平面不對(duì)稱。顯而易見(jiàn)地，本文提供的許多裝置實(shí)施例可適配為水平不對(duì)稱。在一個(gè)實(shí)施方案中，接收孔在第一熱源中相對(duì)于槽軸不對(duì)稱布置，其足以產(chǎn)生適于引起穩(wěn)定、定向?qū)α髁鲃?dòng)的水平不對(duì)稱溫度分布。不希望受到理論約束，認(rèn)為接收孔與室底端之間的區(qū)域是可以產(chǎn)生熱對(duì)流流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力的位置。顯而易見(jiàn)地，該區(qū)域是初始加熱至最高溫度(即變性溫度)以及過(guò)渡至較低溫度(即聚合溫度)發(fā)生的位置，因而最大驅(qū)動(dòng)力可產(chǎn)生于該區(qū)域。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供具有至少一個(gè)水平不對(duì)稱的裝置，其中第一熱源中至少一個(gè)接收孔(例如，全部)的寬度或直徑大于第一熱源中槽的寬度或直徑。優(yōu)選地，寬度不等使得接收孔從槽軸偏離中心。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，接收孔不對(duì)稱產(chǎn)生了間隙，其中與相對(duì)側(cè)相比，接收孔一側(cè)的位置更接近槽。認(rèn)為在該實(shí)施方案中，該裝置顯示出從第一熱源向槽的水平方向上不對(duì)稱的加熱。圖13中示出這種本發(fā)明裝置的一個(gè)實(shí)施例。如所示出的，接收孔73相對(duì)于槽軸80不對(duì)稱布置從形成接收孔間隙74。也就是說(shuō)，接收孔73相對(duì)于槽軸80輕微地偏離中心，例如偏離約O. 02mm至約O. 5mm。在該實(shí)施例中，接收孔73垂直于槽軸80的寬度或直徑大于槽70的寬度或直徑。例如，接收孔73的寬度或直徑可以比槽70的寬度或直徑大出約
O.04mm 至約 Imnin在圖13所示的實(shí)施方案中，槽70的一側(cè)(左側(cè))與第一熱源20相接觸并且相對(duì)側(cè)(右側(cè))不與第一熱源20相接觸，從而形成接收孔間隙74。而本發(fā)明適用多種間隙大小，典型的接收孔間隙可以小至約O. 04mm，尤其是在另一側(cè)與槽相接觸的情況下。換句話說(shuō)，一側(cè)形成為槽并且另一側(cè)為小空間。在該實(shí)施方案中，認(rèn)為對(duì)一側(cè)(左側(cè))的加熱優(yōu)先于相對(duì)側(cè)(右側(cè))，提供了引導(dǎo)向上流動(dòng)至優(yōu)先加熱側(cè)(左側(cè))的水平方向上不對(duì)稱的加熱。利用與接收孔的壁之間的間隙在一側(cè)小于相對(duì)側(cè)的接收孔可以得到類似的作用。如圖13所示，第二熱源30的第一突出部33限定出第一絕熱體50的部分51 (稱為第一絕熱室)和第二熱源30。如所示出的,第一突出部33還將第一絕熱體50與第一室100以及槽70分隔開(kāi)。第二熱源30的第二突出部34還限定出部分第一室100或槽70。在該實(shí)施方案中，第二突出部34還限定出第二絕熱體60的部分61 (稱為第二絕熱室)和第二熱源30。此外，第二熱源30的第二突出部34將第二絕熱體60與第一室100以及槽70分隔開(kāi)。
F-多個(gè)室，第二熱源和第三熱源如所討論的，本發(fā)明提供了進(jìn)行熱對(duì)流PCR的裝置，其包含至少一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)室多至約四個(gè)或五個(gè)這種室。在一個(gè)實(shí)施方案中，一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)這種室可對(duì)稱地定位在部分地或全部的第二熱源、第三熱源或第二熱源與第三熱源二者內(nèi)。圖14A-C中提供了一些實(shí)施例。具體地，圖14A示出其中第一室100對(duì)稱地布置在第二熱源30內(nèi)并且第二室110對(duì)稱地布置在第三熱源40內(nèi)(相對(duì)于槽軸80)的裝置。第一室100的底端102接觸第二熱源30的底部32。在圖14C中，還示出該裝置中對(duì)稱地布置在第二熱源30內(nèi)的第一室100以及對(duì)稱地布置在第三熱源40內(nèi)第二室110 (相對(duì)于槽軸80)。然而，第一室100不接觸第二熱源30的底部32。相反，它相對(duì)于槽軸80的長(zhǎng)度較短，即第一熱源100的底端102接觸第二熱源30的內(nèi)部。在圖14A和圖14C的兩種實(shí)施方案中，接收孔73圍繞槽軸80對(duì)稱布置。然而與圖14A所示的實(shí)施方案不同，圖14C的裝置包含定位在第一室100的底部102與第二熱源底部32之間的第一熱制 動(dòng)器130。第一熱制動(dòng)器130的該位置用于許多本發(fā)明實(shí)施方案中，以降低或屏蔽來(lái)自第一熱源20的不期望的熱流動(dòng)。圖14B示出其中第一室100與第二室110對(duì)稱地布置在第二熱源30內(nèi)(相對(duì)于槽軸80)的一個(gè)本發(fā)明實(shí)施方案。該裝置還包含對(duì)稱地布置在第三熱源40內(nèi)的第三室120 (也相對(duì)于槽軸80)。在該實(shí)施方案中，接收孔73圍繞槽軸80對(duì)稱布置。在該實(shí)施方案中，根據(jù)第一熱制動(dòng)器130沿槽軸80的厚度和位置，將其定位在第一室100與第二室110之間以幫助降低或屏蔽來(lái)自第一熱源20和/或向第三熱源40的不期望的熱流動(dòng)。
G- 一個(gè)室，第二熱源或第三熱源本發(fā)明還提供了其中至少一個(gè)室(例如一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)室)定位在第三熱源內(nèi)的裝置。如需要，與圖2A所示的實(shí)施方案相比，至少一個(gè)熱源沿槽軸的長(zhǎng)度可減小。可替選地和另外地，至少一個(gè)熱源沿槽軸的長(zhǎng)度可增加。在圖15A中，第一室100完全位于第三熱源40內(nèi)并且其相對(duì)于槽軸80對(duì)稱布置。在圖15B所示的實(shí)施方案中，第一熱源20包含圍繞槽70對(duì)稱布置的突出部23，從而在鄰近突出部23的區(qū)域中在第一熱源20與第二熱源30之間形成較大的絕熱間隙。如需要，第三熱源40還可包含圍繞槽70對(duì)稱布置并且向第二熱源30的頂部31延伸的突出部43。在這種實(shí)施方案中，較大的絕熱間隙可以鄰近突出部43的區(qū)域中在第二熱源30與第三熱源40之間形成。在這些實(shí)施方案中，第二熱源30沿槽軸80的長(zhǎng)度大于約Imm,優(yōu)選約2mm至約6mm,并且第三熱源40沿槽軸80的長(zhǎng)度為約2mm至20mm,優(yōu)選約3mm至約10mm。在圖15A中，優(yōu)選接收孔73圍繞槽對(duì)稱布置。已描述了第一絕熱體和第二絕熱體的優(yōu)選長(zhǎng)度。在圖16A-C所示的實(shí)施方案中，第二熱源30包含從第二熱源20向第一熱源20延伸的突出部33。第二熱源20還包含向第三熱源40延伸的突出部34。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，突出部(33，34)各自圍繞第一室100以及槽軸80對(duì)稱布置。在該實(shí)施方案中，突出部33幫助限定出第一室100或槽70、第一絕熱體50以及第二熱源30，并且將第一絕熱體50與第一室100或槽70分隔開(kāi)。突出部34幫助限定出第一室100或槽80、第二絕熱體60和第二熱源30，并且將第二絕熱體60與第一室100或槽70分隔開(kāi)。在所示出的實(shí)施方案中，第一室100的頂部101與底部102基本垂直于槽軸80。第一室100的長(zhǎng)度為約Imm至約25mm,優(yōu)選約2mm至約15mm。此外，接收孔73圍繞槽70和槽軸80對(duì)稱布置。參照?qǐng)D17A-C所示的實(shí)施方案，第一熱源20包含從第一熱源20延伸出并且向第二熱源30延伸的突出部23。突出部23和接收孔73均圍繞槽軸80對(duì)稱布置。在該實(shí)施方案中，裝置10的特征是從第二熱源30向第一熱源20或第三熱源40延伸并且圍繞第一室100和槽軸80對(duì)稱布置的突出部33、34。裝置10的特征還有圍繞第一室100和槽軸80對(duì)稱布置的第三熱源突出部43。突出部43從第三熱源40向第二熱源30延伸。在該實(shí)施方案中，突出部23幫助限定出槽70、第一絕熱體50和第一熱源20，并且將第一絕熱體50與槽70分隔開(kāi)。突出部43幫助限定出槽80、第二絕熱體60和第三熱源40，并且將第二絕熱體60與槽70分隔開(kāi)。第一室的頂端101和第一室的底端102基本垂直于槽軸80。一個(gè)間隙將突出部23與第一室的底端102分隔開(kāi)。另一間隙將第一室的頂端101與突出部43分隔開(kāi)。此外，接收孔73圍繞槽70和槽軸80對(duì)稱布置。
H.第二熱源中的一個(gè)室，傾斜的如所提到的，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供其中多種溫度成形元件(如一個(gè)或更多個(gè)槽、接收孔、突出部(如果存在)、間隙如室、絕熱體或絕熱間隙以及熱制動(dòng)器)均圍繞槽軸對(duì)稱布置的裝置。在使用時(shí)，常常將該裝置放置于平的、水平表面上以使槽軸與重力方向基本對(duì)齊。處于這樣的方向時(shí)，認(rèn)為浮動(dòng)力由槽內(nèi)的溫度梯度產(chǎn)生并且該浮動(dòng)力還平行于 槽軸。還認(rèn)為浮動(dòng)力方向與重力方向相反并且大小與溫度梯度成比例(沿垂直方向)。因?yàn)樵谠搶?shí)施方案中槽和一個(gè)或更多個(gè)室圍繞槽軸對(duì)稱布置，所以認(rèn)為槽內(nèi)產(chǎn)生的溫度分布(即溫度梯度的分布)也應(yīng)相對(duì)于槽軸對(duì)稱。因此，浮動(dòng)力的分布也應(yīng)相對(duì)于槽軸對(duì)稱并且其方向平行于槽軸。通過(guò)移動(dòng)槽軸離開(kāi)重力的方向可以將水平方向上的不對(duì)稱引入裝置。在這些實(shí)施方案中，可以進(jìn)一步提高裝置中基于對(duì)流的PCR的效率和速度。因而本發(fā)明的一個(gè)目的是提供特征是一個(gè)或更多個(gè)水平方向上的不對(duì)稱的裝置。圖18A-B提供了具有水平方向上位置不對(duì)稱的本發(fā)明裝置的一些實(shí)施例。在圖18A中，槽軸80相對(duì)于重力方向偏移以使裝置在水平方向上位置不對(duì)稱。具體地，槽和室相對(duì)于槽軸對(duì)稱地形成。然而，整個(gè)裝置相對(duì)于重力方向旋轉(zhuǎn)(或傾斜)了角度9g。在該傾斜結(jié)構(gòu)中，槽軸80不再平行于重力方向，因而溫度梯度在槽底產(chǎn)生的浮動(dòng)力變得相對(duì)于槽軸80傾斜，因?yàn)檎J(rèn)為浮動(dòng)力方向與重力方向相反。不希望受到理論約束，即使槽/室結(jié)構(gòu)相對(duì)于槽軸80對(duì)稱，浮動(dòng)力的方向也相對(duì)于槽軸80呈角度0g。在該結(jié)構(gòu)設(shè)置中，向上的對(duì)流流動(dòng)將采用槽或反應(yīng)容器一側(cè)的路徑(在圖18A的情況下為左側(cè))，向下流動(dòng)將采用相對(duì)側(cè)的路徑(即在圖18A的情況下為右側(cè))。因此，認(rèn)為對(duì)流流動(dòng)的路徑或模式基本鎖定為由這種結(jié)構(gòu)設(shè)置確定的路徑或模式，因此對(duì)流流動(dòng)變得更穩(wěn)定并且對(duì)來(lái)自環(huán)境的或小結(jié)構(gòu)缺陷的小干擾不敏感，使得對(duì)流流動(dòng)更穩(wěn)定而且PCR擴(kuò)增提高。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)重力傾斜角度的引入幫助提高熱對(duì)流速度，從而支持更快且更穩(wěn)定的對(duì)流PCR擴(kuò)增。傾斜角度9g可為約2°至60°，優(yōu)選約5°至約30°。該傾斜結(jié)構(gòu)可以與本發(fā)明中提供的全部對(duì)稱的或不對(duì)稱槽/室結(jié)構(gòu)組合使用。圖18A中示出的傾斜角度0g可由一個(gè)元件或不同元件的組合引入。在一個(gè)實(shí)施方案中，手動(dòng)引入該傾斜。然而，常常通過(guò)將裝置10放置于斜面上(例如通過(guò)將裝置10放置于楔形物或類似形狀的基底上)來(lái)更方便地引入該傾斜角度θ8。然而，對(duì)于一些本發(fā)明實(shí)施方案，將裝置10傾斜是無(wú)用的。圖18Β示出引入水平方向上的不對(duì)稱的另一種方法。如所示出的，一個(gè)或更多個(gè)槽和室相對(duì)于重力方向傾斜。也就是說(shuō)，槽軸80(和室軸)相對(duì)于垂直熱源水平表面的軸偏移(偏Θ g)。在該發(fā)明實(shí)施方案中，當(dāng)將該裝置放置于平的、水平表面上以使其底部相對(duì)并且平行于該表面時(shí)(如通常的情況)，槽軸80相對(duì)于重力方向呈角度Θ g。根據(jù)該實(shí)施方案，并且不希望受到理論約束，在如上述實(shí)施方案的情況下，由溫度梯度在槽底產(chǎn)生的浮動(dòng)力(認(rèn)為其方向與重力方向相反)相對(duì)于槽軸呈角度Θ g。這種結(jié)構(gòu)設(shè)置使得對(duì)流在一側(cè)向上流動(dòng)(即在圖18B的情況下為左側(cè))并且在相對(duì)側(cè)向下流動(dòng)(即在圖18B的情況下為右側(cè))。傾斜角度Θ g可優(yōu)選為約2°至約60°，更優(yōu)選約5°至約30°。該傾斜結(jié)構(gòu)也可以與本發(fā)明中提供的全部槽和室結(jié)構(gòu)特征組合使用。幾乎所有的本發(fā)明中公開(kāi)的裝置實(shí)施方案均可通過(guò)將其放置于能夠相對(duì)于重力方向?qū)⒉圯S80偏移約2°至約60° 的結(jié)構(gòu)上來(lái)進(jìn)行傾斜。如所提到的，可用的結(jié)構(gòu)的實(shí)例是能夠產(chǎn)生傾斜的表面(如楔形物或相關(guān)形狀)。
I.一個(gè)室，不對(duì)稱接收孔如所討論的，在第一熱源中引入一個(gè)或更多個(gè)不對(duì)稱以輔助熱對(duì)流PCR在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一熱源的接收孔包含一個(gè)或更多個(gè)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱以達(dá)到該目的?，F(xiàn)參照?qǐng)D19的本發(fā)明裝置，接收孔73圍繞槽軸80不對(duì)稱布置從而形成接收孔間隙74。優(yōu)選地，該不對(duì)稱足以在水平方向上引起從第一熱源20向槽70的不均勻熱傳遞。因此，接收孔73相對(duì)于槽軸80偏離中心(約O. 02mm至約O. 5mm)。進(jìn)一步優(yōu)選的接收孔73垂直于槽軸80的寬度或直徑優(yōu)選大于槽70的寬度或直徑，例如，比槽70的寬度(wl或w2)或直徑大出約O. 04mm至約1_。如所示出的，在槽70周圍的區(qū)域中，該裝置的第二熱源30沿槽軸80的高度恒定。如圖19所示，當(dāng)接收孔的一側(cè)與槽相接觸時(shí)，可得到甚至更大的不對(duì)稱。在該實(shí)施方案中，即使具有不同間隙結(jié)構(gòu)的接收孔構(gòu)造(例如在接收孔73的兩個(gè)相對(duì)側(cè)上)也在本發(fā)明的范圍內(nèi)，但是由接收孔73引入裝置的不對(duì)稱也幫助驅(qū)動(dòng)熱對(duì)流。在圖19所示的具體實(shí)施方案中，由于與第一熱源20有更好的熱接觸，對(duì)槽70—側(cè)(例如，在圖19的情況下為左側(cè))的加熱優(yōu)先于另一側(cè)，因而在該側(cè)產(chǎn)生更大驅(qū)動(dòng)力，從而促進(jìn)向上的對(duì)流流動(dòng)通過(guò)該路徑。在該實(shí)施方案中，接收孔73的寬度或直徑可做成比槽70的寬度或直徑大出至少約O. 04mm多至約1mm，并且接收孔中心的位置可偏離中心至少約O. 02mm多至約O. 5mm。為了提高不對(duì)稱，可使接收孔的一側(cè)相對(duì)于第一熱源比另一側(cè)深(并且更接近室和第二熱源)?，F(xiàn)參照?qǐng)D20A-B所示的裝置，接收孔73在孔的一側(cè)(左側(cè))與同槽70相對(duì)的一側(cè)(右側(cè))相比的深度更大。在該實(shí)施方案中，接收孔73的兩側(cè)保持與槽70相接觸。如圖20A中所示，移動(dòng)接收孔73側(cè)壁的頂部以形成由槽70與第一熱源20大致限定的接收孔間隙74。接收孔間隙74的底部可垂直于槽軸80 (圖20A)或者其可布置為與槽軸80呈角度(圖20B)。接收孔間隙74的側(cè)壁可平行于槽軸80 (圖20A)或其可與槽軸80呈角度(圖20B)。在圖20A-B所示的兩個(gè)實(shí)施方案中，相對(duì)于第一熱源20，槽70 —側(cè)的深度大于具有接收孔間隙74的另一側(cè)的深度。不希望受到理論約束，認(rèn)為圖20A-B所示的實(shí)施方案中具有較大深度的槽一側(cè)由于來(lái)自第一熱源的熱傳遞更多而優(yōu)先被加熱，在該側(cè)產(chǎn)生較大浮動(dòng)力。還認(rèn)為通過(guò)將這種不對(duì)稱接收孔73和接收孔間隙74加入裝置，槽70 —側(cè)的溫度梯度比相對(duì)側(cè)增加(溫度梯度通常與距離成反比)。還認(rèn)為這些特征在一側(cè)(例如圖20A和B中的左側(cè))產(chǎn)生較大驅(qū)動(dòng)力并且支持向上的熱對(duì)流沿該側(cè)流動(dòng)。應(yīng)理解接收孔73和接收孔間隙74的一種配置或不同配置的組合可達(dá)到該目的。然而，對(duì)于許多本發(fā)明實(shí)施方案，使接收孔兩個(gè)相對(duì)側(cè)的深度差異約O. Imm多至接收孔深度的約40%至50%—般是有用的。
■I· 一個(gè)室，不對(duì)稱或?qū)ΨQ的接收孔，突出部圖21A-B示出合適的裝置實(shí)施方案的另一些實(shí)施例，其中接收孔73圍繞槽不對(duì)稱布置。與其它部分相比，接收孔部分在第一熱源中更深并且更接近室或第二熱源，從而提供向第二熱源的不均勻的熱流動(dòng)。在圖21A所示的裝置中，接收孔73具有與第一熱源20的頂部21重合的兩個(gè)表面。每個(gè)表面均面向第二熱源30，并且相對(duì)于第二熱源30的下表面32，所述表面的一個(gè)(圖21A中右側(cè)的表面)在槽70 —側(cè)的間隙大于與槽70相對(duì)的表面(左側(cè)的表面)的間隙。也就是說(shuō)，與另一個(gè)表面相比，一個(gè)表面更接近第一室100的底部102或第二熱源30的下表面32。在該實(shí)施方案中，接收孔73的兩側(cè)保持與槽70相接觸。兩個(gè)表面之間的接收孔深度差異優(yōu)選為約O. Imm多至接收孔深度的約40%至50%。第二熱源30的特征是圍繞槽 軸80對(duì)稱布置的突出部33、34。在該實(shí)施方案中，第三熱源40包含圍繞槽軸80對(duì)稱布置的突出部43、44。在圖21B中，接收孔73具有與第一熱源20的頂部21重合的單個(gè)傾斜表面。相對(duì)于垂直于槽軸80的軸，傾斜角度為約2°至約45°。在該實(shí)施方案中，傾斜表面的頂點(diǎn)相對(duì)接近第一室100的底部102。第二熱源30的特征是圍繞槽軸80對(duì)稱布置的突出部33、34。在該實(shí)施方案中，第三熱源包含各自圍繞槽軸80對(duì)稱布置的突出部43、44。在圖22A-B所示的實(shí)施方案中，第一室100圍繞槽軸80不對(duì)稱布置，足以引起從第二熱源20到槽70的水平方向上不均勻的熱傳遞。如圖21A-B所示，接收孔73還可圍繞槽70不對(duì)稱布置。在圖22A所示的實(shí)施方案中，第一室100位于第二熱源30內(nèi)，并且在室的一側(cè)的高度大于相對(duì)于槽軸80的另一側(cè)的高度。也就是說(shuō)，沿槽軸80，第一室頂端101的一個(gè)表面與第一室底端102的一個(gè)表面之間的長(zhǎng)度(圖22A的左側(cè))大于第一室頂端101的另一表面與第一室底端102的另一表面之間的長(zhǎng)度(圖22k的右側(cè))。兩個(gè)相對(duì)側(cè)之間的室高度差異優(yōu)選為在約O. Imm多至約5_。在第一室100的底部101 (或第二熱源的下表面)與接收孔73的頂端之間有間隙，該間隙在槽70的左側(cè)小于另一側(cè)。在圖22B中，第一室100的底端102相對(duì)于垂直于槽軸80的軸傾斜約2。至約45°。在該實(shí)施例中，傾斜的頂點(diǎn)更接近接收孔73。與第一熱源20上表面21重合的接收孔73頂部相對(duì)于槽軸80傾斜。在該實(shí)施方案中，接收孔傾斜頂點(diǎn)更接近第一室的底端102。也就是說(shuō)，在第一室100的底部(或第二熱源的下表面)與接收孔73的頂端之間有間隙，該間隙在槽70的左側(cè)小于另一側(cè)。圖22A-B所示的構(gòu)造使得優(yōu)先加熱接收孔73中槽70的一側(cè)(即左側(cè))，因此初始向上的對(duì)流流動(dòng)可優(yōu)先在該側(cè)開(kāi)始。然而，由于在該側(cè)有較長(zhǎng)的室長(zhǎng)度，第二熱源30優(yōu)先使得在該側(cè)進(jìn)行冷卻。因此，根據(jù)第一室的不對(duì)稱程度，向上流動(dòng)可將其路徑改變至另一側(cè)。在圖22C-D中，第一室100的頂端101與底端102之間相對(duì)于槽軸80的長(zhǎng)度在一側(cè)(右側(cè))大于另一側(cè)。在這里，優(yōu)先在圖22C-D所示的室的右側(cè)進(jìn)行從第二熱源進(jìn)行的冷卻。通過(guò)接收孔73在槽70的一側(cè)(即圖22C-D的左側(cè))比另一側(cè)更大的深度提供另外的不對(duì)稱。在接收孔73中，將優(yōu)先在槽70的左側(cè)進(jìn)行加熱。在該實(shí)施方案中，室100的底部102與接收孔73的頂部之間的間隙在槽70周圍基本恒定。圖22C-D中示出的構(gòu)造支持優(yōu)先加熱接收孔73中槽70的一側(cè)(即左側(cè))，并且優(yōu)先冷卻第一室100中的相對(duì)側(cè)，因此向上的對(duì)流流動(dòng)將優(yōu)先停留于左側(cè)。在圖22A-D所示的實(shí)施方案中，由室構(gòu)造引入的不對(duì)稱足以引起從第二熱源向槽的水平方向上不均勻的熱傳遞。在這些實(shí)施方案中，突出部23、33相對(duì)于槽軸80不對(duì)稱布置并且突出部43圍繞槽軸80對(duì)稱布置。在這些實(shí)施方案中，該裝置包含第一絕熱體50和第二絕熱體60，其中第一絕熱體50沿槽軸80的長(zhǎng)度大于第二絕熱體60沿槽軸80的長(zhǎng)度。具有至少一個(gè)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的另一些裝置實(shí)施方案在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，如圖23A-B所不,第一室的底端102布置相對(duì)于槽軸80不對(duì)稱布置。第一 室100的頂端101與底端102之間相對(duì)于槽軸80的長(zhǎng)度在一側(cè)(圖23A-B的左側(cè))大于另一側(cè)。第一室的底部102與接收孔73的頂部之間的間隙在槽70的一側(cè)(圖23A-B的左偵D小于另一側(cè)。在這些實(shí)施方案中，突出部23圍繞槽軸80對(duì)稱布置。在這些實(shí)施方案中，由于接收孔73右側(cè)有較大的間隙(相對(duì)于槽軸80)，所以優(yōu)先在該側(cè)進(jìn)行加熱(由于較大間隙，在該側(cè)通過(guò)第二熱源的冷卻不那么顯著)，因此在槽70的右側(cè)產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)力，以及在該側(cè)上有更顯著的向上流動(dòng)。此外，第二熱源30的特征是圍繞槽軸80不對(duì)稱布置的突出部33。在該實(shí)施方案中，第二熱源的特征是圍繞槽軸80不對(duì)稱布置的突出部34。第三熱源包含圍繞槽軸80對(duì)稱布置的突出部43、44。在圖23A-B所示的實(shí)施方案中，該裝置包含第一絕熱體50和第二絕熱體60，其中第一絕熱體50沿槽軸80的長(zhǎng)度大于第二絕熱體60沿槽軸80的長(zhǎng)度。具有至少一種結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的另一些裝置實(shí)施方案在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在圖24A-B所示的裝置實(shí)施方案中，第二熱源30的特征是各自圍繞槽軸80不對(duì)稱布置的突出部(33、34)。在圖24A所不的實(shí)施方案中，第一室100的底端102相對(duì)于垂直于槽軸80的軸傾斜約2°至約45°，以使得底端102的一部分比相對(duì)于槽軸80的另一部分更接近第一熱源20。在該實(shí)施方案中，底端102與第一熱源20之間的間隙在槽軸80的一側(cè)小于另一側(cè)。在該實(shí)施方案中，第一熱源20和第三熱源40都不包含向第二熱源30延伸的突出部。此外，第一室的頂端101相對(duì)于垂直于槽軸80的軸傾斜約2°至約30°。在圖24B中，第一室底端102的表面的位置比底端102的另一表面更接近第一熱源突出部23。在該實(shí)施方案中，第一室100的底端102與接收孔73頂部之間的間隙在一側(cè)(在左側(cè))更小。在圖24B中，第三熱源40的特征是圍繞槽70對(duì)稱布置的突出部43。第一室100的特征是具有兩個(gè)表面的頂端101，其中一個(gè)表面的位置比另一表面更接近第三熱源突出部43 (左側(cè))。在圖24A-B所示的裝置實(shí)施方案中，由于優(yōu)先在槽70的右側(cè)從接收孔73進(jìn)行加熱，所以促進(jìn)了初始向上對(duì)流流動(dòng)沿該側(cè)進(jìn)行(由于該側(cè)有較大的絕熱間隙，通過(guò)第二熱源進(jìn)行的冷卻不那么顯著)。根據(jù)第一室上部的不對(duì)稱程度，向上的流動(dòng)可將其路徑改變至相對(duì)側(cè)(即左側(cè))，這是因?yàn)橛捎谟覀?cè)有較大的第二絕熱間隙，從第一熱源40進(jìn)行的冷卻優(yōu)先發(fā)生在該側(cè)。在這兩個(gè)實(shí)施方案中，第一絕熱體50平行于槽軸80的長(zhǎng)度大于第二絕熱體60平行于槽軸80的長(zhǎng)度。
K.不對(duì)稱的室
如所討論的，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供例如在第二熱源中有一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)室的裝置。在一個(gè)實(shí)施方案中，至少一個(gè)室具有水平方向上的不對(duì)稱。該不對(duì)稱幫助在裝置中產(chǎn)生水平方向上不對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)力。例如，在圖25所不的實(shí)施方案中，第一室100和第二室110各自從槽軸80沿相反的方向偏離中心。具體地，第一室的頂端101所處高度與第二室的底端112基本相同。第一室和第二室可具有不同的寬度或直徑。在兩個(gè)相對(duì)側(cè)的室間隙105、115相差可以至少約O. 2mm多至約4mm至6mm。
除圖25所示的偏離中心的室結(jié)構(gòu)以外，可通過(guò)包含相對(duì)于槽軸80傾斜(歪斜)的結(jié)構(gòu)以使一個(gè)或更多個(gè)室水平方向上不對(duì)稱。例如，如圖26中所示，第一室100可相對(duì)于槽軸80傾斜。在該實(shí)施方案中，第一室的第一壁103相對(duì)于槽軸80傾斜(例如，相對(duì)于槽軸80傾斜小于約30°的角度)。由室的中軸(或室壁103)與槽軸之間的角度限定的傾斜角度可為約2°至約30°，更優(yōu)選約5°至約20°。在圖25和圖26所示的裝置實(shí)施方案中，由于優(yōu)先在槽70的右側(cè)從接收孔73進(jìn)行加熱，所以促進(jìn)了向上對(duì)流流動(dòng)從槽70的底部沿該側(cè)進(jìn)行(由于在該側(cè)有較大的室間隙，通過(guò)第二熱源進(jìn)行的冷卻不那么顯著)。類似地，由于優(yōu)先從第三熱源40或通孔71進(jìn)行冷卻，所以促進(jìn)了向下的流動(dòng)從槽70的頂部沿槽70的左側(cè)進(jìn)行(由于在該側(cè)有較大的室間隙，通過(guò)第二熱源30進(jìn)行的加熱不那么顯著)?，F(xiàn)參照?qǐng)D27A-B所示的裝置實(shí)施方案，可將第一室100的頂端101和/或底端102構(gòu)造成在槽軸80的兩個(gè)相對(duì)側(cè)提供不同的間隙(從第三熱源或第一熱源)。例如，參照?qǐng)D27A，第一室100的頂端101和/或底端102可相對(duì)于垂直于室軸(或槽軸80)的軸傾斜約2°至約30°?？商孢x地，如圖27B所示，第一室100可具有多個(gè)頂端面和底端表面。在圖27A-B所示的實(shí)施方案中，第一室的底端102與第一熱源的頂端21之間，以及第一室的頂端101與第三熱源的底端42之間的間隙在兩個(gè)相對(duì)側(cè)(即圖27A-B中的左側(cè)和右側(cè))不同。因此，與圖25和圖26所示的實(shí)施方案相類似，由于優(yōu)先從接收孔73在槽70的右側(cè)進(jìn)行加熱，所以促進(jìn)了向上對(duì)流流動(dòng)從槽70的底部沿該側(cè)進(jìn)行(由于該側(cè)有較大的絕熱間隙，通過(guò)第二熱源進(jìn)行的冷卻不那么顯著)。由于優(yōu)先從第三熱源40或通孔71進(jìn)行冷卻，所以促進(jìn)了向下的流動(dòng)從槽70的頂部沿槽70的左側(cè)進(jìn)行(由于該側(cè)有較大的絕熱間隙，通過(guò)第二熱源30進(jìn)行的加熱不那么顯著)。在圖27A-B所示的實(shí)施方案中，突出部33、34相對(duì)于槽軸80圍繞第一室100不對(duì)稱布置。此外，接收孔73圍繞槽軸80對(duì)稱布置。圖27B所示的實(shí)施方案還包含圍繞槽軸80對(duì)稱布置的突出部23和43。
L-兩個(gè)室，不對(duì)稱的熱制動(dòng)器本發(fā)明的一個(gè)目的是提供具有一個(gè)或更多個(gè)熱制動(dòng)器(例如一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)熱制動(dòng)器)的裝置，其中一個(gè)或更多個(gè)熱制動(dòng)器水平方向上不對(duì)稱。參照?qǐng)D28A-B所示的裝置，第一熱制動(dòng)器130水平方向上不對(duì)稱。在該實(shí)施方案中，形成于第一熱制動(dòng)器130中的通孔(通常將其制作成適合于槽)大于槽70并且從槽軸80偏離中心，從而在一側(cè)提供較小(或無(wú))間隙，在相對(duì)側(cè)提供較大間隙。發(fā)現(xiàn)與室的不對(duì)稱(即第一室壁103不對(duì)稱)相比，溫度分布對(duì)熱制動(dòng)器的不對(duì)稱更敏感。優(yōu)選地，可將熱制動(dòng)器中的通孔制作成大出至少約O. Imm多至約2mm,并且從槽軸偏離中心至少約O. 05mm多至約1mm。在結(jié)構(gòu)不對(duì)稱存在于第一熱制動(dòng)器130或第二熱制動(dòng)器140 (或第一熱制動(dòng)器130與第二熱制動(dòng)器140 二者)的實(shí)施方案中，該裝置可包含圍繞槽軸80對(duì)稱或不對(duì)稱布置的至少一個(gè)室。在圖28A所示的實(shí)施方案中，第一室100與第二室110位于第二熱源30內(nèi)并且圍繞槽軸80對(duì)稱布置。在該實(shí)施方案中，第一室100與第二室110沿槽軸80以長(zhǎng)度I間隔開(kāi)。第二熱源30的一部分接觸槽70，從而形成足以降低來(lái)自第一熱源20或向第三熱源40的熱傳遞的第一熱制動(dòng)器130。第一熱制動(dòng)器130圍繞槽70不對(duì)稱布置。第一熱制動(dòng)器130在第一室100與第二室110之間接觸槽70的一側(cè)，槽70的另一側(cè)與第二熱源30間隔開(kāi)。圖28B示出表示壁133接觸槽70的左側(cè)的第一熱制動(dòng)器130的放大圖。當(dāng)一個(gè)或更多個(gè)熱制動(dòng)器涉及結(jié)構(gòu)不對(duì)稱時(shí)，根據(jù)熱制動(dòng)器沿槽軸的位置和厚度，可促進(jìn)相對(duì)于槽軸的槽的一側(cè)或相對(duì)側(cè)的向上和向下對(duì)流流動(dòng)。
M.具有和不具有熱制動(dòng)器的一個(gè)或兩個(gè)不對(duì)稱室參照?qǐng)D29A，第一室100相對(duì)于槽軸80偏離中心。在該實(shí)施方案中，接收孔73圍繞槽軸80對(duì)稱布置并且深度恒定。第一室100從槽70偏離中心從而使得室間隙105在一 側(cè)小于相對(duì)側(cè)。如圖29B所示，室100可進(jìn)一步從槽70偏離中心從而使得槽70的一側(cè)或壁與室壁相接觸。在該實(shí)施方案中，形成槽的一側(cè)(例如圖29B中的左側(cè))的作用是第一熱制動(dòng)器130，其頂端131和底端132與第一室100的頂端101和底端102重合。在該實(shí)施方案中，第二熱源30與槽70之間的熱傳遞在室間隙105較小或不存在的一側(cè)(即圖29A和圖29B中的左側(cè))上更大，從而產(chǎn)生水平方向上不對(duì)稱的溫度分布。圖29C提供了第一熱制動(dòng)器130的放大圖。兩個(gè)相對(duì)側(cè)的室間隙的可接受差異優(yōu)選為約O. 2mm至約4mm至6mm,因而室軸從槽軸偏離中心至少約O. Imm多至約2mm至3mm。應(yīng)理解整個(gè)或部分室可制成相對(duì)于槽軸80不對(duì)稱，例如，整個(gè)或部分室可以偏離中心。對(duì)于大多數(shù)發(fā)明應(yīng)用，使整個(gè)室偏離中心是有用的。有時(shí)有用的是具有在第二熱源中圍繞槽軸80對(duì)稱或不對(duì)稱布置的一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)室的本發(fā)明裝置。在一個(gè)實(shí)施方案中，該裝置具有第一室、第二室和第三室，其中所述室中的一個(gè)或兩個(gè)圍繞槽軸80不對(duì)稱布置并且其他室圍繞該軸對(duì)稱布置。在裝置包含各自圍繞槽軸80不對(duì)稱的第一室和第二室的實(shí)施方案中，這些室可全部或部分位于第二熱源中。圖30A-D中示出本發(fā)明該實(shí)施方案的一些具體實(shí)例。在圖30A中，第一熱制動(dòng)器130接觸第二熱源30中槽70的部分高度。第一室100和第二室Iio均位于第二熱源30中并且第一室100與第二室110沿槽軸80以長(zhǎng)度(I)間隔開(kāi)。在該實(shí)施方案中，熱制動(dòng)器130在第一室100和第二室110之間以長(zhǎng)度(I)接觸槽70的整個(gè)外周。在相同的水平方向上，第一室100和第二室110各自從槽軸80偏離中心。圖30B提供了其中壁133接觸槽70的第一制動(dòng)器130的放大圖。在圖30C中，在相同的水平方向上，第一室100和第二室110各自從槽軸偏離中心。第一室100和第二室110的寬度或直徑可相同或不同。在該實(shí)施方案中,第一熱制動(dòng)器130在第一室100內(nèi)以從第一熱制動(dòng)器130的底端132至頂端131的長(zhǎng)度接觸槽70的一側(cè)(即左側(cè))，該長(zhǎng)度與圖30C所示的實(shí)施方案中第一室100沿槽軸80的長(zhǎng)度相同。圖30D提供了示出壁133接觸槽70的第一熱制動(dòng)器130的放大圖。在圖30A-D所示的每個(gè)實(shí)施方案中，接收孔73圍繞槽70對(duì)稱布置。圖31A示出其中第一室100與第二室110相對(duì)于槽軸80以相反的方向各自偏離中心約O. Imm多至約2mm至3mm的一個(gè)本發(fā)明實(shí)施方案。第一熱制動(dòng)器130相對(duì)于槽軸80對(duì)稱布置。在該實(shí)施方案中，部分第二熱源30接觸槽70，從而形成足以降低來(lái)自第一熱源20或向第三熱源40的熱傳遞的第一熱制動(dòng)器130。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，第一熱制動(dòng)器130在第一室100與第二室110之間以長(zhǎng)度(I)接觸槽70的整個(gè)外周。在另一些實(shí)施方案中，第一熱制動(dòng)器130可接觸槽70的一側(cè)，另一側(cè)與第二熱源30間隔開(kāi)。圖31B提供了示出壁133接觸槽70的第一熱制動(dòng)器130的放大圖。
的水平方向上，第一室100和第二室110各自相對(duì)于槽軸80偏離中心(例如,約O. Imm多至約2mm至3mm)。在該實(shí)施方案中，第一熱制動(dòng)器130相對(duì)于槽軸80不對(duì)稱布置。第一熱制動(dòng)器130與室壁103以相同方向偏離中心。在該實(shí)施方案中，第一熱制動(dòng)器130接觸槽70的一側(cè)(即左側(cè))，另一側(cè)與第二熱源30間隔開(kāi)。圖32B示出第一熱制動(dòng)器130的放大圖。在圖32C中，在相同的水平方向上，第一室100和第二室110各自相對(duì)于槽軸80偏離中心，并且第一熱制動(dòng)器130在相反的方向上偏離中心。在該實(shí)施方案中，第一熱制動(dòng)器130接觸槽70的一側(cè)(即右側(cè))，另一側(cè)與第二熱源30間隔開(kāi)。圖32D示出第一熱制動(dòng)器130的放大圖。在另一本發(fā)明實(shí)施方案中，該裝置在第二熱源30中具有兩個(gè)室，其中每個(gè)室以不同的水平方向從另一個(gè)偏移。圖33A示出一個(gè)實(shí)例。這里，在相反的水平方向上，第二熱源30中的第一室100和第二室110各自相對(duì)于槽軸80偏移(例如，約O. 5mm至約2mm至2.5mm)。第一室的壁103布置為沿槽軸80低于第二室的壁113。在第一室100中，第一熱制動(dòng)器的壁133在槽70下部接觸槽70的一側(cè)(即左側(cè))，在第二室110中，第二熱制動(dòng)器的壁143在槽70的上部接觸槽的另一側(cè)(即右側(cè))。第一熱制動(dòng)器的頂端131所處高度與第二熱制動(dòng)器的底端142基本相同。該布置一般足以在第二熱源30與槽70之間引起水平方向上不均勻的熱傳遞。圖33B示出第一熱制動(dòng)器130和第二熱制動(dòng)器140的放大圖。圖33C示出其中第一熱制動(dòng)器頂端131所處位置高于第二熱制動(dòng)器底端142的一個(gè)本發(fā)明實(shí)施方案。第一熱制動(dòng)器的壁133和第二熱制動(dòng)器的壁143均接觸槽70的一側(cè)。圖33D示出第一熱制動(dòng)器130和第二熱制動(dòng)器140的放大圖。圖33E示出其中第一熱制動(dòng)器頂端131所處位置低于第二熱制動(dòng)器底端142的一個(gè)實(shí)施方案。第一熱制動(dòng)器的壁133和第二熱制動(dòng)器的壁143均接觸槽70的一側(cè)。圖33F示出第一熱制動(dòng)器130和第二熱制動(dòng)器140的放大圖。本發(fā)明提供了另一些實(shí)施方案，其中通過(guò)相對(duì)于槽軸傾斜(歪斜)一個(gè)或更多個(gè)熱制動(dòng)器或室來(lái)將不對(duì)稱引入裝置?，F(xiàn)參照?qǐng)D34A，相對(duì)于垂直于槽軸80的軸，第一室的頂端101和第二室的底端112均傾斜約2°至約45°。在該實(shí)施方案中，第一熱源的頂端21與第一熱制動(dòng)器的底端132之間的距離相對(duì)于槽軸80在一側(cè)(即左側(cè))更小，使得第一室100的該側(cè)溫度梯度偏向于更大。由于第三熱源的底端42與第一熱制動(dòng)器的頂端131之間的距離在第二室Iio的相對(duì)側(cè)(即右側(cè))更小，可預(yù)期類似的作用。熱制動(dòng)器130在第一室100與第二室110之間接觸槽70的整個(gè)外周并且一側(cè)的位置高于另一側(cè)。圖34B示出第一室100、第一熱制動(dòng)器130和其中壁133接觸槽70的第二室110的放大圖。在一些本發(fā)明實(shí)施方案中，相對(duì)于槽軸傾斜的至少一個(gè)室(例如，一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)室)是有用的。事實(shí)上，可采用傾斜結(jié)構(gòu)或歪斜結(jié)構(gòu)的不同組合來(lái)達(dá)到預(yù)期的水平方向上不對(duì)稱的溫度分布。圖35A-D中示出了幾個(gè)實(shí)例。具體地，圖35A示出的情況是第一室100和第二室110各自相對(duì)于槽軸80傾斜或歪斜約2°至約30°。在該實(shí)施方案中，第一熱制動(dòng)器130未傾斜。圖35B示出第一室100、第一熱制動(dòng)器130和其中壁133接觸槽70的第二室110的放大圖。圖35C示出的實(shí)施例中第一室100、第二室110以及第一熱制動(dòng)器130都各自相對(duì)于槽軸80傾斜。第一室100和第二室110各自可相對(duì)于槽軸80傾斜或歪斜約2°至約30°。第一熱制動(dòng)器130的頂端131和底端132各自可相對(duì)于垂直于槽軸80的軸傾斜或歪斜約2°至約45°。在該實(shí)施方案中，第一熱制動(dòng)器130在第一室與第二室之間接觸槽的整個(gè)外周并且在一側(cè)的位置高于另一側(cè)。在圖31A-B、32A-D、33A-F、34A-B和35A-D所示的實(shí)施方案中，接收孔73圍繞槽軸80對(duì)稱布置。
N.另外的實(shí)施方案圖36A-C、圖37A-C和圖38A-C中示出了另外的裝置實(shí)施方案。在圖36A中，裝置10的第一室100在第二熱源30內(nèi)并且第二室110在第三熱源40內(nèi)。第二熱源突出部33圍繞槽軸80對(duì)稱布置。裝置10還包含圍繞槽軸80對(duì)稱布置的第一熱源突出部23。在該實(shí)施方案中，接收孔73圍繞槽軸80對(duì)稱布置。在圖36B所示的實(shí)施方案中，裝置10的第一室100和第二室110在第二熱源30內(nèi)。該裝置還包含第三熱源40中的第三室120。該裝置還包含在第二熱源30內(nèi)布置在第 一室100和第二室110之間的第一熱制動(dòng)器130。第二熱源突出部33圍繞槽軸80對(duì)稱布置。該裝置還包含圍繞槽軸80對(duì)稱布置的第一熱源突出部23。在該實(shí)施方案中，接收孔73圍繞槽軸80對(duì)稱布置。在圖36C所示的實(shí)施方案中，第一室底部102在第二熱源30內(nèi)。而在圖36A所示的裝置實(shí)施方案中，第一室底部102與第二熱源的下表面32重合。圖36C所示的裝置包含第二熱源30內(nèi)的第一室100和第三熱源40內(nèi)的第二室110。該裝置還包含在第一室底端102與第二熱源底部32之間布置在第二熱源30底部上的第一熱制動(dòng)器130。接收孔73相對(duì)于槽軸80對(duì)稱布置。在圖36A-C所示的實(shí)施方案中，每個(gè)裝置還包含至少由第一熱源20、第一熱源的第一突出部23、第二熱源30和第二熱源的第一突出部33限定出的第一絕熱室51。圖37A-C所示的裝置還包含圍繞槽軸80對(duì)稱布置的第二熱源的第二突出部34，以及至少由第三熱源40、第二熱源30和第二熱源的第二突出部34限定出的第二絕熱室61。在圖37A所示的實(shí)施方案中，該裝置包含第二熱源30內(nèi)的第一室100和第三熱源40內(nèi)的第二室110。接收孔73相對(duì)于槽軸80對(duì)稱布置。在圖37B中，所示裝置的特征是位于第二熱源30內(nèi)的第一室100和第二室110。第三室120在第三熱源40內(nèi)。該裝置還包含在第二熱源30中位于第一室100和第二室110之間的第一熱制動(dòng)器130。在該實(shí)施方案中，裝置10包含相對(duì)于槽軸80各自對(duì)稱布置的突出部(23、33、34)。接收孔73相對(duì)于槽軸80對(duì)稱布置。在圖37A-B所示的實(shí)施方案中，第一室的底端102接觸第一絕熱體50。然而在圖37C所不的實(shí)施方案中，第一室的底端102在第二熱源20內(nèi)，并且第一熱制動(dòng)器130在第一室底端102與第二熱源底部32之間位于第二熱源30的底部上。圖37C所示的裝置還包含圍繞槽軸80各自對(duì)稱布置的突出部23、33、34。在圖37B-C所示的實(shí)施方案中，第一熱制動(dòng)器130相對(duì)于槽軸80對(duì)稱布置。圖38A-C所示的裝置還包含圍繞槽軸80對(duì)稱布置的第三熱源的第一突出部43，以及至少由第三熱源40、第三熱源突出部43、第二熱源30和第二熱源的第二突出部34限定出的第二絕熱室61。在圖38A所示的實(shí)施方案中，該裝置包含第二熱源30內(nèi)的第一室100和第三熱源40內(nèi)的第二室110。接收孔73相對(duì)于槽軸80對(duì)稱布置。在圖38B所示的裝置實(shí)施方案中，第一室100和第二室110均位于第二熱源30內(nèi)。第三室120位于第三熱源40內(nèi)。該裝置還包含在第二熱源30中位于第一室100與第二室110之間的第一熱制動(dòng)器130。在該實(shí)施方案中，裝置10包含相對(duì)于槽軸80各自對(duì)稱布置的突出部(23、33、34、43)。接收孔73相對(duì)于槽軸80對(duì)稱布置。在圖38C所示的實(shí)施方案中，第一室的底端102在第二熱源20內(nèi)，并且第一熱制 動(dòng)器130在第一室的底端102與第二熱源的底部32之間位于第二熱源30的底部上。圖37C所示的裝置還包含圍繞槽軸80各自對(duì)稱布置的突出部23、33、34、43。接收孔73相對(duì)于槽軸80對(duì)稱布置。
制造、使用以及溫度成形元件的選擇 A-熱源對(duì)于大多數(shù)本發(fā)明實(shí)施方案，與用于其它熱循環(huán)式裝置的材料相比，熱源的一個(gè)或更多個(gè)可以用導(dǎo)熱率相對(duì)低的材料來(lái)制造。在本發(fā)明中，通?？杀苊饪焖俚臏囟茸兓^(guò)程。因此，使用導(dǎo)熱率相對(duì)低的材料可容易地實(shí)現(xiàn)穿過(guò)每個(gè)熱源的溫度的高均勻性(例如，溫度變化小于約O. rc)。熱源可由導(dǎo)熱率與樣品或反應(yīng)容器的導(dǎo)熱率相比足夠大(例如，優(yōu)選大出至少約10倍，更優(yōu)選大出至少約100倍)的任意固體材料制成。待加熱樣品通常為在室溫下導(dǎo)熱率為O. 58W · πΓ1 · Γ1的水，并且反應(yīng)容器通常由導(dǎo)熱率通常為約幾十個(gè)W · πΓ1 · Γ1的塑料制成。因此，合適材料的導(dǎo)熱率為至少約5W · πΓ1 · Γ1或更大，更優(yōu)選至少約50W · πΓ1 · K—1或更大。如果反應(yīng)容器由導(dǎo)熱率大于塑料的玻璃或陶瓷制成，優(yōu)選使用導(dǎo)熱率稍大的材料，例如導(dǎo)熱率大于約80或約100W · πΓ1 · Γ1的材料。大多數(shù)金屬和金屬合金以及一些高導(dǎo)熱率陶瓷滿足該要求。盡管具有較高導(dǎo)熱率的材料一般提供穿過(guò)每個(gè)熱源得更好的溫度均勻性，但是鋁合金和銅合金是常用材料，因?yàn)樗鼈兿鄬?duì)便宜且易于加工同時(shí)有高導(dǎo)熱率。以下說(shuō)明書(shū)一般可用于制造和使用本文所述的裝置實(shí)施方案。根據(jù)預(yù)期用途，例如根據(jù)鄰近的槽/室結(jié)構(gòu)之間的間距，可以將第一熱源、第二熱源和第三熱源沿垂直于槽軸的軸的寬度和長(zhǎng)度尺寸選擇為任意值。鄰近的槽/室結(jié)構(gòu)之間的間距可以為至少約2mm至3mm,優(yōu)選約4mm至約15mm。一般優(yōu)選采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即4. 5mm或9mm的間距。在典型的實(shí)施方案中，槽/室結(jié)構(gòu)布置為等距的行和/或列。在這種實(shí)施方案中，優(yōu)選將每個(gè)熱源的寬或長(zhǎng)(沿垂直于槽軸的軸)制作成至少約相當(dāng)于所述間距與行或列數(shù)目的乘積的值，至多至比該值大出約一個(gè)至約三個(gè)所述間距。在另一些實(shí)施方案中，槽/室結(jié)構(gòu)可布置成圓形模式并且優(yōu)選將它們等距間隔開(kāi)。該實(shí)施方案中的間距也為至少約2mm至3mm，優(yōu)選約4mm至約15mm,更優(yōu)選工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4. 5mm或9mm的間距。在這些實(shí)施方案中，優(yōu)選熱源具有類似多納圈的形狀，其通常在中心有一個(gè)孔。槽/室結(jié)構(gòu)可定位在一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)，多至約十個(gè)同心圓上。每個(gè)同心圓的直徑可由預(yù)期用途的幾何需要(例如根據(jù)槽/室結(jié)構(gòu)的數(shù)目、該圓環(huán)中鄰近槽/室結(jié)構(gòu)之間的間距等)來(lái)確定。熱源的外徑優(yōu)選比最大同心圓的直徑大出至少約一個(gè)間距，熱源的內(nèi)徑優(yōu)選比最小同心圓的直徑小出至少約一個(gè)間距。已討論了第一熱源、第二熱源和第三熱源沿槽軸的長(zhǎng)度或厚度。在第二熱源中包含至少一個(gè)室的實(shí)施方案中，第一熱源沿槽軸的厚度大于約Imm,優(yōu)選約2mm至約10_。第二熱源沿槽軸的厚度為約2mm至約25mm,優(yōu)選3mm至約15mm。第三熱源沿槽軸的厚度大于約Imm,優(yōu)選約2mm至約10mm。與第二熱源中包含至少一個(gè)室的實(shí)施方案相比,在僅包含一個(gè)布置在第三熱源中的室的另一些實(shí)施方案中，第二熱源和第三熱源沿槽軸的厚度可以不同。例如，第二熱源沿槽軸的厚度大于1_，優(yōu)選約2mm至約6_。在這些實(shí)施方案中,第三熱源沿槽軸的厚度為約2mm至約20mm,優(yōu)選約3mm至約10mm。第一熱源沿槽軸的厚度可以與其它實(shí)施方案在相同的范圍內(nèi)，例如大出約1_，優(yōu)選約2mm至約10_?！げ鄣某叽缈捎蓤D5A-D和6A-J所示的幾個(gè)參數(shù)限定。對(duì)于約20微升的樣品體積，槽沿槽軸的高度(h)為至少約5mm至約25mm,優(yōu)選8mm至約16mm。錐形角度(Θ )為約0°至約15°，優(yōu)選約2°至約10°。槽沿垂直于槽軸的軸的寬度(wl)或直徑(或其平均值)為至少約Imm至約5mm。由高度(h)與寬度(wl)之比所限定的豎直長(zhǎng)寬比為約4至約15,優(yōu)選約5至約10。由分別沿第一方向和第二方向(互相垂直并且垂直于槽軸)的第一寬度(wl)和第二寬度(w2)之比限定的水平長(zhǎng)寬比通常為約I至約4。接收孔與槽的寬度或直徑在相同的范圍內(nèi)，即至少約Imm至約5mm。當(dāng)槽為錐形時(shí)，根據(jù)逐漸變細(xì)的方向，接收孔的寬度或直徑小于或大于槽的寬度或直徑。接收孔的深度通常為至少約O. 5mm多至約8mm,優(yōu)選約Imm至約5mm。室沿垂直于槽軸的軸的寬度或直徑通常為至少約Imm至約IOmm或12mm，優(yōu)選約2mm至約8mm。室結(jié)構(gòu)的存在在槽與室壁之間提供了室間隙，該室間隙通常為約O. Imm至約6mm,更優(yōu)選約O. 2mm至約4mm。室沿槽軸的長(zhǎng)度或高度可根據(jù)不同實(shí)施方案而異。例如，如果裝置在第二熱源中包含一個(gè)室，那么該室沿槽軸的高度可以為約Imm至約25mm,優(yōu)選約2mm至約15mm。在第二熱源中具有兩個(gè)或更多個(gè)室的實(shí)施方案中，每個(gè)室的高度為約O. 2mm至第二熱源沿槽軸厚度的約80%或90%，其中兩個(gè)或更多個(gè)室的高度之和可以與第二熱源的厚度一樣大。在僅有一個(gè)室布置在第三熱源的實(shí)施方案中，室沿槽軸的高度為約O. 2mm多至第三熱源沿槽軸厚度的約60%或70%。熱制動(dòng)器和絕熱體(或絕熱間隙)的尺寸也非常重要。請(qǐng)參照如上已提供的一般性說(shuō)明。雖然一般在本發(fā)明的最優(yōu)應(yīng)用中不需要，但是提供具有突出部24、44或其二者的裝置在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如參見(jiàn)圖22C。應(yīng)理解，在加工或制造機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)常常存在一定的公差。因此，在實(shí)際操作中，必須將物理接觸的孔(例如在具體實(shí)施方案中第三熱源中的通孔或第一熱源中的接收孔)設(shè)計(jì)成相對(duì)于反應(yīng)容器的大小有正公差。否則，通孔或槽可被制作成小于或等于反應(yīng)容器的大小，從而不允許將反應(yīng)容器正常地安裝到槽上。在標(biāo)準(zhǔn)制造過(guò)程中，物理接觸的孔在實(shí)踐中接受的公差為約+0. 05mm。因此，如果描述兩個(gè)物體“物理接觸”，那么應(yīng)將其解釋為兩個(gè)接觸物體之間的間隙小于或等于約O. 05mm。如果描述兩個(gè)物體“未物理接觸”或“間隔開(kāi)”，那么應(yīng)將其解釋為兩個(gè)物體之間的間隙大于約O. 05mm或1mm。
B.使用
本文描述的幾乎任何熱對(duì)流PCR裝置可用于進(jìn)行不同PCR擴(kuò)增技術(shù)的一種或組合。一種合適的方法包括至少一個(gè)且優(yōu)選全部以下步驟
(a)將包含接收孔的第一熱源保持在適于使雙鏈核酸分子變性并且形成單鏈模板的溫度范圍，
(b)將第三熱源保持在適于使至少一種寡核苷酸引物與單鏈模板退火的溫度范圍，
(C)將第二熱源保持在適于促進(jìn)引物沿單鏈模板聚合的溫度；以及
(d)在足以生成引物延伸產(chǎn)物的條件下在接收孔與第三熱源之間產(chǎn)生熱對(duì)流。在一個(gè)實(shí)施方案中，該方法還包括提供包含雙鏈核酸和寡核苷酸引物之水緩沖溶液的反應(yīng)容器的步驟。通常，反應(yīng)容器還包含一種或更多種DNA聚合酶。如期望，酶可被固定。在反應(yīng)方法的一個(gè)更具體的實(shí)施方案中，該方法包括使反應(yīng)容器接觸(直接地或間接地)接收孔、通孔以及布置在第二熱源或第三熱源的至少一個(gè)內(nèi)的至少一個(gè)溫度成形元件 (通常為至少一個(gè)室)的步驟。在該實(shí)施方案中，該接觸足以支持反應(yīng)容器中的熱對(duì)流。優(yōu)選地，該方法還包括使反應(yīng)容器接觸第一熱源與第二熱源之間的第一絕熱體以及第二熱源與第三熱源之間的第二絕熱體的步驟。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一熱源、第二熱源和第三熱源的導(dǎo)熱率比其中的反應(yīng)容器或水溶液的導(dǎo)熱率大出約十倍，優(yōu)選約一百倍。第一絕熱體和第二絕熱體的導(dǎo)熱率可比其中的反應(yīng)容器或水溶液的導(dǎo)熱率小至少約5倍，其中第一絕熱體和第二絕熱體的導(dǎo)熱率足以降低第一熱源、第二熱源和第三熱源之間的熱傳遞。在前述方法的步驟(C)中，在反應(yīng)容器內(nèi)，使熱對(duì)流流體流動(dòng)圍繞槽軸基本對(duì)稱或不對(duì)稱。優(yōu)選地，在每個(gè)反應(yīng)容器中，上述方法的步驟(a)-(d)消耗小于約1W、優(yōu)選小于約O. 5W的功率來(lái)生成引物延伸產(chǎn)物。如期望，用于進(jìn)行該方法的電力通過(guò)電池供給。在常規(guī)的實(shí)施方案中，PCR延伸產(chǎn)物在約15分鐘至約30分鐘或者更短的時(shí)間內(nèi)生成，并且反應(yīng)容器的體積可小于約50微升或100微升，例如小于或等于約20微升。在該方法與本發(fā)明的熱對(duì)流PCR離心機(jī)一起使用的實(shí)施方案中，該方法還包括向反應(yīng)容器施用或施加有利于進(jìn)行PCR的離心力的步驟。在通過(guò)熱對(duì)流進(jìn)行PCR的方法的一個(gè)更具體實(shí)施方案中，該方法包括以下步驟在足以生成引物延伸產(chǎn)物的條件下，向本文公開(kāi)的任意裝置容納的反應(yīng)容器中加入寡核苷酸引物、核酸模板和緩沖液。在一個(gè)實(shí)施方案中，該方法還包括向反應(yīng)容器中加入DNA聚合酶的步驟。在通過(guò)熱對(duì)流進(jìn)行PCR的方法的另一實(shí)施方案中，該方法包括以下步驟在足以生成引物延伸產(chǎn)物的條件下，向本文公開(kāi)的任意PCR離心機(jī)所容納的反應(yīng)容器中加入寡核苷酸引物、核酸模板和緩沖液，并且向反應(yīng)容器施加離心力。在一個(gè)實(shí)施方案中，該方法包括向反應(yīng)容器中加入DNA聚合酶的步驟。本發(fā)明的實(shí)施適用于PCR技術(shù)(包括定量PCR(qPCR)、多重PCR、連接介導(dǎo)的PCR、熱啟動(dòng)PCR、等位基因特異性PCR以及其他擴(kuò)增技術(shù)的變化形式)的一種或組合。本發(fā)明的以下具體使用參照?qǐng)DI和圖2A所示的實(shí)施方案。然而，應(yīng)理解，該方法通?？捎糜诒景l(fā)明中提到的其他實(shí)施方案。參照?qǐng)DI和圖2A，第一熱源20在槽的底部或下部(在本文中有時(shí)稱為變性區(qū)域)產(chǎn)生適于變性過(guò)程的溫度分布。通常將第一熱源20保持在用于將目的核酸模板(例如，約Ifg至約IOOng的基于DNA的模板)解鏈的溫度。在該實(shí)施方案中，應(yīng)將第一熱源20保持在約92°C至約106°C、優(yōu)選約94°C至約104°C、并且更優(yōu)選約96°C至約102°C。應(yīng)理解，根據(jù)已知的參數(shù)如目的核酸、期望的靈敏度和PCR過(guò)程應(yīng)具有的速度，其他溫度范圍可更適于本發(fā)明的最佳實(shí)踐。第三熱源40在槽的頂部或上部(在本文中有時(shí)稱為退火區(qū)域)產(chǎn)生適于退火過(guò)程的溫度分布。根據(jù)例如所使用的寡核苷酸引物的解鏈溫度和PCR反應(yīng)技術(shù)人員已知的其他參數(shù)，通常將第三熱源的溫度保持在約45°C至約65°C。第二熱源30在槽70的中間區(qū)域(在本文中有時(shí)稱為聚合區(qū)域)產(chǎn)生適于聚合過(guò)程的溫度分布。對(duì)于許多本發(fā)明應(yīng)用，在使用Taq DNA聚合酶或其相對(duì)熱穩(wěn)定的衍生物的情況下，通常將第二熱源30的溫度保持在約65°C至約75°C、更優(yōu)選約68°C至約72°C。如果使用其活性溫度范圍不同的DNA聚合酶，那么可以改變第二熱源的溫度范圍以與所使用的聚合酶的溫度范圍相匹配。關(guān)于在PCR過(guò)程中使用熱敏感和熱穩(wěn)定聚合酶，參見(jiàn)美國(guó)專利No. 7，238，505和其中公開(kāi)的參考文獻(xiàn)。其他裝置實(shí)施方案的使用信息參見(jiàn)實(shí)施例部分。
C-溫度成形元件的選擇 以下部分旨在提供選擇和使用溫度成形元件的進(jìn)一步指導(dǎo)。并非意圖將本發(fā)明限于具體的裝置設(shè)計(jì)或使用。用于本發(fā)明裝置的一個(gè)溫度成形元件或其組合的選擇將由具體的目的PCR應(yīng)用來(lái)指導(dǎo)。例如，靶模板的特性對(duì)于選擇最適于具體PCR應(yīng)用的溫度成形元件是重要的。例如，靶序列可相對(duì)較短或較長(zhǎng)；和/或靶序列可具有相對(duì)簡(jiǎn)單(如質(zhì)粒或細(xì)菌DNA、病毒DNA、噬菌體DNA或cDNA)或復(fù)雜的結(jié)構(gòu)(如基因組或染色體DNA)。一般地，具有較長(zhǎng)序列和/或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靶序列更難以擴(kuò)增，并且通常需要較長(zhǎng)的聚合時(shí)間。此外，常常需要較長(zhǎng)的退火時(shí)間和變性時(shí)間。另外，可獲得的靶序列可以是大量或小量的。小量的靶序列更難以擴(kuò)增并且通常需要更多PCR反應(yīng)時(shí)間(即更多PCR循環(huán))。根據(jù)具體用途，其他因素也可以是重要的。例如，PCR裝置可用于生成一定量的靶序列，以進(jìn)行后續(xù)的應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)或分析，或者檢測(cè)或鑒定樣品中的靶序列。進(jìn)一步考慮，該P(yáng)CR裝置可在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)、或在某些特殊環(huán)境(例如在車、船、潛艇或太空船中)、在惡劣的天氣條件下等使用。如所討論的，本發(fā)明的熱對(duì)流PCR裝置一般提供比現(xiàn)有PCR裝置更快且更有效的PCR擴(kuò)增。此外，與現(xiàn)有PCR裝置相比，本發(fā)明裝置的功率需求顯著降低且尺寸小得多。例如，熱對(duì)流PCR裝置通?？斐鲋辽偌sI. 5倍至2倍(優(yōu)選約3倍至4倍)，并且需要少至少約5倍(優(yōu)選約10倍至數(shù)十倍)的運(yùn)行功率，而大小或重量小至少約5倍至10倍。因此，如果可以選擇合適的設(shè)計(jì)，使用者可擁有一個(gè)可耗費(fèi)更少時(shí)間、能量和空間的裝置。為了選擇合適的裝置設(shè)計(jì)，重要的是理解預(yù)期溫度成形元件的關(guān)鍵功能。如下述表I中所歸納的，對(duì)于熱對(duì)流PCR裝置的性能，每個(gè)溫度成形元件具有特定的功能。例如，與沒(méi)有室的結(jié)構(gòu)相比，室結(jié)構(gòu)通常增加存在室的熱源內(nèi)熱對(duì)流的速度，與具有室結(jié)構(gòu)而不具有熱制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)相比，熱制動(dòng)器通常降低熱對(duì)流的速度。然而，重要的是，在第二熱源內(nèi)整合熱制動(dòng)器結(jié)構(gòu)和室結(jié)構(gòu)使得可用于聚合步驟的時(shí)間長(zhǎng)度或樣品體積變大，從而可以使得需要更長(zhǎng)聚合時(shí)間的靶序列進(jìn)行PCR擴(kuò)增的效率增加。因此，根據(jù)以下討論的具體應(yīng)用，室結(jié)構(gòu)可以與或不與熱制動(dòng)器一起使用。同樣如表I中歸納的，無(wú)論其他熱源結(jié)構(gòu)為何(包括僅有槽的結(jié)構(gòu)(即沒(méi)有室的結(jié)構(gòu)))，可以使用任意對(duì)流加速元件(如位置不對(duì)稱，結(jié)構(gòu)不對(duì)稱和離心加速)或其組合來(lái)增加熱對(duì)流的速度。因此，根據(jù)需要，至少一種這些對(duì)流加速元件或其組合可以與幾乎所有熱源結(jié)構(gòu)組合以提高熱對(duì)流速度。如所討論的，本發(fā)明裝置比現(xiàn)有PCR裝置需要的能量少得多，這主要是因?yàn)橄藢?duì)流循環(huán)過(guò)程(即改變熱源溫度的過(guò)程)的需要。同樣如所討論的，第一絕熱體和第二絕熱體的適當(dāng)組合(即絕熱間隙的厚度以及使用適當(dāng)?shù)慕^熱體)可使本發(fā)明裝置的能量消耗進(jìn)一步降低。此外，突出部結(jié)構(gòu)的使用又可以進(jìn)一步顯著降低本發(fā)明裝置的能量消耗(例如，參見(jiàn)實(shí)施例I至3)，并且增加室的長(zhǎng)度從而增加聚合時(shí)間。還可以使用其他參數(shù)如接收孔深度和第一熱源、第二熱源以及第三熱源的溫度來(lái)調(diào)節(jié)熱對(duì)流速度以及可用于聚合步驟、退火步驟和變性步驟的每一個(gè)的時(shí)間。如以下所討論的，這些溫度成形元件的每一種可單獨(dú)使用或者與一種或更多種其他元件組合使用，以構(gòu)建適于具體應(yīng)用的具體熱對(duì)流PCR裝置。
表I溫度成形元件的關(guān)鍵功能
溫度成形元件關(guān)鍵功能
室與僅冇槽的結(jié)構(gòu)相比，存在室增加熱源內(nèi)的熱對(duì)流速度》室直
擇或?qū)氶g隙越小，熱對(duì)流速度越慢。
熱制動(dòng)器當(dāng)與室結(jié)構(gòu)組合時(shí)降低熱對(duì)流速度》通常與至少一個(gè)室組合定
位在第二熱源內(nèi)，與僅有室的結(jié)構(gòu)相比，使得可用于聚合步驟的時(shí)間長(zhǎng)度和樣品體積增加熱W動(dòng)器沿槽軸的長(zhǎng)度越大，熱對(duì)流速度越慢，并且可用于聚合步驟的時(shí)間越長(zhǎng)且樣品體積越
大》
絕熱體/絕熱間隙通常在多階段熱對(duì)流裝置中需要.可用于控制熱對(duì)流速度和降
低能量消耗.絕熱體沿槽軸的長(zhǎng)度越小，能量消耗和熱對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力越大。
突出部用于顯著地降低能量消耗以及延長(zhǎng)f沿槽軸的長(zhǎng)度(從而靖加
可用于聚合步驟的時(shí)間和樣品體積)
位置不對(duì)稱增加熱對(duì)流速度并且可作為可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)元件整合入本發(fā)明裝
K,以在給定設(shè)計(jì)中提供控剠熱對(duì)流速度的Q由度。Hi與結(jié)構(gòu)
不對(duì)稱一起使用時(shí)，可調(diào)F的位置不對(duì)稱元件可用作加速元件和減速元件二者,
結(jié)構(gòu)不對(duì)稱增加熱對(duì)流速度
離心加速在給定設(shè)計(jì)中增加熱對(duì)流速度，同時(shí)提供控制熱對(duì)流速度的自
由度-通常與位置不對(duì)稱一起使用-雖然本發(fā)明提供了許多有用的裝置實(shí)施方案，但是以下組合特別有用并且易于預(yù)測(cè)本發(fā)明裝置的性能。
用于許多應(yīng)用的可接受熱對(duì)流PCR裝置通常包含槽以及第一和第二絕熱體(或第一和第二絕熱間隙)作為基本元件。一個(gè)或更多個(gè)其它溫度成形元件可與這些基本元件組合使用。對(duì)于一些PCR應(yīng)用，僅使用槽和絕熱體的裝置可能不是最佳的。僅有槽結(jié)構(gòu)時(shí)，由于來(lái)自熱源的有效熱傳遞，每個(gè)熱源內(nèi)樣品中的溫度梯度可能太小，因而熱對(duì)流變得太慢或不能正確發(fā)生。使用室結(jié)構(gòu)可以彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。如所討論的，每個(gè)熱源內(nèi)熱對(duì)流的速度可通過(guò)將室結(jié)構(gòu)整合入該熱源中來(lái)增加。使用室作為另外的溫度成形元件的熱對(duì)流PCR裝置最適于快速擴(kuò)增結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的相對(duì)較短(例如，比約Ikbp短,優(yōu)選比500bp或600bp短)的靶序列，如質(zhì)粒DNA或細(xì)菌DNA、病毒DNA、噬菌體DNA、cDNA等。例如，根據(jù)靶序列的量和大小，在第二熱源中具有寬度或直徑為約3_至6_的平直室的裝置設(shè)計(jì)可在少于約25分鐘或30分鐘內(nèi)、優(yōu)選約10分鐘至20分鐘內(nèi)進(jìn)行這種樣品的PCR擴(kuò)增(例如參見(jiàn)實(shí)施例I和3)。熱對(duì)流PCR速度的進(jìn)一步提高可通過(guò)整合至少一種對(duì)流加速元件來(lái)實(shí)現(xiàn)(例如,參見(jiàn)實(shí)施例2和7)。包含室的本發(fā)明裝置(無(wú)熱制動(dòng)器)還可用于擴(kuò)增較長(zhǎng)的靶序列(例如大于約Ikbp多至約2kbp或3kbp)或具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靶序列(例如，基因組DNA或染色體DNA)，以 及具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的較短序列。在這種實(shí)施方案的一個(gè)類型中，室僅存在于第二熱源中或者在第二熱源和第三熱源二者中，并且定位在第二熱源中的室的寬度或直徑可以被減小(部分地或全部地)或者具有減小的寬度或直徑的其他室可整合入第二熱源內(nèi)。減小的室寬度或直徑通常小于約3mm。在這種設(shè)計(jì)中，來(lái)自第二熱源的熱傳遞增加(在具有減小的寬度或直徑的室區(qū)域中)使得可用于聚合步驟的時(shí)間長(zhǎng)度增加，因此擴(kuò)增較長(zhǎng)的序列和/或具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的序列變得有效。然而，使用減小的室寬度或直徑通常導(dǎo)致熱對(duì)流速度降低。如果對(duì)流速度對(duì)于使用者的應(yīng)用而言變得太低，那么可組合進(jìn)至少一種對(duì)流加速元件以增加對(duì)流速度。在另一類型的實(shí)施方案中，室可僅存在于第三熱源中。在該類型實(shí)施方案中，通常推薦使用具有相對(duì)高解鏈點(diǎn)(例如，高于約60°C)的引物以擴(kuò)增以上提到的不同類型的靶序列。如以上所討論的，熱制動(dòng)器是對(duì)流減速元件，并且當(dāng)與通常在第二熱源內(nèi)的室結(jié)構(gòu)組合時(shí)，熱制動(dòng)器通常使聚合時(shí)間變長(zhǎng)。因此，熱制動(dòng)器和室結(jié)構(gòu)在第二熱源內(nèi)的組合是一個(gè)良好的設(shè)計(jì)實(shí)例，其可以提供適當(dāng)慢的熱對(duì)流速度，從而提供充足的聚合時(shí)間而且足夠快速地進(jìn)行快速PCR擴(kuò)增。如實(shí)施例I中所證實(shí)的，大寬度的室(例如，室的寬度或直徑大于約3_)和薄熱制動(dòng)器(例如，熱制動(dòng)器沿槽軸的長(zhǎng)度為小于約2_)的組合是裝置設(shè)計(jì)的一個(gè)良好實(shí)例，其能夠?qū)Χ毯烷L(zhǎng)的祀序列(例如，多至約2kbp或3kbp的目的質(zhì)粒)二者以及具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靶序列(例如，多至約Ikbp或約SOObp的目的人基因組)進(jìn)行足夠快速的擴(kuò)增。重要的是，這種設(shè)計(jì)為不同類型的靶序列提供顯著快速的擴(kuò)增(即在小于約25分鐘或30分鐘內(nèi)，優(yōu)選小于約10分鐘至20分鐘內(nèi))而無(wú)需使用任何對(duì)流加速元件。如所證實(shí)的，對(duì)流加速元件(例如實(shí)施例2中的位置不對(duì)稱)的整合可以提供進(jìn)一步加速的熱對(duì)流PCR。熱對(duì)流PCR裝置的動(dòng)態(tài)范圍的進(jìn)一步增強(qiáng)可通過(guò)將窄室(例如室寬度或直徑小于約3_)和/或熱制動(dòng)器整合入第二熱源內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在第二熱源中使用具有減小(部分地或全部地)的寬度或直徑的室或者熱制動(dòng)器使得從第二熱源到槽的熱傳遞增加，因而降低熱對(duì)流速度。在這種減速的熱源結(jié)構(gòu)中，可增加聚合時(shí)間以擴(kuò)增較長(zhǎng)序列，例如多至約5kbp或6kbp的序列。然而，由于慢的熱對(duì)流速度，總PCR反應(yīng)時(shí)間會(huì)不可避免地增加，例如，根據(jù)靶序列的大小和結(jié)構(gòu)為約35分鐘至多至約I小時(shí)或更長(zhǎng)。還可按照期望將一種或更多種對(duì)流加速元件與該類型的裝置設(shè)計(jì)組合，以提高熱對(duì)流PCR的速度。上述對(duì)流加速元件(即位置不對(duì)稱、結(jié)構(gòu)不對(duì)稱和離心加速)可以不同程度地影響熱對(duì)流的速度。位置或結(jié)構(gòu)不對(duì)稱通常可以將熱對(duì)流速度提高約10%或20%多至約3倍至4倍。在加速離心的情況下，可使該提高盡可能地大，例如如所討論的，當(dāng)R= IOcm時(shí)在IOOOOrpm約為11200倍。實(shí)用的使用范圍為提高多至約10倍至約20倍。當(dāng)使用這些對(duì)流加速元件的任意一種時(shí)，可增加熱對(duì)流的速度。因此，每當(dāng)使用者的應(yīng)用需要進(jìn)一步提高熱對(duì)流速度時(shí)，可以方便地整合這種特征。包含至少一種對(duì)流加速元件的一個(gè)具體設(shè)計(jì)是不包含室的熱源結(jié)構(gòu)(即只有槽)。如實(shí)施例6所證明的(比照?qǐng)D76E和圖75E)，使用對(duì)流加速元件可以使僅有槽的設(shè)計(jì)可運(yùn)行。這種僅有槽的設(shè)計(jì)是有利的，因?yàn)樗梢蕴峁┛捎糜诰酆喜襟E的盡可能最大的時(shí)間和樣品體積。然而，如所討論的，這種設(shè)計(jì)提供的熱對(duì)流速度通常太慢。使用任意一種或更多種對(duì)流加速元件可以通過(guò)根據(jù)使用者的需求增加熱對(duì)流速度來(lái)彌補(bǔ)這種缺陷。即使沒(méi)有突出部結(jié)構(gòu)，以上討論的所有裝置實(shí)施例所需的能量也比現(xiàn)有PCR裝置少得多，并且可做成便攜式裝置(即可利用電池操作)。如所討論的，使用突出部結(jié)構(gòu)能夠顯著降低能量消耗，因此如果便攜式PCR裝置對(duì)于使用者的應(yīng)用而言是必要的，那么更推薦使用突出部結(jié)構(gòu)。此外，以上討論的裝置設(shè)計(jì)可以擴(kuò)增非常低拷貝數(shù)的樣品(當(dāng)最優(yōu)化時(shí))。例如，如實(shí)施例1、2和3中所證實(shí)的，即使比約100個(gè)拷貝少得多的靶序列也可以在約25分鐘或約30分鐘內(nèi)擴(kuò)增。此外，不同于僅可以在受控條件下(如在實(shí)驗(yàn)室內(nèi))使用的許多現(xiàn)有PCR裝置，以上討論的裝置設(shè)計(jì)可以在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)，或在某些特殊條件下使用。例如，我們已經(jīng)在開(kāi)動(dòng)的車中測(cè)試了幾個(gè)本發(fā)明裝置，并且證實(shí)其可以如在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)一樣實(shí)現(xiàn)快速且有效的PCR擴(kuò)增。此外，我們還在特殊溫度條件下(從低于-20°C至高于約40°C )測(cè)試了幾個(gè)本發(fā)明裝置，并且證實(shí)不管外部的溫度如何，PCR擴(kuò)增都快速且有效地進(jìn)行。最后，如在實(shí)施例中所例證的，本發(fā)明的熱對(duì)流PCR裝置可以進(jìn)行不僅快速而且非常有效的PCR擴(kuò)增。因此，證實(shí)了本發(fā)明的裝置一般地適于PCR裝置的幾乎全部多種不同應(yīng)用，而且用手掌大小的便攜式PCR裝置這一新特征提供了改進(jìn)的性能。
具有殼體和控溫元件的裝置可以將上述發(fā)明裝置單獨(dú)使用，或者與合適的殼體、溫度感測(cè)以及加熱和/或冷卻元件組合使用。在圖39所示的一個(gè)實(shí)施方案中，第一熱源20、第二熱源30和第三熱源40的特征為有至少一個(gè)第一固定元件200 (通常為螺孔)和第二固定元件210，其中各元件均適合于將熱源、第一絕熱體50和第二絕熱體60固定在一起作為單獨(dú)的可操作單元。第二固定元件210優(yōu)選為“翼形”，從而幫助向額外的絕熱間隙提供邊界(見(jiàn)下文)。加熱和/或冷卻元件160a、160b和160c各自分別位于第一熱源20、第二熱源30和第三熱源40中。各熱源通常配備至少一個(gè)加熱元件。可用的加熱元件通常為耐熱或?qū)嵝?。根?jù)預(yù)期用途，一個(gè)或更多個(gè)熱源還可以配備一個(gè)或更多個(gè)冷卻元件和/或一個(gè)或更多個(gè)加熱元件。優(yōu)選的冷卻元件通常為風(fēng)扇或Peltier冷卻器。眾所周知，Peltier冷卻器可以用作加熱元件和、冷卻元件二者。特別優(yōu)選地，當(dāng)需要產(chǎn)生溫度梯度以提供穿過(guò)熱源的不同溫度時(shí)，在一個(gè)或更多個(gè)熱源的不同位置使用多于一個(gè)加熱元件或加熱元件和冷卻元件二者。第一熱源20、第二熱源30和第三熱源40還包含分別位于各熱源中的溫度傳感器170a、170b和170c。對(duì)于大多數(shù)的實(shí)施方案而言，各熱源通常配備有一個(gè)溫度傳感器。但是在一些實(shí)施方案中，例如在一個(gè)或更多個(gè)熱源中具有產(chǎn)生溫度梯度能力的那些實(shí)施方案中，兩個(gè)或更多個(gè)溫度傳感器可位于熱源的不同位置。圖40A至B提供了圖39所示實(shí)施方案的截面圖。除了槽和室結(jié)構(gòu)的截面圖外，還作為一個(gè)實(shí)例示出了加熱和/或冷卻元件的位置。如該實(shí)例所示，優(yōu)選加熱和/或冷卻元件均勻地位于各熱源，從而提供穿過(guò)各熱源的均勻的加熱和/或冷卻。例如如圖40B所示，加熱和/或冷卻元件位于各槽和室結(jié)構(gòu)之間，并且彼此等距地間隔開(kāi)(例如，參見(jiàn)圖42)。例如，圖40A所示的截面圖示出了從各槽和室結(jié)構(gòu)之間的一個(gè)位置至另一個(gè)位置的加熱和/冷卻元件之間的連接(即環(huán))。在另一些類型的實(shí)施方案中，例如具有產(chǎn)生溫度梯度選項(xiàng)的那些實(shí)施方案中，可以將兩個(gè)或更多個(gè)加熱或冷卻元件用于一個(gè)或更多個(gè)熱源中，并且它們位于所述熱源的不同位置，從而提供穿過(guò)所述熱源的有偏向性的加熱/冷卻。 在圖41中，剖面穿過(guò)第二固定元件210和第一固定元件200中的一個(gè)。如所示，第一固定元件200包含螺釘201、墊圈202a、第一熱源的固定元件203a、間隔物202b、第二熱源的固定元件203b、間隔物202c和第三熱源的固定元件203c。優(yōu)選地，螺釘201、墊圈202a以及間隔物202b和202c中至少一個(gè)且優(yōu)選全部由絕熱材料制成。實(shí)例包括塑料、陶瓷和塑料復(fù)合材料(例如具有碳或玻璃纖維的塑料復(fù)合材料)。更優(yōu)選的是，材料具有高機(jī)械強(qiáng)度，高熔點(diǎn)和/或撓曲溫度(例如約100°C或更高，更優(yōu)選為約120°C或更高)和低導(dǎo)熱率(例如導(dǎo)熱率小于約幾十W · πΓ1 · Γ1的塑料或?qū)崧市∮诩s幾W · πΓ1 · Γ1的陶瓷)。更具體的實(shí)例包括塑料如PPS (聚亞苯基硫醚)、PEEK (聚醚醚酮)、Vesper (聚酰亞胺)、RENY (聚酰胺)等或者它們的碳或玻璃復(fù)合材料；以及低導(dǎo)熱率的陶瓷如Macor、熔融硅石、氧化錯(cuò)、Mullite、AccufIect 等。圖42提供了具有多個(gè)固定元件和控溫元件的裝置實(shí)施方案的放大圖。很明顯除了圖42所示的具體的固定結(jié)構(gòu)外，其它結(jié)構(gòu)也是可以的。因此在一個(gè)實(shí)施方案中，第一和/或第二固定元件(200，210)中的至少一個(gè)位于第一熱源20、第二熱源30、第三熱源40、第一絕熱體50和第二絕熱體60中的至少一個(gè)且優(yōu)選全部的的其它區(qū)域。也就是說(shuō)，盡管示出第三熱源40包含第二固定元件210，但是任何其它或所有的熱源和/或絕熱體也可包含第二固定元件210。在另一實(shí)施方案中，第一固定元件和/或第二固定元件(200，210)中的至少一個(gè)位于第一熱源20、第二熱源30、第三熱源40、第一絕熱體50和第二絕熱體60中的至少一個(gè)且優(yōu)選全部的內(nèi)部區(qū)域。盡管前述的本發(fā)明實(shí)施方案對(duì)于很多PCR應(yīng)用普遍有用，但經(jīng)常期望加上保護(hù)殼體。圖43A至B示出了一個(gè)實(shí)施方案。如所示，裝置10的特征為第一殼體元件300圍繞著第一熱源20、第二熱源30、第三熱源40、第一絕熱體50和第二絕熱體60。在該實(shí)施方案中，各第二固定元件210均具有翼形結(jié)構(gòu)，其與裝置10的其它結(jié)構(gòu)元件配合形成至少一個(gè)絕熱間隙，例如I個(gè)、2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)、6個(gè)、7個(gè)或8個(gè)這種間隙。各間隙可以用合適的絕熱材料填充，例如本文公開(kāi)的諸如氣體或固體絕熱體。對(duì)于許多應(yīng)用而言空氣是優(yōu)選的絕熱材料。絕熱間隙的存在提供了優(yōu)點(diǎn)，例如降低了裝置10的熱量損失，因此降低了功率消耗。
因此，在圖43A至B所示的實(shí)施方案中，第三熱源40包含4個(gè)第二固定元件210，其中每對(duì)第二固定元件限定出第三絕熱間隙310。具體地，圖43A示出了第三絕熱間隙310的四個(gè)部分，它們各自由第一殼體元件300和一對(duì)第二固定元件210限定。圖43A還示出了位于第一熱源20的底部和第一殼體元件300之間的第四絕熱間隙320。還示出了底座330,用于使固定的熱源懸在第一殼體兀件300內(nèi)，從而有助于形成第三絕熱間隙310和第四絕熱間隙320。經(jīng)常期望進(jìn)一步為本發(fā)明裝置添加外殼，例如以提供進(jìn)一步的保護(hù)和絕熱間隙。參照?qǐng)D44A至B，所述裝置還包含圍繞第一殼體元件300的第二殼體元件400。在該實(shí)施方案中，裝置10還包含由第一殼體元件300和第二殼體元件400所限定的第五絕熱間隙410。裝置10還可以包含位于第一殼體元件300的底部與第二殼體元件400的底部之間的第六絕熱間隙420。如期望，本發(fā)明裝置還可以包含至少一個(gè)風(fēng)扇單元，用來(lái)從裝置去除熱量。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述裝置包含位于第三熱源40之上的第一風(fēng)扇單元，用以從第三熱源40去除 熱量。如期望，所述裝置還可以包含位于第一熱源20之下的第二風(fēng)扇單元，用以從第一熱源20去除熱量。
整合了離心加速的對(duì)流PCR儀本發(fā)明的一個(gè)目的是提供“離心加速”作為本文所述裝置實(shí)施方案的任選的額外特征。如以上所討論的，認(rèn)為當(dāng)在流體內(nèi)產(chǎn)生豎直的溫度梯度(并且任選地或額外地，在使用位置或結(jié)構(gòu)不對(duì)稱時(shí)的水平方向上不對(duì)稱的溫度分布)時(shí)，可以使熱對(duì)流最優(yōu)。與豎直溫度梯度的大小成比例地產(chǎn)生的浮動(dòng)力驅(qū)動(dòng)流體內(nèi)的對(duì)流流動(dòng)。本發(fā)明裝置所產(chǎn)生的熱對(duì)流通常必須滿足引導(dǎo)PCR反應(yīng)的多種條件。例如，熱對(duì)流必須連續(xù)且重復(fù)地流過(guò)多個(gè)空間區(qū)域，同時(shí)保持各空間區(qū)域在適合于PCR反應(yīng)各步驟(即變性、退火和聚合步驟)的溫度范圍。此外，必須控制熱對(duì)流具有合適的速度，從而使得三個(gè)PCR反應(yīng)步驟的每個(gè)都有合適的時(shí)間。不希望受到任何理論的約束，認(rèn)為可以通過(guò)控制溫度梯度(更確切的是通過(guò)控制流體內(nèi)溫度梯度的分布)來(lái)控制熱對(duì)流。溫度梯度(dT/dS)取決于兩個(gè)參照位置的溫差(dT)和間距(dS)。因此，可以改變溫差或間距以控制溫度梯度。但是，在對(duì)流PCR裝置中，溫度(或其差異)和間距均不容易改變。樣品流體內(nèi)不同空間區(qū)域的溫度具有由適合三個(gè)PCR反應(yīng)步驟的各步驟的溫度所限定特定的范圍。沒(méi)有太多機(jī)會(huì)來(lái)改變樣品內(nèi)不同(通常至少是豎直方向上的不同)空間區(qū)域的溫度。此外，因?yàn)闃悠妨黧w的體積小，不同空間區(qū)域的豎直位置(為了產(chǎn)生用于引發(fā)浮動(dòng)力驅(qū)動(dòng)力的豎直溫度梯度)經(jīng)常受到限制。例如，PCR樣品的體積通常僅為約20至50微升，并且有時(shí)候更小。這樣的小體積和空間限制不允許自由地改變PCR反應(yīng)不同空間區(qū)域的豎直位置。如所討論的，浮動(dòng)力與豎直溫度梯度成比例，后者繼而取決于兩個(gè)參照點(diǎn)之間的溫差和間距。但是，除了這種依賴關(guān)系外，浮動(dòng)力還與重力加速度(地球上為g = 9. Sm/秒2)成比例。該力場(chǎng)參數(shù)恒定，是不能控制或改變的變量，而僅由萬(wàn)有引力定律所定義。因此，幾乎所有基于熱對(duì)流的PCR裝置都依賴于高度受限的特定結(jié)構(gòu)，不可避免的適用重力。本發(fā)明的離心加速度的使用為這個(gè)問(wèn)題提供了解決方案。通過(guò)使基于對(duì)流的PCR裝置承受離心加速度力場(chǎng)，無(wú)論限定溫度梯度大小的結(jié)構(gòu)為何，均可以控制浮動(dòng)力驅(qū)動(dòng)力的大小，從而在沒(méi)有太多限制的情況下控制對(duì)流速度。圖45A至B示出了根據(jù)本發(fā)明的PCR離心機(jī)500的一個(gè)實(shí)施方案。在該實(shí)施例中，裝置10連接至旋轉(zhuǎn)臂520，后者旋轉(zhuǎn)連接至馬達(dá)501。在該實(shí)施方案中，旋轉(zhuǎn)臂520包含傾斜軸530，其提供改變旋轉(zhuǎn)軸510與槽軸80之間的角度的自由度。只要得到預(yù)期目的，PCR離心機(jī)可以包含任何數(shù)目的裝置10，例如2個(gè)、4個(gè)、6個(gè)、8個(gè)、10個(gè)或甚至12個(gè)。裝置10可包含或不包含如以上所討論的保護(hù)殼體，但是具有一些保護(hù)殼體一般是有用的。傾斜軸530優(yōu)選配置為能夠相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸傾斜熱源的角度(更具體的是槽軸80的角度)的角度引入元件。傾斜角度可以根據(jù)轉(zhuǎn)速(即根據(jù)離心加速度的大小)進(jìn)行調(diào)整，這樣圖46中所示的槽軸80與凈加速度矢量之間的傾斜角度可以在約0°至約60°之間進(jìn)行調(diào)整。在一個(gè)實(shí)施方案中，圖45A中的角度引入元件為旋轉(zhuǎn)軸(顯示為圓圈)，其位于水平臂與熱源組件所處的臂之間的連接區(qū)域中心。在圖45A至B所示實(shí)施方案中，置于裝置10內(nèi)的反應(yīng)容器內(nèi)的樣品流體除了承受重力加速度力外，還承受離心加速度力。參見(jiàn)圖46。應(yīng)理解，離心加速度g。的方向與離心旋轉(zhuǎn)軸垂直(并且向外)，并且其大小由式g。= Rω2給出，其中R是離心旋轉(zhuǎn)軸到樣品流體的距離，ω是角速度，單位為弧度/秒。例如，當(dāng)R= IOcm并且離心旋轉(zhuǎn)的速度為IOOrpm(對(duì)應(yīng)于ω =約10. 5弧度/秒)時(shí)，離心加速度的大小為約Ilm/秒2，類似于地球上的重力加速度。因?yàn)殡x心加速度與旋轉(zhuǎn)速度的平方(或角速度的平方)成比例，所以離心加速度隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加二次方地增加，例如，當(dāng)R= IOcm時(shí)，在200rpm時(shí)約為重力加速度的4. 5倍，在1，OOOrpm時(shí)約為112倍，而在10，OOOrpm時(shí)約為11，200倍。通過(guò)采用這樣的離心加速度可以自由控制作用在樣品流體上的凈力場(chǎng)的大小。因此，可以根據(jù)需要控制(通常為增加)浮動(dòng)力，從而使對(duì)流速度和所需要的一樣快。實(shí)際上，只要在樣品流體中可以產(chǎn)生小的豎直溫度梯度，對(duì)于將熱對(duì)流引導(dǎo)至足以進(jìn)行非常高速的PCR反應(yīng)的極高流速幾乎沒(méi)有限制。因此，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明與離心加速度組合后，可以最小化或避免之前對(duì)于熱源組件和使用的限制。 如圖46所示，使樣品流體承受由添加離心加速度和重力加速度所產(chǎn)生的凈力場(chǎng)。在一個(gè)典型的實(shí)施方案中，槽軸80平行于凈力場(chǎng)，或相對(duì)于凈力場(chǎng)有傾斜角度Θ c。如所討論的，為了使對(duì)流流動(dòng)保持在穩(wěn)定的路線，一般優(yōu)選存在傾斜角。傾斜角Ge為約2°至約60°，更優(yōu)選為約5°至約30°。應(yīng)理解，圖I和2A至C示出了用于舉例說(shuō)明PCR離心機(jī)500的裝置實(shí)施方案。但是，PCR離心機(jī)500適于使用本文所述一個(gè)本發(fā)明裝置或不同本發(fā)明裝置的組合。具體地，只要可以在樣品內(nèi)產(chǎn)生小的豎直溫度梯度，PCR離心機(jī)500還可以與幾乎任何類型的本文所述熱源結(jié)構(gòu)和反應(yīng)容器一起使用。例如，幾乎任何上文和別處(例如Benett等的W002/072267和Malmquist等的美國(guó)專利NO. 6，783，993)所描述的熱源結(jié)構(gòu)都可以與本發(fā)明的離心元件組合，從而加強(qiáng)裝置的擴(kuò)增速度和性能。此外，在典型的重力驅(qū)動(dòng)模式中不可操作(或者不能用來(lái)提供高PCR擴(kuò)增速度)的其它熱源結(jié)構(gòu)在與離心加速度結(jié)構(gòu)組合后可以被操作。例如，不包含本文所述室而僅包含槽結(jié)構(gòu)的熱源也可以被操作。例如，參見(jiàn)PCT/KR02/01900, PCT/KR02/01728和美國(guó)專利No. 7，238，505。在該實(shí)施方案中，無(wú)室的現(xiàn)有熱源結(jié)構(gòu)提供了改變緩慢的第二熱源內(nèi)的溫度分布，推測(cè)這是由于從第二熱源的高熱傳遞。結(jié)果是第二熱源內(nèi)的小的溫度梯度。僅利用重力，熱對(duì)流對(duì)于許多PCR應(yīng)用而言是不令人滿意或太慢的。但是，根據(jù)本發(fā)明引入離心加速度可以使熱對(duì)流足夠快并且穩(wěn)定，從而成功和有效地引導(dǎo)PCR反應(yīng)。在熱對(duì)流PCR離心機(jī)500的典型運(yùn)行中，旋轉(zhuǎn)軸510基本上平行于重力方向。參見(jiàn)圖46。在該實(shí)施方案中，槽軸80基本上平行于由重力和離心力產(chǎn)生的凈力的方向或相對(duì)于其傾斜。也就是說(shuō)，槽軸80可以相對(duì)于由重力和離心力產(chǎn)生的凈力的方向傾斜。對(duì)于大多數(shù)實(shí)施方案而言，槽軸80和凈力方向之間的傾斜角度ec為約2°至約60°。傾斜軸530適于控制槽軸80與凈力之間的角度。在運(yùn)行中，旋轉(zhuǎn)軸510通常位于第一熱源20、第二熱源30和第三熱源40的外部?？商鎿Q地，旋轉(zhuǎn)軸510基本上位于或接近于第一熱源20、第二熱源30和第三熱源40的中心。在這些實(shí)施方案中，裝置10包含相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸510同軸定位的多個(gè)槽70。
圓形熱源在熱對(duì)流PCR離心機(jī)的另一實(shí)施方案中，一個(gè)或更多個(gè)熱源為圓形或半圓形。圖 47A至B、48A至C、49A至B和50A至C示出了這種熱源結(jié)構(gòu)的具體實(shí)施方案。圖47A至B示出了經(jīng)離心加速之對(duì)流PCR裝置的具體實(shí)施方案的豎直剖面。具體地，圖47A和47B分別示出了沿槽和固定元件區(qū)域的截面。這兩個(gè)剖面在圖48A至C中限定，它們分別示了第一熱源20、第二熱源30和第三熱源40的水平俯視圖。如圖47A至B中所示，將三個(gè)圓形熱源裝配以形成通過(guò)旋轉(zhuǎn)臂520旋轉(zhuǎn)連接至PCR離心機(jī)500的旋轉(zhuǎn)軸510的裝置實(shí)施方案。熱源組件的中心相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸510同軸布置，從而離心旋轉(zhuǎn)半徑由旋轉(zhuǎn)臂從旋轉(zhuǎn)軸至槽70中心的水平長(zhǎng)度所確定。三個(gè)熱源20、30和40彼此基本上平行地裝配，其中一個(gè)熱源的頂部面對(duì)毗鄰熱源的底部。如另外所示的，熱源組件相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸被定向，從而槽軸80平行于圖46所示的凈加速度矢量或從其傾斜。圖48A至C所示的三個(gè)熱源通過(guò)使用一組第一固定元件裝配，所述第一固定元件包含如圖47B所示熱源中形成的螺釘201、間隔物或墊圈202a至c以及固定元件203a至
C。使用圖47B和48C所示的第三熱源40中形成的第二固定元件210在第一殼體元件300內(nèi)安裝裝置。幾乎任何本申請(qǐng)公開(kāi)的裝置實(shí)施方案(包括多種槽和室結(jié)構(gòu))都可以用于本文所述離心加速的熱對(duì)流PCR裝置。但是也可以使用沒(méi)有任何室結(jié)構(gòu)的裝置。圖49A和50A至C示出了一個(gè)實(shí)例，其中每個(gè)熱源都適于僅提供槽，即槽70作為在第一熱源20中具有封閉底端的孔形成，并且經(jīng)過(guò)第二熱源30延伸至第三熱源40。作為另一實(shí)施方案，圖47A示出了一個(gè)實(shí)例的豎直剖面，其中將在第二熱源的底部具有第一熱制動(dòng)器130的室結(jié)構(gòu)100與槽結(jié)構(gòu)組合使用。圖48B示出了第二熱源的水平俯視圖，其包含圖47A的實(shí)例中所使用的室100和第一熱制動(dòng)器130。第一熱源和第三熱源分別具有與圖50A和50C相同的結(jié)構(gòu)。在前述熱對(duì)流PCR離心機(jī)的一個(gè)實(shí)施方案中，所述裝置被制成便攜的并且優(yōu)選利用電池運(yùn)行。例如，圖45A至B中所示的實(shí)施方案可用于高通量大規(guī)模的PCR擴(kuò)增。在該實(shí)施方案中，所述裝置可以用作獨(dú)立的模塊，因此可以被簡(jiǎn)單地在離心單元上裝載和拆卸。
反應(yīng)容器合適的裝置的槽適于在裝置內(nèi)容納反應(yīng)容器，從而可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果。在大多數(shù)情況下，槽具有的構(gòu)造基本上與反應(yīng)容器下部的構(gòu)造相同。在該實(shí)施方案中，反應(yīng)容器的外部形狀(特別是下部)基本與槽的豎直和水平形狀一致。反應(yīng)容器的上部(即朝向頂端)可根據(jù)預(yù)期用途具有幾乎任何形狀。例如，反應(yīng)容器的上部可以具有更大的寬度或直徑，以方便引入樣品，并且其可以包含蓋以在引入待進(jìn)行熱對(duì)流PCR的樣品后封閉反應(yīng)容器。在合適的反應(yīng)容器的一個(gè)實(shí)施方案中，參照?qǐng)D5A至D，反應(yīng)容器的外部形狀可以與槽70上至槽70頂端71的形狀相同。反應(yīng)容器的內(nèi)部的形狀可以具有與反應(yīng)容器的外部不同的形狀(如果反應(yīng)容器的壁厚度被制成不同)。例如，水平剖面的外部形狀可以是圓形的而內(nèi)部形狀是橢圓形的，反之亦然。外部和內(nèi)部形狀的不同組合是可以的，只要適當(dāng)挑選外部形狀以提供與熱源的適當(dāng)熱接觸，并且適當(dāng)挑選內(nèi)部形狀用于預(yù)期的熱對(duì)流模式。但是，在一些典型的實(shí)施方案中，反應(yīng)容器的壁厚度大致恒定或變化不大，即反應(yīng)容器的內(nèi)部形狀通常與外部形狀一致或相似。盡管壁厚度可以根據(jù)所使用的材料變化，但其通常為約O. Imm至約O. 5mm,更優(yōu)選為約O. 2mm至約O. 4_。
如期望，反應(yīng)容器的豎直形狀也可以定形為形成線形或錐形管，以適合如圖5A至D中所示的槽。當(dāng)為錐形時(shí)，反應(yīng)容器可以從頂部向底部或者從底部向頂部逐漸變細(xì)，但是從頂部向底部逐漸變細(xì)(呈線性)的反應(yīng)容器一般是優(yōu)選的，對(duì)槽也是如此。反應(yīng)容器的錐度角Θ通常為約0°至約15°，更優(yōu)選為約2°至約10°。也可以將反應(yīng)容器的底端制成平的、圓的或彎曲的，如圖5A至D中所示槽的底端一樣。當(dāng)?shù)锥藶閳A的或彎曲的時(shí)，它可以具有凸面或凹面形狀，其曲率半徑等于或大于底端水平形狀的半徑或半寬。平的或近乎平的底端比其它形狀更為優(yōu)選，因?yàn)樗梢蕴峁┰鰪?qiáng)的熱傳遞從而有利于變性過(guò)程。在這些優(yōu)選實(shí)施方案中，平或接近于平的底端的曲率半徑比底端水平形狀的半徑或半寬大出至少兩倍。同樣如期望，可以將反應(yīng)容器的水平形狀制成多種不同的形狀，但是具有特定對(duì)稱的形狀一般是優(yōu)選的。圖6A至J示出了具有特定對(duì)稱的槽的水平形狀的一些例子。可以制造適合這些形狀的可用反應(yīng)容器。例如，反應(yīng)容器可以具有與圖6A、D、G和J所示槽70的形狀大致相同的圓形(上、左)、正方形(中、左)或圓角正方形(下、左)水平形狀。因此，反應(yīng)容器水平形狀的寬度可以大于長(zhǎng)度(反之亦然)，例如與圖6B、E和H中間列所示的槽70大致相同的橢圓形(上、中)、矩形(中、中)或圓角矩形(下、中)。當(dāng)具有在一側(cè)向上(例如在左側(cè))而在相對(duì)側(cè)向下(例如在右側(cè))的對(duì)流模式時(shí)，反應(yīng)容器的這種水平形狀很有用。由于相比長(zhǎng)度具有相對(duì)較大的寬度形狀，可以減少向上和向下對(duì)流流動(dòng)之間的干擾，產(chǎn)生更平穩(wěn)的循環(huán)流動(dòng)。反應(yīng)容器可以具有一側(cè)比相對(duì)側(cè)更窄的水平形狀。在圖6A至J的右列示出了槽形狀的一些實(shí)例。具體地，可以將反應(yīng)容器制成使反應(yīng)容器的左側(cè)比右側(cè)更窄，如圖6C、F和I所示的槽70。當(dāng)具有在一側(cè)向上(例如在左側(cè))而在相對(duì)側(cè)向下(例如在右側(cè))的對(duì)流模式時(shí)，這種水平形狀也很有用。此外，當(dāng)具有這種形狀時(shí)，可以控制(通常是降低)相對(duì)于向上流動(dòng)的向下流動(dòng)(例如在右側(cè))的速度。因?yàn)闃悠返倪B續(xù)介質(zhì)中對(duì)流必須是連續(xù)的，當(dāng)截面面積變大時(shí)流速應(yīng)該降低(反之亦然)。這種特征對(duì)于提高聚合效率尤其重要。聚合步驟通常發(fā)生在向下流動(dòng)期間(即在退火步驟后)，因此可以通過(guò)減慢向下流動(dòng)(相比于向上流動(dòng))來(lái)延長(zhǎng)擴(kuò)增步驟的時(shí)間，從而產(chǎn)生更有效的PCR擴(kuò)+
>曰ο圖51A至D提供了合適的反應(yīng)容器的另一些實(shí)例。如所示，反應(yīng)容器90包含頂端91和底端92，這些端包含限定反應(yīng)容器中軸95的中心點(diǎn)。反應(yīng)容器90還由外壁93和內(nèi)壁94所限定，其圍繞容納PCR反應(yīng)混合物的區(qū)域。在圖51A至B中，反應(yīng)容器90從頂端91向低端92逐漸變細(xì)。一般有用的錐度角(Θ)為約0°至約15°，優(yōu)選為約2°至約10°。在圖51A所示的實(shí)施方案中，反應(yīng)容器90具有平的或接近平的底端92，而在圖52B所示的實(shí)施例中，底端是彎曲的或圓的。在圖51A至D中標(biāo)出了槽的頂端71和底端72。圖51C至D提供了合適的反應(yīng)容器的實(shí)例，其從頂端91向底端92為直壁。圖51C所示的反應(yīng)容器90具有平的或近似平的底端92，而在圖51D所示的實(shí)施例中，底端為彎曲的或圓的。 優(yōu)選地，圖51A至D所示反應(yīng)容器90之外壁93的豎直長(zhǎng)寬比為至少約4至約15，優(yōu)選約5至約10。反應(yīng)容器的水平長(zhǎng)寬比由對(duì)應(yīng)于上至槽70頂端71的位置的高(h)與寬(wl)之比確定(如同槽的情況)。外壁93的水平長(zhǎng)寬比通常為約I至約4。水平長(zhǎng)寬比由分別沿彼此垂直且與槽軸垂直的第一和第二方向的反應(yīng)容器的第一寬度(wl)與第二寬度(w2)之比確定。優(yōu)選地，反應(yīng)容器90沿反應(yīng)容器軸95的高度為至少約6mm至約35mm。在該實(shí)施方案中，外壁的平均寬度為約Imm至約5mm,反應(yīng)容器內(nèi)壁的平均寬度為約O. 5mm至約 4. 5mmο圖52A至J示出了適用于本發(fā)明的反應(yīng)容器的水平截面圖。只要能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期結(jié)果，本發(fā)明適用其它反應(yīng)容器構(gòu)造。因此，可用的反應(yīng)容器水平形狀可以是圓形、半圓形、菱形、正方形、圓角正方向、橢圓形、平行四邊形、矩形、圓角矩形、卵形、三角形、圓角三角形、梯形、圓角梯形或長(zhǎng)橢圓形中的一種或其組合。在很多實(shí)施方案中，內(nèi)壁相對(duì)于反應(yīng)容器軸基本對(duì)稱布置。例如，反應(yīng)容器壁的厚度可以為約O. Imm至約O. 5_。優(yōu)選地，反應(yīng)容器壁的厚度沿著反應(yīng)容器軸95基本不變。在反應(yīng)容器90的一個(gè)實(shí)施方案中，將內(nèi)壁94布置為相對(duì)于反應(yīng)容器軸95偏離中心。例如，反應(yīng)容器壁的厚度為約O. Imm至約1_。優(yōu)選地，反應(yīng)容器壁的厚度在一側(cè)比另一側(cè)薄至少約O. 05或O. 1mm。如所討論的，合適的反應(yīng)容器底端可以是平的、彎曲的或圓的。在一個(gè)實(shí)施方案中，底端相對(duì)于反應(yīng)容器軸基本對(duì)稱布置。在另一實(shí)施方案中，底端相對(duì)于反應(yīng)容器軸基本不對(duì)稱布置。底端可以是封閉的，并且可以包含塑料、陶瓷或玻璃或由它們組成。對(duì)于一些反應(yīng)，反應(yīng)容器還可以包含固定化的DNA聚合酶。幾乎本文所述的任何反應(yīng)容器都可以包含與反應(yīng)容器密封接觸的蓋。在反應(yīng)容器與本發(fā)明的、熱對(duì)流PCR離心機(jī)一起使用的一些實(shí)施方案中，通過(guò)離心旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生相對(duì)大的力。優(yōu)選地，槽和反應(yīng)容器具有較小的直徑或?qū)挾?，這樣可以使用大的豎直形狀。槽和反應(yīng)容器外壁的直徑或?qū)挾葹橹辽偌sO. 4mm至多至約4 5mm,并且反應(yīng)容器內(nèi)壁的直徑或?qū)挾葹橹辽偌sO. Imm至多至約3. 5 4. 5mm。
包含光學(xué)檢測(cè)單元的對(duì)流PCR儀本發(fā)明的一個(gè)目的是提供“光學(xué)檢測(cè)”作為本文所述裝置實(shí)施方案的額外特征。在PCR反應(yīng)期間或之后快速準(zhǔn)確地檢測(cè)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)的過(guò)程或結(jié)果很重要。通過(guò)提供同時(shí)擴(kuò)增和檢測(cè)PCR反應(yīng)的裝置和方法，光學(xué)檢測(cè)特征對(duì)于這些需求可非常有用。在一些典型的實(shí)施方案中，將可根據(jù)擴(kuò)增的PCR產(chǎn)物量產(chǎn)生光學(xué)信號(hào)的可檢測(cè)探針引入樣品中，在不打開(kāi)反應(yīng)容器的情況下，在PCR反應(yīng)期間或之后監(jiān)控或檢測(cè)來(lái)自可檢測(cè)探針的光學(xué)信號(hào)?？蓹z測(cè)探針通常為可檢測(cè)的DNA結(jié)合劑，它根據(jù)與DNA分子的結(jié)合或不結(jié)合或者與PCR反應(yīng)和/或PCR產(chǎn)物的相互作用來(lái)改變其光學(xué)性質(zhì)。有用的可檢測(cè)探針的例子包括但不限于能結(jié)合雙鏈DNA的嵌入染料和多種具有可檢測(cè)標(biāo)記的寡核苷酸探針?？梢杂糜诒景l(fā)明的可檢測(cè)探針通常根據(jù)PCR擴(kuò)增來(lái)改變其熒光性質(zhì)，例如熒光強(qiáng)度、波長(zhǎng)或偏振。例如，嵌入染料(例如SYBR green UYO-PRO I、溴化乙錠和類似染料)在染料與雙鏈DNA結(jié)合時(shí)產(chǎn)生增強(qiáng)或活化的熒光信號(hào)。因此，可以檢測(cè)來(lái)自這些嵌入染料的熒光信號(hào)，以監(jiān)控PCR產(chǎn)物的擴(kuò)增量。利用嵌入染料進(jìn)行檢測(cè)對(duì)于雙鏈DNA序列是非特異性的。多種可以與本發(fā)明一起使用的寡核苷酸探針在本領(lǐng)域是已知的。這些寡核苷酸探針通常具有至少一種可檢測(cè)標(biāo)記以及可以與擴(kuò)增的PCR產(chǎn)物或模板特異性雜交的核酸序列。因此，能夠進(jìn)行經(jīng)擴(kuò)增PCR產(chǎn)物的序列特異性檢測(cè)，包括等位基因的區(qū)分。寡核苷酸探針通常標(biāo)記有相互反應(yīng)的標(biāo)記物對(duì)，例如兩種突光劑的對(duì)，或者一種突光劑與一種淬滅劑的對(duì)，兩個(gè)標(biāo)記物之間的相互反應(yīng)(例如“熒光共振能量轉(zhuǎn)移”和“無(wú)熒光能量轉(zhuǎn)移”)隨著它們之間距離的變短而增強(qiáng)。大多數(shù)寡核苷酸探針被設(shè)計(jì)成使這兩種相互反應(yīng)的標(biāo)記之間的距 離由其與靶DNA序列的結(jié)合(通常為較長(zhǎng)距離)或未結(jié)合(通常為較短距離)來(lái)調(diào)控。這種依賴于雜交的距離調(diào)控導(dǎo)致熒光強(qiáng)度或熒光波長(zhǎng)根據(jù)PCR產(chǎn)物的擴(kuò)增量而改變(增加和減少)。在另一些類型的寡核苷酸探針中，探針被設(shè)計(jì)成在PCR反應(yīng)的延伸步驟中進(jìn)行特定的化學(xué)反應(yīng)，例如熒光劑標(biāo)記由于DNA聚合酶的5’ -3’核酸酶活性或者探針序列的延伸而水解。這種依賴于PCR反應(yīng)的探針改變導(dǎo)致來(lái)自熒光劑的熒光信號(hào)被活化或增強(qiáng)，從而成為PCR產(chǎn)物量的改變的信號(hào)。多種合適的可檢測(cè)探針和用于檢測(cè)這些探針的設(shè)備在以下中描述美國(guó)專利 No. 5，210，015、No. 5，487，972、No. 5，538，838、No. 5，716，784、No. 5，804，375、No. 5，925，517、No. 5，994，056、No. 5，475，610、No. 5，602，756、No. 6，028，190、No. 6，030，787、No. 6，103，476、No. 6，150，097、No. 6，171，785、No. 6，174，670、No. 6，258，569、No. 6，326，145、No. 6，365，729、No. 6，703，236、No. 6，814，934、No. 7，238，517、No. 7，504，241、No. 7，537，377以及非美國(guó)的對(duì)應(yīng)申請(qǐng)和專利。本文所使用的詞組“光學(xué)檢測(cè)單元”(包括復(fù)數(shù)形式)是指用來(lái)檢測(cè)PCR擴(kuò)增的設(shè)備，其適用于本文公開(kāi)的一種或更多種PCR熱對(duì)流裝置和PCR方法。配置優(yōu)選的光學(xué)檢測(cè)單元以檢測(cè)熒光信號(hào)，例如在PCR擴(kuò)增反應(yīng)進(jìn)行時(shí)。通常，該設(shè)備提供信號(hào)的檢測(cè)，并且優(yōu)選地提供其定量而無(wú)需打開(kāi)可操作連接至裝置的至少一個(gè)反應(yīng)容器。如期望，可以配置光學(xué)檢測(cè)單元和本發(fā)明的一種或更多種PCR熱對(duì)流儀來(lái)檢測(cè)反應(yīng)容器中核酸的擴(kuò)增量(例如，實(shí)時(shí)或定量PCR擴(kuò)增)。通常用于本發(fā)明的光學(xué)檢測(cè)單元包含一個(gè)或更多個(gè)可操作性組合的以下組件合適的光源、透鏡、濾光器、鏡子和分束器，以檢測(cè)通常在約400nm至約750nm之間的可見(jiàn)區(qū)的熒光。優(yōu)選的光學(xué)檢測(cè)單元位于反應(yīng)容器的下方、上方和/或側(cè)面，以足以接收和輸出檢測(cè)反應(yīng)容器內(nèi)的PCR擴(kuò)增的光。如果光學(xué)檢測(cè)單元能夠穩(wěn)定、靈敏和快速地檢測(cè)本發(fā)明熱對(duì)流PCR裝置中進(jìn)行的PCR擴(kuò)增，那么該光學(xué)檢測(cè)單元就適用于所述裝置。在一個(gè)實(shí)施方案中，熱對(duì)流PCR儀包含能夠檢測(cè)反應(yīng)容器中樣品的光學(xué)性質(zhì)的光學(xué)檢測(cè)單元。待檢測(cè)的光學(xué)性質(zhì)優(yōu)選為在一個(gè)或更多個(gè)波長(zhǎng)(取決于所使用的可檢測(cè)探針)的熒光，但是有時(shí)候檢測(cè)樣品的吸光率也有用。當(dāng)檢測(cè)來(lái)自樣品的熒光時(shí)，光學(xué)檢測(cè)單元用激發(fā)光照射樣品(或者一部分，或者整個(gè)樣品)并且檢測(cè)來(lái)自樣品的熒光信號(hào)。激發(fā)光的波長(zhǎng)通常比熒光短。在檢測(cè)吸光率的情況下，光學(xué)檢測(cè)單元用光(通常以選定的波長(zhǎng)或掃描波長(zhǎng))照射樣品，并且測(cè)量穿過(guò)樣品之前和之后的光強(qiáng)度。一般優(yōu)選熒光檢測(cè)，這是因?yàn)槠涓`敏并且對(duì)待檢測(cè)的目標(biāo)分子特異。涉及以下圖和描述意在對(duì)包含用于熒光檢測(cè)之光學(xué)檢測(cè)單元的熱對(duì)流PCR儀提供更深理解。而不是意圖并且不應(yīng)當(dāng)理解為限制本發(fā)明的范圍。參見(jiàn)圖80A至B，該裝置實(shí)施方案的特征為一個(gè)或更多個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元600至603，其從反應(yīng)容器90的底端92或者槽70的底端72可操作地檢測(cè)來(lái)自反應(yīng)容器90中樣品的熒光信號(hào)。圖80A示出了一個(gè)實(shí)施方案，其中使用單個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元600檢測(cè)來(lái)自多個(gè)反應(yīng)容器90的熒光。在該實(shí)施方案中，產(chǎn)生寬的激發(fā)光束(以向上箭頭示出)以照射多個(gè)反應(yīng)容器，并且檢測(cè)來(lái)自多個(gè)反應(yīng)容器90的熒光信號(hào)(以向下箭頭示出)。在該實(shí)施方案中，用來(lái)檢測(cè)熒光的檢測(cè)器650(例如見(jiàn)圖83)優(yōu)選具有成像能力，從而可以從熒光圖像中區(qū)分來(lái)自不同反應(yīng)容器的熒光信號(hào)。可替換地，可以整合入多個(gè)檢測(cè)器650，各檢測(cè)器用來(lái)檢測(cè)來(lái)自各自反應(yīng)容器的熒光信號(hào)。在圖80B所示實(shí)施方案中，整合了多個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元601至603。在該實(shí)施方案 中，各光學(xué)檢測(cè)單元用激發(fā)光照射各自反應(yīng)容器90中的樣品，并且檢測(cè)來(lái)自各樣品的熒光信號(hào)。該實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)在于更精確地控制各反應(yīng)容器的激發(fā)譜，并且還同時(shí)且獨(dú)自地測(cè)量來(lái)自不同反應(yīng)容器的不同熒光信號(hào)。這種實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)還在于構(gòu)建出小型化的裝置，這是因?yàn)樵趩蝹€(gè)光學(xué)檢測(cè)單元的實(shí)施方案中產(chǎn)生寬激發(fā)光束需要較大的光學(xué)元件和較大的光路徑，而該實(shí)施方案可以避免這些。再參見(jiàn)圖80A至B，在光學(xué)檢測(cè)單元600至603位于反應(yīng)容器90的底端92時(shí)，第一熱源20包含用于每個(gè)槽70的光學(xué)端口 610，來(lái)向激發(fā)光或發(fā)射光到達(dá)反應(yīng)容器70提供路徑。光學(xué)端口 610可以是通孔或者由光學(xué)透明或半透明材料制成(部分或整個(gè))的光學(xué)元件，所述材料如玻璃、石英或具有這種光學(xué)性質(zhì)的聚合物材料。如果光學(xué)端口 610被制成通孔，光學(xué)端口的直徑或?qū)挾韧ǔＰ∮诓?0的底端72或反應(yīng)容器90的底端92的直徑或?qū)挾?。在圖80A至B所示的實(shí)施方案中，反應(yīng)容器90的底端92也作為光學(xué)端口使用。因此，一般期望反應(yīng)容器90的全部或者至少是底端92由光學(xué)透明或半透明材料制成。在圖81A至B中，該裝置實(shí)施方案的特征為具有位于反應(yīng)容器90的頂端91上方的單個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元600 (圖81A)或多個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元601至603 (圖81B)。另外，當(dāng)整合入單個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元600時(shí)(圖81A)，產(chǎn)生寬的激發(fā)光束(以向下箭頭示出)以照射所述多個(gè)反應(yīng)容器，并且檢測(cè)來(lái)自多個(gè)反應(yīng)容器90的熒光信號(hào)(以向上箭頭示出)。在整合入多個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元601至603時(shí)(圖81B)，各光學(xué)檢測(cè)單元用激發(fā)光照射各自的反應(yīng)容器90中的樣品，并且檢測(cè)來(lái)自各自樣品的熒光信號(hào)。在圖81A至B所示實(shí)施方案中，通常將適合反應(yīng)容器90頂端(開(kāi)口)91的反應(yīng)容器蓋(未示出)的中心部分作為激發(fā)和發(fā)射光的光學(xué)端口。因此，反應(yīng)容器蓋的全部或者至少中心部分由光學(xué)透明或半透明材料制成。圖82示出了裝置實(shí)施方案，其特征為位于反應(yīng)容器90側(cè)面的光學(xué)檢測(cè)單元600。在該特定實(shí)施方案中，光學(xué)端口 610形成在第二熱源30的側(cè)面。可替換地，光學(xué)端口 610可以形成在第一熱源20、第二熱源30和第三熱源40，以及第一絕熱體50和第二絕熱體60中的任意一個(gè)或更多個(gè)的側(cè)面，這取決由特定應(yīng)用目的所需要的熒光檢測(cè)的位置。在該實(shí)施方案中，沿光路徑的反應(yīng)容器90的側(cè)面部分和第一室100的部分也作為光學(xué)端口，因此反應(yīng)容器90和第一室100的全部或至少部分由光學(xué)透明或半透明材料制成。當(dāng)光學(xué)檢測(cè)單元600位于反應(yīng)容器90的側(cè)面時(shí)，槽90通常形成線形或圓形布置的一個(gè)或兩個(gè)排列。槽70的這種布置使得能夠檢測(cè)來(lái)自每個(gè)槽70或反應(yīng)容器90的熒光信號(hào)，而不受其它槽的干擾。在以上所述的實(shí)施方案中，激發(fā)和熒光檢測(cè)均在相對(duì)于反應(yīng)容器90的同側(cè)進(jìn)行，因此激發(fā)部件和熒光檢測(cè)部件二者位于同側(cè)，通常位于光學(xué)檢測(cè)單元600至603的同一區(qū)間內(nèi)。例如，在圖80A至B所示的實(shí)施方案中，包含這兩種部件的光學(xué)檢測(cè)單元600至603位于反應(yīng)容器90的底端92。類似地，在圖81A至B所示的實(shí)施方案中，整個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元位于反應(yīng)容器90的頂端91的上方，而在圖82所示的實(shí)施方案中，位于反應(yīng)容器90的側(cè)面部分?？商鎿Q地，可以調(diào)整光學(xué)檢測(cè)單元600至603以使激發(fā)光部件和熒光檢測(cè)部件分開(kāi)定位。例如，激發(fā)部件位于反應(yīng)容器90的底部(或頂部)，而熒光檢測(cè)部件位于反應(yīng)容器90的頂部(底部)或者側(cè)面部分。在另一些實(shí)施方案中，激發(fā)部件可 位于反應(yīng)容器90的一側(cè)(例如左側(cè))，而熒光檢測(cè)部件可位于另一側(cè)(例如，頂側(cè)、底側(cè)、右側(cè)、前側(cè)或后側(cè)；或者除了激發(fā)一側(cè)外的側(cè)面部分)。光學(xué)檢測(cè)單元600至603通常包含激發(fā)部件(產(chǎn)生具有選定波長(zhǎng)的激發(fā)光)和熒光檢測(cè)部件(檢測(cè)來(lái)自反應(yīng)容器90的樣品的熒光信號(hào))。激發(fā)部件通常包含光源、波長(zhǎng)選擇元件和/或光束成形元件的組合。光源的實(shí)例包括但不限于弧光燈(例如汞弧燈、氙弧燈和金屬-鹵化物弧燈)、激光和發(fā)光二級(jí)管(LED)?；」鉄敉ǔ．a(chǎn)生多波段或?qū)挷ǘ蔚墓?，而激光和LED通常產(chǎn)生單色光或窄波段的光。波長(zhǎng)選擇元件用于從光源產(chǎn)生的光中選擇激發(fā)光波長(zhǎng)。波長(zhǎng)選擇元件的實(shí)例包括與裂縫或孔(用于選擇波長(zhǎng))組合的光柵或棱鏡(用于分散光)，以及濾光器(用于傳播選定的波長(zhǎng))。一般優(yōu)選濾光器，因?yàn)樗梢砸孕〉某叽缬行У剡x擇特定波長(zhǎng)，并且相對(duì)便宜。優(yōu)選的濾光器為具有薄膜涂層的干擾濾光器，其可以傳播特定波段的光(帶通濾光器)或者波長(zhǎng)比特定截?cái)嘀?cut-on value)波長(zhǎng)更長(zhǎng)(長(zhǎng)通濾光器)或更短(短通濾光器)的光。聲光濾波器和液晶可調(diào)濾波器可以是極好的波長(zhǎng)選擇元件，這是因?yàn)楸M管相對(duì)昂貴，但這些濾波器種類可以以小的尺寸快速精確地通過(guò)電子控制改變傳播波長(zhǎng)。也可以用有色濾光玻璃作為波長(zhǎng)選擇元件，以作為其它種類的波長(zhǎng)選擇元件的便宜代替物或與它們組合，從而增強(qiáng)對(duì)不期望的光(例如，IR、UV或其它散射光)的排除。濾光器的選擇取決于光源產(chǎn)生的光的性質(zhì)和激發(fā)光的波長(zhǎng)，以及裝置的其它幾何學(xué)需求，例如尺寸。使用光學(xué)成形元件來(lái)使發(fā)射光束成形并且對(duì)其進(jìn)行引導(dǎo)。光束成形元件可以是透鏡(凸或凹)、鏡子(凸、凹或橢圓)和棱鏡中的任一種或它們的組合。熒光檢測(cè)部件通常包含檢測(cè)器、波長(zhǎng)選擇元件和/或光束成形元件的組合。檢測(cè)器的實(shí)例包括但不限于光電倍增管(PMT)、光電二極管、電荷耦合器件(charge-coupleddevice, CCD)和攝影機(jī)。光電倍增管通常最為靈敏。因此，在熒光信號(hào)非常弱使得靈敏性成為關(guān)鍵因素時(shí)，光電倍增管可以是適當(dāng)?shù)倪x擇。但是，如果需要小尺寸和成像能力，光電倍增管就不合適(因?yàn)槠涑叽绱?。用例如微通道板增強(qiáng)的(XD、硅光電二極管和攝影機(jī)可具有類似于光電倍增管的靈敏度。如果不需要對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行成像但小型化很重要(例如在各反應(yīng)容器都具有光學(xué)檢測(cè)單元的實(shí)施方案中)，具有或不具有增強(qiáng)器的光電二極管或C⑶是好的選擇，因?yàn)檫@些元件小且相對(duì)便宜。如果需要成像(例如在針對(duì)多個(gè)反應(yīng)容器具有單個(gè)光學(xué)檢測(cè)元件的實(shí)施方案中)，可以整合入CCD列陣、光電二極管陣列或攝影機(jī)(同樣具有或不具有增強(qiáng)器)。與激發(fā)部件類似，使用波長(zhǎng)選擇元件從由樣品收集的光中選擇發(fā)射波長(zhǎng)，而使用光束成形元件來(lái)成形并引導(dǎo)發(fā)射光，從而進(jìn)行有效檢測(cè)。波長(zhǎng)選擇元件和光束成形元件的實(shí)例與對(duì)激發(fā)部件描述的例子相同。除了上述的光學(xué)元件外，光學(xué)檢測(cè)單元可以包含分束器。在激發(fā)部件和熒光檢測(cè)部件相對(duì)于反應(yīng)容器90位于同側(cè)時(shí),分束器尤其有用。在這樣的實(shí)施方案中，激發(fā)和發(fā)射光束的路徑(沿相反方向)彼此與對(duì)方一致，因此有必要利用分束器分開(kāi)光束路徑。通常有用的分束器為二色分束器或二色鏡，其具有類似于薄膜濾光器的薄膜干擾涂層。通常分束器反射激發(fā)光并且傳播熒光(長(zhǎng)通類型)，反之亦然(短通類型)?，F(xiàn)在參見(jiàn)圖83至84、85A至B和86，它們描述了光學(xué)檢測(cè)單元600的結(jié)構(gòu)的一些設(shè)計(jì)實(shí)例。在圖83中，不出了光學(xué)檢測(cè)單兀600的一個(gè)實(shí)施方案。在該實(shí)施方案中，激發(fā)光光學(xué)兀件(620、630和640)沿相對(duì)于槽軸80呈直角的方向定位,而突光檢測(cè)光學(xué)兀件(650、 655、660和670)沿槽軸80定位。傳播熒光發(fā)射并且反射激發(fā)光(即，長(zhǎng)通類型)的二色分束器680定位在中間周圍。通常，由光源620產(chǎn)生的光通過(guò)激發(fā)透鏡630收集，并且用激發(fā)濾光器640過(guò)濾以選擇具有期望波長(zhǎng)的激發(fā)光。之后選定的激發(fā)光被二色分束器反射并且照射到樣品上。來(lái)自樣品的熒光發(fā)射在經(jīng)過(guò)二色分束器680和發(fā)射濾光器670后由發(fā)射光透鏡660收集，以選擇具有期望波長(zhǎng)的發(fā)射光。之后將由此收集的熒光聚焦在光圈或狹縫655上或檢測(cè)器650上，以測(cè)量熒光信號(hào)。光圈或狹縫655的功能是發(fā)射的“空間過(guò)濾”。通常，熒光聚焦在光圈或狹縫655上或其附近，因此來(lái)自樣品的特定(豎直)位置的熒光圖像形成在光圈或狹縫655上。這種光學(xué)布置能夠有效收集來(lái)自樣品內(nèi)某些限定位置(例如，退火、延伸或變性區(qū)域)的熒光信號(hào)，同時(shí)不接收來(lái)自其它位置的光。根據(jù)所使用的可檢測(cè)探針的類型任選地使用光圈或狹縫655。如果熒光信號(hào)由樣品內(nèi)特定區(qū)域所產(chǎn)生，優(yōu)選使用一個(gè)或更多個(gè)光圈或狹縫655。如果熒光信號(hào)由樣品內(nèi)(無(wú)論位置為何)產(chǎn)生，光圈或狹縫655的使用就不是必要的，或者可以使用具有較大開(kāi)口的光圈或狹縫。如圖84的實(shí)施方案所示，可以調(diào)整光學(xué)檢測(cè)單元600以使其沿槽軸80定位激發(fā)光學(xué)元件(620、630、640)并且沿與槽軸80呈直角的方向定位熒光檢測(cè)光學(xué)元件出50、655、660和670)。對(duì)該類實(shí)施方案有用的二色分束器680為短通類型，其傳播激發(fā)光并且反射發(fā)射光。圖83至84所示實(shí)施方案中使用的激發(fā)透鏡630可以用多于一個(gè)透鏡的組合或者透鏡和鏡子的組合代替。在使用這種光學(xué)元件的組合時(shí)，為了有效收集激發(fā)光，第一透鏡(通常為凸透鏡)優(yōu)選靠近光源并且在光源前布置。為了進(jìn)一步增加激發(fā)光的收集效率，可以將鏡子(通常為凹的或橢圓的)置于光源的后側(cè)。在需要使激發(fā)光束很大時(shí)(例如在具有用于照射多個(gè)反應(yīng)容器90的單個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元600的實(shí)施方案中)，可以額外使用凹透鏡或凸的鏡子以擴(kuò)大激發(fā)光束。在一些實(shí)施方案中，可以將一個(gè)或更多個(gè)光學(xué)元件(例如一個(gè)或更多個(gè)透鏡或鏡子)置于其他位置，例如在反應(yīng)容器90與二色分束器680或激發(fā)濾光器640之間。在另一方面中，激發(fā)光通常定型為基本共線的光束，以照射更大體積的樣品。在一些特定的應(yīng)用中，例如在使用多光子激發(fā)方案時(shí)，可以將激發(fā)光緊密聚焦在樣品內(nèi)的特定區(qū)域。在圖83至84所示實(shí)施方案中使用的發(fā)射透鏡660也可以用多于一個(gè)透鏡或透鏡與鏡子的組合代替。在使用這種光學(xué)元件的組合時(shí)，為了更加有效地收集熒光，第一透鏡(通常為凸透鏡)優(yōu)選位于反應(yīng)容器90的附近(例如，在反應(yīng)容器90與二色分束器680或發(fā)射濾光器670之間)。在一些實(shí)施方案中,可以將一個(gè)或更多個(gè)光學(xué)兀件(例如，透鏡或鏡子)置于其他位置，例如，在反應(yīng)容器90與二色分束器680或發(fā)射濾光器670之間。圖85A至B示出了一些實(shí)施方案，其中使用一個(gè)透鏡635為激發(fā)光束和發(fā)射光束二者定形。不出了布置激發(fā)光學(xué)兀件(620和640)和突光檢測(cè)光學(xué)兀件(650、655和670)的兩個(gè)實(shí)例。激發(fā)光學(xué)元件￠20和640)在圖85A中沿著與槽軸80呈直角的方向布置，而在圖85B中沿著槽軸80布置。在使光學(xué)檢測(cè)單元600小型化時(shí)使用單個(gè)透鏡的這種類型的實(shí)施方案很有用，例如在圖80B、81B和82中所示整合入多個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元的實(shí)施方案。圖86示出了一個(gè)裝置實(shí)施方案，其中光學(xué)檢測(cè)單元600位于反應(yīng)容器90的頂側(cè)。所示的光學(xué)元件的布置和圖83所示的實(shí)施方案相同。也可以整合入其它類型的光學(xué)布置(例如，圖84和85A至B所示)。當(dāng)光學(xué)檢測(cè)單元600 (或者激發(fā)或者熒光檢測(cè)部件)位于反應(yīng)容器90的頂側(cè)時(shí)，反應(yīng)容器蓋690的中心部分作為光學(xué)端口 610。因此，如所討論的， 在這種實(shí)施方案中反應(yīng)容器蓋690或者至少其中央部分優(yōu)選由光學(xué)透明或半透明材料制成。再參見(jiàn)圖86，為了避免PCR反應(yīng)期間樣品的蒸發(fā)損失，反應(yīng)容器90和反應(yīng)容器蓋690通常彼此具有緊密閉合的關(guān)系。在圖86所示的反應(yīng)容器實(shí)施方案中，緊密閉合關(guān)系制作在反應(yīng)容器90的內(nèi)壁和反應(yīng)容器蓋690的外壁之間?？商鎿Q地，可以將緊密閉合關(guān)系制作在反應(yīng)容器90的外壁和反應(yīng)容器蓋690的內(nèi)壁之間，或者在反應(yīng)容器90的上表面和反應(yīng)容器蓋690的下表面之間。在一些實(shí)施方案中，反應(yīng)容器蓋690可以是光學(xué)透明或半透明的薄膜粘性帶。在這些實(shí)施方案中，緊密閉合關(guān)系制作在反應(yīng)容器90的上表面和反應(yīng)容器蓋690的下表面之間。上述的反應(yīng)容器實(shí)施方案對(duì)于本發(fā)明的所有用途不一定是最優(yōu)的。例如，如圖86所示，通常在樣品和反應(yīng)容器蓋690 (或反應(yīng)容器蓋690的光學(xué)端口部分)之間形成樣品彎液面(即，水-空氣界面)。在運(yùn)行時(shí)，由于PCR反應(yīng)涉及高溫過(guò)程，樣品中的水蒸發(fā)并且凝結(jié)在反應(yīng)容器蓋690 (或反應(yīng)容器蓋690的光學(xué)端口部分)的內(nèi)表面。對(duì)于一些應(yīng)用，這樣凝結(jié)的水可稍微干擾激發(fā)光束和熒光束，尤其是在光學(xué)檢測(cè)單元位于反應(yīng)容器90上側(cè)時(shí)。圖87A至B所示的反應(yīng)容器實(shí)施方案提供了另一個(gè)方法。如所示，反應(yīng)容器90和反應(yīng)容器蓋690被設(shè)計(jì)成具有接觸樣品的光學(xué)端口 695。形成的樣品彎液面比光學(xué)端口 695的下表面696更高或大約在同一高度。與上述的通常反應(yīng)容器實(shí)施方案不同，激發(fā)光束和熒光束直接從光學(xué)端口 695傳播到樣品(或反之亦然)，而不經(jīng)過(guò)反應(yīng)容器90內(nèi)的空氣或任何凝結(jié)水。以下是對(duì)這種實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)需求首先，如圖87A至B所示，反應(yīng)容器蓋690和反應(yīng)容器90的上部以及光學(xué)端口 695具有緊密閉合關(guān)系。如所討論的，反應(yīng)容器90和反應(yīng)容器蓋690之間的緊密閉合可以制作在反應(yīng)容器的內(nèi)壁(如圖87A至B)或反應(yīng)容器90的外壁或頂端91。反應(yīng)容器蓋690和光學(xué)端口 695之間的緊密閉合可以制作在光學(xué)端口 695的上表面697 (圖87A)或側(cè)壁699 (圖87B)?？商鎿Q地，可以將反應(yīng)容器蓋690和光學(xué)端口 695制成一體，優(yōu)選使用相同或類似的光學(xué)透明或半透明材料。此外,將光學(xué)端口 695的直徑或?qū)挾?如果反應(yīng)容器蓋690的壁所處高度與光學(xué)端口 695的下表面696接近或相同，則還有反應(yīng)容器蓋690的壁的直徑或?qū)挾?制成小于與光學(xué)端口 695之下表面696接近或處于同一高度的反應(yīng)容器90部分的內(nèi)壁的直徑或?qū)挾取４送猓鈱W(xué)端口 695的下表面696布置得比反應(yīng)容器蓋690內(nèi)部的下部更低，或大體在同一高度。當(dāng)滿足這些結(jié)構(gòu)需要時(shí)，就會(huì)在反應(yīng)容器90的內(nèi)壁和光學(xué)端口 595的側(cè)面部分之間提供開(kāi)放空間698。因此，在用反應(yīng)容器蓋690密封反應(yīng)容器90時(shí)，樣品可以填充開(kāi)放空間的一部分以在光學(xué)端口 695的底部696之上形成樣品彎液面，從而使光學(xué)端口的底部與樣品接觸。在圖88中，示出了上面所討論的光學(xué)無(wú)干擾反應(yīng)容器的使用。如所討論的，光學(xué)端口 695的底部696接觸樣品，并且樣品彎液面在光學(xué)端口 695的底部696的上方形成。使用位于反應(yīng)容器90的頂端91上的光學(xué)檢測(cè)單元600，激發(fā)光束和熒光束直接從光學(xué)端口695傳播到樣品(或反之亦然)，而無(wú)需經(jīng)過(guò)反應(yīng)容器90中的空氣或任何凝結(jié)水。這種光學(xué)結(jié)構(gòu)可以極大地提高本發(fā)明的光學(xué)檢測(cè)特征。為了更加全面地理解本發(fā)明，給出以下實(shí)施例僅作說(shuō)明目的。除非另外特別說(shuō)明， 這些實(shí)施例的目的不在于以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例
材料和方法使用購(gòu)自Takara Bio (日本)、Finnzymes (芬蘭)和 Kapa Biosystems (南非)的三種不同DNA聚合酶來(lái)測(cè)試多種本發(fā)明裝置的PCR擴(kuò)增性能。使用包含多種插入序列的質(zhì)粒DNA、人類基因組DNA和cDNA作為模板DNA。質(zhì)粒DNA通過(guò)將不同大小的插入序列克隆至IJpcDNA3. I載體中來(lái)制備。人類基因組DNA由人胚胎腎細(xì)胞(293，ATCC CRL-1573)制備。cDNA通過(guò)提取自HOS或SV-0V-3細(xì)胞的mRNA的逆轉(zhuǎn)錄來(lái)制備。PCR混合物的組分如下根據(jù)實(shí)驗(yàn)的不同量的模板DNA、各約O. 4 μ M的正向引物和反向引物、各約O. 2 μ M的dNTP、根據(jù)所使用的DNA聚合酶約O. 5至I單位的DNA聚合酶、約I. 5mM至2mM的MgCl2,使用由各制造商提供的緩沖溶液混合成20 μ L的總體積。反應(yīng)容器由聚丙烯制作，并且具有圖51Α所示的結(jié)構(gòu)特征。反應(yīng)容器具有逐漸變細(xì)的圓柱形狀，其底端封閉，并且包含適合反應(yīng)容器頂端內(nèi)徑的蓋，從而在引入PCR混合物后密封反應(yīng)容器。反應(yīng)容器從頂端到底端逐漸變細(xì)(線性地)，從而上部具有較大的直徑。圖51Α所示的錐度角為約4°。為了促進(jìn)來(lái)自第一熱源中的接收孔的熱傳遞，將反應(yīng)容器的底端制成平的。反應(yīng)容器從頂端到底端的長(zhǎng)度為約22mm至約24mm,底端的外徑為約I. 5mm,底端的內(nèi)徑為約1mm，壁厚為約O. 25mm至約O. 3mm。各反應(yīng)所使用的PCR混合物的體積為20 μ L。20 μ L體積的PCR混合物在反應(yīng)容器內(nèi)約有12至13mm高。在以下實(shí)施例中使用的所有裝置都用DC電源運(yùn)行。使用可充電的Li+聚合物電池(12. 6V)或DC電源運(yùn)行裝置。在實(shí)施例中使用的裝置具有12 (3 X 4)、24 (4X 6)或48 (6 X 8)個(gè)槽，這些槽以圖39所示的多排和多列以陣列形式排列。將相鄰槽之間的間距制成9mm。在實(shí)驗(yàn)中，在裝置的三個(gè)熱源加熱到期望溫度后，將包含PCR混合物樣品的反應(yīng)容器引入槽中。在經(jīng)過(guò)期望的PCR反應(yīng)時(shí)間后，從裝置中取出PCR混合物樣品，并且用瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行分析，使用溴化乙錠(EtBr)作為熒光染料使擴(kuò)增的DNA帶可視化。
實(shí)施例I.利用圖12A的裝置進(jìn)行熱對(duì)流PCR
在該實(shí)施例中使用的裝置具有圖12A所示結(jié)構(gòu)，其包含槽70、第一室100、第一熱制動(dòng)器130、接收孔73、通孔71、第二熱源30的突出部33，34、第一熱源20的突出部23，24。第一、第二和第三熱源沿槽軸80的長(zhǎng)度分別為約4mm、約5. 5mm和約4mm。第一和第二絕熱體(或絕熱間隙)沿著槽軸80在槽區(qū)域附近(即，在突出部區(qū)域內(nèi))的長(zhǎng)度分別為約2mm和約O. 5mm。第一和第二絕熱體沿槽軸80在槽區(qū)域外(即，在突出部區(qū)域外)的長(zhǎng)度分別為約6mm至約3mm(取決于位置)和約1mm。第一室100位于第二熱源30的上部并且為圓柱形狀，其沿槽軸80的長(zhǎng)為約4. 5mm并且直徑為約4mm。第一熱制動(dòng)器130位于第二熱源30的底部，并且沿槽軸80的長(zhǎng)度或厚度為約1mm，第一熱制動(dòng)器的壁133接觸槽70或反應(yīng)容器90的整個(gè)外周。接收孔73沿槽軸80的深度為約I. 5mm至約3mm。在該裝置中，槽70由第三熱源40中的通孔71、第二熱源30中第一熱制動(dòng)器130的壁133，以及第一熱源20中的接收孔73所限定。槽70具有逐漸變細(xì)的圓柱形狀。槽的平均直徑為約2mm，其中底端的直徑(在接收孔中)為約I. 5_。在該裝置中，所有的溫度成形元件相對(duì)于槽軸對(duì)稱布置的包括第一室、第一熱制動(dòng)器、接收孔、第一和第二絕熱體以及突出部。
如下面將提出的，發(fā)現(xiàn)在沒(méi)有重力傾斜角度的情況下，該實(shí)施例中使用的具有圖12A所示結(jié)構(gòu)的裝置在約25至約30分鐘內(nèi)足以有效地從IOng人類基因組樣品(約3，000個(gè)拷貝)進(jìn)行擴(kuò)增。對(duì)于Ing的質(zhì)粒樣本，在短至約6或8分鐘的時(shí)間內(nèi)，PCR擴(kuò)增生成可檢測(cè)的擴(kuò)增產(chǎn)物。因此，這是不使用重力傾斜角度也可以提供有效的PCR擴(kuò)增的對(duì)稱加熱結(jié)構(gòu)的良好證明實(shí)例。如將在實(shí)施例2中提出的，在引入重力傾斜角度時(shí)，這種結(jié)構(gòu)也能更好地工作。但是，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，小的傾斜角度(約10°至20°或更小)可以是足夠的。
I. I從質(zhì)粒樣品中講行PCR擴(kuò)增圖53A至C示出了使用上述三種不同的DNA聚合酶(分別購(gòu)自Takara Bio、Finnzymes和Kapa Biosystems)從Ing質(zhì)粒DNA模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增的結(jié)果。預(yù)計(jì)擴(kuò)增子的大小為373bp。所使用的正向引物和反向弓I物分別為5’-TAATACGACTCACTATAGGGAGACC-3’ (SEQ ID NO 1)和 5’-TAGAAGGCACAGTCGAGGCT-3’ (SEQ ID NO :2)。在圖 53A 至 C 中，最左側(cè)的泳道是 DNA 大小標(biāo)準(zhǔn)(2_Log DNA Ladder (O. I 至 10. Okb)購(gòu)自 New England BioLabs),泳道I至5是使用熱對(duì)流PCR裝置分別用10分鐘、15分鐘、20分鐘、25分鐘和30分鐘的PCR反應(yīng)時(shí)間(如在各圖像底部所示)所得到的結(jié)果。本發(fā)明裝置的第一、第二和第三熱源的溫度分別設(shè)定為98°C、70°C和54°C。接收孔沿著槽軸的深度為約2. 8mm。泳道6 (在底端標(biāo)記為C)是使用Biometra的TlThermocycler所做的對(duì)照試驗(yàn)的結(jié)果。在對(duì)照實(shí)驗(yàn)中使用含有相同量的質(zhì)粒模板的相同PCR混合物。對(duì)照試驗(yàn)(包含熱啟動(dòng)的預(yù)熱(5分鐘)和最終的延伸(10分鐘))的總PCR反應(yīng)時(shí)間為約I小時(shí)30分鐘。如圖53A至C所示，熱對(duì)流裝置產(chǎn)生了和對(duì)照試驗(yàn)大小相同的擴(kuò)增產(chǎn)物，但PCR反應(yīng)時(shí)間短得多(即，短3至4倍)。PCR擴(kuò)增在約10至15分鐘達(dá)到了可檢測(cè)水平，并在約20或25分鐘內(nèi)變?yōu)轱柡?。如所示出的，發(fā)現(xiàn)在熱對(duì)流PCR儀中使用三種DNA聚合酶幾乎等效。圖54A至C示出了熱對(duì)流PCR的另一些例子。將第一、第二和第三熱源的溫度分別設(shè)定為98°C、70°C和54°C。接收孔沿槽軸的深度為約2. 8mm。圖54A至C分別為從三種不同的質(zhì)粒DNA模板(具有177bp、960bp和1608bp大小的擴(kuò)增子)進(jìn)行擴(kuò)增所得到的結(jié)果。各反應(yīng)使用的模板質(zhì)粒的量為lng。所使用的正向引物和反向引物分別如SEQ ID NO:I和SEQ ID NO 2所示。如所示，甚至較大的擴(kuò)增子(約Ikbp和I. 6kbp)也在非常短的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)被擴(kuò)增，即約20分鐘內(nèi)達(dá)到可檢測(cè)水平并且約30分鐘內(nèi)達(dá)到飽和水平。短的擴(kuò)增子(177bp)在短得多的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)被擴(kuò)增，即約10分鐘內(nèi)達(dá)到可檢測(cè)水平而且在約20分鐘內(nèi)達(dá)到飽和水平。圖55示出了從多種不同質(zhì)粒模板(具有約200bp至約2kbp大小的擴(kuò)增子)得到的熱對(duì)流PCR擴(kuò)增的結(jié)果。將第一、第二和第三熱源的溫度分別設(shè)定為98°C、70°C和54°C。接收孔沿著槽軸的深度為約2. 8_。各反應(yīng)使用的模板質(zhì)粒的量為lng。所使用的正向引物和反向引物分別如SEQ ID NO :1和SEQ ID NO :2所示。預(yù)計(jì)擴(kuò)增子的大小為泳道I的177bp、泳道2的373bp、泳道3的601bp、泳道4的733bp、泳道5的960bp、泳道6的 I, 608bp、泳道7的1，966bp。泳道I至6的PCR反應(yīng)時(shí)間為25分鐘，泳道7為30分鐘。如所示，在短的反應(yīng)時(shí)間中所有擴(kuò)增子都觀察到幾乎飽和的產(chǎn)物帶。該結(jié)果證明熱對(duì)流PCR不僅快且有效，還具有寬的動(dòng)態(tài)范圍?！? I.2升高的變性溫度加速PCR擴(kuò)增圖56A至C所示的結(jié)果證明升高的變性溫度加速熱對(duì)流PCR。所使用的模板為可以產(chǎn)生373bp擴(kuò)增子的Ing質(zhì)粒。除了變性溫度外，使用的全部其它實(shí)驗(yàn)條件(包括模板和引物)均與圖53A至C所示實(shí)驗(yàn)的條件相同。將第二和第三熱源的溫度分別設(shè)定為70°C和54°C，而第一熱源的溫度增加至IOO0C (圖56A)、102°C (圖56B)和104。。(圖56C)。如圖56A至C所示，變性溫度(即，第一熱源的溫度)的增加導(dǎo)致PCR擴(kuò)增的加速。當(dāng)變性溫度為100°C時(shí)(圖56A)，8分鐘的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)幾乎不能觀察到373bp的產(chǎn)物，而當(dāng)變性溫度增加至102°C時(shí)(圖56B)，在相同的8分鐘反應(yīng)時(shí)間內(nèi)373bp的產(chǎn)物變得更強(qiáng)。當(dāng)變性溫度進(jìn)一步增加至104°C時(shí)(圖56C)，373bp的產(chǎn)物甚至在6分鐘的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)就能觀察到。
I. 3從人類基因組和cDNA樣品講行PCR擴(kuò)增圖57A至C示出從人類基因組樣品中進(jìn)行熱對(duì)流PCR擴(kuò)增的三個(gè)實(shí)施例。第一、第二和第三熱源的溫度分別設(shè)定為98°C、70°C和54°C。接收孔沿著槽軸的深度為約2. 8mm。各反應(yīng)所使用的人類基因組模板的量為10ng，相當(dāng)于僅約3，000個(gè)拷貝。圖57A示出了β_珠蛋白基因的363bp片段的擴(kuò)增結(jié)果。該序列所使用的正向引物和反向引物分別為5’-GCATCAGGAGTGGACAGAT-3’ (SEQ ID NO 3)和 5’-AGGGCAGAGCCATCTATTG-3’ (SEQ ID NO 4)。圖57B示出了 GAPDH基因的469bp片段的擴(kuò)增結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)所使用的正向引物和反向引物分別為 5，-GCTTGCCCTGTCCAGTTAA-3，(SEQ ID NO :5)和 5，-TGACCAGGCGCCCAATA-3，(SEQID NO :6)。圖57C示出了 β-珠蛋白基因的514bp片段的擴(kuò)增結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)所使用的正向引物和反向引物分別為5’ -TGAAGTCCAACTCCTAAGCCA-3’ (SEQ ID NO 7)和5’-AGCATCAGGAGTGGACAGATC-3’ (SEQ ID NO :8)。如圖57A至C所示，熱對(duì)流PCR在非常短的反應(yīng)時(shí)間從大約3，000個(gè)拷貝的人類基因組樣品產(chǎn)生正確大小的擴(kuò)增子。PCR擴(kuò)增在約20或25分鐘達(dá)到可檢測(cè)水平，在約25或30分鐘變得飽和。這些結(jié)果證明了熱對(duì)流PCR從低拷貝數(shù)樣品快速且非常有效地進(jìn)行擴(kuò)增。圖58示出了從IOng人類基因組或cDNA樣品進(jìn)行熱對(duì)流PCR擴(kuò)增的另一些例子。PCR反應(yīng)時(shí)間為30分鐘。所有其它實(shí)驗(yàn)條件與圖57A至C中所示實(shí)驗(yàn)的條件相同。如所示，在30分鐘的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)成功擴(kuò)增了大小約IOObp至約800bp的所有14個(gè)基因片段。在下表2中總結(jié)了靶基因和對(duì)應(yīng)的引物序列。所用的模板為泳道1、3至5和9至14為人類基因組DNA (IOng);泳道2、6、7和8為cDNA(lOng)。cDNA樣品由從HOS細(xì)胞(泳道2和7)或SK-0V-3 (泳道6和8)細(xì)胞提取的mRNA經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄制備。
表2.用于圖58的實(shí)驗(yàn)的引物序列和目標(biāo)基因
權(quán)利要求
1.一種適于進(jìn)行熱對(duì)流PCR的裝置，其包含 (a)用于對(duì)槽進(jìn)行加熱或冷卻并且包含上表面和下表面的第一熱源，所述槽適于容納進(jìn)行PCR的反應(yīng)容器， (b)用于對(duì)所述槽進(jìn)行加熱或冷卻并且包含上表面和下表面的第二熱源，所述下表面朝向所述第一熱源的上表面， (c)用于對(duì)所述槽進(jìn)行加熱或冷卻并且包含上表面和下表面的第三熱源，所述下表面朝向所述第二熱源的上表面，其中所述槽由接觸所述第一熱源的底端和與所述第三熱源的上表面鄰接的通孔限定，并且其中所述底端與所述通孔之間的中心點(diǎn)形成槽軸，圍繞其布置所述槽， (d)至少一個(gè)溫度成形元件，如位于所述槽周圍并且在所述第二或第三熱源之至少一部分中的室，所述室包含所述第二或第三熱源與所述槽之間的室間隙，所述室間隙足以降低所述第二或第三熱源與所述槽之間的熱傳遞；以及 (e)所述第一熱源內(nèi)適于容納所述槽的接收孔。
2.權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述裝置包含位于所述第一熱源的上表面與所述第二熱源的下表面之間的第一絕熱體。
3.權(quán)利要求I至2中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述裝置包含位于所述第二熱源的上表面與所述第三熱源的下表面之間的第二絕熱體。
4.權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述第一絕熱體沿所述槽軸的長(zhǎng)度大于所述第二絕熱體沿所述槽軸的長(zhǎng)度。
5.權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的裝置，其中沿所述槽軸的所述第二熱源的長(zhǎng)度大于所述第一熱源或所述第三熱源的長(zhǎng)度。
6.權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述裝置包含完全位于所述第二熱源或所述第三熱源內(nèi)的第一室。
7.權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述第一室位于所述第二熱源內(nèi)并且包含沿所述槽軸朝向第一室底端的第一室頂端。
8.權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述裝置還包含位于所述第二熱源內(nèi)的第二室。
9.權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述裝置還包含位于所述第二熱源內(nèi)的第三室。
10.權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述裝置還包含位于所述第三熱源內(nèi)的第二室。
11.權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述裝置還包含位于所述第三熱源內(nèi)的第三室。
12.權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述第一室位于所述第三熱源內(nèi)并且包含沿所述槽軸朝向第一室底端的第一室頂端。
13.權(quán)利要求7至12中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述室還包含至少一個(gè)圍繞所述槽軸布置的室壁。
14.權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述室進(jìn)一步由所述槽沿所述槽軸限定。
15.權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述室壁布置成基本平行于所述槽軸。
16.權(quán)利要求13至15中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第一室頂端和所述第一室底端各自基本垂直于所述槽軸。
17.權(quán)利要求2至16中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第一絕熱體包含固體或氣體。
18.權(quán)利要求3至17中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第二絕熱體包含固體或氣體。
19.權(quán)利要求6至16中任一項(xiàng)所述的裝置，其中至少一個(gè)室包含固體或氣體。
20.權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述第一絕熱體和所述第二絕熱體包含固體或氣體。
21.權(quán)利要求17至20中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述氣體是空氣。
22.權(quán)利要求I至21中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述槽進(jìn)一步由沿所述槽軸從所述槽的底端至所述通孔的頂端的高度(h)限定。
23.權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述槽進(jìn)一步由沿基本垂直于所述槽軸的第一方向的第一寬度(wl)限定。
24.權(quán)利要求23所述的裝置，其中所述槽進(jìn)一步由基本垂直于所述第一方向和所述槽軸的第二寬度(w2)限定。
25.權(quán)利要求23至24中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第一和/或第二寬度(wl和/或w2)從所述頂端到所述底端沿所述槽軸減小。
26.權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述槽的所述第一和第二寬度(wl或w2)由約0°至約15°的錐角(0)限定。
27.權(quán)利要求23至24中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第一和/或第二寬度(wl和/或w2)沿所述槽軸基本不變。
28.權(quán)利要求22至27中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述槽的底端是圓的、平的或彎曲的。
29.權(quán)利要求22至28中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述高度(h)至少為約5mm至約25mm0
30.權(quán)利要求22至29中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第一或第二寬度(wl或w2)沿所述槽軸的平均值至少為約Imm至約5_。
31.權(quán)利要求24至30中任一項(xiàng)所述的裝置，其中由所述高度(h)與所述第一或第二寬度(wl或w2)之比定義的所述槽的豎直長(zhǎng)寬比為約4至約15。
32.權(quán)利要求24至31中任一項(xiàng)所述的裝置，其中由所述第一寬度(wl)與所述第二寬度(w2)之比定義的所述槽的水平長(zhǎng)寬比為約I至約4。
33.權(quán)利要求I至32中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述槽的至少一部分沿基本垂直于所述槽軸的平面具有水平形狀。
34.權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述水平形狀具有至少一個(gè)鏡像或旋轉(zhuǎn)對(duì)稱元素。
35.權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述水平形狀在所述平面上是圓形、菱形、正方形、圓角正方形、橢圓形、平行四邊形、矩形、圓角矩形、卵形、半圓形、梯形或圓角梯形。
36.權(quán)利要求33至35中任一項(xiàng)所述的裝置，其中垂直于所述槽軸的所述平面在所述第一、第二或第三熱源內(nèi)。
37.權(quán)利要求6至36中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述室的至少一部分沿基本垂直于所述槽軸的平面具有水平形狀。
38.權(quán)利要求37所述的裝置，其中所述水平形狀具有至少一個(gè)鏡像或旋轉(zhuǎn)對(duì)稱元素。
39.權(quán)利要求38所述的裝置，其中所述水平形狀在所述平面上是圓形、菱形、正方形、圓角正方形、橢圓形、平行四邊形、矩形、圓角矩形、卵形、半圓形、梯形或圓角梯形。
40.權(quán)利要求37至39中任一項(xiàng)所述的裝置，其中垂直于所述槽軸的所述平面在所述第二或第二熱源內(nèi)。
41.權(quán)利要求6至40中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述室沿垂直于所述槽軸的平面圍繞所述槽基本對(duì)稱地布置。
42.權(quán)利要求6至40中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述室的至少一部分沿垂直于所述槽軸的平面圍繞所述槽不對(duì)稱布置。
43.權(quán)利要求41或42所述的裝置，其中所述槽的至少一部分沿垂直于所述槽軸的平面位于所述室內(nèi)。
44.權(quán)利要求42所述的裝置，其中所述槽的至少一部分沿垂直于所述槽軸的平面與所述室壁接觸。
45.權(quán)利要求42所述的裝置，其中所述槽的至少一部分沿垂直于所述槽軸的平面位于所述室外并且與所述第二或第三熱源接觸。
46.權(quán)利要求41至45中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述垂直于所述槽軸的平面在所述第二或第三熱源內(nèi)。
47.權(quán)利要求41至46中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述室的至少一部分沿所述槽軸呈錐形。
48.權(quán)利要求47所述的裝置，其中所述室的至少一部分位于所述第二熱源內(nèi)，并且其垂直于所述槽軸的寬度(《)在接近所述第三熱源處大于接近所述第一熱源處。
49.權(quán)利要求47所述的裝置，其中所述室的至少一部分位于所述第二熱源內(nèi)，并且其垂直于所述槽軸的寬度(《)在接近所述第一熱源處大于接近所述第三熱源處。
50.權(quán)利要求41至46中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述裝置包含位于所述第二熱源內(nèi)的所述第一室和所述第二室，所述第一室垂直于所述槽軸的寬度(《)不同于所述第二室的寬度(W)。
51.權(quán)利要求50所述的裝置，其中所述第一室朝向所述第一熱源。
52.權(quán)利要求I至51中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述接收孔圍繞所述槽軸對(duì)稱布置。
53.權(quán)利要求52所述的裝置，其中所述接收孔垂直于所述槽軸的寬度與所述槽的寬度(wl或w2)大致相同。
54.權(quán)利要求52所述的裝置，其中所述接收孔垂直于所述槽軸的寬度比所述槽的寬度(wl 或 w2)長(zhǎng)約 0. Olmm 至約 0. 2mm。
55.權(quán)利要求6至54中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述裝置包含位于所述第二熱源內(nèi)的所述第一室和所述第二室，并且所述第一室與所述第二室沿所述槽軸以長(zhǎng)度(I)間隔開(kāi)。
56.權(quán)利要求55所述的裝置，其中所述第一室、所述第二室和所述第二熱源限定出在所述第一室與第二室之間接觸所述槽的第一熱制動(dòng)器，其面積和厚度(或體積)足以降低來(lái)自所述第一熱源或者到所述第三熱源的熱傳遞。
57.權(quán)利要求56所述的裝置，其中所述第一熱制動(dòng)器包含上表面和下表面。
58.權(quán)利要求57所述的裝置，其中所述長(zhǎng)度(I)為約0.Imm至所述第二熱源沿所述槽軸的高度的約80%。
59.權(quán)利要求6至54中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第一室位于所述第二熱源中，并且所述第一室和所述第一絕熱體限定出在所述第一室與所述第一絕熱體之間接觸所述槽的第一熱制動(dòng)器，其面積和厚度(或體積)足以降低來(lái)自所述第一熱源的熱傳遞。
60.權(quán)利要求59所述的裝置，其中所述第一熱制動(dòng)器包含上表面和下表面。
61.權(quán)利要求60所述的裝置，其中所述第一熱制動(dòng)器的下表面與所述第二熱源的下表面處于大致相同的高度。
62.權(quán)利要求61所述的裝置，其中所述第一室與所述第一絕熱體沿所述槽軸以長(zhǎng)度(I)間隔開(kāi)。
63.權(quán)利要求62所述的裝置，其中所述長(zhǎng)度(I)為約0.Imm至所述第二熱源沿所述槽軸的高度的約80%。
64.權(quán)利要求56所述的裝置，其中所述裝置還包含位于所述第二熱源內(nèi)并且與所述第二熱源之上表面接觸的第三室。
65.權(quán)利要求64所述的裝置，其中所述第三室、所述第二室和所述第二熱源限定出在所述第二室與所述第三室之間接觸所述槽的第二熱制動(dòng)器，其面積和厚度(或體積)足以降低到所述第三熱源的熱傳遞。
66.權(quán)利要求65所述的裝置，其中所述第一和第二熱制動(dòng)器的厚度之和小于所述第二熱源沿所述槽軸的高度的約80%。
67.權(quán)利要求6至54中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述裝置包含第一室、位于所述第一室與所述第一絕熱體之間的第一熱制動(dòng)器，以及在所述第二熱源中位于所述第一室與所述第二絕熱體之間的第二熱制動(dòng)器，其中所述第一和第二熱制動(dòng)器各自與所述槽接觸的面積和厚度(或體積)均足以降低來(lái)自所述第一熱源或者到所述第三熱源的熱傳遞。
68.權(quán)利要求6至67中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述接收孔相對(duì)于所述槽軸而言是偏離中心的。
69.權(quán)利要求68所述的裝置,其中所述接收孔偏離中心約0.02mm至約0. 5mm。
70.權(quán)利要求68至69中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述接收孔垂直于所述槽軸的寬度大于所述槽的寬度(wl或w2)。
71.權(quán)利要求70所述的裝置，其中所述接收孔的寬度(w)比所述槽的寬度(wl或w2)長(zhǎng)約0. 04mm至約1mm。
72.權(quán)利要求6至71中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述裝置還包含所述第三熱源內(nèi)的第二室。
73.權(quán)利要求72所述的裝置，其中所述第一室和所述第二室的室壁大致位于同一軸上。
74.權(quán)利要求72至73中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述裝置還包含所述第二熱源內(nèi)的第三室。
75.權(quán)利要求74所述的裝置，其中所述第一、第二和第三室的室壁大致位于同一軸上。
76.權(quán)利要求75所述的裝置，其中熱制動(dòng)器位于所述第二熱源內(nèi)的所述第一與第三室之間。
77.權(quán)利要求72至73中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述裝置還包含位于所述第一室與所述第二熱源的下表面之間的熱制動(dòng)器。
78.權(quán)利要求6至67中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第一室完全位于所述第三熱源內(nèi)。
79.權(quán)利要求I至78中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第二熱源包含至少一個(gè)從所述第二熱源延伸出的突出部。
80.權(quán)利要求79所述的裝置，其中所述第二熱源的突出部基本平行于所述槽軸并且向所述第一或第三熱源延伸。
81.權(quán)利要求79至80中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第二熱源包含向所述第一熱源延伸并且限定出部分所述第一室或所述槽的第一突出部。
82.權(quán)利要求81所述的裝置，其中所述第二熱源的第一突出部限定出所述第一絕熱體和所述第二熱源的一部分。
83.權(quán)利要求81所述的裝置，其中所述第二熱源的第一突出部將所述第一絕熱體與所述室或所述槽分隔開(kāi)。
84.權(quán)利要求81所述的裝置，其中所述第二熱源還包含向所述第三熱源延伸并且限定出一部分所述室或所述槽的第二突出部。
85.權(quán)利要求84所述的裝置，其中所述第二熱源的第二突出部限定出所述第二絕熱體和所述第二熱源的一部分。
86.權(quán)利要求84所述的裝置，其中所述第二熱源的第二突出部將所述第二絕熱體與所述室或所述槽分隔開(kāi)。
87.權(quán)利要求I至86中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第一熱源包含至少一個(gè)從所述第一熱源延伸出的突出部。
88.權(quán)利要求87所述的裝置，其中所述第一熱源的突出部基本平行于所述槽軸，并且向所述第二熱源延伸或從所述第一熱源的下表面延伸出。
89.權(quán)利要求87至88中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第一熱源包含向所述第二熱源延伸并且限定出一部分所述槽的第一突出部。
90.權(quán)利要求89所述的裝置，其中所述第一熱源的第一突出部限定出所述第一絕熱體和所述第一熱源的一部分。
91.權(quán)利要求89所述的裝置，其中所述第一熱源的第一突出部將所述第一絕熱體與所述槽分隔開(kāi)。
92.權(quán)利要求89所述的裝置，其中所述第一絕熱體包含第一絕熱體室，其至少由所述第一熱源、所述第一熱源的第一突出部、所述第二熱源的第一突出部和所述第二熱源限定。
93.權(quán)利要求I至92中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第三熱源包含至少一個(gè)從所述第三熱源延伸出的突出部。
94.權(quán)利要求93所述的裝置，其中所述第三熱源的突出部基本平行于所述槽軸，并且向所述第二熱源延伸或從所述第三熱源的上表面延伸出。
95.權(quán)利要求93至94中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第三熱源包含向所述第二熱源延伸并且限定出一部分所述槽或所述室的第一突出部。
96.權(quán)利要求95所述的裝置，其中所述第三熱源的第一突出部限定出所述第二絕熱體和所述第三熱源的一部分。
97.權(quán)利要求95所述的裝置，其中所述第三熱源的第一突出部將所述第二絕熱體與所述槽或所述室分隔開(kāi)。
98.權(quán)利要求95所述的裝置，其中所述第二絕熱體包含第二絕熱體室，其至少由所述第三熱源、所述第三熱源的第一突出部、所述第二熱源的第二突出部和所述第二熱源限定。
99.權(quán)利要求I至98中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述裝置適配成使得所述槽軸相對(duì)于重力方向傾斜。
100.權(quán)利要求99所述的裝置，其中所述槽軸垂直于所述第一、第二和第三熱源之中任一個(gè)的上或下表面，并且所述裝置是傾斜的。
101.權(quán)利要求99所述的裝置，其中所述槽軸相對(duì)于垂直于所述第一、第二和第三熱源之中任一個(gè)的上或下表面的方向傾斜。
102.權(quán)利要求99所述的裝置，其中所述傾斜由所述槽軸與重力方向之間的角度0g定義，所述傾斜的角度為約2°至約60°。
103.權(quán)利要求I至102中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述接收孔圍繞所述槽軸不對(duì)稱布置，足以引起從所述第一熱源到所述槽的水平方向上不均勻的熱傳遞。
104.權(quán)利要求103所述的裝置，其中所述接收孔包含相對(duì)于所述槽軸偏離中心(約0. 02mm至約0. 5mm)的接收孔間隙。
105.權(quán)利要求104所述的裝置，其中所述接收孔的至少一部分垂直于所述槽軸的寬度大于所述槽的寬度(wl或w2)。
106.權(quán)利要求105所述的裝置，其中所述接收孔的寬度(w)比所述槽的寬度(wl或w2)長(zhǎng)約0. 04mm至約1mm。
107.權(quán)利要求103所述的裝置，其中所述裝置包含沿所述槽軸一側(cè)的深度比另一側(cè)的深度更大的所述接收孔。
108.權(quán)利要求107所述的裝置，其中所述第一熱源包含向所述第二熱源的下表面延伸并且沿所述槽軸一側(cè)的高度比另一側(cè)的高度更大的第一突出部。
109.權(quán)利要求107至108中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第二熱源在所述槽周圍的區(qū)域中沿所述槽軸的高度恒定。
110.權(quán)利要求107至108中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第二熱源在所述槽周圍的區(qū)域中沿所述槽軸一側(cè)的高度比另一側(cè)的高度更大。
111.權(quán)利要求109至110中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述接收孔的頂端沿所述槽軸在一側(cè)比另一側(cè)更接近所述第二熱源的下表面。
112.權(quán)利要求110所述的裝置，其中所述接收孔的頂端所處位置沿所述槽軸距所述第二熱源的下表面的高度恒定。
113.權(quán)利要求6至112中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述室的至少一部分圍繞所述槽軸不對(duì)稱布置，足以引起從所述第二或第三熱源到所述槽的水平方向上不均勻的熱傳遞。
114.權(quán)利要求113所述的裝置，其中所述第一室位于所述第二熱源內(nèi)并且沿所述槽軸一側(cè)的高度比另一側(cè)的高度更大，足以引起從所述第二熱源到所述槽的水平方向上不均勻的熱傳遞。
115.權(quán)利要求114所述的裝置，其中所述接收孔在所述槽周圍沿所述槽軸的深度恒定。
116.權(quán)利要求115所述的裝置，其中所述接收孔的頂端沿所述槽軸在一側(cè)比另一側(cè)更接近所述第二熱源的下表面。
117.權(quán)利要求114所述的裝置，其中所述接收孔沿所述槽軸一側(cè)的深度比另一側(cè)的深度更大。
118.權(quán)利要求117所述的裝置，其中所述接收孔的頂端沿所述槽軸在一側(cè)比另一側(cè)更接近所述第二熱源的下表面。
119.權(quán)利要求117所述的裝置，其中所述接收孔的頂端所處位置沿所述槽軸距所述第二熱源的下表面的高度恒定。
120.權(quán)利要求114至119中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第二熱源包含向所述第一熱源的上表面延伸并且沿所述槽軸一側(cè)的高度比另一側(cè)的高度更大的第一突出部。
121.權(quán)利要求114至120中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第二熱源包含向所述第三熱源的下表面延伸并且任選地沿所述槽軸一側(cè)的高度比另一側(cè)的高度更大的第二突出部。
122.權(quán)利要求113所述的裝置，其中所述裝置包含位于所述第二熱源內(nèi)的所述第一室和所述第二室，它們各自沿相反方向從所述槽軸偏離中心。
123.權(quán)利要求122所述的裝置，其中所述第一室的頂端與所述第二室的底端所處高度基本相同。
124.權(quán)利要求113所述的裝置，其中至少一個(gè)室的所述室壁相對(duì)于所述槽軸傾斜。
125.權(quán)利要求124所述的裝置，其中所述傾斜的角度為約2°至約30°。
126.權(quán)利要求113所述的裝置，其中所述第二熱源中的至少一個(gè)所述室具有布置成一側(cè)比另一側(cè)更高的室壁，足以引起從所述第二熱源到所述槽的水平方向上不均勻的熱傳遞。
127.權(quán)利要求6至112中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第一和第二室位于所述第二熱源內(nèi)并且圍繞所述槽軸對(duì)稱布置。
128.權(quán)利要求127所述的裝置，其中所述第一室與所述第二室沿所述槽軸以長(zhǎng)度(I)間隔開(kāi)。
129.權(quán)利要求127至128中任一項(xiàng)所述的裝置，所述裝置還包含在所述第一與第二室之間的所述長(zhǎng)度(I)上接觸所述槽的所述第二熱源之一部分，所述接觸作為足以降低來(lái)自所述第一熱源或者到所述第三熱源的熱傳遞的熱制動(dòng)器而發(fā)揮功能。
130.權(quán)利要求129所述的裝置，其中所述熱制動(dòng)器在所述第一與第二室之間的長(zhǎng)度(I)上接觸所述槽的一側(cè)，所述槽另一側(cè)與所述第二熱源間隔開(kāi)。
131.權(quán)利要求113所述的裝置，其中所述室的至少一部分相對(duì)于所述槽軸偏離中心約0. Imm 至約 3mm。
132.權(quán)利要求131所述的裝置，其中所述室的至少一部分沿垂直于所述槽軸的方向具有一側(cè)比另一側(cè)更大的室間隙。
133.權(quán)利要求131至132中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述裝置還包含接觸所述槽的所述第二熱源的一部分，所述接觸發(fā)揮足以降低來(lái)自所述第一熱源或者到所述第三熱源的熱傳遞之熱制動(dòng)器的功能。
134.權(quán)利要求133所述的裝置，其中所述熱制動(dòng)器接觸所述槽一側(cè)，另一側(cè)與所述第二熱源間隔開(kāi)。
135.權(quán)利要求134所述的裝置，其中所述熱制動(dòng)器接觸所述第二熱源內(nèi)所述槽的一側(cè)的整個(gè)高度。
136.權(quán)利要求133所述的裝置，其中所述熱制動(dòng)器接觸所述第二熱源內(nèi)所述槽的部分高度。
137.權(quán)利要求136所述的裝置，其中所述裝置包含位于所述第二熱源中的所述第一室和所述第二室，并且所述第一室與所述第二室沿所述槽軸以長(zhǎng)度(I)間隔開(kāi)。
138.權(quán)利要求137所述的裝置，其中所述熱制動(dòng)器在所述第一室與第二室之間的所述長(zhǎng)度(I)上接觸所述槽的整個(gè)外周。
139.權(quán)利要求138所述的裝置，其中所述第一室和所述第二室沿同一方向從所述槽軸偏離中心。
140.權(quán)利要求138所述的裝置，其中所述第一室和所述第二室沿相反方向從所述槽軸偏離中心。
141.權(quán)利要求137所述的裝置，其中所述熱制動(dòng)器在所述第一與第二室之間的所述長(zhǎng)度(I)上接觸所述槽的一側(cè)，所述槽的另一部分與所述第二熱源間隔開(kāi)。
142.權(quán)利要求136所述的裝置，其中所述第一室的頂端與所述第二室的底端所處高度基本相同，并且所述熱制動(dòng)器在所述第一或第二室內(nèi)接觸所述槽一側(cè)，所述槽的另一側(cè)與所述第二熱源間隔開(kāi)。
143.權(quán)利要求137所述的裝置，其中所述第一室和所述第二室沿同一方向從所述槽軸偏離中心。
144.權(quán)利要求137所述的裝置，其中所述第一室和所述第二室沿相反方向從所述槽軸偏離中心。
145.權(quán)利要求143至144中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述熱制動(dòng)器在所述第一室與第二室之間的所述長(zhǎng)度(I)上接觸所述槽的一側(cè)，所述槽的另一側(cè)與所述第二熱源間隔開(kāi)。
146.權(quán)利要求122所述的裝置，其中所述裝置包含在所述第一室內(nèi)接觸所述槽的一側(cè)的第一熱制動(dòng)器，另一側(cè)與所述第二熱源間隔開(kāi)。
147.權(quán)利要求146所述的裝置，其中所述裝置還包含在所述第二室內(nèi)接觸所述槽的一側(cè)的第二熱制動(dòng)器，另一側(cè)與所述第二熱源間隔開(kāi)。
148.權(quán)利要求147所述的裝置，其中所述第一熱制動(dòng)器的頂端與所述第二熱制動(dòng)器的底端所處高度基本相同。
149.權(quán)利要求147所述的裝置，其中所述第一熱制動(dòng)器的頂端所處位置高于所述第二制動(dòng)器的底端。
150.權(quán)利要求147所述的裝置，其中所述第一熱制動(dòng)器的頂端所處位置低于所述第二制動(dòng)器的底端。
151.權(quán)利要求137所述的裝置，其中所述第一室的頂端和所述第二室的底端各自相對(duì)于垂直于所述槽軸的方向傾斜。
152.權(quán)利要求151所述的裝置，其中所述熱制動(dòng)器在所述第一室與所述第二室之間接觸所述槽的整個(gè)外周并且一側(cè)的所在位置比另一側(cè)更高。
153.權(quán)利要求137所述的裝置，其中所述第一室和所述第二室各自相對(duì)于所述槽軸傾斜。
154.權(quán)利要求153所述的裝置，其中所述第一室的底端和所述第二室的頂端各自基本垂直于所述槽軸。
155.權(quán)利要求154所述的裝置，其中所述熱制動(dòng)器在所述第一室與所述第二室之間接觸所述槽的整個(gè)外周。
156.權(quán)利要求153所述的裝置，其中所述第一室的底端和所述第二室的頂端各自相對(duì)于垂直于所述槽軸的方向傾斜。
157.權(quán)利要求156所述的裝置，其中所述熱制動(dòng)器在所述第一室與所述第二室之間接觸所述槽的整個(gè)外周并且一側(cè)的所在位置比另一側(cè)更高。
158.權(quán)利要求3至157中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第一熱源、第二熱源和第三熱源各自包含至少一個(gè)固定兀件。
159.權(quán)利要求158所述的裝置，其中所述第一絕熱體和第二絕熱體各自包含至少一個(gè)固定元件。
160.權(quán)利要求158至159中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述裝置包含圍繞所述第一熱源、第二熱源、第三熱源、第一絕熱體和第二絕熱體的第一殼體兀件。
161.權(quán)利要求160所述的裝置，其中所述裝置還包含圍繞所述第一殼體元件的第二殼體元件。
162.權(quán)利要求160至161中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述固定元件適配成將所述第一熱源、第二熱源、第三熱源、第一絕熱體和第二絕熱體彼此固定或固定至所述第一殼體元件上。
163.權(quán)利要求162所述的裝置，其中至少一個(gè)所述固定元件位于所述第一熱源、第二熱源、第三熱源、第一絕熱體和第二絕熱體中的至少一個(gè)、優(yōu)選所有的外部區(qū)域中。
164.權(quán)利要求162至163中任一項(xiàng)所述的裝置，其中至少一個(gè)所述固定元件位于所述第一熱源、第二熱源、第三熱源、第一絕熱體和第二絕熱體中的至少一個(gè)、優(yōu)選所有的內(nèi)部區(qū)域中。
165.權(quán)利要求158至164中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第一熱源、第一絕熱體、第二熱源、第二絕熱體和第三熱源的至少一個(gè)包含至少一個(gè)翼結(jié)構(gòu)。
166.權(quán)利要求165所述的裝置，其中所述翼結(jié)構(gòu)包括第一、第二、第三和第四翼結(jié)構(gòu)。
167.權(quán)利要求165至166中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第三熱源包含所述翼結(jié)構(gòu)。
168.權(quán)利要求165至167中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述翼結(jié)構(gòu)在所述第一、第二和第三熱源與所述第一殼體元件之間限定出第三絕熱體。
169.權(quán)利要求168所述的裝置，其中所述第一和所述第二翼結(jié)構(gòu)限定出所述第三絕熱體的第一部分。
170.權(quán)利要求169所述的裝置，其中所述第二和所述第三翼結(jié)構(gòu)限定出所述第三絕熱體的第二部分。
171.權(quán)利要求170所述的裝置，其中所述第三和第四翼結(jié)構(gòu)限定出所述第三絕熱體的第三部分。
172.權(quán)利要求171所述的裝置，其中所述第四和所述第一翼結(jié)構(gòu)限定出所述第三絕熱體的第四部分。
173.權(quán)利要求169至172中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第三絕熱體的所述第一、第二、第三和第四部分各自進(jìn)一步由所述第一殼體元件限定。
174.權(quán)利要求173所述的裝置，其中所述第一熱源底部和所述第一殼體元件限定出第四絕熱體。
175.權(quán)利要求174所述的裝置，其中所述裝置還包含由所述第一殼體元件和所述第二殼體元件限定的第五絕熱體和/或第六絕熱體。
176.權(quán)利要求158至175中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第一、第二和第三熱源各自包含至少一個(gè)加熱和/或冷卻元件。
177.權(quán)利要求176所述的裝置，其中所述第一、第二和第三熱源還各自包含溫度傳感器。
178.權(quán)利要求177所述的裝置，其中所述裝置還包含至少一個(gè)風(fēng)扇單元以從所述第一、第二和/或第三熱源移除熱量。
179.權(quán)利要求178所述的裝置，其中所述裝置包含位于所述第三熱源之上的第一風(fēng)扇單元以從所述第三熱源移除熱量。
180.權(quán)利要求179所述的裝置，其中所述裝置還包含位于所述第一熱源之下的第二風(fēng)扇單元以從所述第一熱源移除熱量。
181.權(quán)利要求I至180中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述裝置適于在所述槽內(nèi)部產(chǎn)生離心力以調(diào)節(jié)所述對(duì)流PCR。
182.權(quán)利要求181所述的裝置，其中所述裝置至少包含與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)連接的所述第一、第二和第三熱源，所述轉(zhuǎn)子用于使所述熱源圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
183.權(quán)利要求182所述的裝置，其中所述裝置包含與所述轉(zhuǎn)子連接的旋轉(zhuǎn)臂，其限定從所述旋轉(zhuǎn)軸到所述槽中心的離心式旋轉(zhuǎn)半徑。
184.權(quán)利要求182至183中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述旋轉(zhuǎn)軸基本平行于重力方向。
185.權(quán)利要求182至184中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述槽軸基本平行于由重力和離心力產(chǎn)生的凈力的方向。
186.權(quán)利要求182至184中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述槽軸相對(duì)于由重力和離心力產(chǎn)生的所述凈力的方向是傾斜的。
187.權(quán)利要求186所述的裝置，其中所述槽軸與所述凈力方向之間的傾斜角度為約2°至約60°。
188.權(quán)利要求185至187中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述裝置還包含適于控制所述槽軸與所述凈力之間角度的傾斜軸。
189.權(quán)利要求182至188中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述旋轉(zhuǎn)軸位于所述第一、第二和第二熱源以外。
190.權(quán)利要求182至188中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述旋轉(zhuǎn)軸基本上位于所述第一、第二和第三熱源的中心。
191.權(quán)利要求190所述的裝置，其中所述裝置包含相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)軸同心定位的多個(gè)槽。
192.權(quán)利要求191所述的裝置，其中所述第一、第二和第三熱源為圓形形狀。
193.適于在離心條件下進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)的PCR離心機(jī)，所述PCR離心機(jī)包含權(quán)利要求181-192中任一項(xiàng)所述的裝置。
194.通過(guò)熱對(duì)流進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)的方法，所述方法包括下述步驟中的至少一個(gè)且優(yōu)選全部 (a)將包含接收孔的第一熱源維持在適于使雙鏈核酸分子變性并且形成單鏈模板的溫度范圍， (b)將第三熱源維持在適于使至少一條寡核苷酸引物與所述單鏈模板退火的溫度范圍，(C)將第二熱源維持在適于支持所述引物沿所述單鏈模板聚合的溫度；以及 (d)在足以產(chǎn)生引物延伸產(chǎn)物的條件下，在所述接收孔與所述第三熱源之間產(chǎn)生熱對(duì)流。
195.權(quán)利要求194所述的方法，其中所述方法還包括提供反應(yīng)容器的步驟，所述反應(yīng)容器包含在水溶液中的所述雙鏈核酸和所述寡核苷酸引物。
196.權(quán)利要求195所述的方法，其中所述反應(yīng)容器還包含DNA聚合酶。
197.權(quán)利要求196所述的方法，其中所述DNA聚合酶是固定化的DNA聚合酶。
198.權(quán)利要求195至197中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法還包括使所述反應(yīng)容器接觸所述接收孔和至少一個(gè)溫度成形元件的步驟，所述溫度成形元件例如是布置在所述第二或第三熱源中至少一個(gè)之內(nèi)的室，所述接觸足以支持所述反應(yīng)容器內(nèi)的所述熱對(duì)流。
199.權(quán)利要求198所述的方法，其中所述方法還包括使所述反應(yīng)容器接觸所述第一與第二熱源之間的第一絕熱體和所述第二與第三熱源之間的第二絕熱體的步驟。
200.權(quán)利要求199所述的方法，其中所述第一、第二和第三熱源的導(dǎo)熱率為所述反應(yīng)容器或其中水溶液的導(dǎo)熱率的至少約10倍。
201.權(quán)利要求200所述的方法，其中所述第一和第二絕熱體的導(dǎo)熱率比所述反應(yīng)容器或其中水溶液的導(dǎo)熱率低至少約5倍，其中所述第一和第二絕熱體的導(dǎo)熱率足以降低所述第一、第二和第三熱源之間的熱傳遞。
202.權(quán)利要求194至201中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法還包括在所述反應(yīng)容器中產(chǎn)生圍繞所述槽軸基本對(duì)稱的流體流的步驟。
203.權(quán)利要求194至201中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法還包括在所述反應(yīng)容器中產(chǎn)生圍繞所述槽軸不對(duì)稱的流體流的步驟。
204.權(quán)利要求195至203中任一項(xiàng)所述的方法，其中至少步驟(a)-(c)在每個(gè)反應(yīng)容器中消耗少于IW的功率來(lái)產(chǎn)生所述引物延伸產(chǎn)物。
205.權(quán)利要求204所述的方法，其中進(jìn)行所述方法的所述功率由電池提供。
206.權(quán)利要求194至205中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述PCR延伸產(chǎn)物在約15至約30分鐘或更短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生。
207.權(quán)利要求195至206中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述反應(yīng)容器的體積小于約50微升。
208.權(quán)利要求207所述的方法，其中所述反應(yīng)容器的體積小于約20微升。
209.權(quán)利要求194至208中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法還包括向所述反應(yīng)容器施加有助于進(jìn)行所述PCR的離心力的步驟。
210.通過(guò)熱對(duì)流進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)的方法，所述方法包括以下步驟在足以產(chǎn)生引物延伸產(chǎn)物的條件下，將寡核苷酸引物、核酸模板和緩沖液加入權(quán)利要求I至192中任一項(xiàng)所述裝置所容納的反應(yīng)容器中。
211.權(quán)利要求210所述的方法，其中所述方法還包括將DNA聚合酶加入所述反應(yīng)容器的步驟。
212.通過(guò)熱對(duì)流進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)的方法，所述方法包括以下步驟在足以產(chǎn)生引物延伸產(chǎn)物的條件下，將寡核苷酸引物、核酸模板和緩沖液加入權(quán)利要求193所述PCR離心機(jī)所容納的反應(yīng)容器中，以及向所述反應(yīng)容器施加離心力。
213.權(quán)利要求212所述的方法，其中所述方法還包括將DNA聚合酶加入所述反應(yīng)容器的步驟。
214.適于被權(quán)利要求I至192所述裝置或權(quán)利要求193所述PCR離心機(jī)容納的反應(yīng)容器，所述反應(yīng)容器包含頂端、底端、外壁和內(nèi)壁，并且所述外壁的豎直長(zhǎng)寬比至少為約4至約15，所述外壁的水平長(zhǎng)寬比為約I至約4，并且所述外壁的錐角0為約O。至約15°。
215.權(quán)利要求214所述的反應(yīng)容器，其中所述外壁頂端和底端的中心點(diǎn)限定反應(yīng)容器軸。
216.權(quán)利要求215所述的反應(yīng)容器，其中所述反應(yīng)容器沿所述反應(yīng)容器軸的高度為至少約6mm至約35mm。
217.權(quán)利要求216所述的反應(yīng)容器，其中所述外壁的平均寬度為約Imm至約5mm。
218.權(quán)利要求217所述的反應(yīng)容器，其中所述內(nèi)壁的平均寬度為約0.5mm至約4. 5mm。
219.權(quán)利要求215至218中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)容器，其中所述外壁和所述內(nèi)壁沿所述反應(yīng)容器軸有基本相同的垂直形狀。
220.權(quán)利要求219所述的反應(yīng)容器，其中所述外壁和所述內(nèi)壁沿垂直于所述反應(yīng)容器軸的橫截面有基本相同的水平形狀。
221.權(quán)利要求215至218中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)容器，其中所述外壁和所述內(nèi)壁沿所述反應(yīng)容器軸有不同的垂直形狀。
222.權(quán)利要求221所述的反應(yīng)容器，其中所述外壁和所述內(nèi)壁沿垂直于所述反應(yīng)容器軸的橫截面有不同的水平形狀。
223.權(quán)利要求220和222中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)容器，其中所述水平形狀為圓形、菱形、正方形、圓角正方形、橢圓形、平行四邊形、矩形、圓角矩形、卵形、三角形、圓角三角形、梯形、圓角梯形或長(zhǎng)橢圓形中的一種或更多種。
224.權(quán)利要求219至223中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)容器，其中所述內(nèi)壁相對(duì)于所述反應(yīng)容器軸基本對(duì)稱布置。
225.權(quán)利要求224所述的反應(yīng)容器，其中所述反應(yīng)容器壁的厚度為約0.Imm至約0. 5mmo
226.權(quán)利要求225所述的反應(yīng)容器，其中所述反應(yīng)容器壁沿所述反應(yīng)容器軸的厚度基本不變。
227.權(quán)利要求219至223中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)容器，其中所述內(nèi)壁相對(duì)于所述反應(yīng)容器軸布置是偏離中心的。
228.權(quán)利要求227所述的反應(yīng)容器，其中所述反應(yīng)容器壁的厚度為約0.Imm至約1_。
229.權(quán)利要求228所述的反應(yīng)容器，其中所述反應(yīng)容器壁的厚度在一側(cè)比另一側(cè)薄至少約0. 05_。
230.權(quán)利要求214至229中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)容器，其中所述底端是平的、彎曲的或圓的。
231.權(quán)利要求230所述的反應(yīng)容器，其中所述底端相對(duì)于所述反應(yīng)容器軸基本對(duì)稱布置。
232.權(quán)利要求230所述的反應(yīng)容器，其中所述底端相對(duì)于所述反應(yīng)容器軸不對(duì)稱布置。
233.權(quán)利要求230至232中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)容器，其中所述底端是封閉的。
234.權(quán)利要求214至233中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)容器，其中所述反應(yīng)容器包含塑料、陶瓷或玻璃或由其組成。
235.權(quán)利要求214至234中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)容器，其還包含固定化的DNA聚合酶。
236.權(quán)利要求214至235中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)容器，其還包含與所述反應(yīng)容器密封接觸的蓋。
237.權(quán)利要求236所述的反應(yīng)容器，其中所述蓋包含光學(xué)端口。
238.權(quán)利要求237所述的反應(yīng)容器，其還包含所述反應(yīng)容器的內(nèi)壁與所述光學(xué)端口的側(cè)面部分之間的開(kāi)放空間。
239.權(quán)利要求I至192中任一項(xiàng)所述的裝置，其還包含至少一個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元。
240.權(quán)利要求193所述的PCR離心機(jī)，其中權(quán)利要求181至192中任一項(xiàng)所述的裝置還包含至少一個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元。
241.權(quán)利要求194至209中任一項(xiàng)所述的方法，其還包括使用至少一個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元實(shí)時(shí)檢測(cè)所述引物延伸產(chǎn)物的步驟。
242.權(quán)利要求210至213中任一項(xiàng)所述的方法，其還包括使用至少一個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元實(shí)時(shí)檢測(cè)所述引物延伸產(chǎn)物的步驟。
全文摘要
公開(kāi)了多階段熱對(duì)流裝置及其用途。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的特征是三階段熱對(duì)流裝置，其包含用于輔助熱對(duì)流介導(dǎo)之聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)的溫度成形元件(temperature shaping element)。本發(fā)明有多種應(yīng)用，包括在無(wú)需與許多現(xiàn)有設(shè)備相關(guān)的笨重且昂貴的硬件的情況下擴(kuò)增核酸。在一個(gè)典型的實(shí)施方案中，該裝置可以放于使用者手掌上用作便攜、操作簡(jiǎn)單且低成本的PCR擴(kuò)增設(shè)備。
文檔編號(hào)C12Q1/68GK102791847SQ201180013468
公開(kāi)日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2011年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月12日
發(fā)明者黃賢鎮(zhèn) 申請(qǐng)人:阿赫姆生物系統(tǒng)公司