兩階段熱對流裝置及其用途的製作方法

2023-09-23 14:12:20

專利名稱：兩階段熱對流裝置及其用途的製作方法
技術領域：
本發明的特徵是多階段熱對流裝置(特別是兩階段熱對流裝置)及其用途。所述裝置包含至少一個輔助聚合酶鏈式反應(PCR)的溫度成形元件(temperature shapingelement)。本發明有多種應用，包括在無需與現有設備相關的笨重且通常昂貴的硬體的情況下擴增DNA模板。在一個實施方案中，該裝置可以放於使用者手掌上用作可攜式PCR擴增設備。
背景技術：
聚合酶鏈式反應(PCR)是在每次溫度變化循環完成時擴增多核苷酸序列的技術。參見例如，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。在許多應用中，PCR涉及使目的多核苷酸(「模板」)變性，然後使期望的引物寡核苷酸(「引物」)與變性的模板退火。退火之後，聚合酶催化合成新多核苷酸鏈，其包含引物並且對其進行延伸。這一系列的步驟(變性、引物退火和引物延伸)構成一個PCR循環。這些步驟在PCR擴增過程中重複多次。隨著循環的重複，新合成的多核苷酸的量以幾何級數增加。在許多實施方案中，弓丨物是成對選擇的，它們可以與給定雙鏈多核苷酸的相對鏈退火。在這種情況下，可以擴增兩個退火位置之間的區域。需要多在多循環PCR實驗中改變反應混合物的溫度。例如，DNA變性通常在約90 V 至約98°C或更高的溫度下發生，引物與變性DNA的退火通常在約45°C至約65°C下進行，而用聚合酶延伸退火引物的步驟通常在約65°C至約75°C下進行。為了使PCR以最佳狀態進行，這些溫度步驟必須被依次重複。為了滿足該需要，已開發多種市售設備用於進行PCR。許多設備的重要組件是熱「循環儀」，其中的一個或更多個溫度控制元件(有時稱為「加熱塊」)容納PCR樣品。在一段時間中加熱塊的溫度變化以支持熱循環。遺憾的是，這些設備有重大缺點。例如，大多數設備是巨大、笨重且通常昂貴的。通常需要大量電力來加熱和冷卻加熱塊以支持熱循環。使用者常常需要接受大量培訓。因此，這些設備一般不適於現場使用。
克服這些問題的嘗試並不是完全成功的。例如，一種嘗試涉及使用多個溫度控制加熱塊，其中每個塊保持在期望的溫度並且使樣品在加熱塊之間移動。但是，這些裝置有其他缺點，如需要複雜的機械裝置使樣品在不同加熱塊之間移動，以及需要一次加熱或冷卻一個或幾個加熱塊。已有一些在一些PCR過程中使用熱對 流的嘗試。參見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，這些嘗試都沒有生產出小型、便攜、更實惠，而且減少對電力的大量需求的熱對流PCR設備。而且，這些熱對流裝置往往有低的PCR擴增效率和擴增子尺寸的限制。發明概述本發明提供了多階段熱對流裝置(特別是兩階段熱對流裝置)及其用途。該裝置通常包含至少一個輔助聚合酶鏈式反應(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流PCR的結構和/或位置特徵。溫度成形元件的存在增加PCR擴增的效率和速度、支持小型化、並且減少對大量電力的需要。在一個實施方案中，該裝置容易地放於使用者手掌上並且具有電池足以運行的低電力需求。在該實施方案中，該裝置比許多現有PCR設備更小、更便宜且更便攜。因此，在一方面，本發明的特徵是適於進行熱對流PCR擴增的兩階段熱對流裝置(「裝置」)。優選地，該裝置具有至少一個(優選所有的)作為可操作連接組件的下述元件(a)用於對槽進行加熱或冷卻並且包含上表面和下表面的第一熱源，所述槽適於容納進行PCR的反應容器，(b)用於對所述槽進行加熱或冷卻並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，其中所述槽由接觸第一熱源的底端和與第二熱源的上表面鄰接的通孔限定，並且其中底端與通孔的中心點之間形成槽軸，圍繞其布置所述槽，(C)至少一個適於輔助熱對流PCR的溫度成形元件；以及(d)在第一熱源內適於容納所述槽的接收孔。還提供了製造上述裝置的方法，該方法包括以足以進行本文所述熱對流PCR的可操作組合組裝(a)-(d)中的每個。在本發明的另一方面中，提供了適於使用至少一種本文所述裝置進行PCR的熱對流PCR離心機(「PCR離心機」)。本發明還提供了通過熱對流進行聚合酶鏈式反應(PCR)的方法。在一個實施方案中，該方法包括至少一個(優選所有的)下述步驟(a)將包含接收孔的第一熱源維持在適於使雙鏈核酸分子變性並形成單鏈模板的溫度範圍內，(b)將第二熱源維持在適於使至少一條寡核苷酸引物與單鏈模板退火的溫度範圍內，以及(C)在足以產生引物延伸產物的條件下在接收孔和第二熱源之間產生熱對流。另一方面，本發明提供了適於被本發明裝置容納的反應容器。


圖I為示意圖，其顯示裝置的一個實施方案的俯視圖。示出了穿過裝置的剖面(A-A 和 B-B)。圖2A至C為示意圖，其顯示具有第一室100的裝置的一個實施方案的剖面圖。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施方案沿A-A面的剖面圖。每個裝置具有相對於槽軸80寬度不等的第一室100和第二室110。圖4A至B為示意圖,其顯示裝置的一個實施方案的剖面圖(A-A)。圖4B顯示區域(由圖4A中的虛線圓確定)的放大圖。裝置具有第一室100和第二室110。第一室與第二室之間的區域包含第一熱制動器130。圖5A至C為示意圖，其顯示裝置的一個實施方案的剖面圖。圖5A至C為沿A-A面(圖5A至B)和B-B面(圖5C)的截面圖。第二熱源30包含第一室100和圍繞槽軸80對稱布置並且延伸了第一室100的長度的第一突出部33。第一熱源20包含第一突出部23。 圖6A至C為沿A-A面(圖6A至B)和B-B面(圖6C)的裝置的一個實施方案的示意圖。第一熱源20和第二熱源30包含突出部(23、24、33、34)，它們各自圍繞槽軸80對稱布置。第二熱源30包含第一室100。圖7A至D為示意圖，其顯示裝置的槽的一些實施方案(A-A面)。圖8A至J為示意圖，其顯示裝置的槽的一些實施方案。剖面與槽軸80垂直。圖9A至I為圖示，其顯示裝置的多種室的一些實施方案。剖面與槽軸80垂直。陰影線部分表示第二或第一熱源。圖IOA至P為圖示，其顯示裝置的多種室和槽的一些實施方案。剖面與槽軸80垂直。陰影線部分表示第二或第一熱源。圖IlA至B為示意圖，其顯示多種定位實施方案。圖IlA顯示圖5A所示裝置的定位實施方案。裝置相對於重力方向傾斜(傾斜eg確定的角度)。圖IlB顯示裝置的一個實施方案，其中在第二熱源30中槽70和第一室100相對於重力方向傾斜。重力方向相對於熱源保持垂直。圖12A至B為示意圖，其顯示裝置的一些實施方案的剖面圖(A-A面)。第一室100為錐形。圖13A至B是示意圖，其顯示裝置的一個實施方案的剖面圖(A-A面)，該裝置實施方案具有在第二熱源30內位於第一室100與第二室110之間的第一熱制動器130。顯示的第一和第二室的寬度不同。圖13B顯示由圖13A中所示虛線圓所確定之區域的放大圖，用以說明第一熱制動器130的結構細節。圖14A至D是示意圖，其顯示裝置的一些實施方案的剖面圖(A-A面)，該裝置實施方案具有位於第一室100的底部(即，第二熱源30的底部)的第一熱制動器130。圖14B和D顯示了分別由圖14A和D中所示虛線圓所確定之區域的放大圖，用以說明第一熱制動器130的結構細節。在圖14A至B中第一室100具有直壁，在圖14C至D中具有錐形壁。圖15為示意圖，其顯示裝置的一個實施方案的剖面圖(A-A)。接收孔73圍繞槽軸80不對稱布置並形成接收孔間隙74。圖16A至B為示意圖，其顯示裝置的一些實施方案沿A-A面的剖面圖。第一熱源20包含接收孔間隙74。在由圖16B所示的實施方案中，接收孔間隙74包含相對於槽軸80傾斜的上表面。圖17A至B為示意圖，其顯示裝置的一些實施方案沿A-A面的剖面圖。第一熱源20的特徵為突出部23圍繞接收孔73不對稱布置。在圖17A中，與接收孔73相鄰的突出部23具有多個上表面，其中之一更高並且更接近第一室100。在圖17B中，突出部23具有一個相對於槽軸80傾斜的上表面，從而使一側與相對於接收孔73的另一側相比更高且更接近第一室100。圖18A至D為示意圖，其顯示裝置的一些實施方案沿A-A面的剖面圖。在這些實施方案中，第一熱源20和第二熱源30的特徵為突出部23和33圍繞槽軸80不對稱布置。突出部23和33的一側與相對於槽軸80的另一側相比更高。突出部23的頂端和突出部33的底端具有多個表面(圖18A和18C)或相對於槽軸80傾斜(圖18B和18D)。在圖18A和18B中，第一室100的特徵為底端102，其一部分與相對於槽軸80的另一部分相比更接近突出部23的一側。在圖18C和18D中，第一室100的底端102與突出部23上表面的距離基 本恆定。圖19A至B為示意圖，其顯示裝置的一些實施方案沿A-A面的剖面圖。在這些實施方案中，第一熱源20的特徵為突出部23圍繞接收孔73對稱布置，第二熱源30的特徵為突出部33圍繞槽軸80不對稱布置。在圖19A中，第一室100的底端102的特徵為具有多個表面，從而使底端102 —側的一部分比與槽軸80相對的另一部分更接近突出部23。在圖19B中，第一室100的底端102相對於槽軸80傾斜，從而使底端102的一部分比與槽軸80相對的另一部分更接近突出部23。圖20A至C為顯示多種裝置實施方案的示意圖。圖20A顯示裝置的一個實施方案的剖面圖，其中第一室100在第二熱源30內並且圍繞槽70不對稱(偏離中心)布置。圖20B至C顯示沿A-A面的裝置的一個實施方案的剖面圖。第一室100圍繞槽70不對稱布置。如圖20C所示，顯示熱制動器130圍繞槽70不對稱布置並且壁133接觸槽70的一側。圖21為示意圖，其顯示裝置的一個實施方案沿A-A面的剖面圖，其顯示在第二熱源30內，第一室100和第二室110圍繞槽軸80不對稱布置。圖22為示意圖，其顯示裝置的一個實施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100包含相對於槽軸80以一定角度布置的壁103。圖23A至B為示意圖，其顯示裝置的一個實施方案沿A-A面的剖面圖，其中第二熱源30內有第一室100和第二室110。如圖23B所示，該裝置的特徵為第一熱制動器130圍繞槽70不對稱布置且處於第一室100和第二室110之間，其壁133接觸槽70的一側。圖24A至B為示意圖，其顯示裝置的一個實施方案沿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。第一室100和第二室110圍繞槽軸80不對稱布置。在圖24B所示的放大圖中，顯示熱制動器130圍繞槽70對稱布置在第一室100和第二室110之間。熱制動器130的壁133接觸槽70。 圖24C至D為示意圖，其顯示裝置的一個實施方案沿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。第一室100和第二室110圍繞槽軸80不對稱布置。第一室100垂直於槽軸80的寬度小於第二室110沿槽軸80的寬度。在圖24D所示的放大圖中，顯示第一熱制動器130圍繞槽70不對稱布置並且壁133接觸槽70的一側。圖25A至B為示意圖，其顯示裝置的一個實施方案沿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。第一室100和第二室110沿A-A面以相反方向圍繞槽軸80不對稱布置。顯示熱制動器130圍繞槽70對稱布置並且壁133接觸槽70。圖26A至B為示意圖，其顯示裝置的一個實施方案沿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。第一室100和第二室110圍繞槽軸80不對稱布置。如圖26B所示，第一熱制動器130也圍繞槽70不對稱布置並且壁133接觸槽70的一側。圖26C至D為示意圖，其顯示裝置的一個實施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100和第二室110在第二熱源30內並且圍繞槽軸80不對稱布置。如圖26D所示，第一熱制動器130也圍繞槽70不對稱布置並且壁133接觸槽70的一側。圖27A至B為示意圖，其顯示裝置的一個實施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100和第二室110在第二熱源30內並且沿A-A面以相反方向圍繞槽軸80不對稱布置。在圖27B所示的放大圖中，顯示在第一室100中，第一熱制動器130不對稱布置並且壁133接 觸槽70的一側。還顯示在第二室110中，第二熱制動器140不對稱布置並且壁143接觸槽70的一側。第一熱制動器130的頂端131基本位於與第二熱制動器140的底端142相同的高度。圖27C至D為示意圖，其顯示裝置的一個實施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100和第二室110在第二熱源30內並且沿A-A面以相反方向圍繞槽軸80不對稱布置。在圖27D所示的放大圖中，顯示第一熱制動器130和第二熱制動器140不對稱布置並且其壁(133、143)各自接觸槽70的一側。第一熱制動器130頂端131所處的位置高於第二熱制動器140的底端142。圖27E至F為示意圖，其顯示裝置的一個實施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100和第二室110在第二熱源30內並且沿A-A面以相反方向圍繞槽軸80不對稱布置。在圖27F所示的放大圖中，顯示第一熱制動器130和第二熱制動器140不對稱布置並且其壁(133,143)各自接觸槽70的一側。顯示第一熱制動器130頂端131所處的位置低於第二熱制動器140的底端142。圖28A至B為示意圖，其顯示裝置的一個實施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100和第二室110在第二熱源30內並且圍繞槽軸80不對稱布置。第一室100的頂端101和第二室110的底端112相對於槽軸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28B所示的放大圖中，顯示第一熱制動器130相對於槽軸80傾斜並且壁133接觸槽70。圖29A至D為示意圖，其顯示裝置的一些實施方案沿A-A面的剖面圖，其中第一室100和第二室110在第二熱源30內並且圍繞槽軸80不對稱布置。在圖29A至D中，顯示第一室100的壁103和第二室110的壁113相對於槽軸80傾斜。在圖29B所示的放大圖中，顯示熱制動器130圍繞槽70對稱布置並且壁133與槽70接觸。在圖29D所示的放大圖中，顯示第一熱制動器130相對於槽軸80傾斜並且壁133接觸槽70。圖30為示意圖，其顯示裝置10的一個實施方案的俯視圖，顯示第一固定元件200、第二固定元件210、加熱/冷卻元件(160a至b)和溫度傳感器(170a至b)。指示了多個剖面(A_A、B-B 和 C-C)。圖31A至B為示意圖，其顯示圖30所示的裝置實施方案沿A-A (圖31A)和B-B (圖31B)面的截面圖。
圖32為第一固定元件200沿C-C面的截面圖的示意圖。圖33為裝置一個實施方案的俯視圖的示意圖，其顯示多個固定元件、熱源結構、加熱/冷卻元件和溫度傳感器。圖34A至B為裝置一個實施方案的俯視圖(圖34A)和截面圖(圖34B)的示意圖，顯示第一殼體元件300，其限定出第二絕熱體310和第三絕熱體320。圖35A至B為裝置一個實施方案的俯視圖(圖35A)和截面圖(圖35B)的示意圖，其包含第二殼體元件400和第四絕熱體410及第五絕熱體420。圖36A至B為一個PCR離心機的一個實施方案的不意圖。圖36A顯不俯視圖，圖36B顯示沿A-A面的截面圖。圖37為示意圖，其顯示PCR離心機裝置的一個實施方案沿A-A面的截面圖。 圖38A至B為示意圖，其顯示包含第一室的PCR離心機的實施方案。在圖38A中，沿A-A的剖面穿過槽70。在圖38B中，沿B-B的剖面穿過第一固定工具200和第二固定工具 210。圖39A至B為示意圖，其顯示用於圖38A至B所示PCR離心機的第一熱源(圖39A)和第二熱源(圖39B)的一些實施方案。指示了穿過裝置的剖面(A-A和B-B)。圖40A至D為示意圖，其顯示多種反應容器實施方案的截面圖。圖41A至J為示意圖，其顯示多種反應容器實施方案垂直於反應容器軸95的截面圖。圖42A至C為使用圖5A的裝置進行熱對流PCR的結果，其顯示用使用分別來自Takara Bio、Finnzymes和Kapa Biosystems的3種不同DNA聚合酶擴增來自Ing質粒樣品的349bp序列。圖43顯示使用圖5A的裝置進行熱對流PCR的結果，其顯示來自Ing質粒樣品的936bp序列的擴增。圖44A至D為使用圖5A的裝置進行熱對流PCR的結果，其顯示在提高的變性溫度(分別為98。。、100。。、102。。和104。。)下PCR擴增加速。圖45A至B為使用圖5A的裝置進行熱對流PCR的結果，其顯示來自IOng人基因組樣品的479bp GAPDH (圖45A)和363bp ^ -珠蛋白(圖45B)序列的擴增。圖46為使用圖5A的裝置進行熱對流PCR的結果，其顯示來自非常低拷貝的人基因組樣品的24Ibp ￠-肌動蛋白序列的擴增。圖47顯示當將目標溫度分別設定為98°C和64°C時，圖5A裝置的第一和第二熱源作為時間的函數的溫度變化。圖48顯示了具有12個槽的圖5A的裝置作為時間的函數的功率消耗。圖49A至E為使用圖IlA的裝置進行熱對流PCR的結果，其顯示作為重力傾斜角度的函數的對349bp質粒靶標的PCR擴增加速。圖49A至E的重力傾斜角度分別為0°、10。、20。、30。和 45。。圖50A至E為使用圖IIA的裝置進行熱對流PCR的結果，其顯示作為重力傾斜角度函數的對936bp質粒靶標的PCR擴增加速。圖50A至E的重力傾斜角度分別為0°、10°、20。、30。和 45。。圖51顯示使用圖IlA的裝置進行熱對流PCR的結果，其顯示了來自Ing質粒樣品的多個目標序列(大小為約150bp至約2kbp)的擴增。重力傾斜角度為10°。圖52A至E為使用圖IlA的裝置進行熱對流PCR的結果，其顯示作為重力傾斜角度的函數的對521bp人基因組靶標的PCR擴增加速。圖52A至E的重力傾斜角度分別為0°、10。、20。、30。和 45。。圖53A至B為使用圖IlA的裝置進行熱對流PCR的結果，其顯示了來自IOng人基因組樣品的200bp P -珠蛋白(圖53A)和514bp P -肌動蛋白(圖53B)序列的擴增。重力傾斜角度為10°。圖54顯示使用圖IlA的裝置進行熱對流PCR的結果，其顯示了來自IOng人基因組和cDNA樣品的多個目標序列(大小為約IOObp至約500bp)的擴增。重力傾斜角為10°。圖55顯示使用圖IlA的裝置進行熱對流PCR的結果，其顯示了當引入的重力傾斜角為10°時來自非常低拷貝人基因組樣品的241bp ￠-肌動蛋白序列的擴增。 圖56A至B為分別使用圖5A和20A的裝置擴增349bp質粒靶標的熱對流PCR的結果。圖5A的裝置具有對稱的加熱結構，而圖20A的裝置具有包含偏離中心的第一室的不對稱加熱結構。圖57A至B為分別使用圖5A和20A的裝置擴增24Ibp人基因組靶標的熱對流PCR的結果。圖5A的裝置具有對稱的加熱結構，而圖20A的裝置具有包含偏離中心的第一室的不對稱加熱結構。圖58A至B為分別使用圖5A和20A的裝置擴增216bp人基因組靶標的熱對流PCR的結果。圖5A裝置具有對稱的加熱結構，而圖20A的裝置具有包含偏離中心的第一室的不對稱加熱結構。圖59A至B為示意圖，其顯示裝置的一些實施方案的剖面圖，所述實施方案具有一個或更多個光學檢測單元600至603，這些檢測單元沿槽軸80與第一熱源20隔開並且足以檢測來自反應容器90中的樣品的螢光信號。所述裝置包含單個光學檢測單元600以檢測來自多個反應容器的螢光信號(圖59A)，或者包含多個光學檢測單元601至603 (圖59B)以檢測來自每個反應容器的螢光信號。在圖59A至B所示的實施方案中，光學檢測單元檢測來自反應容器90的底端92的螢光信號。第一熱源20包含光學埠(optical port)610,其位於槽70的底端72與第一熱源突出部24之間的槽軸80周圍，並且為光的激發和發射提供與槽軸80平行的路徑(分別用向上和向下的箭頭表示)。圖60A至B為示意圖，其顯示裝置的一些實施方案的剖面圖，所述實施方案具有一個光學檢測單兀600 (圖60A)或多於一個光學檢測單兀601至603 (圖60B)。每個光學檢測單元600至603沿槽軸80與第二熱源30隔開並且足以檢測位於反應容器90中的樣品的螢光信號。在這些實施方案中，反應容器蓋(未顯示)的中心部分通常適合反應容器90的頂部開口並且作為與槽軸80平行的激發光和發射光的光學埠(圖60A至B中分別用向上和向下的箭頭表示)發揮作用。圖61為示意圖，其顯示裝置的一個實施方案的剖面圖，所述實施方案具有與第二熱源30隔開的光學檢測單元600。在該實施方案中，光學埠 610沿與槽軸80垂直的路徑位於第二熱源30 (顯示為灰色矩形框)和第一絕熱體50 (顯示為虛線)中，光學埠 610朝向足以從反應容器90中樣品的側面檢測的螢光信號的光學檢測單元600。光學埠 610為反應容器90和光學檢測單元600之間的激發光和發射光提供了路徑(如指向左右的箭頭所示，或反之亦然)。在這種實施方案中，沿光路的反應容器90的一側部分和第一室100的一部分也作為光學埠起作用。圖62為示意圖，其顯示光學檢測單元600的剖面圖，光學檢測單元600定位成從反應容器90底端92檢測螢光信號。在這種實施方案中，配置光源620、激發透鏡630和激發濾光器640以產生激發光,它們以相對於槽軸80呈直角的方向定位,檢測器650、光圈或狹縫655、發射透鏡660和發射濾光器670可操作用以檢測發射光，它們沿槽軸80定位。還顯不了傳輸突光發射和反射激發光的二色分束器680。圖63為示意圖，其顯示光學檢測單元600的剖面圖，光學檢測單元600定位成從反應容器90底端92檢測螢光信號。在這種實施方案中，定位光源620、激發透鏡630和激發濾光器640以產生沿槽軸80的激發光。沿相對槽軸80呈直角的方向定位檢測器650、光圈或狹縫655、發射透鏡660和發射濾光器670以檢測發射光。還顯示了傳輸激發光和反射螢光發射的二色分束器680。圖64A至B為示意圖，其顯示光學檢測單元600的剖面圖，光學檢測單元600定位 成從反應容器90底端92檢測螢光信號。在這些實施方案中，使用單透鏡635使激發光成形以及檢測螢光發射。在圖64A所示的實施方案中，光源620和激發濾光器640沿與槽軸80呈直角的方向定位。在圖64B所不的實施方案中，檢測突光發射的光學兀件(650、655和670)沿與槽軸80呈直角的方向定位。圖65為示意圖，其顯示光學檢測單元600的剖面圖，光學檢測單元600定位成為反應容器90頂端91檢測螢光信號。如圖62中所示，沿與槽軸80呈直角的方向定位光源620、激發透鏡630和激發濾光器640，沿槽軸80定位檢測器650、光圈或狹縫655、發射透鏡660及發射濾光器670。在這種實施方案中，還顯示了以可密封方式連接至反應容器90的頂端91的反應容器蓋690，並且其包含圍繞反應容器90的頂端91的中心點布置且用於傳輸激發光和發射光的光學埠 695。在這種實施方案中,光學埠 695進一步被反應容器蓋690的上部和反應容器90的上部限定。圖66A至B為示意圖，其顯示具有反應容器蓋690和光學埠 695的反應容器90的剖面圖。反應容器蓋690以可密封方式連接至反應容器90的上部和光學埠 695。在這些實施方案中，使得在反應容器90被反應容器蓋690密封時，光學埠 695的底端696接觸樣品。在光學埠 695的底端696和反應容器蓋690—側提供開放空間698，以使得當反應容器90被反應容器蓋690密封時，樣品可充滿該開放空間。樣品彎液面(meniscus)位於高於光學埠 695的底端696的位置。在圖66A至B中，光學埠 695圍繞反應容器蓋690下部的中心點布置並且進一步被反應容器蓋690的下部和反應容器90的上部限定。圖67為示意圖，其顯示在反應容器90之上布置光學檢測單元600的反應容器90的剖面圖。反應容器90用反應容器蓋690密封，反應容器蓋690具有圍繞反應容器90上部中心點布置的光學埠 695，其足以接觸樣品。在這種實施方案中，在不通過反應容器90中所含空氣的情況下，激發光和螢光發射通過光學埠 695達到樣品或反之亦然。詳述以下附圖標記可幫助讀者更好的領會本發明，包含附圖和
權利要求
10 :裝置實施方案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)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(從第二熱源的頂部向外指出)50 :第一絕熱體(或第一絕熱間隙)51 :第一絕熱體室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:反應容器91 :反應容器的頂端92:反應容器的底端93:反應容器的外壁94:反應容器的內壁95 :反應容器的(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 :第一熱制動器131 :第一熱制動器的頂端132 :第一熱制動器的底端133 :第一熱制動器的第一壁，基本上接觸槽的至少一部分140 :第二熱制動器141 :第二熱制動器的頂端142 :第二熱制動器的底端143 :第二熱制動器的第一壁，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200 :第一固定元件，包含以下元件中的至少一個201 :螺釘或緊固件(通常由絕熱體製得)202a :墊圈或定位支座(通常由絕熱體製得)202b :間隔物或定位支座(通常由絕熱體製得)203a :第一熱源的固定元件203b :第二熱源的固定元件210 :第二固定元件(通常製成翼結構)—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 :第二絕熱體(或第二絕熱間隙)—位於熱源側面與第一殼體元件側壁之間；以及——填充有絕熱體(如空氣、氣體或固體絕熱體)320 :第三絕熱體(或第三絕熱間隙)—位於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 :第四絕熱體(或第四絕熱間隙)—位於第一殼體元件側壁與第二殼體元件側壁之間；以及——填充有絕熱體(如空氣、氣體或固體絕熱體)420 :第五絕熱體(或第五絕熱間隙)—位於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 :離心機單元501 :馬達
510 :離心旋轉軸520 :旋轉臂530:傾斜軸600至603 :光學檢測單元610:光學埠620 :光源630 :激發透鏡635 :透鏡 640:激發濾光器650:檢測器655 :光圈或狹縫660 :發射透鏡670 :發射濾光器680 : 二色分束器690:反應容器蓋695:光學埠696:光學埠的底端697:光學埠的頂端698 :反應容器內壁與光學埠側壁之間的開放空間699:光學埠的側壁如所討論的，在一個實施方案中，本發明的特徵為適於進行熱對流PCR擴增的兩階段熱對流裝置。在一個實施方案中，所述裝置包含作為可操作連接的組件的以下元件(a)用於對槽進行加熱或冷卻並且包含上表面和下表面的第一熱源，所述槽適於容納進行PCR的反應容器，(b)用於對所述槽進行加熱或冷卻並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，其中所述槽由與第一熱源接觸的底端和與第二熱源的上表面鄰接的通孔限定，並且其中底端與通孔的中心點之間形成槽軸，圍繞其布置所述槽，(C)圍繞所述槽布置且在第二或第一熱源的至少一部分內的至少一個溫度成形元件，如至少一個間隙或空間(例如室)，所述室間隙足以降低第二或第一熱源與槽之間的熱傳遞；以及(e)適於在第一熱源內容納所述槽的接收孔。實施時，所述裝置使用位於裝置內的多個熱源(例如2個、3個、4個或更多個熱源，優選為2個熱源)，從而在典型的實施方案中每個熱源與其它熱源基本上平行。在這種實施方案中，裝置將產生適於快速且有效的以對流為基礎的PCR方法的溫度分布。通常裝置包含布置在第一和第二熱源內的多個槽，從而使得使用者可同時進行多個PCR反應。例如，裝置可包含至少I個或2個、3個、4個、5個、6個、7個、8個、9個至約10個、11個或12個、20個、30個、40個、50個或多至數百個延伸穿過第一和第二熱源的槽，對於許多發明應用一般優選約8個至約100個槽。一個優選的槽功能是接收裝有使用者的PCR反應的反應容器，以及在反應容器與a)熱源，b)溫度成形元件和c)接收孔中的至少一個(優選全部)之間提供直接或間接的熱交換。兩個熱源中每個熱源與其它熱源的相對位置是本發明的重要特徵。裝置的第一熱源通常位於底部並且保持適於核酸變性的溫度，第二熱源通常位於頂部並且保持適於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。在一些實施方案中，第二熱源保持適於退火和聚合二者的溫度。因而，在一個實施方案中，第一熱源中槽的底部和第二熱源中槽的頂部分別具有適於PCR反應變性和退火步驟的溫度分布。槽的頂部與底部之間是過渡區，其中發生從第一熱源的變性溫度(高溫度)到第二熱源的退火溫度(低溫度)的溫度變化。因而，在典型的實施方案中，過渡區的至少一部分具有的溫度分布適於引物沿變性的模板聚合。當第二熱源維持適於退火和聚合二者的溫度時，除過渡區的上部之外，第二熱源中槽的頂部也提供適於聚合步驟的溫度分布。因此，過渡區中的溫度分布對於完成有效的PCR擴增(特別是對於引物延伸)是重要的。反應容器內的熱對流通常依賴於過渡區中產生的溫度梯度的大小和方向，因而過渡區中的溫度分布對於在反應容器內產生有助於PCR擴增適當的熱對流也是重要的。多個溫度成形元件可與裝置一起使用以在過渡區中產生適 當的溫度分布，用以支持快速且有效的PCR擴增。通常，將每個熱源各自保持在適於引起熱對流PCR的每個步驟的溫度。另外，在裝置的特徵為具有兩個熱源的一些實施方案中，兩個熱源的溫度被適當地排列以誘導經過反應容器內樣品之熱對流。本發明引起適當熱對流的一個一般條件是，在裝置內保持較高溫度的熱源比保持較低溫度的熱源位於更低的位置。因而，在包含兩個熱源的一個優選的實施方案中，在裝置中第一熱源位於比第二熱源更低的位置。如所討論的，本發明的一個目的是提供具有至少一個溫度成形元件的裝置。在大多數實施方案中，裝置的每個槽將包含少於約10個這樣的元件，例如每個槽有I個、2個、3個、4個、5個、6個、7個、8個、9個或10個溫度成形元件。溫度成形元件的一個功能是通過提供支持PCR的結構或位置特徵而提供有效的熱對流介導的PCR。如從以下實施例和討論中將更加顯而易見的，這些特徵包括但不限於至少一個間隙或空間(如室)；至少一個位於熱源之間的絕熱體或絕熱間隙；至少一個熱制動器；在第一和第二熱源的至少一個中的至少一個突出結構；裝置內(尤其是槽、第一熱源、第二熱源、間隙(如室)、熱制動器、突出部、第一絕熱體或接收孔的至少一個中)的至少一個不對稱布置的結構；或者至少一個結構的或位置的不對稱。結構不對稱通常根據槽和/或槽軸確定。位置不對稱的一個實例為相對於重力方向傾斜或以另外方式放置裝置。詞語「間隙」和「空間」常常在本文中互換使用。間隙是在裝置內小的封閉或半封閉空間，其意在輔助熱對流PCR。具有確定結構的大間隙或大空間在本文中稱作「室」。在許多實施方案中，室包含間隙並在本文中稱作「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。對於許多應用，用空氣填充的間隙或室通常是有用的。可在本發明裝置中使用一個溫度成形元件或其組合(相同或不同)。將詳細討論示例性的溫度成形元件。示例性溫度成形元件A.間隙或室在本發明的一個實施方案中，每個槽包含至少一個作為溫度成形元件的間隙或室。在一個典型的實施方案中，裝置包含I個、2個或者甚至3個圍繞各個槽布置並且在第二熱源中的室。可替換地或另外地，裝置的特徵可以是在第一熱源內圍繞槽布置的至少一個室。然而對於許多實施方案，優選在第二熱源內圍繞槽布置至少一個室，但是在第一熱源內不布置室結構。在本發明的這個實例中，室在槽與第二(有時與第一)熱源之間產生了空間，允許使用者在裝置內精確地控制溫度分布。也就是說，所述室幫助控制過渡區中槽溫度分布的形狀。「過渡區」意指大致在接觸第二熱源的槽上部與接觸第一熱源的槽下部之間的槽區域。只要實現預期結果，所述室幾乎可以位於槽周圍的任何位置。例如，在第二熱源之內或附近定位的室(或多於一個室)將用於許多發明應用。儘管不太優選，但室也可以位於第一熱源內或者位於第一和第二熱源兩者內。在裝置的槽具有多個室的實施方案中，裝置中的每個室可以與其他室分開，並且在一些情況下可以與一個或更多個其它室接觸。一個間隙或室結構或者不同間隙或室結構的組合適用於本發明。一般的要求是，所述室應該在過渡區產生滿足至少一個(優選全部)以下條件的溫度分布(I)產生的溫度梯度(尤其是穿過槽的豎直面的)必須足夠大以產生穿過反應容器內的樣品的熱對流；和(2)由溫度梯度這樣產生的熱對流必須足夠地慢(或適當地快)從而可以為PCR過程的每個步驟提供足夠的時間。尤其地，由於聚合步驟通常比變性和退火步驟花費更多時間，因而特別重要的是要使聚合步驟的時間足夠長。間隙或室配置的具體示例在以下公開。 如果期望，本發明裝置內的槽可具有至少一個圍繞槽軸基本對稱或不對稱布置的室。在許多實施方案中，優選具有I個、2個或3個室的裝置。所述室可被布置在一個熱源或熱源的組合中，例如在第二熱源、第一熱源或第二和第一熱源兩者中。對於許多裝置，在第二熱源內具有I個、2個或3個室將尤其有用。這些室的實施方案的實例提供如下。在一個實施方案中，所述室將進一步由本文所稱的「突出部」限定，所述「突出部」來自第一熱源和第二熱源中的至少一個。在一個具體實施方案中，突出部以大體平行於槽軸的方向從第二熱源向第一熱源延伸。其它實施方案是可能的，如包括以大體平行於槽軸的方向從第二熱源的上表面延伸出的實施方案。另外的實施方案包括這樣的裝置，其具有以大體平行於槽軸的方向從第一熱源向第二熱源延伸的突出部。還有一些實施方案包括這樣的裝置，其具有也以大體平行於槽軸的方向從第一熱源的下表面延伸出的第二突出部。在一些實施方案中，所述裝置可包含至少一個相對於槽軸傾斜的突出部。在本發明的這些實例中，可以大幅降低第一和/或第二熱源的體積以及兩個熱源之間的熱傳遞，同時延長所述室沿槽軸的尺寸。已發現這些特徵提高熱對流PCR的效率並且降低功率消耗。圖2A、3A、4A、5A、11A、11B、12A、14A、18A和20A提供了用於本發明的可用的室的一些實例。其它適當的室結構在以下公開。B.熱制動器本發明裝置內的每個槽可以包含I個、2個、3個或更多個熱制動器(通常為一個或兩個熱制動器)以控制裝置內的溫度分布。在很多實施方案中，熱制動器由頂端和低端以及任選地與槽熱接觸的壁限定。熱制動器通常與間隙或室的壁(如果存在)相鄰或在它們附近布置。可以通過包含作為溫度成形元件的熱制動器來控制(通常降低)不期望的從一個熱源到另一個(通常從第一熱源到第二熱源)的溫度分布譜幹擾。如將在以下被詳細描述，發現熱對流PCR擴增效率對熱制動器的位置和厚度敏感。可用的熱制動器可相對於槽對稱或不對稱布置。
只要實現預期結果，本文所述的一個或更多個熱制動器可以位於所裝置各個槽周圍的任何位置。因而，在一個實施方案中，可以將熱制動器定位為在第二熱源中與室相鄰或靠近室以屏蔽或降低來自第一熱源的不期望的熱流並實現適當的PCR擴增。圖4B、13B、14B、20C、23B、24B、26B和27B提供了用於本發明的適當熱制動器的一些實例。其它適當的熱制動器在以下公開。C.位置或結構不對稱發現當本發明裝置包含至少一個位置或結構不對稱元件(例如，每個槽有I個、2個、3個、4個、5個或6個這樣的元件)時，熱對流PCR更快且更有效。這些元件可被置於一個或更多個槽周圍甚至整個裝置中。不希望受到理論約束，認為裝置內存在的不對稱元件以使擴增過程更快且更有效的方式增加了浮動力。發現通過在裝置內弓I入至少一個可造成相對於槽軸或重力方向的「水平方向上不對稱的加熱或冷卻」的位置或結構不對稱，可以幫助熱對流PCR。不希望受到理論約束，認為其中具有至少一個不對稱元件的裝置打破了裝置對槽進行加熱或冷卻的對稱性並且幫助或增加浮動力的產生，從而使擴增過程更快且更有 效。「位置不對稱元件」意指使槽軸或裝置相對於重力方向傾斜的結構元件。「結構不對稱元件」意指裝置內相對於槽和/或槽軸不對稱布置的結構元件。如所討論的，為了產生熱對流(並且也為了滿足PCR過程的溫度需要)，有必要在樣品流體內產生豎直的溫度梯度。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於重力方向(即豎直方向)是平的(即水平的)，則可能不產生引起熱對流的浮動力。在這樣的平溫度分布中，由於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)，流體不會經受任何浮動力。在對稱的實施方案中，所有結構元件相對於槽或槽軸對稱，並且重力方向基本上與槽或槽軸平行。在這些對稱的實施方案中，槽或反應容器內溫度分布的等溫線相對於重力場常常是近乎或完全平的，因而常常很難產生足夠快的熱對流。不希望受到理論約束，認為可以在溫度分布中引起波動或不穩定的一些幹擾的存在常常幫助或增加浮動力的產生，並且使PCR擴增更快且更有效。例如，通常存在於一般環境中的小振動可幹擾近乎或完全平的溫度分布，或者裝置中微小的結構缺陷可打破槽/室結構或反應容器結構的對稱性，從而幹擾近乎或完全平的溫度分布。在這種經幹擾的溫度分布中，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，由於這種溫度波動或不穩定，很容易產生浮動力。在對稱的實施方案中，這種天然或偶然的幹擾對產生熱對流通常很重要。當裝置內存在位置或結構不對稱，可以可控地使槽或反應容器內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稱)。在這種水平方向上不對稱的溫度分布存在的情況下，可容易且通常更強烈地產生浮動力，以使熱對流PCR更快且更有效。有用的位置或結構不對稱元件引起槽相對於槽軸或重力方向有「水平方向上不對稱的加熱或冷卻」。通過一個策略或策略的組合，可以將不對稱引入本發明裝置中。在一個實施方案中，例如通過相對於重力方向傾斜裝置或槽，可以使發明裝置具有施加在該裝置上的位置不對稱。通過整合進能夠相對於重力方向偏置槽軸的結構，可以使幾乎任何本文公開的裝置實施方案傾斜。可用結構的一個例子為楔形物或相關的傾斜形狀，或者傾斜的槽。本發明實施方案的例子參見圖IlA至B。在另一些實施方案中，裝置內至少一個以下元件可相對於槽軸不對稱布置a)槽；b)間隙(如室);c)接收孔；d)第一熱源；e)第二熱源；f)熱制動器；和g)絕熱體。因而，在一個發明實施方案中，裝置的特徵為作為結構不對稱元件的室。在本發明的實例中，裝置可包含一種或更多種其它結構不對稱元件，如室、接收孔、熱制動器、絕熱體或一個或更多個熱源。在另一個實施方案中，結構不對稱元件是接收孔。在又一個實施方案中，結構不對稱元件是熱制動器或多於一個熱制動器。所述裝置可以包含一個或更多個其它不對稱或對稱結構元件，如第一熱源、第二熱源、室、槽、絕熱體等。在第一熱源和/或第二熱源的特徵為結構不對稱元件的一些實施方案中，該不對稱可尤其存在於通常與槽軸平行地延伸的突出部(或多於一個突出部)。以下提供另一些實例，具體參見圖17A至B、18A至D、19A至B、21和22。如所討論的，槽和室之一或此二者可相對於槽軸對稱或不對稱地布置在裝置中。實例還參見圖8A至J、9A至I和IOA至P，其中槽和/或室為對稱或不對稱結構元件。通常理想的是其中接收孔為結構不對稱元件的裝置。不期望受任何理論約束，認 為接收孔與室或第二熱源底端之間的區域是裝置中產生熱對流流動的主要驅動力的位置。顯而易見的是，該區域是發生最初加熱至最高溫度(即變性溫度)和轉變為最低溫度(即聚合溫度)的區域，因此最大的驅動力應源於該區域。例如參見圖15和17A至B，其顯示不對稱接收孔結構。D.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現本發明的目的。從以下討論中顯而易見的是，置於熱源之間的絕熱間隙中的多種絕熱體可用於所述裝置中。因而在一個實施方案中，將第一絕熱體置於第一與第二熱源之間的第一絕熱間隙中。可使用具有低導熱率的一種氣體或固體絕熱體或其組合。對於本發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0. 024W HT1 K-1的低導熱率，隨著溫度增加逐漸增加)。儘管可以使用比靜止空氣導熱率高的材料而不顯著降低裝置除功率消耗之外的性能，但是一般優選使用導熱率與空氣相似或小於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於木材、軟木、織物、塑料、陶瓷、橡膠、矽、氧化矽、碳等。由這些材料製得的硬質泡沫尤其有用，因為它們顯示出非常低的導熱率。硬質泡沫的例子包括但不限於泡沫聚苯乙烯(Styrofoam)、聚氨酯泡沫、氧化娃氣溶膠、碳氣溶膠、SEAgel、娃酮泡沫或橡膠泡沫、木材、軟木等。除空氣外，聚氨酯泡沫、氧化矽氣溶膠和碳氣溶膠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明裝置的實施方案中優勢顯而易見。例如，裝置的使用者能夠1)通過大幅降低從一個熱源到下一個熱源的熱傳遞來降低功率消耗；和2)控制產生驅動力的溫度梯度(以及因此控制熱對流)，這是由於在絕熱間隙區域中發生從一個熱源到下一個熱源的大幅溫度變化。發現具有低導熱率絕熱體的較大絕熱間隙一般有利於降低功率消耗。使用突出部結構對於大幅降低功率消耗尤其有用，這是因為可以提供較大的平均間隙，同時獨立地控制絕熱間隙的不同區域(即，分別控制接近和遠離槽的區域)。還發現改變絕熱間隙(尤其在接近槽的區域中)可以控制熱對流的速度，因而控制PCR擴增的速度。具有絕熱間隙的其它優勢將從以下的討論和實施例中顯而易見。從以下的討論和實施例中顯而易見的是，本發明的裝置可包含一個前述溫度成形元件或其組合。因而，在一個實施方案中，裝置的特徵為至少一個室(例如I個、2個或3個室)，其圍繞槽對稱地布置並且通常與將第一和第二熱源彼此分隔的第一絕熱體一起平行於槽軸。在這種實施方案中，所述裝置還可包含一個或兩個熱制動器以進一步幫助熱對流PCR0在所述裝置包含兩個室(例如在第二熱源內)的一個實施方案中，每個室相對於槽軸可具有相同或不同的水平位置。在另一個實施方案中，第二熱源的特徵為向第一熱源延伸的第一突出部，以及任選地從第二熱源的上表面延伸出去(一般平行於槽軸)的第二突出部，其中第一突出部通常限定出室。在這種實施方案中，所述裝置還包含從第一熱源向第二熱源延伸的第一突出部；以及任選地從第一熱源的下表面延伸出去且一般平行於槽軸的第二突出部。在這些實施方案中，第二熱源通常包含相對於槽軸對稱布置的至少一個室(例如I個、2個或3個室)，第一熱源通常不包含室，但有時可以包含一個或兩個相對於槽軸對稱布置的室。如所討論的，通常有用的是在裝置內包含不對稱結構元件。因而，本發明的一個目的是在裝置內包含相對於槽軸不對稱布置的接收孔。在這種實施方案中，所述裝置可包含一個或更多個相對於槽軸對稱或不對稱布置的室。可替換地或另外地，所述裝置的特徵可以是至少一個熱制動器相對於槽軸不對稱布置。在這種實施方案中，所述裝置可包含相對於槽軸對稱或不對稱布置的一個或更多個室。可替換地或另外地，所述裝置的特徵可以是 至少一個突出部相對於槽軸不對稱布置。在一個實施方案中，從第一熱源延伸出的突出部圍繞槽軸不對稱布置，而從第二熱源延伸出的一個或兩個突出部(和室)圍繞槽軸對稱或不對稱布置。可替換地或另外地，第二熱源的一個或更多個突出部(和室)可以圍繞槽軸不對稱布置，而從第一熱源延伸出的一個或兩個突出部圍繞槽軸對稱或不對稱布置。但是，在另一個實施方案中，裝置內的一個或更多個槽甚至所有的槽不需要包含任何室或間隙結構。在這種實例中，所述裝置優選包含一個或更多個其他溫度成形元件，如相對於重力的槽傾斜角(位置不對稱的一個實例)。可替換地或另外地，槽可包含結構不對稱或經受本文提供的離心加速度。應理解，可以在本發明的裝置中存在替代的或額外的對稱元件。例如，所述裝置可包含兩個或三個室，其中一個或更多個室相對於槽軸不對稱布置。在裝置包含單個室的實施方案中，該室可相對於槽軸不對稱布置。一些實施方案包括這樣的裝置，其中從第二熱源向第一熱源延伸的突出部相對於槽軸不對稱布置。如期望，任何前述發明實施方案可包含位置不對稱，其通過相對於重力方向傾斜裝置或槽或者將裝置或槽置於楔形物或其它傾斜形狀上來實現。應理解，只要實現期望結果，裝置實施方案的幾乎任何溫度成形元件(無論在裝置內相對於槽軸是對稱還是不對稱布置)可以與一個或更多個其他溫度成形元件(包括裝置的其它結構或位置特徵)組合。應理解，本發明是靈活的，並且包括每個槽包含相同或不同溫度成形元件的裝置。例如，所述裝置的一個槽可以不具有室或間隙結構，而裝置的另一個槽包含I個、2個或3個這樣的室或間隙結構。只要實現期望結果，本發明不限於任何槽構造(或一組槽構造)。但是，通常優選的是本發明裝置的所有槽具有相同數目和類型的溫度成形元件，以簡化使用和製造時的設計。涉及以下附圖和實施例意於提供對熱對流PCR裝置的更佳理解。其目的不在於並且不應被認為是限制本發明的範圍。
見圖I和2A至C，裝置10的特徵為作為有效連接組件的以下元件(a)用於加熱或冷卻槽70並且包含上表面21和下表面22的第一熱源20,其中槽70適於容納進行PCR的反應容器90 ；(b)用於加熱或冷卻槽70並且包含上表面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，其中槽70由接觸第一熱源20的底端72和與第二熱源上表面41鄰接的通孔71限定。在這種實施方案中，底端72與通孔71之間的中心點形成槽軸80，圍繞其布置槽70 ；(c)圍繞槽70布置並且在第二熱源30的至少一部分內的至少一個室。在這種實施方案中，第一室100包含在第二熱源30與槽70之間的室間隙105，其足以降低第二熱源30與槽70之間的熱傳遞；和(d)其適於在第一熱源20內容納槽70的接收孔73。
短語「可操作連接」、「可操作結合」等意指裝置的一個或更多個元件可操作性地連接至一個或更多個其它元件。更具體地，這種結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)的裝置在本發明的範圍內。在圖2A所示的實施方案中，所述裝置還包含位於第一熱源20上表面21與第二熱源30下表面32之間的第一絕熱體50。應理解，只要絕熱體的數目足夠實現預期結果，本發明的實施不限於僅具有一個絕熱體。也就是說，本發明可包含多個絕熱體(例如，2個、3個或4個絕熱體)。在大多數實施方案中，優選沿槽軸80，第二熱源30的長度大於第一熱源20的長度。儘管在另一些實施方案中，第二熱源30的長度可以小於或基本上等於第一熱源20的長度，但是有利的是第二熱源30具有較大長度以使聚合步驟有較長的路徑長度。在圖2A所示的一個實施方案中，第一絕熱體50填充有具有低導熱率的絕熱體。優選的熱絕熱體具有的導熱率為約幾十w nr1 r1至約o. Oiw nr1 r1或者更少。在這種實施方案中，將第一絕熱體50沿槽軸80的長度製得較小，例如，約0. Imm至約5mm，優選約0. 2mm至4mm。在本發明的這個實例中，從一個熱源到鄰接熱源的熱損失可非常大，在運行裝置的過程中引起大的功率消耗。對於許多應用，通常優選的是將兩個熱源(例如，20和30)彼此隔離，還將它們與裝置的其他元件隔離(如存在)。使用一個或更多個絕熱體常常是有用的。例如，在第一絕熱間隙50中使用絕熱體常常可降低功率消耗。因此，在圖2A至C所示的本發明的實施方案中，第一絕熱體50包含作為絕熱體的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熱率與空氣類似或比空氣低的氣體或固體絕熱體。由於室間隙105的一個重要功能是控制(通常為降低)從第二熱源向第二熱源內的槽的熱傳遞，所以也可以使用導熱率高於空氣的材料如塑料或陶瓷。但是，當使用這些導熱率更高的材料時，與使用空氣作為絕熱體的實施方案相比，室間隙105應被調整為更大。類似地，如果使用導熱率比空氣更低的材料，與空氣絕熱體的實施方案相比，室間隙105應當被調整為更小。尤其地，圖2A至C顯示了一個裝置的實施方案，其中在第一絕熱體50和室間隙105中使用空氣或氣體作為絕熱體。這些間隙內的槽結構用虛線描繪，以代表當空氣(或氣體)用作絕熱體時這些結構的不可見性。如果期望實現特定的發明目的，可以使所述裝置適合於將固體絕熱體用於室間隙105。可替換地或另外地，所述裝置可在第一絕熱體50中包含固體絕熱體。圖2B和2C顯示圖I中所標記的裝置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施方案。如圖I和2A至C的實施方案所示，所述裝置的特徵為具有12個槽(在本文中有時稱作反應容器槽)。但是，根據預期用途可以有更多或更少的槽，例如，約I或2至約12個槽，或者約12至幾百個槽，優選約8至約100個槽。優選地，每個槽獨立地適於容納反應容器90，反應容器90通常由第一熱源20內的底端92和第二熱源31頂部上的頂端91限 定。第一熱源20和第二熱源30中的槽70通常穿過第一絕熱體50。槽70的頂端71和底端72之間的中心點形成槽80的軸(在本文中有時稱作槽軸)，圍繞其布置熱源和絕熱體。在圖I和2A至C所示的實施方案中，槽70適合於使反應容器90可適合地安裝在其中，g卩，槽70的大小形狀與圖2A所示的反應容器下部基本相同。在運行時，槽作為容納反應容器的接收物發揮作用。但是，如以下更詳細解釋的，可相對於槽軸80調整和/或移動槽70的結構，以在反應容器90與熱源20和30的一個或更多個之間提供不同熱接觸可能性。例如，在第二熱源30中所形成的通孔71可作為槽70的頂部發揮功能。在這種實施方案中，第二熱源30內的槽70與第二熱源30物理接觸。也就是說，延伸進第二熱源30的通孔71的壁與反應容器90物理接觸。在這種實施方案中，所述裝置可提供從第二熱源30至槽70和反應容器90的有效熱傳遞。對於許多發明應用，一般優選的是第二熱源中通孔的尺寸與槽或反應容器的尺寸基本相同。但是，其他通孔的實施方案在本發明的範圍內並且在本文中公開。例如，在圖2A至C中，可以將第二熱源30中的通孔71製造為比反應容器90的尺寸更大。但是，在這種情況下，從第二熱源30到反應容器90的熱傳遞可變得效率較低。在這種實施方案中，降低第二熱源30的溫度對於最優地實施發明可有用。對於大多數的發明應用，普遍有用的是第二熱源30中通孔71的尺寸與反應容器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的本發明實施方案中，其常常作為槽70的底部發揮作用。例如參見圖2A。在這樣的一個實施方案中，第一熱源20的接收孔73的尺寸與反應容器92底部的尺寸基本相同，在大多數這種實施方案中，這將對反應容器90提供物理接觸和有效的熱傳遞。如將要討論的，在一些本發明實施方案中，第一熱源20中的接收孔73可以具有比反應容器底部稍大的部分室結構或尺寸。室結構和功能在圖2A至C所示的裝置中，第一室100圍繞槽70對稱布置且在第二熱源30內。裝置10內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勢。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或反應容器90的熱傳遞。也就是說，室100大幅降低了第二熱源30與槽70或反應容器90之間的熱傳遞。如從以下的討論中更加顯而易見的，本發明的該特徵支持在裝置10內進行穩定且更快的熱對流PCR。儘管通常有用的是在第二熱源30內包含物理上不接觸的空間，但是在第一熱源20內包含這樣的空間也在本發明的範圍內。例如，第一熱源20可包含一個或更多個室，意在減少第一熱源20與室70或反應容器90之間的熱傳遞。圖2A至C中所示的本發明實施方案在第二熱源20中包含第一室100作為關鍵結構元件。在本發明的該實施例中，第一室100獨立地適於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內的頂端101、第二熱源30底部上的底端102，以及圍繞槽軸80布置並且與第二熱源30內的槽70隔開的第一室壁103。室壁103以一定的距離圍繞第二熱源20內的槽70，形成室間隙105。在室壁103與槽70之間的室間隙105優選為約O. Imm至約6mm,更優選為約O. 2mm至約4mm。第一室100的長度為約Imm至約25mm,優選為約2mm至約15mm。本發明適於使用多種熱源和絕熱體構造。例如，第一熱源2 0沿槽軸80的長度可以大於約Imm,優選為約2mm至約IOmm ;第二熱源30沿槽軸80的長度可以為約2mm至約25mm,優選為約3mm至約15mm。如所討論的,一般有用的是裝置具有第一絕熱體50。例如，在沒有突出部的實施方案中，第一絕熱體50沿槽軸80的長度可以為約O. 2mm至約8mm，優選為約O. 5mm至5mm。在存在突出部結構的另一些實施方案中，第一絕熱體50沿槽軸80可具有不同的長度，其取決於相對於槽70的位置。例如，在接近槽或其周圍的區域(即突出部內)，第一絕熱體50沿槽軸的長度可以為約O. 2mm至約8mm,優選為約O. 5mm至5mm。在遠離槽的區域(即，突出部結構外)，第一絕熱體50沿槽軸的長度可以為約O. 5mm至約20mm,優選為約Imm至10mm。如所討論的，本發明裝置在至少一個熱源(如第二熱源)內可包含多個室(例如，2個、3個、4個或更多個室)。在圖3A至B所示的實施方案中，所述裝置包含完全位於第二熱源30內的第一室100。在這種實施方案中，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於第二熱源30內並且與第一室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內的頂端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的寬度或半徑小於第二室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的實施方案所示，第一室100距離槽軸80的的寬度或半徑大於第二室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提供了有效的溫度控制或成形作用。在這些實施方案中，第一室100(圖3A)或第二室110(圖3B)比其它室有更小的直徑或寬度。與其它室相比，第二室110(圖3B)或第一室100 (圖3A)的狹窄部分提供來自第二熱源30的更有效的熱傳遞。另外，在這些實施方案中所示的室構造阻礙或降低來自第一熱源的熱傳遞。除非另外指明，具有多個室的實施方案通過自從第一熱源始(通常的位置為最靠近裝置的底部)對室進行編號來描述。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。熱制動器的結構和功能
圖4A顯示了具有位於第二熱源中的2個室的本發明實施方案。具體地，裝置10具有位於第二熱源30中的第一室100和第二室110。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之間的區域限定出第一熱制動器130。如上所述，第一熱制動器130意在控制裝置10內的溫度分布。在所示的實施方案中，第一熱制動器130由頂端131和底端132以及基本上接觸槽70的壁133限定。在這種實施方案中，第一熱制動器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的溫度分布譜幹擾。第一熱制動器130的另一個功能是在第二熱源30與槽70之間提供有效的熱傳遞，以使該區域中的槽快速地達到第二熱源30的溫度。第一熱制動器130圍繞槽70對稱布置。如期望，第一室100和第二室110(或其一部分)中的至少一個可包含適當的固體或氣體絕熱體。可替換地或另外地,所示的第一絕熱體50可包含適當的固體或氣體或者由 其組成。適當的絕熱氣體的一個實例為空氣。突出部結構和功能在許多發明實施方案中，裝置10的特徵是從第一或第二熱源的上表面或下表面延伸出至少一個突出部。在一個實施方案中，第二熱源30的特徵是從第二熱源30的下表面32以一般平行於槽軸的方向朝向第一熱源20延伸的第一突出部33 ;和任選地從第二熱源30的上表面31延伸出去(一般平行於槽軸)的第二突出部34。可替換地或另外地，第一熱源20可包含從第一熱源20的上表面21朝向第二熱源30 ( —般平行於槽軸)延伸的第一突出部23 ;和任選地從第一熱源20的下表面22延伸出去(一般平行於槽軸)的第二突出部24。在一些實施方案中，所述裝置可包含至少一個相對於槽軸傾斜的突出部。圖5A至C顯示了本發明的一個實施方案，其包含朝向第一熱源20延伸的第二熱源30的第一突出部33，和朝第二熱源30延伸的第一熱源20的第一突出部23。在本發明的這個實例中，每個突出部(23、33)圍繞第一室100和/或槽軸80對稱布置。在這個實施方案中，第二熱源30的第一突出部33幫助限定第一室100或槽70、第一絕熱體50和第二熱源30，並且使第一絕熱體50與第一室100或槽軸70分離。第一熱源20的第一突出部23幫助限定槽80和第一熱源20，並且使第一絕熱體50與槽70分離。突出部23、33還限定第一絕熱體50的部分51 (稱為第一絕熱體室)。在這個實施方案中,第一絕熱體室51通過至少第一熱源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來限定。在圖5A至C所示的實施方案中，第一室100的頂部101和底部102基本上與槽軸80垂直。第一室100的長度為約Imm至約25mm,優選為約2mm至約15mm。另外，接收孔73圍繞槽70和槽軸80對稱布置。在這個實施方案中，突出部23和33的功能是降低第一熱源20和第二熱源30之間的熱傳遞以及第一熱源20和第二熱源30的體積，同時沿槽軸延長室尺寸以有輔助熱對流PCR。通過使用該突出部結構，在槽區域附近(即，突出部結構內)的第一絕熱間隙可被製得較小，以使得可提供沿槽軸更長的室長度，用以提高熱對流PCR的效率，同時在突出部結構外提供更大的間隙以幫助降低兩個熱源之間的熱傳遞從而降低裝置的功率消耗。兩個熱源的體積還可以通過使用突出部23、33而顯著降低，從而降低兩個熱源的加熱能力以進一步幫助降低功率消耗。
參照圖6A至C所示的實施方案，除了第一突出部23外，第一熱源20還包括從第一熱源20的下表面22延伸出去的第二突出部24。除了第一突出部33，第二熱源30還包含從第二熱源的上表面31延伸出去的第二突出部34。這個實施方案的其它特徵與圖5A至C所示的實施方案相同。在這個實施方案中，第二突出部24和34的功能在於進一步降低第一和第二熱源的體積，以進一步降低裝置的功率消耗。在這個實施方案中，第一和第二熱源的第二突出部24、34還用於幫助在完成熱對流PCR後，通過使用冷卻元件(如風扇)快速冷卻這兩個熱源。 槽結構A.豎肓形狀本發明完全適用數種槽構造。例如，圖7A至D顯示了適當槽構造的豎直剖面。如所示，槽的豎直形狀可形成線形(圖7C至D)槽或錐形(圖7A至B)槽。在錐形的實施方案中，槽可從頂部到底部或者從底部到頂部逐漸變細。儘管對於槽的豎直形狀而言可以有多種修飾(例如，具有彎曲側壁的槽，或以兩種或更多種不同的角度逐漸變細)，但是一般優選使用從頂部到底部逐漸變細(線性地)的槽，因為這種結構不僅便於製造過程，而且便於將反應容器引入槽。普遍有用的錐度角(Θ)為約O。至約15°，優選為約2°至約10°。在圖7A至B所示的實施方案中，槽70還由開口頂部71和封閉底端72 (其末端可與槽80垂直(圖7A)或是彎曲的(圖7B))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於或大於底端水平形狀的半徑或半寬。比其它形狀更優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)，這是由於其可以為變性步驟提供加強的熱傳遞。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。對於許多發明應用，有用的是槽70基本上是直的(B卩，不是彎曲的或錐形的)。在圖7C至D所示的實施方案中，槽70具有開口頂部71和封閉底端72，封閉底端72可以與槽軸80垂直的(圖7C)或是彎曲的(圖7D)。與錐形槽實施方案中的相同，底端72可以具有凸面形或凹面形的彎曲，而通常較優選地是具有大曲率的平的或接近平的底端。在這些實施方案中，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7A至D所示的槽實施方案中，高度(h)至少為約5mm至約25mm,對於約20微升的樣品體積而言優選為8mm至約16mm。每個槽實施方案還由沿槽80的平均寬度(wl)(通常為至少約Imm至約5mm)限定。圖7A至D中所示的每個槽實施方案還可由豎直長寬比(高度(h)與寬度(wl)之比)和水平長寬比(分別沿第一和第二方向的第一寬度(wl)與第二寬度(w2)之比，它們彼此垂直並與槽軸垂直排列)限定。一般適當的豎直長寬比為約4至約15，優選為約5至約10。水平的長寬比通常為約I至約4。在槽70為錐形的實施方案(圖7A至B)中，槽的寬度或直徑隨槽的豎直形狀改變。作為一般性指導的是，對於大於或小於20微升的樣品體積，高度和寬度(或直徑)可通過體積比的立方根或者有時平方根的因數確定。如所討論的，如圖7A至D所示，槽的底端72可以是平的、圓的或彎曲的。當底端是圓的或彎曲的時，其通常具有凸面的或凹面的形狀。如所討論的，對於本發明的許多實施方案而言，平的或接近平的底端比其它形狀更優選。不希望受到任何理論的限制，認為設計的這種底部可加強從第一熱源20到槽70底端71的熱傳遞，從而有助於變性過程。
前述的豎直槽形狀均不相互排斥。也就是說，第一部分為直的而且第二部分為錐形的(相對於槽軸80)的槽在本發明的範圍內。B.水平形狀本發明還適用多種水平槽形狀。當考慮製造的方便時，一般優選基本上對稱的槽形狀。圖8A至J顯示了幾種可用的水平槽形狀的實例，每個具有指定的對稱性。例如，槽70相對於槽軸80可具有圓形(圖8A)、正方形(圖8D)、圓角正方形(圖8G)或六角形(圖8J)的水平形狀。在另一些實施方案中，槽70可具有寬度大於長度(反之亦然)的水平形狀。例如，如圖8B、E和H的中間列所示，槽70的水平形狀可以是橢圓形(圖8B)、矩形(圖8E)或圓角矩形(圖8H)。當包含在一側(例如，在左側)向上和在相對側(例如，在右側)向下的對流模式時，這種類型的水平形狀是有用的。由於包含的寬度面相比於長度相對較大，可以減少向上和向下對流的流之間的幹擾，從而使循環流動更平穩。所述槽的水平形狀的一側可以比相對側更窄。在圖8C、F和I右列顯示了一些實例。例如，示出的槽左側比右側更窄。當包含在一側向上(例如，在左手側)和在相對側向下(例如，在右手側)的對流模式時，這種類型的水平形狀也是有用的。另外，當這種類型的形狀被包含時，相對於向上 流動，向下流動(例如，在右手側)的速度可被控制(通常為降低)。因為在樣品的連續介質內對流必須是連續的，所以當橫截面面積變得較大時流動速度應降低(反之亦然)。這個特徵對於增強聚合效率尤其重要。聚合步驟通常發生在向下的流中(即，退火步驟之後)，因此聚合步驟的時間可通過使向下流動相對於向上流動更慢而延長，引起更有效的PCR擴
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>曰ο因而，在一個本發明實施方案中，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。在一個本發明實施例中，水平形狀具有至少一個鏡像對稱元素(σ)或旋轉對稱元素(Cx)，其中X為1、2、3、4直到⑴(無窮大)。只要滿足預期的發明目的，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或第二熱源30內。前述的水平槽形狀並不相互排斥。也就是說，例如，具有第一部分為圓形並且第二部分為半圓形(相對於槽80)的槽在本發明的範圍內。水平室形狀和位置如所討論的，本發明的裝置可包含至少一個室，優選為I個、2個或3個室以幫助控制裝置(例如，槽的過渡區)內的溫度分布。只要實現預期的發明結果，所述槽可具有一個適當的形狀或形狀的組合。例如，圖9A至I顯示了適當的室的水平形狀(第一室100僅用於說明)。在本發明的該實施方案中，室100的水平形狀可製成多種不同的形狀，但是基本上對稱的形狀常常便於製造過程。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。參見圖9A、D和G。第一室100可具有寬度大於長度的水平形狀(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比相對側更窄的水平形狀。參見圖9C、F和I。如所討論的，室結構用於控制(通常為降低)從熱源(通常為第二熱源)到槽或反應容器的熱傳遞。因此，重要的是根據本發明的目的實施方案改變第一室100相對於槽70的位置。在一個實施方案中，第一室100相對於槽70的位置對稱布置，S卩，室軸(由室的頂端和低端的中心點形成的軸，106)與槽軸80重合。在這種實施方案中，意於使從熱源20或30到槽的熱傳遞在穿過槽水平面(在某個豎直位置)的全部方向上恆定。因此，在這種實施方案中優選使用與槽的形狀相同的第一室100的水平形狀。參見圖9A至I。但是，室結構的另一些實施方案在本發明的範圍內。例如，裝置內的一個或更多個室可相對於槽70的位置不對稱布置。也就是說，特定室的頂端與底端之間所形成的室軸106相對於槽軸80可以是偏離中心的、傾斜的或者偏離中心且傾斜的。在這種實施方案中，一個或更多個槽70與室壁之間的室間隔在一側較大並且在該室的相對側較小。這些實施方案中的熱傳遞在槽70的一側較高並且在相對側較低(而在與上述兩側位置垂直的方向上的兩側中相同或類似)。在一個具體的實施方案中，優選使用第一室100為圓形或圓角矩形的水平形狀。一般更優選圓形。因而，在裝置的一個實施方案中，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。參見圖9A和圖2A至C。通常，水平形狀具有至少一個鏡像或旋轉對稱元素。供本發明使用的優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。在一個實施方案中，與槽軸80垂直的平面在第二熱源30或第一熱源20內。應理解，關於室結構和位置的前述討論適用於除第一室100外的更多室實施方案。也就是說，在具有多個室的一個本發明實施方案(例如，具有第二室110和/或第三室120的實施方案)中，這些考慮也可應用。不對稱和對稱槽/室構造如所提及的，本發明適用多種槽和室構造。在一個實施方案中，適當的槽相對於室不對稱布置。圖IOA至P顯示了該概念的一些實例。具體地，圖IOA至P顯示了參照室100 (第一室100僅用於說明目的)內槽70的位置，適當的槽和室結構的水平剖面。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10A、E、I和M)顯示了對稱定位的結構的實例。在這些實施方案中，室軸與槽軸70重合。因此，第一室壁(103，實線)和槽70(虛線)之間的間隙對於左側和右側以及上側和下側而言是相同的，這在兩個方向上提供了對稱的從熱源到槽的熱傳遞。第二列(圖10B、F、J和N)顯示了不對稱定位的結構的實例。槽軸80的位置從室軸偏離中心(向左手側)，並且第一室壁103與槽70之間的間隙在左側更小(而上側和下側的間隙相同)，提供了從左側的更高的熱傳遞。第三列(圖10C、G、K和O)和第四列(圖8D、H、L和P)顯示了提供更多不對稱熱傳遞的不對稱定位結構的另一些實例。第三列(圖10C、G、K和O)顯示了其中室壁在一側(左側)與槽接觸的實例。第四列(圖10D、H、L和P)顯示了其中一側(右側)形成了第一室100而相對側(左側)形成槽70的實例。在這兩種實例中，來自左側的熱傳遞比來自右側的熱傳遞高得多。在第三和第四列中所示的物理接觸側意在作為熱制動器發揮功能，尤其作為僅為一側提供熱制動的不對稱熱制動器。因而，本發明的一個目的是提供這樣的裝置，其中至少有一個室(例如，第一室100、第二室110或第三室120中的一個或更多個)沿與槽軸基本上垂直的平面圍繞槽基本對稱布置。本發明的另一個目的是提供這樣的裝置，其中至少一個室沿與槽軸基本上垂直的平面圍繞槽不對稱布置。所有或部分特定的室可按照需要圍繞槽軸對稱或不對稱布置。在至少一個室圍繞槽軸不對稱布置的實施方案中，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施方案中，至少一部分室(包括整個室)沿與槽軸垂直的平面圍繞槽不對稱布置。在另一些實施方案中，至少一部分槽沿與槽軸垂直的平面位於室內。在這種實施方案的一個實例中，至少一部分槽沿與槽軸垂直的平面與室壁接觸。在另一個實施方案中，至少一部分槽沿與槽軸垂直的平面位於室外部並且接觸第二或第一熱源。對於一些本發明的實施方案，與槽軸垂直的平面接觸第二或第一熱源。豎肓室形狀本發明的另一個目的是提供這樣的裝置，其中第二熱源包含至少一個室(通常為I個、2個或3個相同的室)以幫助控制溫度分布。優選地，所述室幫助控制裝置內從一個熱源(例如，第一熱源20)至另一個熱源(例如，第二熱源30)的過渡區的溫度梯度。只要所述室產生的溫度分布適於本發明基於對流的PCR過程，對室的多種改造都在本發明的範圍內。
本發明的一個目的是提供這樣的裝置，其中至少室的一部分(多至並包括整個室)沿槽軸是錐形的。例如，在一個實施方案中，其中一個或更多個室(包括全部室)沿槽軸是錐形的。在一個實施方案中，一個或所有室的至少一部分位於第二熱源內，並且朝向第一熱源的垂直於槽軸的寬度(W)比另一側更大。在一些實施方案中，室的至少一部分位於第二熱源內，並且朝向第一熱源的垂直於槽軸的寬度(W)比另一側更小。在一個實施方案中，所述裝置包含位於第二熱源內的第一室和第二室，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)。對於一些實施方案，第一室朝向第一熱源。另外的說明性裝置實施方案在本申請中描述了合適的熱源、絕熱體、槽、間隙、室、接收孔構造和PCR條件，並且它們可以根據需要用於本發明以下實施例中。A. 一個室、第一和第二熱源、突出部在一些發明實施方案中，通過改變至少一個熱源的結構來改變一個或更多個室的結構是有用的，例如，可以將第一熱源和第二熱源的至少一個適配成包含一個或更多個突出部，所述突出部限定間隙或室並且一般與槽軸或室軸基本平行地延伸。突出部可以圍繞槽軸或室軸對稱或不對稱布置。在裝置中，大部分突出部從一個熱源向另一熱源延伸。例如，第二熱源的第一突出部從第二熱源以朝向第一熱源的方向延伸，第一熱源的第一突出部從第一熱源向第二熱源延伸。在這些實施方案中，突出部與室接觸並限定室間隙或室壁。在一個具體實施方案中，第二熱源突出部沿槽軸的寬度或直徑隨著遠離第二熱源而減小，而鄰近突出部的第一絕熱體的寬度沿槽軸增加。每個室可以具有相同或不同的突出部(包括沒有突出部)。突出部的一個重要優點是幫助減小熱源沿槽軸的大小和使室沿槽軸的尺寸以及絕熱體或絕熱間隙沿槽軸的尺寸延長。發現這些和其他益處有助於裝置中的熱對流PCR,同時顯著地降低裝置的能量消耗。圖5A中示出具有突出部的本發明裝置的一個具體實施方案。該裝置包含第二熱源30的第一突出部33,其圍繞槽軸80基本對稱且向第一熱源20延伸。第一室100布置於第二熱源30中，且包含基本平行於槽軸80的室壁103。重要地，在第二熱源的底部32與第一熱源的頂部21之間有間隙。在該實施方案中，第一熱源20還包含第一突出部23，其圍繞槽70對稱布置且向第二熱源30延伸。同樣在該實施方案中，第一熱源突出部23、24沿槽軸80的寬度或直徑隨著遠離第一熱源20而減小。同樣如圖5A所示，接收孔73圍繞槽軸80對稱布置。在該實施方案中，接收孔73垂直於槽軸80的寬度或直徑與槽70的寬度或直徑大致相同。可替選地，接收孔73垂直於槽軸80的寬度或直徑可稍大於槽70 (例如，大出約O. Olmm至約O. 2mm)的寬度或直徑。如所討論的，本發明的一個目的是提供用於進行熱對流PCR的裝置，該裝置包含至少一個溫度成形元件，在一個實施方案中，該溫度成形元件在裝置上的位置可以是不對稱的。圖IlA示出該實施方案的一個重要實例。如所示出的，相對於重力方向，該裝置以角度Θ g(傾斜角度)傾斜。該類型的實施方案尤其可用於控制(通常增加)熱對流PCR的速度。可替選地，可以將該裝置製成包含一個或更多個相對於重力方向傾斜的槽和室。圖IlB示出這種實施方案的一個實例，其中，槽和第一室都相對於重力方向傾斜。如將在下文中討論的，傾斜角度的增加通常引起更快且更穩定的熱對流PCR。將在下文中對包含一個或
圖5A和IlA所示的實施方案尤其適於許多發明應用，包括「困難」樣品如基因組的或染色體靶序列或長序列靶模板(例如，比約I. 5kbp或2kbp長)的擴增。具體地，圖5A示出具有對稱室和槽構造的熱源。第一室100和第二熱源30的第一突出部33有效地屏蔽第一熱源20向第一室100內高溫幹擾，因為其布置於第二熱源的底部32。在使用時,第一絕熱體區域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 )降至第一室100底部的聚合溫度(約80°C至約60°C )。因此，第一室100內的溫度變得更窄地分布於聚合溫度左右(由於通過第一熱制動器使高的變性溫度在之前被截斷)，從而使得第二熱源30內的大量體積(和時間)可用於聚合步驟。圖5A與IlA所示的實施方案之間的主要區別是圖IlA的裝置有傾斜角度Θ g。當裝置結構最優化時，不具有傾斜角度的裝置(圖5A)運行良好並且需要約15至25分鐘來擴增Ing質粒樣品，以及約25至30分鐘來擴增IOng人基因組樣品(3000個拷貝)。如果如圖IlA所示的引入約2°至約60° (更優選約5°至約30° )的傾斜角度，那麼可以進一步提高裝置的PCR擴增效率。利用引入該結構的重力傾斜角度(圖11A)，PCR擴增IOng人基因組樣品可以在約20至25分鐘內完成。參見下述實施例I和2。B.錐形室現參照圖12A-B，該裝置實施方案的特徵是與槽同軸的第一室100。在本發明的該實施例中，室軸(即通過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相對於槽軸80具有一個角度。也就是說，室壁103從第一室100的頂端101至底端102逐漸變細(圖12A)。在圖12B中，室壁103從第一室100的底端102至頂端101逐漸變細。該結構在底部提供窄孔並在頂部提供寬孔，或者反之亦然。例如，如果如圖12A所示將底部做得更窄，那麼從第二熱源30的底部32向槽70進行的熱傳遞變得大於從第二熱源30的頂部31進行的熱傳遞。此外，與如圖12B中將第二熱源的頂部31做得更窄的實施方案相比，在該實施方案中更優選屏蔽第一熱源20通常的高變性溫度。在圖12A-B所示的實施例中，可利用錐形室結構來控制第二熱源30內槽70的溫度分布。根據所使用的DNA聚合酶的溫度特性，可需要利用該結構來調節第二熱源30內的溫度條件，這是因為聚合效率對第二熱源30內的溫度條件敏感。對於大多數廣泛使用的Taq DNA聚合酶或其衍生物而言，更優選從頂部到底部逐漸變細的第一室壁103，因為在常規操作條件中，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。C. 一個或兩個室，一個熱制動器現參照圖4A，裝置10的特徵是在第二熱源30中圍繞槽軸80基本對稱布置的第一室100和第二室110。在該實施方案中，第一室100位於第二熱源30的底部，第二室110位於第二熱源30的上部。裝置10包含第一熱制動器130以幫助提供更有效的溫度分布控制。在該實施方案中，第一室100與第二室110的寬度大致相同。然而，根據如以下討論的所用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的長度的約80%或90%。圖4B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器130的放大圖。在該實施方案中，第一熱制動器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60%，優選約O. 5mm至第二熱源 30的高度的約40%。根據所使用的DNA聚合酶的溫度特性，第一熱制動器130可在第二熱源內位於第一室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二熱源30的退火溫度，那麼優選將第一熱制動器130放置為更接近第二熱源30的下表面32，或者反之亦然。圖13A是其中第一室100的寬度小於第二室110的寬度(例如小約O. 9倍至約O. 3倍，優選約O. 8倍至約O. 4倍)的實施例。根據所使用的DNA聚合酶的溫度特性，也可米用相反的布置，即第一室100的寬度大於第二室110的寬度。圖13B中不出第一熱制動器130的放大圖。在圖4A-B和13A-B所示的實施方案中，該裝置的特徵是非錐形的第一室和第二室。在這些實施方案中，第一室與第二室以沿槽軸80以長度(I)分隔開。在一個實施方案中，以足以降低來自第一熱源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器。參照圖14A-B，該裝置的特徵是圍繞槽軸80對稱布置的第一室100。第一熱制動器130位於第一室100與第一絕熱體50之間的第二熱源30的底部上。圖14A-B中示出的第一熱制動器130沿槽軸80的厚度由第一熱制動器130的頂端131至底端132的距離限定。優選該距離為約O. Imm至第二熱源30沿槽軸80的高度的約60%，更優選約O. 5mm至第二熱源30的高度的約40%。在該實施方案中，該裝置的特徵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器。第一熱制動器以足以降低來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。在該實施方案中，第一熱制動器包含上表面和下表面，其中第一熱制動器的下表面與第二熱源的下表面位於大致相同的高度。當使用與第一熱源的變性溫度相比，其最適溫度更接近第二熱源的退火溫度的DNA聚合酶(例如，Taq DNA聚合酶)時，該實施方案尤其有用。圖14C是第一室100的室壁103從第一室100的頂端101到底端102逐漸變細的實例。還可以根據所用DNA聚合酶的溫度特性，使用其中第一室100的室壁從底端102到頂端101逐漸變細的相反布置。第一熱制動器130位於第一室100與第一絕熱體50之間的第二熱源30的底部。圖14D顯示了第一熱制動器130的放大圖。
P.不對稱梓收孔如所提到的，本發明的一個目的是提供具有至少一個水平不對稱的溫度成形元件的裝置。「水平不對稱」意指沿垂直於槽和/或槽軸的方向或平面不對稱。顯而易見地，本文提供的許多裝置實施例可適配為水平不對稱。在一個實施方案中，接收孔在第一熱源中相對於槽軸不對稱布置，其足以產生適於引起穩定、定向對流流動的水平不對稱溫度分布。不希望受到理論約束，認為接收孔與室底端之間的區域是可以產生熱對流流動的主要驅動力的位置。顯而易見地，該區域是初始加熱至最高溫度(即變性溫度)以及過渡至較低溫度(即聚合溫度)發生的位置，因而最大驅動力可產生於該區域。因此本發明的一個目的是提供具有至少一個水平不對稱的裝置，其中第一熱源中至少一個接收孔(例如，全部)的寬度或直徑大於第一熱源中槽的寬度或直徑。優選地，寬度不等使得接收孔從槽軸偏離中心。在本發明的該實施例中，接收孔不對稱產生了間隙，其中與相對側相比，接收孔一側的位置更接近槽。認為在該實施方案中，該裝置顯示出從第一熱源向槽的水平方向上不對稱的加熱。圖15中示出這種本發明裝置的一個實施例。如所示出的，接收孔73相對於槽軸 80不對稱布置從形成接收孔間隙74。也就是說，接收孔73相對於槽軸80輕微地偏離中心，例如偏離約O. 02mm至約O. 5mm。在該實施例中，接收孔73垂直於槽軸80的寬度或直徑大於槽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15所示的實施方案中，槽70的一側(左側)與第一熱源20相接觸並且相對側(右側)不與第一熱源20相接觸，從而形成接收孔間隙74。而本發明適用多種間隙大小，典型的接收孔間隙可以小至約O. 04mm，尤其是在另一側與槽相接觸的情況下。換句話說，一側形成為槽並且另一側為小空間。在該實施方案中，認為對一側(左側)的加熱優先於相對側(右側)，提供了引導向上流動至優先加熱側(左側)的水平方向上不對稱的加熱。利用與接收孔的壁之間的間隙在一側小於相對側的接收孔可以得到類似的作用。為了增強不對稱，可以使接收孔的一側比相對於第一熱源的另一側更深(以及更接近於室和第二熱源)。現參照圖16A-B所示的裝置，與相對於槽70的一側(右側)相比，接收孔73在孔的一側(左側)具有較大深度。在該實施方案中，接收孔73的兩側保持與槽70相接觸。如圖16A所示，移動接收孔73側壁的頂部分以形成大致由槽70與第一熱源20限定的接收孔間隙74。接收孔間隙74的底部可以垂直於槽軸80(圖16A)或者其可布置為與槽軸80呈角度(圖16B)。接收孔間隙74的側壁可以平行於槽軸80 (圖16A)或者其與槽軸80呈角度(圖16B)。在圖16A-B所示的兩個實施方案中，槽70的一側相對於第一熱源20的深度大於具有接收孔間隙74的另一側的深度。不希望受到理論約束，認為具有圖16A-B所示的實施方案中較大深度的槽一側優選被加熱，這是因為從第一熱源進行的更多熱傳遞在該側產生較大浮動力。還認為通過將這種不對稱接收孔73和接收孔間隙74加入裝置，槽70—側的溫度梯度與相對側相比增加(溫度梯度通常與距離成反比)。還認為這些特徵在一側(例如圖16A和16B中的左側)產生較大驅動力並且支持沿該側的向上熱對流。應當理解接收孔73和接收孔間隙74的一個適配或不同適配的組合能夠達到該目標。然而，對於許多發明實施方案，使接收孔兩個相對側的深度差在約O. Imm至接收孔深度的約40 %至50 %的範圍內一般是有用的。
圖17A-B示出合適的裝置實施方案的另一些實施例，其中接收孔73圍繞槽不對稱布置。與其它部分相比，接收孔部分在第一熱源中更深並且更接近於室或第二熱源，從而提供朝向第二熱源的不均勻的對流流動。在圖17A所示的裝置中，接收孔73具有與第一熱源20的頂部21重合的兩個表面。每個表面面向第二熱源30，並且相對於第二熱源30的下表面32，所述表面之一(圖17A中右側的表面)在槽70—側的間隙大於與槽70相對的表面(左側的面)的間隙。也就是說，與另一個相比，一個表面更接近第一室100的底部102或第二熱源30的下表面32。在該實施方案中，接收孔73的兩側保持與槽70相接觸。兩個表面之間的接收孔深度差優選在約O. Imm至接收孔深度的約40%至50%的範圍內。第二熱源30的特徵是圍繞槽軸80對稱布置的第一突出部33。同樣在該實施方案中，第一熱源20包含圍繞槽軸80不對稱布置的第一突出部23。在圖17B中，接受孔73具有與第一熱源20的頂部21重合的單個傾斜表面。相對於垂直於槽軸80的軸，該傾斜角度為約2°至約45°。在該實施方案中，傾斜表面的頂點相對接近第一室100的底部102。第二熱源30的特徵是圍繞槽軸80對稱布置的第一突出 部33。同樣在該實施方案中，第一熱源20包含圍繞槽軸80不對稱布置的第一突出部23。E. 一個不對稱室，不對稱的或對稱的接收孔在圖18A-B所示的實施方案中，第一室100圍繞槽軸80不對稱布置，其足以引起從第二熱源20至槽70的水平方向上不均勻的熱傳遞。接收孔73還可以如圖18A-B所示圍繞槽70不對稱布置。在圖18A所示的實施方案中，第一室100布置於第二熱源30中並且在室的一側具有比相對於槽軸80的另一側更大的高度。也就是說，沿槽軸80，第一室頂端101的一個表面與第一室底端102的一個表面之間的長度(圖18A中的左側)大於第一室頂端101的另一表面與第一室底端102的另一表面之間的長度(圖18A中的右側)。兩個相對側之間的室高度差優選為在約O. Imm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的左側小於另一側。在圖18B中，第一室100的底端102相對於垂直於槽軸80的軸傾斜2°至約45°。在該實施例中，傾斜的頂點更接近於接收孔73。與第一熱源20的上表面21重合的接收孔73的頂端相對於槽軸80傾斜。在該實施方案中，接收孔的傾斜頂點更接近於第一室的底端102。也就是說，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的左側小於在另一側。圖18A-B所示的構造使得在接收孔73中優先在槽70的一側(即左側)進行加熱，因此可以優先在該側開始初始向上的對流流動。然而，由於在該側具有較長的室長度，所以第二熱源30使得優先在該側進行冷卻。因此，根據第一室的不對稱程度，向上流動可將其路徑改變至另一側。在圖18C-D，，頂端101與底端102之間的長度在第一室100的一側(右側)比相對於槽軸80的另一側更大。在這裡，圖18C-D中示出將優選在室的右側優先從第二熱源進行冷卻。另外的不對稱通過接收孔73在槽70的一側(即圖18C-D中的左側)比另一側更大的深度來提供。在接收孔73中，將優先在槽70的左側進行加熱。在該實施方案中，室100的底102與接收孔73的頂之間的間隙在槽70周圍基本恆定。圖18C-D所示的構造支持優先在接收孔73中槽70的一側(即左側)進行加熱並且優先在第一室100中在對側進行冷卻，因此向上的對流流動將優先留在左側。在圖18A-D所示的實施方案中，由室構造引入的不對稱足以引起從第二熱源到槽的水平不均勻熱傳遞。同樣在這些實施方案中，突出部23、33設置為相對於槽軸80不對稱。具有至少一個結構不對稱的另一些裝置實施方案也在本發明的範圍內。例如，並且如圖19A-B所不,第一室的底端102設置為相對於槽軸80不對稱。相對於槽軸80，頂端101與底端102之間的長度在第一室100的一側(圖19A-B中的左側)大於另一側。第一室的底102與接收孔73的頂之間的間隙在槽70的一側(圖19A-B中的左側)小於另一側。在這些實施方案中，第一熱源20的第一突出部23圍繞槽軸80對稱。同樣在這些實施方案中，由於在接收孔73的右側較大的間隙(相對於槽軸80)，所以優先在該側進行加熱(由於較大間隙，在該側通過第二熱源冷卻不那麼有效)，因而在槽70的右側產生較大驅動力以及在該側更加顯著的向上流動。此外，第二熱源30的特徵是圍繞槽軸
80不對稱的第一突出部33。F.具有或不具有熱制動器的一個不對稱室參照圖20A，第一室100相對於槽軸80偏離中心。在該實施方案中，接收孔73圍繞槽軸80對稱並且具有固定深度。第一室100從槽70偏離中心以使得室間隙105在一側小於對側。如圖20B所示，室100可以進一步從槽70偏離中心以使得槽70的一側或壁與室壁相接觸。在該實施方案中，槽形成側(例如圖29B中的左側)起著第一熱制動器130的作用，第一熱制動器130的頂端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較小或不存在的側(即圖20A和B中的左側)上更大，從而產生水平不對稱的溫度分布。圖20C提供了第一熱制動器130的展開圖。在兩個相對側，室間隙的可接受差優選為在約O. 2mm至約4至6_的範圍內，並且因此室軸從槽軸偏離中心至少約O. Imm至約2至3_。應理解，可以將室的全部或部分做成相對於槽軸80不對稱，例如，室的全部或部分可偏離中心。對於大多數發明應用而言，使整個室偏離中心是有用的。G.不對稱的室如所討論的，本發明的一個目的是提供例如在第二熱源中有一個、兩個或三個室的裝置。在一個實施方案中，至少一個室具有水平不對稱。該不對稱幫助在裝置中產生水平不對稱驅動力。例如，並且在圖21所示的實施方案中，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布置為與第二室的底端112在基本相同的高度上。第一室和第二室可具有不同的寬度或直徑。室間隙105、115在兩個對側的差可為至少約O. 2mm至約4至6mm。除圖21所示的偏離中心的室結構以外，可通過包含相對於槽軸80傾斜(歪斜)的結構將一個或更多個室做成水平不對稱。例如且如圖22所示，第一室100可相對於槽軸80傾斜。在該實施方案中，第一室的第一壁103相對於槽軸80傾斜(例如，相對於槽軸80小於約30°的角度)。如由室的中軸(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30ο，更優選約5°至約20°。在圖21和圖22所示的裝置實施方案中，由於優先在槽70的右側從接收孔73進行加熱，所以促進了向上的對流流動從槽70的底沿該側進行(由於在該側較大的室間隙，通過第二熱源進行的冷卻不那麼有效)。
H.第二熱源中的一個室，傾斜的如所提到的，本發明的一個目的是提供其中多種溫度成形元件(如一個或更多個槽、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器)均圍繞槽軸對稱布置的裝置。在使用時，常常將該裝置放置於平的、水平表面上以使槽軸與重力方向基本對齊。處於這樣的方向時，認為浮動力由槽內的溫度梯度產生並且該浮動力還平行於槽軸。還認為浮動力方向與重力方向相反並且大小與溫度梯度成比例(沿垂直方向)。因為在該實施方案中槽和一個或更多個室圍繞槽軸對稱布置，所以認為槽內產生的溫度分布(即溫度梯度的分布)也應相對於槽軸對稱。因此，浮動力的分布也應相對於槽軸對稱並且其方向平行於槽軸。通過移動槽軸離開重力的方向可以將水平方向上的不對稱引入裝置。在這些實施方案中，可以進一步提高裝置中基於對流的PCR的效率和速度。因而本發明的一個目的是提供特徵是一個或更多個水平方向上的不對稱的裝置。圖IlA-B提供了具有水平方向上位置不對稱的本發明裝置的一些實施例。 在圖IlA中，槽軸80相對於重力方向偏移以使裝置在水平方向上位置不對稱。具體地，槽和室相對於槽軸對稱地形成。然而，整個裝置相對於重力方向旋轉(或傾斜)了角度9g。在該傾斜結構中，槽軸80不再平行於重力方向，因而溫度梯度在槽底產生的浮動力變得相對於槽軸80傾斜，因為認為浮動力方向與重力方向相反。不希望受到理論約束，即使槽/室結構相對於槽軸80對稱，浮動力的方向也相對於槽軸80呈角度0g。在該結構設置中，向上的對流流動將採用槽或反應容器一側的路徑(在圖IlA的情況下為左側)，向下流動將採用相對側的路徑(即在圖IlA的情況下為右側)。因此，認為對流流動的路徑或模式基本鎖定為由這種結構設置確定的路徑或模式，因此對流流動變得更穩定並且對來自環境的或小結構缺陷的小幹擾不敏感，使得對流流動更穩定而且PCR擴增提高。已經發現重力傾斜角度的引入幫助提高熱對流速度，從而支持更快且更穩定的對流PCR擴增。傾斜角度9g可為約2°至60°，優選約5°至約30°。該傾斜結構可以與本發明中提供的全部對稱的或不對稱槽/室結構組合使用。圖IlA中示出的傾斜角度0g可由一個元件或不同元件的組合引入。在一個實施方案中，手動引入該傾斜。然而，常常通過將裝置10放置於斜面上(例如通過將裝置10放置於楔形物或類似形狀的基底上)來更方便地引入該傾斜角度θ8。然而，對於一些本發明實施方案，將裝置10傾斜是無用的。圖IIB示出引入水平方向上的不對稱的另一種方法。如所示出的，一個或更多個槽和室相對於重力方向傾斜。也就是說，槽軸80(和室軸)相對於垂直熱源水平表面的軸偏移(偏Θ g)。在該發明實施方案中，當將該裝置放置於平的、水平表面上以使其底部相對並且平行於該表面時(如通常的情況)，槽軸80相對於重力方向呈角度0g。根據該實施方案，並且不希望受到理論約束，在如上述實施方案的情況下，由溫度梯度在槽底產生的浮動力(認為其方向與重力方向相反)相對於槽軸呈角度Θ g。這種結構設置使得對流在一側向上流動(即在圖IlB的情況下為左側)並且在相對側向下流動(即在圖IlB的情況下為右側)。傾斜角度0g可優選為約2°至約60°，更優選約5°至約30°。該傾斜結構也可以與本發明中提供的全部槽和室結構特徵組合使用。幾乎所有的本發明中公開的裝置實施方案均可通過將其放置於能夠相對於重力方向將槽軸80偏移約2°至約60°的結構上來進行傾斜。如所提到的，可用的結構的實例是能夠產生傾斜的表面(如楔形物或相關形狀)。L.兩個室和結構不對稱的熱制動器本發明的一個目的是提供具有一個或更多個熱制動器(例如一個、兩個或三個熱制動器)的裝置，其中一個或更多個熱制動器水平方向上不對稱。參照圖23A-B所示的裝置，第一熱制動器130水平方向上不對稱。在該實施方案中，形成於第一熱制動器130中的通孔(通常將其製作成適合於槽)大於槽70並且從槽軸80偏離中心，從而在一側提供較小(或無)間隙，在相對側提供較大間隙。發現與室的不對稱(即第一室壁103不對稱)相比，溫度分布對熱制動器的不對稱更敏感。優選地，可將熱制動器中的通孔製作成大出至少約O. Imm多至約2mm,並且從槽軸偏離中心至少約O. 05mm多至約1mm。在結構不對稱存在於第一熱制動器130或第二熱制動器140 (或第一熱制動器130與第二熱制動器140 二者)的實施方案中，該裝置可包含圍繞槽軸80對稱或不對稱布置的至少一個室。在圖23A所示的實施方案中，第一室100與第二室110位於第二熱源30內並 且圍繞槽軸80對稱布置。在該實施方案中，第一室100與第二室110沿槽軸80以長度I間隔開。第二熱源30的一部分接觸槽70，從而形成足以降低來自第一熱源20的熱傳遞的第一熱制動器130。第一熱制動器130圍繞槽70不對稱布置。第一熱制動器130在第一室100與第二室110之間接觸槽70的一側，槽70的另一側與第二熱源30間隔開。圖23B示出表示壁133接觸槽70的左側的第一熱制動器130的放大圖。當一個或更多個熱制動器涉及結構不對稱時，根據熱制動器沿槽軸的位置和厚度，可促進相對於槽軸的槽的一側或相對側的向上和向下對流流動。有時有用的是具有在第二熱源中圍繞槽軸80對稱或不對稱布置的一個、兩個或三個室的本發明裝置。在一個實施方案中，該裝置具有第一室、第二室和第三室，其中所述室中的一個或兩個圍繞槽軸80不對稱布置並且其他室圍繞該軸對稱布置。在裝置包含各自圍繞槽軸80不對稱的第一室和第二室的實施方案中，這些室可全部或部分位於第二熱源中。圖24A-D中示出本發明該實施方案的一些具體實例。在圖24A中，第一熱制動器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均位於第二熱源30中並且第一室100與第二室110沿槽軸80以長度(I)間隔開。在該實施方案中，熱制動器130在第一室100和第二室110之間以長度(I)接觸槽70的整個外周。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24B提供了其中壁133接觸槽70的第一制動器130的放大圖。在圖24C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。在該實施方案中，第一熱制動器130在第一室100內以從第一熱制動器130的底端132至頂端131的長度接觸槽70的一側(即左側)，該長度與圖24C所示的實施方案中第一室100沿槽軸80的長度相同。圖24D提供了示出壁133接觸槽70的第一熱制動器130的放大圖。在圖24A-D所示的每個實施方案中，接收孔73圍繞槽70對稱布置。圖25A示出其中第一室100與第二室110相對於槽軸80以相反的方向各自偏離中心約O. Imm多至約2mm至3mm的一個本發明實施方案。第一熱制動器130相對於槽軸80對稱布置。在該實施方案中，部分第二熱源30接觸槽70，從而形成足以降低來自第一熱源20的熱傳遞的第一熱制動器130。在本發明的該實施例中，第一熱制動器130在第一室100與第二室110之間以長度(I)接觸槽70的整個外周。在另一些實施方案中，第一熱制動器130可接觸槽70的一側，另一側與第二熱源30間隔開。圖25B提供了示出壁133接觸槽70的第一熱制動器130的放大圖。參照圖26A所示的實施方案，在相同的水平方向上，第一室100和第二室110各自相對於槽軸80偏離中心(例如,約O. Imm多至約2mm至3mm)。在該實施方案中，第一熱制動器130相對於槽軸80不對稱布置。第一熱制動器130與室壁103以相同方向偏離中心。在該實施方案中，第一熱制動器130接觸槽70的一側(即左側)，另一側與第二熱源30間隔開。圖26B示出第一熱制動器130的放大圖。在圖26C中，在相同的水平方向上，第一室100和第二室110各自相對於槽軸80偏離中心，並且第一熱制動器130在相反的方向上偏離中心。在該實施方案中，第一熱制動器130接觸槽70的一側(即右側)，另一側與第二熱源30間隔開。圖26D示出第一熱制動 器130的放大圖。在另一本發明實施方案中，該裝置在第二熱源30中具有兩個室，其中每個室以不同的水平方向從另一個偏移。圖27A示出一個實例。這裡，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各自相對於槽軸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低於第二室的壁113。在第一室100中，第一熱制動器的壁133在槽70下部接觸槽70的一側(即左側)，在第二室110中，第二熱制動器的壁143在槽70的上部接觸槽的另一側(即右側)。第一熱制動器的頂端131所處高度與第二熱制動器的底端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27B示出第一熱制動器130和第二熱制動器140的放大圖。圖27C示出其中第一熱制動器頂端131所處位置高於第二熱制動器底端142的一個本發明實施方案。第一熱制動器的壁133和第二熱制動器的壁143均接觸槽70的一側。圖27D示出第一熱制動器130和第二熱制動器140的放大圖。圖27E示出其中第一熱制動器頂端131所處位置低於第二熱制動器底端142的一個實施方案。第一熱制動器的壁133和第二熱制動器的壁143均接觸槽70的一側。圖27F示出第一熱制動器130和第二熱制動器140的放大圖。本發明提供了另一些實施方案，其中通過相對於槽軸傾斜(歪斜)一個或更多個熱制動器或室來將不對稱引入裝置。現參照圖28A，相對於垂直於槽軸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°。在該實施方案中，第一熱源的頂端21與第一熱制動器的底端132之間的距離相對於槽軸80在一側(即左側)更小，使得第一室100的該側溫度梯度偏向於更大。熱制動器130在第一室100與第二室110之間接觸槽70的整個外周並且一側的位置高於另一側。圖28B示出第一室100、第一熱制動器130和其中壁133接觸槽70的第二室110的放大圖。在一些本發明實施方案中，相對於槽軸傾斜的至少一個室(例如，一個、兩個或三個室)是有用的。事實上，可採用傾斜結構或歪斜結構的不同組合來達到預期的水平方向上不對稱的溫度分布。圖29A-D中示出了幾個實例。具體地，圖29A示出的情況是第一室100和第二室110各自相對於槽軸80傾斜或歪斜約2°至約30°。在該實施方案中，第一熱制動器130未傾斜。圖29B示出第一室100、第一熱制動器130和其中壁133接觸槽70的第二室110的放大圖。圖29C示出的實施例中第一室100、第二室110以及第一熱制動器130都各自相對於槽軸80傾斜。第一室100和第二室110各自可相對於槽軸80傾斜或歪斜約2°至約30°。第一熱制動器130的頂端131和底端132各自可相對於垂直於槽軸80的軸傾斜或歪斜約2°至約45°。在該實施方案中，第一熱制動器130在第一室與第二室之間接觸槽的整個外周並且在一側的位置高於另一側。在圖25A-B、26A-D、27A-F、28A-B和29A-D所示的實施方案中，接收孔73圍繞槽軸80對稱布置。製造、使用以及溫度成形元件的選擇A.熱源

對於大多數本發明實施方案，與用於其它熱循環式裝置的材料相比，熱源的一個或更多個可以用導熱率相對低的材料來製造。在本發明中，通常可避免快速的溫度變化過程。因此，使用導熱率相對低的材料可容易地實現穿過每個熱源的溫度的高均勻性(例如，溫度變化小於約O. rc)。熱源可由導熱率與樣品或反應容器的導熱率相比足夠大(例如，優選大出至少約10倍，更優選大出至少約100倍)的任意固體材料製成。待加熱樣品通常為在室溫下導熱率為O. 58W · πΓ1 · Γ1的水，並且反應容器通常由導熱率通常為約幾十個W · πΓ1 · Γ1的塑料製成。因此，合適材料的導熱率為至少約5W · πΓ1 · Γ1或更大，更優選至少約50W · πΓ1 · K—1或更大。如果反應容器由導熱率大於塑料的玻璃或陶瓷製成，優選使用導熱率稍大的材料，例如導熱率大於約80或約100W · πΓ1 · Γ1的材料。大多數金屬和金屬合金以及一些高導熱率陶瓷滿足該要求。儘管具有較高導熱率的材料一般提供穿過每個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，因為它們相對便宜且易於加工同時有高導熱率。以下說明書一般可用於製造和使用本文所述的裝置實施方案。根據預期用途，例如根據鄰近的槽/室結構之間的間距，可以將第一熱源和第二熱源沿垂直於槽軸的軸的寬度和長度尺寸選擇為任意值。鄰近的槽/室結構之間的間距可以為至少約2_至3_，優選約4mm至約15mm。一般優選採用工業標準,即4. 5mm或9mm的間距。在典型的實施方案中，槽/室結構布置為等距的行和/或列。在這種實施方案中，優選將每個熱源的寬或長(沿垂直於槽軸的軸)製作成至少約相當於所述間距與行或列數目的乘積的值，至多至比該值大出約一個至約三個所述間距。在另一些實施方案中，槽/室結構可布置成圓形模式並且優選將它們等距間隔開。該實施方案中的間距也為至少約2mm至3mm,優選約4mm至約15mm,更優選工業標準4. 5mm或9mm的間距。在這些實施方案中，優選熱源具有類似多納圈的形狀，其通常在中心有一個孔。槽/室結構可定位在一個、兩個、三個，多至約十個同心圓上。每個同心圓的直徑可由預期用途的幾何需要(例如根據槽/室結構的數目、該圓環中鄰近槽/室結構之間的間距等)來確定。熱源的外徑優選比最大同心圓的直徑大出至少約一個間距，熱源的內徑優選比最小同心圓的直徑小出至少約一個間距。已討論了第一熱源和第二熱源沿槽軸的長度或厚度。在第二熱源中包含至少一個室的實施方案中，第一熱源沿槽軸的厚度大於約Imm,優選約2mm至約10_。第二熱源沿槽軸的厚度為約2mm至約25mm,優選3mm至約15mm。
槽的尺寸可由圖7A-D和8A-J所示的幾個參數限定。對於約20微升的樣品體積，槽沿槽軸的高度(h)為至少約5mm至約25mm,優選8mm至約16mm。錐形角度(Θ )為約0°至約15°，優選約2°至約10°。槽沿垂直於槽軸的軸的寬度(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寬比為約4至約15,優選約5至約10。由分別沿第一方向和第二方向(互相垂直並且垂直於槽軸)的第一寬度(wl)和第二寬度(w2)之比限定的水平長寬比通常為約I至約4。接收孔與槽的寬度或直徑在相同的範圍內，即至少約Imm至約5_。當槽為錐形時，根據逐漸變細的方向，接收孔的寬度或直徑小於或大於槽的寬度或直徑。接收孔的深度通常為至少約O. 5mm多至約8mm,優選約Imm至約5mm。室沿垂直於槽軸的軸的寬度或直徑通常為至少約Imm至約IOmm或12mm，優選約2mm至約8mm。室結構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,更優選約O. 2mm至約4_。室沿槽軸的長度或高度可根據不同實施方案而異。例如,如果裝置在第二熱源中包含一個室，那麼該室沿槽軸的高度可以為約Imm至約25_，優選約 2mm至約15_。在第二熱源中具有兩個或更多個室的實施方案中，每個室的高度為約O. 2mm至第二熱源沿槽軸厚度的約80%或90%。熱制動器和絕熱體(或絕熱間隙)的尺寸也非常重要。請參照如上已提供的一般性說明。雖然一般在本發明的最優應用中不需要，但是提供具有突出部24、34或其二者的裝置在本發明的範圍內。例如參見圖6A。應理解，在加工或製造機械結構時常常存在一定的公差。因此，在實際操作中，必須將物理接觸的孔(例如在具體實施方案中第二熱源中的通孔或第一熱源中的接收孔)設計成相對於反應容器的大小有正公差。否則，通孔或槽可被製作成小於或等於反應容器的大小，從而不允許將反應容器正常地安裝到槽上。在標準製造過程中，物理接觸的孔在實踐中接受的公差為約+0. 05mm。因此，如果描述兩個物體「物理接觸」，那麼應將其解釋為兩個接觸物體之間的間隙小於或等於約O. 05mm。如果描述兩個物體「未物理接觸」或「間隔開」，那麼應將其解釋為兩個物體之間的間隙大於約O. 05mm或O. 1mm。B.使用本文描述的幾乎任何熱對流PCR裝置可用於進行不同PCR擴增技術的一種或組合。一種合適的方法包括至少一個且優選全部以下步驟(a)將包含接收孔的第一熱源保持在適於使雙鏈核酸分子變性並且形成單鏈模板的溫度範圍，(b)將第二熱源保持在適於使至少一種寡核苷酸引物與單鏈模板退火的溫度範圍；以及(C)在足以生成引物延伸產物的條件下在接收孔與第二熱源之間產生熱對流。在一個實施方案中，該方法還包括提供包含雙鏈核酸和寡核苷酸引物之水緩衝溶液的反應容器的步驟。通常，反應容器還包含一種或更多種DNA聚合酶。如期望，酶可被固定。在反應方法的一個更具體的實施方案中，該方法包括使反應容器接觸(直接地或間接地)接收孔、通孔以及布置在第二熱源或第一熱源的至少一個內的至少一個溫度成形元件(通常為至少一個室)的步驟。在該實施方案中，該接觸足以支持反應容器中的熱對流。優選地，該方法還包括使反應容器接觸第一熱源與第二熱源之間的第一絕熱體的步驟。在一個實施方案中，第一熱源和第二熱源的導熱率比其中的反應容器或水溶液的導熱率大出約十倍，優選約一百倍。第一絕熱體的導熱率可比其中的反應容器或水溶液的導熱率小至少約5倍，其中第一絕熱體的導熱率足以降低第一熱源和第二熱源之間的熱傳遞。在前述方法的步驟(C)中，在反應容器內，使熱對流流體流動圍繞槽軸基本對稱或不對稱。優選地，在每個反應容器中，上述方法的步驟(a)-(c)消耗小於約1W、優選小於約O. 5W的功率來生成引物延伸產物。如期望，用於進行該方法的電力通過電池供給。在常規的實施方案中，PCR延伸產物在約15分鐘至約30分鐘或者更短的時間內生成，並且反應容器的體積可小於約50微升或100微升，例如小於或等於約20微升。在該方法與本發明的熱對流PCR離心機一起使用的實施方案中，該方法還包括向反應容器施用或施加有利於進行PCR的離心力的步驟。在通過熱對流進行PCR的方法的一個更具體實施方案中，該方法包括以下步驟 在足以生成引物延伸產物的條件下，向本文公開的任意裝置容納的反應容器中加入寡核苷酸引物、核酸模板和緩衝液。在一個實施方案中，該方法還包括向反應容器中加入DNA聚合酶的步驟。在通過熱對流進行PCR的方法的另一實施方案中，該方法包括以下步驟在足以生成引物延伸產物的條件下，向本文公開的任意PCR離心機所容納的反應容器中加入寡核苷酸引物、核酸模板和緩衝液，並且向反應容器施加離心力。在一個實施方案中，該方法包括向反應容器中加入DNA聚合酶的步驟。本發明的實施適用於PCR技術(包括定量PCR(qPCR)、多重PCR、連接介導的PCR、熱啟動PCR、等位基因特異性PCR以及其他擴增技術的變化形式)的一種或組合。本發明的以下具體使用參照圖I和圖2A所示的實施方案。然而，應理解，該方法通常可用於本發明中提到的其他實施方案。參照圖I和圖2A，第一熱源20在槽的底部或下部(在本文中有時稱為變性區域)產生適於變性過程的溫度分布。通常將第一熱源20保持在用於將目的核酸模板(例如，約Ifg至約IOOng的基於DNA的模板)解鏈的溫度。在該實施方案中，應將第一熱源20保持在約92°C至約106°C、優選約94°C至約104°C、並且更優選約96°C至約102°C。應理解，根據已知的參數如目的核酸、期望的靈敏度和PCR過程應具有的速度，其他溫度範圍可更適於本發明的最佳實踐。第二熱源30在槽的頂部或上部(在本文中有時稱為退火區域)產生適於退火過程的溫度分布。根據例如所使用的寡核苷酸引物的解鏈溫度和PCR反應技術人員已知的其他參數，通常將第二熱源的溫度保持在約45°C至約65°C。適於聚合過程的溫度分布產生於槽底的變性區域與槽頂部或上部的退火區域之間的槽70的中間區域(即過渡區域)(有時在本文中也稱為聚合區域)中。在一些情況下(其中第二熱源的溫度保持在等於或高於約60°C的溫度)，槽頂部的退火區域也可作為聚合區域的一部分。對於許多本發明應用，在使用Taq DNA聚合酶或其相對熱穩定的衍生物的情況下，通常將聚合區域的溫度保持在約60°C至約80°C、更優選約65°C至約75°C。如果使用活性溫度譜不同的DNA聚合酶，可以改變聚合區域的溫度範圍(通過改變第二熱源的退火溫度或溫度成形元件的結構)以匹配所使用的聚合酶的溫度譜。關於在PCR過程中使用熱敏感和熱穩定聚合酶，參見美國專利No. 7，238，505和其中公開的參考文獻。其他裝置實施方案的使用信息參見實施例部分。
_4] 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一步指導。並非意圖將本發明限於具體的裝置設計或使用。用於本發明裝置的一個溫度成形元件或其組合的選擇將由具體的目的PCR應用來指導。例如，靶模板的特性對於選擇最適於具體PCR應用的溫度成形元件是重要的。例如，靶序列可相對較短或較長；和/或靶序列可具有相對簡單(如質粒或細菌DNA、病毒DNA、噬菌體DNA或cDNA)或複雜的結構(如基因組或染色體DNA)。一般地，具有較長序列和/或複雜結構的靶序列更難以擴增，並且通常需要較長的聚合時間。此外，常常需要較長的退火時間和變性時間。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增並且通常需要更多PCR反應時間(即更多PCR循環)。根據具體用途，其他因素也可 以是重要的。例如，PCR裝置可用於生成一定量的靶序列，以進行後續的應用、實驗或分析，或者檢測或鑑定樣品中的靶序列。進一步考慮，該PCR裝置可在實驗室或現場、或在某些特殊環境(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，本發明的熱對流PCR裝置一般提供比現有PCR裝置更快且更有效的PCR擴增。此外，與現有PCR裝置相比，本發明裝置的功率需求顯著降低且尺寸小得多。例如，熱對流PCR裝置通常快出至少約I. 5倍至2倍(優選約3倍至4倍)，並且需要少至少約5倍(優選約10倍至數十倍)的運行功率，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計，使用者可擁有一個可耗費更少時間、能量和空間的裝置。為了選擇合適的裝置設計，重要的是理解預期溫度成形元件的關鍵功能。如下述表I中所歸納的，對於熱對流PCR裝置的性能，每個溫度成形元件具有特定的功能。例如，與沒有室的結構相比，室結構通常增加存在室的熱源內熱對流的速度，與具有室結構而不具有熱制動器的結構相比，熱制動器通常降低熱對流的速度。然而，重要的是，在第二熱源內整合熱制動器結構和室結構使得可用於聚合步驟的時間長度或樣品體積變大，從而可以使得需要更長聚合時間的靶序列進行PCR擴增的效率增加。因此，根據以下討論的具體應用，室結構可以與或不與熱制動器一起使用。同樣如表I中歸納的，無論其他熱源結構為何(包括僅有槽的結構(即沒有室的結構))，可以使用任意對流加速元件(如位置不對稱，結構不對稱和離心加速)或其組合來增加熱對流的速度。因此，根據需要，至少一種這些對流加速元件或其組合可以與幾乎所有熱源結構組合以提高熱對流速度。如所討論的，本發明裝置比現有PCR裝置需要的能量少得多，這主要是因為消除了對流循環過程(即改變熱源溫度的過程)的需要。同樣如所討論的，第一絕熱體的適當選擇(即絕熱間隙的厚度以及使用適當的絕熱體)可使本發明裝置的能量消耗進一步降低。此外，突出部結構的使用又可以進一步顯著降低本發明裝置的能量消耗(例如，參見實施例I)，並且增加室的長度從而增加聚合時間。還可以使用其他參數如接收孔深度和第一熱源和第二熱源的溫度來調節熱對流速度以及可用於聚合步驟、退火步驟和變性步驟的每一個的時間。如以下所討論的，這些溫度成形元件的每一種可單獨使用或者與一種或更多種其他元件組合使用，以構建適於具體應用的具體熱對流PCR裝置。表I溫度成形元件的關鍵功能
SS度成形it件關鍵功能
室I與僅有槽 餘枸相比，存在宣增加熱源內的熱對流速廢.室i
徑或室間隙越小，*對流速度越*.
熟制動器當與室結構組合時降低熱對流速廢。通常與至少一個宣組 定
I位在第二農潭 ,與僅有室相Λ,使得可用於聚合步驟 #1時_長度和樣品體取增加.Λ制動器沿槽軸的長度越大，* 對流速度趣慢，並JL可Λ於聚合步驟的時間越長且樣品體積越 _I_
絶熱fr/絶熱間BI 通常在多段幾對流裝置+需要·可Λ於控制熱對流速度和降
I低能量消耗.途熱體沿槽軸 長農越小，能量消耗和熱對流的
丨驅動力越大.
突出部用於顯著地降低能量消耗以及延長室沿槽軸的長度(從而增加
I可用於聚合步騍雨時《 桴&體積)
位置不對稱增加熱對流速度並JL可作為可調節結構元件整合入本發明裝
以在給定設針中攝供控■纖對流速JW自由廢β當與結構不對稱一起使用時，可調節_位置不對稱尤件可用作加速元件和減速元件二者·》
結構不對稱增加熱對浪速度
離心加速在給定設計中增加熱對流速農，同時提供控制熱對波速度的自I_由度，通常與位置不對稱一起使用·_I雖然本發明提供了許多有用的裝置實施方案，但是以下組合特別有用並且易於預測本發明裝置的性能。用於許多應用的可接受熱對流PCR裝置通常包含槽以及第一絕熱體(或第一絕熱間隙)作為基本元件。一個或更多個其它溫度成形元件可與這些基本元件組合使用。對於一些PCR應用，僅使用槽和絕熱體的裝置可能不是最佳的。僅有槽結構時，由於來自熱源的有效熱傳遞，每個熱源內樣品中的溫度梯度可能太小，因而熱對流變得太慢或不能正確發生。使用室結構可以彌補這個缺陷。如所討論的，每個熱源內熱對流的速度可通過將室結構整合入該熱源中來增加。使用室作為另外的溫度成形元件的熱對流PCR裝置通常適於大部分的應用，包括快速擴增結構簡單的相對較短(例如，比約Ikbp短)的靶序列，以及較長的靶序列(例如長於約Ikbp多至約2或3kbp)或具有複雜結構的靶序列(如基因組或染色體DNA)。例如，根據靶序列的量和大小，在第二熱源中具有寬度或直徑為大於約3mm或4mm的平直室的裝置設計可在少於約20分鐘或25分鐘內、優選約10分鐘至15分鐘內進行相對短的序列的PCR擴增(例如參見實施例I)。擴增具有複雜結構的靶序列(例如，參見實施例I的人基因組靶序列的擴增)通常需要約25或30分鐘。根據靶序列的大小和結構，較長靶序列通常需要更長的時間，例如，約30分鐘至約I小時。熱對流PCR速度的進一步提高可通過整合至少一種對流加速元件來實現(例如，參見實施例2和3)。熱對流PCR裝置的動態範圍的進一步增強可通過將熱制動器和/或窄室(例如室寬度或直徑小於約3_)整合入第二熱源內來實現。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器使得從第二熱源到槽的熱傳遞增加，因而降低熱對流速度。在這種減速的熱源結構中，可進一步增加聚合時間以擴增較長序列，例如多至約5kbp或6kbp的序列。然而，由於慢的熱對流速度，總PCR反應時間會不可避免地增加，例如，根據靶序列的大小和結構為約35分鐘至多至約I小時或更長。可按照期望將一種或 更多種對流加速元件與該類型的裝置設計組合，以提高熱對流PCR的速度。在該類型的實施方案中，通常建議使用具有相對高解鏈點(例如高於約60°C)的引物，以使第二熱源中的樣品溫度接近常見DNA聚合酶的最適宜溫度。上述對流加速元件(即位置不對稱、結構不對稱和離心加速)可以不同程度地影響熱對流的速度。位置或結構不對稱通常可以將熱對流速度提高約10%或20%多至約3倍至4倍。在加速離心的情況下，可使該提高儘可能地大，例如如所討論的，當R= IOcm時在IOOOOrpm約為11200倍。實用的使用範圍為提高多至約10倍至約20倍。當使用這些對流加速元件的任意一種時，可增加熱對流的速度。因此，每當使用者的應用需要進一步提高熱對流速度時，可以方便地整合這種特徵。包含至少一種對流加速元件的一個具體設計是不包含室的熱源結構(即只有槽)。使用對流加速元件能夠使僅有槽的設計可操作。在這種僅有槽的實施方案中，通常建議使用具有相對高解鏈點(例如高於約60°C)的引物，以使第二熱源中的樣品溫度接近常見DNA聚合酶的最適宜溫度。當與高解鏈點引物一起使用時，這種僅有槽的設計是有利的，因為其可以使樣品在聚合步驟中的時間和體積儘可能大。然而，如所討論的，這種設計提供的熱對流速度通常太慢。使用任意一種或更多種對流加速元件可以通過根據使用者的需求增加熱對流速度來彌補這種缺陷。即使沒有突出部結構，以上討論的所有裝置實施例所需的能量也比現有PCR裝置少得多，並且可做成可攜式裝置(即可利用電池操作)。如所討論的，使用突出部結構能夠顯著降低能量消耗，因此如果可攜式PCR裝置對於使用者的應用而言是必要的，那麼更推薦使用突出部結構。此外，以上討論的裝置設計可以擴增非常低拷貝數的樣品(當最優化時)。例如，如實施例I和2中所證實的，即使比約100個拷貝少得多的靶序列也可以在約25分鐘或約30分鐘內擴增。此外，不同於僅可以在受控條件下(如在實驗室內)使用的許多現有PCR裝置，以上討論的裝置設計可以在實驗室或現場，或在某些特殊條件下使用。例如，我們已經在開動的車中測試了幾個本發明裝置，並且證實其可以如在實驗室內一樣實現快速且有效的PCR擴增。此外，我們還在特殊溫度條件下(從低於-20°C至高於約40°C)測試了幾個本發明裝置，並且證實不管外部的溫度如何，PCR擴增都快速且有效地進行。
最後，如在實施例中所例證的，本發明的熱對流PCR裝置可以進行不僅快速而且非常有效的PCR擴增。因此，證實了本發明的裝置一般地適於PCR裝置的幾乎全部多種不同應用，而且用手掌大小的可攜式PCR裝置這一新特徵提供了改進的性能。具有殼體和控溫元件的裝置可以將上述發明裝置單獨使用，或者與合適的殼體、溫度感測以及加熱和/或冷卻元件組合使用。在圖30所示的一個實施方案中，第一熱源20和第二熱源30的特徵為有至少一個第一固定元件200 (通常為螺孔)和第二固定元件210，其中各元件均適合於將熱源和第一絕熱體50固定在一起作為單獨的可操作單元。第二固定元件210優選為「翼形」，從而幫助向額外的絕熱間隙提供邊界(見下文)。加熱和/或冷卻元件160a和160b各自分別位於第一熱源20和第二熱源30中。各熱源通常配備至少一個加熱元件。可用的加熱元件通常為耐熱或導熱型。根據預期用途，一個或更多個熱源還可以配備一個或更多個冷卻元件和/或一個或更多個加熱元件。優選的冷卻元件通常為風扇或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。特別優選地，當需要產生溫度梯度以提供穿過熱源的不同溫度時，在一個或更多個熱源的不同位置使用多於一個加熱元件或加熱元件和冷卻元件二者。第一熱源20和第二熱源30還包含分別位於各熱源中的溫度傳感器170a和170b。對於大多數的實施方案而言,各熱源通常配備有一個溫度傳感器。但是在一些實施方案中，例如在一個或更多個熱源中具有產生溫度梯度能力的那些實施方案中，兩個或更多個溫度傳感器可位於熱源的不同位置。圖31A至B提供了圖30所示實施方案的截面圖。除了槽和室結構的截面圖外，還作為一個實例示出了加熱和/或冷卻元件的位置。如該實例所示，優選加熱和/或冷卻元件均勻地位於各熱源，從而提供穿過各熱源的均勻的加熱和/或冷卻。例如如圖31B所示，加熱和/或冷卻元件位於各槽和室結構之間，並且彼此等距地間隔開(例如，參見圖33)。例如，圖31A所示的截面圖示出了從各槽和室結構之間的一個位置至另一個位置的加熱和/冷卻元件之間的連接(即環)。在另一些類型的實施方案中，例如具有產生溫度梯度選項的那些實施方案中，可以將兩個或更多個加熱或冷卻元件用於一個或更多個熱源中，並且它們位於所述熱源的不同位置，從而提供穿過所述熱源的有偏向性的加熱/冷卻。在圖32中，剖面穿過第二固定元件210和第一固定元件200中的一個。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、和第二熱源的固定元件203b。優選地，螺釘201、墊圈202a以及間隔物202b中至少一個且優選全部由絕熱材料製成。實例包括塑料、陶瓷和塑料複合材料(例如具有碳或玻璃纖維的塑料複合材料)。更優選的是，材料具有高機械強度，高熔點和/或撓曲溫度(例如約100°C或更高，更優選為約120°C或更高)和低導熱率(例如導熱率小於約幾十W ^nT1 -T1的塑料或導熱率小於約幾W · πΓ1 · K—1的陶瓷)。更具體的實例包括塑料如PPS (聚亞苯基硫醚)、PEEK (聚醚醚酮)、Vesper (聚醯亞胺)、RENY (聚醯胺)等或者它們的碳或玻璃複合材料；以及低導熱率的陶瓷如Macor、熔融娃石、氧化錯、Mullite、Accuflect等。圖33提供了具有多個固定元件和控溫元件的裝置實施方案的放大圖。很明顯除了圖33所示的具體的固定結構外，其它結構也是可以的。因此在一個實施方案中，第一和/或第二固定元件(200，210)中的至少一個位於第一熱源20和第二熱源30，以及第一絕熱體50中的至少一個且優選全部的的其它區域。也就是說，儘管示出第二熱源30包含第二固定元件210，但是任何其它或所有的熱源和/或第一絕熱體也可包含第二固定元件210。在另一實施方案中，第一固定元件和/或第二固定元件(200，210)中的至少一個位於第一熱源20、第二熱源30和第一絕熱體50中的至少一個且優選全部的內部區域。儘管前述的本發明實施方案對於很多PCR應用普遍有用，但經常期望加上保護殼體。圖34A至B示出了一個實施方案。如所示，裝置10的特徵為第一殼體元件300圍繞著第一熱源20、第二熱源30和第一絕熱體50。在該實施方案中，各第二固定兀件210均具有翼形結構，其與裝置10的其它結構元件配合形成至少一個絕熱間隙，例如I個、2個、3個、4個、5個、6個、7個或8個這種間隙。各間隙可以用合適的絕熱材料填充，例如本文公開的諸如氣體或固體絕熱體。對於許多應用而言空氣是優選的絕熱材料。絕熱間隙的存在提供了優點，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34A至B所示的實施方案中，第二熱源30包含4個第二固定元件210，其中每對第二固定元件限定出第二絕熱間隙310。具體地，圖34A示出了第二絕熱間隙310的四個部分，它們各自由第一殼體元件300和一對第二固定元件210限定。圖34A還示出了位於第一熱源20的底部和第一殼體元件300之間的第三絕熱間隙320。還示出了底座 330,用於使固定的熱源懸在第一殼體兀件300內，從而有助於形成第二絕熱間隙310和第三絕熱間隙320。經常期望進一步為本發明裝置添加外殼，例如以提供進一步的保護和絕熱間隙。參照圖35A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所限定的第四絕熱間隙410。裝置10還可以包含位於第一殼體元件300的底部與第二殼體元件400的底部之間的第五絕熱間隙420。如期望，本發明裝置還可以包含至少一個風扇單元，用來從裝置去除熱量。在一個實施方案中，所述裝置包含位於第二熱源30之上的第一風扇單元，用以從第二熱源30去除熱量。如期望，所述裝置還可以包含位於第一熱源20之下的第二風扇單元，用以從第一熱源20去除熱量。整合了離心加諫的對流PCR儀本發明的一個目的是提供「離心加速」作為本文所述裝置實施方案的任選的額外特徵。如以上所討論的，認為當在流體內產生豎直的溫度梯度(並且任選地或額外地，在使用位置或結構不對稱時的水平方向上不對稱的溫度分布)時，可以使熱對流最優。與豎直溫度梯度的大小成比例地產生的浮動力驅動流體內的對流流動。本發明裝置所產生的熱對流通常必須滿足引導PCR反應的多種條件。例如，熱對流必須連續且重複地流過多個空間區域，同時保持各空間區域在適合於PCR反應各步驟(即變性、退火和聚合步驟)的溫度範圍。此外，必須控制熱對流具有合適的速度，從而使得三個PCR反應步驟的每個都有合適的時間。不希望受到任何理論的約束，認為可以通過控制溫度梯度(更確切的是通過控制流體內溫度梯度的分布)來控制熱對流。溫度梯度(dT/ds)取決於兩個參照位置的溫差(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。樣品流體內不同空間區域的溫度具有由適合三個PCR反應步驟的各步驟的溫度所限定特定的範圍。沒有太多機會來改變樣品內不同(通常至少是豎直方向上的不同)空間區域的溫度。此外，因為樣品流體的體積小，不同空間區域的豎直位置(為了產生用於引發浮動力驅動力的豎直溫度梯度)經常受到限制。例如，PCR樣品的體積通常僅為約20至50微升，並且有時候更小。這樣的小體積和空間限制不允許自由地改變PCR反應不同空間區域的豎直位置。如所討論的，浮動力與豎直溫度梯度成比例，後者繼而取決於兩個參照點之間的溫差和間距。但是，除了這種依賴關係外，浮動力還與重力加速度(地球上為g = 9. Sm/秒
2)成比例。該力場參數恆定，是不能控制或改變的變量，而僅由萬有引力定律所定義。因此，幾乎所有基於熱對流的PCR裝置都依賴於高度受限的特定結構，不可避免的適用重力。本發明的離心加速度的使用為這個問題提供了解決方案。通過使基於對流的PCR裝置承受離心加速度力場，無論限定溫度梯度大小的結構為何，均可以控制浮動力驅動力的大小，從而在沒有太多限制的情況下控制對流速度。 圖36A至B示出了根據本發明的PCR離心機500的一個實施方案。在該實施例中，裝置10連接至旋轉臂520，後者旋轉連接至馬達501。在該實施方案中，旋轉臂520包含傾斜軸530，其提供改變旋轉軸510與槽軸80之間的角度的自由度。只要得到預期目的，PCR離心機可以包含任何數目的裝置10，例如2個、4個、6個、8個、10個或甚至12個。裝置10可包含或不包含如以上所討論的保護殼體，但是具有一些保護殼體一般是有用的。傾斜軸530優選配置為能夠相對於旋轉軸傾斜熱源的角度(更具體的是槽軸80的角度)的角度引入元件。傾斜角度可以根據轉速(即根據離心加速度的大小)進行調整，這樣圖37中所示的槽軸80與淨加速度矢量之間的傾斜角度可以在約0°至約60°之間進行調整。在一個實施方案中，圖36A中的角度引入元件為旋轉軸(顯示為圓圈)，其位於水平臂與熱源組件所處的臂之間的連接區域中心。在圖36A至B所示實施方案中，置於裝置10內的反應容器內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。參見圖37。應理解，離心加速度g。的方向與離心旋轉軸垂直(並且向外)，並且其大小由式g。= Rω2給出，其中R是離心旋轉軸到樣品流體的距離，ω是角速度，單位為弧度/秒。例如，當R= IOcm並且離心旋轉的速度為IOOrpm(對應於ω =約10. 5弧度/秒)時，離心加速度的大小為約Ilm/秒2，類似於地球上的重力加速度。因為離心加速度與旋轉速度的平方(或角速度的平方)成比例，所以離心加速度隨著旋轉速度的增加二次方地增加，例如，當R= IOcm時，在200rpm時約為重力加速度的4. 5倍，在1，OOOrpm時約為112倍，而在10，OOOrpm時約為11，200倍。通過採用這樣的離心加速度可以自由控制作用在樣品流體上的淨力場的大小。因此，可以根據需要控制(通常為增加)浮動力，從而使對流速度和所需要的一樣快。實際上，只要在樣品流體中可以產生小的豎直溫度梯度，對於將熱對流引導至足以進行非常高速的PCR反應的極高流速幾乎沒有限制。因此，當根據本發明與離心加速度組合後，可以最小化或避免之前對於熱源組件和使用的限制。如圖37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生的淨力場。在一個典型的實施方案中，槽軸80平行於淨力場，或相對於淨力場有傾斜角度Θ。。如所討論的，為了使對流流動保持在穩定的路線，一般優選存在傾斜角。傾斜角Θ。為約2°至約60°，更優選為約5°至約30°。應理解，圖I和2A至C示出了用於舉例說明PCR離心機500的裝置實施方案。但是，PCR離心機500適於使用本文所述一個本發明裝置或不同本發明裝置的組合。具體地，只要可以在樣品內產生小的豎直溫度梯度，PCR離心機500還可以與幾乎任何類型的本文所述熱源結構和反應容器一起使用。例如，幾乎任何上文和別處(例如Benett等的W002/072267和Malmquist等的美國專利NO. 6，783，993)所描述的熱源結構都可以與本發明的離心元件組合，從而加強裝置的擴增速度和性能。此外，在典型的重力驅動模式中不可操作(或者不能用來提供高PCR擴增速度)的其它熱源結構在與離心加速度結構組合後可以被操作。例如，不包含本文所述室而僅包含槽結構的熱源也可以被操作。例如，參見PCT/KR02/01900, PCT/KR02/01728和美國專利No. 7，238，505。在該實施方案中，無室的現有熱源結構提供了改變緩慢的第二熱源內的溫度分布，推測這是由於從第二熱源的高熱傳遞。結果是第二熱源內的小的溫度梯度。僅利用重力，熱對流對於許多PCR應用而言是不令人滿意或太慢的。但是，根據本發明引入離心加速度可以使熱對流足夠快並且穩定，從而成功和有效地引導PCR反應。在熱對流PCR離心機500的典型運行中，旋轉軸510基本上平行於重力方向。參見圖37。在該實施方案中，槽軸80基本上平行於由重力和離心力產生的淨力的方向或相對於其傾斜。也就是說，槽軸80可以相對於由重力和離心力產生的淨力的方向傾斜。對於大多數實施方案而言，槽軸80和淨力方向之間的傾斜角度ec為約2°至約60°。傾斜軸 530適於控制槽軸80與淨力之間的角度。在運行中，旋轉軸510通常位於第一熱源20和第二熱源30的外部。可替換地，旋轉軸510基本上位於或接近於第一熱源20和第二熱源30的中心。在這些實施方案中，裝置10包含相對於旋轉軸510同軸定位的多個槽70。圓形熱源在熱對流PCR離心機的另一實施方案中，一個或更多個熱源為圓形或半圓形。圖38A至B和39A至B示出了這種熱源結構的具體實施方案。圖38A至B示出了經離心加速之對流PCR裝置的具體實施方案的豎直剖面。具體地，圖38A和38B分別示出了沿槽和固定元件區域的截面。這兩個剖面在圖39A至B中限定，它們分別示了第一熱源20和第二熱源30的水平俯視圖。如圖38A至B中所示，將兩個圓形熱源裝配以形成通過旋轉臂520旋轉連接至PCR離心機500的旋轉軸510的裝置實施方案。熱源組件的中心相對於旋轉軸510同軸布置，從而離心旋轉半徑由旋轉臂從旋轉軸至槽70中心的水平長度所確定。兩個熱源20和30彼此基本上平行地裝配，其中一個熱源的頂部面對另一熱源的底部。如另外所示的，熱源組件相對於旋轉軸被定向，從而槽軸80平行於圖37所示的淨加速度矢量或從其傾斜。圖39A至B所示的兩個熱源通過使用一組第一固定元件裝配，所述第一固定元件包含如圖38B所示熱源中形成的螺釘201、間隔物或墊圈202a至b以及固定元件203a至bo使用圖38B和39B所示的第二熱源30中形成的第二固定元件210在第一殼體元件300
內安裝裝置。幾乎任何本申請公開的裝置實施方案(包括多種槽和室結構)都可以用於本文所述離心加速的熱對流PCR裝置。但是也可以使用沒有任何室結構的裝置。在前述熱對流PCR離心機的一個實施方案中，所述裝置被製成便攜的並且優選利用電池運行。例如，圖36A至B中所示的實施方案可用於高通量大規模的PCR擴增。在該實施方案中，所述裝置可以用作獨立的模塊，因此可以被簡單地在離心單元上裝載和拆卸。
反應容器合適的裝置的槽適於在裝置內容納反應容器，從而可以實現預期結果。在大多數情況下，槽具有的構造基本上與反應容器下部的構造相同。在該實施方案中，反應容器的外部形狀(特別是下部)基本與槽的豎直和水平形狀一致。反應容器的上部(即朝向頂端)可根據預期用途具有幾乎任何形狀。例如，反應容器的上部可以具有更大的寬度或直徑，以方便引入樣品，並且其可以包含蓋以在引入待進行熱對流PCR的樣品後封閉反應容器。在合適的反應容器的一個實施方案中，參照圖7A至D，反應容器的外部形狀可以與槽70上至槽70頂端71的形狀相同。反應容器的內部的形狀可以具有與反應容器的外部不同的形狀(如果反應容器的壁厚度被製成不同)。例如，水平剖面的外部形狀可以是圓形的而內部形狀是橢圓形的，反之亦然。外部和內部形狀的不同組合是可以的，只要適當挑選外部形狀以提供與熱源的適當熱接觸，並且適當挑選內部形狀用於預期的熱對流模式。但是，在一些典型的實施方案中，反應容器的壁厚度大致恆定或變化不大，即反應容器的內部形狀通常與外部形狀一致或相似。儘管壁厚度可以根據所使用的材料變化，但其通常為約 O.Imm至約O. 5mm,更優選為約O. 2mm至約O. 4_。如期望，反應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7A至D中所示的槽。當為錐形時，反應容器可以從頂部向底部或者從底部向頂部逐漸變細，但是從頂部向底部逐漸變細(呈線性)的反應容器一般是優選的，對槽也是如此。反應容器的錐度角Θ通常為約0°至約15°，更優選為約2°至約10°。也可以將反應容器的底端製成平的、圓的或彎曲的，如圖7A至D中所示槽的底端一樣。當底端為圓的或彎曲的時，它可以具有凸面或凹面形狀，其曲率半徑等於或大於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選，因為它可以提供增強的熱傳遞從而有利於變性過程。在這些優選實施方案中，平或接近於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，可以將反應容器的水平形狀製成多種不同的形狀，但是具有特定對稱的形狀一般是優選的。圖8A至J示出了具有特定對稱的槽的水平形狀的一些例子。可以製造適合這些形狀的可用反應容器。例如，反應容器可以具有與圖8A、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，反應容器水平形狀的寬度可以大於長度(反之亦然)，例如與圖SB、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)。當具有在一側向上(例如在左側)而在相對側向下(例如在右側)的對流模式時，反應容器的這種水平形狀很有用。由於相比長度具有相對較大的寬度形狀，可以減少向上和向下對流流動之間的幹擾，產生更平穩的循環流動。反應容器可以具有一側比相對側更窄的水平形狀。在圖8A至J的右列示出了槽形狀的一些實例。具體地，可以將反應容器製成使反應容器的左側比右側更窄，如圖8C、F和I所示的槽70。當具有在一側向上(例如在左側)而在相對側向下(例如在右側)的對流模式時，這種水平形狀也很有用。此外，當具有這種形狀時，可以控制(通常是降低)相對於向上流動的向下流動(例如在右側)的速度。因為樣品的連續介質中對流必須是連續的，當截面面積變大時流速應該降低(反之亦然)。這種特徵對於提高聚合效率尤其重要。聚合步驟通常發生在向下流動期間(即在退火步驟後)，因此可以通過減慢向下流動(相比於向上流動)來延長擴增步驟的時間，從而產生更有效的PCR擴士 1
>曰O圖40A至D提供了合適的反應容器的另一些實例。如所示，反應容器90包含頂端91和底端92，這些端包含限定反應容器中軸95的中心點。反應容器90還由外壁93和內壁94所限定，其圍繞容納PCR反應混合物的區域。在圖40A至B中，反應容器90從頂端91向低端92逐漸變細。一般有用的錐度角(Θ)為約0°至約15°，優選為約2°至約10°。在圖40A所示的實施方案中，反應容器90具有平的或接近平的底端92，而在圖40B所示的實施例中，底端是彎曲的或圓的。在圖40A至D中標出了槽的頂端71和底端72。圖40C至D提供了合適的反應容器的實例，其從頂端91向底端92為直壁。圖40C所示的反應容器90具有平的或近似平的底端92，而在圖40D所示的實施例中，底端為彎曲的或圓的。

優選地，圖40A至D所示反應容器90之外壁93的豎直長寬比為至少約4至約15，優選約5至約10。反應容器的水平長寬比由對應於上至槽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的水平長寬比通常為約I至約4。水平長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容器的第一寬度(wl)與第二寬度(w2)之比確定。優選地，反應容器90沿反應容器軸95的高度為至少約6mm至約35mm。在該實施方案中，外壁的平均寬度為約Imm至約5mm,反應容器內壁的平均寬度為約O. 5mm至約 4. 5mmο圖41A至J示出了適用於本發明的反應容器的水平截面圖。只要能夠實現預期結果，本發明適用其它反應容器構造。因此，可用的反應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、圓角梯形或長橢圓形中的一種或其組合。在很多實施方案中，內壁相對於反應容器軸基本對稱布置。例如，反應容器壁的厚度可以為約O. Imm至約O. 5_。優選地，反應容器壁的厚度沿著反應容器軸95基本不變。在反應容器90的一個實施方案中，將內壁94布置為相對於反應容器軸95偏離中心。例如，反應容器壁的厚度為約O. Imm至約1_。優選地，反應容器壁的厚度在一側比另一側薄至少約O. 05或O. 1mm。如所討論的，合適的反應容器底端可以是平的、彎曲的或圓的。在一個實施方案中，底端相對於反應容器軸基本對稱布置。在另一實施方案中，底端相對於反應容器軸基本不對稱布置。底端可以是封閉的，並且可以包含塑料、陶瓷或玻璃或由它們組成。對於一些反應，反應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容器都可以包含與反應容器密封接觸的蓋。在反應容器與本發明的、熱對流PCR離心機一起使用的一些實施方案中，通過離心旋轉產生相對大的力。優選地，槽和反應容器具有較小的直徑或寬度，這樣可以使用大的豎直形狀。槽和反應容器外壁的直徑或寬度為至少約O. 4mm至多至約4 5mm,並且反應容器內壁的直徑或寬度為至少約O. Imm至多至約3. 5 4. 5mm。包含光學檢測單元的對流PCR儀本發明的一個目的是提供「光學檢測」作為本文所述裝置實施方案的額外特徵。在PCR反應期間或之後快速準確地檢測聚合酶鏈式反應(PCR)的過程或結果很重要。通過提供同時擴增和檢測PCR反應的裝置和方法，光學檢測特徵對於這些需求可非常有用。
在一些典型的實施方案中，將可根據擴增的PCR產物量產生光學信號的可檢測探針引入樣品中，在不打開反應容器的情況下，在PCR反應期間或之後監控或檢測來自可檢測探針的光學信號。可檢測探針通常為可檢測的DNA結合劑，它根據與DNA分子的結合或不結合或者與PCR反應和/或PCR產物的相互作用來改變其光學性質。有用的可檢測探針的例子包括但不限於能結合雙鏈DNA的嵌入染料和多種具有可檢測標記的寡核苷酸探針。可以用於本發明的可檢測探針通常根據PCR擴增來改變其螢光性質，例如螢光強度、波長或偏振。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結合時產生增強或活化的螢光信號。因此，可以檢測來自這些嵌入染料的螢光信號，以監控PCR產物的擴增量。利用嵌入染料進行檢測對於雙鏈DNA序列是非特異性的。多種可以與本發明一起使用的寡核苷酸探針在本領域是已知的。這些寡核苷酸探針通常具有至少一種可檢測標記以及可以與擴增的PCR產物或模板特異性雜交的核酸序列。因此，能夠進行經擴增PCR產物的序列特異性檢測，包括等位基因的區分。寡核苷酸探針通常標記有相互反應的標記物對，例如兩種突光劑的對，或者一種突光劑與一種淬滅劑的對，兩個標記物之間的相互反應(例如「螢光共振能量轉移」和「無螢光能量轉移」)隨著它們之間距離的變短而增強。大多數寡核苷酸探針被設計成使這兩種相互反應的標記之間的距 離由其與靶DNA序列的結合(通常為較長距離)或未結合(通常為較短距離)來調控。這種依賴於雜交的距離調控導致螢光強度或螢光波長根據PCR產物的擴增量而改變(增加和減少)。在另一些類型的寡核苷酸探針中，探針被設計成在PCR反應的延伸步驟中進行特定的化學反應，例如螢光劑標記由於DNA聚合酶的5』 -3』核酸酶活性或者探針序列的延伸而水解。這種依賴於PCR反應的探針改變導致來自螢光劑的螢光信號被活化或增強，從而成為PCR產物量的改變的信號。多種合適的可檢測探針和用於檢測這些探針的設備在以下中描述美國專利 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以及非美國的對應申請和專利。本文所使用的詞組「光學檢測單元」(包括複數形式)是指用來檢測PCR擴增的設備，其適用於本文公開的一種或更多種PCR熱對流裝置和PCR方法。配置優選的光學檢測單元以檢測螢光信號，例如在PCR擴增反應進行時。通常，該設備提供信號的檢測，並且優選地提供其定量而無需打開可操作連接至裝置的至少一個反應容器。如期望，可以配置光學檢測單元和本發明的一種或更多種PCR熱對流儀來檢測反應容器中核酸的擴增量(例如，實時或定量PCR擴增)。通常用於本發明的光學檢測單元包含一個或更多個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，以檢測通常在約400nm至約750nm之間的可見區的螢光。優選的光學檢測單元位於反應容器的下方、上方和/或側面，以足以接收和輸出檢測反應容器內的PCR擴增的光。如果光學檢測單元能夠穩定、靈敏和快速地檢測本發明熱對流PCR裝置中進行的PCR擴增，那麼該光學檢測單元就適用於所述裝置。在一個實施方案中，熱對流PCR儀包含能夠檢測反應容器中樣品的光學性質的光學檢測單元。待檢測的光學性質優選為在一個或更多個波長(取決於所使用的可檢測探針)的螢光，但是有時候檢測樣品的吸光率也有用。當檢測來自樣品的螢光時，光學檢測單元用激發光照射樣品(或者一部分，或者整個樣品)並且檢測來自樣品的螢光信號。激發光的波長通常比螢光短。在檢測吸光率的情況下，光學檢測單元用光(通常以選定的波長或掃描波長)照射樣品，並且測量穿過樣品之前和之後的光強度。一般優選螢光檢測，這是因為其更靈敏並且對待檢測的目標分子特異。涉及以下圖和描述意在對包含用於螢光檢測之光學檢測單元的熱對流PCR儀提供更深理解。而不是意圖並且不應當理解為限制本發明的範圍。參見圖59A至B，該裝置實施方案的特徵為一個或更多個光學檢測單元600至603，其從反應容器90的底端92或者槽70的底端72可操作地檢測來自反應容器90中樣品的螢光信號。圖59A示出了一個實施方案，其中使用單個光學檢測單元600檢測來自多個反應容器90的螢光。在該實施方案中，產生寬的激發光束(以向上箭頭示出)以照射多個反應容器，並且檢測來自多個反應容器90的螢光信號(以向下箭頭示出)。在該實施方案中，用來檢測螢光的檢測器650(例如見圖62)優選具有成像能力，從而可以從螢光圖像 中區分來自不同反應容器的螢光信號。可替換地，可以整合入多個檢測器650，各檢測器用來檢測來自各自反應容器的螢光信號。在圖59B所示實施方案中，整合了多個光學檢測單元601至603。在該實施方案中，各光學檢測單元用激發光照射各自反應容器90中的樣品，並且檢測來自各樣品的螢光信號。該實施方案的優點在於更精確地控制各反應容器的激發譜，並且還同時且獨自地測量來自不同反應容器的不同螢光信號。這種實施方案的優點還在於構建出小型化的裝置，這是因為在單個光學檢測單元的實施方案中產生寬激發光束需要較大的光學元件和較大的光路徑，而該實施方案可以避免這些。再參見圖59A至B，在光學檢測單元600至603位於反應容器90的底端92時，第一熱源20包含用於每個槽70的光學埠 610，來向激發光或發射光到達反應容器70提供路徑。光學埠 610可以是通孔或者由光學透明或半透明材料製成(部分或整個)的光學元件，所述材料如玻璃、石英或具有這種光學性質的聚合物材料。如果光學埠 610被製成通孔，光學埠的直徑或寬度通常小於槽70的底端72或反應容器90的底端92的直徑或寬度。在圖59A至B所示的實施方案中，反應容器90的底端92也作為光學埠使用。因此，一般期望反應容器90的全部或者至少是底端92由光學透明或半透明材料製成。在圖60A至B中，該裝置實施方案的特徵為具有位於反應容器90的頂端91上方的單個光學檢測單元600 (圖60A)或多個光學檢測單元601至603 (圖60B)。另外，當整合入單個光學檢測單元600時(圖60A)，產生寬的激發光束(以向下箭頭示出)以照射所述多個反應容器，並且檢測來自多個反應容器90的螢光信號(以向上箭頭示出)。在整合入多個光學檢測單元601至603時(圖60B)，各光學檢測單元用激發光照射各自的反應容器90中的樣品，並且檢測來自各自樣品的螢光信號。在圖60A至B所示實施方案中，通常將適合反應容器90頂端(開口)91的反應容器蓋(未示出)的中心部分作為激發和發射光的光學埠。因此，反應容器蓋的全部或者至少中心部分由光學透明或半透明材料製成。圖61示出了裝置實施方案，其特徵為位於反應容器90側面的光學檢測單元600。在該特定實施方案中，光學埠 610形成在第二熱源30的側面(以灰色矩形盒標示)和第一絕熱體50的側面(以虛線標示)。可替換地，光學埠 610可以形成在第一熱源20和第二熱源30，以及第一絕熱體50中的任意一個或更多個的側面，這取決由特定應用目的所需要的螢光檢測的位置。在該實施方案中，沿光路徑的反應容器90的側面部分和第一室100的部分也作為光學埠，因此反應容器90和第一室100的全部或至少部分由光學透明或半透明材料製成。當光學檢測單元600位於反應容器90的側面時，槽90通常形成線形或圓形布置的一個或兩個排列。槽70的這種布置使得能夠檢測來自每個槽70或反應容器90的螢光信號，而不受其它槽的幹擾。在以上所述的實施方案中，激發和螢光檢測均在相對於反應容器90的同側進行，因此激發部件和螢光檢測部件二者位於同側，通常位於光學檢測單元600至603的同一區間內。例如，在圖59A至B所示的實施方案中，包含這兩種部件的光學檢測單元600至603位於反應容器90的底端92。類似地，在圖60A至B所示的實施方案中，整個光學檢測單元位於反應容器90的頂端91的上方，而在圖61所示的實施方案中，位於反應容器90的側面部分。可替換地，可以調整光學檢測單元600至603以使激發光部件和螢光檢測部件分開定位。例如，激發部件位於反應容器90的底部(或頂部)，而螢光檢測部件位於反應容器90的頂部(底部)或者側面部分。在另一些實施方案中，激發部件可位於反應容器90的一 側(例如左側)，而螢光檢測部件可位於另一側(例如，頂側、底側、右側、前側或後側；或者除了激發一側外的側面部分)。光學檢測單元600至603通常包含激發部件(產生具有選定波長的激發光)和螢光檢測部件(檢測來自反應容器90的樣品的螢光信號)。激發部件通常包含光源、波長選擇元件和/或光束成形元件的組合。光源的實例包括但不限於弧光燈(例如汞弧燈、氙弧燈和金屬-滷化物弧燈)、雷射和發光二級管(LED)。弧光燈通常產生多波段或寬波段的光，而雷射和LED通常產生單色光或窄波段的光。波長選擇元件用於從光源產生的光中選擇激發光波長。波長選擇元件的實例包括與裂縫或孔(用於選擇波長)組合的光柵或稜鏡(用於分散光)，以及濾光器(用於傳播選定的波長)。一般優選濾光器，因為它可以以小的尺寸有效地選擇特定波長，並且相對便宜。優選的濾光器為具有薄膜塗層的幹擾濾光器，其可以傳播特定波段的光(帶通濾光器)或者波長比特定截斷值(cut-on value)波長更長(長通濾光器)或更短(短通濾光器)的光。聲光濾波器和液晶可調濾波器可以是極好的波長選擇元件，這是因為儘管相對昂貴，但這些濾波器種類可以以小的尺寸快速精確地通過電子控制改變傳播波長。也可以用有色濾光玻璃作為波長選擇元件，以作為其它種類的波長選擇元件的便宜代替物或與它們組合，從而增強對不期望的光(例如，IR、UV或其它散射光)的排除。濾光器的選擇取決於光源產生的光的性質和激發光的波長，以及裝置的其它幾何學需求，例如尺寸。使用光學成形元件來使發射光束成形並且對其進行引導。光束成形元件可以是透鏡(凸或凹)、鏡子(凸、凹或橢圓)和稜鏡中的任一種或它們的組合。螢光檢測部件通常包含檢測器、波長選擇元件和/或光束成形元件的組合。檢測器的實例包括但不限於光電倍增管(PMT)、光電二極體、電荷耦合器件(charge-coupleddevice,CCD)和攝影機。光電倍增管通常最為靈敏。因此，在螢光信號非常弱使得靈敏性成為關鍵因素時，光電倍增管可以是適當的選擇。但是，如果需要小尺寸和成像能力，光電倍增管就不合適(因為其尺寸大)。用例如微槽板增強的CCD、矽光電二極體和攝影機可具有類似於光電倍增管的靈敏度。如果不需要對螢光信號進行成像但小型化很重要(例如在各反應容器都具有光學檢測單元的實施方案中)，具有或不具有增強器的光電二極體或CCD是好的選擇，因為這些元件小且相對便宜。如果需要成像(例如在針對多個反應容器具有單個光學檢測元件的實施方案中)，可以整合入CCD列陣、光電二極體陣列或攝影機(同樣具有或不具有增強器)。與激發部件類似，使用波長選擇元件從由樣品收集的光中選擇發射波長，而使用光束成形元件來成形並引導發射光，從而進行有效檢測。波長選擇元件和光束成形元件的實例與對激發部件描述 的例子相同。除了上述的光學元件外，光學檢測單元可以包含分束器。在激發部件和螢光檢測部件相對於反應容器90位於同側時,分束器尤其有用。在這樣的實施方案中，激發和發射光束的路徑(沿相反方向)彼此與對方一致，因此有必要利用分束器分開光束路徑。通常有用的分束器為二色分束器或二色鏡，其具有類似於薄膜濾光器的薄膜幹擾塗層。通常分束器反射激發光並且傳播螢光(長通類型)，反之亦然(短通類型)。現在參見圖62至63、64A至B和65，它們描述了光學檢測單元600的結構的一些設計實例。在圖62中，不出了光學檢測單兀600的一個實施方案。在該實施方案中，激發光光學兀件(620、630和640)沿相對於槽軸80呈直角的方向定位,而突光檢測光學兀件(650、655、660和670)沿槽軸80定位。傳播螢光發射並且反射激發光(即，長通類型)的二色分束器680定位在中間周圍。通常，由光源620產生的光通過激發透鏡630收集，並且用激發濾光器640過濾以選擇具有期望波長的激發光。之後選定的激發光被二色分束器反射並且照射到樣品上。來自樣品的螢光發射在經過二色分束器680和發射濾光器670後由發射光透鏡660收集，以選擇具有期望波長的發射光。之後將由此收集的螢光聚焦在光圈或狹縫655上或檢測器650上，以測量螢光信號。光圈或狹縫655的功能是發射的「空間過濾」。通常，螢光聚焦在光圈或狹縫655上或其附近，因此來自樣品的特定(豎直)位置的螢光圖像形成在光圈或狹縫655上。這種光學布置能夠有效收集來自樣品內某些限定位置(例如，退火、延伸或變性區域)的螢光信號，同時不接收來自其它位置的光。根據所使用的可檢測探針的類型任選地使用光圈或狹縫655。如果螢光信號由樣品內特定區域所產生，優選使用一個或更多個光圈或狹縫655。如果螢光信號由樣品內(無論位置為何)產生，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口的光圈或狹縫。如圖63的實施方案所示，可以調整光學檢測單元600以使其沿槽軸80定位激發光學元件(620、630、640)並且沿與槽軸80呈直角的方向定位螢光檢測光學元件出50、655、660和670)。對該類實施方案有用的二色分束器680為短通類型，其傳播激發光並且反射發射光。圖62至63所示實施方案中使用的激發透鏡630可以用多於一個透鏡的組合或者透鏡和鏡子的組合代替。在使用這種光學元件的組合時，為了有效收集激發光，第一透鏡(通常為凸透鏡)優選靠近光源並且在光源前布置。為了進一步增加激發光的收集效率，可以將鏡子(通常為凹的或橢圓的)置於光源的後側。在需要使激發光束很大時(例如在具有用於照射多個反應容器90的單個光學檢測單元600的實施方案中)，可以額外使用凹透鏡或凸的鏡子以擴大激發光束。在一些實施方案中，可以將一個或更多個光學元件(例如一個或更多個透鏡或鏡子)置於其他位置，例如在反應容器90與二色分束器680或激發濾光器640之間。在另一方面中，激發光通常定型為基本共線的光束，以照射更大體積的樣品。在一些特定的應用中，例如在使用多光子激發方案時，可以將激發光緊密聚焦在樣品內的特定區域。在圖62至63所示實施方案中使用的發射透鏡660也可以用多於一個透鏡或透鏡與鏡子的組合代替。在使用這種光學元件的組合時，為了更加有效地收集螢光，第一透鏡(通常為凸透鏡)優選位於反應容器90的附近(例如，在反應容器90與二色分束器680或發射濾光器670之間)。在一些實施方案中,可以將一個或更多個光學兀件(例如，透鏡或鏡子)置於其他位置，例如，在反應容器90與二色分束器680或發射濾光器670之間。圖64A至B示出了一些實施方案，其中使用一個透鏡635為激發光束和發射光束二者定形。不出了布置激發光學兀件(620和640)和突光檢測光學兀件(650、655和670)的兩個實例。激發光學元件￠20和640)在圖64A中沿著與槽軸80呈直角的方向布置，而在圖64B中沿著槽軸80布置。在使光學檢測單元600小型化時使用單個透鏡的這種類型的實施方案很有用，例如在圖59B、60B和61中所示整合入多個光學檢測單元的實施方案。圖65示出了一個裝置實施方案，其中光學檢測單元600位於反應容器90的頂側。所示的光學元件的布置和圖62所示的實施方案相同。也可以整合入其它類型的光學布置(例如，圖63和64A至B所示)。當光學檢測單元600 (或者激發或者螢光檢測部件)位於反應容器90的頂側時，反應容器蓋690的中心部分作為光學埠 610。因此，如所討論的，在這種實施方案中反應容器蓋690或者至少其中央部分優選由光學透明或半透明材料製成。再參見圖65，為了避免PCR反應期間樣品的蒸發損失，反應容器90和反應容器蓋690通常彼此具有緊密閉合的關係。在圖65所示的反應容器實施方案中，緊密閉合關係製作在反應容器90的內壁和反應容器蓋690的外壁之間。可替換地，可以將緊密閉合關係製作在反應容器90的外壁和反應容器蓋690的內壁之間，或者在反應容器90的上表面和反應容器蓋690的下表面之間。在一些實施方案中，反應容器蓋690可以是光學透明或半透明的薄膜粘性帶。在這些實施方案中，緊密閉合關係製作在反應容器90的上表面和反應容器蓋690的下表面之間。上述的反應容器實施方案對於本發明的所有用途不一定是最優的。例如，如圖65所示，通常在樣品和反應容器蓋690 (或反應容器蓋690的光學埠部分)之間形成樣品彎液面(即，水一空氣界面)。在運行時，由於PCR反應涉及高溫過程，樣品中的水蒸發並且凝結在反應容器蓋690 (或反應容器蓋690的光學埠部分)的內表面。對於一些應用，這樣凝結的水可稍微幹擾激發光束和螢光束，尤其是在光學檢測單元位於反應容器90上側時。圖66A至B所示的反應容器實施方案提供了另一個方法。如所示，反應容器90和反應容器蓋690被設計成具有接觸樣品的光學埠 695。形成的樣品彎液面比光學埠 695的下表面696更高或大約在同一高度。與上述的通常反應容器實施方案不同，激發光束和螢光束直接從光學埠 695傳播到樣品(或反之亦然)，而不經過反應容器90內的空氣或任何凝結水。以下是對這種實施方案的結構需求首先，如圖66A至B所示，反應容器蓋690和反應容器90的上部以及光學埠 695具有緊密閉合關係。如所討論的，反應容器90和反應容器蓋690之間的緊密閉合可以製作在反應容器的內壁(如圖66A至B)或反應容器90的外壁或頂端91。反應容器蓋690和光學埠 695之間的緊密閉合可以製作在光學埠 695的上表面697 (圖66A)或側壁699 (圖66B)。可替換地，可以將反應容器蓋690和光學埠 695製成一體，優選使用相同或類似的光學透明或半透明材料。此外,將光學埠 695的直徑或寬度(如果反應容器蓋690的壁所處高度與光學埠 695的下表面696接近或相同，則還有反應容器蓋690的壁的直徑或寬度)製成小於與光學埠 695之下表面696接近或處於同一高度的反應容器90部分的內壁的直徑或寬度。此外，光學埠 695的下表面696布置得比反應容器蓋690內部的下部更低，或大體在同一高度。當滿足這些結構需要時，就會在反應容器90的內壁和光學埠 595的側面部分之間提供開放空間698。因此，在用反應容器蓋690密封反應容器90時，樣品可以填充開放空間的一部分以在光學埠 695的底部696之上形成樣品彎液面，從而使光學埠的底部與樣品接觸。在圖67中，示出了上面所討論的光學無幹擾反應容器的使用。如所討論的，光學埠 695的底部696接觸樣品，並且樣品彎液面在光學埠 695的底部696的上方形成。使用位於反應容器90的頂端91上的光學檢測單元600，激發光束和螢光束直接從光學埠 695傳播到樣品(或反之亦然)，而無需經過反應容器90中的空氣或任何凝結水。這種光學結構可以極大地提高本發明的光學檢測特徵。為了更加全面地理解本發明，給出以下實施例僅作說明目的。除非另外特別說明，這些實施例的目的不在於以任何方式限制本發明的範圍。
實施例材料和方法使用購自Takara Bio (日本)、Finnzymes (芬蘭)和 Kapa Biosystems (南非)的三種不同DNA聚合酶來測試多種本發明裝置的PCR擴增性能。使用包含多種插入序列的質粒DNA、人類基因組DNA和cDNA作為模板DNA。質粒DNA通過將不同大小的插入序列克隆至IJpcDNA3. I載體中來製備。人類基因組DNA由人胚胎腎細胞(293，ATCC CRL-1573)製備。cDNA通過提取自HOS或SV-0V-3細胞的mRNA的逆轉錄來製備。PCR混合物的組分如下根據實驗的不同量的模板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,使用由各製造商提供的緩衝溶液混合成20 μ L的總體積。反應容器由聚丙烯製作，並且具有圖40Α所示的結構特徵。反應容器具有逐漸變細的圓柱形狀，其底端封閉，並且包含適合反應容器頂端內徑的蓋，從而在引入PCR混合物後密封反應容器。反應容器從頂端到底端逐漸變細(線性地)，從而上部具有較大的直徑。圖40Α所示的錐度角為約4°。為了促進來自第一熱源中的接收孔的熱傳遞，將反應容器的底端製成平的。反應容器從頂端到底端的長度為約22mm至約24mm,底端的外徑為約I. 5mm,底端的內徑為約1mm，壁厚為約O. 25mm至約O. 3mm。各反應所使用的PCR混合物的體積為20 μ L。20 μ L體積的PCR混合物在反應容器內約有12至13mm高。在以下實施例中使用的所有裝置都用DC電源運行。使用可充電的Li+聚合物電池(12. 6V)或DC電源運行裝置。在實施例中使用的裝置具有12 (3 X 4)、24 (4X 6)或48 (6 X 8)個槽，這些槽以圖30所示的多排和多列以陣列形式排列。將相鄰槽之間的間距製成9mm。在實驗中，在裝置的三個熱源加熱到期望溫度後，將包含PCR混合物樣品的反應容器引入槽中。在經過期望的PCR反應時間後，從裝置中取出PCR混合物樣品，並且用瓊脂糖凝膠電泳進行分析，使用溴化乙錠(EtBr)作為螢光染料使擴增的DNA帶可視化。實施例I.利用圖5A的裝置進行熱對流PCR在該實施例中使用的裝置具有圖5A所示結構，其包含槽70、第一室100、接收孔73、通孔71、第二熱源30的第一突出部33、第一熱源20的第一突出部23。第一和第二熱源沿槽軸80的長度分別為約4mm和約9. 5mm。第一絕熱體(或第一絕熱間隙)沿著槽軸80在槽區域附近(S卩，在突出部區域內)的長度為約I. 5mm。第一絕熱體沿槽軸80在槽區域外(即，在突出部區域外)的長度分別為約9. 5mm至約8mm(取決於位置)。第一室100位於第二熱源30的下部並且為圓柱形狀，其沿槽軸80的長為約6. 5mm並且直徑為約4mm。儘管接收孔73沿槽軸80的深度為約I. 5mm至約3mm不等，但在該實施例所示的數據為約2.5_。在該裝置中，槽70由第二熱源30中的通孔71所限定。槽70具有逐漸變細的圓柱形狀。槽的平均直徑為約2mm，其中底端的直徑(在接收孔中)為約I. 5mm。在該裝置中， 所有的溫度成形元件相對於槽軸對稱布置的包括第一室、接收孔、第一絕熱體以及突出部。如下面將提出的，發現在沒有重力傾斜角度的情況下，該實施例中使用的具有圖5A所示結構的裝置在約25分鐘內足以有效地從IOng人類基因組樣品(約3，000個拷貝)進行擴增。對於Ing的質粒樣本，在短至約6或8分鐘的時間內，PCR擴增生成可檢測的擴增產物。因此，這是不使用重力傾斜角度也可以提供有效的PCR擴增的對稱加熱結構的良好證明實例。如將在實施例2中提出的，在引入重力傾斜角度時，這種結構也能更好地(即更快且更有效地)工作。但是，對於大多數應用，小的傾斜角度(約10°至20°或更小)可以是足夠的。I. I從質粒樣品中講行PCR擴增圖42A至C示出了使用上述三種不同的DNA聚合酶(分別購自Takara Bio、Finnzymes和Kapa Biosystems)從Ing質粒DNA模板進行PCR擴增的結果。預計擴增子的大小為349bp。所使用的正向引物和反向弓I物分別為5』 -GGGAGACCCAAGCTGGCTAGC-3』 (SEQID NO 1)和 5』-CACAGTCGAGGCTGATCAGCGG-3』 (SEQ ID NO :2)。在圖 42A 至 C 中，最左側的泳道是 DNA 大小標準(2_Log DNA Ladder (O. I 至 10. Okb)購自 New England BioLabs),泳道I至4是使用熱對流PCR裝置分別用10分鐘、15分鐘、20分鐘和25分鐘的PCR反應時間(如在各圖像底部所示)所得到的結果。本發明裝置的第一和第二熱源的溫度分別設定為98°C和62°C。接收孔沿著槽軸的深度為約2. 5mm。如圖42A至C所示，熱對流裝置在非常短的反應時間內產生了預計大小的擴增產物。PCR擴增在約10分鐘達到了可檢測水平，並在約20或25分鐘內變為飽和。如所示出的，發現在熱對流PCR儀中使用三種DNA聚合酶幾乎等效。還利用Biometra的Tl Biometra Thermocycler對含有相同量質粒模板的相同PCR混合物進行了對照試驗(數據未示出)。對照試驗產生了預期大小的產物條帶，其強度與利用本發明裝置在約20或25分鐘PCR反應時間觀察到的強度接近。但是，對照試驗用了 3至4倍的時間來完成PCR反應(約I小時30分，包括5分鐘預熱和10分鐘最終延伸)。圖43示出使用可產生936bp擴增子的質粒模板進行熱對流PCR所獲得的另一結果。所用模板的量為lng。所使用的正向引物和反向引物分別如SEQ ID NO :1和SEQ IDNO :2所示。分別將第一和第二熱源的溫度設定為98°C和62°C。接收孔沿槽軸的深度為約2.5mm。如所示，在非常短的反應時間內(約20至25分鐘)成功地擴增了甚至更長的擴增子(約Ikb)，這證明本發明裝置的寬動態範圍。I. 2升高的變性溫度加速PCR擴增圖44A至D所示的結果證明升高的變性溫度加速熱對流PCR。所使用的模板為可以產生349bp擴增子的Ing質粒。除了變性溫度外，使用的全部其它實驗條件(包括模板和引物)均與圖42A至C和43所示實驗的條件相同。將第二熱源的溫度分別設定為62°C，而第一熱源的溫度從98°C (圖44A)增加至100°C (圖44B)、102°C (圖44C)和104°C (圖44D)。如所示，變性溫度(即，第一熱源的溫度)的增加導致PCR擴增的加速。當變性溫度為98°C時(圖44A)，10分鐘的反應時間內幾乎不能觀察到349bp的產物。但是，當變性溫 度增加至100°C時(圖44B)，產物條帶甚至在8分鐘的反應時間就變得更強。當變性溫度進一步增加至102°C (圖44C)和104°C時(圖44D)時，產物條帶甚至在短至6分鐘的反應時間內就能觀察到。I. 3從人類基因組進行PCR擴增圖45A至B示出從人類基因組樣品中進行熱對流PCR擴增的兩個實施例。接收孔沿著槽軸的深度為約2. 5_。圖45A示出了 GAPDH基因的479bp片段的擴增結果。該實驗所使用的正向引物和反向引物分別為5』 -GGTGGGCTTGCCCTGTCCAGTTAA-3』 (SEQ ID NO:
3)和5』-CCTGGTGACCAGGCGCC-3』 (SEQ ID NO :4)。在該實驗中，第一熱源和第二熱源的溫度分別設為98°C和62°C。圖45A示出了 β -珠蛋白基因的363bp片段的擴增結果。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 :5)和5』-AGGGCAGAGCCATCTATTG-3』(SEQ ID NO :6)。在該實驗中，第一熱源和第二熱源的溫度分別改為98°C和54°C，以匹配所使用引物的較低退火溫度如圖45A至B所示，熱對流PCR在非常短的反應時間從大約3，000個拷貝的人類基因組樣品產生正確大小的擴增子。PCR擴增在約25或30分鐘完成。這些結果證明了熱對流PCR從低拷貝數樣品快速且非常有效地進行擴增。I. 4從非常低拷貝的人類基因組樣品講行PCR擴增圖46示出了使用本發明裝置從非常低拷貝數的樣品進行PCR擴增。所使用的模板樣品為從293細胞提取的人類基因組DNA。該實驗所使用的正向引物和反應因為分別為5』 -ACAGGAAGTCCCTTGCCATCCTAAAAGC-3』 (SEQ ID NO 7)和 5』 -CCAAAAGCCTTCATACATCTCAAGTTGGGGG-3』 (SEQ ID NO :8)。第一熱源和第二熱源的溫度分別設為98°C和62°C。接收孔沿著槽軸的深度為約2. 5mm。靶序列為β -肌動蛋白的241bp片段。PCR反應時間為25分鐘。如在圖46的底部所示出的，各反應所使用的人類基因組樣品的量依次降低，從IOng(約3，000個拷貝)開始到Ing(約300個拷貝)、0· 3ng(約100個拷貝)和O. Ing(約30個拷貝)。如所表明的，熱對流PCR成功地從少至30個拷貝的樣品產生了 PCR擴增(觀察到如所示的弱條帶)。I. 5本發明裝置的溫度穩定件和功率消耗測試了具有圖5A所示結構的本發明裝置的溫度穩定性和功率消耗。本實驗所用裝置具有如圖30和33所示的彼此間隔9mm布置的12個槽(3X4)。第一和第二熱源分別裝配有圖33所示的位於槽之間的NiCr加熱絲(160a至b)。所述裝置還包含在第二熱源上方的風扇，在需要的時候提供對第二熱源的冷卻。將來自可充電Li+聚合物電池(12. 6V)的DC電源提供給各加熱絲，並且由PID (proportional-integral-derivative,比例-積分-微分)控制算法進行控制，從而使兩個熱源各自的溫度維持在預設的目標值。圖47示出了當目標溫度分別設定為98°C和64°C時，第一和第二熱源的溫度變化。環境溫度為約25°C。如所示，兩個熱源在少於約2分鐘的時間內達到目標溫度。在達到目標溫度後的約40分鐘的時間段內，兩個熱源的溫度穩定並且精確的維持在目標溫度。在40分鐘的時間段中，各熱源的平均溫度相對於各自目標溫度在約±0.05°C內。溫度波動同樣非常小，即，各熱源的溫度的標準偏差在約±0. 06°C內。圖48示出了具有12個槽的本發明裝置的功率消耗。如所示，功率消耗在起始時期(即，多至約2分鐘)高，在該時期發生了向目標溫度的快速加熱。在兩個熱源達到目標溫度後(即，約2分鐘後)，功率消耗降低至較低值。約2分鐘後觀察到的大波動是主動控制各熱源的能源供給的結果。因為這種主動的功率控制，兩個熱源的溫度可以如圖47所示穩定和精確地維持在目標溫度。如圖48所表示，在溫度維持區域(即，約2分鐘後)平均 功率消耗為約4. 6W。因此，每個槽或每個反應的功率消耗少於約O. 4W。因為約25分鐘至30分鐘或更少的時間足夠本發明裝置進行PCR擴增，所以完成一個PCR反應的能量消耗僅為約600J至700J或更少，相當於將約2mL的水從室溫加熱到約100°C—次所需要的能量。還測試了具有24個和48個槽的本發明裝置(數據未顯示)。24個槽的裝置平均功率消耗為約6至8W，48個槽的裝置為約9至12W。因此，發現對於較大裝置每個PCR反應的功率消耗甚至更低，即24個槽的裝置為約O. 3W，而48個槽的裝置為約O. 2W。實施例2.使用圖IIA的裝置的熱對流PCR在該實施例中，檢查了重力傾斜角度98對熱對流PCR的影響。在該實施例中使用的裝置具有與實施例I所用裝置相同的結構和尺寸，只是整合入了圖IlA所示的重力傾斜角度eg。該裝置在底部裝配有傾斜的楔形物，從而使槽軸相對於重力方向傾斜0g。如以下示出的，引入重力傾斜角造成更快的熱對流，因而加速了熱對流PCR。因此確認可以向裝置或槽施加重力傾斜角度的結構元件(例如楔形物或腿)或者傾斜的槽在構建有效且快速的熱對流PCR裝置中是有用的結構元件。2. I從質粒樣品講行PCR擴增圖49A至E示出了作為重力傾斜角度的函數的從質粒樣品進行擴增的熱對流PCR的結果。第一和第二熱源的溫度分別設置為98°C和64°C。接收孔沿槽軸的深度為約2. 5mm。各反應所用質粒模板的量為lng。所使用的引物的序列如SEQ ID NO :1和SEQ ID NO 2所示。擴增子的預期大小為349bp。圖49A示出了在零重力傾斜角度時獲得的結果。圖49B至E分別示出了在0g等於10°、20°、30°和45°時所獲得的結果。零重力傾斜角度時(圖49A)，擴增產物在15分鐘的反應時間時幾乎不能被看到，在20分鐘時變強。相比之下，當引入10°的重力傾斜角度時(圖49B)，在15分鐘的反應時間時觀察到擴增產物有明顯的強度。隨著傾斜角增加到20° (圖49C)，產物條帶的強度在15分鐘的反應時間時進一步增加並且明顯的是在短時間內(即10分鐘)出現弱的產物條帶。傾斜角度大於20°時(圖49D至E)，觀察到的擴增速度接近於在20°時觀察到的速度(即僅稍升高)。圖50A-E示出了來自質粒樣品的約Ikbp擴增子的擴增的另一實施例。包括所使用的引物在內的所有實驗條件(除模板質粒)都與圖49A-E所示實驗相同。擴增子的預期大小為936bp。圖50A示出了在零重力傾斜角時得到的結果。圖50B-E示出了在Θ g分別等於10°、20°、30°和45°時得到的結果。在零重力傾斜角時(圖50A)，在20分鐘反應時間觀察到弱產物帶。相比之下，當引入10°重力傾斜角時(圖50B)，在15分鐘反應時間能夠觀察到擴增產物。當重力傾斜角增加至20°時(圖50C)，觀察到在15分鐘反應時間產物帶進一步增強以及在較短時間(即10分鐘)出現非常弱的產物帶。重力傾斜角大於20°時(圖50D-E)，相比於20°的重力傾斜角，觀察到擴增速度僅稍微增加。發現在該實施例中觀察到的重力傾斜角對較長擴增子的影響與在圖49A-E所示觀察到的對較短擴增子的結果類似。2. 2從不同質粒樣品講行PCR擴增圖51示出了當引入10°重力傾斜角時，從擴增子大小為約150bp至約2kbp的不同質粒模板得到的熱對流PCR擴增結果。第一熱源和第二熱源的溫度分別設為98°C和64°C。接收孔沿著槽軸的深度為約2. 5mm。各反應所使用的模板質粒的量均為lng。所使用的正向引物和反向引物分別具有由SEQ ID NO :1和SEQ ID NO :2給出的序列。擴增子的預期大小為泳道I為153bp、泳道2為349bp、泳道3為577bp、泳道4為709bp、泳道5為936bp、泳道6為1，584bp和泳道7為1，942bp。PCR反應時間為泳道1-6為25分鐘、泳道 7為30分鐘。如圖所示，在短的反應時間中，所有擴增子都觀察到了幾乎飽和的擴增帶。該結果表明熱對流PCR不僅快速有效，而且具有寬的動態範圍。2. 3從人類基因組樣品進行PCR擴增圖52A-E所示實施例表明了重力傾斜角對從人類基因組樣品進行的擴增的影響。在該實驗中，使用IOng人類基因組樣品(約3，000拷貝)作為模板DNA。在該實驗中所使用的正向引物和反向引物分別為 5』-GCTTCTAGGCGGACTATGACTTAGTTGCG-3』 (SEQ ID NO 9)和 5』-CCAAAAGCCTTCATACATCTCAAGTTGGGGG-3』 (SEQ ID NO :8)。目標是 β-肌動蛋白基因的521bp片段。其他實驗條件都與以上圖49A-E和50A-E所示實驗的條件相同。圖52A-E示出了 98分別等於0°、10°、20°、30°和45°時得到的結果。如圖52A所示，當不使用重力傾斜角時，甚至在30分鐘的反應時間後也不能觀察到產物帶。相反，當引入重力傾斜角後(圖52B-E)，可以在短至20分鐘觀察到產物帶。觀察到與零傾斜角相比的PCR擴增速度的增加在所測試的不同重力傾斜角(即，約10°至45° )下類似。觀察到大於10°後PCR速度僅稍微增加。2.4.從人類基因組的多種目標基因進行PCR擴增圖53A-B示出了當引入約10°重力傾斜角後從人類基因組樣品進行熱對流PCR的另一些實施例。在這些實施例中，使用IOng人類基因組(約3，000拷貝)作為模板DNA，並且使用與在其他實施例中所使用的引物相比解鏈溫度相對較低(約54°C)的引物。第一熱源和第二熱源的溫度分別設為98°C和54°C。接收孔沿著槽軸的深度為約2. 5mm。圖53A示出了 β_珠蛋白基因的200bp片段的擴增結果。所使用的正向引物和反向引物分別具有5』-CCCATCACTTTGGCAAAGAATTCA-3』 (SEQ ID NO 10)和 5』-GAATCCAGATGCTCAAGGCC-3』 (SEQID N0:11)給出的序列。圖53B示出了 β -肌動蛋白基因的514bp片段的擴增結果。所使用的正向引物和反向引物分別具有5-TTCTAGGCGGACTATGACTTAGTTGCG-3』 (SEQ ID NO 12)和 5-AGCCTTCATACATCTCAAGTTGGGGG-3』 (SEQ ID NO 13)給出的序列。如圖 53A-B 所示，熱對流PCR對兩種基因的擴增都非常迅速，在短至20分鐘時間呈現明顯的產物帶強度。在β-肌動蛋白序列的情況下，甚至在15分鐘的反應時間就能觀察到弱的產物帶。圖54示出了當引入約10°重力傾斜角後從IOng人類基因組或cDNA樣品進行熱對流PCR的另一些實施例。第一熱源和第二熱源的溫度分別設為98°C和64°C。接收孔沿著槽軸的深度為約2. 5mm。PCR反應時間為泳道10、11和13為25分鐘，其他泳道為30分鐘。如圖所示，全部14種大小為約IOObp至約500bp的基因片段在25或30分鐘的反應時間中成功進行了擴增。目標基因和對應的引物序列概括在下表2中。所使用的模板為泳道2、4至7和10至14為人類基因組DNA(IOng)，泳道1、3、8和9為cDNA(lOng)。cDNA模板由提取自HOS (泳道I和8)或SK-0V-3 (泳道3和9)細胞的mRNA的逆轉錄製備。表2.圖54的實驗中所使用的引物序列和目標基因
權利要求
1.一種適於進行熱對流PCR的裝置，其包含 (a)用於對槽進行加熱或冷卻並且包含上表面和下表面的第一熱源，所述槽適於容納進行PCR的反應容器， (b)用於對所述槽進行加熱或冷卻並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，其中所述槽由接觸所述第一熱源的底端和與所述第二熱源的上表面鄰接的通孔限定，並且其中所述底端與所述通孔之間的中心點形成槽軸，圍繞其布置所述槽， (C)至少一個溫度成形元件，如位於所述槽周圍並且在所述第二或第一熱源之至少一部分中的室，所述室包含所述第二或第一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一熱源與所述槽之間的熱傳遞；以及 (d)所述第一熱源內適於容納所述槽的接收孔。
2.權利要求I所述的裝置，其中所述裝置包含位於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.權利要求I至2中任一項所述的裝置，其中所述裝置包含第一室，其完全位於所述第二熱源內並且包含沿所述槽軸朝向第一室底端的第一室頂端。
4.權利要求3所述的裝置，其中所述裝置還包含位於所述第二熱源內的第二室。
5.權利要求4所述的裝置，其中所述裝置還包含位於所述第二熱源內的第三室。
6.權利要求I至2中任一項所述的裝置，其中所述第一室位於所述第一熱源內並且包含沿所述槽軸朝向第一室底端的第一室頂端。
7.權利要求6所述的裝置，其中所述裝置還包含位於所述第二熱源內的第二室。
8.權利要求7所述的裝置，其中所述裝置還包含位於所述第二熱源內的第三室。
9.權利要求3至8中任一項所述的裝置，其中所述室還包含至少一個圍繞所述槽軸布置的室壁。
10.權利要求9所述的裝置，其中所述室進一步由所述槽沿所述槽軸限定。
11.權利要求9所述的裝置，其中所述室壁布置成基本平行於所述槽軸。
12.權利要求9至11中任一項所述的裝置，其中所述第一室頂端和所述第一室底端各自基本垂直於所述槽軸。
13.權利要求2至12中任一項所述的裝置，其中所述第一絕熱體包含固體或氣體。
14.權利要求3至12中任一項所述的裝置，其中至少一個室包含固體或氣體。
15.權利要求14所述的裝置，其中所述第一絕熱體包含固體或氣體。
16.權利要求13至15中任一項所述的裝置，其中所述氣體是空氣。
17.權利要求I至16中任一項所述的裝置，其中所述槽進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。
18.權利要求17所述的裝置，其中所述槽進一步由沿基本垂直於所述槽軸的第一方向的第一寬度(wl)限定。
19.權利要求18所述的裝置，其中所述槽進一步由基本垂直於所述第一方向和所述槽軸的第二寬度(w2)限定。
20.權利要求18至19中任一項所述的裝置，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。
21.權利要求20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(Θ)限定。
22.權利要求18至19中任一項所述的裝置，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。
23.權利要求17至22中任一項所述的裝置，其中所述槽的底端是圓的、平的或彎曲的。
24.權利要求17至23中任一項所述的裝置，其中所述高度(h)至少為約5mm至約25mm0
25.權利要求17至24中任一項所述的裝置，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_。
26.權利要求17至25中任一項所述的裝置，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寬比為約4至約15。
27.權利要求17至26中任一項所述的裝置，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寬比為約I至約4。
28.權利要求I至27中任一項所述的裝置，其中所述槽的至少一部分沿基本垂直於所述槽軸的平面具有水平形狀。
29.權利要求28所述的裝置，其中所述水平形狀具有至少一個鏡像或旋轉對稱元素。
30.權利要求29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。
31.權利要求28至30中任一項所述的裝置，其中垂直於所述槽軸的所述平面在所述第一或第二熱源內。
32.權利要求3至31中任一項所述的裝置，其中所述室的至少一部分沿基本垂直於所述槽軸的平面具有水平形狀。
33.權利要求32所述的裝置，其中所述水平形狀具有至少一個鏡像或旋轉對稱元素。
34.權利要求33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。
35.權利要求32至34中任一項所述的裝置，其中垂直於所述槽軸的所述平面在所述第二或第一熱源內。
36.權利要求3至35中任一項所述的裝置，其中所述室沿垂直於所述槽軸的平面圍繞所述槽基本對稱地布置。
37.權利要求3至35中任一項所述的裝置，其中所述室的至少一部分沿垂直於所述槽軸的平面圍繞所述槽不對稱布置。
38.權利要求36至37中任一項所述的裝置，其中所述槽的至少一部分沿垂直於所述槽軸的平面位於所述室內。
39.權利要求38所述的裝置，其中所述槽的至少一部分沿垂直於所述槽軸的平面與所述室壁接觸。
40.權利要求37所述的裝置，其中所述槽的至少一部分沿垂直於所述槽軸的平面位於所述室外並且與所述第二或第一熱源接觸。
41.權利要求36至40中任一項所述的裝置，其中所述垂直於所述槽軸的平面與所述第二或第一熱源接觸。
42.權利要求36至41中任一項所述的裝置，其中所述室的至少一部分沿所述槽軸呈錐形。
43.權利要求42所述的裝置，其中所述室的至少一部分位於所述第二熱源內，並且其垂直於所述槽軸的寬度(《)在接近所述第一熱源處更大。
44.權利要求42所述的裝置，其中所述室的至少一部分位於所述第二熱源內，並且其垂直於所述槽軸的寬度(《)在接近所述第一熱源處更小。
45.權利要求36至41中任一項所述的裝置，其中所述裝置包含位於所述第二熱源內的所述第一室和所述第二室，所述第一室垂直於所述槽軸的寬度(《)不同於所述第二室的寬度(W)。
46.權利要求45所述的裝置，其中所述第一室朝向所述第一熱源。
47.權利要求I至46中任一項所述的裝置，其中所述接收孔圍繞所述槽軸對稱布置。
48.權利要求47所述的裝置，其中所述接收孔垂直於所述槽軸的寬度與所述槽的寬度(wl或w2)大致相同。
49.權利要求47所述的裝置，其中所述接收孔垂直於所述槽軸的寬度比所述槽的寬度(wl 或 w2)長約 O. 01mm 至約 O. 2mm。
50.權利要求3至49中任一項所述的裝置，其中所述裝置包含位於所述第二熱源內的所述第一室和所述第二室，並且所述第一室與所述第二室沿所述槽軸以長度(I)間隔開。
51.權利要求50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器，其面積和厚度(或體積)足以降低來自所述第一熱源的熱傳遞。
52.權利要求51所述的裝置，其中所述第一熱制動器包含上表面和下表面。
53.權利要求52所述的裝置，其中所述長度(I)為約O.Imm至所述第二熱源沿所述槽軸的高度的約60%。
54.權利要求3至49中任一項所述的裝置，其中所述第一室位於所述第二熱源中，並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器，其面積和厚度(或體積)足以降低來自所述第一熱源的熱傳遞。
55.權利要求54所述的裝置，其中所述第一熱制動器包含上表面和下表面。
56.權利要求55所述的裝置，其中所述第一熱制動器的下表面與所述第二熱源的下表面處於大致相同的高度。
57.權利要求56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度(I)間隔開。
58.權利要求57所述的裝置，其中所述長度(I)為約O.Imm至所述第二熱源沿所述槽軸的高度的約60%。
59.權利要求I至58中任一項所述的裝置，其中所述第二熱源包含至少一個從所述第二熱源延伸出的突出部。
60.權利要求59所述的裝置，其中所述第二熱源的突出部基本平行於所述槽軸並且向所述第一熱源延伸或者從所述第二熱源的上表面延伸出。
61.權利要求59至60中任一項所述的裝置，其中所述第二熱源包含向所述第一熱源延伸並且限定出部分所述第一室或所述槽的第一突出部。
62.權利要求61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。
63.權利要求61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。
64.權利要求I至63中任一項所述的裝置，其中所述第一熱源包含至少一個從所述第一熱源延伸出的突出部。
65.權利要求64所述的裝置，其中所述第一熱源的突出部基本平行於所述槽軸，並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。
66.權利要求64至65中任一項所述的裝置，其中所述第一熱源包含向所述第二熱源延伸並且限定出一部分所述槽的第一突出部。
67.權利要求66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。
68.權利要求66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。
69.權利要求66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。
70.權利要求I至69中任一項所述的裝置，其中所述裝置適配成使得所述槽軸相對於重力方向傾斜。
71.權利要求70所述的裝置，其中所述槽軸垂直於所述第一和第二熱源之中任一個的上或下表面，並且所述裝置是傾斜的。
72.權利要求70所述的裝置，其中所述槽軸相對於垂直於所述第一和第二熱源之中任一個的上或下表面的方向傾斜。
73.權利要求70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°。
74.權利要求I至73中任一項所述的裝置，其中所述接收孔圍繞所述槽軸不對稱布置，足以弓I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。
75.權利要求74所述的裝置，其中所述接收孔相對於所述槽軸偏離中心。
76.權利要求75所述的裝置,其中所述接收孔偏離中心約0.02mm至約0. 5mm。
77.權利要求76所述的裝置，其中所述接收孔的至少一部分垂直於所述槽軸的寬度大於所述槽的寬度(《1或w2)。
78.權利要求77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)長約0. 04mm至約1mm。
79.權利要求74所述的裝置，其中所述裝置包含沿所述槽軸一側的深度比另一側的深度更大的所述接收孔。
80.權利要求79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並且沿所述槽軸一側的高度比另一側的高度更大的第一突出部。
81.權利要求79至80中任一項所述的裝置，其中所述第二熱源在所述槽周圍的區域中沿所述槽軸的高度恆定。
82.權利要求79至80中任一項所述的裝置，其中所述第二熱源在所述槽周圍的區域中沿所述槽軸一側的高度比另一側的高度更大。
83.權利要求81至82中任一項所述的裝置，其中所述接收孔的頂端沿所述槽軸在一側比另一側更接近所述第二熱源的下表面。
84.權利要求82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恆定。
85.權利要求3至84中任一項所述的裝置，其中所述室的至少一部分圍繞所述槽軸不對稱布置，足以引起從所述第二或第一熱源到所述槽的水平方向上不均勻的熱傳遞。
86.權利要求85所述的裝置，其中所述第一室位於所述第二熱源內並且沿所述槽軸一 側的高度比另一側的高度更大，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。
87.權利要求86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恆定。
88.權利要求87所述的裝置，其中所述接收孔的頂端沿所述槽軸在一側比另一側更接近 所述第二熱源的下表面。
89.權利要求86所述的裝置，其中所述接收孔沿所述槽軸一側的深度比另一側的深度更大。
90.權利要求89所述的裝置，其中所述接收孔的頂端沿所述槽軸在一側比另一側更接近所述第二熱源的下表面。
91.權利要求89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恆定。
92.權利要求85所述的裝置，其中所述裝置包含位於所述第二熱源內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。
93.權利要求92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。
94.權利要求85所述的裝置，其中至少一個室的所述室壁相對於所述槽軸傾斜。
95.權利要求94所述的裝置，其中所述傾斜的角度為約2°至約30°。
96.權利要求85所述的裝置，其中所述第二熱源中的至少一個所述室具有布置成一側比另一側更高的室壁，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。
97.權利要求3至84中任一項所述的裝置，其中所述第一和第二室位於所述第二熱源內並且圍繞所述槽軸對稱布置。
98.權利要求97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度(I)間隔開。
99.權利要求97至98中任一項所述的裝置，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自所述第一熱源的熱傳遞的熱制動器而發揮功能。
100.權利要求99所述的裝置，其中所述熱制動器在所述第一與第二室之間的長度(I)上接觸所述槽的一側，所述槽另一側與所述第二熱源間隔開。
101.權利要求85所述的裝置，其中所述室的至少一部分相對於所述槽軸偏離中心約0.Imm 至約 3mm。
102.權利要求101所述的裝置，其中所述室的至少一部分沿垂直於所述槽軸的方向具有一側比另一側更大的室間隙。
103.權利要求101至102中任一項所述的裝置，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，所述接觸發揮足以降低來自所述第一熱源的熱傳遞之熱制動器的功倉泛。
104.權利要求103所述的裝置，其中所述熱制動器接觸所述槽一側，另一側與所述第二熱源間隔開。
105.權利要求104所述的裝置，其中所述熱制動器接觸所述第二熱源內所述槽的一側的整個高度。
106.權利要求103所述的裝置，其中所述熱制動器接觸所述第二熱源內所述槽的部分高度。
107.權利要求106所述的裝置，其中所述裝置包含位於所述第二熱源中的所述第一室和所述第二室，並且所述第一室與所述第二室沿所述槽軸以長度(I)間隔開。
108.權利要求107所述的裝置，其中所述熱制動器在所述第一室與第二室之間的所述長度(I)上接觸所述槽的整個外周。
109.權利要求108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。
110.權利要求108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。
111.權利要求107所述的裝置，其中所述熱制動器在所述第一與第二室之間的所述長度(I)上接觸所述槽的一側，所述槽的另一部分與所述第二熱源間隔開。
112.權利要求106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，並且所述熱制動器在所述第一或第二室內接觸所述槽一側，所述槽的另一側與所述第二熱源間隔開。
113.權利要求107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。
114.權利要求107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。
115.權利要求113至114中任一項所述的裝置，其中所述熱制動器在所述第一室與第二室之間的所述長度(I)上接觸所述槽的一側，所述槽的另一側與所述第二熱源間隔開。
116.權利要求92所述的裝置，其中所述裝置包含在所述第一室內接觸所述槽的一側的第一熱制動器，另一側與所述第二熱源間隔開。
117.權利要求116所述的裝置，其中所述裝置還包含在所述第二室內接觸所述槽的一側的第二熱制動器，另一側與所述第二熱源間隔開。
118.權利要求117所述的裝置，其中所述第一熱制動器的頂端與所述第二熱制動器的底端所處高度基本相同。
119.權利要求117所述的裝置，其中所述第一熱制動器的頂端所處位置高於所述第二制動器的底端。
120.權利要求117所述的裝置，其中所述第一熱制動器的頂端所處位置低於所述第二制動器的底端。
121.權利要求107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於垂直於所述槽軸的方向傾斜。
122.權利要求121所述的裝置，其中所述熱制動器在所述第一室與所述第二室之間接觸所述槽的整個外周並且一側的所在位置比另一側更高。
123.權利要求107所述的裝置，其中所述第一室和所述第二室各自相對於所述槽軸傾斜。
124.權利要求123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於所述槽軸。
125.權利要求124所述的裝置，其中所述熱制動器在所述第一室與所述第二室之間接觸所述槽的整個外周。
126.權利要求123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於垂直於所述槽軸的方向傾斜。
127.權利要求126所述的裝置，其中所述熱制動器在所述第一室與所述第二室之間接觸所述槽的整個外周並且一側的所在位置比另一側更高。
128.權利要求3至127中任一項所述的裝置，其中所述第一熱源和第二熱源各自包含至少一個固定元件。
129.權利要求128所述的裝置，其中所述第一絕熱體包含至少一個固定元件。
130.權利要求128至129中任一項所述的裝置，其中所述裝置包含圍繞所述第一熱源、第二熱源和第一絕熱體的第一殼體元件。
131.權利要求130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。
132.權利要求130至131中任一項所述的裝置，其中所述固定元件適配成將所述第一熱源、第二熱源和第一絕熱體彼此固定或固定至所述第一殼體元件上。
133.權利要求132所述的裝置，其中至少一個所述固定元件位於所述第一熱源、第二熱源和第一絕熱體中的至少一個、優選所有的外部區域中。
134.權利要求132至133中任一項所述的裝置，其中至少一個所述固定元件位於所述第一熱源、第二熱源和第一絕熱體中的至少一個、優選所有的內部區域中。
135.權利要求128至134中任一項所述的裝置，其中所述第一熱源、第一絕熱體和第二熱源的至少一個包含至少一個翼結構。
136.權利要求135所述的裝置，其中所述翼結構包括第一、第二、第三和第四翼結構。
137.權利要求135至136中任一項所述的裝置，其中所述第二熱源包含所述翼結構。
138.權利要求135至137中任一項所述的裝置，其中所述翼結構在所述第一和第二熱源與所述第一殼體元件之間限定出第二絕熱體。
139.權利要求138所述的裝置，其中所述第一和所述第二翼結構限定出所述第二絕熱體的第一部分。
140.權利要求139所述的裝置，其中所述第二和所述第三翼結構限定出所述第二絕熱體的第二部分。
141.權利要求140所述的裝置，其中所述第三和第四翼結構限定出所述第二絕熱體的第三部分。
142.權利要求141所述的裝置，其中所述第四和所述第一翼結構限定出所述第二絕熱體的第四部分。
143.權利要求139至142中任一項所述的裝置，其中所述第二絕熱體的所述第一、第二、第三和第四部分各自進一步由所述第一殼體元件限定。
144.權利要求143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三絕熱體。
145.權利要求144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四絕熱體和/或第五絕熱體。
146.權利要求128至145中任一項所述的裝置，其中所述第一和第二熱源各自包含至少一個加熱和/或冷卻元件。
147.權利要求146所述的裝置，其中所述第一和第二熱源還各自包含溫度傳感器。
148.權利要求147所述的裝置，其中所述裝置還包含至少一個風扇單元以從所述第一和/或第二熱源移除熱量。
149.權利要求148所述的裝置，其中所述裝置包含位於所述第二熱源之上的第一風扇單元以從所述第二熱源移除熱量。
150.權利要求149所述的裝置，其中所述裝置還包含位於所述第一熱源之下的第二風扇單元以從所述第一熱源移除熱量。
151.權利要求I至150中任一項所述的裝置，其中所述裝置適於在所述槽內部產生離心力以調節所述對流PCR。
152.權利要求151所述的裝置，其中所述裝置至少包含與轉子轉動連接的所述第一和第二熱源，所述轉子用於使所述熱源圍繞旋轉軸旋轉。
153.權利要求152所述的裝置，其中所述裝置包含與所述轉子連接的旋轉臂，其限定從所述旋轉軸到所述槽中心的離心式旋轉半徑。
154.權利要求152至153中任一項所述的裝置，其中所述旋轉軸基本平行於重力方向。
155.權利要求152至154中任一項所述的裝置，其中所述槽軸基本平行於由重力和離心力產生的淨力的方向。
156.權利要求152至154中任一項所述的裝置，其中所述槽軸相對於由重力和離心力產生的所述淨力的方向是傾斜的。
157.權利要求156所述的裝置，其中所述槽軸與所述淨力方向之間的傾斜角度為約2°至約60°。
158.權利要求155至157中任一項所述的裝置，其中所述裝置還包含適於控制所述槽軸與所述淨力之間角度的傾斜軸。
159.權利要求152至158中任一項所述的裝置，其中所述旋轉軸位於所述第一和第二熱源以外。
160.權利要求152至158中任一項所述的裝置，其中所述旋轉軸基本上位於所述第一和第二熱源的中心。
161.權利要求160所述的裝置，其中所述裝置包含相對於所述旋轉軸同心定位的多個槽。
162.權利要求161所述的裝置，其中所述第一和第二熱源為圓形形狀。
163.適於在離心條件下進行聚合酶鏈式反應(PCR)的PCR離心機，所述PCR離心機包含權利要求151-162中任一項所述的裝置。
164.通過熱對流進行聚合酶鏈式反應(PCR)的方法，所述方法包括下述步驟中的至少一個且優選全部 (a)將包含接收孔的第一熱源維持在適於使雙鏈核酸分子變性並且形成單鏈模板的溫度範圍， (b)將第二熱源維持在適於使至少一條寡核苷酸引物與所述單鏈模板退火的溫度範圍；以及 (C)在足以產生引物延伸產物的條件下，在所述接收孔與所述第二熱源之間產生熱對流。
165.權利要求164所述的方法，其中所述方法還包括提供反應容器的步驟，所述反應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。
166.權利要求165所述的方法，其中所述反應容器還包含DNA聚合酶。
167.權利要求166所述的方法，其中所述DNA聚合酶是固定化的DNA聚合酶。
168.權利要求164至167中任一項所述的方法，其中所述方法還包括使所述反應容器接觸所述接收孔和布置在所述第二或第一熱源中至少一個之內的室的步驟，所述接觸足以支持所述反應容器內的所述熱對流。
169.權利要求168所述的方法，其中所述方法還包括使所述反應容器接觸所述第一與第二熱源之間的第一絕熱體的步驟。
170.權利要求169所述的方法，其中所述第一和第二熱源的導熱率為所述反應容器或其中水溶液的導熱率的至少約10倍。
171.權利要求170所述的方法，其中所述第一絕熱體的導熱率比所述反應容器或其中水溶液的導熱率低至少約5倍，其中所述第一絕熱體的導熱率足以降低所述第一和第二熱源之間的熱傳遞。
172.權利要求164至171中任一項所述的方法，其中所述方法還包括在所述反應容器中產生圍繞所述槽軸基本對稱的流體流的步驟。
173.權利要求164至171中任一項所述的方法，其中所述方法還包括在所述反應容器中產生圍繞所述槽軸不對稱的流體流的步驟。
174.權利要求165至173中任一項所述的方法，其中至少步驟(a)-(b)在每個反應容器中消耗少於約IW的功率來產生所述引物延伸產物。
175.權利要求174所述的方法，其中進行所述方法的所述功率由電池提供。
176.權利要求164至175中任一項所述的方法，其中所述PCR延伸產物在約15至約30分鐘或更短的時間內產生。
177.權利要求165至176中任一項所述的方法,其中所述反應容器的體積小於約50微升。
178.權利要求177所述的方法，其中所述反應容器的體積小於約20微升。
179.權利要求164至178中任一項所述的方法，其中所述方法還包括向所述反應容器施加有助於進行所述PCR的離心力的步驟。
180.通過熱對流進行聚合酶鏈式反應(PCR)的方法，所述方法包括以下步驟在足以產生引物延伸產物的條件下，將寡核苷酸引物、核酸模板和緩衝液加入權利要求I至162中任一項所述裝置所容納的反應容器中。
181.權利要求180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容器的步驟。
182.通過熱對流進行聚合酶鏈式反應(PCR)的方法，所述方法包括以下步驟在足以產 >生引物延伸產物的條件下，將寡核苷酸引物、核酸模板和緩衝液加入權利要求163所述PCR離心機所容納的反應容器中，以及向所述反應容器施加離心力。
183.權利要求182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容器的步驟。
184.適於被權利要求I至162所述裝置或權利要求163所述PCR離心機容納的反應容 器，所述反應容器包含頂端、底端、外壁和內壁，並且所述外壁的豎直長寬比至少為約4至約15，所述外壁的水平長寬比為約I至約4，並且所述外壁的錐角0為約O。至約15°。
185.權利要求184所述的反應容器，其中所述外壁頂端和底端的中心點限定反應容器軸。
186.權利要求185所述的反應容器，其中所述反應容器沿所述反應容器軸的高度為至少約6mm至約35mm。
187.權利要求186所述的反應容器，其中所述外壁的平均寬度為約Imm至約5mm。
188.權利要求187所述的反應容器，其中所述內壁的平均寬度為約0.5mm至約4. 5mm。
189.權利要求185至188中任一項所述的反應容器，其中所述外壁和所述內壁沿所述反應容器軸有基本相同的垂直形狀。
190.權利要求189所述的反應容器，其中所述外壁和所述內壁沿垂直於所述反應容器軸的橫截面有基本相同的水平形狀。
191.權利要求185至188中任一項所述的反應容器，其中所述外壁和所述內壁沿所述反應容器軸有不同的垂直形狀。
192.權利要求191所述的反應容器，其中所述外壁和所述內壁沿垂直於所述反應容器軸的橫截面有不同的水平形狀。
193.權利要求190和192中任一項所述的反應容器，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、圓角梯形或長橢圓形中的一種或更多種。
194.權利要求189至193中任一項所述的反應容器，其中所述內壁相對於所述反應容器軸基本對稱布置。
195.權利要求194所述的反應容器，其中所述反應容器壁的厚度為約0.Imm至約·0.5mmo
196.權利要求195所述的反應容器，其中所述反應容器壁沿所述反應容器軸的厚度基本不變。
197.權利要求189至193中任一項所述的反應容器，其中所述內壁相對於所述反應容器軸布置是偏離中心的。
198.權利要求197所述的反應容器，其中所述反應容器壁的厚度為約0.Imm至約1_。
199.權利要求198所述的反應容器，其中所述反應容器壁的厚度在一側比另一側薄至少約 0. 05mm。
200.權利要求184至199中任一項所述的反應容器，其中所述底端是平的、彎曲的或圓的。
201.權利要求200所述的反應容器，其中所述底端相對於所述反應容器軸基本對稱布置。
202.權利要求200所述的反應容器，其中所述底端相對於所述反應容器軸不對稱布置。
203.權利要求200至202中任一項所述的反應容器，其中所述底端是封閉的。
204.權利要求184至203中任一項所述的反應容器，其中所述反應容器包含塑料、陶瓷或玻璃或由其組成。
205.權利要求184至204中任一項所述的反應容器，其還包含固定化的DNA聚合酶。
206.權利要求184至205中任一項所述的反應容器，其還包含與所述反應容器密封接觸的蓋。
207.權利要求206所述的反應容器，其中所述蓋包含光學埠。
208.權利要求207所述的反應容器，其還包含所述反應容器的內壁與所述光學埠的側面部分之間的開放空間。
209.權利要求I至162中任一項所述的裝置，其還包含至少一個光學檢測單元。
210.權利要求163所述的PCR離心機，其中權利要求181至192中任一項所述的裝置還包含至少一個光學檢測單元。
211.權利要求164至179中任一項所述的方法，其還包括使用至少一個光學檢測單元實時檢測所述引物延伸產物的步驟。
212.權利要求180至183中任一項所述的方法，其還包括使用至少一個光學檢測單元實時檢測所述引物延伸產物的步驟。
全文摘要
公開了多階段熱對流裝置(如兩階段熱對流裝置)及其用途。在一個實施方案中，所述兩階段熱對流裝置包含輔助熱對流介導之聚合酶鏈式反應(PCR)的溫度成形元件(temperature shaping element)。本發明有多種應用，包括在無需與許多現有設備相關的笨重且昂貴的硬體的情況下擴增核酸。在一個典型的實施方案中，該裝置可以放於使用者手掌上用作便攜、操作簡單且低成本的PCR擴增設備。
文檔編號C12Q1/68GK102803465SQ201180013705
公開日2012年11月28日 申請日期2011年1月11日 優先權日2010年1月12日
發明者黃縣陣 申請人:阿赫姆生物系統公司