具有控溫囊的聚合酶鏈式反應熱循環儀的製作方法

2023-09-27 08:24:00

專利名稱：具有控溫囊的聚合酶鏈式反應熱循環儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用來進行化學反應的設備，特別是用來進行聚合酶鏈式反應 (PCR)的自動設備。更具體地說，本發明提供了對自動PCR設備中的反應溫度進行控制的方 法和設備。本發明可以應用於分析化學、分子生物學和過程化學中。
背景技術：
聚合酶鏈式反應(PCR)已經成為生物化學實驗室中的主流，其原因在於這種 利用聚合酶酶(例如Taq聚合酶)來對寡核苷酸進行複製的一流的方法已經成為生物技 術研究和產品的蓬勃發展中的主要因素。該方法及其應用是本領域技術人員所公知的 (Ausubel, Brent等人1992)。簡單地說，PCR使寡核苷酸(特別是DNA)能被迅速複製，從 而能使寡核苷酸(oligonucleotide)的單拷貝轉化為高濃度從而能進行進一步的操作或 分析。所述PCR過程包括使靶寡核苷酸從樣品中轉移至粗提取物中；向所述提取物中加 入含有各種酶、緩衝劑、三磷酸鹽(dNTPS)和互補(complimentary)的寡核苷酸引物的水 溶液，以形成反應混合物；使反應混合物的溫度在兩個或三個溫度之間進行重複循環(例 如，90°C -9637°C _65°C和72°C )，從而使所述靶寡核苷酸的複製能夠進行；然後對擴 增的寡核苷酸進行檢測。還可以包括中間步驟，例如反應產物的提純和表面彎曲的引物 (surface-bendingprimers)的結合。每一個循環都使靶低聚物序列的數量加倍。PCR技術 能夠使寡核苷酸或寡核糖核苷酸的單個分子擴增約IO6至約IO9倍。由於遺傳信息可以用來證實對有機體的個體和類型的識別，並且由於PCR能從非 常小的樣品中產生可以進行分析的量的遺傳物質，因此存在有許多技術以促進PCR在分析 作業和法醫作業中的應用。具體來說，在執法過程中和軍事中廣泛地利用PCR來對身份不 明的屍體和罪犯進行識別。將PCR應用於國防和國家安全中也屬於積極發展生物防禦領域 內容。而且，醫生和醫院越來越希望獲得能在給予照護過程中使用的可攜式PCR技術。這 種用途的實例包括 篩選血液、唾液或尿液樣品中的多種與上呼吸道、腸道或STD (性傳播疾病)感染 有關的傳染病。·確定傳染病是否對抗生素具有耐受性。·確定感染是病毒性感染還是細菌性感染。·識別個體對藥物不良反應的易感性。·對癌症類型進行診斷(例如，乳腺癌、前列腺癌、卵巢癌、胰腺癌)。·識別個體容易患阿爾茨海默式病(alzheimer』 s disease)的傾向性。這些應用產生了對自動化PCR設備的大量需求，這些PCR設備能從遠程對小樣品 濃度進行就地處理，從而向研究者和醫務工作者提供分析數據。如以上所提到的，所述PCR過程中的基本操作是熱循環，即升高或降低反應溫度 從而使所述擴增過程能夠進行，其中，將反應混合物的溫度在約60°C至約95°C之間進行 50次或更多次的調節。熱循環通常具有四個階段將樣品加熱至第一溫度；將所述樣品保持在該第一溫度下；將所述樣品冷卻至較低的溫度；以及保持該較低溫度下的溫度。傳統 的PCR儀器通常使用具有多達96個錐形反應管的鋁塊(aluminum block)，該反應管中含 有樣品和擴增所必須的試劑。在所述PCR擴增過程中對該鋁塊進行加熱和冷卻，通常使用 Peltier加熱/冷卻設備，或閉環液體加熱/冷卻體系，該體系在鋁塊中加工出來的通道內 流通。然而，所述鋁塊的大質量以及鋁的傳導率將加熱和冷卻的速率限制為每秒rc;因此， 50次循環的PCR擴增過程需要花費至少2個小時。此外，所述鋁塊的冷卻速率明顯低於加熱速率。加熱速率和冷卻速率之間的不對 稱降低了 PCR過程的效率。例如，不期望的副反應能夠在產生不需要的DNA產品的極端條 件之間的溫度下發生，例如被稱為「引物_ 二聚物」和不規則的擴增子(amplicon)，它們會 消耗期望PCR反應所必須的試劑。其他過程，例如配體結合(有機的或酶的)也會在不均 勻的溫度下發生不期望的副反應，這經常會降低分析的等級。出於這些原因，PCR過程以及 類似的生物化學反應過程的最優化的要求是，儘可能快地達到所期望的最佳反應溫度，中 間溫度佔去最少的時間。因此，必須將含有試劑的反應器設計為使加熱速率和冷卻速率最 優化，允許實時光學審訊(real time opticalinterrogation)，並接受各種樣品體積。一種自動化 PCR 體系是美國專利 No. 5,589，136(Northrup，Raymond P. Mariella 等人，1996)中公開的MATCI設備，該專利公開的這種設備對熱循環使用了模塊法和30次 分析每一次反應在其熱循環套管內進行，並且每一個套管本身具有有關的光學激發原和 螢光檢測器。該熱循環套管的低熱質使該MATCI設備實現非常快的熱循環可以以最高 為30°C /秒的速度對樣品進行加熱，並且以5°C /秒的速率對樣品進行冷卻。商品名為 GeneXpert(Cepheid, Sunnyvale,力口利福尼亞洲)禾口 Razor(Idaho Technology 公司)的 兩種其他可商購得到的系統採用了一次性的流體藥筒(fluidic cartridge)，每一個流體 藥筒含有彈性的反應室，該反應室可以在壓力下膨脹從而與設備中的實體加熱器(solid heater)緊密接觸(Petersen，McMillan等人，1999)。所述Razor採用了彈性的流體袋 (fluidic pouch)以及在流體袋內推動反應塊狀物(reaction slug)的傳動裝置；所述袋 的反應區壁與兩個實體加熱器緊密接觸。在上述兩種情況中，所述加熱器為實體的，並且所 述一次性藥筒或袋子中含有一個或多個反應區，每一個反應區具有與所述加熱器發生熱接 觸的薄的彈性的壁。在另一種技術中，由Akonni Biosystems (Fredericksburg,MD)售出的 商品名為TruDiagnosisTM和TruArrayTM通過使用數百種分子生物傳感器而一次就能對樣 品中數百種疾病標記物迅速地進行篩選，所述分子生物傳感器排列在手指甲大小的微陣列 上。通過採用微流體通道的陣列對樣品進行轉化。Akormi技術能在少於30分鐘的時間內 提供準確的診斷結果，以支持可靠而及時的治療結果。雖然如此，目前處理熱循環的方法還是有限的，需要依靠一次性組件的彈性以產 生與儀器硬體的令人滿意的熱接觸。特別是，提供所需循環特性但不依賴於特定反應室材 料的方法和設備提供了降低的成本和更大的效率的期望。本發明滿足了這些和其他的需要。

發明內容
本發明提供了用於控制容器(例如反應器)的溫度的方法和設備，化學試劑在所 述容器中混合，從而在控制的溫度下產生反應產物。
第一方面，本發明提供了一種進行化學反應的設備。在一種實施方式中，本發明提 供的設備包括外殼，該外殼的尺寸能容納置於該外殼的內部體積(internal volume)中的 反應室。所述反應室具有導熱性內表面和外表面，該內表面和外表面界定出具有第一溫度 的內部體積。該設備還包括至少一個置於其中的導熱性控溫囊，該囊被構造成接受具有第 二溫度的控溫物質進入該囊中，並將該控溫物質從囊中排出。該囊被進一步構造成在接受 控溫物質時，該囊膨脹至充分靠近所述反應室的至少部分所述外表面，使得所述控溫物質 與所述反應室的內部體積之間能夠發生熱交換。在一些實施方式中，前述的在所述控溫物質和所述反應室的內部體積之間的熱交 換能有效地將所述反應室的內部體積的溫度從第一溫度改變為第三溫度，所述第三溫度至 少介於所述第一溫度和第二溫度之間。在更具體的實施方式中，所述控溫物質和所述反應 室的內部體積之間的熱交換能有效地將所述反應室中含有的物質的溫度從所述第一溫度 改變為第三溫度，所述第三溫度至少介於所述第一溫度和第二溫度之間。第二方面，本發明提供了一種用於改變容器的內部體積的溫度的方法。本發明的 方法包括提供外殼，該外殼的尺寸能容納置於該外殼的內部體積中的反應室，所述反應室 具有導熱性內表面和外表面，該內表面和外表面界定出具有第一溫度的內部體積。所述外 殼還包括至少一個置於該外殼內的導熱性控溫囊，該囊被構造成接受具有第二溫度的控溫 物質進入該囊中，並將所述控溫物質從所述囊中排出。該囊進一步被構造成在接受控溫物 質時，該囊膨脹至充分靠近所述反應室的至少部分外表面，使得所述控溫物質與所述反應 室的內部體積之間能夠發生熱交換。該方法還包括在能有效地使所述囊發生膨脹的條件下 加入控溫物質，所述膨脹使所述囊與所述反應室的至少部分外表面充分靠近，使得所述控 溫物質與所述反應室的內部體積之間能夠發生熱交換。在一些實施方式中，前述的在所述控溫物質和所述反應室內部體積之間的熱交換 能有效地將所述反應室的內部體積的溫度從所述第一溫度改變為第三溫度，所述第三溫度 至少介於所述第一溫度和第二溫度之間。在更具體的實施方式中，所述控溫物質和所述反 應室內部體積之間的熱交換能有效地將所述反應室中含有的物質的溫度從所述第一溫度 改變為第三溫度，所述第三溫度至少介於所述第一溫度和第二溫度之間。在其他的實施方式中，該方法包括將物質加入到所述反應室的內部體積中。在其 他的實施方式中，包括使所述囊的膨脹保持一段時間，該段時間足以將所述物質的溫度改 變為介於所述第一溫度和所述第二溫度之間的第三溫度。在另一種實施方式中，第三溫度 基本上等於所述第二溫度。在其他的實施方式中，所述物質含有PCR反應物的混合物，且所 述第三溫度能有效地誘導PCR反應。另一方面，本發明提供了進行化學反應的設備，該設備包括具有導熱性內表面和 外表面的反應室，所述內表面和外表面在所述反應室內界定出具有第一溫度的內部體積。 該設備還包括至少一個與所述反應室鄰近的導熱性控溫囊，該囊被構造成接受具有第二溫 度的控溫物質進入該囊中，並將所述控溫物質從該囊中排出；並且該囊被進一步構造成在 接受所述控溫物質時，該囊膨脹至充分靠近所述反應室的至少部分外表面，使得所述控溫 物質與所述反應室的內部體積之間能夠發生熱交換。另一方面，本發明提供了一種用於改變容器的內部體積的溫度的方法，該方法包 括提供具有導熱性內表面和外表面的反應室，所述內表面和外表面在所述反應室內界定出具有第一溫度的內部體積。還提供了至少一個與所述反應室鄰近的導熱性控溫囊，該囊被 構造成接受具有第二溫度的控溫物質進入該囊中，並將所述控溫物質從該囊中排出。該囊 被進一步構造成在接受所述控溫物質時，該囊膨脹至充分靠近所述反應室的至少部分外表 面，使得所述控溫物質與所述反應室的內部體積之間能夠發生熱交換。該方法還包括在能 有效地使所述囊發生膨脹的條件下加入控溫物質，所述膨脹使所述囊與所述反應室的至少 部分外表面充分靠近，使得所述控溫物質與所述反應室的內部體積之間能夠發生熱交換。結合附圖通過下文描述將使本發明的其他方面和優勢變得顯而易見。


圖1A、圖IB和圖IC描述了根據本發明的一種實施方式的設備。圖IA為該設備的 局部剖視圖；圖IB為該設備內部的頂部剖視圖，其中囊為充分收縮的狀態；圖IC為該設備 內部的頂部剖視圖，其中囊為充氣膨脹的狀態從而提供與反應器的熱接觸；圖2為根據本發明的另一種實施方式的設備的局部剖視圖，該設備包括多套囊；圖3為闡述了本發明的一種示例性實施方式的示意圖；圖4為表示圖3中所闡述的實施方式中，加熱和冷卻作為時間的函數的圖表；圖5為表示圖3中所闡述的實施方式中，加熱和冷卻作為時間的函數的圖表。
具體實施例方式第一方面，本發明提供了一種用於控制界定的體積的溫度的設備。在一種實施方 式中，所界定的體積為被構造成容納化學反應物並在控制的溫度下在其內進行化學反應的 反應室。在更具體的實施方式中，如圖IA中所示1000，本發明提供的設備包括外殼1004。 該外殼可以用本領域技術人員公知的材料和設計來構造。所述材料的實例包括但不限於塑 料、金屬、陶瓷、複合材料等。外殼實施方式的實例包括所述外殼為輕質結構(例如，薄塑 料)、密封的(例如，用於含有有害物質如危險化學品和生物物質的情況)，或能夠保持內部 空間的真空。因此，在一些實施方式中，所述外殼包括降低所述外殼內(即，內部空間1012 內)壓力的裝置(即，產生真空)；在其他實施方式中，所述外殼包括一個或多個用於加入 試劑的入口或埠。所述外殼還可以包括傳感器、反應物供給以及其它的本領域技術人員 熟悉的元件。更多的設計和說明是本領域技術人員所熟悉的。對材料和設計的具體選擇將 取決於所述設備的預期功能以及操作條件，這是本領域技術人員可以理解的。所述設備1000還包括置於所述外殼1012的內部空間內的反應室1008。如圖IB 和圖IC所示，所述反應室包括導熱性的外壁1016以及導熱性的內壁1020，該外壁1016和 內壁1020在反應室1024中界定出內部體積。所述反應室可以用本領域技術人員公知的材 料和設計來構造。這些材料的實例包括但不限於塑料、金屬、陶瓷、複合材料等。示例性實施 方式包括所述反應室為輕質結構(例如，薄塑料)、密封的(例如，用於含有有害物質如20 種危險化學品和生物物質的情況)，或能夠保持真空。在一些實施方式中，將所述反應室設 計成容納材料的單一混合物；並且在更具體的實施方式中，所述反應室包括蓋或其他的密 封件以產生密封的體系。在其他的實施方式中，所述反應室具有基本為管狀的設計，材料的 混合物能通過該管狀在被界定且分離的體積內移動，這通常被稱為「塊狀物」(參見圖2)。 更多的設計和說明將是本領域技術人員所熟知的。例如，所述反應室可以包括一個或多個用於加入試劑或去除反應產物的入口或埠、內部傳感器以及用於外部傳感器的窗口。對 材料和設計的具體選擇將取決於所述設備的預期功能以及操作條件，這是本領域技術人員 可以理解的。再來看圖1A，外殼內部還放置了一個或多個控溫袋或控溫囊1028，所述控溫袋或 控溫囊1028與所述反應室鄰近，並被構造成對所述反應室1024的內部體積的溫度進行控 制、調節或其它的更改。如本領域技術人員可以理解的，所述袋或囊由具有合適的機械性能 和熱性能的材料組成。合適的材料的實例包括但不限於矽氧烷、膠乳、聚酯薄膜、聚氨基甲 酸酯、聚丙烯、和聚乙烯。在其他的實施方式中，上述的囊含有通過熱源(例如電阻加熱器 或帕爾貼加熱器(Peltier heater))進行固化的凝膠材料。每一個囊被構造成接受控溫物 質(如圖1C中所示的1036)，例如在控制的溫度下的液體或氣體，這些控溫物質例如通過 分別在圖1中1028和1032所示的入口和出口加入到囊1028的空腔內(1040，參見圖1B)。 可以將控溫物質存儲在儲庫或其他的儲存庫中，操作者可以對其中的所述控溫物質的溫度 進行改變。在另一種實施方式中，在加入控溫物質後，從所述囊中撤出所述控溫物質能通過 減少和選擇性地防止上述熱交換，從而有效地使所述囊還原至上述脫離的狀態。因此，通過 加入和撤出所述控溫物質，可以以受控的方式調整所述內部體積的溫度。在一種實施方式 中，所述控溫物質為水，且所述囊與水迴路相連，所述水迴路能夠向所述囊提供所需溫度的 水。合適的控溫物質、用於調節這種材料的溫度的方法以及向所述袋或囊中加入這些物質 和從所述袋或囊中撤出這些物質的方法也是本領域技術人員所熟知的。在一種實施方式中，將所述控溫物質加入所述囊內能使所述囊從基本上不鄰接的 脫離的位置(參見圖1B)有效地誘導膨脹至接合的位置，在該接合的位置處所述囊與所述 反應室的至少部分外壁1016充分靠近(參見圖1C)，因此，通過所述囊和反應室的壁，提供 所述控溫物質與所述反應室1024的內部體積的熱交換。因此，在一種實施方式中，所述反 應室的內部體積為第一溫度，控溫物質為第二溫度，而這二者之間的熱接觸能有效地將所 述反應室的內部體積的溫度從所述第一溫度改變至第三溫度，所述第三溫度至少介於第一 溫度和第二溫度之間。在更具體的實施方式中，所述第三溫度基本上等於第二溫度。在更具 體的實施方式中，所述反應室的內部體積含有這樣的物質，例如反應物或分析物的混合物， 該物質的溫度在進行前述的熱交換前基本上等於所述第一溫度，並在進行這種熱交換後使 其溫度基本上等於所述第三溫度。在另一種更具體的實施方式中，所述內部體積中含有這 樣的物質，其第三溫度基本上等於第二溫度。可以按照本發明提供的類似方法，將一個、兩個或更多個袋或囊安置在與所述反 應室鄰近(如圖2中2000所示)。在此，外殼2004如上文所述的，包括反應室2008，該反 應室2008中含有一系列的反應物的塊狀物2009、2010、2011，這些反應物的塊狀物被運輸 通過所述反應室，並與所述反應室2014的內表面接觸。與所述反應室最鄰近的是兩套成對 地位於所述反應室2016、2020的相對側的、並與入口 2017和出口 2018相連通的控溫袋或 控溫囊，所述入口 2017和出口 2018按照上文描述的進行操作。在一種實施方式中，所述塊 狀物通過所述反應室的內部體積進行運輸，並停在界定的位置處，在該界定的位置上，一個 或多個所述囊與所述反應室2038的外壁接合，從而通過如上文所描述的熱交換來調節所 述塊狀物的溫度。所述囊可以填充有具有單一溫度的控溫物質，從而由全部的囊提供基本 上相同的熱交換，或者不同的囊中可以容納具有不同溫度的控溫物質。在一些實施方式中，不同的囊中可以含有不同的控溫物質以提供不同的熱交換性能。在另一種實施方式中，所述反應室的內部體積中含有的物質(可以為一個或多個 塊狀物的形式)為用於進行PCR反應的試劑的混合物。在更具體的實施方式中，所述反應 室為一次性的分析藥筒(例如可商購得到的)，所述分析藥筒能容納PCR試劑。在更具體 的實施方式中，將所述反應藥筒插入所述外殼內，並將所述控溫物質加入囊內，由此膨脹並 告知所述藥筒，使所述反應物加熱預定的時間。在選擇的時刻，將所述控溫物質撤出，所述 囊緊縮，從而減少或抑制進一步的熱交換。這種脫離的構造能夠保持一定的時間，在此之後 可以將囊再次進行填充以使所述反應物返回到早期的溫度，或者可選擇的不同的溫度。可 以利用在恆定的或變化的溫度下的控溫物質進行接合或脫離的連續階段，從而在規定的時 間-溫度循環中進行反應。這種熱循環應該是本領域技術人員所熟知的。一種具體的實施方式包括單個的靜態的反應室，該反應室內含有用於低聚物的 PCR擴增的反應物。使一個或多個囊與所述反應室進行接觸，每一個囊中含有同樣的循環 控溫物質。使用閥從兩個或更多個不同溫度的控溫物質的儲庫中轉移所述控溫物質，從而 能通過交換所述囊內的所述控溫流體使所述PCR混合物具有不同的溫度。在熱循環的過程 中，將95 °C的控溫物質循環進入所述囊內進行加熱，從而使所述低聚物發生變性，隨後將所 述控溫物質撤出。接著，將60°C的控溫物質循環至所述囊內，使所述引物能夠發生雜交和擴 展，從而產生PCR擴增產物。將這一順序進行30-50次循環。在另一種實施方式中，使兩個囊與單個反應器相接觸，其中，每一個囊中含有不同 溫度的循環控溫物質(例如，一種為95°C，另一種為60°C)。如上文所述的囊的膨脹和收 縮確定哪一個囊與所述反應室或通道進行接觸。在另一種實施方式中，單個的反應室在一 條通道中具有兩個或更多個反應區。每個區域與不同的囊交界；並且每個囊具有不同的溫 度，例如分別為95°C和60°C。所述反應塊狀物在溫度區域之間來回移動以產生所需要的熱 循環(參見圖2，已在上面進行了描述)。在其他的實施方式中，可以單獨使用電阻加熱器、帕爾貼或控溫的空氣或它們的 組合來替換上述一個或多個上述的囊。在另一種實施方式中，用微陣列來替換上述反應室，所述微陣列在每一個微陣列 點上具有固定的引物。實施例圖3提供的示意圖對本發明的一種實施方式3000進行了闡述。將本領域技術人員 所知曉的具有標準結構的泵3002進行連接，且供水流通經過熱交換器3006的輸出線3004 採用了本領域技術人員公知的材料。從熱交換器3008出來的輸出線將水輸送至第一加熱 器3010，該第一加熱器3010被構造成將水加熱至約95°C。隨後使水通過分支3012，該分 支3012將流入囊單元3014的路徑進行分流，所述囊單元3014包括與第一囊3018連接的 第一囊支架3016，所述第一囊支架3016基本上與第二囊支架3020相對設置，所述第二囊支 架3020與第二囊3022連接。存在於囊單元3014中的水通過第二分支3024再次結合成一 條路徑，然後流入第二加熱器3026，該第二加熱器3026被構造成將水加熱至約65°C。返回 路徑3028使水流回泵中。每一個囊的容量為5毫升(ml)，每一個加熱器能容納22ml，而熱 交換器能容納5ml和22ml之間。通過使水可逆地在各個加熱器和熱交換器之間進行循環， 所述囊能使容納與所述囊單元內的樣品的溫度在規定的起始溫度65°C和95°C之間循環。
圖4示出了結合圖3描述的所述設備的性能。在此，水在約3-4秒的時間內達到 約為65°C的初始溫度(S卩，以約9. 8°C /s的速度進行加熱)，在該溫度下保持約1分鐘，然 後在約5秒內冷卻返回至起始溫度(即，約為77°C /s的速度)，然後在約10秒內加熱至約 95°C，在該溫度下保持約75-80秒，然後冷卻至40°C。圖5示出了結合圖3描述的所述設備的性能的第二個實施例。該圖中，將容納於 成對的囊中的反應室內的水加熱至95°C，並在該溫度下保持至少10秒鐘，然後在約2秒鐘 內冷卻返回約65°C ( S卩，約為15°C /s的速度)，在該溫度下保持約為25秒，在約3秒的時 間內加熱至約95°C (即，約為10°C /s的速度)，保持該溫度約1秒，然後再在約3秒的時間 內冷卻至約65°C，保持該溫度約25秒。如上所述和所示地重複加熱和冷卻。在進行上述本發明的方法的一種示例性實施方式中，操作者將用於PCR擴增的樣 品置於一次性藥筒反應室內。將該藥筒裝載入儀器中，並與放鬆的(即，脫離的)囊對齊。 啟動對儀器的操作，並向囊內充入循環控溫流體。在對樣品進行加工的過程中，使流體儲庫 開始加熱以達到操作溫度。將加工的樣品與PCR試劑在所述藥筒上混合，並將混合物移至 PCR反應室內。通過閥對兩個不同溫度(例如，95°C和60°C)的流體儲庫進行控制，使熱循 環在取樣器反應室內進行。使所述熱循環持續進行約30-45個循環。然後將其中含有所需 PCR產品的反應混合物移至微陣列元件上。當完成對儀器的操作時，對所述囊進行排洩，因 此釋放壓力從而不再與所述藥筒發生接觸。接著從所述儀器中取出所述藥筒。結論因此可以發現，本發明提供了用於控制反應室(特別是用來進行PCR反應的反應 室)內的溫度的重要的設備和方法。由本文所描述的設備和方法提供的示例性優點包括但 不限於以下 囊能簡化向一次性藥筒進行基於流體的熱傳遞，從而能有效且可重複地在料筒 中進行熱循環。 排除了氣體的囊易於插入包括反應室的一次性藥筒。 囊的利用避免了液體與用於液體循環的一次性藥筒的互相聯繫。雖然本文中已經描述了各種具體的實施方式和實施例，本領域技術人員應該理解 的是，可以在不背離本發明的實質或範圍的前提下可以以許多不同的方式來實施本發明。 比如說，可以利用一個軟體模塊或兩個以上的軟體模塊來進行編碼和解碼。本文中所述的 模塊可以通過各種技術來實現，並且可以成為作業系統和插件的一部分。其他的改變也是 本領域技術人員可以清楚知道的。參考文獻出於所有目的而將下列參考文獻的全部結合於此。Ausubel, F. M. , Brent, R.,等人，Eds. (1992) Short Protocols in MolecularBiology (jfT^^^n^i) Current Protocols in Molecular Biology(^|lf 分子生物學實驗方法彙編).New York, John Wiley & Sons。Northrup, M. A. , Raymond P. Mariella, J.等人(1996). Silicon-Based SleeveDevices for Chemical Reactions (化學反應中使用的矽系套管設 備) US5，589，136。Petersen, K. E. , McMillan, ff. A.等入(1999). Reaction Vessel forHeatExchanging Chemical Processes (熱交換化學過程中的反應爸) US 5,958,349。
權利要求
一種用來進行化學反應的設備，該設備包括外殼，所述外殼的尺寸能容納置於該外殼的內部體積中的反應室，所述反應室具有導熱性內表面和外表面，該內表面和外表面在所述反應室內界定出內部體積，所述內部體積具有第一溫度；以及至少一個置於所述外殼內的導熱性控溫囊，該囊被構造成接受具有第二溫度的控溫物質進入所述囊中，並將所述控溫物質從所述囊中排出；並且所述囊被進一步構造成在接受所述控溫物質時，所述囊膨脹至充分靠近所述反應室的至少部分所述外表面，使得所述控溫物質與所述反應室的所述內部體積之間能夠發生熱交換。
2.根據權利要求1所述的設備，其中，所述控溫物質與所述反應室的所述內部體積之 間的所述熱交換能有效地將所述反應室的所述內部體積的溫度從所述第一溫度改變成第 三溫度，所述第三溫度至少介於所述第一溫度和第二溫度之間。
3.根據權利要求2所述的設備，其中，所述第三溫度基本上等於所述第二溫度。
4.根據權利要求2所述的設備，其中，所述控溫物質與所述反應室的所述內部體積之 間的所述熱交換能有效地將包含在所述反應室內的物質的溫度從所述第一溫度改變成第 三溫度，該第三溫度至少介於所述第一溫度和第二溫度之間。
5.根據權利要求4所述的設備，其中，所述第三溫度基本上等於所述第二溫度。
6.根據權利要求1所述的設備，該設備還包括置於所述外殼的所述內部體積中的所述 反應室。
7.根據權利要求1所述的設備，其中，所述囊包括接受所述控溫物質的入口以及排出 所述控溫物質的出口。
8.根據權利要求1所述的設備，其中，所述囊被構造成在將所述控溫物質從所述囊中 排出時，該囊從所述靠近所述反應室的至少部分所述外表面的位置開始收縮，從而至少能 夠減少所述控溫物質與所述反應室的所述內部體積之間的所述熱交換。
9.根據權利要求8所述的設備，其中，所述控溫物質與所述反應室的所述內部體積之 間的所述熱交換的減少能有效地充分防止所述控溫物質與所述反應室的所述內部體積之 間的所述熱交換。
10.根據權利要求1所述的設備，該設備還包括用於降低所述外殼的內部體積內的壓 力的裝置。
11.根據權利要求1所述的設備，該設備還包括用於向所述囊中提供所述控溫物質和 從所述囊中去除所述控溫物質的裝置。
12.根據權利要求1所述的設備，其中，所述控溫物質為流體。
13.一種用於改變容器內部體積的溫度的方法，該方法包括提供外殼，所述外殼的尺寸能容納置於該外殼的內部體積中的反應室，所述反應室具 有導熱性內表面和外表面，該內表面和外表面在所述反應室內界定出內部體積，所述內部 體積具有第一溫度；並且所述外殼還包括至少一個置於所述外殼內的導熱性控溫囊，該囊 被構造成接受具有第二溫度的控溫物質進入所述囊中，並將所述控溫物質從所述囊中排 出；並且該囊進一步被構造成在接受所述控溫物質時，所述囊膨脹至充分靠近所述反應室 的至少部分所述外表面，使得所述控溫物質與所述反應室的所述內部體積之間能夠發生熱 交換；在能有效引起所述囊的膨脹的條件下加入所述控溫物質，以使所述囊充分靠近所述反 應室的至少部分所述外表面，從而使得所述控溫物質與所述反應室的內部體積之間能夠發 生熱交換。
14.根據權利要求13所述的方法，該方法還包括使所述囊保持所述膨脹從而使所述熱 交換保持一段時間，該段時間足以將所述反應室的所述內部體積的溫度從所述第一溫度改 變成至少第三溫度，所述第三溫度介於所述第一溫度和所述第二溫度之間。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，所述第三溫度基本上等於所述第二溫度。
16.根據權利要求13所述的方法，該方法還包括向所述反應室的所述內部體積中加入 物質。
17.根據權利要求16所述的方法，該方法還包括使所述囊的所述膨脹保持一段時間， 該段時間足以將所述物質的溫度改變成第三溫度，所述第三溫度介於所述第一溫度和所述 第二溫度之間。
18.根據權利要求17所述的方法，其中，所述第三溫度基本上等於所述第二溫度。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，所述物質包括多聚酶鏈式反應的反應物的混 合物，且所述第三溫度能有效地誘導多聚酶鏈式反應。
20.根據權利要求13所述的方法，該方法還包括從所述囊中撤出所述控溫物質，從而 使所述囊從所述反應室的所述外壁開始收縮。
21.根據權利要求20所述的方法，其中，所述收縮能有效地減少所述控溫流體與所述 反應室的所述外壁之間的所述熱交換。
22.根據權利要求21所述的方法，該方法還包括使所述反應室的所述內部體積返回到 第四溫度，該第四溫度基本上等於所述第一溫度。
23. 一種用來進行化學反應的設備，該設備包括反應室，該反應室具有導熱性內表面和外表面，該內表面和外表面在所述反應室內界 定出內部體積，所述內部體積具有第一溫度；以及至少一個設置為與所述反應室鄰近的導熱性控溫囊，該囊被構造成接受具有第二溫度 的控溫物質進入所述囊中，並將所述控溫物質從所述囊中排出；並且該囊被進一步構造成 在接受所述控溫物質時，所述囊膨脹至充分靠近所述反應室的至少部分所述外表面，使得 所述控溫物質與所述反應室的內部體積之間能夠發生熱交換。
24.根據權利要求24所述的設備，其中，所述控溫物質和所述反應室的所述內部體積 之間的所述熱交換能有效地將所述反應室的所述內部體積的溫度從所述第一溫度改變成 第三溫度，所述第三溫度至少介於所述第一溫度和所述第二溫度之間。
25.根據權利要求25所述的設備，其中，所述第三溫度基本上等於所述第二溫度。
26.根據權利要求25所述的設備，其中，所述控溫物質與所述反應室的所述內部體積 之間的所述熱交換能有效地將包含在所述反應室內的物質的溫度從所述第一溫度改變成 第三溫度，所述第三溫度至少介於所述第一溫度和所述第二溫度之間。
27.根據權利要求27所述的設備，其中，所述第三溫度基本上等於所述第二溫度。
28.根據權利要求24所述的設備，該設備還包括置於所述外殼的所述內部體積中的反 應室。
29.根據權利要求24所述的設備，其中，所述囊包括接受所述控溫物質的入口以及排出所述控溫物質的出口。
30.根據權利要求24所述的設備，其中，所述囊被構造成在將所述控溫物質從所述囊 中排出時，該囊從所述靠近所述反應室的至少部分所述外表面的位置開始收縮，從而至少 能夠減少所述控溫物質與所述反應室的所述內部體積之間的所述熱交換。
31.根據權利要求30所述的設備，其中，所述控溫物質與所述反應室的所述內部體積 之間的所述熱交換的減少能有效地充分防止所述控溫物質與所述反應室的所述內部體積 之間的所述熱交換。
32.根據權利要求24所述的設備，該設備還包括用於降低所述外殼的內部體積內的壓 力的裝置。
33.根據權利要求24所述的設備，該設備還包括用於向所述囊中提供所述控溫物質和 從所述囊中去除所述控溫物質的裝置。
34.根據權利要求24所述的設備，其中，所述控溫物質為流體。
35.一種用於改變容器內部體積的溫度的方法，該方法包括提供反應室，該反應室具有導熱性內表面和外表面，該內表面和外表面在所述反應室 內界定出內部體積，所述內部體積具有第一溫度；以及至少一個與所述反應室鄰近的導熱 性控溫囊，該囊被構造成接受具有第二溫度的控溫物質進入所述囊中，並將所述控溫物質 從所述囊中排出；並且該囊被進一步構造成在接受所述控溫物質時，所述囊膨脹至充分靠 近所述反應室的至少部分所述外表面，使得所述控溫物質與反應室的所述內部體積之間能 夠發生熱交換；在能有效引起所述囊的膨脹的條件下加入所述控溫物質，以使所述囊充分靠近所述反 應室的至少部分所述外表面，從而使得所述控溫物質與所述反應室的內部體積之間能夠發 生熱交換。
36.根據權利要求35所述的方法，該方法還包括使所述囊保持膨脹從而保持一段時間 的熱交換，該段時間足以將所述反應室的所述內部體積的溫度從所述第一溫度改變成至少 第三溫度，所述第三溫度介於所述第一溫度和所述第二溫度之間。
37.根據權利要求36所述的方法，其中，所述第三溫度基本上等於所述第二溫度。
38.根據權利要求35所述的方法，該方法還包括向所述反應室的所述內部體積中加入 物質。
39.根據權利要求38所述的方法，該方法還包括使所述囊的所述膨脹保持一段時間， 該段時間足以將所述物質的溫度改變成第三溫度，所述第三溫度介於所述第一溫度和所述 第二溫度之間。
40.根據權利要求39所述的方法，其中，所述第三溫度基本上等於所述第二溫度。
41.根據權利要求40所述的方法，其中，所述物質含有聚合酶鏈式反應的反應物的混 合物，且所述第三溫度能有效地誘導聚合酶鏈式反應。
42.根據權利要求35所述的方法，該方法還包括從所述囊中撤出所述控溫物質，從而 使所述囊從所述反應室的所述外壁開始收縮。
43.根據權利要求42所述的方法，其中，所述收縮能有效地減少所述控溫流體與所述 反應室的所述外壁之間的所述熱交換。
44.根據權利要求43所述的方法，該方法還包括使所述反應室的所述內部體積返回到第四溫度，該第四溫度基本上等於所述第一溫度。
全文摘要
描述了在受控的溫度下進行化學反應的方法和設備。在一種實施方式中，本發明提供的設備包括外殼，該外殼的尺寸能容納置於所述外殼的內部體積中的反應室。所述反應室具有導熱性內表面和外表面，該內表面和外表面在其中界定出具有第一溫度的內部體積。該設備還包括至少一種位於所述囊中的具有第二溫度的控溫物質，並將所述控溫物質排出，使該囊膨脹至充分靠近所述反應室的至少部分所述外表面，使得所述控溫物質與所述反應室的內部體積之間能夠發生熱交換。
文檔編號B01J19/30GK101808725SQ200880104071
公開日2010年8月18日 申請日期2008年3月11日 優先權日2007年8月23日
發明者P·貝爾格拉德 申請人:阿科尼生物系統公司