平衡辐射传递的方法和装置
阅读：343发布：2023-02-01
专利汇可以提供平衡辐射传递的方法和装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且通过利用激光 二极管 的光加热基质来调节样本 温度 的方法和装置；所述光被投射到基质上，以便吸收所述光并将光能转变成 热能 ，由此相应于光能的强度升高所述基质的温度，所述基质被构造成将热能大致均匀地传递至所述样本。所述装置或方法适合于扩增核酸样本。，下面是平衡辐射传递的方法和装置专利的具体信息内容。
1.调节样本温度的方法，其包括步骤：
a.利用激光二极管的光加热基质；所述光被投射到基质上，以便吸收所述光并将光能转变成热能，由此相应于光能的强度升高基质的温度，所述基质被构造成将热能大致均匀地传递至所述样本。
2.如权利要求1所述的方法，还包括步骤：
从所述基质除去光能以便降低其温度并将所述基质维持至新的温度。
3.如权利要求2所述的方法，还包括主动冷却所述基质的步骤。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括步骤：
经由不与基质接触的传感器检测所述基质的温度。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括经由传感器检测来自所述样本的信号的步骤。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述样本为核酸样本。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括两个或多个激光二极管光源。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述基质被构造用于旋转。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，还包括通过聚焦、校准、分离、衍射、转换或反射来生成空间分布的且被指引到所述基质上的多个细光束的对所述光的光学操控的步骤。
10.用于调节样本温度的装置，其包括：用于将光投射到基质的激光二极管；所述光适于被大致均匀地投射到所述基质上，以便吸收并将光能转变成热能，由此相应于光能的强度升高基质的温度，所述基质被构造成将热能大致均匀地传递至所述样本。
11.如权利要求10所述的装置，其中基质的与所述光接触的部分具有高发射率。
12.如权利要求10所述的装置，其中基质的与所述光接触的部分为黑色的。
13.如权利要求12所述的装置，其中基质的不与所述光接触的部分为非黑色的。
14.如权利要求10至13所述的装置，其中所述基质由具有低密度、低比热容、高导热系数或高吸收系数的材料制成。
15.如权利要求10至14中任一项所述的装置，其中所述基质为带的形式。
16.如权利要求10至14中任一项所述的装置，其中所述基质为泡沫的形式。
17.如权利要求10至16中任一项所述的装置，其中所述基质由金属、合金、金属复合物或导热性聚合物制成。
18.如权利要求14所述的装置，其中所述基质为所述样本内的粒子的形式。
19.如权利要求18所述的装置，其中所述粒子包括量子点。
20.如权利要求18所述的装置，其中所述粒子包括磁性粒子。
21.如权利要求18所述的装置，其中所述粒子包括光敏剂。
22.如权利要求10至21中任一项所述的装置，还包括选自分束器、衍射光学元件、反射镜、透镜、光导或光学开关的一个或多个光学元件，其被定位在所述激光二极管和所述基质之间的光束路径中。
23.如权利要求10至22中任一项所述的装置，还包括风扇或鼓风机以便从所述基质除去热能。
24.如权利要求10所述的装置，还包括用于检测正被分析的样本的信号的信号处理器。
25.如权利要求10至24中任一项所述的装置，还包括便携式电池组。
26.如权利要求10至25中任一项所述的装置，其中所述基质包括两种或多种基质。
27.如权利要求10至26中任一项所述的装置，还包括不与所述基质接触的温度传感器。
28.用于扩增和/或分析核酸样本的方法，其包括步骤：
a.放置所述核酸样本与基质接触；
b.利用激光二极管光源加热所述基质至第一温度并维持所述第一温度；光被投射在所述基质上，以便吸收所述光并将光能转变成热能，由此相应于光能的强度升高所述基质的温度，所述基质被构造成将热能大致均匀地传递至所述核酸样本；
c.降低所述基质的温度至第二温度并将基质维持在所述第二温度；以及
d.检测所述核酸样本的荧光信号。
29.如权利要求28所述的方法，其中多于一个核酸样本被扩增。
30.如权利要求28所述的方法，其中热循环包括实时聚合酶链反应以便扩增所述核酸样本。
平衡辐射传递的方法和装置
[0001] 相关申请的交叉引用
技术领域
背景技术
[0005] 多重PCR包括单一PCR混合物内的多个引物集以便产生针对不同的DNA序列的尺寸变化的扩增子。通过一次靶向多个基因，额外的信息可以从单一试验运行中获得，否则的话将会需要若干倍的试剂和更多的时间来完成。用于这些引物集的每个的退火温度必须被优化以便在单一反应内正确地工作，并且扩增子的尺寸，也即，它们的碱基对的长度，应当是不同得足以在通过凝胶电泳显现时形成明显的带。
[0006] 用于PCR的商业的多功用套件是可利用的，并且被许多法医实验室所采用来扩增被降解的DNA样本。各商业套件比自身的多重化方法更具有大量的优点。质量控制措施由套件的制造商采取，并且确保了反应横跨所有的套件都是一致的。这避免了PCR预混液的制备，其需要用滴管吸取以及使用测定管，从而增大了操作者失误和污染的风险。此提高的可靠性允许获得自各商业套件的测验图形(profile)被获准进入在大的刑事审判中很关键的法庭。特殊套件在大量实验室使用还允许对各测验图形结果进行比较，只要在每个套件中使用的是相同的STR基因标记。
[0007] 多重PCR的应用中的一些包括：病原菌鉴定(Pathogen Identification)；高通量SNP基因分型(High Throughput SNP Genotyping)；突变分析(Mutation Analysis)；基因缺失分析(Gene Deletion Analysis)；模板定量(Template Quantification)；连锁分析(Linkage Analysis)；RNA测定(RNA Detection)；法医研究(Forensic Studies)。目前可用的系统是非常庞大而笨重的机器。这些机器不能够进行实时PCR和多重化两者。目前的各系统的尺寸和易碎性意味着它们是以实验室为基础的并且不能够在现场条件下被使用。
[0008] 目前的用于多重化的各装置需要数百瓦特来运行，并且这些能量的大约75％进入对样本的加热和冷却。如此高的能量需求将目前的机器限制于以实验室为基础的设置，在那里对连续能量供应的使用是可利用的。
[0009] 实时聚合酶链反应，也被称作“定量实时聚合酶链反应”(Q-PCR/qPCR/qrt-PCR)或“动态聚合酶链反应”(KPCR)，是基于PCR的一项技术，其被用来扩增且同时量化靶向的核酸分子。实时PCR能够检测和定量。该量可以要么是拷贝的绝对数目要么是在被正常化为DNA输入或额外的正常化基因时的相对量。
[0010] 该过程遵循聚合酶链反应的一般原理；其关键特征在于被扩增的DNA在该反应实时地进行时被检测。对于标准的PCR，反应的产物在其结束时被检测。用于在实时PCR中检测产物的两种常见的方法是：(1)使任何双链DNA分裂的非特异性荧光插入染料，和(2)包括被标记有荧光报告的寡核苷酸的序列特异性核酸探针，所述荧光报告容许仅在探针与其互补的核酸靶杂交之后检测。
[0011] 本发明的目标是减轻目前的装置和方法中的一些问题。
发明内容
[0012] 因此，本发明的第一方面提供了用于调节样本温度的方法，其包括利用激光二极管的光加热基质的步骤；所述光被投射到基质上，以便吸收该光并且将该光能转变成热能，由此相应于光能的强度升高基质的温度，该基质被构造成将热能大致均匀地传递至该样本。
[0013] 本发明的另一方面提供了一种用于调节样本温度的装置，其包括：用于将光投射到基质的激光二极管；所述光适于被大致均匀地投射到该基质上，以便吸收并将该光能转变成热能，由此相应于光能的强度升高基质的温度，该基质被构造成将热能大致均匀地传递至该样本。
[0014] 本发明的另一方面提供了一种用于扩增和/或分析核酸样本的方法，其包括步骤：
[0015] a.放置核酸样本与基质接触；
[0016] b.利用激光二极管光源加热该基质到第一温度并维持该第一温度；所述光被投射在该基质上，以便吸收光并将该光能转变成热能，由此相应于光能的强度升高基质的温度，该基质被构造成将热能大致均匀地传递至该核酸样本；
[0017] c.降低基质的温度到第二温度并将该基质维持在第二温度；以及
[0020] 图1A：根据本发明的部分黑色(仅仅环的外表面被变黑)的基质的等轴测视图(isotopical view)。图1B：根据本发明的部分(环的外表面上的黑色的带)黑色的基质的等轴测视图。图1C：根据本发明的部分(环的外表面上的黑色的圆)黑色的基质的等轴测视图。图1D：根据本发明的部分(容纳样本的黑色的槽/孔)黑色的基质的等轴测视图。替代地，整个基质是透明的并且仅各PCR样本管为黑色的。图1E：保持着具有PCR样本的PCR管的透明基质的等轴测视图，借此各PCR样本包含根据本发明的黑色的基质。替代地，所述黑色的基质可以被吸收到所述PCR样本管。图1F：根据本发明的作为可任意处理的基质的反应容器。
[0021] 图2A：利用具有用于束整形/校准的内置光学构件的来自Jenoptik的JOLD-4.2-BAXH-1E激光二极管的装置的俯视图。在该特定实例中，1×3衍射分束器(2D光栅)被用来将该束均匀地分离成三个细光束。图2B：利用具有用于束整形/校准的内置光学构件的来自Jenoptik的JOLD-4.2-BAXH-1E激光二极管的装置的俯视图。在该特定实例中，4个分束器(传输和反射各50％)被用来将该束均匀地分离成4个细光束。
[0022] 图3A：根据本发明的利用1×3衍射光学元件(DOE)进行束整形的装置的俯视图。图3B：针对各种束整形配置在60℃时的温度均匀性。所有的设置都导致小于±0.5℃的温度均匀性。具有多于三个细光束的中心对称布置达到了小于±0.1℃的温度均匀性。光纤、衍射光学元件(DOE)、和分束器被用于束整形。图3C：根据本发明的利用两个分束器和三个反射镜来生成相等强度的(1：1：1)三个细光束的装置的俯视图。图3D：根据本发明的利用分束器和衍射光学元件的组合来生成相等强度的(1：1：1：1：1：1：1：1：1：1：1：1)12个细光束的装置的俯视图。
[0023] 图4A：根据本发明的利用1×3光纤分束器以便均匀地加热环的热循环器装置的等轴测视图。图4B：根据本发明的利用被排列的分束器以便均匀地加热环的热循环器装置的等轴测视图。图4C：根据本发明的用于环的加热以及主动和被动冷却速度。图4D：用于根据本发明的装置的热管理的总功率消耗。
[0024] 图5A：在所述装置中采用的双通道荧光检测器的侧视图。图5B：被用于该装置的荧光检测器的检测极限(LOD)。
[0025] 图6A：针对鸟类流行性感冒H5的标准曲线。图6B：针对HIV-1的标准曲线。图6B：针对结核病(TB)的标准曲线。
[0026] 图7A：针对作为目标的鸟类流行性感冒H5的熔点曲线分析(MCA)。
[0027] 图8A：由Pt1000 RTD温度传感器测量的PCR样本温度对由热电堆监控的环温度。图8B：根据本发明由热电堆以闭环形式监控的一个PCR热循环(分别在95℃，60℃，和72℃时各5s)。图8C：基于相同的输入光功率，部分被变黑的环达到96℃(变性温度)较快。
‘空白’意思是环的内侧为裸露的被抛光的铝金属。
‘空白’意思是环的内侧为裸露的被抛光的铝金属。
[0028] 图9：根据本发明的一个方面使用散布在qPCR溶液中的磁性粒子进行加热。
[0029] 图10A：根据本发明的一个装置的俯视图。图10B：根据本发明的一个装置的等轴测视图。图10C：根据本发明的一个装置的侧视图。
[0030] 图11：根据本发明的一个装置的侧视图。
具体实施方式
[0031] 描述了用于调节样本温度的方法，其包括利用激光二极管的光加热基质的步骤；所述光被投射到基质上，以便吸收该光并且将该光能转变成热能，由此相应于光能的强度升高基质的温度，该基质被构造成将热能大致均匀地传递至该样本。
[0032] 大致均匀地加热基质将确保该基质利用最小量的能量被快速地加热。因为该方法被设计成在难以达到大电源的现场条件下被执行，所以有效地加热基质并且此后将热量传递到样本是必要的。通常该光应当在基质上至少在两个位置处几乎同时地被吸收以便允许有效的加热。
[0033] 存在允许光被投射在基质上的若干实施方式。在一种类型的各实施方式中，要么该基质要么该激光二极管被旋转，在该情况中，光被吸收，导致热能在基质上的均匀分布，由此该自旋越快，热能分布在基质表面上越均匀。
[0034] 在另一类型的各实施方式中，两个或多个激光二极管光源被用来加热基质。
[0035] 在另一类型的各实施方式中，该方法可以进一步包括通过聚焦、校准、分离、衍射、转换或反射而对该光的光学操控来产生空间分布的并被指引到基质上的多个细光束(beamlet)的步骤。
[0036] 光学操控的一个实例是，其中来自激光二极管的光束被分离、衍射和/或反射成至少两个细光束路径，从而允许该光辐射在两个位置处投射在基质上，使得所辐射的能量被吸收并被转变成热能，由此相应于所辐射的光强度升高基质的温度并将热能传递至样本。
[0037] 在光学操控的另一实例中，来自激光二极管光源的光束通过分离、衍射和反射该光束而被光学操控以生成多个细光束。这些细光束在若干位置处在空间中被指引到静止的基质，由此导致热能在基质上的均匀生成。
[0038] 在另一类型的各实施方式中，多于一个激光二极管光源可以被使用并且通过分离、衍射和反射各光束而被光学操控以生成多个细光束。
[0039] 优选地，该方法还可以包括从基质除去光能来降低其温度并维持该基质到新的温度的步骤。这允许该基质经由周围空气温度而冷却。在一个实施方式中，对基质的冷却可以通过利用喷射的薄雾或风扇主动冷却基质或者通过本领域中已知的其它方法而被进一步辅助。
[0040] 优选地，该方法还可以包括经由与基质不接触的传感器检测基质的温度的步骤。这种传感器可以包括热电堆。
[0041] 优选地，该方法还可以包括经由传感器检测来自样本的信号的步骤。这种传感器可以包括荧光检测器或检测磁共振方面的改变的传感器或能够检测生物样本的改变的任何传感器。
[0042] 优选地，该样本为核酸样本。所描述的方法和装置可以被用于核酸样本的扩增。这具有的优点为其与传统的工作流程相符。为与传统的工作流程相符，在一些实施方式中，该方法还可以包括步骤：冷却基质以便顺次冷却样本；以及如本领域中已知地检测样本的荧光。
[0043] 在此描述了用于调节样本温度的装置，其包括：用于将光投射到基质的激光二极管；所述光适于被大致均匀地投射到该基质上，以便吸收并将该光能转变成热能，由此相应于光能的强度升高基质的温度，该基质被构造成将热能大致均匀地传递至该样本。
[0044] 优选地，该装置是紧凑的和重量轻的，以允许其容易便携和现场可部署。该装置被设计成通过有效地加热基质而使用最小量的能量。这是通过激发光被大致均匀地吸收而有效地避免了热梯度从而将相应于该激发光的温度传导到基质、并且作为热量被传递到样本而实现的。这确保了样本被快速地、大致均匀地且使用最小量的能量加热。因为该装置被设计成在难以使用大的电源的现场条件下被使用，因此有效地加热基质并且由此将热量传递到样本是必要的。
[0045] 在一个实施方式中，生成热能的基质是在样本保持器的外部并且通过辐射、传导和对流将热能传递到样本。在另一实施方式中，生成热能的基质保持着样本。在另一类型的实施方式中，生成热能的基质悬浮在样本内部。
[0046] 在一个实施方式中，基质的与光接触的部分具有高的发射率。在本实施方式中，优选地基质与光接触的那部分是黑色的。不透明基质的表面特性是重要的。入射激光二极管光的各表面应当是亚光黑的以用于最大的吸收(黑色体的发射率是1)。然而，不入射激光二极管光的各表面不应当是黑色的以便在加热过程期间(特别地，分别在聚合酶热启动激活和变性步骤期间加热到95℃和维持95℃)减少辐射损失。在高于环境温度的温度下减少辐射损失显著地减少了总的功率消耗，因为需要更少的电/光输入功率来达到和/或维持激活、变性、和退火/延伸温度。对金属(例如铝)的选择性(例如通过掩蔽)黑色阳极化处理将会是生成亚光黑光洁度的一种可行方式。替代地，这些表面可以通过电镀技术生成(例如‘黑金’)。选择性生成非黑色表面的一个实例将会是通过物理和/或化学抛光。
[0047] 在一个实施方式中，基质的未与光接触的部分为非黑色的。基质表面特性可能是重要的。亚光黑的表面在可见光谱中将比光亮的裸金属有效得多地辐射。光亮的金属表面由于其低的表面面积而具有低效率的发射率。在可见光谱中的发射率与颜色密切相关。对于大多数材料而言，在可见光谱中的发射率类似于在红外光谱中的发射率。优选地，基质的与激发光接触的表面是黑色的以便最大化从基质到样本的热传递，然而，基质的不与激发光接触的那些部分优选是白色的或光亮的裸金属以避免从该装置的不必要的热量损失。
[0048] 优选地，基质由具有低密度、低比热容、高导热系数或高的吸收系数的材料制成。低的(热)质量允许快速的温度转移速度/改变。此外，低的热质量与低的热容量有关，从而将用于加热和冷却的总的功率消耗保持在最小限度。而且，高的导热系数提供了有效的热传递，防止了温度梯度的建立，并且从而允许在基质内的均匀的温度分布。另外，温度均匀性可以通过相对于各细光束旋转基质而进一步被增强。而且，该旋转通过将多个qPCR样本移动经过小型化的荧光检测器而允许分析该多个qPCR样本。与基质物理接触的所有构件，除了样本和/或各样本管之外，应当是具有低/差热容量的隔热体。
[0049] 基质可以由下列类型的材料制成：金属，金属合金，和金属复合物(例如，铝，镁，和钢)，陶瓷(例如氮化铝)，导热性聚合物(例如聚丙烯，聚碳酸酯，聚酰胺，聚烯烃，和液晶聚合物)，各种的碳种属(例如金刚石，碳纳米管，和碳纤维/粒子)，以及它们的任意组合(例如被涂覆导热性聚合物的金)。
[0050] 在一个实施方式中，基质呈带的形式，诸如环。这可以采取若干形式，例如环的整个外表面可以通过利用各种的掩蔽技术(例如蜡)对抛光的铝环进行选择性阳极氧化而被制成亚光黑的(见图1A)。本例中，环的高度与激光二极管光的各细光束的直径有关。此外，用于容纳各PCR管的各孔/槽可以被变黑或不变黑。
[0051] 在又另一实施方式中，基质呈环的形状，借此仅仅小的亚光黑带覆盖着该环的外表面(见图1B)。该装置具有更小的亚光黑表面面积以及因此减少的辐射损失和较低的总功率消耗。这里，激光二极管光的各细光束的直径可以通过使用不同类型的校准器/聚焦器被改变(在激光二极管光的30-200mm的自由空间传播距离上通常0.5-5mm的束直径)。此外，用于容纳各PCR管的各孔/槽可以被变黑或不变黑。
[0052] 在又另一实施方式中，基质呈环的形状，借此仅仅几个亚光黑的圆覆盖着该环的外表面(见图1C)。在电/光输入功率方面，该装置代表了最经济的方案之一并且不需要基质被旋转。
[0053] 在又另一实施方式中，基质呈透明的环的形状，借此仅仅容纳各PCR管的各孔/槽被变黑(见图1D)。
[0055] 在一个实施方式中，基质可以呈样本内的粒子的形式，例如在PCR样本内粒子或光敏剂呈胶体配置(见图1E)。样本内的这些粒子可以呈溶液、悬浮液、(胶体)分散体、或乳状液的形式。这些基质的实例可以是[但不限于]量子点(例如金粒子)、磁性粒子、人造金刚石、光敏剂、以及它们的任意组合。除它们作为基质的作用外，各量子点、各磁性粒子、和各光敏剂可以作为用于额外的感测目的的探针被采用(例如量子点的发射光谱中的光谱移位可以作为温度传感器被使用)。而且，磁性粒子(例如二氧化硅涂覆的顺磁性粒子)可以被用于在PCR之前的样本制备。
[0056] 直接使用基质作为可任意处理的反应容器也是可能的。图1F示出了基质的说明性实例，该基质通过对亚光黑的导热性聚合物(例如聚丙烯)和天然的透明聚丙烯的共注射模制而制成。这里，透明的底部或盖子将允许光学检测。除了低成本外，可任意处理的基质还防止了在随后的各qPCR运行之间的交叉污染-这是在传染病的临床诊断中的重要方面。
[0057] 在又另一实施方式中，基质可以呈PCR样本溶液内的金属网或金属泡沫的形式。
[0058] 该装置包括激光二极管光源。在一个实施方式中，该装置还包括另外的激光二极管光源。两个或更多激光二极管可以在不同的波长、频率、相位、或光输出功率下被操作。激光二极管光在此也被称作束(一个或多个)或细光束(一个或多个)。为将激光二极管光沿路线引导至基质，不同的光学构件，诸如校准器/聚焦器、分束器(例如板分束器)、光学开关、衍射光学器件(例如2D光栅或扩散器)、反射镜等可以被使用。这些光学元件中的一个或全部可以已经是激光二极管的主要部分。一个这样的实例可以是具有用于光束整形/校准的内置菲涅尔透镜的激光二极管(见图2A和2B)。在一个实施方式中，被整形为环状环(例如由轴棱锥生成的)形式的光束可以被使用，借此激光二极管光可以要么从基质上方要么从基质下方被投射。该装置将具有的优点在于，单独的一个光学元件将足以提供对基质的大致均匀的照明，而不会建立局部的温度梯度。
[0059] 在一个实施方式中，该装置还包括选自分束器、衍射光学元件、反射镜、透镜、光导或光学开关的一个或多个光学元件，其被定位在激光二极管和基质之间的光束路径中。存在若干方式来优化各光学元件的使用。各激光二极管和各光学元件的任何排列都应当被计算以便大致均匀地加热基质。
[0060] 在一个实施方式中，该装置包括与两个反射镜结合的1×3衍射光学元件(DOE)(作为用于操纵激光二极管光的二维光栅的实例)(见图3A)。这里，带尾纤的激光二极管的束被校准和分离成相等强度的(1：1：1)3个细光束，它们沿着该环被相等地间隔开(120°)。第0级细光束直接射到该环上，而各第1级细光束被两个反射镜转向到该环上。该特定装置提供了在静止的(非旋转的)环内的均匀的温度分布。处于闭环中的热电堆温度传感器被用于无接触的温度测量。各种衍射级可以被使用。而且，三维衍射光学元件可以被使用。优选地，各细光束的分离比率应当是相等的。然而，任何分离比率都可以被采用。
尽管不相等的分离比率可能导致环内的较大的温度梯度，但该温度梯度可以通过改变环的旋转速度而容易地被降低到±0.5℃以下。对于任何给定的设置，温度均匀性可以通过调节以下四个独立的参数而被有效地控制在±0.5℃内：细光束的相对取向、数目、和光输出功率，以及环的旋转速度。增大环的旋转速度补偿了各细光束中不平衡的功率分布-即一特征，其开创了用于将红外线(IR)辐射分配至该环的新方式(见图3B)。图3A的图例：C为校准器，D为1×3衍射光学元件(DOE)，G为玻璃PCR管，M1和M2为将分离的细光束投射到环上的反射镜，R为环，T为热电堆。图3A中所示的环的设计是有利的，因为其对于给定的环直径提供了很低的热质量。
尽管不相等的分离比率可能导致环内的较大的温度梯度，但该温度梯度可以通过改变环的旋转速度而容易地被降低到±0.5℃以下。对于任何给定的设置，温度均匀性可以通过调节以下四个独立的参数而被有效地控制在±0.5℃内：细光束的相对取向、数目、和光输出功率，以及环的旋转速度。增大环的旋转速度补偿了各细光束中不平衡的功率分布-即一特征，其开创了用于将红外线(IR)辐射分配至该环的新方式(见图3B)。图3A的图例：C为校准器，D为1×3衍射光学元件(DOE)，G为玻璃PCR管，M1和M2为将分离的细光束投射到环上的反射镜，R为环，T为热电堆。图3A中所示的环的设计是有利的，因为其对于给定的环直径提供了很低的热质量。
[0061] 在又另一实施方式中，该装置包括与三个反射镜结合的2个板分束器的阵列(见图3C)。这里，带尾纤的激光二极管的束被校准和分离成相等强度的(1：1：1)3个细光束，它们沿着该环被相等地间隔开(120°)。该特定装置提供了在静止的(非旋转的)环内的均匀的温度分布。处于闭环中的热电堆温度传感器被用于无接触的温度测量。分束器和反射镜的数目可以被改变。优选地，包括排列的分束器的任何组合/排列应当产生相等强度的细光束。然而，尽管不相等的分离比率可能导致环内的较大的温度梯度，但该温度梯度可以通过改变环的旋转速度而容易地被调节。替代地，1×N光纤分束器可以被使用(见图3D)。
[0062] 在又另一实施方式中，该装置包括4个排列的分束器、四个反射镜、和4个1×3衍射光学元件的组合(见图3E)。这里，带尾纤的激光二极管的束被校准和分离成相等强度的(1：1：1：1：1：1：1：1：1：1：1：1)12个细光束，它们沿着该环被相等地间隔开(30°)。该特定装置提供了在静止的(非旋转的)环内的均匀的温度分布。处在闭环中的热电堆温度传感器被用于无接触的温度测量。替代地，扩散器可以代替1×3衍射光学元件被使用。分束器、反射镜、和衍射光学元件的数目可以被改变。优选地，包括排列的分束器的任何组合/排列应当产生相等强度的细光束。然而，尽管不相等的分离比率可能导致环内的较大的温度梯度，但该温度梯度可以通过改变环的旋转速度而容易地被调节。
[0063] 优选地，该装置还可以包括风扇或鼓风机以便从基质除去热能。风扇或鼓风机可以主动地改变或控制基质的温度(包括PCR管和PCR样本)。替代地，涡流管或压缩空气可以被使用。
[0064] 优选地，该装置还可以包括用于检测正被分析的样本的信号的信号处理器。该装置传感器可以是荧光信号处理器，其被连接至荧光检测器以用于处理荧光信号(自PCR管中的PCR样本中显露出来的)。替代地其可以用于对电磁辐射的检测。
[0065] 优选地，该装置包括便携的电池组。被用来加热基质的激光二极管光源需要电能来工作。该装置被设计成消耗少于10 Wh的电能来产生用于变性、退火和延伸的热循环。于是该装置将是紧凑的和重量轻的，这允许其容易便携和现场可部署。该装置可以被使用在远程设置中并且由犹如在膝上型和笔记本电脑中所使用的锂离子电池组供能。该装置优选地包括小形状因数的电池组(锂离子或锂聚合物基的电池组)。
[0066] 在一个实施方式中，基质可以包括两种或多种基质。此可能性是使用一个被校准的激光二极管光束(除了至少一个反射镜外在校准器和基质之间没有放置任何其它光学元件)来将激光二极管光投射在多个基质处(见图10A-C)。这是一个优点，因为仅需要有限数量的光学元件来影响加热。该装置的另一个优点是，各样本的热质量几乎与各基质的热质量相等，这将使能够更快地加热和冷却(相比于具有更大的热质量的一个大的基质)。而且，各基质将充当可任意处理的反应容器。例如在图10A中，被插入基质保持器中的3个旋转的可任意处理的黑色基质，由一个激光二极管光束同时加热。例如在图10B中，被插入基质保持器中的6个旋转的可任意处理的黑色基质，由一个激光二极管光束同时加热。
[0067] 代替步进电机，DC电动机或声学电动机(见图11)可以被使用。图11示出了印刷电路板(PCB)基电动机的实例，其使用摩擦力来旋转基质保持器。总共3个黑色的可任意处理的基质被插入基质保持器中，借此激光二极管束被引导，如在图10A中所描绘。
[0068] 该装置还可以包括不与基质接触的温度传感器。
[0070] 在此描述了用于扩增和/或分析核酸样本的方法，其包括步骤：
[0071] a.放置核酸样本与基质接触；
[0072] b.利用激光二极管光源加热该基质到第一温度并维持该第一温度；所述光被投射在该基质上，以便吸收光并将光能转变成热能，由此相应于光能的强度升高基质的温度，该基质被构造成将热能大致均匀地传递至该核酸样本；
[0073] c.降低基质的温度至第二温度并将该基质维持在该第二温度；和
[0074] d.检测该核酸样本的荧光信号。
[0075] 优选地，多于一个核酸样本被扩增。
[0076] 优选地，该热循环包括实时聚合酶链反应以便扩增该核酸样本。详细的方法可以包括下列步骤。
[0077] a.将该核酸样本与该基质关联起来以便传递热能；
[0078] b.利用来自激光二极管光源的电磁辐射加热该基质，该基质被构造成吸收辐射并将所辐射的能量转变成热能从而相应于所辐射的光强度升高基质的温度；并且然后将热能传递至该核酸样本，
[0079] c.诸如风扇或鼓风机的冷却系统从该基质除去热能；并且然后通过利用来自激光二极管的较低的光强度加热基质而将基质的温度维持在该新的热状态下；
[0080] d.一个热循环包括加热和冷却/维持阶段；
[0081] e.于是产生包括至少一个加热和冷却周期的热循环，并且该核酸样本包含至少一个核酸，其响应于该热循环而经历扩增；
[0082] f.检测该核酸样本的荧光。
[0083] 该方法适合于扩增多于一个核酸样本。
[0084] 优选地，该方法包括实时聚合酶链反应以便扩增该核酸样本。
[0085] 该方法依靠光子原理，借此激发光将光能转变成热能并将该热能传递至样本。
[0086] 优选地，该方法用于扩增多于一个核酸样本。优选地，该方法使用实时聚合酶链反应来扩增该核酸样本。将被理解的是，在此所描述的方法可以被应用于本领域中已知的任何核酸扩增方法。
[0087] 优选实施方式：
[0088] 该系统能够使用有多功用能力的荧光检测器俘获实时qPCR数据。目前，通过沿着该环的周围放置一个或多个检测器，可见光谱(VIS)中的高达4个颜色/光通道(蓝，绿，橙，和红)可以同时被处理。然而，系统并不限于4个光通道并且可以被相应地升级，例如通过引入紫外线区(UV)、VIS、和近红外线区(NIR)中的额外通道。取决于该系统的构造，一次1-36个样本可以被处理。通常，工作容积在1到10uL的范围内。如有需要，通过相应地改变系统，较大的容积可以被处理。
[0089] 该系统的运行模式完全依靠光子原理：不同波长、频率、和相位的光被用于加热/冷却、温度感测、位置感测、和光学检测。
[0090] 图4A描绘了一种装置的实例。8W 808nm的激光二极管光束被使用1×3光纤分束器相等地分离成3个细光束并且被投射到保持着多个PCR样本管的步进电机驱动的亚光黑的环上。在反馈环中工作在5μm以上的热电堆温度传感器通过调整激光二极管驱动电流而控制该环的温度。除了自然对流和/或辐射外，风扇允许利用周围空气主动冷却。运行在980nm的光学断续器/挡光板(flag)将黑色的环-并因而将PCR样本管1移动到其在光学检测系统上方的原位置，以便启动实时荧光数据采集，这通过要么以走走停停的(stop-and-go)模式要么以动态(on-the-fly)模式的增量步计数而执行。两颜色光学检测(图5A)在475和655nm之间被监控。图4A的图例：A3为荧光检测系统的非球面透镜，De为两颜色光学检测系统，Fa为用于利用周围空气主动冷却的冷却风扇，Fi1-3为1×3光纤分束器的3个光纤端部，G为PCR玻璃毛细管，I为用于指示/绘制样本位置的光学断续器连同光学挡光板，L1和L2为在荧光检测器中被用作激发光源的LED，R为用于吸收由光纤导向的激光二极管光的黑色环，St为用来旋转该环的步进电机，T为用于控制该环温度的热电堆温度传感器，W为用于将该环接合至电动机轴的轮。杆的尺寸为10mm。断续器可以由绝对或增量编码器取代。
[0091] 图4B描绘了又另一种装置，其中10W 980nm的激光二极管的被校准的光束被校准、利用板分束器和反射镜的阵列被相等地(1：1：1：1)分离成4个细光束、并被投射到保持着多个PCR样本管的步进电机驱动的亚光黑的环上。所有三个分束器的分离比率为50：50(传输/反射)，即射到黑色的环上的所有4个细光束携带了25％的原始强度。图4B的图例：A3为荧光检测系统的非球面透镜，BS为50：50的板分束器，C为用于校准或聚焦激光二极管光的带尾纤的校准器，De为两颜色光学检测系统，Fa为用于利用周围空气主动冷却的冷却风扇，G为PCR玻璃毛细管，M为用来将各细光束投射到环上的45°反射镜，R为用于吸收由光纤导向的激光二极管光的黑色的环，St为用来旋转该环的步进电机，T为用于控制该环温度的热电堆温度传感器，W为用于将该环接合到电动机轴的轮。要理解的是，其它类型的光学布置可以替代地被使用，例如整体式方法，其中各分束器和各反射镜被融合成一个光学元件。而且，具有不同的分离比率、涂层、和入射角的分束器可以进行组合。此外，具有不同的涂层和入射角的反射镜可以进行组合。利用各种排列，该装置的热管理可以利用运行于不同的波长和/或强度的激光二极管而被实现。
[0092] 亚光黑的黑色阳极化处理的铝环被用作基质保持器来从各细光束吸收红外线辐射(见图1A-E)。所吸收的热量通过传导和/或辐射被传递至保持在基质保持器周围的位置处的PCR样本管。与包覆成型有聚丙烯(PP)的玻璃或塑料PCR样本管结合的黑色阳极化处理的铝环，和聚醚醚酮(PEEK)轮的组合，产生了超过±10℃/s的温度转移速度(见图4C)和大约4W的平均功率消耗(见图4D)。除了铝之外，其它的导热性材料，诸如金属、金属合金、金属复合物、陶瓷、导热性聚合物、各种碳种属、以及它们的任意组合可以被使用。亚光黑的阳极化处理的镁因其低的比重而是优选的。
[0093] 在一个实施方式中，整个环是亚光黑的。亚光黑的表面可以通过各种技术被生成，诸如阳极化方法、电化学镀、无电沉积、喷涂、碳化、碳纤维掺合、光敏剂掺合等。亚光黑的表面是优选的，因为其作用就像黑色体，由此在宽泛的波长范围上吸收所有入射的电磁辐射。
[0094] 在另一实施方式中，环表面具有大于0.9的发射率值。在又另一实施方式中，环的仅红外线(IR)辐射射在上面的那些区段被变黑(例如利用具有大于0.9的发射率值的涂层)。在又另一优选实施方式中，该环涂层具有大致等于1的发射率值。其它各部分不被变黑或涂覆以便最小化辐射损失，这可能贡献多达30％。优选的那些未被变黑的部分应当具有小于0.9的发射率(见图1A-E)。除了IR之外，其它波长的电磁光谱，诸如紫外光(UV)或可见光(VIS)可以被采用。
[0095] 两通道荧光检测器是以板上组装有常见的(电)光学构件的小型光学台座为基础的(见图5A)。利用低成本的LED、抗反射(AR)涂覆的非球面透镜、气密密封的硅(Si)光电二极管、以及硬涂层(hardcoated)滤光器在装置的整个生命周期内无需任何维护或校正。与离轴(off-axis)取向不同，激发和发射光束路径的在轴(in-axis)构造增加了相对于PCR样本管位置和几何形状的更多的灵活性。此外，每个LED是单独被调制的，这使得在环境光下同时监控两个光通道是可能的。图5A示出了两颜色光学检测系统的侧视图。图5A的图例：A1和A2为用于校准LED激发光的非球面透镜，A3为用于将激发光聚焦至PCR样本管中并且将来自PCR样本管的荧光性光校准到光检测器上的非球面透镜(见图4A和B)，Di为双波段二色性反射镜，Em为双波段发射滤光器，Ex1和Ex2为激发滤光器，Fa为用于利用周围空气主动冷却的风扇，Fi1-3为1×3光纤分束器适配器，G为玻璃PCR管，Li为用于使从二色性反射镜反向散射的杂散光最小化的挡光装置，Lo为长通滤光器，P为Si光电二极管，R为亚光黑的环，Sh为步进电机轴，St为步进电机，T为热电堆温度传感器，W为用于将环接合至步进电机轴的轮。杆的尺寸为10mm。在另一个实施方式中，辐射热测定器或高温计可以被用于温度控制。纵使仅采用标准的显微法荧光滤光器装置并且使用小于
5μL的qPCR反应容积，该装置也可与对于在qPCR中通用的大多数荧光探针具有小于1nM的检测极限(LOD)的在售的任何热循环器相匹敌(见图5B)。
5μL的qPCR反应容积，该装置也可与对于在qPCR中通用的大多数荧光探针具有小于1nM的检测极限(LOD)的在售的任何热循环器相匹敌(见图5B)。
[0096] 迄今为止，该系统已在以传染病为目标的qPCR应用中使用世界卫生组织标准利用临床样本被评估，所述传染病诸如流行性感冒(见图6A)、HIV-1(见图6B)、结核病(见图6C)、和肝炎(数据未示出)。我们已针对伴随诊断(companion diagnostics)，使用该巧妙的扩增过程(SMAP)利用血液样本进行了可行性研究，例如灭鼠灵(数据未示出)。与PCR不同，SMAP为在60℃下执行的等温扩增过程，其中变性步骤受生化酶影响。因此，仅仅需要大约1.4W的平均功率消耗，这就是为什么等温扩增形式对于使用我们的装置的分散诊断测试而言是有吸引力的选择。
[0097] 至今所用的激光二极管从400nm(UV)以下到超过2300nm变动。
[0098] 图7A描绘了针对H5目标(黑)和非模板控制(红)的熔点曲线分析。
[0099] 与小于2kg的重量和小的DIN A5形状因数相结合的低功率消耗使得在现场利用标准的锂离子12-电池98Wh的膝上型电脑电池组运行该装置持续整个工作日是可能的。
[0100] 在另一实施方式中，该装置/系统包含额外的构件，诸如显示器、全球定位系统(GPS)、电池组/再充电电路、无线局域网(WLAN)、在操作期间保护用户免受辐射危险的互锁系统(一个或多个)、射束光闸，复数个绝对或增量位置编码器、MCU/嵌入式PC，控制器(一个或多个)，和用于那些构件中的每个的软件；以及用于为所述装置供能的电源。
[0101] 图8A示出了由Pt1000电阻温度装置(RTD)传感器和热电堆测量的qPCR样本温度的相关性，其被标定用于在常温和100℃之间的温度。
[0102] 图8B描绘了一个完整的热循环(在95℃时5s，在60℃时5s，并且在72℃时5s)，借此温度被利用热电堆监控。黑色指示目标温度而蓝色指示热电堆内的参考温度。
[0103] 完全黑色的环和部分黑色的环的比较(见图8C)表明，辐射损失通过使用部分变黑的环(在黑色阳极化处理期间内侧和孔/槽被保护)而被降低。这里，部分被变黑的环在较短的时间内达到95℃(见图8C)。
[0104] 使用顺磁性粒子加热，其中该‘基质’被悬浮到qPCR溶液中(见图1E)。令人吃惊地，温度直到大约130℃还是稳定的。该特征允许将目标温度设定在100℃以上并且因而允许较快的坡度/加热速度。另外，该加热模式将不受水的任何振动特征限制，即该加热模式是不受波长限制的并且允许仅基于其效率和成本选取激光二极管(见图9)。同时，顺磁性粒子可以被用于在qPCR之前的样本制备过程。
[0105] 优选实施方式
[0106] 实例1
[0107] 在一个实施方式中，本发明为用于扩增核酸样本的热系统，其包括：
[0108] -从激光二极管光源发射的电磁辐射；
[0109] -光学操纵系统，其使用光纤、校准器/聚焦器、板分束器、衍射光栅和反射镜分离来自激光二极管的光束并生成空间分布的多个细光束；
[0110] -基质，其被定位在上述的各细光束的路径中并且被构造成吸收所辐射的光能并生成热能；
[0111] -用来保持所述核酸样本的保持装置(反应隔室)，所述保持装置与基质物理接触，所述保持装置被构造成将热量从基质传送至核酸样本；和
[0112] -包含至少一个核酸的核酸样本，其响应于热循环而经历扩增；
[0113] -冷却系统，用来将所述基质和样本冷却到不同的温度设置；
[0114] -铂RTD传感器、热电偶和非接触热电堆传感器，用来精确地测量基质和样本的温度；
[0115] -反馈PID控制系统，用于上面所述的热管理并且用来产生核酸处理所需要的热循环，例如用于变性的95℃和用于退火/延伸的60℃；
[0116] -包含至少一个核酸的核酸样本，其响应于热循环而经历扩增。
[0117] 实例2
[0118] 实例1中的实施方式的用于扩增核酸样本的热系统还包括：
[0119] -额外的保持装置(＝反应隔室)，用来保持额外的核酸样本；
[0120] -额外的电磁辐射激光二极管光源；
[0121] -实施方式1的上述的核酸样本与该额外的核酸样本被置于与基质物理接触并被间隔开，且经由所述基质而彼此热连通；并且
[0122] 该基质被构造用于旋转，使得各分离的核酸样本每次被定位在从每个电磁源辐射的光的路径中、并且每个核酸样本所经历的每个热循环是相同的。
[0123] 实例3
[0124] 热循环器装置，其包括：
[0125] -检测系统；
[0126] -荧光信号处理器，其被连接至所述检测系统以用于处理由所述检测系统检测的荧光信号；
[0127] -如上面在实施方式的实例1或实施方式的实例2中所限定的热系统；
[0128] -光学构件，诸如显示器、GPS、电池组/再充电电路、WiFi、用于检测系统的光学位置传感器、MCU/嵌入式PC、控制器(一个或多个)和用于那些构件中的每个的软件；以及[0129] -用于为所述装置供能的电源。
[0130] 该装置被设计成与软件一起使用，所述软件包括：a)界面，在运行结束时的qPCR数据处理，日志服务(GPS)，实时数据流(与专用服务器结合的WiFi/GSM)，卫生保健服务，GMP顺从性(compliance)，科学出版的最小需求，远程诊断功能。
[0131] 本领域的技术人员将意识到，在此所描述的本发明能容许不同于那些具体描述的实例的变体和修改。本发明包括所有这些变体和修改。本发明还包括在说明书中被提到或指出的所有这些步骤、特征、公式和化合物，以单独地或全体地、以及这些步骤或特征的任意和全部组合或任意两个或多个的方式。
[0132] 本文中引用的每份文献、参考资料、专利申请或专利都以其整体通过引用而被明确地合并于此，这意味着其应当作为本文的一部分而被读者阅读和考虑。本文中引用的文献、参考资料、专利申请或专利没有在本文中进行重复只是出于简明的原因。
[0133] 用于在此提及的任何产品的或者在通过引用合并于此的任何文献中的任何制造商的指示、说明、产品说明书、及产品页，因此都通过引用合并于此，并且在本发明的实践中可以被采用。
[0134] 本发明不打算由在此所描述的各具体实施方式的任一个在范围上进行限制。这些实施方式仅仅意在用于例证的目的。在功能上等同的产品、公式和方法明显地在如这里所描述的本发明的范围内。
[0135] 在此所描述的本发明可以包括数值(例如尺寸、浓度等)的一个或多个范围。各数值的范围将被理解成包括该范围内的所有的值，包括定义该范围的值、和产生与紧邻限定该范围的边界的那个值的那些值相同或大致相同结果的那些邻近该范围的值。
[0136] 除非上下文另有需要，贯穿本说明书地，词语“包括”或者各变型诸如“包含”或“含有”，将被理解成暗示对所陈述的整数或整数集合的包含而非对任何其它整数或整数集合的排除。还要注意的是，在本申请中并且特别是在各权利要求和/或各段落中，诸如“包括”、“被包括”等的术语可以具有在美国专利法中被归于其的含义；例如，它们可以意指“包含”、“被包含”等；并且诸如“主要由……组成”和“主要由……构成”的术语具有在美国专利法中被归于它们的含义，例如，它们允许未被明确记载的要素，但排除在现有技术中被发现的或者影响本发明的基本或新颖特征的那些要素。
[0137] 用于此处所用的被选定的术语的其它定义可以在本发明的具体实施方式部分中被找到并且应用始终。除非另外被限定，在此所用的所有其它的科技术语具有与本发明所属领域的技术人员所通常理解的相同的含义。
[0138] 虽然本发明已参考具体的方法和实施方式进行描述，将被意识到的是，在不偏离本发明的情况下可以做出各种修改和改变。
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