具有內(nèi)置熱電元件的熱塊的制作方法
【專利摘要】通過使用構(gòu)建到塊體中的具有熱電加熱／冷卻元件的熱塊，或使用具有從其下表面突出的楔形物的熱塊，實(shí)現(xiàn)在微量平板的孔中或在包含反應(yīng)孔陣列的任意薄壁平板的孔中、或在多通道微流體裝置的通道中的快速、均一的溫度變化，其中熱電元件被放置與每個(gè)楔形物的斜邊表面接觸。
【專利說明】具有內(nèi)置熱電元件的熱塊
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考
[0002]本申請(qǐng)要求于2011年6月8日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?1 / 494，742的權(quán)益，其全部?jī)?nèi)容通過引用結(jié)合在本文中。
[0003]發(fā)明背景
[0004]1.發(fā)明領(lǐng)域 [0005]本發(fā)明涉及序貫的化學(xué)反應(yīng)，其中聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)為一個(gè)實(shí)例。具體地，本發(fā)明提出用于在多個(gè)反應(yīng)混合物中同時(shí)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)同時(shí)密切控制每個(gè)混合物中的溫度的方法和裝置。
[0006]2.現(xiàn)有技術(shù)描述
[0007]PCR是需要對(duì)在程序的不同階段之間具有快速溫度變化的反應(yīng)混合物進(jìn)行高水平的溫度控制的多個(gè)化學(xué)過程實(shí)例中的一個(gè)。PCR本身是用于擴(kuò)增DNA的過程，即，從攜帶序列的單鏈產(chǎn)生多個(gè)拷貝的DNA序列。典型地，PCR在多個(gè)反應(yīng)容器如孔、管或毛細(xì)管中提供試劑轉(zhuǎn)移、溫度控制和產(chǎn)物的光學(xué)檢測(cè)的儀器中進(jìn)行。該過程包括一系列對(duì)溫度敏感的階段，不同的階段在不同的溫度下進(jìn)行并且溫度順序以連續(xù)的循環(huán)重復(fù)。
[0008]盡管PCR可以在任意反應(yīng)容器中進(jìn)行，但是反應(yīng)容器的選擇為多孔反應(yīng)板、多通道微流體裝置以及同時(shí)在多個(gè)樣品中進(jìn)行該過程的類似結(jié)構(gòu)。每個(gè)樣品貯器，不管其是多孔平板的孔還是多通道微流體裝置的通道，將容納獨(dú)立的樣品，并且在該過程的每個(gè)階段，所有的樣品均被同時(shí)平衡至共同的熱環(huán)境。
[0009]例如，96-孔平板可以用于高通量PCR中，其通過將樣品置于每個(gè)孔中，并且將該平板被放置與通常稱為“熱塊(thermal block) ”的金屬塊接觸，并且通過珀耳貼(Peltier)(熱電)加熱/冷卻元件或通過經(jīng)由設(shè)置在塊體中的通道循環(huán)傳熱流體的閉環(huán)式液體加熱/冷卻系統(tǒng)按照已確定的方案加熱和冷卻該金屬塊。盡管廣泛描述珀耳貼元件用于該應(yīng)用，但是，可以通過增加該元件與熱塊之間的熱傳遞和減少該元件上的熱負(fù)荷而提高珀耳貼元件的效率。
[0010]發(fā)明概述
[0011]本發(fā)明涉及具有構(gòu)建到塊體中的一個(gè)或多個(gè)珀耳貼元件的熱塊。術(shù)語(yǔ)“珀耳貼元件”和“熱電加熱/冷卻元件”在本文中可互換使用。如熟悉這些元件的技術(shù)人員公知的，它們?nèi)Q于通過它們的電流的方向而作為加熱或冷卻元件工作。采用構(gòu)建到熱塊中的珀耳貼元件，與常規(guī)排列(其中珀耳貼元件和熱塊為獨(dú)立的部件，它們?cè)谑褂脮r(shí)必須連接在一起)相比，得到的構(gòu)造具有較少的熱界面。常規(guī)珀耳貼元件是一種層壓結(jié)構(gòu)，其外層是導(dǎo)熱的陶瓷材料，而本發(fā)明的熱塊利用常規(guī)熱塊的金屬片作為珀耳貼元件朝向反應(yīng)平板的的一側(cè)上的外層。因此，形成熱塊的各層從上到下為:(i)金屬片，其上表面的輪廓與反應(yīng)平板的底面的輪廓相匹配，由此當(dāng)平板下降到金屬片上時(shí)，提供與樣品板的每個(gè)樣品貯器的最大接觸；(ii)在所述金屬片下表面上的電絕緣材料薄層；(iii)將P-摻雜的和N-摻雜的半導(dǎo)體塊連接在一起的導(dǎo)電條，P-摻雜的和N-摻雜的半導(dǎo)體塊是珀耳貼元件的工作部件；
(iv)半導(dǎo)體塊本身；(V)在所述半導(dǎo)體塊底部的導(dǎo)電條；和(Vi)散熱器。在本發(fā)明的特定實(shí)施方案中包含的任選的附加的層是在導(dǎo)電條的下層和散熱器之間的電絕緣層。上文提及的作為層(V)的導(dǎo)電條與散熱器熱耦合，術(shù)語(yǔ)“熱耦合”用在本文中表示熱容易從導(dǎo)電條傳到散熱器，反之亦然，直接地傳熱或者當(dāng)存在電絕緣層時(shí)，通過電絕緣層傳熱。在本發(fā)明的特定實(shí)施方案中，層(ii)，(iii)，(iv)和(v)和散熱器形成永久連接在一起的單件，然后，該單件可通過可拆裝的連接裝置如螺釘緊固件、夾具等與金屬塊連接。在其他實(shí)施方案中，所有六層永久連接在一起形成單件。常規(guī)的永久連接手段，如膠粘劑，可以用在后面所述的這些實(shí)施方案中。
[0012]本發(fā)明的這些和其他實(shí)施方案、目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將通過附上的附圖和下述描述而清楚。[0013]附圖簡(jiǎn)述
[0014]圖1是與反應(yīng)平板組合的本發(fā)明的熱塊的一個(gè)實(shí)例的一部分的橫截面視圖。
[0015]圖2是與反應(yīng)平板組合的本發(fā)明的熱塊的另一個(gè)實(shí)例的一部分的橫截面視圖。
[0016]圖3是與本發(fā)明的熱塊的另一個(gè)實(shí)例組合的作為反應(yīng)平板的微流體裝置的立體圖。
[0017]圖4是圖3的微流體裝置和熱塊的橫截面視圖。
[0018]發(fā)明和所選實(shí)施方案的詳述
[0019]如上文所示，術(shù)語(yǔ)“樣品板”用在本文中表示在單個(gè)位置容納樣品(反應(yīng)混合物)的任意裝置或部件，在所述單個(gè)位置，樣品(反應(yīng)混合物)可以單獨(dú)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而不會(huì)受到在該板其他位置處的樣品中發(fā)生的反應(yīng)的影響或干擾。盡管在本文中詳細(xì)關(guān)注多孔平板和微流體裝置作為樣品板的實(shí)例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚在多個(gè)少量反應(yīng)混合物中同時(shí)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的其他實(shí)例。對(duì)于作為多孔平板的樣品板，該平板通常由熱容易通過的薄材料制成，并且孔以幾何陣列(通常是矩形陣列)排列，相鄰間通過平板的平臺(tái)部分連接，在多種情形中，平臺(tái)部分是在其邊緣處與孔連接的連續(xù)的扁平部分。平臺(tái)部分還可以由連接孔的絲狀物組成，或者由將孔保持在固定位置的任意這樣的結(jié)構(gòu)組成。孔本身典型地向平臺(tái)部分下方延伸，具有暴露用于與熱塊直接接觸的凸出的底面?！巴钩龅摹币庵傅酌媸菄@孔內(nèi)部的孔的外表面。例如，對(duì)于矩形孔，凸出的底面是矩形塊的外表面；對(duì)于圓錐形或圓柱形孔，凸出的底面形狀為圓錐形或圓柱形，并且對(duì)于具有拋物面或半球面剖面的孔，凸出的表面同樣具有拋物面或半球面剖面。對(duì)于為微流體裝置的樣品板，通常在裝置主體中切割或蝕刻通道，并且通道可以不具有在平臺(tái)下方延伸的底面。因此，通道的底面以及因此裝置本身的底面可以是扁平的。然而，裝置壁通常足夠薄，足以仍然容易獲得在每個(gè)通道內(nèi)外的快速傳熱。
[0020]圖1中，反應(yīng)或樣品板11 (術(shù)語(yǔ)“反應(yīng)平板”和“樣品板”在本文中可互換使用)顯示在本發(fā)明的熱塊12的上方，二者均以示橫截面顯示。如在現(xiàn)有技術(shù)的許多樣品板和熱塊中，在熱塊上表面14中的凹槽13具有與樣品板的單個(gè)孔16的底面15相匹配的曲面的或錐形的輪廓，從而使得當(dāng)平板11下降到塊體12中時(shí)，在所述塊體與平板的每個(gè)孔之間有連續(xù)的表面接觸。盡管所示的結(jié)構(gòu)提供完全連續(xù)的接觸，包括沿著平臺(tái)部分的接觸，此處顯示為連接各個(gè)孔的網(wǎng)狀物17，但是，如果平板與熱塊之間的表面接觸局限在孔的壁上而不是整個(gè)平板上，那么也能夠獲得對(duì)每個(gè)孔中的液體反應(yīng)混合物18的適宜的熱控制。盡管沒有顯示，通常使用密封膜或蓋子來(lái)覆蓋孔16的頂部，并且加熱板通常放置在樣品板11的上方并且向下壓在樣品板上，從而使得樣品板與熱塊12之間接觸。在這些情形中，相對(duì)于樣品板的孔16，熱塊中的凹槽13是淺的，由此在網(wǎng)狀物17與熱塊12之間留有空隙。該空隙允許獨(dú)立于熱塊12的溫度維持加熱板的溫度，加熱板的溫度典型地為90-110°C。
[0021]塊體12的上層21是金屬片，該金屬片由于其與孔的直接接觸及其高的導(dǎo)熱性將熱傳遞到孔和從孔傳遞熱。依據(jù)常規(guī)的珀耳貼元件構(gòu)造，熱電元件22由常規(guī)部件構(gòu)造而成，其中央是P-摻雜的和N-摻雜的半導(dǎo)體塊23，24和以交替的方式連接塊體的導(dǎo)電條25，26。在珀耳貼元件22和金屬片21之間是電絕緣材料層27，并且在珀耳貼元件22和散熱器28之間是第二電絕緣材料層29。半導(dǎo)體塊23，24可以具有常規(guī)構(gòu)造并由常規(guī)材料制成。對(duì)特定的結(jié)構(gòu)材料的選擇可以隨著在孔內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)的操作條件和反應(yīng)混合物循環(huán)的溫度范圍而不同。可用于此目的的半導(dǎo)體材料的實(shí)例是摻雜三硒化二鉍(用于N-摻雜)或碲化銻(用于P-摻雜)的碲化鉍。一個(gè)P-摻雜的塊和一個(gè)N-摻雜的塊定義為一對(duì)，顯示四對(duì)，但是對(duì)數(shù)可以少如一對(duì)或多如幾百對(duì)。盡管在大多數(shù)情形中，數(shù)量不大于一百，但是，數(shù)量不是關(guān)鍵的，并且將隨著熱塊和樣品板的尺寸變化。導(dǎo)電條25，26可以是銅的或任意其他常規(guī)的電導(dǎo)線材料?？梢杂糜陔娊^緣材料層27，29的材料的實(shí)例為陶瓷，特別是氧化鋁或氧化鈹。備選地，可以使用薄的聚酰亞胺片材。這些層的厚度可以不同，但是通常選擇足夠厚，足以提供電絕緣性和結(jié)構(gòu)完整性或支撐，同時(shí)也足夠薄，足以傳熱。任選包括的附加的層，盡管在該附圖中沒有顯示，所述附加的層是在半導(dǎo)體塊表面上的涂層，作為擴(kuò)散勢(shì)魚(diffusion barriers),例如,或者促進(jìn)表面與導(dǎo)電導(dǎo)線的連接。也可以包括剪切薄膜以允許運(yùn)動(dòng)，并且由此減少在半導(dǎo)體材料、熱塊和樣品板之間的界面處的剪切力，所述剪切力通常由這些元件由于溫度變化而引起的膨脹和收縮導(dǎo)致。這些和其他可選的變化容易為使用珀耳貼元件和熟悉關(guān)于珀耳貼元件的文獻(xiàn)的技術(shù)人員所清楚。
[0022]圖2，樣品板11懸置在本發(fā)明的備選的熱塊32的上方。該熱塊的金屬片33包含從金屬片的底面向下延伸的楔形突出物34，以為珀耳貼元件35提供增加的接觸面積。每個(gè)楔形物具有與金屬片33的上表面38形成銳角的斜邊36，37。因此，對(duì)于熱塊32的單位橫向?qū)挾龋捎诖嬖谛ㄐ挝?4，可以結(jié)合更多數(shù)量的珀耳貼元件35。
[0023]單個(gè)珀耳貼元件的構(gòu)造和組成可以與圖1的實(shí)施方案的那些相同。每個(gè)楔形物34的角，相鄰的楔形物之間的空隙，楔形物相對(duì)于在金屬片頂部的凹槽41的位置的位置，每個(gè)楔形物的長(zhǎng)度都可以改變，并且在任意給定的熱塊中關(guān)于最佳性能的選擇主要取決于對(duì)制造熱塊的容易性和成本的經(jīng)濟(jì)考慮，以及關(guān)于熱塊的任何空間約束，特別是當(dāng)熱塊用在包含另外的部件的儀器中時(shí)。所有這樣的選擇和變化容易為本領(lǐng)域技術(shù)人員所清楚，并且如果需要的話，容易通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)確定。
[0024]圖2的實(shí)施方案的另一個(gè)區(qū)別特征是熱塊的兩片式構(gòu)造。該構(gòu)造中的金屬片33是單獨(dú)的或可與其余部件分開，并且兩個(gè)金屬片通過螺釘42保持在一起。每個(gè)螺釘?shù)念^部43位于散熱器45的底面中的凹穴44中，每個(gè)螺釘?shù)妮S46通過散熱器中的孔，并且每個(gè)螺釘?shù)募舛?7旋入金屬片33中的螺紋孔中。當(dāng)如所示連接時(shí)，兩個(gè)片在它們之間的特定位置處留出空隙48，所述空隙典型地充滿空氣。
[0025]圖3和4示例本發(fā)明對(duì)微流體裝置的應(yīng)用。圖3是放置在熱塊52表面上的微流體裝置51的立體圖。在熱塊52中，僅外表面和作為散熱器的散熱片53的部分可見。在微流體裝置51中，通道都在裝置內(nèi)部，但是其位置通過在裝置上表面上的線條54表示出來(lái)。[0026]圖4是沿著圖3的線條4-4所取的圖3的微流體裝置51和熱塊52的垂直剖面，其中微流體裝置懸置在熱塊上方以便于觀察。微流體裝置51顯示為層壓結(jié)構(gòu)，具有粘結(jié)或融合在一起的兩層55，56，微通道54蝕刻在下層57中并且在頂部被上層56封閉。熱塊52與圖1的熱塊12相同，不同之處在于其上表面58是扁平的，從而與微流體裝置的下表面59互補(bǔ)。使用時(shí)，這兩個(gè)表面將完全接觸。在一種備選的構(gòu)造中，可以使用與圖2的熱塊32相同的熱塊，條件是其具有同圖4的熱塊52的上表面一樣扁平的上表面。 [0027]在附上的權(quán)利要求書中，術(shù)語(yǔ)“一個(gè)”(“a”或“an”)旨在意指“一個(gè)或多個(gè)”。術(shù)語(yǔ)“包括”及其變化形式(如“comprises”和“comprising”),當(dāng)在引用步驟或元件之前時(shí)，旨在意指更多的步驟或要素件的添加是任選的并且不被排除。本說明書中引用的所有的專利、專利申請(qǐng)和其他已發(fā)表的參考文獻(xiàn)資料的全部?jī)?nèi)容通過引用由此結(jié)合在本文中。在本文引用的任意參考文獻(xiàn)資料或通常任何現(xiàn)有技術(shù)與本說明書的清楚的教導(dǎo)之間的任何矛盾之處意欲根據(jù)本說明書的教導(dǎo)而解決。這包括在本領(lǐng)域理解的詞語(yǔ)或短語(yǔ)的定義與本說明書對(duì)該詞語(yǔ)或短語(yǔ)明確提供的定義之間的任何矛盾之處。
【權(quán)利要求】
1.用于多個(gè)反應(yīng)混合物的熱循環(huán)的裝置，所述裝置包括: 樣品板，其包括多個(gè)用于所述反應(yīng)混合物的貯器和底面； 熱塊，其具有在輪廓上與所述樣品板的所述底面互補(bǔ)的上表面；和結(jié)合在所述熱塊中的熱電加熱/冷卻元件。
2.權(quán)利要求1的裝置，其包括結(jié)合在所述熱塊中的多個(gè)熱電加熱/冷卻元件。
3.權(quán)利要求1的裝置，其中所述樣品板還包括連接所述貯器的平臺(tái)部分，所述貯器是具有從所述平臺(tái)部分向下延伸的凸出的底面的孔，并且所述熱塊的所述上表面在輪廓上與所述孔的所述凸出的底面互補(bǔ)。
4.權(quán)利要求1的裝置，其中所述樣品板是微流體裝置，并且所述貯器是在所述微流體裝置中的微通道。
5.權(quán)利要求1的裝置，其中所述熱塊包括: (i)金屬層，其具有上表面，所述上表面構(gòu)成所述熱塊的所述上表面面； (?)電絕緣材料層，其粘合于所述金屬層的下表面；和 (iii)熱電加熱/冷 卻元件，其粘合于所述電絕緣材料層，所述熱電加熱/冷卻元件包括: (a)上導(dǎo)電條，其連接P-摻雜的和N-摻雜的半導(dǎo)體塊的上側(cè)并且粘合于所述電絕緣材料層，和 (b)下導(dǎo)電條，其連接所述P-摻雜的和N-摻雜的半導(dǎo)體塊的下側(cè)并且熱耦合到散熱器上。
6.權(quán)利要求5的裝置，其還包括在所述下導(dǎo)電條和所述散熱器之間的電絕緣層。
7.權(quán)利要求1的裝置，其中所述熱塊還包括下表面，所述下表面被成形為形成向下延伸的楔形物，所述楔形物具有相對(duì)于所述上表面形成銳角的斜邊，并且其中所述熱電加熱/冷卻元件粘合于所述斜邊中的每一個(gè)。
8.權(quán)利要求7的裝置，其中所述熱塊的所述下表面被成形為形成多個(gè)所述楔形物，并且所述裝置包括多個(gè)熱電加熱/冷卻元件，其中至少一個(gè)所述熱電加熱/冷卻元件粘合于每個(gè)所述楔形物的每條斜邊。
9.權(quán)利要求7的裝置，其中所述樣品板還包括連接所述貯器的平臺(tái)部分，所述貯器是具有從所述平臺(tái)部分向下延伸的凸出的底面的孔，并且所述熱塊的所述上表面在輪廓上與所述孔的所述凸出的底面互補(bǔ)。
10.權(quán)利要求7的裝置，其中每個(gè)所述熱塊包括: (i)金屬層，其具有上表面，所述上表面形成所述熱塊的所述上表面； (?)電絕緣材料層，其粘合于一個(gè)楔形物的斜邊；和 (iii)熱電加熱/冷卻元件，其粘合于所述電絕緣材料層，所述熱電加熱/冷卻元件包括: (a)上導(dǎo)電條，其連接P-摻雜的和N-摻雜的半導(dǎo)體塊的上側(cè)并且粘合于所述電絕緣材料層，和 (b)下導(dǎo)電條，其連接所述P-摻雜的和N-摻雜的半導(dǎo)體塊的下側(cè)并且熱耦合到散熱器上。
11.權(quán)利要求10的裝置，其還包括在所述下導(dǎo)電條和所述散熱器之間的電絕緣層。
12.用于通過指定的加熱和冷卻循環(huán)加熱和冷卻多個(gè)反應(yīng)混合物的方法，所述方法包括: (a)將所述反應(yīng)混合物放置在包括多個(gè)貯器的樣品板的單個(gè)貯器中； (b)放置所述樣品板與熱塊接觸，所述熱塊包括: (i)上表面，其在輪廓上與所述樣品板的底面互補(bǔ)，和 (?)結(jié)合在所述熱塊中的熱電加熱/冷卻元件；以及 (c)按照所述指定的加熱和冷卻循環(huán)啟動(dòng)所述熱電加熱/冷卻元件，由此加熱并冷卻所述多個(gè)反應(yīng)混合物。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所述樣品板還包括連接所述貯器的平臺(tái)部分，所述貯器是具有從所述平臺(tái)部分向下延伸的凸出的底面的孔，并且所述熱塊的所述上表面在輪廓上與所述孔的所述凸出的底面互補(bǔ)。
14.權(quán)利要求12的方法，其中所述樣品板是微流體裝置，并且所述貯器是在所述微流體裝置中的微通道。
15.權(quán)利要求12的方法，其中所述熱塊包括: (i)金屬層，其具有上表面，所述上表面形成所述熱塊的所述上表面； (?)電絕緣材料層，其粘合于所述金屬層的下表面；和 (iii)熱電加熱/冷卻元件，其粘合于所述電絕緣材料層，所述熱電加熱/冷卻元件包括: (a)上導(dǎo)電條，其連接P-摻雜的和N-摻雜的半導(dǎo)體塊的上側(cè)并且粘合于所述電絕緣材料層，和 (b)下導(dǎo)電條，其連接所述P- 摻雜的和N-摻雜的半導(dǎo)體塊的下側(cè)并且熱耦合到散熱器上。
16.權(quán)利要求15的方法，其中所述熱電加熱/冷卻元件還包括在所述下導(dǎo)電條和所述散熱器之間的電絕緣層。
【文檔編號(hào)】C12M1/34GK103649300SQ201280027857
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月8日
【發(fā)明者】丹尼爾·Y·楚, 保羅·J·帕特 申請(qǐng)人:伯樂實(shí)驗(yàn)室公司