微孔板、微孔板模块及实时监控微孔板上温控反应的方法

摘要

本发明公开了一种微孔板、微孔板模块及实时监控微孔板上温控反应的方法，微孔板包括一个平整的顶吊框架上设有许多开孔，在每个开孔的位置下面悬挂着称为微孔的容器，微孔由侧壁和一个平的或稍呈凸形的底面组成；微孔板反应模块包括一个微孔板；一层粘膜紧密密封微孔板顶吊框架的上表面，至少一个表面温度可以控制的平面温控模板；一个钳压支架,用于把垂直负荷分布到所述的微孔板顶吊框架上；本发明的方法通过其达到实时监控微孔板上温控反应；本发明提高了试剂通过微孔底壁向温度控制模块表面的传热效率，最大限度地提高光信号的产生和收集效率；并且能够对微孔板阵列中样品迅速升温和降温、同时能够实时采集样品信息。

说明书

技术领域

本发明属于通过温度控制的化学或生化反应的领域，特别是一种微孔板、微孔板模块及实时监控微孔板上温控反应的方法。

背景技术

许多应用科学如分子生物学，遗传病诊断，法医，食品科学等当中，只有少量的DNA可供分析, 直接检测非常困难。聚合酶链反应（PCR）能够从微量DNA样本中生产出大量可用于测序和基因分型的复制DNA片段,使DNA检测成为可能,从而使之成为非常有价值的技术。 

在PCR过程中，试剂通过温度循环在每个周期中对原始DNA片段进行复制倍增。每个温度周期通常由三步构成：（1）变性（~95°C）；（2）退火（~50°C）；（3）扩展/延伸（~70°C）。

有两个重要的因素对PCR检测来说非常关键：一是置放在微孔板中的样品能快速达到其温度设定点以便在较短的时间内能完成整个测试；二是对于每个温度设定点，反应模块保持微孔阵列所有微孔反应温度的均匀度。

在筛选实验，统计分析，或大型检测项目实施过程中，在相似的试验条件下能同时处理许多样品最为理想。最常见的PCR样品盘（微孔板）的构造是带有一个硬实的、以二维型式开有许多微孔的顶吊框架，通常包括12x8（共96孔）格式，24x16（共384孔）格式。如美国专利 No.6015534（珀金－埃默尔公司Perkin-Elmer, 埃特悟Atwood） 所述, 微孔设计通常是锥形的（图 8A－B）,便于从温度控制模快中压入和取出。温度控制模快中的匀热模块有相匹配的加工成的锥形空腔。温度控制模快底面通常包括一个控制加热和冷却的电热模块，或者通过加热或冷却液流通于靠近底部加工成型的通道，从而实现温度控制的目的。

这样的温度控制模快设计上相当复杂和昂贵，为了达到所要求的均匀加热/冷却条件，微孔板必须具有锥形孔以使之与空腔的几何形状完全匹配。其它不足还包括：通向样品的传热要需要较长一段时间，因为它必须从热源底部上行一段距离才能到达微孔的顶部部位; 由于微孔底部达到温度设定点要比顶部早，导致了样品溶液从上至下有不同的加热/冷却的历史。从光学性能的角度来看，这样的设计结构也远远欠佳，因为激励光和发射荧光都必须穿过整个微孔的深度，这会明显导致光强衰减。

对这样的设计方案近年已经有了一些改进。美国专利申请No.2010/0055743 A1（博奥瑞实验室Bio-Rad Laboratories,Inc., 班讷纪Banerji)所提出的一个范例是， 对温度控制模快进行改进并通过减少其体积来改善反应时间。这样的小改进使热单元的设计和制造更加复杂，从而造成额外成本。而且这还不能解决微孔在不同深度加热和冷却不均匀的问题。 

市场上产品的另一种设计方案是使用玻璃毛细试剂管。装有样品溶液的细长玻璃管置于环形的温度控制模块里面，通过具有温度可控的空气把对流加热/冷却空气流吹入到该玻璃管环型阵列中, 以实现温控条件。为了获得良好的传热效果，这种玻璃管必须非常薄，这就使得它相当脆弱易碎；出于其同样考虑，玻璃管横截面必须尽量小，使得它难以注入样品溶液并影响均匀度。此外，这种设计在提升生产规模、加大样品数量时都有一定困难。

为了进一步提高PCR热模块的性能，也有人提出了一些其它解决方法。例如，美国专利No.5459300(卡斯曼Kasman) 所介绍一种方案是在微孔板和温控表面之间加上一层导热兼容层，用以适应不同微孔板底部的几何形状（扁平形、U形、V形）。这种兼容层即使添加了导热填料，与铝，铜金属相比，通常热性能也很差，它也引进了额外的热界面，所有这些因素都将导致系统热响应时间慢。此外，在垂直负荷压力作用下，传热对兼容层的厚度变化非常敏感，在这种环境下很难控制这个参数，这将导致微孔之间加热不均匀和响应时间不一致。此外，大多数微孔板产品都未对微孔底部传热进行优化，这有可能进一步恶化系统的热性能。

美国专利No.7074368（鲁尔茨Lurz等）所介绍的另一种方法是使用一个与样品单元相接的静态微孔板，让数个恒温单元（设定在不同的温度）与其底面相接触。如何使接触面实现有效的热接触从而达到最佳化（低接触热阻、整个表面上均匀性）显然是一个挑战。这种解决方案仍然存在传统设计那样的热响应慢、均匀性差的问题。

还有一些其它平底结构型式的微孔板，例如美国专利No.6232114（奥罗拉公司Aurora Bioscience Corporation,寇尔辛Coassin等）所介绍的方案，主要是解决光学通透性的问题，而不是解决PCR过程中所遇到的热响应和均匀性问题。

目前，公知的PCR系统在热响应速度,均匀性问题, 以及制造成本方面都存在许多不足。并且系统通用性差, 同一设备不能兼容不同孔数的微孔板。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高了试剂通过微孔底壁向温度控制模块表面的传热效率，同时最大限度地提高光信号的产生和收集效率的具有独特的薄壁微孔板和平底设计结构的微孔板和微孔板模块；以及能够对微孔板阵列中样品迅速升温和降温、同时能够实时采集样品信息的实时监控微孔板上温控反应的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种微孔板，包括一个平整的顶吊框架上设有许多开孔，在每个开孔的位置下面悬挂着称为微孔的容器，微孔由侧壁和一个平的或稍呈凸形的底面组成；顶吊框架有足够的柔韧性，当压力负荷垂直施加到顶吊框架上时，可使负荷均匀分布到每个微孔上，使其底面保持平坦并紧密地对接到位于下面的刚性平面上。

一种微孔板反应模块，包括一个微孔板；一层粘膜紧密密封微孔板顶吊框架的上表面，由此来密封所说的开孔；至少一个表面温度可以控制的平面温控模板, 用于与所述的微孔板底面以平面方式接合； 一个钳压支架, 用于把垂直负荷分布到所述的微孔板顶吊框架上；其中微孔板括一个平整的顶吊框架上设有许多开孔，在每个开孔的位置下面悬挂着称为微孔的容器，微孔由侧壁和一个平的或稍呈凸形的底面组成；顶吊框架有足够的柔韧性，当压力负荷垂直施加到顶吊框架上时，可使负荷均匀分布到每个微孔上，使其底面保持平坦并紧密地对接到位于下面的刚性平面上。

一种实时监控微孔板上温控反应的方法，包括以下步骤：

步骤一：配置一个微孔板，其平整的顶吊框架设有许多开孔, 在每个开孔的位置下面悬挂着称为微孔的容器，微孔由侧壁和一个平的或稍呈凸形的底面组成; 其特征是: 顶吊框架有足够的柔韧性, 当负荷垂直施加到顶吊框架上时，可使负荷均匀分布到每个微孔上, 使其底面保持水平并紧密地对接到位于下面的刚性平面上；

步骤二：在所述的微孔板上至少有一个微孔里面装有至少一个样品；

步骤三：密封其中至少一个微孔；

步骤四：设置第一个平面温控模板；

步骤五：在第一平面温控模板的上表面设置所需要的温度分布；

步骤六：将所述的微孔板底面与平面温控板的上表面接触；

步骤七：在微孔板的顶部通过所述钳压支架施加垂直负荷压力，从而使微孔的底面与所述的第一平面温控板的上表面实现紧密的热接触；

步骤八：在预定的时间内保持微孔板模快的温度，以使样品发生化学反应。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

1、本发明提供的微孔板以及相应的反应温度控制模块和光学检测系统, 能够对微孔板阵列中样品迅速升温和降温、同时能够实时采集样品信息；

2、本发明独特的薄壁微孔板和平底设计结构，结合在每个微孔上的均匀压力分布，提高了试剂通过微孔底壁向温度控制模块表面的传热效率，同时最大限度地提高光信号的产生和收集效率；

3、本发明的有效实施将改善了热响应速度和热循环时间，减少了试剂用量，同时节省了每个周期所消耗的能量, 同时降低了微孔板这样的一次性产品塑料材料耗量。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明的顶面立体图。

图2是本发明的底面立体图。

图3是本发明的底面微孔正视图。

图4是本发明图3所示的平面底部的微孔的A－A剖视图。

图5是本发明图3所示的稍呈凸形底部的微孔的A－A剖视图。

图6是本发明反应模块第一实施例的三维分解图。

图7是图6的纵剖面构造图。

图8是本发明第一实施例实时光学检测装置图。

图9是本发明第二实施例反应模块实施方式的斜视分解图。

图10是图9的纵剖面构造图。

图11是是本发明第二实施例实时光学检测装置图。

图12是一种公知微孔板和温控模块的纵剖面构造图。

图13是另一种公知微孔板和温控模块的纵剖面构造图。

具体实施方式

本发明一种微孔板，包括一个平整的顶吊框架上设有许多开孔，在每个开孔的位置下面悬挂着称为微孔的容器，微孔由侧壁和一个平的或稍呈凸形的底面组成；顶吊框架有足够的柔韧性，当压力负荷垂直施加到顶吊框架上时，可使负荷均匀分布到每个微孔上，使其底面保持平坦并紧密地对接到位于下面的刚性平面上。

所述的侧壁完全呈圆柱形或圆锥形，在沿着其垂直轴向施加压缩负荷时变形量应最小；所述的微孔底面是平面形的；所述的微孔侧壁与底面的接合边缘呈圆角形以使其平滑地过渡到底面上，当一个垂直负荷施加到顶吊框架上时，微孔底面紧密地接合到位于下面的一个刚性平面上；所述的顶吊框架、微孔侧壁及底面是用具有导热性和化学惰性的材料模铸的，其厚度为0.05mm至0.5mm。

一种微孔板反应模块，包括一个微孔板；一层粘膜紧密密封微孔板顶吊框架的上表面，由此来密封所说的开孔；至少一个表面温度可以控制的平面温控模板, 用于与所述的微孔板底面以平面方式接合；一个钳压支架, 用于把垂直负荷分布到所述的微孔板顶吊框架上；其中微孔板括一个平整的顶吊框架上设有许多开孔，在每个开孔的位置下面悬挂着称为微孔的容器，微孔由侧壁和一个平的或稍呈凸形的底面组成；顶吊框架有足够的柔韧性，当压力负荷垂直施加到顶吊框架上时，可使负荷均匀分布到每个微孔上，使其底面保持平坦并紧密地对接到位于下面的刚性平面上。

所述的平面温控模板其上表面温度可以根据所需温度分布设置；所说的钳压支架包括一个平整刚性的顶板，其中央位置有一个大切口，切口下方包括一个的刚性透明板，和一个弹性垫层，该弹性垫层将压力负荷均匀分布地传递给微孔板顶吊框架，同时允许光线通过；所述的钳压支架包括一个顶板组件，该组件有一呈平面状并带有圆形开口的刚性顶板, 开口与所述的微孔板微孔开孔对准，顶板圆形切口的下面可接弹簧，用于将垂直负荷分布到微孔板各个微孔上。

微孔板反应模块还包括一个用于探测荧光的光学检测装置，该装置还包括：至少一个激励光源，提供激发样品所需波长的光源；至少一个荧光滤色片，用来过滤来自反应微孔经过激发后产生的荧光；一套光学镜头/成像传感器组件，用于收集来自反应微孔的发射荧光；配套的电源和电子控制装置，用于向所述的反应模块提供电源，并用于控制激励光源和选择发射光滤色片,以及控制成像传感器；另外还包括：一台横向移动的伺服电机和纵向移动的伺服电机；一个水平轴和一个立轴；一块透明的光学平板玻璃；以及用于驱动横向伺服电机和纵向伺服电机的电源和电子控制装置。

所述的弹性垫层由合成橡胶制成，并有圆形切口对准所述的微孔板开孔上, 以使光线能通过微孔开口；所述的各个弹簧的内直径略大于所述的钳压支架顶板上圆形切口直径。

微孔板反应模块，还包括一个平面镜和一个光封闭机壳；所述的激励光源由发光二级管阵列组组成；所述的成像传感器是一个电荷耦合元件传感器；所述的横向移动伺服电机和纵向移动伺服电机在运行时是偶合的；所述的钳压支架包括一个刚性顶板, 用于连接到一个传送机制上。

一种实时监控微孔板上温控反应的方法，包括以下步骤：

步骤一：配置一个微孔板，其平整的顶吊框架设有许多开孔, 在每个开孔的位置下面悬挂着称为微孔的容器，微孔由侧壁和一个平的或稍呈凸形的底面组成; 其特征是: 顶吊框架有足够的柔韧性, 当负荷垂直施加到顶吊框架上时，可使负荷均匀分布到每个微孔上, 使其底面保持水平并紧密地对接到位于下面的刚性平面上；

步骤二：在所述的微孔板上至少有一个微孔里面装有至少一个样品；

步骤三：密封其中至少一个微孔；

步骤四：设置第一个平面温控模板；

步骤五：在第一平面温控模板的上表面设置所需要的温度分布；

步骤六：将所述的微孔板底面与平面温控板的上表面接触；

步骤七：在微孔板的顶部通过所述钳压支架施加垂直负荷压力，从而使微孔的底面与所述的第一平面温控板的上表面实现紧密的热接触；

步骤八：在预定的时间内保持微孔板模快的温度，以使样品发生化学反应。

通过不同的热循环温度对所述的温度控制模板上表面进行周期控制；在每个热循环周期期间从样品上收集发射荧光；其中样品进行的是一种聚合酶链反应PCR；其中密封其中至少一个微孔采用粘膜进行密封。

可设置多个平面温控模板并将各个平面温控模板设到所需反应温度；通过所述的横向移动伺服电机和纵向移动伺服电机将所述微孔板顺序送达各个平面温控模板位置；在微孔板的顶部通过钳压支架施加垂直负荷压力，从而使微孔的底面与所述平面温控板的上表面实现紧密的热接触。

图1-图5表示的是本发明的微孔板100，它包括一个平面顶吊框架120和凹陷到顶吊框架下面的多个微孔110。 微孔板100可以用任何适宜加工工艺加工，最好用导热材料薄膜进行模铸加工。图1和图2是微孔板实施方式的斜视图。

微孔侧壁130的形状呈圆柱形或圆锥形，起着结构支撑的作用，当垂直负荷压力施加到顶吊框架120时，微孔侧壁130可将垂直负荷传递到微孔的底面上。

微孔140的底面呈平面（图4）或呈轻微凸面（图5），从而当负荷垂直向下施加到微孔侧壁上时，把微孔的底面140压向温度控制模块230的上表面，从而实现紧密接合。微孔150的底缘应做成圆角形，这样在垂直施加负荷时，可轻微地展平并对底壁产生一个压应力，从而进一步加强微孔底面与下面的表面的接合。图4是平面微孔底面的实施方式，这种结构最适用于高密度小尺寸微孔排列结构（例如384孔）。图5表示的是微孔底面呈微凸形，并配有圆角形边缘150的实施方式，这种结构在负荷垂直沿侧壁施加时可以对底壁产生压应力，这样可确保微孔底面与温度控制模块230的上表面紧密接合。这种实施方式最适用于较大尺寸微孔板（例如96孔）。 

微孔板100可以用任何常用加工工艺大批量制造，例如热成型、真空成型、吹塑成型,注塑成型等工艺。微孔板应做得尽可能薄，一方面可以获得最佳传热效果，同时让顶吊框架有更大柔轫性,以使垂直负荷均匀分布到各个微孔上；但是微孔板应有足够的厚度以保持微孔的结构强度，以免在受到垂直负荷时产生明显坍缩。

微孔板最好用导热性良好并具有化学惰性的材料加工制造，例如但不限于：聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯及类似材料。如果所选择的材料是透光或半透光的，可以在模塑料中混入像炭黑等材料，以使局部模塑不透明，降低串光的影响（一个单元的光学信号受相邻单元影响）。透明的微孔板在微孔110的外侧（侧壁130的外侧、底面140的下表面及圆角形接合边缘150的外侧）及顶吊框架120的下侧可以用不透光或反光材料进行涂层。 

微孔板100可按任何排列格式和形状制作，包括96孔（12 X 8）格式、384孔（24 X 16）格式，甚至是1536孔（48 X 32）格式。微孔板的尺寸以及壁厚和微孔形状都可改变。 

图6是反应模块的一种实施方式斜视分解图，图中微孔板100的微孔下侧与温度控制模板230在整个PCR试验过程中以静态方式紧密接合。 最好的方案是反应模块200包括一个微孔板100、透明密封膜210、温度控制模板230、间距标准件240，及固定支架220。

透明密封膜210最好用一种透明材料制作，例如(但不限于)：聚丙烯、丙烯酸及类似材料，应该尽可能薄，以保持和微孔板粘合以后的柔轫性。

间距标准件240用于控制固定支架与温度控制模板间的距离，当垂直压力施加到微孔板100上时，可保证整个微孔板100的高度一致。该件可用结构坚硬的材料制作，例如(但不限于)不锈钢。 

固定支架220可以是任何用于将微孔板向下压紧到温度控制模板230上的垂直施压装置。图6所示的一个实施方式由一个顶吊框架226、一个透明板224及一个弹性层222构成。顶吊框架226是刚性板，在其中间有一个大的方形切口以使光线自由透过微孔板100上的所有微孔110；该部件最好由刚性材料制作，例如(但不限于)不锈钢。连接到顶吊框架226下面的透明板224传递来自顶吊框架的负荷，并将该负荷均匀分布到微孔板100的整个顶部表面上; 最好用透明刚性材料制作，例如(但不限于)：石英玻璃及类似材料。其表面应该有足够的平整度。接到透明板224下面的弹性垫层222把来自透明板224上的负荷均匀分布到各个微孔上。该垫层最好用弹性材料制作，例如(但不限于)人造橡胶。 

固定支架的其它实施方式可以包括一个有与微孔阵列位置对应的穿透开孔的坚硬模板（它取代前面的实施方式中的顶吊框架226和透明板224）。最好有各自的弹簧接到顶板的下面，弹簧与机械加工孔对正，以便在顶板受到垂直负荷时向微孔分布所需要的负荷。顶板最好用刚性材料制作，例如但不限于不锈钢。弹簧的内径最好大于机械加工孔的直径，最好用耐腐蚀材料，例如(但不限于)不锈钢。 

图7是图6在负荷压力施加到顶吊框架226之前反应模块的纵剖面构造图。当负荷229施加到顶吊框架226上时，顶吊框架226则向下移动，直到被间距标准件240挡住为止，这时顶吊框架226的底面228与间距标准件240的上表面242接合。垂直负荷压力传递到透明板224上，然后再传递到弹性层222上，最终均匀分布到各个微孔110上。分布的负荷通过微孔侧壁130进一步传递，将微孔的底面140压到温度控制模板230的上表面。在各个微孔分布负荷量的大小（可调）取决于：顶吊框架226的底面228与间距标准件240的顶面之间的间隙、弹性层222的厚度、材料特性以及微孔板100的结构。 

来自激励光源的激发光282直接向下照射到反应模块200上，在照射到微孔110中的液态样品之前，激发光穿过顶吊框架226中央处的大切口、透明板224、弹性层222的环形开口，透明密封膜210。本发明的微孔由于与传统的锥形结构相比较浅，所以激励光佷容易穿透样品而光的强度不明显衰减。所产生的荧光发射光284按如上所述的相反顺序穿过各部件发射出去并由一个光学成像装置进行收集。 

图8是荧光检测装置的一个实施方案，该装置包括反应模块200、平面镜310、光源组件320、发射荧光滤光组件330、光学镜头340和成像传感器350、电源和电子控制装置360、及外壳370。在本实施方式中，来自激励光源320的激励光由平面镜310反射到反应模块200上；从样品产生的荧光向上行进并通过第平面镜310改变方向朝发射荧光滤光组件330照射，然后通过光学镜头340和成像模块350进行收集。

图9是另一种反应模块400实施方案，在这种方案中，有多于一个以上的温度控制模板430（图中只显示一个），设定在不同的温度。温度控制模板430与其它温度控制模板是可互换的。微孔板100动态地有序地与各个温度控制模板接触，从而实现整个PCR试验所需的温度循环条件。反应模块包括一个微孔板100、透明密封膜210、温度控制模板430（图中只表示一个），以及固定支架410。固定支架410的实施方案包括一个顶吊框架410、间距标准件414及一个弹性层222所组成。在顶吊框架412上面设有一个螺纹孔416用于与垂直步进电机接合。 

图10是图9在负荷压力施加到固定支架412之前反应模块的纵剖面构造图。当负荷施加到固定支架412上时，固定支架组件410向下移动，直到和温度控制模板430接触并停止，这时，间距标准件414的底面与温度控制模板面430的上表面432紧密接合。垂直负荷压力传递到弹性层222，然后分布到每个微孔110上。垂直分布负荷再穿过微孔侧壁130继续传递，把微孔的底部压到温度控制模板上表面432。 

图11是另一个荧光检测装置的实施方式，该装置包括一个反应模块450，一块光学平板玻璃530，温度控制模板430、第二温度控制模版432、第三温度控制模版434，一台横向伺服电机510和一个横轴515，一台纵向伺服电机520和一个纵轴525，最好有一个平面镜310，一个激励光源组件320，一个发射荧光滤光组件330，一套光学镜头340和一个成像传感器350，电源和电子装置360，以及一个外壳370。该反应模块还包括固定支架组件410，微孔板100和密封膜210。 

在这种实施方式中，设有多个温度控制模，用来设定不同的温度，在该实施例中，温度控制模板430有一个从温度T1（例如90C）至温度T2（例如98C）的线性梯度温度分布，用于研究PCR变性温度的影响；第二温度控制模版432设定为均匀温度T3（例如50C）用于退火过程；第三温度控制模版434设定为均匀温度T4（例如70C）用于延伸过程。温度控制模板的数目最好与热循环温度设定点的个数相匹配。

横向伺服电机510和纵向伺服电机520以机械方式相连接（例如纵向伺服电机520固定在横向伺服电机510组件上）。在自动控制软件程序运行过程中，通过的横向伺服电机510沿着水平轴515将反应模块450传送至预定的温区，然后通过伺服电机520沿着纵轴525下移到其中一个温度控制板的表面并加压，使试剂发生化学反应，然后移动到热循环下一个设定点的温区。 

反应模块还可以移动到透明光学平板530，在此可以测量荧光信号用以监控反应进程。来自激励光源320的激发光由平面镜310反射到反应模块450的底部；从样品上发出的荧光下行到平面镜310被发射到荧光滤色器，然后被光学镜头340和成像传感器模块350收集。 

在不考虑空间限制的另一种实施方式中，包括激励光源组件320、发射荧光滤色组件330、光学镜头340和成像传感器350在内的光学成像模块可以直接对着微孔板排列组件的顶面或底面进行布置。在这种情况下，可以从该实施方案中去掉平面镜310。

与静态实施方式（一套温度控制模板）相比，这种实施方式的优点是不必等待温度控制模板转换到下一个设定温度，可以明显的加快试验时间。

图12-13是公知的微孔和温度控制模块设计方案。图12是主体成锥型和上部成圆柱型720的微孔设计，其开口用一个盖710从上端封闭。匀热模块730匹配锥形空腔结构，底部通过一层热界面材料740将之接合到温度控制模块750。 图13是略有不同的实施方案，在这个方案中用一层透明薄膜810覆盖整个微孔板顶面,以替代单个的孔盖。微孔820的形状类似锥形，通过与空腔匹配的匀热模块830控制样品温度。匀热模块的升温降温由控制模块850来实现，中间通过一层热界面材料840来接合。