CN102083956A - 热循环反应块和利用其的连续实时监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实时监测装置，该实时监测装置包括：热循环反应块，该热循环反应块具有加热块和毛细管，该加热块形成有中空部分并且被隔热层分开，样本通过该毛细管流入和/或流出，并且该毛细管缠绕在所述加热块上，从而传导不同的温度，并由此重复执行反应循环；光源；带通滤波器；会聚透镜；分束器；反射镜，该反射镜可旋转地与电动机连接，以向所述毛细管传递从所述分束器反射来的激励光，并且反射从所述毛细管中的样本产生的荧光；以及荧光检测部件。

Description

热循环反应块和利用其的连续实时监测装置
技术领域
本发明涉及热循环反应块和利用其的连续实时监测装置，更具体地说，涉及一种能够以不同温度加热或冷却样本而产生聚合酶链反应(PCR)并且允许实时监测该PCR的热循环反应块，和利用其的连续实时监测装置。
背景技术
聚合酶链反应(PCR)是一种通过对DNA的选定区段进行多重合成来放大DNA，由此通过克隆非常少量的DNA来生成大量DNA的方法。
通过PCR，只能从非常大的DNA(如染色体组DNA)放大得到DNA的希望区段。PCR通常包括变性(denaturation)、引子结合(primer annealing)以及DNA聚合(polymerization)处理。
近来，实时PCR是本领域普通技术人员所公知的。实时PCR是一种允许在凝胶体中的反应产物没有因电泳现象而分离的状态下，通过在每个循环中测量表示DNA放大等级的荧光强度来实时监测反应状态的技术。因此，在实时PCR中，优点在于，允许精确定量分析，并且可以在不存在电泳现象的情况下简单且快速地执行该分析，并且还具有很小的污染风险。
实时PCR装置包括针对PCR的热循环器和用于检测反应产物的荧光的荧光计。常规实时PCR装置包括：热电部件、用于向容纳有样本的反应管传导热的热块(thermal block)、用于向反应管中的样本发出激励光的光源，以及用于接收从样本产生的荧光的光接收部件。在常规实时PCR装置中，利用热点部件重复执行冷却和加热循环，以使样本起反应，并且在结束每一次循环时利用光源和光接收部件向样本发出激励光，接着测量从样本产生的荧光的量，从而实时显示PCR的进展。
然而，在常规实时PCR装置中，能够处理多个样本，但不能使样本按规则时间间隔连续起反应，并且也不能在样本的反应期间在反应管中设置其它样本，直到该反应完成为止。
为了解决上述问题，已经提出了各种连续实时监测装置。
美国专利No.6033880公开了一种利用毛细管的PCR装置。根据该PCR装置，导热快包括四个恒温块，并且利用溶液供应单元向毛细管供应或从其去除样本和试剂。通过利用上述装置使导热块旋转并且改变传导至毛细管的温度来执行PCR。这类装置的问题是，必须旋转导热快才能执行PCR，另外PCR的可再现性因PCR会根据毛细管与导热块之间的接触程度改变而劣化。
而且，在这类装置中，不能按时间间隔来执行PCR。而且，因为上述装置仅在完成PCR之后才可以测量反应进展，所以存在用户不能在完成PCR之前检查反应进展的另一问题。
为了解决上述问题，韩国专利No.593263(标题为“a high throughput device forperforming continuous-flow reactions”)中提出了一种新的PCR实时监测装置，其中设置有用于PCR的温度循环单元，其包括毛细管和循环加热块。
在这种装置中，将长度3.5米的毛细管在直径30mm的铜块上缠绕33次，该铜块被划分成熔化区、退火区和延伸温度区。当毛细管中流动的反应混合物环绕由铜形成的加热块循环一次时，执行PCR的每一次循环。在这种方法中，PCR样本所流经的毛细管缠绕在加热块上，并且通过具有荧光检测器的扫描单元来扫描毛细管。因而，扫描单元是一种利用光发出单元向缠绕在加热块上的毛细管发出光并且测量在毛细管中产生的荧光量的装置。
根据上述方法，将用于向缠绕在加热块上的毛细管发出光的光发出单元和用于测量从毛细管产生的荧光的传感器安装在移动台(moving stage)上，从而对进行扫描单元进行直线驱动并根据扫描单元的移动依次地向毛细管发出光。接着，根据扫描单元的移动，依次地测量从毛细管产生的荧光。
上述技术中公开了扫描单元，其中，荧光检测传感器和用于产生希望波长的光束的光源以恒定速度在缠绕有毛细管的加热块上方移动。安装在扫描单元处的光源和荧光检测传感器沿与缠绕有毛细管的加热块的中心轴平行或者与其中心轴交叉的轴向移动，以向毛细管发出光或者测量荧光。无论何时执行扫描都执行一次PCR的监测，并且在扫描时要扫描多个毛细管。为了在安装在移动台处的光源和荧光检测传感器以恒定速度移动的同时扫描从毛细管中的样本产生的荧光，必须设置电动机、如直线输送装置的输送单元、输送导引单元、用于向输送单元供电的驱动装置等。然而，因为包括多个光学透镜的光源使用了像物镜这样的昂贵透镜，并且还必须精确地布置光源和荧光检测传感器以便精确地控制光学路径，所以存在PCR装置的制造成本显著增加的问题。另外，因为PCR装置包括多个透镜、输送单元、电力传送单元、驱动装置等，所以这可能造成其尺寸及其故障增加。
因此，有必要提供一种可以解决上述问题并且具有卓越且经济的实时监测效果的、新的连续PCR实时监测装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种热循环反应块，该热循环反应块提供了一种简单的监测装置，以实时地连续监测PCR(聚合酶链反应)且易于检测PCR，并且增强了该装置的检测准确度。
为了实现本发明的目的，本发明提供了一种热循环反应块，该热循环反应块包括：环状加热块10a、10b，该环状加热块在其中央部分形成有(formed of)中空部分11，并且被隔热层分开从而分别提供不同的温度；和毛细管20，样本通过该毛细管流入和/或流出，并且该毛细管以规则间隔穿过所述中空部分11而缠绕在所述加热块10a、10b上，从而传导不同的温度，由此重复执行反应循环。
优选的是，所述热循环反应块10a、10b还包括附加加热块13，该附加加热块按与上面缠绕有毛细管20的靠外(outer)的加热块10b的外侧相接合的方式包围着该靠外的加热块10b。
优选的是，在所述加热块10a、10b的外表面中形成有供部分插入所述毛细管20的插入槽12，以增加所述加热块10a、10b与所述毛细管20之间的接触表面积，该插入槽12具有规则尺寸和规则间隔。
另外，本发明还提供了一种实时监测装置，该实时监测装置包括：热循环反应块100；光源110，其用于发出激励光；带通滤波器130，其用于使从光源110发出的、仅具有希望波长的激励光通过；会聚透镜140，其用于会聚激励光；分束器120，其反射激励光而使从毛细管20中的样本产生的荧光通过；反射镜150，其可旋转地与电动机160连接，以向毛细管20传递从分束器120反射来的激励光，并且反射从毛细管20中的样本产生的荧光；以及荧光检测部件170，其用于检测被反射镜150反射接着穿过分束器120的荧光。
优选的是，荧光检测部件170包括：荧光会聚透镜171，其用于会聚穿过分束器120的荧光；荧光带通滤波器172，其用于仅使会聚的具有希望波长的荧光通过；以及荧光检测传感器173，其用于检测穿过荧光带通滤波器172的具有希望波长的荧光。
而且，根据荧光的波长区，荧光检测部件170还包括一个或更多个荧光会聚透镜171、荧光带通滤波器172以及荧光分束器174。
而且，本发明提供了一种实时监测装置，该实时监测装置包括：热循环反应块100；光源110，其用于发出激励光；带通滤波器130，其用于使从光源110发出的仅具有希望波长的激励光通过；会聚透镜140，其用于会聚激励光；分束器120，其反射激励光并使从毛细管20中的样本产生的荧光通过；反射镜150，其可旋转地与电动机160a连接，从而向毛细管20传递从分束器120反射来的激励光，并且反射从毛细管20中的样本产生的荧光；会聚透镜141，其位于反射镜150与热循环反应块100之间，以会聚从反射镜150反射来的激励光和从毛细管20中的样本产生的荧光；以及荧光检测部件170，其用于检测被反射镜150反射接着穿过分束器120的荧光。
优选的是，荧光检测部件170包括：荧光会聚透镜171，其用于会聚穿过分束器120的荧光；荧光带通滤波器固定部件175，其具有用于使具有与会聚的荧光不同的希望波长的荧光通过的一个或更多个荧光带通滤波器172；电动机160b，其用于旋转荧光带通滤波器固定部件175；以及荧光检测传感器173，其用于检测穿过荧光带通滤波器172的具有希望波长的荧光。
优选的是，该实时监测装置还包括起偏器或起偏膜131，该起偏器或起偏膜位于光源110与会聚透镜140之间并且在荧光测量部分处。
优选的是，电动机160a、160b是用于以恒定速度旋转的恒定旋转电动机。
不同于利用扫描单元(其中可移动光源、可移动荧光检测传感器部件以及多个昂贵的物镜被精确地布置)的常规装置，本发明的连续实时监测装置使用固定的光源和固定的荧光检测部件，使得可以在不需要移动光源和荧光检测部件的情况下仅通过电动机来进行控制，从而可以在固定的位置执行实时监测。因此，容易检测样本的放大，并且可以增强检测准确度和缩减制造成本和劳动力，而且还可以缩减故障及其尺寸。
附图说明
根据下面结合附图给出的优选实施方式的描述，本发明的上述和其它目的、特征以及优点将变清楚，其中：
图1是根据本发明实施方式的加热块的立体图。
图2是根据本发明该实施方式的加热块的截面立体图。
图3是根据本发明另一实施方式的加热块的截面图。
图4是根据本发明该实施方式的热循环反应块的立体图。
图5和6是示出利用根据本发明实施方式的热循环反应块的实时监测装置的示意性结构的立体图。
图7和8是示出利用根据本发明另一实施方式的热循环反应块的实时监测装置的示意图。
主要部件的详细说明
10：加热块
11：中空部分
12：插入槽
13：附加加热块
20：毛细管
30：隔热层
100：热循环反应块
110：光源
120：分束器
130：带通滤波器
131：起偏器或起偏膜
132：ND滤波器
140、141：会聚透镜
150：反射镜
160：电动机
170：荧光检测部分
171：荧光会聚透镜
172：荧光带通滤波器
173：荧光检测传感器
174：荧光分束器
175：荧光带通滤波器固定部件
具体实施方式
下面参照附图，对本发明的实施方式进行详细描述。
图1是根据本发明实施方式的加热块的立体图，图2是根据本发明该实施方式的加热块的截面立体图，图3是根据本发明另一实施方式的加热块的截面图，而图4是根据本发明该实施方式的热循环反应块的立体图。
如图所示，热循环反应块100在其中央部位处具有中空部分11，并且还包括：加热块10a、10b，它们被隔热层分开以分别提供不同温度；和毛细管20，样本通过该毛细管20流入和/流出并且该毛细管20穿过中空部分11以规则间隔缠绕在加热块10a、10b上，从而传导不同温度由此重复执行反应循环。
典型的聚合酶链反应(PCR)包括94℃下的变性处理、45℃～67℃下的退火处理，以及72℃下的聚合处理。然而，即使省略了聚合处理，PCR中也没有问题。因而，实时PCR具有省去聚合处理的反应时间以便缩短时间的趋势。尽管在本发明的附图中描述了两个分开的加热块10a、10b，但可以进一步划分加热块。
这时，因为加热块10a、10b的各个分区(partition)之间的温度干扰被隔热层30阻断，所以容易控制温度。隔热层30由导热率非常低的的材料形成，从而易于保持加热块10a、10b的每一个分区的不同温度。
在本发明的附图中，尽管加热块10a、10b被形成为长孔形，但其可以为各种形状，如环形、椭圆形、多边形以及矩形。
而且，本发明的热循环反应块100可以具有附加加热块13，该附加加热块包围着缠绕了毛细管20的靠外的加热块10b，从而与该靠外的加热块10b的外侧相接合。这是一种在通过附加加热块13向毛细管20导热时从靠外的加热块10b向其内侧方向导热的方法。因而，将热更有效地传导至毛细管20。
样本通过毛细管20流入和/或流出。优选的是，毛细管20穿过中空部分11并且按规则间隔以螺旋方式缠绕在加热块10a、10b上，使得向每一个加热块10a、10b传导不同温度，并由此重复执行反应循环。因此，当毛细管20与具有不同温度的加热块10a、10b连续且重复地接触时，执行PCR，从而放大了基因(DNA等)。毛细管20按规则间隔缠绕的理由是，均衡地保持PCR并由此容易地以恒定角来旋转后面描述的反射镜。
可以在加热块10a、10b的外表面中形成供插入毛细管20的一部分的插入槽12，从而增大加热块10a、10b与毛细管20之间的接触表面积。
如图4所示，通过固定地插入有毛细管20的一部分并且具有恒定尺寸和恒定间隔的螺旋插入槽12，加热块10a、10b与毛细管20之间的接触表面积增大了，由此更有效地从加热块10a、10b导热。
而且，因为加热块10a、10b与毛细管20之间的接触表面积与PCR的反应时间有关联，所以该接触表面积会根据反应时间条件而变。该反应时间可以通过改变加热块10a、10b的分区的径向宽度来加以控制，并且加热块10a、10b中的隔热层30的位置也可以根据加热块10a、10b的径向宽度而改变。
如上所述的热循环反应块100被用在实时测量DNA放大的实时监测装置中。
图5和6是示出利用根据本发明实施方式的热循环反应块的实时监测装置的示意性结构的立体图。
如图所示，利用根据本发明实施方式的热循环反应块100的实时监测装置包括：用于发出激励光的光源110；用于使从光源110发出的仅具有希望波长的激励光通过的带通滤波器130；用于会聚激励光的会聚透镜140；反射激励光并使从毛细管20中的样本产生的荧光通过的分束器120；可旋转地与电动机160连接以向毛细管20传递从分束器120反射来的激励光并且反射从毛细管20中的样本产生的荧光的反射镜150；以及用于检测被反射镜150反射接着穿过分束器120的荧光的荧光检测部件170。
光源110用于生成激励光并且包括诸如卤钨灯和氙放电灯的白光光源，和诸如LED和激光的单色光源。但光源110不限于此。
带通滤波器130用于使从光源110发出的仅具有希望波长的激励光通过。
会聚透镜140用于会聚从光源110发出的激励光。会聚透镜140包括可以会聚激励光的任何透镜，优选地包括双凸透镜。
分束器120用于反射从光源110发出的激励光，而使从毛细管20中的样本产生的荧光通过。优选的是，分束器120是二色分束器。
经分束器120反射的激励光被传递至反射镜150，而穿过分束器120的荧光被传递至荧光检测部件170。
传递经分束器120反射的激励光的反射镜150被设置在热循环反应块100的中空部分11处。反射镜150用于向以螺旋方式缠绕在热循环反应块100中的毛细管20传递从分束器120反射的激励光，并且还用于向分束器120反射从毛细管20中的样本产生的荧光。从反射镜150反射的荧光穿过分束器120然后被传递至荧光检测部件170。反射镜150与用于旋转反射镜150的电动机160相连接。电动机160用于旋转反射镜150以通过反射镜150向毛细管20中的样本反射激励光并且将从该样本产生的荧光反射至荧光检测部件170。优选的是，电动机160是用于按恒定速度旋转反射镜150的恒定旋转电动机。
荧光检测部件170用于检测经反射镜150反射然后穿过分束器120的荧光，由此来估计DAN放大。
荧光检测部件170可以包括：用于会聚穿过分束器120的荧光的荧光会聚透镜171、用于使仅具有希望波长的会聚荧光通过的荧光带通滤波器172，以及用于检测穿过荧光带通滤波器172的具有希望波长的荧光的荧光检测器173。图5示出了检测具有一个波长的荧光的状态。
如图6所示，为了检测具有各种波长的荧光，荧光检测部件170还可以包括根据荧光的波长区的一个或更多个荧光会聚透镜171、荧光带通滤波器172以及荧光分束器174。这时，荧光分束器174a和174b根据要检测荧光的波长而彼此不同地配备。荧光会聚透镜171a、171b以及171c根据毛细管20与荧光检测传感器173a、173b以及173c之间的距离而彼此不同地配备。荧光带通滤波器172a、172b以及172c也根据要检测荧光的波长而彼此不同地配备。
优选的是，荧光分束器174a和174b是基于希望波长使长波长通过而反射短波长的二色分束器。该希望波长根据荧光染料而改变。
图7和8是示出利用根据本发明另一实施方式的热循环反应块的实时监测装置的示意图。
利用根据本发明另一实施方式的热循环反应块100的实时监测装置包括：用于发出激励光的光源110；用于使从光源110发出的仅具有希望波长的激励光通过的带通滤波器130；用于会聚激励光的会聚透镜140；反射激励光而使从毛细管20中的样本产生的荧光通过的分束器120；可旋转地与电动机160a连接以向毛细管20传递从分束器120反射来的激励光并且反射从毛细管20中的样本产生的荧光的反射镜150；位于反射镜150与热循环反应块100之间以会聚从反射镜150反射来的激励光和从毛细管20中的样本产生的荧光的会聚透镜141；以及用于检测经反射镜150反射接着穿过分束器120的荧光的荧光检测部件170。
光源110可以包括诸如卤钨灯和氙放电灯的白光光源，和诸如LED和激光的单色光源。但光源110不限于此。在光源110是激光的情况下，还可以设置中灰密度(ND)滤光器132来控制激光的强度。
优选的是，位于反射镜150与热循环反应块100之间以会聚从反射镜150反射来的激励光和从毛细管20中的样本产生的荧光的会聚透镜141是非球面透镜。
荧光检测部件170可以包括：用于会聚穿过分束器120的荧光的荧光会聚透镜171；具有用于使具有与会聚荧光不同的希望波长的荧光通过的一个或更多个荧光带通滤波器172的荧光带通滤波器固定部件175；用于旋转荧光带通滤波器固定部件175的电动机160b；以及用于检测穿过荧光带通滤波器172的具有希望波长的荧光的荧光检测传感器173。
荧光检测部件170具有设置在荧光带通滤波器固定部件175上的一个或更多个荧光带通滤波器172。该荧光带通滤波器固定部件175与要旋转的电动机160b相连接，以使荧光穿过设置在荧光带通滤波器固定部件175上的每一个荧光带通滤波器172然后被检测到。由此增强了荧光检测和空间效率。
换句话说，如图6所示，如果将多个荧光带通滤波器用于实时监测装置中，则必须根据荧光的希望波长区设置多个荧光会聚透镜171、荧光带通滤波器172以及荧光分束器174。然而，如图7和8所示，因为根据本发明另一实施方式的实时监测装置具有设置在荧光带通滤波器固定部件175上的多个荧光带通滤波器172，所以不需要图6的荧光分束器174。而且，因为仅需要一个荧光会聚透镜171，所以可以降低制造成本和空间占用率。
优选的是，电动机160b是用于按恒定速度旋转包括荧光带通滤波器172的荧光带通滤波器固定部件175的恒定旋转电动机。
优选的是，荧光检测传感器173是光电倍增管，而荧光会聚透镜171是非球面透镜，但荧光检测传感器173和荧光会聚透镜171不限于此。
而且，为了增强分离激励光和荧光的效率，如图8所示，本发明的实时监测装置还可以包括位于光源110与会聚透镜140之间并且在荧光测量部件处的起偏器或起偏膜131。
虽然参照具体实施方式对本发明进行了描述，但本领域技术人员应当清楚，在不脱离如下列权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种改变和修改。
根据本发明，因为实时监测装置使用固定的光源和固定的荧光检测传感器以使固定在通过电动机的旋转来控制的位置处，所以容易检测放大的样本，并且可以增强检测准确度和缩减制造成本与劳动力，而且还可以缩减故障及其尺寸。

Claims (11)

1.一种热循环反应块，该热循环反应块包括：
环状的加热块(10a、10b)，所述加热块在其中央部分形成有中空部分(11)，并且被隔热层分开从而分别提供不同的温度；和
毛细管(20)，样本通过该毛细管流入和/或流出，并且该毛细管以规则间隔穿过所述中空部分(11)而缠绕在所述加热块(10a、10b)上，从而传导不同的温度，由此重复执行反应循环。
2.根据权利要求1所述的热循环反应块，该热循环反应块还包括附加加热块(13)，该附加加热块包围着上面缠绕有所述毛细管(20)的靠外的加热块(10b)，从而与该靠外的加热块(10b)的外侧相接合。
3.根据权利要求1所述的热循环反应块，其中，在所述加热块(10a、10b)的外表面中形成有供部分插入所述毛细管(20)的插入槽(12)，以增加所述加热块(10a、10b)与所述毛细管(20)之间的接触表面积，该插入槽(12)具有规则尺寸和规则间隔。
4.一种实时监测装置，该实时监测装置包括：
根据权利要求1到3中任一项所述的热循环反应块(100)；
光源(110)，其用于发出激励光；
带通滤波器(130)，其用于使从所述光源(110)发出的、仅具有希望波长的激励光通过；
会聚透镜(140)，其用于会聚激励光；
分束器(120)，其反射激励光而使从毛细管(20)中的样本产生的荧光通过；
反射镜(150)，其与电动机(160)可旋转地连接，以向所述毛细管(20)传递从所述分束器(120)反射来的激励光，并且反射从所述毛细管(20)中的样本产生的荧光；以及
荧光检测部件(170)，其用于检测经所述反射镜(150)反射然后穿过所述分束器(120)的荧光。
5.根据权利要求4所述的实时监测装置，其中，所述荧光检测部件(170)包括：
荧光会聚透镜(171)，其用于会聚穿过所述分束器(120)的荧光；
荧光带通滤波器(172)，其用于仅使会聚的具有希望波长的荧光通过；以及
荧光检测传感器(173)，其用于检测穿过所述荧光带通滤波器(172)的具有希望波长的荧光。
6.根据权利要求5所述的实时监测装置，其中，根据荧光的波长区，所述荧光检测部件(170)还包括一个或更多个荧光会聚透镜(171)、荧光带通滤波器(172)以及荧光分束器(174)。
7.根据权利要求4所述的实时监测装置，其中，所述电动机(160)是用于以恒定速度旋转的恒定旋转电动机。
8.一种实时监测装置，该实时监测装置包括：
根据权利要求1到3中任一项所述的热循环反应块；
光源(110)，其用于发出激励光；
带通滤波器(130)，其用于仅使从所述光源(110)发出的具有希望波长的激励光通过；
会聚透镜(140)，其用于会聚激励光；
分束器(120)，其反射激励光并使从毛细管(20)中的样本产生的荧光通过；
反射镜(150)，其与电动机(160a)可旋转地连接，从而向所述毛细管(20)传递从所述分束器(120)反射来的激励光，并且反射从所述毛细管(20)中的样本产生的荧光；
会聚透镜(141)，其位于所述反射镜(150)与所述热循环反应块(100)之间，以会聚从所述反射镜(150)反射来的激励光和从毛细管(20)中的样本产生的荧光；以及
荧光检测部件(170)，其用于检测经所述反射镜(150)反射然后穿过所述分束器(120)的荧光。
9.根据权利要求8所述的实时监测装置，其中，所述荧光检测部件(170)包括：
荧光会聚透镜(171)，其用于会聚穿过所述分束器(120)的荧光；
荧光带通滤波器固定部件(175)，其具有一个或更多个荧光带通滤波器(172)，该一个或更多个荧光带通滤波器(172)用于使具有与会聚后的荧光不同的希望波长的荧光通过；
电动机(160b)，其用于旋转所述荧光带通滤波器固定部件(175)；以及
荧光检测传感器(173)，其用于检测穿过所述荧光带通滤波器(172)的具有希望波长的荧光。
10.根据权利要求8所述的实时监测装置，该实时监测装置还包括起偏器或起偏膜(131)，该起偏器或起偏膜位于所述光源(110)与所述会聚透镜(140)之间并且在荧光测量部件处。
11.根据权利要求8所述的实时监测装置，其中，所述电动机(160a、160b)是用于以恒定速度旋转的恒定旋转电动机。
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