用于在阵列带中进行实时聚合酶连锁反应之装置及方法

专利名称：用于在阵列带中进行实时聚合酶连锁反应之装置及方法
技术领域：
本发明一般上系关于用于进行实时分析，特别是用于在阵列带中进行实时聚合酶连锁反应之装置及方法。
背景技术：
端点分析系在反应完成后进行单次的测量，而实时分析则在反应过程中进行复数次测量。随着时间来测量一个反应称为‘化学动力学’或‘反应动力学’。这动力学的数据提供有关此反应过程的额外信息。实时分析的好处超过端点分析很多。化学反应通常遵循一个自然指数率。藉由测量反应动力学，指数率可被观察与量化。初始试剂的量可依据动力学来量化。一个反应的动力学可与类似反应或标准化反应相比较。聚合酶连锁反应(PCR)造成脱氧核糖核酸(DNA)扩增(amplification)。此反应的测量是根据在样本中之DNA总数的测量，一般是利用荧光探针来测量。有些聚合酶连锁反应化学作用使用单一反应温度来培养，而其它则使用复数个温度。当使用数个温度培养时，各条DNA在理想上是各个热循环限制在两倍。就单一温度反应而论，此DNA扩增是在某些速率进行，且可周期性地测量。虽然已经利用板与管来进行实时分析，但是由于包括成本、速度等等的各种因素， 这种实时分析在传统上是不在大规模的实验进行。因此，有需要一种用于进行实时分析之装置及方法，以克服传统实时分析装置及方法的不足与缺失。

发明内容
为解决在实时分析领域的此种需要与其它问题，本发明提供装置及方法，其中载体及由载体承载的内容物系同时沉浸在容纳于一个储槽中的一个流体热介质内，而进行反应之载体之内容物的状况系由一个检测器检测。在较佳的观点中，载体为包括复数个反应管(well)的载带，且在最佳的观点中， 载带卷绕且延伸在第一与第二卷盘之间，第一与第二卷盘沉浸及可以沉入流体热介质内数次，同时，载带从一支卷盘卷绕至另一支卷盘且延伸越过一个承载检测器的引导机构。在最佳的观点中，检测器是一种测量荧光的时间分辨式多通道光度计，一个阵列中的每一列反应管有至少一个通道。在其它观点中，载体及被承载的内容物是在不同的温度控制之下依序地沉浸在容纳有水或空气形式之流体热介质的多个储槽中。本发明将由举例说明的本发明实施例并参照所附图式而得以清楚了解。


实施例可参考这些附图而有最佳描述，其中
图1显示根据本发明较佳教导之在阵列带中进行实时聚合酶连锁反应之装置的
一立体图。图2显示图1装置之读取头的局部放大底视图。图3显示在图1所示装置中之图2所示装置之读取头的侧视图，部分载带被剖开以显露部分读取头。图4显示使用在图1装置中之载带的局部立体图，密封带卷回以露出载带的顶面。以下所有图式系仅便于解释本发明基本教导而已，图式中构成较佳实施例的组件的数目、位置、关系、及尺寸的延伸将有所说明或在阅读及了解本发明的教导后相关的变化实施属于业界技能。另外，在阅读及了解本发明的教导后，结合特定力量、重量、强度、及类似要求的精确尺寸及尺寸比例的改变亦属业界技能。在不同图式中系以相同标号来标示相同或类似组件；另外请了解文中诸如“顶部”、“底部”、“第一”、“第二”、“上”、“前”、“后”、“高”、“宽”、“长”、“端”、“水平”、“垂直”与类
似用语系仅便于看图者参考图中构造以及仅用于帮助描述所述举例的实施例而已。
具体实施例方式根据本发明较佳教导之在阵列带中进行实时聚合酶连锁反应之装置系显示于图中且标号为10。在最佳形式中，装置10系结合一个载体来使用，载体包括容纳内容物的区域，当内容物进行反应时可被检测。这些内容物包括在不同温度下进行反应的各种生物及 /或化学物质。在最佳形式中，载体显示为例如美国专利号6，878’ 345所揭示的载带20，此案在此并入作为参考。一般来说，载带20包括一个基板观，基板观被处理以浮凸成为一特定形状的复数个反应管30来保持液体。在最佳的形式中，反应管30系配置为具有复数列与复数行的阵列。再者，可藉由一密封层60将载带20之反应管30内的内容物密封。请了解载体可以是多种类型与形式，并不仅限于这里显示与揭示的类型。在这方面，容纳内容物之区域的数量、反应管30的形状及/或甚至设不设反应管30系可基于依据本发明教导之应用功能作变化。在较佳形式中，当反应管30为阵列配置时，沿着基板观的各边设有复数个链轮驱动孔32，链轮驱动孔32系与复数行反应管30平行且隔开。链轮驱动孔32是精密冲压以维持一致间距，这允许载带20被曳引器驱动而输送。链轮驱动孔32还可以创造一位置关系来界定在载带20上的任何位置，以对应载带20上任何选定的反应管30。然而，请了解其它用来追踪载带20移动的方法也可依据本发明的教导来利用。例如，可以读取设置在反应管30的阵列或型态(patterns)之间的条码。类似于此，可使用主轴16与18的位置反馈结合其它检测器。同样地，根据本发明的教导系可利用光学扫描，例如观察反应管30的阵列或是型态、位于反应管30阵列或型态之间的空间、位于空阵列或型态之间的反应管30、 反应管30阵列的行数、或类似者。一般而言，根据本发明较佳教导的装置10包括具有一个本体14的一个读取头12。 在所示的最佳形式中，第一与第二主轴16与18系从本体14的一个底面延伸且是可绕着平行相隔的轴线转动。在最佳形式中，主轴16与18是被驱动，且不需要一个位于主轴16与 18中间的驱动器。各主轴16与18系可移出地容纳一支用于载带20的卷盘40。虽然载带 20可在相反方向卷绕使得反应管30向内延伸，载带20是卷绕在主轴16与18的一支或二支卷盘40上且使反应管30向外延伸地延伸在二支卷盘40之间。当主轴16与18旋转时， 载带20是从一支卷盘40卷绕到另一支卷盘40。根据本发明教导的读取头12更包括一个引导机构42，引导机构42位于主轴16与 18的中间，且载带20的密封层60越过引导机构42。在最佳形式中，载带20从卷盘40延伸且与引导机构42相切，引导机构42在主轴16与18之间的载带20上形成一钝角。在所示的形式中，引导机构42安装一个检测器44用以检测载带20及/或反应管30中之内容物的状况。在最佳形式中，检测器44是为时间分辨式光度计以测量荧光且可以为多通道光度计，当反应管30呈阵列安排在载带20上时，在反应管30的每一列有至少有一个检测器信道以消除扫描的实体限制。再者，在最佳形式中，当反应管30呈阵列安排时，检测器44 的通道数目是与排数相等且对应。举例说明，检测器44利用16个通道用于具有安排成384 阵列之反应管30的载带20，且利用32个通道用于具有安排成1536阵列之反应管30的载带20。请了解，可以提供适合反应管30内容物的化学性质的各种荧光染料的多色彩激发灯来与检测器44配合。在较佳形式中的本体14系流体密封且包括用于主轴16与18的驱动器、用于检测器44的电子设备、及类似者。请了解主轴16与18及卷盘40之目的是要提供一机构用以移动载带20通过检测器44，在一较佳形式，检测器44是一种多通道读取器。再者，在所示的较佳形式中，检测器44系与形成主轴16与18及卷盘40的载带驱动器整合为一体使得载带20通过检测器44的光通道。引导机构42之目的是要将载带20与检测器44的光学信道精确地对齐，以控制中心与追踪的深度与在最佳形式中之载带20的运动平行对准。但是，请了解，根据本发明教导，用于移动载带20通过检测器44的机构可以是其它形式及/ 或类型。同样地，根据本发明教导，检测器44可以是根据所需要检测的情况的其它形式、类型及/或位置。一般来说，根据本发明最佳教导的所示装置10更包括一个培养器70。特别言之， 培养器70包括一个入口箱或加载站72与一个出口箱或卸载站74。再者，培养器70包括可操作地位于站72与74中间的复数个热介质储槽76-79，各储槽76-79界定具有一个开口的一个容积。具体来说，各储槽76-79容纳呈流体形式的一个热介质，载带20沉浸在此热介质中以改变载带20及由载带20承载之内容物的温度。热介质可以为水，水对于温度之间需求快速转换的多温培养最好，因为水具有较高的比热与高导热系数。介质也可以为空气形式，空气比水少麻烦且有利于不需要快速温度改变且不需要水之好处的单一温度培养化学作用。在一较佳形式中，储槽76容纳热水，例如在约94-98摄氏温度用于聚合酶连锁反应的变性步骤；储槽77容纳温水，例如在约78-80摄氏温度用于聚合酶连锁反应的延伸步骤；储槽78容纳冷水，例如在约50-65摄氏温度用于聚合酶连锁反应的退火步骤；以及储槽79容纳空气。任何储槽76-79 (例如容纳空气的储槽79)可以包括一个鼓风机88用以增加对流。此外，各储槽76-79应包括一个控制所容纳之流体介质温度的方式。根据本发明教导的装置10包括用以使读取头12相对于容纳在储槽76-79中的介质移动的设置。举例说明，当储槽76-79成线性排列设置于站72与74之间，可以利用所示的笛卡尔转送机构(Cartesian transfer mechanism)形式。具体来说，所示的高架移动式转送机构84包括一个U形转送臂86，转送臂86有结合在本体14之顶面且在主轴16与18 的转动轴线之间并与转动轴线平行延伸的一支第一腿，本体14之顶面背对主轴16与18。
6并提供适当设置以使转送臂86在平行于主轴16与18之转动轴线的一垂直的Z轴运动以及使转送臂86在垂直于主轴16与18之转动轴线的一水平X轴运动。但是，请了解可利用其它类型与形式的设置来移动读取头12，包括例如具有平行于主轴16与18转动轴线之垂直的Z轴运动，以及例如与主轴16与18转动轴线平行且隔开的一单一旋转轴线的机器人型(scara type)。根据本发明教导装置10的基本构造已经说明。一个进行实时分析的方法，特别是进行实时聚合酶连锁反应之方法与本发明可得到的优点能被凸显。进一步言之，载带20是卷绕在一支第一卷盘40上，其内端系牢固地结合在第一卷盘40。载带20的自由端是牢固地连接到一支第二卷盘40。第一与第二卷盘40是放置在加载站72中，且在此较佳形式中， 系由一个护板闭合。之后，移动读取头12以将主轴16与18连接至第一与第二卷盘40。此运动可以是手动控制或是自动控制(例如藉由感测卷盘40出现在加载站72)。在卷盘40位于读取头12之后，移动读取头12以将在所示较佳形式中的卷盘40、 引导机构42、及检测器44透过此开口插入储槽76-79之其中一个的容积内。举例说明，转送机构84可以将读取头12移动进入储槽76中使所示较佳形式中的卷盘40、载带20、引导机构42、及检测器44与此开口相隔且延伸进入例如在储槽76中之热水的流体热介质中。 在此时，可高速将载带20从一支卷盘40卷绕到另一支卷盘40 —次或多次，以加强对流的水流而得到热介质与载带20的所有表面的良好接触，否则当载带20卷绕在卷盘40时，可能会因为载带20之卷绕层的紧密间距使得载带20被遮蔽而无法接触介质。此外，转送机构 84可将读取头12上下地沉入储槽76中以加强对流的水流通过载带20之卷绕层之间(当卷绕在卷盘40时)，再次提供更快的温度转换。当载带20与被承载的内容物沉浸在流体热介质中(例如当卷绕在卷盘40之间) 且当内容物位于卷盘40的中间时(例如当通过引导机构42时)，检测器44可在任何时间感测状况。举例说明，在较佳形式中，检测器44可以测量反应管30之内容物的荧光信号。 对于多温度的聚合酶连锁反应，读取一般是在聚合酶连锁反应程序之延伸阶段后进行。请了解当所示较佳形式之装置10的检测器44在检测状况时，检测器44与载带20及卷盘40 是沉浸在流体热介质中。当储槽76的培养期完成时，转送机构84可以将读取头12从储槽76移出，且如果需要的话可将其移动到另一储槽77-79中而在不同的第二温度下培养。这个程序可以依需要在各个储槽77-79中重复。在完成所需要的培养循环次数之后，转送机构84可以将读取头12移动到卸载站74，卷盘40及绕在卷盘40上的载带20可在卸载站74从主轴16与18 移出。在此时，可将读取头12移回到加载站72。各反应管30之扩增动力学可根据记录在各个培养循环的数据加以分析。传统上，对于快速进行实时聚合酶连锁反应有两个主要的物理障碍。第一个障碍是需要快速且均勻地改变许多样品的温度。根据本发明教导的载带20由于是需要较少热能的更薄材料，所以较板与管有利。这使得具有数百个容纳在例如反应管30阵列之可寻址区域中之内容物的载带20之整个卷盘40可以被平行处理。第二个障碍是将各个样品相对于一测量装置定位。由于载带20能非常迅速地在卷盘40之间卷绕及进给，所以载带20是更为有利的。最佳形式之多通道检测器44不需跨过各行反应管来对单一通道读取器进行光栅扫描(raster scan)，且能够仅以高速连续倒绕运动来进给载带20。具体来说，利用本发明较佳形式的装置10，可在1000毫米/秒的速度移动载带20。若反应管30阵列的间距为144毫米、热循环一般花上1到2分钟、以及100阵列的读取时间约15秒，所示装置10 的各循环的总时间为1. 5至2分钟。进行一般的15至20个循环作业时，所示装置10对于 100个阵列之384个反应管，处理38，400个样品的总读取时间为30至40分钟。这比一次处理一板的传统系统快上至少100倍。传统上，因为成本太高，实时聚合酶连锁反应是不会在大规模的实验进行。大多数实验室在小型实验采用实时分析，在大型实验采用端点分析。因为以载带为主的系统(tape based system)的速度极快，利用根据本发明教导之装置10与方法的各个样品的成本将非常低廉。因此，由于比端点分析有优越的实时数据，实验室可以将所有实验切换到实时分析。再者，根据本发明教导之装置10与方法所利用的载带系统只需要一个手动步骤来加载阵列的整个卷盘。传统的单板实时聚合酶连锁反应系统需要手动加载或机器人自动加载， 这两种方式增加了根据本发明教导可避免的成本。由于载带20可以安装在卷盘40上，因而利用本发明之装置10与方法需要的实体空间较小。使用传统100个单板实时聚合酶连锁反应系统的相同产量将比利用在根据本发明教导之装置10与方法的单一条载带系统需要更多的实验室空间。此外，由于须要将热能转移进入板中及从板内移出，传统的现有实时聚合酶连锁反应系统在每一个阵列需要大量电力。利用根据本发明教导之装置10与方法之以载带为主的系统在各个阵列所用的能源较少。请了解本发明之装置10与方法允许当载带20在受流体热介质包围时来读取荧光。如果需要的话，利用根据本发明教导之装置10与方法仍可进行端点读取。此外，根据本发明教导之装置10与方法可以用来进行单一温度培养化学作用的实时读取。再者，由于可以利用水与空气来做流体热介质，根据本发明教导之装置10与方法可以用来进行干湿培养。因此，由于在说明书揭示的本发明系可由没有脱离本发明精神与大体特征的其它特定形式来实施，且这些特定形式的一些形式已经被显示，所以，在说明书揭示的实施例应视为举例说明而非限制。本发明的范围系由所附的权利要求来界定，而不是由以上叙述所界定，对于落入所述权利要求的均等意义与范围的所有改变仍将并入于本发明所主张的权利要求范围之内。
权利要求
1.一种检测方法，包括将一个流体热介质提供在一个第一储槽中且在温度控制下；将包括容纳内容物之区域的一个载体沉浸在所述第一储槽的流体热介质中，所述内容物在沉浸之时进行一反应；及当所述内容物沉浸在所述第一储槽之流体热介质中时，检测在所述载体之区域内之内容物的状况。
2.如权利要求1所述的方法，其中沉浸所述载体包括沉浸具有呈反应管形式之区域的一条载带。
3.如权利要求2所述的方法，更包括将所述载带卷绕在第一与第二卷盘之间，所述载带延伸在所述第一与第二卷盘之间， 当所述内容物位于所述第一与第二卷盘之间时检测所述状况，沉浸所述载带包括将所述第一与第二卷盘与延伸在所述第一与第二卷盘之间的所述载带沉浸在所述第一储槽内之流体热介质中。
4.如权利要求3所述的方法，其中检测所述状况包括以一个检测器检测所述状况，所述方法更包括将一个引导机构提供在所述第一与第二卷盘之间且安装所述检测器，沉浸所述载带包括将所述载带延伸越过安装在所述引导机构上的检测器，所述第一与第二卷盘之间的引导机构在所述载带上形成一钝角。
5.如权利要求4所述的方法，其中沉浸所述第一与第二卷盘包括将所述第一与第二卷盘与延伸在所述第一与第二卷盘之间的载带以相反方向沉入在所述第一储槽内之流体热介质中数次。
6.如权利要求2-5任一项所述的方法，其中沉浸所述载带包括移动包含具有复数列与复数行的一个反应管阵列的所述载带，所述载带在平行于所述复数列之方向移动，检测所述状况包括沉浸一个多通道检测器，所述多通道检测器在所述反应管阵列的各列上具有至少一通道。
7.如权利要求4-6所述的方法，更包括提供一个包括第一与第二主轴且安装所述检测器的读取头；将所述第一与第二卷盘加载在一个加载站；移动所述读取头以使位于所述加载站上的所述第一与第二卷盘容纳于所述第一与第二主轴上，沉浸所述载体包括从所述加载站将所述读取头与容纳在所述第一与第二主轴上的第一与第二卷盘移动到所述第一储槽内；在检测所述载体与所述反应管之内容物的状况之后，将所述读取头与容纳在所述第一与第二主轴上的第一与第二卷盘移动到一个卸载站；及将所述读取头移离所述卸载站，将所述第一与第二卷盘从所述第一与第二主轴移出。
8.如权利要求在前任一项所述的方法，其中检测所述状况包括以测量荧光之一时间分辨式光度计检测所述状况。
9.如权利要求在前任一项所述的方法，更包括将一个流体热介质提供在一个第二储槽中且在不同于第一储槽之温度控制的温度控制下，沉浸所述载体包括在所述载体从所述第一储槽之流体热介质中移出之后，将所述载体沉浸在所述第二储槽内之流体热介质中。
10.如权利要求9所述的方法，其中在所述第一与第二储槽的至少一储槽中的流体热介质是水。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中在所述第一与第二储槽的至少一储槽中的流体热介质是空气，所述方法更包括鼓动所述空气以增加对流。
12.—种检测装置，包括容纳在温度控制下之一个流体热介质的一个第一储槽，所述第一储槽界定具有一个开口的一个容积，所述容积容纳与所述开口相隔的一个载体，所述载体包括容纳内容物的区域；及一个检测器，当所述区域容纳在所述容积时，所述检测器检测所述区域之内容物的状况。
13.如权利要求12所述的装置，更包括安装所述检测器的一个读取头，所述读取头系可经由所述开口移入或是移出所述第一储槽的容积，所述读取头系用来承载所述载体，所述载体为具有呈反应管形式之区域的一条载带。
14.如权利要求13所述的装置，更包括可旋转地安装至所述读取头的第一与第二卷盘，所述检测器位于所述第一与第二卷盘之间，所述载带延伸在所述第一与第二卷盘之间， 所述读取头、所述第一与第二卷盘、及所述检测器系可经由所述开口移入所述第一储槽的容积内。
15.如权利要求14所述的装置，更包括安装在所述读取头且位于所述第一与第二卷盘之间的一个引导机构，所述检测器安装在所述引导机构，从所述第一与第二卷盘至所述弓丨导机构的切线在所述弓I导机构上形成一钝角。
16.如权利要求13-15所述的装置，其中所述检测器是一种多通道检测器，所述载带沿着一方向延伸在所述第一与第二卷盘之间且包括具有复数列与复数行的反应管阵列，所述复数列与所述方向平行，所述多通道检测器在所述反应管阵列的各列上包含至少一通道。
17.如权利要求12-16任一项所述的装置，其中所述检测器为一种测量荧光之时间分辨式光度计。
18.如权利要求14-17任一项所述的装置，更包括支持从读取头移出之第一与第二卷盘的一个加载站；支持从读取头移出之第一与第二卷盘的一个卸载站；及一个转送机构， 所述转送机构将所述读取头从所述加载站移动到所述第一储槽且将所述读取头从所述第一储槽移动到所述卸载站。
19.如权利要求12-18任一项所述的装置，更包括容纳一个流体热介质且在不同于所述第一储槽之温度控制的温度控制下的一个第二储槽。
20.如权利要求12-19任一项所述的装置，其中所述流体热介质是水。
21.如权利要求12-19任一项所述的装置，其中所述流体热介质是空气，所述装置更包括一个鼓动空气的鼓风机。
全文摘要
一条卷绕且延伸在第一与第二卷盘(40)之间的载带(20)与一个安装在引导机构(42)上的检测器(44)系沉浸在一个容纳在储槽(76-79)内之水或空气形式的流体热介质中，第一与第二卷盘(40)系可旋转地安装在一个读取头(12)上。在沉浸之时，载带(20)可以从一支卷盘(40)卷绕到另一支卷盘(40)。再者，读取头(12)可以在相反方向上多次沉入流体热介质之中。当载带(20)与被承载的内容物沉浸在流体热介质中时，检测器(44)允许读取，且检测器(44)可以是一个测量荧光之时间分辨式多通道光度计，在一个阵列的每一列反应管(30)有至少一个通道。
文档编号G01N35/00GK102202792SQ200980142931
公开日2011年9月28日 申请日期2009年9月9日 优先权日2008年9月9日
发明者夏内克·理查杰罗姆 申请人:道格拉斯机械公司