用于热循环仪加热罩的系统和方法与流程

用于热循环仪加热罩的系统和方法
1.本技术是申请号为201680078403.5、申请日为2016年12月21日、发明名称为“用于热循环仪加热罩的系统和方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
2.本发明大体上涉及热循环仪系统和使用热循环仪系统的方法。


背景技术：

3.生物或化学样品的试验通常需要一种用于使多个样品反复地经受一系列温度循环的装置。为了制备、观测、试验和/或分析生物样品阵列，可利用的器械的一个实例是热循环仪或热循环装置，例如端点聚合酶链反应(pcr)器械或者定量或实时pcr器械。此类装置用于生成具体温度循环，即，用于将反应容器中的预先确定的温度设定成维持预先确定的时间间隔。
4.大体上，合乎希望的是增大pcr过程的效率和输出。自动化生物样品处理器械的优点允许更快和更高效的样品分析。然而，此类自动化系统通常必须能够与其它自动化实验室系统集成。消除用户交互增大了效率，但需要建立反馈控制以提示主器械控制器过程中的下一阶段准备好发生。举例来说，系统必须确保在激活热循环例程之前样品固持器在生物分析系统内的适当位置。在其中没有用户干预的自动化系统中，合乎希望的是基于实验室自动化系统的反馈提示主器械控制器样品固持器在适当位置。
5.检测消费者板在适当位置的潜在方法是使用集成到主实验室自动化系统中的成像系统。成像系统可捕捉图像，且通过复杂算法确定pcr系统的样品块上的样品固持器的存在。这种方法实施起来是复杂的、昂贵的和繁重的。其它方法包含在样品块模块上嵌入灵敏载荷测量元件或使用条形码读取器，所述灵敏载荷测量元件或条形码读取器可分别通过重量变化或样品固持器上的条形码检测到板的存在。然而，此类方法实施起来是昂贵的。
6.日益需要提供解决上述缺点中的一个或多个的改进的热循环仪系统。


技术实现要素：

7.根据一个实施例，用于与被配置成接收多个样品的样品固持器一起使用的热循环仪系统包含：样品块，其被配置成接收样品固持器；罩盖；加热罩，其可操作地耦合到罩盖；和驱动组合件，其用于移动罩盖和加热罩。罩盖被配置成在朝向样品块的方向上从打开位置移动到关闭位置。加热罩被配置成当样品固持器由样品块接收时在朝向样品块的方向上从升高位置移动到第一降低位置，在第一降低位置中加热罩接触样品固持器。驱动组合件包含可操作地耦合到罩盖和加热罩的运动导引件。运动导引件被配置成在朝向样品块的方向上从第一位置移动到第二位置，在第一位置中罩盖在打开位置中且加热罩在升高位置中，在所述第二位置中罩盖在关闭位置中。
8.根据另一实施例，用于与被配置成接收多个样品的样品固持器一起使用的热循环仪系统包含被配置成接收样品固持器、加热罩和第一传感器的样品块。加热罩被配置成当
样品固持器由样品块接收时在样品块的方向上从升高位置移动到第一降低位置，在所述第一降低位置中加热罩与样品固持器接触，且当样品固持器从样品块移除时从第一降低位置移动到第二降低位置，在所述第二降低位置中加热罩与样品块接触。第一传感器被配置成检测加热罩是否在第一降低位置中。
9.在结合附图查阅对说明性实施例的以下详细描述后，本发明的各种额外特征和优点对于所属领域的技术人员将变得更清楚。
附图说明
10.并入在本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施例，且与上文给定的本发明的一般描述和下文给定的详细描述一起用以解释本发明。
11.图1是根据一个实施例的示出罩盖在打开位置中的热循环仪系统的透视图。
12.图2是示出罩盖在关闭位置中的图1的热循环仪系统的透视图。
13.图3是其中外部壳体被移除的图1的热循环仪系统的正面透视图。
14.图4是其中外部壳体被移除的图1的热循环仪系统的背面透视图。
15.图5a到5d是示出罩盖、运动导引件和加热罩在各种位置中的图1的热循环仪系统的背面透视图。
16.图6a到6c是示出加热罩相对于定位于样品块上的样品固持器在各种位置中的大体上沿图5c的线6b
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6b截取的热循环仪系统的一部分的横截面视图。
17.图7是示出定位于没有样品固持器的样品块上的加热罩的大体上沿图5d的线7
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7截取的热循环仪系统的一部分的横截面视图。
18.图8是示出导引件的大体上沿图4的线8
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8截取的热循环仪系统的一部分的横截面视图。
具体实施方式
19.参考图1到4，示出热循环仪系统10根据本发明的说明性实施例构造而成。热循环仪系统10包含外部壳体12和被配置成接收样品固持器16的样品块14。样品块14包含多个腔体18且被配置成装有对应形状的样品固持器16，所述对应形状的样品固持器16含有位于多个孔20中的多个生物或生化样品，如图8中最佳地示出。热循环仪系统10进一步包含可操作地耦合到压力棒24(图5a中所示出)和罩盖26的加热罩或压板22。加热罩22被配置成向样品固持器16提供向下力。向下力在样品固持器16、样品块14和热块组合件(未示出)的其它组件之间提供竖直压缩，这改进了样品块14与样品固持器16之间的热接触以加热和冷却孔20中的样品。如图3和4中所示出，热循环仪系统10还包含用于将罩盖26从打开位置(图1)移动到关闭位置(图2)和用于将加热罩22从升高位置(图6a)移动到降低位置(图6c和7)的驱动组合件28。驱动组合件28包含皮带驱动系统30和运动导引件32。热循环仪系统10进一步包含用于感测加热罩22和运动导引件32的各种位置的传感器组合件，如下文更详细地描述。
20.除非另外指明，否则本文中在示范性实施例中使用参考系来描述热循环仪系统10，其中样品块14位于热循环仪系统10的前部或前向部分中，皮带驱动系统30位于热循环仪系统10的后部或后向部分中，且当罩盖26在关闭位置中时罩盖26位于样品块14上方。因此，如本文中所使用，用于描述示范性热循环仪系统10的例如前向、后向、向下、向上、橫向
和竖直等术语是相对于所选择的参考系。然而，本发明的实施例不限于所选择的参考系和描述性术语。举例来说，皮带驱动系统30可位于热循环仪系统10的前部或前向部分中且在本发明的范围内。所属领域的技术人员将认识到，当参考系存在改变时可不直接应用本文中所使用的描述性术语。尽管如此，用于描述热循环仪系统10的实施例的相对术语仅仅在图式中提供示范性实施例的清晰描述。由此，相对术语前向、后向、向下、向上、橫向和竖直决不将本发明限制为特定位置或定向。
21.参考图3和4，更详细地示出皮带驱动系统30。皮带驱动系统30被配置成在横向方向上朝向样品块14前向和远离样品块14后向移动运动导引件。皮带驱动系统30包含围绕一对隔开的滑轮36、38环绕的皮带34以及螺丝40。皮带驱动系统30也可包含电动驱动马达和变速器，例如变速箱，所述变速器将机动功率从驱动马达转移到滑轮36以用于围绕滑轮36、38移动皮带34。螺丝40的第一末端42耦合到滑轮38。随着皮带34围绕滑轮36、38旋转，螺丝40旋转。螺丝40的第二末端44可操作地耦合到运动导引件32。更具体地说，螺丝40的第二末端44延伸通过圆柱形管46，所述圆柱形管46通过支架48耦合到运动导引件32。圆柱形管46包含与螺丝40的螺纹50配合的螺纹(未示出)。因此，随着螺丝40旋转，螺纹50与管46中的对应螺纹的接合实现管46和因此运动导引件32朝向或远离样品块14的轴向引导的滑动运动。
22.参考图5a，更详细地示出加热罩22和压力棒24。加热罩22经由弹簧52a、52b耦合到压力棒24。弹簧52a、52b可以是例如压缩弹簧或模具弹簧。模具弹簧的尺寸可小于能够处理相同负载的压缩弹簧。模具弹簧也可具有更长服务循环且可能够耐受高热量。当需要采取更高负载时或当需要耐受更高温度时可使用模具弹簧。在一个实施例中，弹簧52a、52b可以是可从tokyo hatsujyo manufacturing co.,ltd.获得的tl16
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36模具弹簧。压力棒24与运动导引件32耦合，且因此加热罩22与运动导引件32可操作地耦合。为此，压力棒24的末端54、56包含凸起62a、62b，且运动导引件32的侧壁58、60包含狭槽64a、64b。凸起62a、62b延伸通过狭槽64a、64b。狭槽64a、64b倾斜，从而允许运动导引件32沿着水平轴线纵向运动转换成压力棒24沿着竖直轴线和因此沿着加热罩22的同步竖直运动。压力棒24的竖直运动可由导引件66a、66b导引，这在下文更详细地描述。当压力棒24在竖直方向上朝向样品块14移动时，弹簧、52a、52b对加热罩22施加力。因此，加热罩22在竖直方向上朝向样品块14移动，直到其在由样品块14接收时接触样品固持器16为止。当加热罩22与样品固持器16接触时，防止了进一步向下移动。如果压力棒24继续向下竖直移动，那么弹簧52a、52b将压缩且加热罩22将对样品固持器16施加力。
23.仍参考图5a，更详细地示出罩盖26和壳体12。壳体12具有接合罩盖26的肩部68a、68b(以虚线示出)。更具体地说，罩盖26包含分别接合肩部68a、68b的下侧的壁架70a、70b。随着罩盖26从断开位置移动到关闭位置，壁架70a、70b沿着肩部68a、68b移动。肩部68a、68b的下侧包含肩部68a、68b的末端处的凸起72a、72b。当罩盖26到达关闭位置时，凸起72a、72b防止罩盖26在远离皮带驱动系统30的方向上的进一步移动。
24.进一步参考图5a，更详细地示出罩盖26和运动导引件32。罩盖26包含前壁74、相对侧壁76、78以及后壁80。罩盖26被配置成通过运动导引件32从打开位置纵向移动到关闭位置。在说明性实施例中，罩盖26和运动导引件32以各种方式接合。为此，罩盖26的后壁80通过弹簧84a、84b耦合到运动导引件32的交叉棒82。在一个实施例中，弹簧84a、84b可以是压缩弹簧，例如可从shincoil spring pte ltd获得的类型ssc
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028
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12螺旋弹簧。另外，罩盖
26经由压力棒24与运动导引件32耦合。为此，罩盖26的侧壁76、78包含竖直通道86a、86b，压力棒24的末端54、56延伸通过所述竖直通道86a、86b。因此，当压力棒24的凸起62a、62b移动通过运动导引件32的狭槽64a、64b时，压力棒24的末端54、56竖直地移动通过罩盖26的通道86a、86b。通道86a、86b有助于导引件66a、66b防止压力棒24与罩盖26之间的相对纵向运动。罩盖26进一步包含凹槽88a、88b。凹槽88a、88b中的每一个在中被示出为图5a内所说明的特定实施例中是不连续的，但本发明并不如此受限。运动导引件32的侧壁58、60的底部边缘接合在凹槽88a、88b中。当运动导引件32相对于罩盖26移动时，运动导引件32的侧壁58、60分别移动通过凹槽88a、88b。
25.参考图5a到5d，详细地示出驱动组合件28的操作。图5a和5b示出罩盖26在朝向样品块14的方向上从打开位置到关闭位置的移动。如图5a中所示出，当运动导引件32在第一位置中时，罩盖26在打开位置中且加热罩22在升高位置中。当罩盖26在打开位置中时，样品固持器16可通过例如机器人臂(未示出)装载于样品块14上。在样品块14接收样品固持器16之后，皮带驱动系统30可被接合。随着皮带驱动系统30旋转螺丝40，运动导引件32在朝向样品固持器16的方向上移动。运动导引件32的前向移动使罩盖26至少部分地由于压力棒24的末端54、56与罩盖26的通道86a、86b之间的接合而在朝向样品固持器16的方向上纵向移动。当罩盖26从打开位置前向移动到关闭位置时，罩盖26和运动导引件32作为一个单元移动。换句话说，罩盖26和运动导引件32的相对位置大体上保持不变。参考图5b，罩盖26被示出在相对于样品块14的关闭位置中，且运动导引件32被示出在相对于样品块14的在第一位置前面的第二位置中。此时，通过外部壳体12的凸起72a、72b防止了罩盖26在远离皮带驱动系统30的方向上的进一步移动。
26.参考图5c和5d，示出了加热罩22和压力棒24在朝向样品块14的方向上的从升高位置的移动。在罩盖26到达关闭位置之后且随着螺丝40继续旋转，运动导引件32继续在纵向方向上朝向样品块14移动。因为防止了罩盖26进一步前向移动，所以弹簧84a、84b随着运动导引件32的交叉棒82与罩盖26的后壁80之间的空间减小而压缩。因此，运动导引件32的侧壁58、60和因此狭槽64a、64b沿着运动导引件32的罩盖26的侧壁76、78在朝向样品块14的方向上侧向移动。因为压力棒24被罩盖26的通道86a、86b侧向约束，所以凸起62a、62b移动通过倾斜的狭槽64a、64b。另外，随着运动导引件32相对于罩盖26移动，运动导引件32的侧壁58、60分别移动移动凹槽88a、88b。在一个实施例中，凸起62a、62b是可旋转的，从而使得当压力棒24相对于运动导引件32移动时，凸起62a、62b旋转通过倾斜的狭槽64a、64b。当凸起62a、62b移动通过倾斜的狭槽64a、64b时，压力棒24在竖直方向上朝向样品块14移动。如图5c中所示出，当样品固持器16由样品块14接收时加热罩22移动到第一降低位置，在所述第一降低位置中加热罩22接触样品固持器16。当加热罩22在第一降低位置中时，运动导引件32在相对于样品块14的在第二位置前面的第三位置中。如图5d中所示出，当样品固持器16从样品块14移除时，加热罩22被配置成移动到第二降低位置，在所述第二降低位置中加热罩22在第一降低位置与样品块14中间的位置中。当加热罩22在第二降低位置中时，运动导引件32在相对于样品块14的在第三位置前面的第四位置中。在所说明的实施例中，当样品固持器16由样品块14接收时，运动导引件32将不会移动到第四位置。
27.再次参考图5a到5d，详细地示出传感器组合件。传感器组合件包含第一传感器90和第二传感器92。在一个实施例中，传感器90、92可以是深间隙槽形光学开关，例如可从
optek technology获得的类型opb820w传感器。示范性传感器90、92包含两个隔开的臂94且被配置成检测定位销何时定位于臂94之间。运动导引件32包含定位销96。第一传感器90被配置成检测罩盖26是否在打开位置中，如图5a中所示出。为此，当罩盖26在打开位置中时，运动导引件32的定位销96定位于第一传感器90的臂94之间，从而使得传感器90检测到定位销96的存在。第二传感器92被配置成检测罩盖26是否被关闭且样品固持器16是否从样品块14移除(即，运动导引件在第四位置中)。在这种情况下，当运动导引件32在第四位置中时，定位销96定位于第二传感器92的臂94之间，从而使得第二传感器92检测到定位销96的存在。当第二传感器92检测到定位销96的存在时，驱动系统可被配置成脱离接合，原因是运动导引件32在最前向位置(即，第四位置)中。如上文所论述，如果样品固持器16由样品块14接收，那么运动导引件32将移动到第三位置但不移动到第四位置。因此，如果样品固持器16由样品块14接收，那么第二传感器92将不会检测到运动导引件32的位置，原因是定位销96将不会位于第二传感器92的臂94内。
28.参考图6a到6c和图7，更详细地示出加热罩22和压力棒24的移动。图6a到6c示出当样品固持器16由样品块14接收时加热罩22从升高位置到第一降低位置的移动。在图6a中，加热罩22被示出在升高位置中。当压力棒24在竖直方向上朝向样品块14移动时，加热罩22向下移动到第一降低位置且接触样品固持器16，如图6b中所示出。在加热罩22接触样品固持器16之后，样品固持器16防止加热罩22进一步在朝向样品块14的方向上移动。因此，如图6c中所示出，弹簧52a、52b由于压力棒24的继续向下移动而开始压缩。以此方式，加热罩22对样品固持器16施加力。在一个实施例中，加热罩22可被配置成对样品固持器16施加预先确定的力。当达到预先确定的力时，驱动组合件28可被配置成停止移动运动导引件32和因此压力棒24，从而使得不会超出预先确定的力。在一个实施例中，加热罩22可被配置成对样品固持器16施加96lbf的力。如果样品固持器16从样品块14移除，如图7中所示出，那么加热罩22移动到第二降低位置。
29.再次参考图6a到6c和图7，传感器组合件进一步包含经由臂100耦合到压力棒24的第三传感器98。第三传感器98被配置成检测罩盖26是否在关闭位置中和样品固持器16是否由样品块14接收。更具体地说，第三传感器98可被配置成检测加热罩22是否正对样品固持器16施加预先确定的力。当第三传感器98检测到加热罩22正对样品固持器16施加预先确定的力时，热循环仪系统10可被配置成与驱动组合件28脱离接合以防止超出预先确定的力。在所说明的实施例中，热循环仪系统10包含柔性连接器102，如先前在图5a到5d中所说明。柔性连接器102可连接加热罩22和例如第三传感器98。在一个实施例中，柔性连接器102也可连接到印刷电路板(未示出)。在加热罩22正对样品固持器16施加预先确定的力之后，热循环仪系统10接着可继续进行pcr过程的下一步骤。在所说明的实施例中，第三传感器98被配置成当压力棒24和加热罩22隔开预先确定的距离时检测耦合到加热罩22的定位销104。预先确定的距离是基于有待对样品固持器16施加的预先确定的力且至少部分地取决于弹簧52a、52b的特性。为此，弹簧52a、52b的压缩长度取决于压力棒24和由加热罩22施加的力。因此，当正对样品固持器16施加预先确定的力时压力棒24与加热罩22之间的距离可基于弹簧52a、52b的特性来确定。因此，当加热罩22正对样品固持器16施加预先确定的力时，定位销104位于第三传感器98的臂94内，从而使得传感器92检测到定位销96的存在。因此，如图7中所示出，压力棒24和加热罩22将隔开大于预先确定的距离的距离，且定位销96不位于臂
94之间，使得第三传感器98将不会检测到定位销96的存在。因此，第三传感器98不会检测到加热罩22何时在第二降低位置中。然而，此时，第二传感器92将会检测到运动导引件32在第四位置中且驱动组合件28可脱离接合。
30.有利地，传感器组合件的配置允许热循环仪系统10与设计不同的样品保持器16兼容，所述设计例如样品固持器16的甲板106的设计。举例来说，可商购的样品保持器的甲板厚度会变化。因此，当加热罩22在第一降低位置中时，加热罩22与样品块14的距离可取决于特定样品固持器16的厚度而变化。然而，甲板106的厚度不会影响对样品固持器16存在的检测，原因是第三传感器98基于预先确定的力间接地检测到样品固持器16的存在。因此，加热罩22可被配置成对具有不同甲板厚度的样品保持器16施加相同预先确定的力。
31.参考图8，更详细地示出导引件66a、66b。导引件66a、66b耦合到罩盖26。更具体地说，导引件66a、66b紧固在罩盖26的孔108a、108b中。导引件66a、66b在朝向样品块14的方向上从罩盖26延伸且进入压力棒24中的通孔110a、110b。导引件66a、66b可滑动通过通孔110a、110b。因此，随着压力棒24在朝向样品块14的方向上移动，通孔110a、110b在沿着导引件66a、66b的向下方向上滑动。导引件66a、66b有助于防止压力棒24和因此加热罩22的水平或侧向移动。有利地，防止加热罩22的水平或侧向移动减少了由于加热罩22以朝向样品固持器16的角度降低而产生的对样品固持器16的潜在剪应力。
32.仍参考图8，更详细地示出样品块14和样品固持器16。如上文所论述，在各种实施例中，样品块14可具有多个腔体18，所述多个腔体18被配置成接收样品固持器16的多个对应形状的孔20。孔20被配置成接收多个样品，其中孔20可经由孔20与加热罩之间的盖、帽、密封膜或其它密封机构而密封在样品固持器16内。在说明性实施例中，样品块14中存在96个腔体18。在这种实施例中，样品固持器16可以是96孔微量滴定板。应认识到，样品块14和样品固持器16可具有替代配置。举例来说，样品固持器16可以是但不限于任何大小的多孔板、卡或阵列，包含但不限于32孔微量滴定板、50孔微量滴定板、384孔微量滴定板、484孔微量滴定板、微型卡、通孔阵列或基本上平面固持器，例如玻璃或塑料滑动件。在样品固持器16的各种实施例中的孔20可包含凹口、凹痕、隆脊和其组合，在形成于样品固持器16的表面上的规则或不规则阵列中图案化。样品或反应体积也可位于形成于衬底中的孔或凹痕中、分布在衬底的表面上的溶液的点，或其它类型的反应腔室或格式，例如位于微流体系统的试验部位或体积内的样品或溶液，或位于较小珠粒或球体之内或之上的样品或溶液。固持在孔20内的样品可包含以下中的一个或多个：至少一个靶核酸序列、至少一个原始物、至少一个缓冲剂、至少一个核苷酸、至少一个酶、至少一个清洁剂、至少一个封阻剂或者适合于检测靶或参考核酸序列的至少一个染料、标记和/或探测剂。
33.虽然已通过描述其具体实施例来说明本发明且虽然已相当详细地描述所述实施例，但并不打算将所附权利要求书的范围限制或以任何方式限制为此类细节。本文中所论述的各种特征可单独使用或以任何组合使用。所属领域的技术人员将易于得出额外优点和修改。因此，本发明在其较宽方面并不限于所示出和描述的具体细节、代表性设备和方法以及说明性实例。因此，可在不脱离整体发明构思的范围或精神的情况下对此类细节进行变更。