【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用温度分布建模的热控制装置和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求
2021
年1月
13
日提交的第
63/136,968
号美国临时申请的优先权的权益，其全部内容通过引用并入本文中
。
[0003]关于在联邦赞助的研究和发展下作出的专利技术的权利的声明
[0004]本专利技术是在美国政府支持下根据
ACC
‑
NJ
授予
MCDC
的第
W15QKN
‑
16
‑9‑
1002
号协议作出的
。
政府享有本专利技术的某些权利
。
[0005]本专利技术一般涉及热控制装置，更具体地涉及用于控制温度，特别是核酸分析中的热循环的装置
、
系统和方法
。
[0006]本申请一般涉及：
2020
年1月
28
日发布的题为“Thermal Control Device and Methods of Use(
热控制装置和使用方法
)”的第
10,544,966
号美国专利；
2013
年3月
15
日提交的题为“Honeycomb tube(
蜂窝管
)”的第
13/843,739
号美国专利申请；
2002
年2月
25>日提交的题为“Fluid Processing and Control(
流体处理和控制
)”的第
8,048,386
号美国专利；以及
2000
年8月
25
日提交的题为“Fluid Control and Processing System(
流体控制和处理系统
)”的第
6,374,684
号美国专利；出于所有目的，其各自通过引用以其整体并入本文中
。
技术介绍
[0007]各种生物测试过程需要热循环以促进经由热交换的化学反应
。
这种方法的一个示例是用于
DNA
扩增的聚合酶链式反应
(PCR)。
其它示例包括快速
PCR、
连接酶链式反应
(LCR)、
自持序列复制
、
酶动力学研究
、
同质配体结合测定和需要复杂温度变化的复杂生化机制研究
。
[0008]这种过程需要能够快速且准确地升高和降低样品温度的系统
。
常规系统通常使用冷却装置
(
例如风扇
)
，其占据大量的物理空间且需要大量的功率以提供所需量的性能
(
即，快速的温度下降
)。
基于风扇的冷却系统具有启动滞后时间和关闭重叠的问题，即，它们在关闭之后将起作用，并且因此不能以快速的数字型精度运行
。
例如，离心式风扇在打开时将不会立即以全容量
(volumetric)
能力吹动，并且也将在电力关闭之后继续旋转，从而实现在测试中必须考虑的重叠时间
。
这种滞后和重叠问题经常随着装置的老化而变差
。
[0009]基于风扇的冷却系统通常提供了具有低成本
、
相对可接受的性能和容易实施的系统，从而为工业提供解决这些问题的很少激励
。
迄今为止的答案是结合了具有更大容量输出速率的更大功率的风扇，这也增加了空间和功率需求
。
这样的一个价格是对现场测试系统的可携性的负面影响，例如，现场测试系统可用于快速地检测外围区域中的病毒
/
细菌爆发
。
另一个问题是，这种方法在较高温度的环境中不太成功，例如在热带地区
。
因此，需要解决在生物测试系统中使用的已知的加热
/
冷却装置的缺陷
。
[0010]热循环通常是大多数核酸扩增过程的基本方面，其中流体样品的温度在较低的退
火温度
(
例如
60
度
)
和较高的变性温度
(
例如
95
度
)
之间循环多达
50
倍
。
这种热循环通常使用大的热质量
(
例如铝块
)
来加热流体样品并且使用风扇来冷却流体样品
。
由于铝块的大的热质量，加热速率和冷却速率被限制为约
1℃/
秒，使得
50
个循环的
PCR
过程可能需要两个或更多个小时来完成
。
在热带气候中，随着环境温度的升高，冷却速率可能受到不利影响，从而将热循环的时间从例如2小时延长到6小时
。
[0011]一些商业仪器提供约
5℃/
秒的加热速率，其中冷却速率显著更低
。
随着这些相对较慢的加热速率和冷却速率，已经观察到一些过程，例如
PCR
，可能变得低效和无效
。
例如，反应可以在中间温度下发生，产生不需要的和干扰的
DNA
产物，诸如“引物二聚体”或异常扩增子，以及消耗预期
PCR
反应所必需的试剂
。
当在不均匀的温度环境中执行时，其它过程，诸如配体结合或其它生化反应，类似地遭受可能对分析方法有害的副反应和产物
。
[0012]对于
PCR
和其它化学检测方法的一些应用，被测试的样品流体体积可能对热循环有显著影响
。
[0013]核酸扩增过程和类似的生化反应过程的优化通常需要快速加热速率和冷却速率，以便尽可能快地达到所需的最佳反应温度
。
当在高温环境中
(
诸如在设施经常缺乏气候控制的热带气候中
)
执行热循环时，这可能是特别有挑战性的
。
这种条件可以导致更长的热循环时间，而不太具体的结果包括例如不期望的副反应
。
此外，在热循环期间，特别是当环境温度超出标准范围时，利用常规的温度控制有源元件控制反应腔室的温度的当前方法不能准确地控制反应容器
(
即反应管
)
内的流体样品的温度以及不能实现最佳温度
。
因此，对于具有更大的加热速率和冷却速率的热控制装置存在未满足的需求，该热控制装置不依赖于周围环境，并且能够以低成本和最小尺寸生产，以包括在诊断装置中
。
还需要这样的热控制装置，其能够在电流产生系统所需的速度
、
准确度和精度范围内更好地控制反应腔室内的温度循环
。
技术实现思路
本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.
一种用于控制反应容器的温度的热控制系统，所述反应容器具有两个相对的面，并且容纳待分析的样品，其中，所述系统包括：至少一个有源元件，所述至少一个有源元件产生热通量，其中，所述至少一个有源元件定位成当放置为与所述反应容器的至少一个面相邻时，将所述热通量引导到所述反应容器的所述至少一个面中；电子模块，具有对所述至少一个有源元件供电的功率电子器件；一个或多个温度传感器，定位和配置为测量：指示所述反应容器周围的热操作环境的环境温度；和
/
或所述至少一个有源元件的部分的温度；控制单元，具有处理器，所述控制单元与所述一个或多个温度传感器通信地联接，并且与所述电子模块可操作地联接，其中，所述处理器配置为：使用所述电子模块的所述功率电子器件的状态和来自所述一个或多个温度传感器的温度测量中的至少一个作为输入，确定估计的反应容器温度分布；确定或获得温度命令或函数；以及根据所述温度命令或所述函数以及所述估计的反应容器温度分布来调节反应容器温度分布，以便实现基本上独立于所述环境温度的
、
所述反应容器温度分布的调节输出
。2.
根据权利要求1所述的热控制系统，其中，所述温度命令或所述函数包括温度分布轨线
。3.
根据权利要求1或2所述的热控制系统，其中，所述功率电子器件的状态包括有源元件驱动电压
、
电流和温度相关电阻抗中的至少一个
。4.
根据前述权利要求中任一项所述的热控制系统，其中，所述控制单元包括在状态估计器中使用的系数矢量，所述系数矢量记录在所述处理器的存储器上，并且配置为用于确定所述反应容器温度分布
。5.
根据前述权利要求中任一项所述的热控制系统，其中，所述控制单元包括控制算法，所述控制算法记录在所述处理器的存储器上，并且配置为用于通过利用极点
‑
零点滤波器模型来调节所述反应容器温度分布
。6.
根据前述权利要求中任一项所述的热控制系统，其中，所述一个或多个温度传感器包括：第一温度传感器，定位和配置为测量所述至少一个有源元件的部分的温度
。7.
根据权利要求6所述的热控制系统，其中，所述一个或多个传感器还包括：第二温度传感器，定位和配置为测量指示所述反应容器周围的所述热操作环境的环境温度
。8.
根据前述权利要求中任一项所述的热控制系统，其中，所述至少一个有源元件中的至少一个是热电冷却器
(TEC)
，所述热电冷却器包括夹在导热板之间的珀尔帖元件阵列
。9.
根据权利要求8所述的热控制系统，其中，所述至少一个有源元件包括配置为两个
TEC
的两个有源元件，所述两个
TEC
定位成当放置在所述热控制系统内时被双侧地应用到所述反应容器，使得每个
TEC
接触所述反应容器的相对面
。10.
根据权利要求9所述的热控制系统，其中，所述两个
TEC
中的每个采用：在
TEC
的与所述反应容器相对的侧上的散热器；以及
其中，所述一个或多个温度传感器包括至少第一温度传感器，所述至少第一温度传感器安装在所述
TEC
的面向所述反应容器的所述导热板中的每个上
。11.
根据权利要求
10
所述的热控制系统，其中，所述一个或多个温度传感器包括第二温度传感器，所述第二温度传感器应用在所述
TEC
散热器中的至少一个的空气流中
。12.
根据权利要求
11
所述的热控制系统，其中，所述控制单元配置为使得所述估计的反应容器温度分布包括跨过所述反应容器的两个面的平均样品温度和样品温度梯度或曲线中的至少一个
。13.
根据前述权利要求中任一项所述的热控制系统，其中，所述控制单元配置有共模，在所述共模中，通过对所述
TEC
中的每个应用共同反馈控制来控制所述反应容器温度，以调节平均样品温度
。14.
根据前述权利要求中任一项所述的热控制系统，其中，所述控制单元包括温度调节器控制算法，所述温度调节器控制算法根据温度分布命令轨线与所述环境温度之间的差
、
以及与所述温度命令相关联的温度分布轨线的变化率中的至少一个来应用前馈控制
。15.
根据前述权利要求中任一项所述的热控制系统，其中，所述控制单元包括采用共模状态估计的状态估计器，所述状态估计器包括：静态估计处理块，将平均样品温度确定为所述环境温度和
TEC
温度传感器中的至少两个的平均值的线性函数；以及滤波器，包括应用到静态估计器的输出的零点中的至少一个和极点中的至少一个
。16.
根据权利要求
15
所述的热控制系统，其中，所述滤波器的极点的数量是2，并且所述滤波器的零点的数量是
2。17.
根据前述权利要求中任一项所述的热控制系统，其中，所述控制单元还配置有具有差分反馈控制的差模，以调节样品温度梯度
。18.
根据权利要求
17
所述的热控制系统，其中，所述控制单元还配置为根据温度分布命令轨线与所述环境温度之间的差
、
以及所述温度分布命令轨线的变化率中的至少一个来应用前馈控制
。19.
根据权利要求
17
所述的热控制系统，其中，所述控制单元采用差模控制器，所述差模控制器使用所述反应容器的相对面之间的温度差
、
由至少一个温度传感器确定的每个面上的估计值以及相应
TEC
的所述功率电子器件的状态
。20.
根据权利要求
17
所述的热控制系统，其中，所述控制单元还配置为将共模和差模叠加，以实现期限的温度分布
。21.
根据前述权利要求中任一项所述的热控制系统，其中，所述控制单元还配置为利用存储在所述处理器的存储器上的校准数据来校准温度控制系统
。22.
一种用于反应容器的热控制的温度控制系统的校准系统，所述校准系统包括：环境腔室...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。