Peltier dzesēšana (termoelektriskā dzesēšanas tehnoloģija, kuras pamatā ir Peltier efekts) ir kļuvusi par vienu no PCR (polimerāzes ķēdes reakcijas) instrumentu temperatūras kontroles sistēmas pamattehnoloģijām, pateicoties tās ātrajai reakcijai, precīzajai temperatūras kontrolei un kompaktajam izmēram, kas būtiski ietekmē PCR efektivitāti, precizitāti un pielietojuma scenārijus. Tālāk ir sniegta detalizēta termoelektriskās dzesēšanas (Peltier dzesēšanas) specifisko pielietojumu un priekšrocību analīze, sākot ar PCR pamatprasībām:
I. Pamatprasības temperatūras kontrolei PCR tehnoloģijā
PCR pamatprocess ir atkārtots denaturācijas (90–95 ℃), atkvēlināšanas (50–60 ℃) un pagarināšanas (72 ℃) cikls, kam ir ārkārtīgi stingras prasības temperatūras kontroles sistēmai.
Strauja temperatūras paaugstināšanās un pazemināšanās: saīsiniet viena cikla laiku (piemēram, temperatūras pazemināšanās no 95 ℃ līdz 55 ℃ aizņem tikai dažas sekundes) un uzlabojiet reakcijas efektivitāti;
Augstas precizitātes temperatūras kontrole: ±0,5 ℃ novirze atkvēlināšanas temperatūrā var izraisīt nespecifisku amplifikāciju, un tā jākontrolē ±0,1 ℃ robežās.
Temperatūras vienmērīgums: Ja vienlaicīgi reaģē vairāki paraugi, temperatūras starpībai starp parauga iedobēm jābūt ≤0,5 ℃, lai izvairītos no rezultātu novirzēm.
Miniaturizācijas pielāgošana: pārnēsājamai PCR (piemēram, testēšanai uz vietas POCT scenārijos) jābūt kompakta izmēra un bez mehāniskām nodiluma detaļām.
II. Termoelektriskās dzesēšanas galvenie pielietojumi PCR
Termoelektriskais Cooler TEC, termoelektriskais dzesēšanas modulis, Peltier modulis, panāk "divvirzienu sildīšanas un dzesēšanas pārslēgšanu", izmantojot līdzstrāvu, lieliski atbilstot PCR temperatūras kontroles prasībām. Tā īpašie pielietojumi atspoguļojas šādos aspektos:
1. Strauja temperatūras paaugstināšanās un pazemināšanās: saīsiniet reakcijas laiku
Princips: Mainot strāvas virzienu, TEC modulis, termoelektriskais modulis, Peltier ierīce var ātri pārslēgties starp “sildīšanas” (kad strāva ir vērsta uz priekšu, TEC moduļa, Peltier moduļa, siltumu absorbējošais gals kļūst par siltumu atbrīvojošo galu) un “dzesēšanas” (kad strāva ir pretēja, siltumu atbrīvojošais gals kļūst par siltumu absorbējošo galu) režīmiem, un reakcijas laiks parasti ir mazāks par 1 sekundi.
Priekšrocības: Tradicionālās saldēšanas metodes (piemēram, ventilatori un kompresori) balstās uz siltumvadītspēju vai mehānisku kustību, un sildīšanas un dzesēšanas ātrums parasti ir mazāks par 2 ℃/s. Apvienojot TEC ar augstas siltumvadītspējas metāla blokiem (piemēram, vara un alumīnija sakausējumu), tas var sasniegt sildīšanas un dzesēšanas ātrumu 5–10 ℃/s, samazinot viena PCR cikla laiku no 30 minūtēm līdz mazāk nekā 10 minūtēm (piemēram, ātrās PCR instrumentos).
2. Augstas precizitātes temperatūras kontrole: amplifikācijas specifiskuma nodrošināšana
Princips: TEC moduļa, termoelektriskā dzesēšanas moduļa un termoelektriskā moduļa izejas jauda (sildīšanas/dzesēšanas intensitāte) ir lineāri korelēta ar strāvas intensitāti. Apvienojumā ar augstas precizitātes temperatūras sensoriem (piemēram, platīna pretestību, termoelementu) un PID atgriezeniskās saites vadības sistēmu strāvu var regulēt reāllaikā, lai panāktu precīzu temperatūras kontroli.
Priekšrocības: Temperatūras kontroles precizitāte var sasniegt ±0,1 ℃, kas ir daudz augstāka nekā tradicionālajai šķidruma vannu vai kompresora dzesēšanai (±0,5 ℃). Piemēram, ja mērķa temperatūra atkvēlināšanas posmā ir 58 ℃, TEC modulis, termoelektriskais modulis, Peltier dzesētājs, Peltier elements var stabili uzturēt šo temperatūru, izvairoties no praimeru nespecifiskas saistīšanās temperatūras svārstību dēļ un ievērojami uzlabojot amplifikācijas specifiskumu.
3. Miniaturizēts dizains: portatīvās PCR izstrādes veicināšana
Princips: TEC moduļa, Peltier elementa, Peltier ierīces tilpums ir tikai daži kvadrātcentimetri (piemēram, 10 × 10 mm TEC modulis, termoelektriskais dzesēšanas modulis, Peltier modulis var atbilst viena parauga prasībām), tam nav mehāniski kustīgu daļu (piemēram, kompresora virzuļa vai ventilatora lāpstiņu), un tam nav nepieciešams aukstumaģents.
Priekšrocības: Ja tradicionālie PCR instrumenti dzesēšanai izmanto kompresorus, to tilpums parasti pārsniedz 50 l. Tomēr pārnēsājamo PCR instrumentu, kas izmanto termoelektrisko dzesēšanas moduli, termoelektrisko moduli, Peltier moduli, TEC moduli, tilpumu var samazināt līdz mazāk nekā 5 l (piemēram, rokas ierīces), padarot tos piemērotus lauka testēšanai (piemēram, skrīningam uz vietas epidēmiju laikā), klīniskai testēšanai pie gultas un citos scenārijos.
4. Temperatūras vienmērīgums: Nodrošiniet dažādu paraugu konsekvenci
Princips: Izvietojot vairākus TEC masīvu komplektus (piemēram, 96 mikro TEC, kas atbilst 96 iedobju plāksnei) vai kombinācijā ar siltuma sadales metāla blokiem (materiāliem ar augstu siltumvadītspēju), var kompensēt temperatūras novirzes, ko rada individuālas TEC atšķirības.
Priekšrocības: Temperatūras starpību starp parauga iedobēm var kontrolēt ±0,3 ℃ robežās, novēršot amplifikācijas efektivitātes atšķirības, ko izraisa nekonsekventa temperatūra starp malu iedobēm un centrālajām iedobēm, un nodrošinot paraugu rezultātu salīdzināmību (piemēram, CT vērtību konsekvenci reāllaika fluorescences kvantitatīvajā PCR).
5. Uzticamība un apkopes ērtums: Samaziniet ilgtermiņa izmaksas
Princips: TEC nav nodilstošu detaļu, tā kalpošanas laiks pārsniedz 100 000 stundas, un tam nav nepieciešama regulāra aukstumaģentu (piemēram, freona kompresoros) nomaiņa.
Priekšrocības: Ar tradicionālo kompresoru dzesējama PCR instrumenta vidējais kalpošanas laiks ir aptuveni 5 līdz 8 gadi, savukārt TEC sistēma to var pagarināt līdz vairāk nekā 10 gadiem. Turklāt apkopei nepieciešama tikai dzesēšanas šķidruma tīrīšana, ievērojami samazinot iekārtas ekspluatācijas un uzturēšanas izmaksas.
III. Izaicinājumi un optimizācijas lietojumprogrammās
Pusvadītāju dzesēšana PCR nav perfekta un prasa mērķtiecīgu optimizāciju:
Siltuma izkliedes sašaurinājums: Kad TEC atdziest, siltuma izdalīšanās galā uzkrājas liels siltuma daudzums (piemēram, kad temperatūra pazeminās no 95 ℃ līdz 55 ℃, temperatūras starpība sasniedz 40 ℃, un siltuma izdalīšanās jauda ievērojami palielinās). Tas ir jāapvieno ar efektīvu siltuma izkliedes sistēmu (piemēram, vara siltuma izlietnes + turbīnu ventilatori vai šķidruma dzesēšanas moduļi), pretējā gadījumā tas novedīs pie dzesēšanas efektivitātes samazināšanās (un pat pārkaršanas radītiem bojājumiem).
Enerģijas patēriņa kontrole: Lielu temperatūras atšķirību gadījumā TEC enerģijas patēriņš ir relatīvi augsts (piemēram, 96 iedobju PCR instrumenta TEC jauda var sasniegt 100–200 W), un ir nepieciešams samazināt neefektīvo enerģijas patēriņu, izmantojot inteliģentus algoritmus (piemēram, paredzamo temperatūras kontroli).
Iv. Praktiskā pielietojuma gadījumi
Pašlaik galvenie PCR instrumenti (īpaši reāllaika fluorescences kvantitatīvās PCR instrumenti) parasti ir pieņēmuši pusvadītāju dzesēšanas tehnoloģiju, piemēram:
Laboratorijas līmeņa aprīkojums: noteikta zīmola 96 iedobju fluorescences kvantitatīvās PCR instruments ar TEC temperatūras kontroli, ar sildīšanas un dzesēšanas ātrumu līdz 6 ℃/s, temperatūras kontroles precizitāti ±0,05 ℃ un atbalstu 384 iedobju augstas caurlaidības noteikšanai.
Pārnēsājama ierīce: noteikta rokas PCR ierīce (kas sver mazāk par 1 kg), kuras pamatā ir TEC dizains, var pabeigt jaunā koronavīrusa noteikšanu 30 minūšu laikā un ir piemērota lietošanai uz vietas, piemēram, lidostās un kopienās.
Kopsavilkums
Termoelektriskā dzesēšana ar trim galvenajām priekšrocībām – ātru reaģēšanu, augstu precizitāti un miniaturizāciju – ir atrisinājusi PCR tehnoloģijas galvenās problēmas efektivitātes, specifiskuma un pielāgošanās spējas apstākļos, kļūstot par standarta tehnoloģiju mūsdienu PCR instrumentiem (īpaši ātrajām un pārnēsājamajām ierīcēm) un popularizējot PCR no laboratorijas plašākās pielietojuma jomās, piemēram, klīniskajā praksē un uz vietas.
TES1-15809T200 PCR iekārtai
Karstās puses temperatūra: 30 °C,
Imax: 9,2 A
Umaks.: 18,6 V
Qmax: 99,5 W
Delta T max: 67 °C
ACR: 1,7 ±15% Ω (no 1,53 līdz 1,87 omiem)
Izmērs: 77 × 16,8 × 2,8 mm
Publicēšanas laiks: 2025. gada 13. augusts
