Пелтијеово хлађење (термоелектрична технологија хлађења заснована на Пелтијеовом ефекту) постала је једна од основних технологија система за контролу температуре за ПЦР (ланчана реакција полимеразе) инструменте због брзе реакције, прецизне контроле температуре и компактне величине, што дубоко утиче на ефикасност, тачност и сценарије примене ПЦР-а. У наставку је детаљна анализа специфичних примена и предности термоелектричног хлађења (Пелтијеовог хлађења) почевши од основних захтева ПЦР-а:
I. Основни захтеви за контролу температуре у PCR технологији
Основни процес PCR-а је понављајући циклус денатурације (90-95℃), жарења (50-60℃) и екстензије (72℃), који има изузетно строге захтеве за систем контроле температуре.
Брзи пораст и пад температуре: Скратите време једног циклуса (на пример, потребно је само неколико секунди да падне са 95 ℃ на 55 ℃) и побољшајте ефикасност реакције;
Високопрецизна контрола температуре: Одступање од ±0,5 ℃ у температури жарења може довести до неспецифичне амплификације и требало би да се контролише унутар ±0,1 ℃.
Уједначеност температуре: Када више узорака реагује истовремено, температурска разлика између јажица са узорцима треба да буде ≤0,5 ℃ како би се избегло одступање резултата.
Адаптација минијатуризације: Преносни PCR (као што је тестирање на лицу места у POCT сценаријима) треба да буде компактне величине и без механичких делова који се хабају.
II. Основне примене термоелектричног хлађења у PCR
Термоелектрични хладњак TEC, термоелектрични модул за хлађење, Пелтиеов модул постиже „двосмерно пребацивање грејања и хлађења“ путем једносмерне струје, савршено се уклапајући у захтеве за контролу температуре PCR-а. Његове специфичне примене се огледају у следећим аспектима:
1. Брзи пораст и пад температуре: Скратите време реакције
Принцип: Променом смера струје, ТЕЦ модул, термоелектрични модул, Пелтиеов уређај може брзо да прелази између режима „грејања“ (када је струја у правом смеру, крај ТЕЦ модула који апсорбује топлоту постаје крај који ослобађа топлоту) и „хлађења“ (када је струја у супротном смеру, крај који ослобађа топлоту постаје крај који апсорбује топлоту), са временом одзива обично мањим од 1 секунде.
Предности: Традиционалне методе хлађења (као што су вентилатори и компресори) ослањају се на проводљивост топлоте или механичко кретање, а брзине загревања и хлађења су обично мање од 2℃/s. Када се TEC комбинује са металним блоковима високе топлотне проводљивости (као што су легуре бакра и алуминијума), може се постићи брзина загревања и хлађења од 5-10℃/s, смањујући време једног PCR циклуса са 30 минута на мање од 10 минута (као код инструмената за брзу PCR).
2. Високопрецизна контрола температуре: Обезбеђивање специфичности амплификације
Принцип: Излазна снага (интензитет грејања/хлађења) TEC модула, термоелектричног модула за хлађење, термоелектричног модула је линеарно корелирана са интензитетом струје. У комбинацији са високопрецизним температурним сензорима (као што су платински отпорници, термоелементи) и PID системом управљања повратном спрегом, струја се може подешавати у реалном времену ради постизања прецизне контроле температуре.
Предности: Тачност контроле температуре може достићи ±0,1 ℃, што је много више него код традиционалног течног купатила или компресорског хлађења (±0,5 ℃). На пример, ако је циљна температура током фазе жарења 58 ℃, TEC модул, термоелектрични модул, Пелтиеов хладњак, Пелтиеов елемент могу стабилно одржавати ову температуру, избегавајући неспецифично везивање прајмера услед температурних флуктуација и значајно побољшавајући специфичност амплификације.
3. Минијатуризовани дизајн: Промовисање развоја преносиве ПЦР
Принцип: Запремина ТЕЦ модула, Пелтиеовог елемента, Пелтиеовог уређаја је само неколико квадратних центиметара (на пример, ТЕЦ модул димензија 10×10 мм, термоелектрични модул за хлађење, Пелтиеов модул може да задовољи захтеве једног узорка), нема механичке покретне делове (као што су клип компресора или лопатице вентилатора) и не захтева расхладно средство.
Предности: Када традиционални PCR инструменти користе компресоре за хлађење, њихова запремина је обично преко 50 литара. Међутим, преносиви PCR инструменти који користе термоелектрични модул за хлађење, термоелектрични модул, Пелтиеов модул, ТЕЦ модул могу се смањити на мање од 5 литара (као што су ручни уређаји), што их чини погодним за теренско тестирање (као што је скрининг на лицу места током епидемија), клиничко тестирање поред кревета и друге сценарије.
4. Уједначеност температуре: Обезбедите конзистентност међу различитим узорцима
Принцип: Распоређивањем вишеструких скупова TEC низова (као што је 96 микро TEC-ова који одговарају плочи са 96 бунарића), или у комбинацији са металним блоковима који деле топлоту (материјали високе топлотне проводљивости), могу се надокнадити одступања температуре узрокована индивидуалним разликама у TEC-овима.
Предности: Температурна разлика између бунара са узорцима може се контролисати у оквиру ±0,3℃, чиме се избегавају разлике у ефикасности амплификације изазване недоследним температурама између ивичних бунара и централних бунара, и обезбеђује се упоредивост резултата узорака (као што је доследност CT вредности у квантитативној PCR у реалном времену са флуоресценцијом).
5. Поузданост и одржавање: Смањите дугорочне трошкове
Принцип: TEC нема делове који се хабају, има век трајања преко 100.000 сати и не захтева редовну замену расхладних средстава (као што је фреон у компресорима).
Предности: Просечан век трајања PCR инструмента хлађеног традиционалним компресором је приближно 5 до 8 година, док TEC систем може да га продужи на преко 10 година. Штавише, одржавање захтева само чишћење хладњака, што значајно смањује трошкове рада и одржавања опреме.
III. Изазови и оптимизације у апликацијама
Хлађење полупроводника није савршено у PCR-у и захтева циљану оптимизацију:
Уско грло у одвођењу топлоте: Када се TEC хлади, велика количина топлоте се акумулира на крају ослобађања топлоте (на пример, када температура падне са 95℃ на 55℃, температурна разлика достигне 40℃, а снага ослобађања топлоте значајно се повећава). Неопходно га је упарити са ефикасним системом за одвођење топлоте (као што су бакарни хладњаци + турбински вентилатори или модули за течно хлађење), у супротном ће то довести до смањења ефикасности хлађења (па чак и до оштећења услед прегревања).
Контрола потрошње енергије: При великим температурним разликама, потрошња енергије TEC је релативно висока (на пример, TEC снага PCR инструмента са 96 бунара може достићи 100-200W), и неопходно је смањити неефикасну потрошњу енергије путем интелигентних алгоритама (као што је предиктивна контрола температуре).
Iv. Практични случајеви примене
Тренутно, главни инструменти за ПЦР (посебно инструменти за квантитативну ПЦР у реалном времену са флуоресценцијом) углавном усвајају технологију хлађења полупроводника, на пример:
Опрема лабораторијског квалитета: 96-бунарни флуоресцентни квантитативни PCR инструмент одређене марке, са TEC контролом температуре, са брзином загревања и хлађења до 6 ℃/s, тачношћу контроле температуре од ±0,05 ℃ и подршком за детекцију високог протока са 384 бунара.
Преносиви уређај: Одређени ручни PCR инструмент (тежине мање од 1 кг), заснован на TEC дизајну, може да заврши детекцију новог коронавируса у року од 30 минута и погодан је за сценарије на лицу места као што су аеродроми и заједнице.
Резиме
Термоелектрично хлађење, са своје три основне предности: брзу реакцију, високу прецизност и минијатуризацију, решило је кључне проблеме ПЦР технологије у погледу ефикасности, специфичности и прилагодљивости сцени, постајући стандардна технологија за модерне ПЦР инструменте (посебно брзе и преносиве уређаје), и промовишући ПЦР из лабораторије у шира поља примене као што су клиничка детекција поред кревета и на лицу места.
TES1-15809T200 за PCR машину
Температура вруће стране: 30°C,
Имакс: 9,2 А
Umax: 18,6V
Qmax: 99,5 W
Делта Т макс: 67°C
ACR: 1,7 ±15% Ω (1,53 до 1,87 Ω)
Величина: 77 × 16,8 × 2,8 мм
Време објаве: 13. август 2025.
