Охолодження Пельтьє (термоелектрична технологія охолодження, що базується на ефекті Пельтьє) стало однією з основних технологій системи контролю температури для приладів ПЛР (полімеразної ланцюгової реакції) завдяки швидкій реакції, точному контролю температури та компактним розмірам, що суттєво впливає на ефективність, точність та сценарії застосування ПЛР. Нижче наведено детальний аналіз конкретних застосувань та переваг термоелектричного охолодження (охолодження Пельтьє), починаючи з основних вимог ПЛР:
I. Основні вимоги до контролю температури в технології ПЛР
Основний процес ПЛР – це повторюваний цикл денатурації (90-95℃), відпалу (50-60℃) та екстензії (72℃), який має надзвичайно суворі вимоги до системи контролю температури.
Швидке підвищення та зниження температури: скорочення часу одного циклу (наприклад, для зниження з 95℃ до 55℃ потрібно лише кілька секунд) та підвищення ефективності реакції;
Високоточний контроль температури: Відхилення температури відпалу на ±0,5 ℃ може призвести до неспецифічної ампліфікації, і його слід контролювати в межах ±0,1 ℃.
Рівномірність температури: Коли кілька зразків реагують одночасно, різниця температур між лунками зразків повинна бути ≤0,5℃, щоб уникнути відхилення результатів.
Адаптація до мініатюризації: Портативна ПЛР (наприклад, для сценаріїв тестування на місці POCT) повинна бути компактною за розміром та не мати механічних зношуваних деталей.
II. Основні застосування термоелектричного охолодження в ПЛР
Термоелектричний охолоджувальний модуль Cooler TEC, термоелектричний охолоджувальний модуль, модуль Пельтьє забезпечує «двонаправлене перемикання нагрівання та охолодження» за допомогою постійного струму, що ідеально відповідає вимогам контролю температури PCR. Його специфічне застосування відображається в наступних аспектах:
1. Швидке підвищення та зниження температури: скорочення часу реакції
Принцип: Змінюючи напрямок струму, модуль TEC, термоелектричний модуль, пристрій Пельтьє може швидко перемикатися між режимами «нагрівання» (коли струм проходить в прямому напрямку, кінець модуля TEC, модуля Пельтьє, що поглинає тепло, стає кінцем, що виділяє тепло) та «охолодження» (коли струм проходить у зворотному напрямку, кінець, що виділяє тепло, стає кінцем, що поглинає тепло), з часом відгуку зазвичай менше 1 секунди.
Переваги: Традиційні методи охолодження (такі як вентилятори та компресори) залежать від теплопровідності або механічного руху, а швидкість нагрівання та охолодження зазвичай становить менше 2 ℃/с. Коли TEC поєднується з металевими блоками з високою теплопровідністю (такими як мідь та алюмінієві сплави), можна досягти швидкості нагрівання та охолодження 5-10 ℃/с, скорочуючи час одного циклу ПЛР з 30 хвилин до менш ніж 10 хвилин (як у приладах для швидкої ПЛР).
2. Високоточний контроль температури: забезпечення специфічності ампліфікації
Принцип: Вихідна потужність (інтенсивність нагрівання/охолодження) модуля TEC, термоелектричного модуля охолодження, термоелектричного модуля лінійно корелює з силою струму. У поєднанні з високоточними датчиками температури (такими як платиновий резистор, термопара) та системою зворотного зв'язку PID-регулювання, струм можна регулювати в режимі реального часу для досягнення точного контролю температури.
Переваги: Точність контролю температури може досягати ±0,1℃, що значно вище, ніж у традиційних рідинних ванн або компресорних охолоджувачів (±0,5℃). Наприклад, якщо цільова температура під час стадії відпалу становить 58℃, модуль TEC, термоелектричний модуль, охолоджувач Пельтьє, елемент Пельтьє можуть стабільно підтримувати цю температуру, уникаючи неспецифічного зв'язування праймерів через коливання температури та значно підвищуючи специфічність ампліфікації.
3. Мініатюрний дизайн: сприяння розвитку портативної ПЛР
Принцип: Об'єм модуля TEC, елемента Пельтьє, пристрою Пельтьє становить лише кілька квадратних сантиметрів (наприклад, модуль TEC розміром 10×10 мм, термоелектричний модуль охолодження, модуль Пельтьє може задовольнити вимоги одного зразка), він не має механічних рухомих частин (таких як поршень компресора або лопаті вентилятора) та не потребує холодоагенту.
Переваги: Коли традиційні ПЛР-інструменти використовують компресори для охолодження, їхній об'єм зазвичай перевищує 50 літрів. Однак, портативні ПЛР-інструменти, що використовують термоелектричний модуль охолодження, термоелектричний модуль Пельтьє, модуль TEC, можна зменшити до менш ніж 5 літрів (наприклад, портативні пристрої), що робить їх придатними для польових випробувань (наприклад, скринінгу на місці під час епідемій), клінічного тестування біля ліжка хворого та інших сценаріїв.
4. Однорідність температури: Забезпечення узгодженості між різними зразками
Принцип: Розташовуючи кілька наборів масивів TEC (наприклад, 96 мікроTEC, що відповідають 96-лунковому планшету) або в поєднанні з металевими блоками, що розподіляють тепло (матеріали з високою теплопровідністю), можна компенсувати температурні відхилення, спричинені індивідуальними відмінностями в TEC.
Переваги: Різниця температур між лунками зразків може контролюватися в межах ±0,3℃, що дозволяє уникнути різниці в ефективності ампліфікації, спричиненої нерівномірними температурами між крайніми та центральними лунками, а також забезпечує порівнянність результатів зразків (наприклад, узгодженість значень КТ у кількісній ПЛР з флуоресценцією в реальному часі).
5. Надійність та ремонтопридатність: Зменшення довгострокових витрат
Принцип: TEC не має зношуваних деталей, має термін служби понад 100 000 годин і не потребує регулярної заміни холодоагентів (таких як фреон у компресорах).
Переваги: Середній термін служби ПЛР-інструменту, охолоджуваного традиційним компресором, становить приблизно від 5 до 8 років, тоді як система TEC може продовжити його до понад 10 років. Крім того, технічне обслуговування вимагає лише очищення радіатора, що значно знижує витрати на експлуатацію та обслуговування обладнання.
III. Проблеми та оптимізація в додатках
Охолодження напівпровідників не є ідеальним у ПЛР і вимагає цілеспрямованої оптимізації:
Вузьке місце у розсіюванні тепла: під час охолодження TEC велика кількість тепла накопичується на стороні тепловиділення (наприклад, коли температура падає з 95℃ до 55℃, різниця температур досягає 40℃, і потужність тепловиділення значно зростає). Необхідно поєднати його з ефективною системою розсіювання тепла (наприклад, мідними радіаторами + турбінними вентиляторами або модулями рідинного охолодження), інакше це призведе до зниження ефективності охолодження (і навіть до пошкодження внаслідок перегріву).
Контроль споживання енергії: за великих температурних перепадів споживання енергії TEC є відносно високим (наприклад, потужність TEC 96-лункового ПЛР-пристрою може досягати 100-200 Вт), і необхідно зменшити неефективне споживання енергії за допомогою інтелектуальних алгоритмів (таких як прогнозний контроль температури).
Iv. Практичні приклади застосування
Наразі основні прилади для ПЛР (особливо прилади для кількісної ПЛР у реальному часі з флуоресценцією) зазвичай використовують технологію охолодження напівпровідників, наприклад:
Лабораторне обладнання: 96-лунковий флуоресцентний кількісний ПЛР-прилад певної марки з контролем температури TEC, швидкістю нагрівання та охолодження до 6 ℃/с, точністю контролю температури ±0,05 ℃ та підтримкою високопродуктивного детектування на 384 лунках.
Портативний пристрій: Певний портативний ПЛР-прилад (вагою менше 1 кг), розроблений за технологією TEC, може завершити виявлення нового коронавірусу протягом 30 хвилин і підходить для використання на місцях, таких як аеропорти та громади.
Короткий зміст
Термоелектричне охолодження, з його трьома основними перевагами: швидкою реакцією, високою точністю та мініатюризацією, вирішило ключові проблеми технології ПЛР з точки зору ефективності, специфічності та адаптивності до середовища проведення, ставши стандартною технологією для сучасних приладів для ПЛР (особливо швидких та портативних пристроїв), і просунуло ПЛР з лабораторії до ширших сфер застосування, таких як клінічне виявлення біля ліжка пацієнта та виявлення на місці.
TES1-15809T200 для ПЛР-машини
Температура гарячої сторони: 30°C,
IMAX: 9,2 А
Uмакс.: 18,6 В
Qmax: 99,5 Вт
Дельта T макс.: 67°C
ACR: 1,7 ±15% Ω (від 1,53 до 1,87 Ом)
Розмір: 77×16,8×2,8 мм
Час публікації: 13 серпня 2025 р.
