Термоэлектрическое охлаждение (технология термоэлектрического охлаждения, основанная на эффекте Пельтье) стало одной из ключевых технологий систем контроля температуры для приборов ПЦР (полимеразной цепной реакции) благодаря быстрой реакции, точному контролю температуры и компактным размерам, что существенно влияет на эффективность, точность и области применения ПЦР. Ниже представлен подробный анализ конкретных областей применения и преимуществ термоэлектрического охлаждения (охлаждения Пельтье), исходя из основных требований к ПЦР:
I. Основные требования к контролю температуры в технологии ПЦР
Основной процесс ПЦР представляет собой повторяющийся цикл денатурации (90-95℃), отжига (50-60℃) и элонгации (72℃), к системе контроля температуры которого предъявляются чрезвычайно строгие требования.
Быстрое повышение и понижение температуры: сокращение времени одного цикла (например, снижение температуры с 95℃ до 55℃ занимает всего несколько секунд) и повышение эффективности реакции;
Высокоточный контроль температуры: отклонение температуры отжига на ±0,5℃ может привести к неспецифическому усилению, поэтому его следует контролировать в пределах ±0,1℃.
Равномерность температуры: При одновременной реакции нескольких образцов разница температур между лунками с образцами должна быть ≤0,5℃ во избежание отклонений в результатах.
Адаптация к миниатюризации: портативные ПЦР-тесты (например, для экспресс-тестирования на месте) должны быть компактными по размеру и не содержать деталей, подверженных механическому износу.
II. Основные области применения термоэлектрического охлаждения в ПЦР
Термоэлектрический охладитель (TEC), термоэлектрический охлаждающий модуль, модуль Пельтье обеспечивает «двунаправленное переключение нагрева и охлаждения» посредством постоянного тока, идеально соответствуя требованиям к контролю температуры в ПЦР. Его специфические области применения отражены в следующих аспектах:
1. Быстрое повышение и понижение температуры: сокращение времени реакции.
Принцип действия: Изменяя направление тока, термоэлектрический модуль (ТЭМ) может быстро переключаться между режимами «нагрева» (при прямом направлении тока теплопоглощающий конец ТЭМ становится теплоотдающим) и «охлаждения» (при обратном направлении тока теплоотдающий конец становится теплопоглощающим), при этом время отклика обычно составляет менее 1 секунды.
Преимущества: Традиционные методы охлаждения (такие как вентиляторы и компрессоры) основаны на теплопроводности или механическом движении, и скорость нагрева и охлаждения обычно составляет менее 2℃/с. При использовании термоэлектрического охладителя в сочетании с металлическими блоками с высокой теплопроводностью (например, медью и алюминиевым сплавом) можно достичь скорости нагрева и охлаждения 5-10℃/с, сократив время одного цикла ПЦР с 30 минут до менее чем 10 минут (например, в приборах для экспресс-ПЦР).
2. Высокоточный контроль температуры: обеспечение специфичности усиления.
Принцип работы: выходная мощность (интенсивность нагрева/охлаждения) термоэлектрического модуля, модуля термоохлаждения и термоэлектрического модуля линейно зависит от силы тока. В сочетании с высокоточными датчиками температуры (такими как платиновые резисторы, термопары) и системой ПИД-регулирования с обратной связью, ток может регулироваться в реальном времени для достижения точного контроля температуры.
Преимущества: Точность контроля температуры может достигать ±0,1℃, что значительно выше, чем у традиционных жидкостных ванн или компрессорных холодильных установок (±0,5℃). Например, если целевая температура на стадии отжига составляет 58℃, термоэлектрический модуль, элемент Пельтье, термоэлемент Пельтье могут стабильно поддерживать эту температуру, предотвращая неспецифическое связывание праймеров из-за колебаний температуры и значительно повышая специфичность амплификации.
3. Миниатюрная конструкция: содействие развитию портативных ПЦР-аппаратов.
Принцип работы: Объем термоэлектрического модуля, элемента Пельтье или устройства Пельтье составляет всего несколько квадратных сантиметров (например, термоэлектрический модуль размером 10×10 мм может удовлетворить требованиям одного образца), в нем отсутствуют механические движущиеся части (такие как поршень компрессора или лопасти вентилятора), и он не требует хладагента.
Преимущества: Традиционные ПЦР-приборы, использующие компрессоры для охлаждения, обычно имеют объем более 50 л. Однако портативные ПЦР-приборы, использующие термоэлектрические модули охлаждения, термоэлектрические модули, модули Пельтье, модули TEC, позволяют уменьшить объем до менее чем 5 л (например, портативные устройства), что делает их пригодными для полевых исследований (например, экспресс-тестирование во время эпидемий), клинического тестирования у постели больного и других сценариев.
4. Равномерность температуры: Обеспечение единообразия температур между различными образцами.
Принцип: Путем размещения нескольких наборов массивов термоэлектрических охладителей (например, 96 микротермоэлектрических охладителей, соответствующих 96-луночному планшету) или в сочетании с металлическими блоками, распределяющими тепло (материалы с высокой теплопроводностью), можно компенсировать отклонения температуры, вызванные индивидуальными различиями в термоэлектрических охладителях.
Преимущества: Разница температур между лунками с образцами может контролироваться в пределах ±0,3℃, что позволяет избежать различий в эффективности амплификации, вызванных несоответствием температур между краевыми и центральными лунками, и обеспечивает сопоставимость результатов анализа образцов (например, согласованность значений CT в количественной ПЦР с флуоресцентной детекцией в реальном времени).
5. Надежность и ремонтопригодность: снижение долгосрочных затрат.
Принцип работы: в термоэлектрическом охладителе отсутствуют изнашивающиеся детали, срок службы составляет более 100 000 часов, и он не требует регулярной замены хладагентов (например, фреона в компрессорах).
Преимущества: Средний срок службы ПЦР-прибора, охлаждаемого традиционным компрессором, составляет приблизительно 5-8 лет, в то время как система TEC может продлить его до более чем 10 лет. Кроме того, техническое обслуживание требует лишь очистки радиатора, что значительно снижает эксплуатационные расходы и затраты на обслуживание оборудования.
III. Проблемы и оптимизация в приложениях
Охлаждение полупроводников в ПЦР не является идеальным решением и требует целенаправленной оптимизации:
Проблема теплоотвода: при охлаждении термоэлектрического охладителя (ТЭО) большое количество тепла накапливается на выходе (например, когда температура падает с 95℃ до 55℃, разница температур достигает 40℃, и мощность теплоотвода значительно возрастает). Необходимо использовать эффективную систему теплоотвода (например, медные радиаторы + турбинные вентиляторы или модули жидкостного охлаждения), иначе это приведет к снижению эффективности охлаждения (и даже к перегреву).
Контроль энергопотребления: При больших перепадах температур энергопотребление термоэлектрического охладителя (ТЭО) относительно велико (например, мощность ТЭО 96-луночного ПЦР-аппарата может достигать 100-200 Вт), и необходимо снизить неэффективное энергопотребление с помощью интеллектуальных алгоритмов (таких как прогнозируемое регулирование температуры).
IV. Примеры практического применения
В настоящее время в основных приборах для ПЦР (особенно в приборах для количественной ПЦР в реальном времени с флуоресцентным излучением) обычно используется технология полупроводникового охлаждения, например:
Лабораторное оборудование: 96-луночный флуоресцентный прибор для количественной ПЦР определенной марки, оснащенный термоэлектрическим охладителем (TEC), с частотой нагрева и охлаждения до 6℃/с, точностью контроля температуры ±0,05℃ и поддержкой высокопроизводительного анализа в 384-луночных планшетах.
Портативное устройство: определенный портативный ПЦР-аппарат (весом менее 1 кг), созданный на основе конструкции TEC, способен выявлять новый коронавирус в течение 30 минут и подходит для использования в локальных условиях, таких как аэропорты и населенные пункты.
Краткое содержание
Термоэлектрическое охлаждение, обладающее тремя основными преимуществами — быстрой реакцией, высокой точностью и миниатюризацией, — решило ключевые проблемы технологии ПЦР с точки зрения эффективности, специфичности и адаптивности к условиям эксплуатации, став стандартной технологией для современных ПЦР-приборов (особенно быстрых и портативных устройств) и способствуя распространению ПЦР из лаборатории в более широкие области применения, такие как клиническая диагностика у постели больного и экспресс-диагностика на месте.
TES1-15809T200 для ПЦР-аппарата
Температура горячей стороны: 30 °C.
Imax: 9.2A
Umax: 18,6 В
Qmax: 99,5 Вт
Разница температур макс.: 67 °C
Сопротивление критического тока (ACR): 1,7 ±15% Ом (от 1,53 до 1,87 Ом)
Размер: 77×16,8×2,8 мм
Дата публикации: 13 августа 2025 г.
