Технология охлаждения Пельтье (термоэлектрическая технология охлаждения, основанная на эффекте Пельтье) стала одной из основных технологий систем контроля температуры в приборах для ПЦР (полимеразной цепной реакции) благодаря своей высокой скорости реакции, точному контролю температуры и компактному размеру, что существенно влияет на эффективность, точность и области применения ПЦР. Ниже представлен подробный анализ конкретных областей применения и преимуществ термоэлектрического охлаждения (охлаждения Пельтье), начиная с основных требований ПЦР:
I. Основные требования к контролю температуры в технологии ПЦР
Основной процесс ПЦР представляет собой повторяющийся цикл денатурации (90–95 ℃), отжига (50–60 ℃) и удлинения (72 ℃), который предъявляет чрезвычайно строгие требования к системе контроля температуры.
Быстрый подъем и падение температуры: сокращение времени одного цикла (например, падение с 95 ℃ до 55 ℃ занимает всего несколько секунд) и повышение эффективности реакции;
Высокоточный контроль температуры: отклонение температуры отжига на ±0,5℃ может привести к неспецифической амплификации, и его следует контролировать в пределах ±0,1℃.
Равномерность температуры: при одновременной реакции нескольких образцов разница температур между лунками с образцами должна быть ≤0,5℃, чтобы избежать отклонения результатов.
Адаптация к миниатюризации: портативные ПЦР (например, для сценариев POCT-тестирования на месте) должны быть компактными по размеру и не иметь механически изнашиваемых деталей.
II. Основные применения термоэлектрического охлаждения в ПЦР
Термоэлектрический охладитель TEC (термоэлектрический охлаждающий модуль) с модулем Пельтье обеспечивает «двунаправленное переключение нагрева и охлаждения» посредством постоянного тока, идеально отвечая требованиям к температурному контролю в ПЦР. Его специфическое применение отражено в следующих аспектах:
1. Быстрое повышение и понижение температуры: сокращение времени реакции
Принцип: Изменяя направление тока, модуль TEC, термоэлектрический модуль, устройство Пельтье могут быстро переключаться между режимами «нагрева» (когда ток прямой, теплопоглощающий конец модуля TEC, модуля Пельтье становится тепловыделяющим концом) и «охлаждения» (когда ток обратный, тепловыделяющий конец становится теплопоглощающим концом), при этом время отклика обычно составляет менее 1 секунды.
Преимущества: Традиционные методы охлаждения (такие как вентиляторы и компрессоры) основаны на теплопроводности или механическом движении, а скорость нагрева и охлаждения обычно составляет менее 2°C/с. Сочетание термоэлектрического охлаждения с металлическими блоками с высокой теплопроводностью (например, медно-алюминиевыми сплавами) позволяет достичь скорости нагрева и охлаждения 5–10°C/с, сокращая время одного цикла ПЦР с 30 минут до менее 10 минут (например, в приборах для быстрой ПЦР).
2. Высокоточный контроль температуры: обеспечение специфичности амплификации
Принцип работы: Выходная мощность (интенсивность нагрева/охлаждения) термоэлектрического модуля охлаждения (ТЭМ) линейно коррелирует с силой тока. В сочетании с высокоточными датчиками температуры (такими как платиновый резистор, термопара) и системой обратной связи с ПИД-регулятором, ток можно регулировать в режиме реального времени для достижения точного контроля температуры.
Преимущества: Точность регулирования температуры достигает ±0,1 ℃, что значительно выше, чем у традиционных жидкостных ванн или компрессорных систем охлаждения (±0,5 ℃). Например, если целевая температура на этапе отжига составляет 58 ℃, модуль термоэлектрического охлаждения (TEC), термоэлектрический модуль, охладитель Пельтье и элемент Пельтье могут стабильно поддерживать эту температуру, предотвращая неспецифическое связывание праймеров из-за температурных колебаний и значительно повышая специфичность амплификации.
3. Миниатюрный дизайн: содействие развитию портативных ПЦР
Принцип: Объем модуля ТЭО, элемента Пельтье, устройства Пельтье составляет всего несколько квадратных сантиметров (например, модуль ТЭО, термоэлектрический охлаждающий модуль, модуль Пельтье размером 10×10 мм может удовлетворить требованиям одного образца), он не имеет механических движущихся частей (таких как поршень компрессора или лопасти вентилятора) и не требует хладагента.
Преимущества: Объём традиционных ПЦР-аппаратов, использующих компрессоры для охлаждения, обычно превышает 50 л. Однако объём портативных ПЦР-аппаратов, использующих термоэлектрический охлаждающий модуль, термоэлектрический модуль, модуль Пельтье или модуль ТЭО, может быть уменьшен до менее 5 л (например, портативных устройств), что делает их пригодными для полевых испытаний (например, скрининга на месте во время эпидемий), клинических исследований у постели больного и других сценариев.
4. Равномерность температуры: обеспечение единообразия между различными образцами.
Принцип: Путем размещения нескольких наборов массивов ТЭО (например, 96 микроТЭО, соответствующих 96-луночному планшету) или в сочетании с металлическими блоками, разделяющими тепло (материалы с высокой теплопроводностью), можно компенсировать отклонения температуры, вызванные индивидуальными различиями в ТЭО.
Преимущества: Разницу температур между лунками с образцами можно контролировать в пределах ±0,3 ℃, избегая различий в эффективности амплификации, вызванных несоответствием температур между крайними и центральными лунками, и обеспечивая сопоставимость результатов образцов (например, последовательность значений CT в количественной флуоресцентной ПЦР в реальном времени).
5. Надежность и ремонтопригодность: снижение долгосрочных затрат
Принцип: ТЭО не имеет изнашиваемых деталей, имеет срок службы более 100 000 часов и не требует регулярной замены хладагентов (например, фреона в компрессорах).
Преимущества: Средний срок службы ПЦР-оборудования, охлаждаемого традиционным компрессором, составляет примерно 5–8 лет, тогда как система термоэлектрического охлаждения (ТЭО) может продлить его до более чем 10 лет. Более того, обслуживание сводится только к очистке радиатора, что значительно снижает расходы на эксплуатацию и обслуживание оборудования.
III. Проблемы и оптимизации в приложениях
Охлаждение полупроводников в ПЦР не идеально и требует целенаправленной оптимизации:
Узкое место в системе теплоотвода: при охлаждении ТЭО большое количество тепла накапливается на стороне теплоотвода (например, при падении температуры с 95°C до 55°C разница температур достигает 40°C, и мощность тепловыделения значительно увеличивается). Необходимо использовать эффективную систему теплоотвода (например, медные радиаторы + турбинные вентиляторы или модули жидкостного охлаждения), иначе это приведёт к снижению эффективности охлаждения (и даже к повреждению из-за перегрева).
Контроль энергопотребления: При больших перепадах температур энергопотребление ТЕС относительно велико (например, мощность ТЕС 96-луночного ПЦР-инструмента может достигать 100–200 Вт), и необходимо снижать неэффективное энергопотребление с помощью интеллектуальных алгоритмов (таких как предиктивный контроль температуры).
IV. Практические примеры применения
В настоящее время в основных приборах для ПЦР (особенно в приборах для количественной ПЦР с флуоресценцией в реальном времени) обычно используется технология полупроводникового охлаждения, например:
Лабораторное оборудование: 96-луночный прибор для количественной ПЦР-анализа флуоресценции определенной марки с контролем температуры TEC, скоростью нагрева и охлаждения до 6 ℃/с, точностью контроля температуры ±0,05 ℃ и поддержкой высокопроизводительного детектирования на 384 лунках.
Портативное устройство: определенный ручной ПЦР-аппарат (весом менее 1 кг), созданный на основе термоэлектрического анализа (TEC), может обнаружить новый коронавирус в течение 30 минут и подходит для использования на местах, например в аэропортах и населенных пунктах.
Краткое содержание
Термоэлектрическое охлаждение с его тремя основными преимуществами — быстрой реакцией, высокой точностью и миниатюризацией — решило ключевые проблемы технологии ПЦР с точки зрения эффективности, специфичности и адаптивности к обстановке, став стандартной технологией для современных приборов для ПЦР (особенно быстрых и портативных устройств) и способствуя распространению ПЦР из лабораторий в более широкие области применения, такие как клиническое наблюдение у постели больного и обнаружение на месте.
TES1-15809T200 для ПЦР-аппарата
Температура горячей стороны: 30 °C,
Iмакс ： 9,2А，
Uмакс: 18,6 В
Qмакс：99,5 Вт
Дельта Т макс： 67 °C
ACR：1,7 ±15% Ом (от 1,53 до 1,87 Ом)
Размер: 77×16,8×2,8 мм
Время публикации: 13 августа 2025 г.
