Peltier-kjøling (termoelektrisk kjøleteknologi basert på Peltier-effekten) har blitt en av kjerneteknologiene i temperaturkontrollsystemet for PCR-instrumenter (polymerasekjedereaksjon) på grunn av den raske reaksjonen, presise temperaturkontrollen og den kompakte størrelsen, noe som har stor innflytelse på effektiviteten, nøyaktigheten og bruksscenariene til PCR. Følgende er en detaljert analyse av de spesifikke bruksområdene og fordelene med termoelektrisk kjøling (peltier-kjøling) med utgangspunkt i kjernekravene til PCR:
I. Kjernekrav for temperaturkontroll i PCR-teknologi
Kjerneprosessen i PCR er en repeterende syklus med denaturering (90–95 ℃), gløding (50–60 ℃) og forlengelse (72 ℃), som har ekstremt strenge krav til temperaturkontrollsystemet.
Rask temperaturstigning og -fall: Forkort tiden for en enkelt syklus (for eksempel tar det bare noen få sekunder å falle fra 95 ℃ til 55 ℃), og forbedre reaksjonseffektiviteten;
Høypresisjonstemperaturkontroll: Et avvik på ±0,5 ℃ i glødetemperaturen kan føre til uspesifikk amplifisering, og det bør kontrolleres innenfor ±0,1 ℃.
Temperaturjevnhet: Når flere prøver reagerer samtidig, bør temperaturforskjellen mellom prøvebrønnene være ≤0,5 ℃ for å unngå avvik i resultatet.
Miniatyriseringstilpasning: Bærbar PCR (som POCT-scenarier for testing på stedet) bør være kompakt i størrelse og fri for mekaniske slitedeler.
II. Kjerneanvendelser av termoelektrisk kjøling i PCR
Den termoelektriske kjøleren TEC, termoelektrisk kjølemodul, Peltier-modul oppnår "toveis veksling av oppvarming og kjøling" via likestrøm, og samsvarer perfekt med temperaturkontrollkravene til PCR. Dens spesifikke bruksområder gjenspeiles i følgende aspekter:
1. Rask temperaturstigning og -fall: Forkort reaksjonstiden
Prinsipp: Ved å endre strømretningen kan TEC-modulen, den termoelektriske modulen og Peltier-enheten raskt veksle mellom modusene «oppvarming» (når strømmen er fremover, blir den varmeabsorberende enden av TEC-modulen den varmeavgivende enden) og «kjøling» (når strømmen er revers, blir den varmeavgivende enden den varmeabsorberende enden), med en responstid vanligvis på mindre enn 1 sekund.
Fordeler: Tradisjonelle kjølemetoder (som vifter og kompressorer) er avhengige av varmeledning eller mekanisk bevegelse, og oppvarmings- og kjølehastighetene er vanligvis mindre enn 2 ℃/s. Når TEC kombineres med metallblokker med høy varmeledningsevne (som kobber og aluminiumslegering), kan man oppnå en oppvarmings- og kjølehastighet på 5–10 ℃/s, noe som reduserer den enkelte PCR-syklustiden fra 30 minutter til mindre enn 10 minutter (som i hurtig-PCR-instrumenter).
2. Høypresisjonstemperaturkontroll: Sikring av amplifiseringsspesifisitet
Prinsipp: Utgangseffekten (oppvarmings-/kjøleintensitet) til TEC-modulen, den termoelektriske kjølemodulen og den termoelektriske modulen er lineært korrelert med strømstyrken. Kombinert med høypresisjonstemperatursensorer (som platinamotstand, termoelement) og et PID-tilbakemeldingssystem, kan strømmen justeres i sanntid for å oppnå presis temperaturkontroll.
Fordeler: Temperaturkontrollnøyaktigheten kan nå ±0,1 ℃, som er mye høyere enn for tradisjonell væskebad- eller kompressorkjøling (±0,5 ℃). Hvis for eksempel måltemperaturen under glødeprosessen er 58 ℃, kan TEC-modulen, den termoelektriske modulen, Peltier-kjøleren og Peltier-elementet stabilt opprettholde denne temperaturen, unngå uspesifikk binding av primere på grunn av temperatursvingninger og forbedre amplifiseringsspesifisiteten betydelig.
3. Miniatyrisert design: Fremme utviklingen av bærbar PCR
Prinsipp: Volumet til TEC-modulen, peltier-elementet, peltier-enheten er bare noen få kvadratcentimeter (for eksempel kan en 10 × 10 mm TEC-modul, termoelektrisk kjølemodul, peltier-modul oppfylle kravene til en enkelt prøve), den har ingen mekaniske bevegelige deler (som kompressorstempelet eller viftebladene), og krever ikke kjølemiddel.
Fordeler: Når tradisjonelle PCR-instrumenter er avhengige av kompressorer for kjøling, er volumet vanligvis over 50 liter. Imidlertid kan bærbare PCR-instrumenter som bruker termoelektrisk kjølemodul, termoelektrisk modul, Peltier-modul og TEC-modul reduseres til mindre enn 5 liter (for eksempel håndholdte enheter), noe som gjør dem egnet for felttesting (for eksempel screening på stedet under epidemier), klinisk testing ved sengen og andre scenarier.
4. Temperaturjevnhet: Sørg for konsistens mellom ulike prøver
Prinsipp: Ved å arrangere flere sett med TEC-arrays (for eksempel 96 mikro-TEC-er som tilsvarer en 96-brønnsplate), eller i kombinasjon med varmedelende metallblokker (materialer med høy varmeledningsevne), kan temperaturavvikene forårsaket av individuelle forskjeller i TEC-er utlignes.
Fordeler: Temperaturforskjellen mellom prøvebrønnene kan kontrolleres innenfor ±0,3 ℃, noe som unngår forskjeller i amplifikasjonseffektivitet forårsaket av inkonsistente temperaturer mellom kantbrønner og sentrale brønner, og sikrer sammenlignbarhet av prøveresultater (som konsistensen av CT-verdier i sanntids fluorescenskvantitativ PCR).
5. Pålitelighet og vedlikeholdbarhet: Reduser langsiktige kostnader
Prinsipp: TEC har ingen slitedeler, har en levetid på over 100 000 timer og krever ikke regelmessig utskifting av kjølemedier (som for eksempel freon i kompressorer).
Fordeler: Gjennomsnittlig levetid for et PCR-instrument som kjøles av en tradisjonell kompressor er omtrent 5 til 8 år, mens TEC-systemet kan forlenge den til over 10 år. Dessuten krever vedlikehold bare rengjøring av kjøleribben, noe som reduserer drifts- og vedlikeholdskostnadene for utstyret betydelig.
III. Utfordringer og optimaliseringer i applikasjoner
Halvlederkjøling er ikke perfekt i PCR og krever målrettet optimalisering:
Flaskehals i varmespredning: Når TEC kjøles ned, akkumuleres en stor mengde varme ved varmeavgivelsesenden (for eksempel når temperaturen synker fra 95 ℃ til 55 ℃, når temperaturforskjellen 40 ℃, og varmeavgivelseseffekten øker betydelig). Det er nødvendig å kombinere det med et effektivt varmeavledningssystem (som kobberkjøleribber + turbinvifter eller væskekjølemoduler), ellers vil det føre til en reduksjon i kjøleeffektiviteten (og til og med overopphetingsskader).
Kontroll av energiforbruk: Ved store temperaturforskjeller er TEC-energiforbruket relativt høyt (for eksempel kan TEC-effekten til et 96-brønns PCR-instrument nå 100–200 W), og det er nødvendig å redusere ineffektivt energiforbruk gjennom intelligente algoritmer (som prediktiv temperaturkontroll).
Iv. Praktiske anvendelsestilfeller
For tiden har vanlige PCR-instrumenter (spesielt kvantitative PCR-instrumenter for sanntidsfluorescens) generelt tatt i bruk halvlederkjøleteknologi, for eksempel:
Laboratorieutstyr: Et kvantitativt PCR-instrument for fluorescens med 96 brønner av et bestemt merke, med TEC-temperaturkontroll, en oppvarmings- og kjølehastighet på opptil 6 ℃/s, en temperaturkontrollnøyaktighet på ±0,05 ℃, og støtte for høykapasitetsdeteksjon med 384 brønner.
Bærbar enhet: Et bestemt håndholdt PCR-instrument (som veier mindre enn 1 kg), basert på TEC-design, kan fullføre deteksjonen av det nye koronaviruset innen 30 minutter og er egnet for scenarier på stedet som flyplasser og i lokalsamfunn.
Sammendrag
Termoelektrisk kjøling, med sine tre kjernefordeler: rask reaksjon, høy presisjon og miniatyrisering, har løst de viktigste smertepunktene ved PCR-teknologi når det gjelder effektivitet, spesifisitet og tilpasningsevne til scenen. Det har blitt standardteknologien for moderne PCR-instrumenter (spesielt raske og bærbare enheter), og har fremmet PCR fra laboratoriet til bredere anvendelsesfelt som klinisk deteksjon ved sengekanten og på stedet.
TES1-15809T200 for PCR-maskin
Temperatur på varm side: 30 C,
Imaks: 9,2A
Umaks: 18,6V
Qmax：99,5 W
Delta T maks: 67 °C
ACR: 1,7 ±15 % Ω (1,53 til 1,87 ohm)
Størrelse: 77 × 16,8 × 2,8 mm
Publisert: 13. august 2025
