Penyejukan Peltier (teknologi penyejukan termoelektrik berdasarkan kesan Peltier) telah menjadi salah satu teknologi teras sistem kawalan suhu untuk instrumen PCR (tindak balas rantai polimerase) kerana tindak balasnya yang cepat, kawalan suhu yang tepat dan saiz padat, yang sangat mempengaruhi senario kecekapan, ketepatan dan penggunaan PCR. Berikut ialah analisis terperinci tentang aplikasi khusus dan kelebihan penyejukan termoelektrik (penyejukan peltier) bermula daripada keperluan teras PCR:
I. Keperluan Teras untuk Kawalan Suhu dalam Teknologi PCR
Proses teras PCR ialah kitaran denaturasi berulang (90-95 ℃), penyepuhlindapan (50-60 ℃), dan lanjutan (72 ℃), yang mempunyai keperluan yang sangat ketat untuk sistem kawalan suhu.
Kenaikan dan penurunan suhu yang cepat: Memendekkan masa satu kitaran (contohnya, hanya mengambil masa beberapa saat untuk turun daripada 95 ℃ kepada 55 ℃), dan meningkatkan kecekapan tindak balas;
Kawalan suhu ketepatan tinggi: Sisihan ± 0.5 ℃ dalam suhu penyepuhlindapan boleh membawa kepada penguatan tidak khusus, dan ia harus dikawal dalam ± 0.1 ℃.
Keseragaman suhu: Apabila beberapa sampel bertindak balas secara serentak, perbezaan suhu antara Telaga sampel hendaklah ≤0.5 ℃ untuk mengelakkan sisihan keputusan.
Penyesuaian pengecilan: PCR Mudah Alih (seperti senario POCT ujian di tapak) hendaklah bersaiz padat dan bebas daripada bahagian haus mekanikal.
II. Aplikasi Teras penyejukan termoelektrik dalam PCR
TEC Penyejuk termoelektrik, modul penyejukan Termoelektrik, modul peltier mencapai "penukaran dua arah pemanasan dan penyejukan" melalui arus terus, padan dengan sempurna keperluan kawalan suhu PCR. Aplikasi khususnya ditunjukkan dalam aspek berikut:
1. Kenaikan dan penurunan suhu yang cepat: Memendekkan masa tindak balas
Prinsip: Dengan menukar arah arus, modul TEC, modul termoelektrik, peranti peltier boleh bertukar dengan cepat antara "pemanasan" (apabila arus ke hadapan, hujung penyerap haba modul TEC, modul peltier menjadi hujung pelepas haba) dan "penyejukan" (apabila arus terbalik, hujung pelepas haba menjadi mod penyerap haba yang biasanya kurang daripada 1 detik).
Kelebihan: Kaedah penyejukan tradisional (seperti kipas dan pemampat) bergantung pada pengaliran haba atau pergerakan mekanikal, dan kadar pemanasan dan penyejukan biasanya kurang daripada 2 ℃/s. Apabila TEC digabungkan dengan blok logam kekonduksian terma yang tinggi (seperti aloi tembaga dan aluminium), ia boleh mencapai kadar pemanasan dan penyejukan 5-10 ℃/s, mengurangkan masa kitaran PCR tunggal daripada 30 minit kepada kurang daripada 10 minit (seperti dalam instrumen PCR pantas).
2. Kawalan suhu berketepatan tinggi: Memastikan kekhususan amplifikasi
Prinsip: Kuasa keluaran (keamatan pemanasan/penyejukan) modul TEC, modul penyejukan termoelektrik, modul termoelektrik dikaitkan secara linear dengan keamatan semasa. Digabungkan dengan penderia suhu berketepatan tinggi (seperti rintangan platinum, termokopel) dan sistem kawalan maklum balas PID, arus boleh dilaraskan dalam masa nyata untuk mencapai kawalan suhu yang tepat.
Kelebihan: Ketepatan kawalan suhu boleh mencapai ± 0.1 ℃, yang jauh lebih tinggi daripada mandi cecair tradisional atau penyejukan pemampat (± 0.5 ℃). Sebagai contoh, jika suhu sasaran semasa peringkat penyepuhlindapan ialah 58℃, modul TEC, modul termoelektrik, penyejuk peltier, elemen peltier boleh mengekalkan suhu ini secara stabil, mengelakkan pengikatan primer yang tidak spesifik akibat turun naik suhu dan meningkatkan kekhususan amplifikasi dengan ketara.
3. Reka bentuk miniatur: Menggalakkan pembangunan PCR mudah alih
Prinsip: Isipadu modul TEC, elemen peltier, peranti peltier hanya beberapa sentimeter persegi (contohnya, modul TEC 10×10mm, modul penyejukan termoelektrik, modul peltier boleh memenuhi keperluan sampel tunggal), ia tidak mempunyai bahagian bergerak mekanikal (seperti omboh pemampat atau bilah kipas), dan tidak memerlukan bahan pendingin.
Kelebihan: Apabila instrumen PCR tradisional bergantung pada pemampat untuk penyejukan, volumnya biasanya melebihi 50L. Walau bagaimanapun, instrumen PCR mudah alih yang menggunakan modul penyejukan termoelektrik, modul termoelektrik, modul peltier, modul TEC boleh dikurangkan kepada kurang daripada 5L (seperti peranti pegang tangan), menjadikannya sesuai untuk ujian lapangan (seperti pemeriksaan di tapak semasa wabak), ujian sisi katil klinikal dan senario lain.
4. Keseragaman suhu: Pastikan konsistensi antara pelbagai sampel
Prinsip: Dengan menyusun berbilang set tatasusunan TEC (seperti 96 TEC mikro sepadan dengan plat 96 telaga), atau digabungkan dengan blok logam perkongsian haba (bahan kekonduksian haba yang tinggi), sisihan suhu yang disebabkan oleh perbezaan individu dalam TEC boleh diimbangi.
Kelebihan: Perbezaan suhu antara Telaga sampel boleh dikawal dalam ±0.3 ℃, mengelakkan perbezaan kecekapan amplifikasi yang disebabkan oleh suhu yang tidak konsisten antara Telaga tepi dan Telaga tengah, dan memastikan kebolehbandingan hasil sampel (seperti ketekalan nilai CT dalam PCR kuantitatif pendarfluor masa nyata).
5. Kebolehpercayaan dan kebolehselenggaraan: Kurangkan kos jangka panjang
Prinsip: TEC tidak mempunyai bahagian haus, mempunyai jangka hayat lebih 100,000 jam, dan tidak memerlukan penggantian biasa penyejuk (seperti Freon dalam pemampat).
Kelebihan: Purata jangka hayat instrumen PCR yang disejukkan oleh pemampat tradisional adalah lebih kurang 5 hingga 8 tahun, manakala sistem TEC boleh memanjangkannya hingga lebih 10 tahun. Selain itu, penyelenggaraan hanya memerlukan pembersihan sink haba, dengan ketara mengurangkan operasi dan kos penyelenggaraan peralatan.
III. Cabaran dan Pengoptimuman dalam Aplikasi
Penyejukan semikonduktor tidak sempurna dalam PCR dan memerlukan pengoptimuman yang disasarkan:
Kesesakan pelesapan haba: Apabila TEC menyejukkan, sejumlah besar haba terkumpul pada hujung pelepasan haba (contohnya, apabila suhu turun dari 95 ℃ kepada 55 ℃, perbezaan suhu mencapai 40 ℃, dan kuasa pelepasan haba meningkat dengan ketara). Ia adalah perlu untuk memasangkannya dengan sistem pelesapan haba yang cekap (seperti sink haba tembaga + kipas turbin, atau modul penyejukan cecair), jika tidak, ia akan menyebabkan penurunan kecekapan penyejukan (dan juga kerosakan terlalu panas).
Kawalan penggunaan tenaga: Di bawah perbezaan suhu yang besar, penggunaan tenaga TEC agak tinggi (contohnya, kuasa TEC bagi instrumen PCR 96-telaga boleh mencapai 100-200W), dan adalah perlu untuk mengurangkan penggunaan tenaga yang tidak berkesan melalui algoritma pintar (seperti kawalan suhu ramalan).
iv. Kes Aplikasi Praktikal
Pada masa ini, instrumen PCR arus perdana (terutamanya instrumen PCR kuantitatif pendarfluor masa nyata) secara amnya telah menggunakan teknologi penyejukan semikonduktor, contohnya:
Peralatan gred makmal: Instrumen PCR kuantitatif pendarfluor 96 telaga bagi jenama tertentu, menampilkan kawalan suhu TEC, dengan kadar pemanasan dan penyejukan sehingga 6 ℃/s, ketepatan kawalan suhu ± 0.05 ℃, dan menyokong pengesanan pemprosesan tinggi 384 telaga.
Peranti mudah alih: Instrumen PCR pegang tangan tertentu (berberat kurang daripada 1kg), berdasarkan reka bentuk TEC, boleh menyelesaikan pengesanan novel coronavirus dalam masa 30 minit dan sesuai untuk senario di tapak seperti lapangan terbang dan komuniti.
Ringkasan
Penyejukan termoelektrik, dengan tiga kelebihan terasnya iaitu tindak balas pantas, ketepatan tinggi dan pengecilan, telah menyelesaikan masalah kesakitan utama teknologi PCR dari segi kecekapan, kekhususan dan kebolehsuaian pemandangan, menjadi teknologi standard untuk instrumen PCR moden (terutamanya peranti pantas dan mudah alih), dan mempromosikan PCR dari makmal kepada bidang aplikasi yang lebih luas seperti sisi katil klinikal dan pengesanan di tapak.
TES1-15809T200 untuk mesin PCR
Suhu sisi panas: 30 C,
Imax: 9.2A，
Umax: 18.6V
Qmax：99.5 W
Delta T maks： 67 C
ACR：1.7 ±15% Ω （1.53 hingga 1.87 Ohm）
Saiz: 77×16.8×2.8mm
Masa siaran: 13 Ogos 2025
