Răcirea Peltier (tehnologia de răcire termoelectrică bazată pe efectul Peltier) a devenit una dintre tehnologiile de bază ale sistemului de control al temperaturii pentru instrumentele PCR (reacția în lanț a polimerazei) datorită reacției sale rapide, controlului precis al temperaturii și dimensiunilor compacte, influențând profund eficiența, acuratețea și scenariile de aplicare ale PCR. În continuare este prezentată o analiză detaliată a aplicațiilor specifice și avantajelor răcirii termoelectrice (răcire Peltier) pornind de la cerințele de bază ale PCR:
I. Cerințe de bază pentru controlul temperaturii în tehnologia PCR
Procesul de bază al PCR este un ciclu repetitiv de denaturare (90-95℃), recoacere (50-60℃) și extensie (72℃), care are cerințe extrem de stricte pentru sistemul de control al temperaturii.
Creștere și scădere rapidă a temperaturii: Scurtează timpul unui singur ciclu (de exemplu, durează doar câteva secunde pentru a scădea de la 95 ℃ la 55 ℃) și îmbunătățește eficiența reacției;
Controlul temperaturii de înaltă precizie: O abatere de ±0,5 ℃ a temperaturii de recoacere poate duce la o amplificare nespecifică și trebuie controlată în limita a ±0,1 ℃.
Uniformitatea temperaturii: Când mai multe probe reacționează simultan, diferența de temperatură dintre godeurile probei trebuie să fie ≤0,5 ℃ pentru a evita abaterea rezultatelor.
Adaptarea la miniaturizare: PCR-ul portabil (cum ar fi scenariile de testare POCT la fața locului) trebuie să fie compact ca dimensiuni și să nu conțină piese mecanice de uzură.
II. Aplicații principale ale răcirii termoelectrice în PCR
Răcitorul termoelectric TEC, modulul de răcire termoelectrică, modulul Peltier realizează „comutarea bidirecțională a încălzirii și răcirii” prin curent continuu, îndeplinind perfect cerințele de control al temperaturii ale PCR. Aplicațiile sale specifice se reflectă în următoarele aspecte:
1. Creștere și scădere rapidă a temperaturii: Scurtează timpul de reacție
Principiu: Prin schimbarea direcției curentului, modulul TEC, modulul termoelectric și dispozitivul Peltier pot comuta rapid între modurile de „încălzire” (când curentul este direct, capătul de absorbție a căldurii al modulului TEC, modulul Peltier devine capătul de eliberare a căldurii) și „răcire” (când curentul este invers, capătul de eliberare a căldurii devine capătul de absorbție a căldurii), cu un timp de răspuns de obicei mai mic de 1 secundă.
Avantaje: Metodele tradiționale de refrigerare (cum ar fi ventilatoarele și compresoarele) se bazează pe conducția termică sau mișcarea mecanică, iar ratele de încălzire și răcire sunt de obicei mai mici de 2 ℃/s. Atunci când TEC este combinat cu blocuri metalice cu conductivitate termică ridicată (cum ar fi cuprul și aliajul de aluminiu), se poate obține o rată de încălzire și răcire de 5-10 ℃/s, reducând timpul unui singur ciclu PCR de la 30 de minute la mai puțin de 10 minute (cum ar fi în cazul instrumentelor PCR rapide).
2. Controlul temperaturii de înaltă precizie: Asigurarea specificității amplificării
Principiu: Puterea de ieșire (intensitatea de încălzire/răcire) a modulului TEC, a modulului de răcire termoelectrică și a modulului termoelectric este corelată liniar cu intensitatea curentului. În combinație cu senzori de temperatură de înaltă precizie (cum ar fi rezistența de platină, termocuplul) și un sistem de control cu feedback PID, curentul poate fi ajustat în timp real pentru a obține un control precis al temperaturii.
Avantaje: Precizia controlului temperaturii poate atinge ±0,1℃, mult mai mare decât cea a băii de lichid tradiționale sau a refrigerării cu compresor (±0,5℃). De exemplu, dacă temperatura țintă în timpul etapei de recoacere este de 58℃, modulul TEC, modulul termoelectric, răcitorul Peltier, elementul Peltier pot menține stabil această temperatură, evitând legarea nespecifică a primerilor din cauza fluctuațiilor de temperatură și sporind semnificativ specificitatea amplificării.
3. Design miniaturizat: Promovarea dezvoltării PCR portabil
Principiu: Volumul modulului TEC, al elementului Peltier, al dispozitivului Peltier este de doar câțiva centimetri pătrați (de exemplu, un modul TEC de 10 × 10 mm, un modul de răcire termoelectrică, un modul Peltier poate îndeplini cerințele unei singure mostre), nu are piese mecanice în mișcare (cum ar fi pistonul compresorului sau palele ventilatorului) și nu necesită agent frigorific.
Avantaje: Atunci când instrumentele PCR tradiționale se bazează pe compresoare pentru răcire, volumul lor este de obicei peste 50 l. Cu toate acestea, instrumentele PCR portabile care utilizează module de răcire termoelectrică, module termoelectrice, module Peltier, module TEC pot fi reduse la mai puțin de 5 l (cum ar fi dispozitivele portabile), ceea ce le face potrivite pentru testarea pe teren (cum ar fi screening-ul la fața locului în timpul epidemiilor), testarea clinică la patul pacientului și alte scenarii.
4. Uniformitatea temperaturii: Asigurați consecvența între diferite probe
Principiu: Prin aranjarea mai multor seturi de matrici TEC (cum ar fi 96 de micro TEC-uri corespunzătoare unei plăci cu 96 de godeuri) sau în combinație cu blocuri metalice de partajare a căldurii (materiale cu conductivitate termică ridicată), abaterile de temperatură cauzate de diferențele individuale ale TEC-urilor pot fi compensate.
Avantaje: Diferența de temperatură dintre godeurile probei poate fi controlată în limita a ±0,3 ℃, evitând diferențele de eficiență a amplificării cauzate de temperaturile inconsistente dintre godeurile de la margine și godeurile centrale și asigurând comparabilitatea rezultatelor probei (cum ar fi consecvența valorilor CT în PCR cantitativ cu fluorescență în timp real).
5. Fiabilitate și mentenabilitate: Reducerea costurilor pe termen lung
Principiu: TEC nu are piese de uzură, are o durată de viață de peste 100.000 de ore și nu necesită înlocuirea regulată a agenților frigorigeni (cum ar fi freonul din compresoare).
Avantaje: Durata medie de viață a unui instrument PCR răcit de un compresor tradițional este de aproximativ 5 până la 8 ani, în timp ce sistemul TEC o poate prelungi la peste 10 ani. Mai mult, întreținerea necesită doar curățarea radiatorului, reducând semnificativ costurile de operare și întreținere ale echipamentului.
III. Provocări și optimizări în aplicații
Răcirea semiconductorilor nu este perfectă în PCR și necesită o optimizare specifică:
Blocaj în disiparea căldurii: Când TEC se răcește, o cantitate mare de căldură se acumulează la capătul de eliberare a căldurii (de exemplu, când temperatura scade de la 95℃ la 55℃, diferența de temperatură ajunge la 40℃, iar puterea de eliberare a căldurii crește semnificativ). Este necesar să se asocieze un sistem eficient de disipare a căldurii (cum ar fi radiatoare din cupru + ventilatoare cu turbină sau module de răcire cu lichid), altfel va duce la o scădere a eficienței de răcire (și chiar la daune prin supraîncălzire).
Controlul consumului de energie: În condiții de diferențe mari de temperatură, consumul de energie al TEC este relativ ridicat (de exemplu, puterea TEC a unui instrument PCR cu 96 de godeuri poate ajunge la 100-200 W) și este necesar să se reducă consumul ineficient de energie prin algoritmi inteligenți (cum ar fi controlul predictiv al temperaturii).
Iv. Cazuri practice de aplicare
În prezent, instrumentele PCR obișnuite (în special instrumentele PCR cantitative cu fluorescență în timp real) au adoptat în general tehnologia de răcire a semiconductorilor, de exemplu:
Echipament de laborator: Un instrument PCR cantitativ cu fluorescență cu 96 de godeuri de o anumită marcă, dotat cu control al temperaturii TEC, cu o rată de încălzire și răcire de până la 6℃/s, o precizie de control al temperaturii de ±0,05℃ și care permite detecția de mare randament cu 384 de godeuri.
Dispozitiv portabil: Un anumit instrument PCR portabil (cu o greutate mai mică de 1 kg), bazat pe designul TEC, poate finaliza detectarea noului coronavirus în 30 de minute și este potrivit pentru scenarii la fața locului, cum ar fi aeroporturi și comunități.
Rezumat
Răcirea termoelectrică, cu cele trei avantaje principale ale sale: reacție rapidă, precizie ridicată și miniaturizare, a rezolvat principalele probleme ale tehnologiei PCR în ceea ce privește eficiența, specificitatea și adaptabilitatea la diverse scene, devenind tehnologia standard pentru instrumentele PCR moderne (în special dispozitivele rapide și portabile) și promovând PCR din laborator în domenii de aplicare mai largi, cum ar fi detectarea clinică la patul pacientului și detectarea la fața locului.
TES1-15809T200 pentru aparat PCR
Temperatura părții calde: 30°C,
Imax: 9.2A,
Umax: 18,6V
Qmax: 99,5 W
Delta T max: 67°C
ACR：1,7 ±15% Ω (1,53 până la 1,87 ohmi)
Dimensiune: 77 × 16,8 × 2,8 mm
Data publicării: 13 august 2025
