Peltier aušinimas (termoelektrinio aušinimo technologija, pagrįsta Peltier efektu) tapo viena iš pagrindinių PGR (polimerazės grandininės reakcijos) prietaisų temperatūros reguliavimo sistemos technologijų dėl greitos reakcijos, tikslaus temperatūros reguliavimo ir kompaktiško dydžio, darančio didelę įtaką PGR efektyvumui, tikslumui ir taikymo scenarijams. Toliau pateikiama išsami konkrečių termoelektrinio aušinimo (Peltier aušinimo) pritaikymo ir privalumų analizė, pradedant nuo pagrindinių PGR reikalavimų:
I. Pagrindiniai temperatūros kontrolės reikalavimai PGR technologijoje
Pagrindinis PGR procesas yra pasikartojantis denatūravimo (90–95 ℃), atkaitinimo (50–60 ℃) ir prailginimo (72 ℃) ciklas, kuriam keliami itin griežti temperatūros kontrolės sistemos reikalavimai.
Greitas temperatūros kilimas ir kritimas: sutrumpina vieno ciklo laiką (pavyzdžiui, temperatūra nukrenta nuo 95 ℃ iki 55 ℃ vos per kelias sekundes) ir padidina reakcijos efektyvumą;
Didelio tikslumo temperatūros valdymas: ±0,5 ℃ atkaitinimo temperatūros nuokrypis gali sukelti nespecifinį amplifikavimą, todėl jį reikia kontroliuoti ±0,1 ℃ tikslumu.
Temperatūros vienodumas: kai vienu metu reaguoja keli mėginiai, temperatūros skirtumas tarp mėginių šulinėlių turėtų būti ≤0,5 ℃, kad būtų išvengta rezultatų nukrypimų.
Miniatiūrizacijos pritaikymas: nešiojamos PGR (pvz., testavimo vietoje POCT scenarijai) turėtų būti kompaktiško dydžio ir be mechaninių susidėvinčių dalių.
II. Pagrindiniai termoelektrinio aušinimo taikymai PGR
Termoelektrinis „Cooler TEC“, termoelektrinis aušinimo modulis, Peltier modulis, pasiekia „dvipusį šildymo ir vėsinimo perjungimą“ naudodamas nuolatinę srovę, puikiai atitikdamas PGR temperatūros reguliavimo reikalavimus. Jo specifinis pritaikymas atsispindi šiuose aspektuose:
1. Greitas temperatūros kilimas ir kritimas: sutrumpinkite reakcijos laiką
Principas: Keičiant srovės kryptį, TEC modulis, termoelektrinis modulis, Peltier įtaisas gali greitai perjungti „šildymo“ (kai srovė teka į priekį, šilumą sugeriantis TEC modulio, Peltier modulio galas tampa šilumą išskiriančiu galu) ir „aušinimo“ (kai srovė teka atgal, šilumą išskiriantis galas tampa šilumą sugeriančiu galu) režimus, o atsako laikas paprastai yra mažesnis nei 1 sekundė.
Privalumai: Tradiciniai šaldymo metodai (pvz., ventiliatoriai ir kompresoriai) remiasi šilumos laidumu arba mechaniniu judėjimu, o šildymo ir aušinimo greitis paprastai yra mažesnis nei 2 ℃/s. Kai TEC derinamas su didelio šilumos laidumo metaliniais blokais (pvz., vario ir aliuminio lydiniu), galima pasiekti 5–10 ℃/s šildymo ir aušinimo greitį, taip sutrumpinant vieno PGR ciklo laiką nuo 30 minučių iki mažiau nei 10 minučių (kaip greitojo PGR prietaisuose).
2. Didelio tikslumo temperatūros valdymas: užtikrinamas amplifikacijos specifiškumas
Principas: TEC modulio, termoelektrinio aušinimo modulio, termoelektrinio modulio išėjimo galia (šildymo/vėsinimo intensyvumas) yra tiesiškai koreliuojama su srovės intensyvumu. Kartu su didelio tikslumo temperatūros jutikliais (pvz., platinos varža, termoelementas) ir PID grįžtamojo ryšio valdymo sistema, srovę galima reguliuoti realiuoju laiku, kad būtų pasiektas tikslus temperatūros valdymas.
Privalumai: Temperatūros reguliavimo tikslumas gali siekti ±0,1 ℃, o tai yra daug daugiau nei tradicinių skysčių vonių ar kompresorinių šaldymų (±0,5 ℃). Pavyzdžiui, jei tikslinė temperatūra atkaitinimo etape yra 58 ℃, TEC modulis, termoelektrinis modulis, Peltier aušintuvas, Peltier elementas gali stabiliai palaikyti šią temperatūrą, išvengiant nespecifinio pradmenų prisijungimo dėl temperatūros svyravimų ir žymiai padidinant amplifikacijos specifiškumą.
3. Miniatiūrinis dizainas: nešiojamų PGR kūrimo skatinimas
Principas: TEC modulio, Peltier elemento, Peltier įtaiso tūris yra tik keli kvadratiniai centimetrai (pavyzdžiui, 10 × 10 mm TEC modulis, termoelektrinis aušinimo modulis, Peltier modulis gali atitikti vieno pavyzdžio reikalavimus), jis neturi mechaniškai judančių dalių (pvz., kompresoriaus stūmoklio ar ventiliatoriaus menčių) ir nereikalauja šaltnešio.
Privalumai: Kai tradiciniai PGR prietaisai aušinami kompresoriais, jų tūris paprastai viršija 50 l. Tačiau nešiojamų PGR prietaisų, naudojančių termoelektrinį aušinimo modulį, termoelektrinį modulį, Peltier modulį, TEC modulį, tūris gali būti sumažintas iki mažiau nei 5 l (pvz., nešiojamų prietaisų), todėl jie tinka lauko bandymams (pvz., patikrinimams vietoje epidemijų metu), klinikiniams tyrimams prie lovos ir kitais atvejais.
4. Temperatūros vienodumas: užtikrinkite įvairių mėginių nuoseklumą
Principas: Išdėsčius kelis TEC matricų rinkinius (pvz., 96 mikro TEC, atitinkančius 96 šulinėlių plokštelę) arba kartu su šilumą dalijančiais metaliniais blokais (didelio šilumos laidumo medžiagomis), galima kompensuoti temperatūros nuokrypius, kuriuos sukelia individualūs TEC skirtumai.
Privalumai: Temperatūros skirtumą tarp mėginių šulinėlių galima kontroliuoti ±0,3 ℃ tikslumu, taip išvengiant amplifikacijos efektyvumo skirtumų, atsirandančių dėl nevienodos temperatūros tarp kraštinių ir centrinių šulinėlių, ir užtikrinant mėginių rezultatų palyginamumą (pvz., CT verčių nuoseklumą realaus laiko fluorescencinėje kiekybinėje PGR).
5. Patikimumas ir priežiūra: sumažinkite ilgalaikes išlaidas
Principas: TEC neturi susidėvinčių dalių, jo eksploatavimo laikas yra daugiau nei 100 000 valandų ir nereikia reguliariai keisti šaltnešių (pvz., freono kompresoriuose).
Privalumai: Vidutinė PGR prietaiso, aušinamo tradiciniu kompresoriumi, tarnavimo trukmė yra maždaug 5–8 metai, o TEC sistema gali jį pailginti iki daugiau nei 10 metų. Be to, techninei priežiūrai tereikia išvalyti šilumos kriauklę, todėl žymiai sumažėja įrangos eksploatavimo ir priežiūros išlaidos.
III. Taikymų iššūkiai ir optimizavimas
Puslaidininkių aušinimas PGR nėra idealus ir reikalauja tikslingo optimizavimo:
Šilumos išsklaidymo kliūtis: kai TEC vėsta, šilumos išskyrimo gale susikaupia didelis šilumos kiekis (pavyzdžiui, kai temperatūra nukrenta nuo 95 ℃ iki 55 ℃, temperatūrų skirtumas pasiekia 40 ℃, o šilumos išskyrimo galia žymiai padidėja). Būtina jį derinti su efektyvia šilumos išsklaidymo sistema (pvz., variniais radiatoriais + turbininiais ventiliatoriais arba skysto aušinimo moduliais), kitaip sumažės aušinimo efektyvumas (ir netgi bus perkaitimo žalos).
Energijos suvartojimo kontrolė: Esant dideliems temperatūros skirtumams, TEC energijos suvartojimas yra gana didelis (pavyzdžiui, 96 šulinėlių PGR prietaiso TEC galia gali siekti 100–200 W), todėl būtina sumažinti neefektyvų energijos suvartojimą naudojant išmaniuosius algoritmus (pvz., nuspėjamąją temperatūros kontrolę).
Iv. Praktinio taikymo atvejai
Šiuo metu pagrindiniai PGR prietaisai (ypač realaus laiko fluorescenciniai kiekybiniai PGR prietaisai) paprastai naudoja puslaidininkių aušinimo technologiją, pavyzdžiui:
Laboratorinės klasės įranga: tam tikros markės 96 šulinėlių fluorescencinės kiekybinės PGR prietaisas, turintis TEC temperatūros valdymą, kurio šildymo ir aušinimo greitis yra iki 6 ℃/s, temperatūros reguliavimo tikslumas ±0,05 ℃ ir palaikantis 384 šulinėlių didelio našumo aptikimą.
Nešiojamasis prietaisas: tam tikras nešiojamas PGR prietaisas (sveriantis mažiau nei 1 kg), sukurtas pagal TEC konstrukciją, gali per 30 minučių aptikti naująjį koronavirusą ir yra tinkamas naudoti vietoje, pavyzdžiui, oro uostuose ir bendruomenėse.
Santrauka
Termoelektrinis aušinimas, pasižymintis trimis pagrindiniais privalumais – greita reakcija, dideliu tikslumu ir miniatiūrizavimu, išsprendė pagrindinius PGR technologijos trūkumus efektyvumo, specifiškumo ir pritaikomumo scenai požiūriu, tapdamas standartine šiuolaikinių PGR prietaisų (ypač greitų ir nešiojamų prietaisų) technologija ir skatindamas PGR taikymą iš laboratorijos į platesnes taikymo sritis, tokias kaip klinikinė lovų priežiūra ir aptikimas vietoje.
TES1-15809T200 PGR aparatui
Karštosios pusės temperatūra: 30 °C,
Imax: 9,2 A
Umaks.: 18,6 V
Qmax: 99,5 W
Delta T max: 67 °C
ACR: 1,7 ± 15 % Ω (nuo 1,53 iki 1,87 omo)
Dydis: 77 × 16,8 × 2,8 mm
Įrašo laikas: 2025 m. rugpjūčio 13 d.
