การทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกสำหรับ PCR

การทำความเย็นแบบเพลเทียร์ (เทคโนโลยีการทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกที่อาศัยปรากฏการณ์เพลเทียร์) ได้กลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีหลักของระบบควบคุมอุณหภูมิสำหรับเครื่องมือ PCR (ปฏิกิริยาลูกโซ่โพลีเมอเรส) เนื่องจากปฏิกิริยาที่รวดเร็ว การควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ และขนาดกะทัดรัด ซึ่งส่งผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพ ความแม่นยำ และสถานการณ์การใช้งานของ PCR ต่อไปนี้คือการวิเคราะห์โดยละเอียดเกี่ยวกับการใช้งานเฉพาะและข้อดีของการทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก (การทำความเย็นแบบเพลเทียร์) โดยเริ่มจากข้อกำหนดหลักของ PCR:

I. ข้อกำหนดหลักสำหรับการควบคุมอุณหภูมิในเทคโนโลยี PCR

กระบวนการหลักของ PCR คือวงจรซ้ำๆ ของการทำให้เสื่อมสภาพ (90-95℃) การอบอ่อน (50-60℃) และการยืดออก (72℃) ซึ่งมีข้อกำหนดที่เข้มงวดมากสำหรับระบบควบคุมอุณหภูมิ

การขึ้นและลงของอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว: ลดเวลาของรอบเดียว (ตัวอย่างเช่น ใช้เวลาเพียงไม่กี่วินาทีในการลดอุณหภูมิจาก 95℃ ลงเหลือ 55℃) และเพิ่มประสิทธิภาพของปฏิกิริยา

การควบคุมอุณหภูมิความแม่นยำสูง: การเบี่ยงเบนของอุณหภูมิการอบชุบที่ ±0.5℃ อาจทำให้เกิดการขยายตัวที่ไม่เฉพาะเจาะจง และควรควบคุมให้อยู่ภายใน ±0.1℃

ความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ: เมื่อตัวอย่างหลายตัวอย่างทำปฏิกิริยาพร้อมกัน ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างหลุมตัวอย่างควรอยู่ที่ ≤0.5℃ เพื่อหลีกเลี่ยงการเบี่ยงเบนของผลลัพธ์

การปรับตัวให้มีขนาดเล็กลง: PCR แบบพกพา (เช่น สถานการณ์ POCT สำหรับการทดสอบในสถานที่) ควรมีขนาดกะทัดรัดและไม่มีชิ้นส่วนที่สึกหรอทางกลไก

II. การประยุกต์ใช้หลักของการทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกใน PCR

โมดูล Peltier Thermoelectric Cooler TEC ทำหน้าที่ “สลับความร้อนและความเย็นแบบสองทิศทาง” ผ่านกระแสตรง ซึ่งตรงตามข้อกำหนดการควบคุมอุณหภูมิของ PCR อย่างสมบูรณ์แบบ การใช้งานเฉพาะของโมดูล Peltier Thermoelectric Cooler TEC สะท้อนให้เห็นในแง่มุมต่อไปนี้:

1. การขึ้นและลงของอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว: ลดเวลาตอบสนอง

หลักการ: โดยการเปลี่ยนทิศทางของกระแส โมดูล TEC โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก อุปกรณ์ Peltier สามารถสลับระหว่างโหมด "ทำความร้อน" (เมื่อกระแสเดินหน้า ปลายดูดซับความร้อนของโมดูล TEC โมดูล Peltier จะกลายเป็นปลายปล่อยความร้อน) และโหมด "ทำความเย็น" (เมื่อกระแสย้อนกลับ ปลายปล่อยความร้อนจะกลายเป็นปลายดูดซับความร้อน) ได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งโดยปกติแล้วเวลาตอบสนองจะน้อยกว่า 1 วินาที

ข้อดี: วิธีการทำความเย็นแบบดั้งเดิม (เช่น พัดลมและคอมเพรสเซอร์) อาศัยการนำความร้อนหรือการเคลื่อนที่เชิงกล และอัตราการทำความร้อนและความเย็นโดยทั่วไปจะน้อยกว่า 2℃/วินาที เมื่อนำ TEC มาใช้ร่วมกับบล็อกโลหะที่มีค่าการนำความร้อนสูง (เช่น ทองแดงและโลหะผสมอะลูมิเนียม) จะทำให้อัตราการทำความร้อนและความเย็นอยู่ที่ 5-10℃/วินาที ซึ่งช่วยลดเวลารอบการทำงานของ PCR เดี่ยวจาก 30 นาที เหลือน้อยกว่า 10 นาที (เช่น ในเครื่องมือ PCR แบบเร็ว)

2. การควบคุมอุณหภูมิที่มีความแม่นยำสูง: รับรองความจำเพาะในการขยายสัญญาณ

หลักการ: กำลังขับ (ความเข้มความร้อน/ความเย็น) ของโมดูล TEC, โมดูลระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก, โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก มีความสัมพันธ์เชิงเส้นกับความเข้มของกระแสไฟฟ้า เมื่อใช้ร่วมกับเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิความแม่นยำสูง (เช่น ความต้านทานแพลทินัม, เทอร์โมคัปเปิล) และระบบควบคุมป้อนกลับแบบ PID สามารถปรับกระแสไฟฟ้าได้แบบเรียลไทม์เพื่อควบคุมอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำ

ข้อดี: ความแม่นยำในการควบคุมอุณหภูมิอยู่ที่ ±0.1℃ ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิในอ่างของเหลวหรือระบบทำความเย็นแบบคอมเพรสเซอร์แบบดั้งเดิม (±0.5℃) มาก ตัวอย่างเช่น หากอุณหภูมิเป้าหมายในขั้นตอนการอบอ่อนอยู่ที่ 58℃ โมดูล TEC, โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก, ตัวทำความเย็นเพลเทียร์, ส่วนประกอบเพลเทียร์ จะสามารถรักษาอุณหภูมินี้ได้อย่างเสถียร หลีกเลี่ยงการจับตัวกันแบบไม่จำเพาะของไพรเมอร์อันเนื่องมาจากความผันผวนของอุณหภูมิ และเพิ่มความจำเพาะในการขยายสัญญาณได้อย่างมาก

3. การออกแบบขนาดเล็ก: ส่งเสริมการพัฒนา PCR แบบพกพา

หลักการ: ปริมาตรของโมดูล TEC องค์ประกอบ Peltier อุปกรณ์ Peltier มีเพียงไม่กี่ตารางเซนติเมตร (ตัวอย่างเช่น โมดูล TEC ขนาด 10×10 มม. โมดูลระบายความร้อนเทอร์โมอิเล็กทริก Peltier สามารถตอบสนองความต้องการของตัวอย่างเดียวได้) ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวทางกล (เช่น ลูกสูบของคอมเพรสเซอร์หรือใบพัดลม) และไม่จำเป็นต้องใช้สารทำความเย็น

ข้อดี: เมื่อเครื่องมือ PCR แบบดั้งเดิมใช้คอมเพรสเซอร์ในการระบายความร้อน ปริมาตรของเครื่องมือมักจะมากกว่า 50 ลิตร อย่างไรก็ตาม เครื่องมือ PCR แบบพกพาที่ใช้โมดูลระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก โมดูลเพลเทียร์ และโมดูล TEC สามารถลดขนาดลงเหลือน้อยกว่า 5 ลิตรได้ (เช่น อุปกรณ์พกพา) ทำให้เหมาะสำหรับการทดสอบภาคสนาม (เช่น การคัดกรองในสถานที่จริงในช่วงการระบาด) การทดสอบทางคลินิกข้างเตียงผู้ป่วย และสถานการณ์อื่นๆ

4. ความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ: รับรองความสม่ำเสมอระหว่างตัวอย่างต่างๆ

หลักการ: การจัดเรียงชุด TEC หลายชุด (เช่น ไมโคร TEC จำนวน 96 ชุดที่สอดคล้องกับแผ่น 96 หลุม) หรือร่วมกับบล็อกโลหะที่แบ่งปันความร้อน (วัสดุที่มีสภาพนำความร้อนสูง) จะทำให้ค่าเบี่ยงเบนของอุณหภูมิที่เกิดจากความแตกต่างกันของ TEC แต่ละชุดสามารถชดเชยได้

ข้อดี: ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างหลุมตัวอย่างสามารถควบคุมได้ภายใน ±0.3℃ หลีกเลี่ยงความแตกต่างของประสิทธิภาพการขยายที่เกิดจากอุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมอระหว่างหลุมขอบและหลุมกลาง และรับรองความสามารถในการเปรียบเทียบผลลัพธ์ของตัวอย่าง (เช่น ความสม่ำเสมอของค่า CT ใน PCR เชิงปริมาณการเรืองแสงแบบเรียลไทม์)

5. ความน่าเชื่อถือและความสามารถในการบำรุงรักษา: ลดต้นทุนในระยะยาว

หลักการ: TEC ไม่มีชิ้นส่วนที่สึกหรอ มีอายุการใช้งานมากกว่า 100,000 ชั่วโมง และไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนสารทำความเย็น (เช่น ฟรีออนในคอมเพรสเซอร์) เป็นประจำ

ข้อดี: อายุการใช้งานเฉลี่ยของอุปกรณ์ PCR ที่ระบายความร้อนด้วยคอมเพรสเซอร์แบบดั้งเดิมอยู่ที่ประมาณ 5-8 ปี ในขณะที่ระบบ TEC สามารถยืดอายุการใช้งานได้มากกว่า 10 ปี ยิ่งไปกว่านั้น การบำรุงรักษาเพียงแค่ทำความสะอาดแผงระบายความร้อน ซึ่งช่วยลดต้นทุนการใช้งานและการบำรุงรักษาอุปกรณ์ได้อย่างมาก

III. ความท้าทายและการเพิ่มประสิทธิภาพในแอปพลิเคชัน

การระบายความร้อนของเซมิคอนดักเตอร์ไม่สมบูรณ์แบบใน PCR และจำเป็นต้องมีการเพิ่มประสิทธิภาพแบบกำหนดเป้าหมาย:

ปัญหาคอขวดในการระบายความร้อน: เมื่อ TEC กำลังทำความเย็น ความร้อนจำนวนมากจะสะสมอยู่ที่ปลายระบายความร้อน (เช่น เมื่ออุณหภูมิลดลงจาก 95℃ เป็น 55℃ ความแตกต่างของอุณหภูมิจะสูงถึง 40℃ และพลังในการระบายความร้อนจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก) จำเป็นต้องจับคู่กับระบบระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ (เช่น ฮีตซิงก์ทองแดง + พัดลมเทอร์ไบน์ หรือโมดูลระบายความร้อนด้วยของเหลว) มิฉะนั้นประสิทธิภาพการระบายความร้อนจะลดลง (และอาจเกิดความเสียหายจากความร้อนสูงเกินไป)

การควบคุมการใช้พลังงาน: ภายใต้ความแตกต่างของอุณหภูมิที่มาก การใช้พลังงาน TEC จะค่อนข้างสูง (ตัวอย่างเช่น พลังงาน TEC ของเครื่องมือ PCR 96 หลุมสามารถเข้าถึง 100-200W) และจำเป็นต้องลดการใช้พลังงานที่ไม่มีประสิทธิภาพผ่านอัลกอริทึมอัจฉริยะ (เช่น การควบคุมอุณหภูมิเชิงคาดการณ์)

Iv. กรณีศึกษาการประยุกต์ใช้จริง

ในปัจจุบัน เครื่องมือ PCR กระแสหลัก (โดยเฉพาะเครื่องมือ PCR เชิงปริมาณเรืองแสงแบบเรียลไทม์) มักนำเทคโนโลยีการระบายความร้อนด้วยเซมิคอนดักเตอร์มาใช้ เช่น:

อุปกรณ์ระดับห้องปฏิบัติการ: เครื่องมือ PCR เชิงปริมาณฟลูออเรสเซนซ์ 96 หลุมของแบรนด์หนึ่ง ซึ่งมีการควบคุมอุณหภูมิ TEC โดยมีอัตราการให้ความร้อนและความเย็นสูงสุด 6℃/วินาที ความแม่นยำในการควบคุมอุณหภูมิ ±0.05℃ และรองรับการตรวจจับปริมาณงานสูง 384 หลุม

อุปกรณ์พกพา: เครื่องมือ PCR แบบพกพาบางชนิด (มีน้ำหนักน้อยกว่า 1 กก.) ที่ใช้การออกแบบ TEC สามารถตรวจจับไวรัสโคโรนาสายพันธุ์ใหม่ได้เสร็จภายใน 30 นาที และเหมาะสำหรับสถานการณ์ในสถานที่ เช่น สนามบินและชุมชน

สรุป

ระบบทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกซึ่งมีข้อได้เปรียบหลัก 3 ประการ ได้แก่ การตอบสนองที่รวดเร็ว ความแม่นยำสูง และการย่อส่วน ทำให้สามารถแก้ไขจุดบกพร่องสำคัญของเทคโนโลยี PCR ในแง่ของประสิทธิภาพ ความจำเพาะ และความสามารถในการปรับให้เข้ากับสถานการณ์ได้ และกลายมาเป็นเทคโนโลยีมาตรฐานสำหรับเครื่องมือ PCR สมัยใหม่ (โดยเฉพาะอุปกรณ์ที่รวดเร็วและพกพาสะดวก) และส่งเสริมการใช้ PCR จากห้องปฏิบัติการไปสู่สาขาการประยุกต์ใช้ที่กว้างขึ้น เช่น การตรวจจับที่เตียงผู้ป่วยในคลินิกและในสถานที่

TES1-15809T200 สำหรับเครื่อง PCR

อุณหภูมิด้านร้อน: 30 องศาเซลเซียส

ไอแมกซ์：9.2A，

ยูแม็กซ์: 18.6V

Qmax：99.5 วัตต์

เดลต้า T สูงสุด： 67 องศาเซลเซียส

ACR：1.7 ±15% Ω （1.53 ถึง 1.87 โอห์ม）

ขนาด： 77×16.8×2.8มม.