萊爾德——專為實(shí)時(shí)PCR應(yīng)用而設(shè)計(jì)的下一代熱電冷卻器

熱設(shè)計(jì)網(wǎng) 2022-09-30

專為實(shí)時(shí)PCR應(yīng)用而設(shè)計(jì)的下一代熱電冷卻器萊爾德熱系統(tǒng)應(yīng)用指南

簡介
聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）
用于精確熱管理的熱電冷卻器
標(biāo)準(zhǔn)熱電冷卻器
系列熱電冷卻器
用于改進(jìn)溫度控制的加長型 PCX 熱電冷卻器
結(jié)論
關(guān)于萊爾德熱系統(tǒng)
聯(lián)絡(luò)萊爾德熱系統(tǒng)

簡介

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng) (PCR) 是一種用于分子診斷的擴(kuò)增DNA序列技術(shù)。PCR 產(chǎn)生的 DNA 也稱為分子復(fù)制（molecular photocopying)，這種技術(shù)對許多實(shí)驗(yàn)室和臨床應(yīng)用至關(guān)重要。PCR檢測有助于診斷 SARS-CoV-2，也就是眾所周知的新冠 (COVID-19)。PCR 測試不僅可以在測試期間檢測病毒的存在，而且即使在患者不再被感染后，它也會檢測到病毒片段。PCR被認(rèn)為是最準(zhǔn)確和最可靠的測試，因而是診斷新冠的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”測試。預(yù)計(jì)由于 PCR 在檢測傳染病中所發(fā)揮的作用，它將成為我們?nèi)粘Ｉ畹臉?biāo)準(zhǔn)。

PCR被認(rèn)為是診斷傳染病最準(zhǔn)確、最可靠的檢測方法

PCR儀器主要分為三種類型：傳統(tǒng)型、實(shí)時(shí)型和定量型。90年代設(shè)計(jì)的傳統(tǒng) PCR儀器準(zhǔn)確度差，靈敏度低，檢測后才能得到結(jié)果。實(shí)時(shí) PCR 允許技術(shù)人員在測試過程中查看結(jié)果，可提供最精確和準(zhǔn)確的定量數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí) PCR則能夠使醫(yī)務(wù)人員提供護(hù)理點(diǎn) (POC) 測試，在幾分鐘而不是幾小時(shí)內(nèi)將結(jié)果提供給患者，護(hù)理點(diǎn)測試可確保患者在需要的時(shí)間和地點(diǎn)獲得最有效和最高效的醫(yī)療服務(wù)。實(shí)時(shí) PCR 測試可以節(jié)省時(shí)間，因?yàn)榧夹g(shù)人員可以在試運(yùn)行之前優(yōu)化熔體溫度。定量型PCR，也稱為數(shù)字 PCR，可提供對非常見倍數(shù)的精確計(jì)數(shù)，從而可以進(jìn)行比實(shí)時(shí)PCR檢測更深入的分析。

PCR之所以能夠進(jìn)行是得益于一種稱為熱循環(huán)儀的機(jī)器，它被編程為每30 到60秒快速改變反應(yīng)溫度，以便讓 DNA變性和合成。多年來，技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)使熱循環(huán)儀的尺寸減小，因而可節(jié)省寶貴的實(shí)驗(yàn)室工作臺空間。用于實(shí)時(shí)和數(shù)字 PCR 測試的現(xiàn)代熱循環(huán) 儀采用的是熱電技術(shù)來精確管理設(shè)定點(diǎn)溫度和升溫速率，由于加熱和冷卻循環(huán)期間會產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，熱循環(huán)過程本身是一個(gè)嚴(yán)苛的工作環(huán)境，會降低標(biāo)準(zhǔn)熱電冷卻器的性能。萊爾德熱系統(tǒng)開發(fā)了新一代熱電冷卻器 PowerCycling PCX 系列，它將先進(jìn)的熱電材料與增強(qiáng)的專有過程控制相結(jié)合，能夠?yàn)闊嵫h(huán)應(yīng)用提供最佳性能和牢固的結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)代熱循環(huán)儀利用熱電技術(shù)提供精確的溫度控制和快速升溫速率

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

為了進(jìn)行診斷，PCR 需要大量的熱循環(huán)來創(chuàng)建數(shù)百萬條 DNA 測序鏈。在熱循環(huán)儀中，樣品經(jīng) 制備分配到96或384孔卡盒（cartridge）中，并在每個(gè)溫度階段精確控制溫度。PCR 由三個(gè)溫度循環(huán)階段組成。多個(gè)溫度區(qū)用于預(yù)試驗(yàn)測試，以找到生物標(biāo)志物附著在DNA上的最佳熔體溫度。通常，PCR 由一系列 20 到 40 次重復(fù)的溫度循環(huán)組成，每次使 DNA 拷貝加倍。在大約 40 個(gè)循環(huán)中，可以創(chuàng)建大約 10 億個(gè) DNA 拷貝以生成足夠的生物標(biāo)志物，從而可以通過光學(xué)測量系統(tǒng)進(jìn)行高精度識別。循環(huán)之前通常在高溫 (95°C) 下進(jìn)行一個(gè)溫度步驟，分離 DNA，然后冷卻至50 ～ 65oC 之間的熔解溫度，在此期間生物標(biāo)志物將與 DNA 結(jié)合。第三階段將溫度提高到 72oC，以便對 DNA 的副本進(jìn)行測序。應(yīng)用于每個(gè) 階段的設(shè)定點(diǎn)溫度和時(shí)間長度取決于各種參數(shù)，這些參數(shù)取決于生物標(biāo)志物與 DNA 的結(jié)合程度。

PCR 由三個(gè)溫度循環(huán)階段組成

確定最佳熔體溫度可能需要試運(yùn)行。這可通過先進(jìn)的 PCR 機(jī)器來完成，其中四到六個(gè)溫度區(qū)可以同時(shí)控制在 50 ～ 65oC 之間。

可以進(jìn)行預(yù)測試以找到生物標(biāo)志物附著在 DNA 上的最佳溫度，可以在不同區(qū)域溫度下實(shí)時(shí)監(jiān)控，以確定在運(yùn)行正式 PCR 測試之前的最佳熔解溫度。這將確保測試結(jié)果的最高準(zhǔn)確性，并且是定量 PCR 所需要的。

為了最大限度地縮短擴(kuò)增的總持續(xù)時(shí)間并最大限度地增加 PCR 可以在一天內(nèi)進(jìn)行的測試數(shù)量，需要更快的升溫速率。在傳統(tǒng)的 PCR 機(jī)器中，預(yù)計(jì)升溫速率為每秒 3～5oC。隨著新機(jī)器的上市，升溫速率增加到每秒 6～9oC。

多個(gè)溫度區(qū)用于預(yù)試驗(yàn)測試，以找到生物標(biāo)志物附著在DNA上的最佳熔體溫度。

控制側(cè)包括一個(gè)冷塊，其上帶有加工孔以容納一個(gè)樣品卡盒。此應(yīng)用中最大的挑戰(zhàn)之一是最小化整個(gè)托盤的溫度梯度，以便所有孔都循環(huán)到相同的設(shè)定點(diǎn)溫度。在整個(gè) PCR 過程中，熱循環(huán)儀中的樣品盤必須保持在±0.5oC以內(nèi)，否則會出現(xiàn)錯(cuò)誤并且不能用于分析。散熱側(cè)由散熱器和帶有加熱器筒的風(fēng)扇組成，通常在散熱側(cè)使用輔助控制回路來保持熱側(cè)的溫度穩(wěn)定，同時(shí)控制側(cè)在 40oC的溫差波動(dòng)范圍。這能夠改善溫度控制，并有助于最大限度地減少溫度設(shè)定點(diǎn)過沖，尤其是在快速升溫速率條件下。

熱循環(huán)儀可用于溫度控制需要非常嚴(yán)格的PCR方案。將溫度控制在±0.5oC以內(nèi)可能具有挑戰(zhàn) 性，尤其是對于處在托盤外邊緣的孔。橫向熱擴(kuò)散和高導(dǎo)熱冷板對于確保整個(gè)板的最小溫度梯度至關(guān)重要。

實(shí)時(shí) PCR 熱循環(huán)儀采用先進(jìn)的熱電冷卻器，與其他技術(shù)相比，熱電冷卻器可提供更精確的溫度控制和更快的升溫速率。

此外，要求熱電冷卻器具有嚴(yán)格的研磨公差，以盡量減少配合表面與散熱器和冷塊之間的間隙。還建議與熱電冷卻器配合使用的熱交換器應(yīng)具有緊密的表面平整度和拋光光潔度，這將確保所有熱電冷卻器在組裝過程中處于平面內(nèi)，并有助于將空氣從界面材料中排出，以最大限度地減小溫度梯度。ACR 是模塊熱阻針對時(shí)間變化的測量，它在產(chǎn)品生命周期內(nèi)漂移幾個(gè)百分點(diǎn)的情況并不少見。而且并非所有熱電冷卻器都會以相同的速率變化，不同批次的產(chǎn)品生產(chǎn)公差可能相差 5% 以上。為了盡量減少 ACR 漂移對溫度梯度的影響，建議按 ACR 值對熱電冷卻器進(jìn)行分類，并為每臺 PCR 機(jī)器分組。這將確保熱電冷卻器之間的溫度梯度不會隨時(shí)間發(fā)生太大變化，并延長 PCR 機(jī) 器在現(xiàn)場的使用壽命。一個(gè) PCR應(yīng)用示例是加熱組織載玻片以進(jìn)行原位雜交。由熱循環(huán)儀提供的受控溫度變化可以用來研究與溫度相關(guān)的動(dòng)力學(xué)問題。除了優(yōu)化 PCR 方案外，具有梯度功能的熱循環(huán)儀還可以確定所有酶活性的最佳溫度。

用于精確熱管理的熱電冷卻器

傳統(tǒng) PCR 熱循環(huán)儀可能需要數(shù)小時(shí)才能提供測試結(jié)果，相比之下，現(xiàn)代實(shí)時(shí) PCR 可在持續(xù)測試期間提供結(jié)果，還能夠使技術(shù)人員停止測試并在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)進(jìn)行調(diào)整。實(shí)時(shí) PCR 速度的提高主要是由于縮短了循環(huán)時(shí)間，取消了 PCR 后檢測程序以及采用熒光標(biāo)記和檢測排放的更敏感方法。實(shí)時(shí)熱循環(huán)儀所采用的是先進(jìn)熱電冷卻器，因?yàn)榕c其他技術(shù)相比，它們能夠提供更精確的溫度控制、更小的占位面積和更高的效率。通過實(shí)現(xiàn)更快的升溫速率，熱電冷卻器可提供更高的測試吞吐量和更快的測試結(jié)果。

標(biāo)準(zhǔn)熱電冷卻器

標(biāo)準(zhǔn)熱電冷卻器僅設(shè)計(jì)用于制冷應(yīng)用，它們包含陶瓷基板上的銅匯流條和半導(dǎo)體耦合之間的焊點(diǎn)，具有牢固的結(jié)構(gòu)。由于其剛性架構(gòu)，當(dāng)模塊在重復(fù)的冷卻和加熱循環(huán)中快速收縮和膨脹時(shí)，熱循環(huán)會對熱電冷卻器施加機(jī)械應(yīng)力。熱收縮導(dǎo)致冷側(cè)陶瓷收縮，而熱側(cè)陶瓷基板則會膨脹。半導(dǎo)體元件被焊接到兩側(cè)，并在循環(huán)過程中經(jīng)歷機(jī)械疲勞和剪切應(yīng)力，這可能導(dǎo)致故障或顯著降低熱電冷卻器的使用壽命，從而使 PCR 機(jī)器無法正常運(yùn)行。

PowerCycling PCX 系列熱電冷卻器

PowerCycling PCX 系列熱電冷卻器專門設(shè)計(jì)用于處理數(shù)十萬次熱循環(huán)，同時(shí)確保性能降低減至最少，該系列安裝在熱循環(huán)儀托盤（井）下方，以提供精確的溫度穩(wěn)定性。高可靠度 PowerCy-cling PCX 系列延長了熱循環(huán)儀的平均故障間隔時(shí)間 (MTBF)，并因停機(jī)時(shí)間和維護(hù) 的減少而降低總擁有成本。由于可顯著延長 PCR 設(shè)備的使用壽命，這意味著 OEM 可以最大限度地提高每臺機(jī)器的耗材銷售收入。PCX 模塊采用獨(dú)特的牢固架構(gòu)，并通過利用下一代熱電材料來降低熱應(yīng)力。柔性導(dǎo)熱“軟層” 被設(shè)計(jì)插入冷側(cè)陶瓷基板下方，可吸收由溫度循環(huán)引起的機(jī)械應(yīng)力，延長熱循環(huán)應(yīng)用的整體使用壽命。PowerCycling PCX 熱電冷卻器已通過領(lǐng)先的 PCR OEM 驗(yàn)證測試，通過引入劇烈的循環(huán)條件模擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中使用的熱電冷卻器。

在放大的熱膨脹應(yīng)變條件下，普通熱電冷卻器（右）和具有介電導(dǎo)熱軟層的 PowerCycling 系列熱電冷卻器（左）中半

PCX熱電冷卻器采用增強(qiáng)型工藝控制和焊接架構(gòu)制造，可在高達(dá) 120oC 溫度下運(yùn)行，這超出PCR 應(yīng)用的要求。與標(biāo)準(zhǔn)熱電冷卻器產(chǎn)品相比，PCX 系列采用下一代熱電材料組裝構(gòu) 建，可提供更快的升溫速率。

當(dāng)在熱循環(huán)器托盤下方的陣列中使用時(shí)，PCX 系列熱電冷卻器可優(yōu)化橫向熱擴(kuò)散，以便在整個(gè)冷塊內(nèi)提供精確、均勻的溫度穩(wěn)定性，誤差保持在±0.5oC 以內(nèi)。陣列大小取決于托盤孔的數(shù)量。

PCX 系列設(shè)計(jì)用于在高達(dá) 120oC的溫度下運(yùn) 行，這超出了 PCR 應(yīng)用的要求。

PCX 系列可提供14～215 瓦的各種冷卻能力，包含多個(gè)幾何尺寸，以適應(yīng)不同的托盤尺寸和井?dāng)?shù) 要求。

用于改進(jìn)溫度控制的加長型 PCX 熱電冷卻器

高精度溫度控制是找到生物標(biāo)志物與 DNA 結(jié)合最佳熔解溫度的關(guān)鍵。PCR卡盒上的更多溫度區(qū)域將減少每組孔之間的溫度梯度，使技術(shù)人員更容易找到最佳熔解溫度，從而更快地獲得測試結(jié)果。

通過在 PCR 孔下方安裝細(xì)長的熱電冷卻器，溫度區(qū)變得更窄，從而在整個(gè)板上能夠提供最小的溫度梯度。本例中的 PCR 托盤設(shè)計(jì)具有六個(gè)熱電冷卻器，每個(gè)區(qū)域都有一個(gè)熱電冷卻器進(jìn)行控制。

然而，由于細(xì)長部件帶來的彎曲效應(yīng)，加長型熱電冷卻器的制造過程極具挑戰(zhàn)性。長度寬度比越大，陶瓷越容易彎曲，這在組裝過程中是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

通過增強(qiáng)的專有工藝控制和先進(jìn)的熱電材料，萊爾德熱系統(tǒng)開發(fā)了 PCX 加長型系列熱電冷卻器，可提供卓越的模塊架構(gòu)和高可靠性，同時(shí)消除了彎曲效應(yīng)。

PCX 加長熱電冷卻器允許 PCR 托盤上的溫度區(qū)域更窄，這使技術(shù)人員更容易找到最佳熔體溫度

PCX 加長型系列符合最新的 PCR 行業(yè)標(biāo) 準(zhǔn)，已通過嚴(yán)格的反向功率循環(huán)測試。

由于細(xì)長型組件在高溫下會發(fā)生彎曲效應(yīng)，因而其制造過程具有很大挑戰(zhàn)性。我們的 PowerCy-cling PCX 加長型系

結(jié)論

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)需要大量的熱循環(huán)步驟來創(chuàng)建數(shù)百萬條 DNA 測序鏈以供分析。由于加熱和冷卻階段產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，對于標(biāo)準(zhǔn)熱電冷卻器來說，這是一個(gè)非常嚴(yán)苛的環(huán)境。萊爾德熱系統(tǒng)開發(fā) 了全新PowerCycling PCX 系列，通過使用具備專有熱電模塊架構(gòu)的下一代熱電材料來吸收機(jī)械應(yīng)力，能夠延長熱電冷卻器的使用壽命。這已通過基于最新 PCR 資質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格循環(huán)測試，并得到應(yīng)用驗(yàn)證。

PCX 系列有多種幾何形狀，為PCR多溫度區(qū)或托盤設(shè)計(jì)提供了高度靈活性。與其他類型的熱循環(huán)裝置相比，這種緊湊型熱電冷卻器具有顯著優(yōu)勢，其中包括更精確的溫度控制，更快的升溫速率和更高的效率，從而能夠顯著改善測試結(jié)果，并可加快 PCR 測試進(jìn)程。

關(guān)于萊爾德熱系統(tǒng)

萊爾德熱系統(tǒng)為全球醫(yī)療、工業(yè)、運(yùn)輸和電信市場的苛刻應(yīng)用開發(fā)各種熱管理解決方案，我們是能夠制造業(yè)內(nèi)最多樣化產(chǎn)品組合的少數(shù)廠商之一，產(chǎn)品范圍從主動(dòng)熱電冷卻器和組件到溫度控制器和液體冷卻系統(tǒng)。我們的工程師使用先進(jìn)的熱建模和管理技術(shù)來解決復(fù)雜的熱管理和溫度控制問題，通過提供廣泛的設(shè)計(jì)、原型制作和內(nèi)部測試能力，我們與客戶在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)密切合作，以降低風(fēng)險(xiǎn)并加快產(chǎn)品上市時(shí)間。我們的全球制造和支持資源能夠幫助客戶最大限度地提高生產(chǎn)力、正常運(yùn)行時(shí)間、產(chǎn)品性能和質(zhì)量。萊爾德熱系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)或定制熱解決方案的最佳選擇。

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