專為實時PCR應用而設計的下一代熱電冷卻器 萊爾德熱系統應用指南
目錄
簡介
聚合酶鏈式反應（PCR）
用于精確熱管理的熱電冷卻器
標準熱電冷卻器
系列熱電冷卻器
用于改進溫度控制的加長型 PCX 熱電冷卻器
結論
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簡介
聚合酶鏈式反應 (PCR) 是一種用于分子診斷 的擴增DNA序列技術。PCR 產生的 DNA 也稱為分子復制（molecular photocopying)， 這種技術對許多實驗室和臨床應用至關重要。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被認為是最準確和最可靠的測試，因而是 診斷新冠的“黃金標準”測試。預計由于 PCR 在檢測傳染病中所發揮的作用，它將成 為我們日常生活的標準。
PCR被認為是診斷傳染病最準確、最可靠的檢測方法
PCR儀器主要分為三種類型：傳統型、實時型和定量型。90年代設計的傳統 PCR儀器準確度 差，靈敏度低，檢測后才能得到結果。實時 PCR 允許技術人員在測試過程中查看結果，可提供 最精確和準確的定量數據。實時 PCR則能夠使醫務人員提供護理點 (POC) 測試，在幾分鐘而不 是幾小時內將結果提供給患者，護理點測試可確保患者在需要的時間和地點獲得最有效和最高效 的醫療服務。實時 PCR 測試可以節省時間，因為技術人員可以在試運行之前優化熔體溫度。定 量型PCR，也稱為數字 PCR，可提供對非常見倍數的精確計數，從而可以進行比實時PCR檢測 更深入的分析。
PCR之所以能夠進行是得益于一種稱 為熱循環儀的機器，它被編程為每30 到60秒快速改變反應溫度，以便讓 DNA變性和合成。多年來，技術進步 已經使熱循環儀的尺寸減小，因而可 節省寶貴的實驗室工作臺空間。用于 實時和數字 PCR 測試的現代熱循環 儀采用的是熱電技術來精確管理設定 點溫度和升溫速率，由于加熱和冷卻 循環期間會產生機械應力，熱循環過 程本身是一個嚴苛的工作環境，會降 低標準熱電冷卻器的性能。萊爾德熱系統開發了新一代熱電冷卻器 PowerCycling PCX 系 列，它將先進的熱電材料與增強的專有過程控制相結合，能夠為熱循環應用提供最佳性能和 牢固的結構。
現代熱循環儀利用熱電技術提供精確的溫度控制和快速升溫速率
聚合酶鏈式反應
為了進行診斷，PCR 需要大量的熱循環來創建數百萬條 DNA 測序鏈。在熱循環儀中，樣品經 制備分配到96或384孔卡盒（cartridge）中，并在每個溫度階段精確控制溫度。PCR 由三個溫度循環階段組成。多個溫度區用于預試驗測試，以找到生物 標志物附著在DNA上的最佳熔體溫度。通常，PCR 由一系列 20 到 40 次重復的溫度循環組 成，每次使 DNA 拷貝加倍。在大約 40 個循環中，可 以創建大約 10 億個 DNA 拷貝以生成足夠的生物標志 物，從而可以通過光學測量系統進行高精度識別。循 環之前通常在高溫 (95°C) 下進行一個溫度步驟，分離 DNA，然后冷卻至50 ～ 65oC 之間的熔解溫度，在此 期間生物標志物將與 DNA 結合。第三階段將溫度提高 到 72oC，以便對 DNA 的副本進行測序。應用于每個 階段的設定點溫度和時間長度取決于各種參數，這些 參數取決于生物標志物與 DNA 的結合程度。
PCR 由三個溫度循環階段組成
確定最佳熔體溫度可能需要試運行。這可通過先進的 PCR 機器來完成，其中四到六個溫度區可以同時控制 在 50 ～ 65oC 之間。
可以進行預測試以找到生物標志物附著在 DNA 上的最 佳溫度，可以在不同區域溫度下實時監控，以確定在 運行正式 PCR 測試之前的最佳熔解溫度。這將確保測 試結果的最高準確性，并且是定量 PCR 所需要的。
為了最大限度地縮短擴增的總持續時間并最大限度地 增加 PCR 可以在一天內進行的測試數量，需要更快的 升溫速率。在傳統的 PCR 機器中，預計升溫速率為每 秒 3～5oC。隨著新機器的上市，升溫速率增加到每秒 6～9oC。
多個溫度區用于預試驗測試，以找到生物 標志物附著在DNA上的最佳熔體溫度。
控制側包括一個冷塊，其上帶有加工孔以容納一個樣品卡盒。此應用中最大的挑戰之一是最小化整 個托盤的溫度梯度，以便所有孔都循環到相同的設定點溫度。在整個 PCR 過程中，熱循環儀中的 樣品盤必須保持在±0.5oC以內，否則會出現錯誤并且不能用于分析。散熱側由散熱器和帶有加熱 器筒的風扇組成，通常在散熱側使用輔助控制回路來保持熱側的溫度穩定，同時控制側在 40oC的 溫差波動范圍。這能夠改善溫度控制，并有助于最大限度地減少溫度設定點過沖，尤其是在快速升 溫速率條件下。
熱循環儀可用于溫度控制需要非常嚴格的PCR方案。將溫度控制在±0.5oC以內可能具有挑戰 性，尤其是對于處在托盤外邊緣的孔。橫向熱擴散和高導熱冷板對于確保整個板的最小溫度梯度 至關重要。
實時 PCR 熱循環儀采用先進的熱電冷卻器，與其他技術相比， 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，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 是模塊熱阻針對時間變化的測量，它在產品生命周期內漂移幾個百分點的情況并不少見。而且并非所有熱電冷卻器都會以相同的速率變化，不同批次的產品生產公差可能相差 5% 以上。為了盡量減少 ACR 漂移對溫度梯度的影響，建議按 ACR 值對熱電冷卻器進行分類，并為每臺 PCR 機器分組。這將確保熱電冷卻器之間的溫度梯度不會隨時間發生太大變化，并延長 PCR 機 器在現場的使用壽命。一個 PCR應用示例是加熱組織載玻片以進行原位雜交。由熱循環儀提供的受控溫度變化可以用 來研究與溫度相關的動力學問題。除了優化 PCR 方案外，具有梯度功能的熱循環儀還可以確定 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 PCR 熱循環儀可能需要數小時才能提供測試結果，相比之下，現代實時 PCR 可在持續測 試期間提供結果，還能夠使技術人員停止測試并在發生錯誤時進行調整。實時 PCR 速度的提高 主要是由于縮短了循環時間，取消了 PCR 后檢測程序以及采用熒光標記和檢測排放的更敏感方 法。實時熱循環儀所采用的是先進熱電冷卻器，因為與其他技術相比，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。通過實現更快的升溫速率，熱電冷卻器可提供更高 的測試吞吐量和更快的測試結果。
標準熱電冷卻器
標準熱電冷卻器僅設計用于制冷應用，它們包含陶瓷基板上的銅匯流條和半導體耦合之間的焊 點，具有牢固的結構。由于其剛性架構，當模塊在重復的冷卻和加熱循環中快速收縮和膨脹 時，熱循環會對熱電冷卻器施加機械應力。熱收縮導致冷側陶瓷收縮，而熱側陶瓷基板則會膨 脹。半導體元件被焊接到兩側，并在循環過程中經歷機械疲勞和剪切應力，這可能導致故障或 顯著降低熱電冷卻器的使用壽命，從而使 PCR 機器無法正常運行。
PowerCycling PCX 系列熱電冷卻器
PowerCycling PCX 系列熱電冷卻器專門設計用于處理數十萬次熱循環，同時確保性能降低減 至最少，該系列安裝在熱循環儀托盤（井）下方，以提供精確的溫度穩定性。高可靠度 PowerCy-cling PCX 系列延長了熱循環儀的平均故障間隔時間 (MTBF)，并因停機時間和維護 的減少而降低總擁有成本。由于可顯著延長 PCR 設備的使用壽命，這意味著 OEM 可以最大限 度地提高每臺機器的耗材銷售收入。PCX 模塊采用獨特的牢固架構，并通過利用下一代熱電材料來降低熱應力。柔性導熱“軟層” 被設計插入冷側陶瓷基板下方，可吸收由溫度循環引起的機械應力，延長熱循環應用的整體使 用壽命。PowerCycling PCX 熱電冷卻器已通過領先的 PCR OEM 驗證測試，通過引入劇烈的 循環條件模擬現實應用中使用的熱電冷卻器。
在放大的熱膨脹應變條件下，普通熱電冷卻器（右）和具有介電導熱軟層的 PowerCycling 系列熱電冷卻器（左）中 半
PCX熱電冷卻器采用增強型工藝控制和焊接架構制造，可在 高達 120oC 溫度下運行，這超出PCR 應用的要求。與標準熱 電冷卻器產品相比，PCX 系列采用下一代熱電材料組裝構 建，可提供更快的升溫速率。
當在熱循環器托盤下方的陣列中使用時，PCX 系列熱電冷卻 器可優化橫向熱擴散，以便在整個冷塊內提供精確、均勻的 溫度穩定性，誤差保持在±0.5oC 以內。陣列大小取決于托盤 孔的數量。
PCX 系列設計用于在高達 120oC的溫度下運 行，這超出了 PCR 應用的要求。
PCX 系列可提供14～215 瓦的各種冷卻能力，包含多個幾何尺寸，以適應不同的托盤尺寸和井數 要求。
用于改進溫度控制的加長型 PCX 熱電冷卻器
高精度溫度控制是找到生物標志物與 DNA 結合最 佳熔解溫度的關鍵。PCR卡盒上的更多溫度區域 將減少每組孔之間的溫度梯度，使技術人員更容易 找到最佳熔解溫度，從而更快地獲得測試結果。
通過在 PCR 孔下方安裝細長的熱電冷卻器，溫度 區變得更窄，從而在整個板上能夠提供最小的溫度 梯度。本例中的 PCR 托盤設計具有六個熱電冷卻 器，每個區域都有一個熱電冷卻器進行控制。
然而，由于細長部件帶來的彎曲效應，加長型熱電 冷卻器的制造過程極具挑戰性。長度寬度比越大， 陶瓷越容易彎曲，這在組裝過程中是一個巨大挑 戰。
通過增強的專有工藝控制和先進的熱電材料，萊爾 德熱系統開發了 PCX 加長型系列熱電冷卻器，可 提供卓越的模塊架構和高可靠性，同時消除了彎曲 效應。
PCX 加長熱電冷卻器允許 PCR 托盤上的 溫度區域更窄，這使技術人員更容易找到 最佳熔體溫度
PCX 加長型系列符合最新的 PCR 行業標 準，已通過嚴格的反向功率循環測試。
由于細長型組件在高溫下會發生彎曲效應，因而其制造過程具有很大挑戰性。我們的 PowerCy-cling PCX 加長型系
結論
聚合酶鏈式反應需要大量的熱循環步驟來創建數百萬條 DNA 測序鏈以供分析。由于加熱和冷卻 階段產生的機械應力，對于標準熱電冷卻器來說，這是一個非常嚴苛的環境。萊爾德熱系統開發 了全新PowerCycling PCX 系列，通過使用具備專有熱電模塊架構的下一代熱電材料來吸收機械 應力，能夠延長熱電冷卻器的使用壽命。這已通過基于最新 PCR 資質標準的嚴格循環測試，并 得到應用驗證。
PCX 系列有多種幾何形狀，為PCR多溫度區或托盤設計提供了高度靈活性。與其他類型的熱 循環裝置相比，這種緊湊型熱電冷卻器具有顯著優勢，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果，并可加快 PCR 測試進程。
關于萊爾德熱系統
萊爾德熱系統為全球醫療、工業、運輸和電信市場的苛刻應用開發各種熱管理解決方案，我們 是能夠制造業內最多樣化產品組合的少數廠商之一，產品范圍從主動熱電冷卻器和組件到溫度 控制器和液體冷卻系統。我們的工程師使用先進的熱建模和管理技術來解決復雜的熱管理和溫 度控制問題，通過提供廣泛的設計、原型制作和內部測試能力，我們與客戶在整個產品生命周 期內密切合作，以降低風險并加快產品上市時間。我們的全球制造和支持資源能夠幫助客戶最 大限度地提高生產力、正常運行時間、產品性能和質量。萊爾德熱系統是標準或定制熱解決方 案的最佳選擇。
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