专为实时PCR应用而设计的下一代热电冷却器 莱尔德热系统应用指南
目录
简介
聚合酶链式反应（PCR）
用于精确热管理的热电冷却器
标准热电冷却器
系列热电冷却器
用于改进温度控制的加长型 PCX 热电冷却器
结论
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简介
聚合酶链式反应 (PCR) 是一种用于分子诊断 的扩增DNA序列技术。PCR 产生的 DNA 也称为分子复制（molecular photocopying)， 这种技术对许多实验室和临床应用至关重要。PCR检测有助于诊断 SARS-CoV-2，也就是 众所周知的新冠 (COVID-19)。PCR 测试不仅 可以在测试期间检测病毒的存在，而且即使在 患者不再被感染后，它也会检测到病毒片段。PCR被认为是最准确和最可靠的测试，因而是 诊断新冠的“黄金标准”测试。预计由于 PCR 在检测传染病中所发挥的作用，它将成 为我们日常生活的标准。
PCR被认为是诊断传染病最准确、最可靠的检测方法
PCR仪器主要分为三种类型：传统型、实时型和定量型。90年代设计的传统 PCR仪器准确度 差，灵敏度低，检测后才能得到结果。实时 PCR 允许技术人员在测试过程中查看结果，可提供 最精确和准确的定量数据。实时 PCR则能够使医务人员提供护理点 (POC) 测试，在几分钟而不 是几小时内将结果提供给患者，护理点测试可确保患者在需要的时间和地点获得最有效和最高效 的医疗服务。实时 PCR 测试可以节省时间，因为技术人员可以在试运行之前优化熔体温度。定 量型PCR，也称为数字 PCR，可提供对非常见倍数的精确计数，从而可以进行比实时PCR检测 更深入的分析。
PCR之所以能够进行是得益于一种称 为热循环仪的机器，它被编程为每30 到60秒快速改变反应温度，以便让 DNA变性和合成。多年来，技术进步 已经使热循环仪的尺寸减小，因而可 节省宝贵的实验室工作台空间。用于 实时和数字 PCR 测试的现代热循环 仪采用的是热电技术来精确管理设定 点温度和升温速率，由于加热和冷却 循环期间会产生机械应力，热循环过 程本身是一个严苛的工作环境，会降 低标准热电冷却器的性能。莱尔德热系统开发了新一代热电冷却器 PowerCycling PCX 系 列，它将先进的热电材料与增强的专有过程控制相结合，能够为热循环应用提供最佳性能和 牢固的结构。
现代热循环仪利用热电技术提供精确的温度控制和快速升温速率
聚合酶链式反应
为了进行诊断，PCR 需要大量的热循环来创建数百万条 DNA 测序链。在热循环仪中，样品经 制备分配到96或384孔卡盒（cartridge）中，并在每个温度阶段精确控制温度。PCR 由三个温度循环阶段组成。多个温度区用于预试验测试，以找到生物 标志物附着在DNA上的最佳熔体温度。通常，PCR 由一系列 20 到 40 次重复的温度循环组 成，每次使 DNA 拷贝加倍。在大约 40 个循环中，可 以创建大约 10 亿个 DNA 拷贝以生成足够的生物标志 物，从而可以通过光学测量系统进行高精度识别。循 环之前通常在高温 (95°C) 下进行一个温度步骤，分离 DNA，然后冷却至50 ～ 65ºC 之间的熔解温度，在此 期间生物标志物将与 DNA 结合。第三阶段将温度提高 到 72ºC，以便对 DNA 的副本进行测序。应用于每个 阶段的设定点温度和时间长度取决于各种参数，这些 参数取决于生物标志物与 DNA 的结合程度。
PCR 由三个温度循环阶段组成
确定最佳熔体温度可能需要试运行。这可通过先进的 PCR 机器来完成，其中四到六个温度区可以同时控制 在 50 ～ 65ºC 之间。
可以进行预测试以找到生物标志物附着在 DNA 上的最 佳温度，可以在不同区域温度下实时监控，以确定在 运行正式 PCR 测试之前的最佳熔解温度。这将确保测 试结果的最高准确性，并且是定量 PCR 所需要的。
为了最大限度地缩短扩增的总持续时间并最大限度地 增加 PCR 可以在一天内进行的测试数量，需要更快的 升温速率。在传统的 PCR 机器中，预计升温速率为每 秒 3～5ºC。随着新机器的上市，升温速率增加到每秒 6～9ºC。
多个温度区用于预试验测试，以找到生物 标志物附着在DNA上的最佳熔体温度。
控制侧包括一个冷块，其上带有加工孔以容纳一个样品卡盒。此应用中最大的挑战之一是最小化整 个托盘的温度梯度，以便所有孔都循环到相同的设定点温度。在整个 PCR 过程中，热循环仪中的 样品盘必须保持在±0.5ºC以内，否则会出现错误并且不能用于分析。散热侧由散热器和带有加热 器筒的风扇组成，通常在散热侧使用辅助控制回路来保持热侧的温度稳定，同时控制侧在 40ºC的 温差波动范围。这能够改善温度控制，并有助于最大限度地减少温度设定点过冲，尤其是在快速升 温速率条件下。
热循环仪可用于温度控制需要非常严格的PCR方案。将温度控制在±0.5ºC以内可能具有挑战 性，尤其是对于处在托盘外边缘的孔。横向热扩散和高导热冷板对于确保整个板的最小温度梯度 至关重要。
实时 PCR 热循环仪采用先进的热电冷却器，与其他技术相比， 热电冷却器可提供更精确的温度控制和更快的升温速率。
此外，要求热电冷却器具有严格的研磨公差，以尽量减少配合表面与散热器和冷块之间的间隙。还建议与热电冷却器配合使用的热交换器应具有紧密的表面平整度和抛光光洁度，这将确保所有 热电冷却器在组装过程中处于平面内，并有助于将空气从界面材料中排出，以最大限度地减小温 度梯度。ACR 是模块热阻针对时间变化的测量，它在产品生命周期内漂移几个百分点的情况并不少见。而且并非所有热电冷却器都会以相同的速率变化，不同批次的产品生产公差可能相差 5% 以上。为了尽量减少 ACR 漂移对温度梯度的影响，建议按 ACR 值对热电冷却器进行分类，并为每台 PCR 机器分组。这将确保热电冷却器之间的温度梯度不会随时间发生太大变化，并延长 PCR 机 器在现场的使用寿命。一个 PCR应用示例是加热组织载玻片以进行原位杂交。由热循环仪提供的受控温度变化可以用 来研究与温度相关的动力学问题。除了优化 PCR 方案外，具有梯度功能的热循环仪还可以确定 所有酶活性的最佳温度。
用于精确热管理的热电冷却器
传统 PCR 热循环仪可能需要数小时才能提供测试结果，相比之下，现代实时 PCR 可在持续测 试期间提供结果，还能够使技术人员停止测试并在发生错误时进行调整。实时 PCR 速度的提高 主要是由于缩短了循环时间，取消了 PCR 后检测程序以及采用荧光标记和检测排放的更敏感方 法。实时热循环仪所采用的是先进热电冷却器，因为与其他技术相比，它们能够提供更精确的 温度控制、更小的占位面积和更高的效率。通过实现更快的升温速率，热电冷却器可提供更高 的测试吞吐量和更快的测试结果。
标准热电冷却器
标准热电冷却器仅设计用于制冷应用，它们包含陶瓷基板上的铜汇流条和半导体耦合之间的焊 点，具有牢固的结构。由于其刚性架构，当模块在重复的冷却和加热循环中快速收缩和膨胀 时，热循环会对热电冷却器施加机械应力。热收缩导致冷侧陶瓷收缩，而热侧陶瓷基板则会膨 胀。半导体元件被焊接到两侧，并在循环过程中经历机械疲劳和剪切应力，这可能导致故障或 显著降低热电冷却器的使用寿命，从而使 PCR 机器无法正常运行。
PowerCycling PCX 系列热电冷却器
PowerCycling PCX 系列热电冷却器专门设计用于处理数十万次热循环，同时确保性能降低减 至最少，该系列安装在热循环仪托盘（井）下方，以提供精确的温度稳定性。高可靠度 PowerCy-cling PCX 系列延长了热循环仪的平均故障间隔时间 (MTBF)，并因停机时间和维护 的减少而降低总拥有成本。由于可显著延长 PCR 设备的使用寿命，这意味着 OEM 可以最大限 度地提高每台机器的耗材销售收入。PCX 模块采用独特的牢固架构，并通过利用下一代热电材料来降低热应力。柔性导热“软层” 被设计插入冷侧陶瓷基板下方，可吸收由温度循环引起的机械应力，延长热循环应用的整体使 用寿命。PowerCycling PCX 热电冷却器已通过领先的 PCR OEM 验证测试，通过引入剧烈的 循环条件模拟现实应用中使用的热电冷却器。
在放大的热膨胀应变条件下，普通热电冷却器（右）和具有介电导热软层的 PowerCycling 系列热电冷却器（左）中 半
PCX热电冷却器采用增强型工艺控制和焊接架构制造，可在 高达 120ºC 温度下运行，这超出PCR 应用的要求。与标准热 电冷却器产品相比，PCX 系列采用下一代热电材料组装构 建，可提供更快的升温速率。
当在热循环器托盘下方的阵列中使用时，PCX 系列热电冷却 器可优化横向热扩散，以便在整个冷块内提供精确、均匀的 温度稳定性，误差保持在±0.5ºC 以内。阵列大小取决于托盘 孔的数量。
PCX 系列设计用于在高达 120ºC的温度下运 行，这超出了 PCR 应用的要求。
PCX 系列可提供14～215 瓦的各种冷却能力，包含多个几何尺寸，以适应不同的托盘尺寸和井数 要求。
用于改进温度控制的加长型 PCX 热电冷却器
高精度温度控制是找到生物标志物与 DNA 结合最 佳熔解温度的关键。PCR卡盒上的更多温度区域 将减少每组孔之间的温度梯度，使技术人员更容易 找到最佳熔解温度，从而更快地获得测试结果。
通过在 PCR 孔下方安装细长的热电冷却器，温度 区变得更窄，从而在整个板上能够提供最小的温度 梯度。本例中的 PCR 托盘设计具有六个热电冷却 器，每个区域都有一个热电冷却器进行控制。
然而，由于细长部件带来的弯曲效应，加长型热电 冷却器的制造过程极具挑战性。长度宽度比越大， 陶瓷越容易弯曲，这在组装过程中是一个巨大挑 战。
通过增强的专有工艺控制和先进的热电材料，莱尔 德热系统开发了 PCX 加长型系列热电冷却器，可 提供卓越的模块架构和高可靠性，同时消除了弯曲 效应。
PCX 加长热电冷却器允许 PCR 托盘上的 温度区域更窄，这使技术人员更容易找到 最佳熔体温度
PCX 加长型系列符合最新的 PCR 行业标 准，已通过严格的反向功率循环测试。
由于细长型组件在高温下会发生弯曲效应，因而其制造过程具有很大挑战性。我们的 PowerCy-cling PCX 加长型系
结论
聚合酶链式反应需要大量的热循环步骤来创建数百万条 DNA 测序链以供分析。由于加热和冷却 阶段产生的机械应力，对于标准热电冷却器来说，这是一个非常严苛的环境。莱尔德热系统开发 了全新PowerCycling PCX 系列，通过使用具备专有热电模块架构的下一代热电材料来吸收机械 应力，能够延长热电冷却器的使用寿命。这已通过基于最新 PCR 资质标准的严格循环测试，并 得到应用验证。
PCX 系列有多种几何形状，为PCR多温度区或托盘设计提供了高度灵活性。与其他类型的热 循环装置相比，这种紧凑型热电冷却器具有显著优势，其中包括更精确的温度控制，更快的升温 速率和更高的效率，从而能够显著改善测试结果，并可加快 PCR 测试进程。
关于莱尔德热系统
莱尔德热系统为全球医疗、工业、运输和电信市场的苛刻应用开发各种热管理解决方案，我们 是能够制造业内最多样化产品组合的少数厂商之一，产品范围从主动热电冷却器和组件到温度 控制器和液体冷却系统。我们的工程师使用先进的热建模和管理技术来解决复杂的热管理和温 度控制问题，通过提供广泛的设计、原型制作和内部测试能力，我们与客户在整个产品生命周 期内密切合作，以降低风险并加快产品上市时间。我们的全球制造和支持资源能够帮助客户最 大限度地提高生产力、正常运行时间、产品性能和质量。莱尔德热系统是标准或定制热解决方 案的最佳选择。
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