【经验】PCR仪温度均匀性影响因素分析及解决方案
![TEC,散热器,温度传感器,相变材料](https://www.sekorm.com/front/website/images/sekormContent.jpg)
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PCR仪的温度控制系统通常只能对样品基座的有限个数点(通常是1~3个)进行温度采样和控制,所以只有保证样品基座的温度分布均匀,才能使样品基座的每个反应槽的温度及温度保持的时间控制准确,从而确保PCR仪的扩增效率。因此PCR仪的温度均匀性是PCR仪的重要指标,也是实验人员非常关心的问题。造成PCR仪各个孔位的温度不均匀的因素大致有以下几个:
1、 TEC的不均匀;
2、 散热器的散热不均匀;
3、 控温点的数量少;
4、 升降温速度;
5、 边缘效应;
6、 模块的材料及形状。
PCR仪温度不均匀的因素分析及解决方案:
一、 TEC的不均匀及马洛TEC解决方案
现在的PCR仪大都是用TEC来控制温度的,其通电后一面制热另一面制冷,反向电极则冷热面反向。半导体制冷片虽然是工业化生产,但几乎都是手工制作的,因此每一片TEC都有差别,造成ACR值差异较大,从而表现出各TEC上的温度分布不均匀。
如何应对这种ACR差异,马洛推出了ACR相匹配的TEC,例如一台96孔PCR仪需要用6片XLT2418,马洛则推出了XLT2418-36AC(如下图),6个TEC的ACR值相匹配的料号,保证了这6片TEC的ACR值大致相同,使PCR仪上的温度均匀性非常好。而且马洛的TEC可靠性高,老化性好,性能稳定,在其使用寿命内性能下降很小,温度差别表现不大。
二、散热器的散热不均匀及爱美达VC散热器解决方案
散热器的散热均匀性对模块温度均匀性的影响非常之大。TEC控制的是其正反两面的温度差,每一块TEC都是作为一个整体来控制的。如果反面的散热器温度不均匀,当然正面的的模块温度也就不均匀了。
针对这种问题,爱美达设计了一种VC散热器,即在铜板上镶嵌一块VC均温板与TEC接触,然后通过热管将TEC上的热量迅速传递到铝散热器上,风扇强制对流加速散热。在TEC和散热器之间使用VC均匀板,VC导热横向导热系数大于7500w/mk,使不同TEC的热面温差小于0.2℃,只有散热面的温差小,才能保证TEC冷面的温度更均匀。
三、控温点的数量少及安费诺SC30F103VN解决方案
一方面TEC本身有一定的差异,另一方面使用一段时间后性能会下降,但下降程度并不一致,还有就是边缘的和中间的半导体片的反面散热不一致,这些都会造成模块温度的不均匀。
针对这种问题,安费诺推出了SC30F103VN温度传感器,其精度在±0.1℃,在每片TEC下面安放SC30F103VN,并有相应的控制电路独立控制和校准,这样可以调节温度的均匀性,使各TEC上的温度差异非常少。
升降温速度是PCR仪的一个重要指标,升降温速度过高也会影响温度的均匀性。因为升降温速度高,模块来不急传热,TEC差异及传热造成的温度差会更大。
针对这种模块来不急传热的情况,固美丽推出了T777相变材料,厚度仅为0.115mm,在50Psi压力下热阻仅为0.0055℃-in2/W,热阻超低,传热速度快,可以有效解决TEC与模块之间的快速传热问题,同时其使用时间8-10年传热效果基本没什么变化,不像硅脂一两年左右就会粉化导致传热效果变差。
五、边缘效应及电阻丝或膜解决方案
模块(指放PCR管的金属块)的边缘散热较快,一般温度偏低,即所谓边缘效应。但实际上边缘效应也不是均匀的,一是四个角上温度更低些,二是与散热器的风扇吹风方向也有关系(前后吹风则前后不均匀,从下向上吹风,则中心与边缘不均匀)。
减弱边缘效应一般采用边缘辅助加热的技术,即在模块的周边加一圈辅助加热用的电阻丝或加热膜。
六、模块的材料及形状
从均匀性的角度来讲,模块为银做是最好,其次是铜,然后是铝合金。市场上一般用的模块都是铝或银。主要是因为铜的体积比热容太大,不利于升降温速率。银也有同样的问题,因此市场上的银模块其实都是空心的。但做成空心的后,其对温度均匀性有负面的影响。因此市场上的银模块仪器的温度均匀性并不比铝合金的高,但升降温度速率要高些。铝合金的模块也有形状问题,体积大且孔间连接多有利于均匀性,但不利于升降温速率。各个厂家在模块形状上也是下了功夫的,都是一个平衡。
总之,除了以前谈到的六大因素之外,还有其他一些影响因素,如传感器的温度漂移、温度处理电路的老化、散热器的灰尘不均匀等。有些因素可以通过定期的校准和保养来减轻或消除,有些因素通过更换上述的解决方案可以明显减弱。
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