【应用】半导体制冷片PowerCycling PCX用于实时PCR，能够吸收机械应力，改善测试结果

时间： 2022-06-10 来源：Laird Thermal Systems

技术问答

聚合酶链反应 (PCR) 是一种分子诊断技术，用于放大DNA测序。聚合酶链反应也称为分子复制，其中所产生的DNA对许多实验室和临床程序至关重要。 PCR检测有助于诊断SARS-CoV-2，即COVID-19。PCR测试不仅可以在测试过程中检测病毒的存在，而且即使在患者不再被感染后，也会检测到病毒的片段。PCR测试被认为是诊断COVID-19的“黄金标准”，因为它是最准确、最可靠的测试。PCR对于传染病检测的有巨大影响，预计将成为我们日常生活的测试标准。

PCR被认为是诊断传染病的最准确、最可靠检测方法

PCR仪器主要分为三种类型：传统型、实时型和定量型。上世纪90 年代设计的传统PCR仪器精度低、灵敏度差，结果是在测试后获得。实时 PCR 允许技术人员在测试过程中查看结果，能够为定量分析提供最精准的数据。实时PCR使医务人员能够提供护理点 (POC) 检测，在几分钟内，而不是几小时向患者提供结果。

POC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护理。实时PCR测试可以节省时间，因为技术人员可以在预测试运行期间优化熔解温度。定量PCR，也称为数字PCR，提供对罕见折叠（rare folds）的精确计数，能够进行比实时PCR检测更深入的分析。

PCR可由一种称为热循环仪（thermocycler）的设备提供支持，该设备被编程为每30到60秒快速改变反应温度，以进行DNA变性和合成。多年来，技术进步使热循环仪的尺寸不断减小，以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需要采用热电技术精确管理温度设定点和升温速率。

由于在加热和冷却循环期间出现的机械应力，热循环会产生一种较为严苛的环境，从而降低标准半导体制冷片的性能。莱尔德热系统（Laird Thermal Systems）开发了下一代半导体制冷片PowerCycling PCX系列，将先进的热电材料与增强的专有过程控制相结合，可为热循环应用提供最佳性能和坚固的构建。

现代热循环设备利用基于热电技术的标准半导体制冷片，来提供精确的温度控制和快速的升温速率

聚合酶链反应（PCR）

PCR需要大量的热循环周期来创建数百万条用于诊断的 DNA 测序链。在热循环仪器中，样本经过制备并分配到 96或384孔卡盒中，并在每个温度阶段进行精确的温度控制。

通常，PCR由一系列20到40个重复温度循环周期组成，每次都使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，由光学测量系统可以高精度地对其进行识别。样本循环之前通常是在高温 (95℃)下进行单个温度操作，分离出DNA，然后冷却至50～65℃之间的解链温度，此时生物标志物将与DNA结合。第三阶段将温度升高到 72℃，以便可以对DNA的副本进行测序。每个阶段的设定点温度和时间长度取决于各种参数，而这些参数则取决于生物标志物与DNA的结合程度。

PCR包括三个温度周期循环步骤

确定最佳的熔体温度可能需要试运行，这可以通过先进的PCR设备来完成，其中可以同时控制50～65℃的四到六个温度区。

可以进行预试验之前的测试，以找到生物标志物附着在DNA上的最佳温度。这可以在不同区域温度下实时监测，以在运行正式PCR测试之前确定最佳熔解温度，这将确保测试结果的最高准确性，并且也是定量PCR所必需的。

多个温度区可用于预试验之前的测试，以找到生物标志物附着在DNA上的最佳熔解温度

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在一天内可以进行的测试数量，需要更快的温度上升速率。在传统的PCR设备中，大概每秒升温3～5℃，而随着新机器设备进入市场，升温速率增加到每秒6～9℃。

控制侧包含一个带有机床加工孔的冷块，用于容纳样本盒。尽量减少整个托盘的温度梯度非常重要，这样所有的孔都可以循环到相同的设定点温度。在整个PCR过程中，热循环仪中的样本托盘必须保持在正负半摄氏度的范围内，否则它们会出现错误，并且无法用于分析。散热侧包含一个散热器和带有加热器筒的风扇，通常在散热侧使用辅助控制回路，这样即使在控制侧有40℃的温差范围内波动，仍能保持热侧的温度稳定。这改进了温度控制并有助于最大限度地减少温度设定点的过冲，尤其是在快速升温条件下。

热循环仪可用于需要非常严格温度控制的 PCR 方案。将温度控制保持在±0.5℃以内可能具有很大挑战性，尤其是在位于托盘外边缘的孔中。横向的散热均衡和高导热的冷板对于确保整个板的最小温度梯度至关重要。

实时PCR热循环仪需采用先进的半导体制冷片，因为与其他技术相比，先进的半导体制冷片能够提供更精确的控制和更快的升温速率

此外，也需要半导体制冷片具有严格的搭接公差，以最小化接合表面与散热器和冷块之间的间隙。还建议与半导体制冷片配合使用的热交换器具有严格的表面平整度和抛光表面，这将确保所有半导体制冷片在组装过程中都在平面上，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是针对随时间变化的模块热阻测量。 ACR 在其使用寿命期间漂移几个百分点的情况并不少见，而且并非所有半导体制冷片都会以相同的速率变化。不同批次的生产公差可能相差5%以上，为了尽量减少ACR漂移对温度梯度的影响，建议按ACR值对半导体制冷片进行分类，并为每台PCR机器设备分组。这将确保半导体制冷片之间的温度梯度不会随时间发生太大变化，并延长PCR机器设备的现场使用寿命。

一个 PCR方案示例是加热组织载玻片以进行原位杂交。通过由热循环仪提供的受控温度变化可以用来研究温度相关的动力学。除了能够优化PCR方案外，具有梯度功能的热循环仪还可以确定任何酶活性的最佳温度。

用于精确热管理的半导体制冷片

与可能需要数小时才能提供结果的传统PCR热循环仪相比，现代实时PCR可在持续测试期间提供结果。在发生错误时，允许技术人员停止测试并进行调整。实时PCR速度的提高主要是由于减少了循环时间、去除了PCR后检测程序以及使用荧光标记和检测其排放的灵敏方法。实时热循环仪需使用先进的半导体制冷片，因为与其他技术相比，先进的半导体制冷片能够提供更精准的温度控制、更小的占位面积和更高的效率。通过实现更快的升温速率，半导体制冷片可提供更大的吞吐量和更快的测试结果。

标准半导体制冷片

标准半导体制冷片仅设计用于制冷应用，它们由陶瓷基板上的铜汇流条和半导体对之间的焊点构建而成，具有坚固的结构。由于具有刚性结构，当模块从重复的冷却和加热循环中快速收缩和膨胀时，热循环会对半导体制冷片施加机械应力。热收缩导制冷端陶瓷收缩，而热侧陶瓷基板会膨胀。半导体元件焊接在两侧，并在循环过程中承受机械疲劳和剪切应力。这会导致半导体制冷片出现故障或显著缩短其使用寿命，从而使PCR机器无法运行。

PowerCycling PCX系列半导体制冷片

PowerCycling PCX系列专门设计用于进行数十万次热循环，同时能够将性能降级减至最小，它们可安装在热循环仪托盘（井）下方，以提供更精确的温度稳定性。高度可靠的 PowerCycling PCX系列能够延长热循环仪的平均故障间隔时间 (MTBF)，并通过减少停机时间和维护来降低总体拥有成本。这将延长PCR设备的使用寿命，同时可帮助OEM 最大限度地提高每台设备的耗材销售收入。

PCX模块采用独特的牢固架构，并利用下一代热电材料来降低热应力。冷侧陶瓷基板下方嵌入有柔性导热“软层”，以充分吸收由温度循环引起的机械应力，并延长热循环应用中设备的整体使用寿命。 PowerCycling PCX半导体制冷片已通过领先的PCR OEM验证测试协议要求，能够为模拟现实生活应用条件的半导体制冷片引入剧烈的加速循环条件。

普通半导体制冷片（右），以及具有介电导热软层的 PowerCycling 系列半导体制冷片（左），在夸大热膨胀应变下半导体颗粒的相对应变示意图

PCX半导体制冷片采用增强型过程控制和焊接架构制造，可在高达120℃的温度下运行，这超出了PCR应用的要求。与标准半导体制冷片产品相比，PCX系列采用下一代热电材料组装，能够提供更快的升温速率。

PCX系列设计用于在高达120℃的温度下运行，这超出了PCR应用的要求

当在热循环仪托盘下方以阵列方式使用时，PCX系列半导体制冷片可优化横向散热，能够在整个冷区内提供精确、均匀的温度稳定性，误差可控制在±0.5℃以内。阵列大小取决于托盘井的数量。PCX系列可提供从14到215瓦的多种冷却能力，涵盖多个几何尺寸，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半导体制冷片

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试剂盒上的更多温度区域将帮助减少每组井之间的偏差，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。

PCX加长型半导体制冷片允许 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解温度

通过在PCR井下方安装细长的半导体制冷片，温度区间可变得更窄，从而在整个托盘上可提供更小的温度梯度。本用例中的PCR托盘设计具有六个半导体制冷片，每个区域都有一个半导体制冷片。

然而，由于加长部件带来的弯曲效应，细长型半导体制冷片的制造过程极具挑战性。长度与宽度比越大，陶瓷越容易弯曲，这在组装过程中是一个巨大挑战。

通过采用改进的专有过程控制和更先进的热电材料，莱尔德热系统开发了PCX加长型系列半导体制冷片，能够提供卓越的模块化架构和高可靠性，且消除了弯曲效应。PCX加长系列已通过严格的反向功率循环测试，符合最新的PCR行业标准要求。

由于在高温下会发生弯曲效应，细长型零部件的制造极具挑战性。莱尔德热系统的PowerCycling PCX加长型系列可提供卓越的模块化架构，消除了这种效应的影响

结论

PCR应用需要数量巨大的热循环来创建数百万条 DNA 测序链以供分析。由于加热和冷却阶段产生的机械应力，对于标准半导体制冷片来说，这是一个极其恶劣的应用环境。莱尔德热系统开发的新型PowerCycling PCX系列采用具备专有热电模块架构的下一代热电材料，能够吸收机械应力，并延长半导体制冷片的使用寿命。这已经在基于最新 PCR资质标准的严格循环测试中得到验证。

PCX系列有多种几何尺寸，能够为PCR温度区或托盘设计提供非常高的灵活性。与其他类型的热循环装置相比，这种紧凑型半导体制冷片具有明显优势，其中包括更精确的温度控制、更快速的升温速率和更高的效率，这些性能优势能够显著改善测试结果，并加快PCR测试进程。

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全部评论（20）

小蛮大人 Lv9. 科学家 2023-01-14

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Yuki Lv8. 研究员 2023-01-11

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天工 Lv7. 资深专家 2022-12-15

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杨小广 Lv7 2022-12-15

PCR应用需要数量巨大的热循环来创建数百万条 DNA 测序链以供分析。由于加热和冷却阶段产生的机械应力，对于标准半导体制冷片来说，这是一个极其恶劣的应用环境。
陌然 Lv6. 高级专家 2022-12-14

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目录- 公司简介和产品介绍热电冷却器表面处理选项和热管理大师

型号- 430478-502,HTX20-31-F2A-0909-11-W2.25,64979-501,CP085-127-06-L1-W4.5,UTX15-24-F2-5252-TA-W6,CP14-31-10-L1-W4.5,ETX7-3-F1-2020-TA-RT-W6,9360001-301,7050045-502,71061-504,ETX14-12-F1-6262-TA-W6,UTX6-24-F1-5555-TA-W6,HTX15-31-F2A-0909-TB-W2.25,PCX7-156-F2-1672-TA-RT-W6,387008429,SH08-28-05-L1-W4.5,PCX6-12-F1-4040-TA-RT-W6,ULTRATEC™ UTX SERIES,CP14-71-10-L1-W4.5,PCX8-12-F1-4040-TA-W6,9340006-301,PCX7-16-F1-4040-TA-W6,ETX4-7-F1-2323-TA-W6,71092-501,ETX15-28-F2-5252-TA-RT-W6,387008431,CP14-127-10-L1-W4.5,387007103,CP14-35-045-L1-W4.5,ETX4-7-F2-3030-TA-RT-W6,430705-503,387007106,387007227,387007108,HTX12-65-F2A-1312-TB-RT-W2.25,OPTOTEC™ HTX,430874-503,71062-514,387007231,CP08-63-06-L1-W4.5,387007112,387007113,9350004-301,387007115,430052-501,387007117,MS5-257-10-15-11-W8,ETX2.5-12-F1-3030-TA-RT-W6,CP08-127-05-L1-W4.5,PCX10-223-F1-3172-TA-RT-W6,HITEMP ETX SERIES,CP14-127-045-L1-W4.5,430922-501,387007120,387007123,387007122,9320002-301,MS3-119-20-15-11-W8,ETX11-12-F1-4040-TA-RT-W6,MS SERIES,56760-505,ETX15-12-F2-4040-TA-RT-W6,MS2-192-14-20-11-18-11-W8,ETX6-12-F1-4040-TA-RT-W6,56590-502,SH10-23-06-L1-W4.5,71036-505,56610-502,MS4-108-10-20-11-W8,ETX4-12-F1-3030-TA-W6,430027-501,PCX12-248-F1-5040-TA-RT-W6,PT4-7-F2-3030-TA-W6,430848-502,OTX12-65-F2A-1312-11-W2.25,430848-504,PCX8-7-F2-3030-TA-RT-W6,MS2-068-14-14-15-15-11-W8,CP14-71-045-L1-W4.5,OTX20-66-F0-1211-11-W2.25,PCX4-6-F1-2040-TA-RT-W6,HTX,PCX5-16-F1-4040-TA-W6,56430-501,OTX19-23-F1N-0608-11-W2.25,HTX 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PCX,62910-510,PCX24-128-F2-5555-TA-RT-W6,387005354,HTX15-65-F2A-1312-TB-W2.25,POWERCYCLING PCX SERIES,CP10-131-04-L1-TOW-W4.5,OTX08-18-F0-0505-11-W2.25,HTX12-18-F2A-0606-GG-W2.25,CP14-199-045-L1-W4.5,CP2-71-06-L1-W4.5,ETX4-6-F2-2143-TA-RT-W6,OTX20-68-F1A-1313-11-W2.25,OPTOTEC™ OTX SERIES,71212-502,CP SERIES,CP2-31-06-L1-W4.5,POLARTEC™ PT SERIES,63595-501,PCX4-4-F1-1515-TA-RT-W6,ETX8-12-F2-2525-TA-RT-W6,HTX12-65-F2A-1312-11-W2.25,OTX08-31-F1-0707-11-RT-W2.25,PT8-12-F2-4040-TA-W6,ETX4-12-F2-3030-TA-RT-W6,CP10-71-06-L1-W4.5,OTX08-66-F0-1009-11-RT-W2.25,CP14-17-10-L1-W4.5,ETX3-3-F2-1518-TA-W6,ETX11-12-F2-3030-TA-RT-W6,PCX4-7-F1-2020-TA-RT-W6,387004970,MS2-190-10-10-12-12-11-W8,387005700,ETX2.5-12-F1-4040-TA-RT-W6,CP10-127-06-L1-W4.5,9340002-301,OPTOTEC HTX 系列,MS2-065-04-04-11-11-11-W4,9350007-301,71049-501,POLARTEC™ PT,387006926,PT4-12-F2-4040-TA-W6,387006928,387006927,PCX11-12-F2-3030-TA-RT-W6,RH14-32-06-L1-W4.5,MS2-051-22-25-22-25-11-W8,MS4-115-14-15-11-W8,ETX14-3-F1-3030-TA-RT-W6,PCX8-176-F2-7528-TA-RT-W6,SH14-15-06-L-W4.5,PCX7.5-13-F1-4023-TA-RT-W6,OTX15-68-F1A-1313-11-W2.25,CP2-127-06-L1-W4.5,ETX6-7-F2-3030-TA-RT-W6,OTX08-08-F0-0303-11-W2.25,PCX6-28-F2-4040-TA-RT-W6,44530-501,MS2-049-10-10-15-15-11-W8,16503-310,UTX8-288-F2-5252-TA-W6,475010-313,ETX3-48-F1-1212-GG-W6,ETX2.6-6-F1-1225-TA-W6,OPTOTEC HTX,UTX6-19-F1-4040-TA-W6,OPTOTEC OTX 系列,430436-504,OPTOTEC™ OTX,387006832,UTX SERIES,387006834,387006836,387006837,9350006-301,387006839,HTX20-65-F2A-1312-11-W2.25,9380001-301,MS3-070-20-25-11-W8,9340003-301,MS2-192-14-20-15-25-11-W8,MS4-129-10-15-11-W8,PCX2-12-F1-3030-TA-RT-W6,ETX2-6-F1-1225-TA-RT-W6,ETX4-3-F1-1515-TA-RT-W6,387006845,387005513,387005514,387006847,387005515,387005516,ETX25-12-F1-6262-TA-W6,ETX1.6-12-F2-3030-TA-RT-W6,OTX12-66-F0-1211-TB-RT-W2.25,430023-507,9350001-301,HITEMP 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选型指南 - LAIRD THERMAL SYSTEMS - 2022/1/18 PDF 中文下载

【经验】如何计算TEC半导体制冷片在PCR仪中应用的降温速率

PCR仪是用于基因扩增的仪器，最核心的部分是温度控制，而温控最核心的部件是用于PCR仪升降温的半导体制冷片,在所有的半导体制冷片厂牌中,II-IV Marlow公司推出的XLT系列产品无疑是可靠性最高的半导体温度循环器,其满足可靠的循环次数高达100万次,是PCR仪可靠性最高的半导体制冷片.如何选择温度循环器功率达到满足要求的升降温速率呢?这需要一定的理论参考与计算.

设计经验发布时间 : 2019-07-05