თერმოელექტრული გაგრილება PCR-ისთვის

პელტიეს გაგრილება (პელტიეს ეფექტზე დაფუძნებული თერმოელექტრული გაგრილების ტექნოლოგია) გახდა PCR (პოლიმერაზული ჯაჭვური რეაქციის) ინსტრუმენტების ტემპერატურის კონტროლის სისტემის ერთ-ერთი ძირითადი ტექნოლოგია მისი სწრაფი რეაქციის, ზუსტი ტემპერატურის კონტროლისა და კომპაქტური ზომის გამო, რაც მნიშვნელოვნად მოქმედებს PCR-ის ეფექტურობაზე, სიზუსტესა და გამოყენების სცენარებზე. ქვემოთ მოცემულია თერმოელექტრული გაგრილების (პელტიეს გაგრილების) კონკრეტული გამოყენებისა და უპირატესობების დეტალური ანალიზი, PCR-ის ძირითადი მოთხოვნებიდან დაწყებული:

I. PCR ტექნოლოგიაში ტემპერატურის კონტროლის ძირითადი მოთხოვნები

პოლიმერაზული ჯაჭვური რეაქცია (პჯრ) ძირითადი პროცესია დენატურაციის (90-95℃), გახურების (50-60℃) და გაფართოების (72℃) განმეორებადი ციკლი, რომელიც ტემპერატურის კონტროლის სისტემის მიმართ უკიდურესად მკაცრ მოთხოვნებს აწესებს.

ტემპერატურის სწრაფი მატება და ვარდნა: ერთი ციკლის დროის შემცირება (მაგალითად, 95℃-დან 55℃-მდე დაწევას მხოლოდ რამდენიმე წამი სჭირდება) და რეაქციის ეფექტურობის გაზრდა;

მაღალი სიზუსტის ტემპერატურის კონტროლი: გამოწვის ტემპერატურის ±0.5℃ გადახრამ შეიძლება გამოიწვიოს არასპეციფიკური ამპლიფიკაცია და ის უნდა კონტროლდებოდეს ±0.1℃-ის ფარგლებში.

ტემპერატურის ერთგვაროვნება: როდესაც რამდენიმე ნიმუში ერთდროულად რეაგირებს, ნიმუშის ჭებს შორის ტემპერატურული სხვაობა უნდა იყოს ≤0.5℃, რათა თავიდან იქნას აცილებული შედეგის გადახრა.

მინიატურიზაციის ადაპტაცია: პორტატული PCR (მაგალითად, ადგილზე ტესტირების POCT სცენარები) უნდა იყოს კომპაქტური ზომის და თავისუფალი მექანიკური ცვეთის ნაწილებისგან.

II. თერმოელექტრული გაგრილების ძირითადი გამოყენება PCR-ში

თერმოელექტრული გამაგრილებელი TEC, თერმოელექტრული გაგრილების მოდული, პელტიეს მოდული აღწევს „გათბობისა და გაგრილების ორმხრივ გადართვას“ მუდმივი დენის მეშვეობით, რაც იდეალურად შეესაბამება PCR-ის ტემპერატურის კონტროლის მოთხოვნებს. მისი სპეციფიკური გამოყენება აისახება შემდეგ ასპექტებში:

1. ტემპერატურის სწრაფი მატება და ვარდნა: რეაქციის დროის შემცირება

პრინციპი: დენის მიმართულების შეცვლით, TEC მოდულს, თერმოელექტრულ მოდულს, პელტიეს მოწყობილობას შეუძლია სწრაფად გადაერთოს „გათბობის“ (როდესაც დენი პირდაპირია, TEC მოდულის სითბოს შთამნთქმელი ბოლო ხდება სითბოს გამომთავისუფლებელი ბოლო) და „გაგრილების“ (როდესაც დენი საპირისპირო მიმართულებითაა, სითბოს გამომთავისუფლებელი ბოლო ხდება სითბოს შთამნთქმელი ბოლო) რეჟიმებს შორის, რეაგირების დროით, როგორც წესი, 1 წამზე ნაკლებია.

უპირატესობები: ტრადიციული გაგრილების მეთოდები (როგორიცაა ვენტილატორები და კომპრესორები) ეყრდნობა თბოგამტარობას ან მექანიკურ მოძრაობას, ხოლო გათბობისა და გაგრილების სიჩქარე, როგორც წესი, 2℃/წმ-ზე ნაკლებია. როდესაც TEC შერწყმულია მაღალი თბოგამტარობის ლითონის ბლოკებთან (როგორიცაა სპილენძი და ალუმინის შენადნობი), შესაძლებელია გათბობისა და გაგრილების სიჩქარის მიღწევა 5-10℃/წმ-მდე, რაც ამცირებს ერთი PCR ციკლის დროს 30 წუთიდან 10 წუთზე ნაკლებამდე (როგორიცაა სწრაფი PCR ინსტრუმენტებში).

2. მაღალი სიზუსტის ტემპერატურის კონტროლი: ამპლიფიკაციის სპეციფიკურობის უზრუნველყოფა

პრინციპი: TEC მოდულის, თერმოელექტრული გაგრილების მოდულის, თერმოელექტრული მოდულის გამომავალი სიმძლავრე (გათბობა/გაგრილების ინტენსივობა) წრფივად კორელაციაშია დენის ინტენსივობასთან. მაღალი სიზუსტის ტემპერატურის სენსორებთან (როგორიცაა პლატინის წინააღმდეგობა, თერმოწყვილი) და PID უკუკავშირის მართვის სისტემასთან ერთად, დენის რეგულირება შესაძლებელია რეალურ დროში ზუსტი ტემპერატურის კონტროლის მისაღწევად.

უპირატესობები: ტემპერატურის კონტროლის სიზუსტე შეიძლება მიაღწიოს ±0.1℃-ს, რაც გაცილებით მაღალია, ვიდრე ტრადიციული თხევადი აბაზანის ან კომპრესორის მაცივრის სიზუსტე (±0.5℃). მაგალითად, თუ გახურების ეტაპზე სამიზნე ტემპერატურაა 58℃, TEC მოდული, თერმოელექტრული მოდული, პელტიეს გამაგრილებელი, პელტიეს ელემენტი სტაბილურად ინარჩუნებს ამ ტემპერატურას, თავიდან აიცილებს პრაიმერების არასპეციფიკურ შეკავშირებას ტემპერატურის რყევების გამო და მნიშვნელოვნად ზრდის ამპლიფიკაციის სპეციფიკურობას.

3. მინიატურული დიზაინი: პორტატული PCR-ის განვითარების ხელშეწყობა

პრინციპი: TEC მოდულის, პელტიეს ელემენტის, პელტიეს მოწყობილობის მოცულობა მხოლოდ რამდენიმე კვადრატული სანტიმეტრია (მაგალითად, 10×10 მმ TEC მოდული, თერმოელექტრული გაგრილების მოდული, პელტიეს მოდული შეიძლება აკმაყოფილებდეს ერთი ნიმუშის მოთხოვნებს), მას არ აქვს მექანიკური მოძრავი ნაწილები (მაგალითად, კომპრესორის დგუში ან ვენტილატორის პირები) და არ საჭიროებს მაცივარ აგენტს.

უპირატესობები: როდესაც ტრადიციული PCR ინსტრუმენტები გაგრილებისთვის კომპრესორებს იყენებენ, მათი მოცულობა, როგორც წესი, 50 ლიტრზე მეტია. თუმცა, თერმოელექტრული გაგრილების მოდულის, თერმოელექტრული მოდულის, პელტიეს მოდულის, TEC მოდულის გამოყენებით პორტატული PCR ინსტრუმენტების მოცულობა შეიძლება შემცირდეს 5 ლიტრზე ნაკლებამდე (მაგალითად, ხელის მოწყობილობები), რაც მათ შესაფერისს ხდის საველე ტესტირებისთვის (მაგალითად, ეპიდემიის დროს ადგილზე სკრინინგისთვის), კლინიკური საწოლთან ტესტირებისთვის და სხვა სცენარებისთვის.

4. ტემპერატურის ერთგვაროვნება: სხვადასხვა ნიმუშებს შორის თანმიმდევრულობის უზრუნველყოფა

პრინციპი: TEC მასივების მრავალი ნაკრების განლაგებით (მაგალითად, 96 მიკრო TEC, რომლებიც შეესაბამება 96-ჭეჭიან ფირფიტას) ან სითბოს განაწილების ლითონის ბლოკებთან (მაღალი თბოგამტარობის მასალები) კომბინაციით, შესაძლებელია TEC-ებში ინდივიდუალური განსხვავებებით გამოწვეული ტემპერატურული გადახრების კომპენსირება.

უპირატესობები: ნიმუშის ჭებს შორის ტემპერატურის სხვაობის კონტროლი შესაძლებელია ±0.3℃-ის ფარგლებში, რითაც თავიდან აცილებულია ამპლიფიკაციის ეფექტურობის სხვაობა, რომელიც გამოწვეულია კიდისა და ცენტრალურ ჭებს შორის არათანმიმდევრული ტემპერატურებით და უზრუნველყოფილია ნიმუშის შედეგების შედარება (მაგალითად, რეალურ დროში ფლუორესცენციის რაოდენობრივი PCR-ის დროს CT მნიშვნელობების თანმიმდევრულობა).

5. საიმედოობა და მოვლა-პატრონობა: გრძელვადიანი ხარჯების შემცირება

პრინციპი: TEC-ს არ აქვს ცვეთადი ნაწილები, მისი მომსახურების ვადა 100 000 საათზე მეტია და არ საჭიროებს მაცივარაგენტების (მაგალითად, კომპრესორებში ფრეონის) რეგულარულ შეცვლას.

უპირატესობები: ტრადიციული კომპრესორით გაცივებული PCR ინსტრუმენტის საშუალო სიცოცხლის ხანგრძლივობა დაახლოებით 5-დან 8 წლამდეა, ხოლო TEC სისტემას შეუძლია მისი 10 წლამდე გაზრდა. გარდა ამისა, მოვლა-პატრონობა მხოლოდ გამაგრილებელი მოწყობილობის გაწმენდას მოითხოვს, რაც მნიშვნელოვნად ამცირებს აღჭურვილობის ექსპლუატაციისა და მოვლა-პატრონობის ხარჯებს.

III. გამოწვევები და ოპტიმიზაცია აპლიკაციებში

ნახევარგამტარული გაგრილება PCR-ში იდეალური არ არის და საჭიროებს მიზანმიმართულ ოპტიმიზაციას:

სითბოს გაფრქვევის შემაფერხებელი ნაკეცი: როდესაც TEC გაგრილება ხდება, სითბოს გამოყოფის ბოლოში დიდი რაოდენობით სითბო გროვდება (მაგალითად, როდესაც ტემპერატურა 95℃-დან 55℃-მდე ეცემა, ტემპერატურული სხვაობა 40℃-ს აღწევს და სითბოს გამოყოფის სიმძლავრე მნიშვნელოვნად იზრდება). აუცილებელია მისი შეხამება ეფექტურ სითბოს გაფრქვევის სისტემასთან (მაგალითად, სპილენძის რადიატორები + ტურბინის ვენტილატორები ან თხევადი გაგრილების მოდულები), წინააღმდეგ შემთხვევაში ეს გამოიწვევს გაგრილების ეფექტურობის შემცირებას (და გადახურების შედეგად დაზიანებასაც კი).

ენერგიის მოხმარების კონტროლი: დიდი ტემპერატურული სხვაობების დროს, TEC ენერგიის მოხმარება შედარებით მაღალია (მაგალითად, 96-ჭაბურღილიანი PCR ინსტრუმენტის TEC სიმძლავრემ შეიძლება მიაღწიოს 100-200 ვატს) და აუცილებელია არაეფექტური ენერგიის მოხმარების შემცირება ინტელექტუალური ალგორითმების (მაგალითად, პროგნოზირებადი ტემპერატურის კონტროლი) მეშვეობით.

IV. პრაქტიკული გამოყენების შემთხვევები

ამჟამად, ძირითადი PCR ინსტრუმენტები (განსაკუთრებით რეალურ დროში ფლუორესცენციის რაოდენობრივი PCR ინსტრუმენტები) ზოგადად იყენებენ ნახევარგამტარული გაგრილების ტექნოლოგიას, მაგალითად:

ლაბორატორიული დონის აღჭურვილობა: გარკვეული ბრენდის 96-ჭედიანი ფლუორესცენტული რაოდენობრივი PCR ინსტრუმენტი, TEC ტემპერატურის კონტროლით, 6℃/წმ-მდე გათბობისა და გაგრილების სიჩქარით, ±0.05℃ ტემპერატურის კონტროლის სიზუსტით და 384-ჭედიანი მაღალი გამტარუნარიანობის დეტექციის მხარდაჭერით.

პორტატული მოწყობილობა: TEC დიზაინზე დაფუძნებული გარკვეული პორტატული PCR ინსტრუმენტი (რომლის წონაც 1 კგ-ზე ნაკლებია), ახალი კორონავირუსის გამოვლენას 30 წუთში ახერხებს და შესაფერისია ადგილზე, მაგალითად, აეროპორტებსა და თემებში, გამოსადეგია.

რეზიუმე

თერმოელექტრული გაგრილება, მისი სამი ძირითადი უპირატესობით: სწრაფი რეაქციით, მაღალი სიზუსტითა და მინიატურიზაციით, გადაჭრის PCR ტექნოლოგიის ძირითად პრობლემებს ეფექტურობის, სპეციფიკურობისა და სცენის ადაპტირების თვალსაზრისით, გახდა სტანდარტული ტექნოლოგია თანამედროვე PCR ინსტრუმენტებისთვის (განსაკუთრებით სწრაფი და პორტატული მოწყობილობებისთვის) და PCR-ის ლაბორატორიიდან უფრო ფართო გამოყენების სფეროებში, როგორიცაა კლინიკური სტაციონარის და ადგილზე აღმოჩენა.

TES1-15809T200 PCR აპარატისთვის

ცხელი მხარის ტემპერატურა: 30°C,

Imax: 9.2A

Umax: 18.6V

Qmax: 99.5 W

დელტა T მაქს: 67 C

ACR: 1.7 ±15% Ω (1.53-დან 1.87 ომამდე)

ზომა: 77×16.8×2.8 მმ