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影響96孔PCR儀均勻性的因素分析淺談
96孔PCR儀的均勻性是PCR儀的重要指標(biāo),也是實(shí)驗(yàn)人員非常關(guān)心的問題。造成各個(gè)孔位的溫度不均勻的因素大致有以下幾個(gè):
1、 制冷半導(dǎo)體片的不均勻
2、 控溫點(diǎn)的數(shù)量
3、 邊緣效應(yīng)及減弱辦法
4、 散熱器的散熱均勻性
5、 模塊的材料及形狀
6、 升降溫速度
一、 制冷半導(dǎo)體片的不均勻
現(xiàn)在的PCR儀大都是用半導(dǎo)體制冷片來控制溫度的,其通電后一面熱另一面冷,反向電極則熱冷面反向。
半導(dǎo)體制冷片雖然是工業(yè)化生產(chǎn),都幾乎都是手工的生產(chǎn)的,因此每一片都有差別,大的生產(chǎn)商會(huì)根據(jù)用戶的需要進(jìn)行配對(duì),如一臺(tái)PCR儀要三片就三片配成大致相同的阻值。阻值一般是廠家寫在每片制冷片上的(自己用萬用表是量不準(zhǔn)的,因?yàn)橐煌娖錅囟染妥兓?,阻值就?huì)改變)
因此半導(dǎo)體片的質(zhì)量會(huì)影響PCR儀的均勻性。一般大的生產(chǎn)廠家出廠時(shí)問題不大,但使用一段時(shí)間后,半導(dǎo)體片的性能會(huì)下降,但下降程度并不一致,則溫度差別就表現(xiàn)出來了。
最大的問題是維修。半導(dǎo)體片本身是不能維修的。一般PCR儀都是多片半導(dǎo)體,普通維修會(huì)只更換其中一片,這樣就會(huì)造成新的跑得快,舊的跑得慢,溫度差別就大了。如果每片半導(dǎo)體片下面都有各自的溫度傳感器,則可以補(bǔ)償一些,如果是像AB的低端型號(hào)2720,4片半導(dǎo)體片只有一個(gè)溫度傳感器,則問題大了。當(dāng)然更換半導(dǎo)體片后的裝配也是技術(shù)性很強(qiáng)的活,不經(jīng)過嚴(yán)格的培訓(xùn)是做不到家的。這也是為什么大廠一般不在現(xiàn)場(chǎng)維修,而是要返廠,并且是一次性更換一套半導(dǎo)體片,因此成本較高。
二、控溫點(diǎn)的數(shù)量
一方面半導(dǎo)體片本身有一定的差異,另一方面使用一段時(shí)間后性能會(huì)下降,但下降程度并不一致,還有就是邊緣的和中間的半導(dǎo)體片的反面散熱不一致(后面會(huì)講到),這些都會(huì)造成模塊溫度的不均勻。常用的解決辦法是在每片半導(dǎo)體片下面安放溫度傳感器,并有相應(yīng)的控制電路獨(dú)立控制和校準(zhǔn)(這樣做生產(chǎn)商的成本會(huì)上升)。如AB的9700就有三個(gè)傳感器及相應(yīng)的電路,而低端的只有一個(gè)。
多傳感器還有一個(gè)好處是可以分別控制不同的溫度,產(chǎn)生溫度梯度。
三、邊緣效應(yīng)及減弱辦法
模塊(指放PCR管的金屬塊)的邊緣散熱較快,一般溫度偏低,即所謂邊緣效應(yīng)。其實(shí)散熱器也有邊緣溫度偏低的問題。減弱邊緣效應(yīng)一般采用邊緣輔助加熱的技術(shù),即在模塊的周邊加一圈輔助加熱用的電阻絲或加熱膜。但實(shí)際上邊緣效應(yīng)也不是均勻的,一是角上溫度更低些,二是與散熱器的風(fēng)扇吹風(fēng)方向也有關(guān)系(前后吹風(fēng)則前后不勻,從下向上吹風(fēng)則中心與邊緣不勻)。
四、散熱器的散熱均勻性
散熱器的散熱均勻性對(duì)模塊溫度均勻性的影響非常之大。半導(dǎo)體片控制的是其正反兩面的溫度差,每一塊半導(dǎo)體片都是作為一個(gè)整體來控制的。如果反面的散熱器溫度不均勻,當(dāng)然正面的的模塊溫度也就不均勻了。散熱器的材料從理論上講用紫銅較好,但因價(jià)格原因多為高導(dǎo)熱的鋁合金。另一個(gè)方面就是風(fēng)扇散熱,風(fēng)扇的風(fēng)力大,散熱均勻性會(huì)增加,但噪音也會(huì)大大增加,如AB的儀器的噪音就非常高。如何提高散熱器的散熱均勻性也是一門學(xué)問。
五、模塊的材料及形狀
從均勻性的角度來講,模塊為銀做是最好,其次是銅,然后是鋁合金。市場(chǎng)上一般用的模塊都是鋁或銀。主要是因?yàn)殂~的體積比熱容太大,不利于升降溫速率。銀也有同樣的問題,因此市場(chǎng)上的銀模塊其實(shí)都是空心的。但做成空心的后,其對(duì)溫度均勻性有負(fù)面的影響。因此市場(chǎng)上的銀模塊儀器的溫度均勻性并不比鋁合金的高,但升降溫度速率要高些。由于銀容易氧化,因此銀模塊有的是鍍金的(不要以為是純金的或是整塊金或銀的),有的是表面氧化處理后發(fā)灰的。
鋁合金的模塊也有形狀問題,體積大且孔間連接多有利于均勻性,但不利于升降溫速率。各個(gè)廠家在模塊形狀上也是下了功夫的,都是一個(gè)平衡。
六、升降溫速度
升降溫速度是PCR儀的另一個(gè)重要指標(biāo)(以后再討論),升降溫速度過高也會(huì)影響溫度的均勻性。因?yàn)樯禍厮俣雀撸K來不急傳熱,半導(dǎo)體片差異及傳熱造成的溫度差會(huì)更大。
另外,用戶使用PCR儀要的是管內(nèi)的溫度,而儀器能測(cè)到的是模塊下傳感器的溫度,通過理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果計(jì)算出來的管內(nèi)溫度與實(shí)際溫度是有差別的,升降溫速度越快,其差別也越大。
總之,除了以前談到的六大因素之外,還有其他一些影響因素,如傳感器的溫度漂移、溫度處理電路的老化、散熱器的灰塵不均勻等。有些因素可以通過定期的校準(zhǔn)和保養(yǎng)來減輕或消除。