Методы оптимизации термостатирования ПЦР-амплификаторов | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 2 ноября, печатный экземпляр отправим 6 ноября.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №25 (159) июнь 2017 г.

Дата публикации: 26.06.2017

Статья просмотрена: 109 раз

Библиографическое описание:

Косинец А. В. Методы оптимизации термостатирования ПЦР-амплификаторов // Молодой ученый. — 2017. — №25. — С. 72-75. — URL https://moluch.ru/archive/159/44902/ (дата обращения: 19.10.2019).



В данной статье рассматриваются методы, позволяющие разрабатывать более оптимальные термоблоки амплификаторов, при их меньшей себестоимости.

Ключевые слова: ПЦР, АМПЛИФИКАТОР, ДНК, РНК

Большинство термоциклеров, присутствующих на рынке сегодня работают по следующему принципу: основой является алюминиевый или серебряный термоблок на 48 или 96 пробирок, под которым располагаются модули пельтье, установленные, в свою очередь на радиатор. На самом ПЦР блоке установлены термодатчики (в большинстве случаев NTC термисторы). Программа в микроконтроллере, изменяя подаваемую мощность на модули пельтье (методом ШИМ) и считывая показания с датчиков, регулирует температуру.

Поскольку для многих пользователей вопрос скорости проведения анализа является решающими при выборе прибора, многие производители снимают “лишний” материал, что приводит к суммарному уменьшению теплоемкости, ПЦР блок приобретает примерно такой вид:

Simple_Small_block

Рис 1. Вид 3D модели ПЦР блока

ris

Рис 2. Вид готового изделия (фрезеровка на MDX-40)

Данный путь, при высокой мощности используемых модулей пельтье ведет к неравномерному нагреву, и по результатам симуляции и практических тестов дисбаланс температуры в разных участках может доходить до нескольких градусов.

Важно понимать, что разрушение даже кратковременное превышение температуры 97C возможно разрушение даже термостабильной ДНК TAQ — полимеразы, что в свою очередь, приведет к ложноотрицательному результату.

Один из вариантов решения данной проблемы является изготовление термоблока с конденсационным теплообменником (такой же принцип используется в тепловых трубках, теплопроводность которых может в сотни раз превышать теплопроводность металлов). Между модулями пельтье и самим блоком создается полость, которая заполняется медной ватой и водой. Далее, в специальной камере для вакуммирования запаивается снизу модуль пельтье. В результате, при использовании данного метода, из-за переноса тепла конвекционным методом, удается достичь однородности температуры в 0.05C на термоблоке 4x4 см.

risrasborrisr

Рис. 3. ПЦР термос и блок с конденсационным термораспределением

Данная технология хорошо показала себя на прототипах небольших амплификаторов и ее рекомендуется использовать при производстве приборов на 10–20 проб. Самым очевидным недостатком данного метода являются трудности при проектировании блоков, где необходимо создавать температурный градиент.

Вторым способом стабилизации температуры является фрезеровка или печать на 3D принтере специального термоса из метериала с низкой теплопроводностью (например, из тефлона или ABS пластика).

Наиболее хорошие результаты при использовании термоса были получены при применении термоблока с конвекционным термораспределнием и алгоритмами управления снижающих скорость нагрева при небольшой разнице до заданной температуры.

Третьим методом оптимизации является роторное термостатирование. Его принцип состоит в том, что три разных термоблока нагреваются до температур денатурации, элонгации и терминации соответственно, а пробирки переставляются из блока в блок специальным механизмом в автоматическом режиме. Данную концепцию, широко применяемую, на стадии становления ПЦР анализов можно доработать, сделав обратно совместимой со стандартными 96 луночными ПЦР стрипами.

untitled

Рис. 4. Возможный вид термоблока роторного амплификатора (рэндеринг)

Преимуществом такого блока является широкий набор режимов эксплуатации

1) Возможность постановки анализа по роторному принципу: каждый из трех блоков имеет разную температуру, пробирки переставляются специальным механизмом, скорость нагрева и охлаждения ограничивается только теплопроводностью пробирок и составляет десятки градусов в секунду

2) Возможность выполнения трех разных программ (включая программы с градиентом) — “классический” вариант постановки ПЦР — каждая в своем блоке, т.е три разных эксперимента одновременно.

3) Возможность синхронного выполнения программы синхронно на трех разных блоках и работа с 96 луночными стрипами.

Заключение

В данной статье были рассмотрены как широкоизвестные, так и авторские методы стабилизации и достижения однородности температуры при производстве ПЦР термоциклеров. В результате было создано два экспериментальных аплификатора, характеристики термоблоков которых близки к промышленным аналогам, а в чем то и превосходят их.

C:\Users\Awerqo\AppData\Local\Microsoft\Windows\INetCache\Content.Word\ampl1.pngC:\Users\Awerqo\AppData\Local\Microsoft\Windows\INetCache\Content.Word\ampl2.png

Рис 5. Прототипы в сборе

Литература:

  1. Стерлинг Дж. Д. “Техническое руководство по волоконной оптике”,
  2. Ребриков Д. В. “ПЦР в реальном времени”, Издательство: БИНОМ, 2009 г
  3. Скрябин В. И. “Курс лекций по теплотехнике”.
  4. Сворень Р. А. “Электроника шаг за шагом”, Издательство: Горячая линия — Телеком, 2001 г.
  5. Белов А. В. “Создаем устройства на микроконтроллерах AVR”
Основные термины (генерируются автоматически): блок, специальный механизм, ABS, NTC, TAQ, скорость нагрева, модуль.


Похожие статьи

Новая схема передачи сигнала от датчика АБС к ЭБУ автомобиля

Рассмотрены основные недостатки системы измерения угловой скорости колеса автомобиля, используемые в АБС, являющиеся причинами неисправностей в её

1. Наличие постоянной электрической связи между датчиком и электронным блоком управления (ЭБУ), которая...

Критерии выбора микроконтроллеров для разработки модулей...

Самым широко известным модульным устройством, пожалуй, можно назвать обыкновенный персональный компьютер. Системный блок имеет стандартизированные места для размещения модулей, 5” отсеки для CD приводов, 3.2” отсеки для жестких дисков...

Управление процессом выдува ПЭТ-бутылок. Технологический...

Для выдува ПЭТ-бутылок используют специальные формы, в которых разогретые преформы растягиваются штоками

Нагрев в зонах осуществляется лампами КГЦ, по 2200 Вт на зону.

Для питания входных цепей модулей МРМ3-60-8 используется блок питания БП15Б-Д2-5.

Моделирование моментов нагрузки электродвигателей в MATLAB

, , – весовые коэффициенты переменных составляющих модуля реактивного момента сопротивления механизма.

Нелинейный блок Subsystem4 позволяет реализовать различные функциональные зависимости модуля реактивного момента от скорости.

Метастабильное состояние триггера и способы его устранения

Работа отдельных модулей внутри устройства на частотах, отличных от тактирования. Для выделения причины рассмотрим структуру проекта, выполняющего

Существует специальный аппаратный блок — двухпортовая память с независимыми тактовыми сигналами (dual-port RAM).

Анализ систем жидкостного охлаждения электронной аппаратуры

Так как все составляющие ПК работают на электрическом токе, то им свойственно нагреваться, причем степень их нагрева прямо пропорционально зависит от

В [4] рассмотрены методики расчетов теплового режима блоков электронной аппаратуры и их программная реализация.

Разработка и исследование промышленной сети, создание...

– Низкая скорость передачи данных. Протокол RS-485 (Modbus).

Одним из преимуществ этого протокла является отсутствие необходимости в специальных закрытых

Модуль регистрации температуры FX3U-4AD-PT-ADP, работающий с датчиками температуры Pt100.

Программно-аппаратный комплекс для измерения угловой...

Однако применяя косвенный метод определения угловой скорости возникают проблемы, связанные с изменением параметров электродвигателя при его нагреве, а также необходимостью получения точных значений токов и напряжений статора.

Разработка блока управления для стиральной машины

Еще большее число фирм производят ЖКИ-модули на базе данных контроллеров. Таким образом, устройства на базе этого контроллера обладают не сложным и легко

Блок питания обеспечивает все составные части устройства питанием с необходимыми параметрами.

Новая схема передачи сигнала от датчика АБС к ЭБУ автомобиля

Рассмотрены основные недостатки системы измерения угловой скорости колеса автомобиля, используемые в АБС, являющиеся причинами неисправностей в её

1. Наличие постоянной электрической связи между датчиком и электронным блоком управления (ЭБУ), которая...

Критерии выбора микроконтроллеров для разработки модулей...

Самым широко известным модульным устройством, пожалуй, можно назвать обыкновенный персональный компьютер. Системный блок имеет стандартизированные места для размещения модулей, 5” отсеки для CD приводов, 3.2” отсеки для жестких дисков...

Управление процессом выдува ПЭТ-бутылок. Технологический...

Для выдува ПЭТ-бутылок используют специальные формы, в которых разогретые преформы растягиваются штоками

Нагрев в зонах осуществляется лампами КГЦ, по 2200 Вт на зону.

Для питания входных цепей модулей МРМ3-60-8 используется блок питания БП15Б-Д2-5.

Моделирование моментов нагрузки электродвигателей в MATLAB

, , – весовые коэффициенты переменных составляющих модуля реактивного момента сопротивления механизма.

Нелинейный блок Subsystem4 позволяет реализовать различные функциональные зависимости модуля реактивного момента от скорости.

Метастабильное состояние триггера и способы его устранения

Работа отдельных модулей внутри устройства на частотах, отличных от тактирования. Для выделения причины рассмотрим структуру проекта, выполняющего

Существует специальный аппаратный блок — двухпортовая память с независимыми тактовыми сигналами (dual-port RAM).

Анализ систем жидкостного охлаждения электронной аппаратуры

Так как все составляющие ПК работают на электрическом токе, то им свойственно нагреваться, причем степень их нагрева прямо пропорционально зависит от

В [4] рассмотрены методики расчетов теплового режима блоков электронной аппаратуры и их программная реализация.

Разработка и исследование промышленной сети, создание...

– Низкая скорость передачи данных. Протокол RS-485 (Modbus).

Одним из преимуществ этого протокла является отсутствие необходимости в специальных закрытых

Модуль регистрации температуры FX3U-4AD-PT-ADP, работающий с датчиками температуры Pt100.

Программно-аппаратный комплекс для измерения угловой...

Однако применяя косвенный метод определения угловой скорости возникают проблемы, связанные с изменением параметров электродвигателя при его нагреве, а также необходимостью получения точных значений токов и напряжений статора.

Разработка блока управления для стиральной машины

Еще большее число фирм производят ЖКИ-модули на базе данных контроллеров. Таким образом, устройства на базе этого контроллера обладают не сложным и легко

Блок питания обеспечивает все составные части устройства питанием с необходимыми параметрами.

Похожие статьи

Новая схема передачи сигнала от датчика АБС к ЭБУ автомобиля

Рассмотрены основные недостатки системы измерения угловой скорости колеса автомобиля, используемые в АБС, являющиеся причинами неисправностей в её

1. Наличие постоянной электрической связи между датчиком и электронным блоком управления (ЭБУ), которая...

Критерии выбора микроконтроллеров для разработки модулей...

Самым широко известным модульным устройством, пожалуй, можно назвать обыкновенный персональный компьютер. Системный блок имеет стандартизированные места для размещения модулей, 5” отсеки для CD приводов, 3.2” отсеки для жестких дисков...

Управление процессом выдува ПЭТ-бутылок. Технологический...

Для выдува ПЭТ-бутылок используют специальные формы, в которых разогретые преформы растягиваются штоками

Нагрев в зонах осуществляется лампами КГЦ, по 2200 Вт на зону.

Для питания входных цепей модулей МРМ3-60-8 используется блок питания БП15Б-Д2-5.

Моделирование моментов нагрузки электродвигателей в MATLAB

, , – весовые коэффициенты переменных составляющих модуля реактивного момента сопротивления механизма.

Нелинейный блок Subsystem4 позволяет реализовать различные функциональные зависимости модуля реактивного момента от скорости.

Метастабильное состояние триггера и способы его устранения

Работа отдельных модулей внутри устройства на частотах, отличных от тактирования. Для выделения причины рассмотрим структуру проекта, выполняющего

Существует специальный аппаратный блок — двухпортовая память с независимыми тактовыми сигналами (dual-port RAM).

Анализ систем жидкостного охлаждения электронной аппаратуры

Так как все составляющие ПК работают на электрическом токе, то им свойственно нагреваться, причем степень их нагрева прямо пропорционально зависит от

В [4] рассмотрены методики расчетов теплового режима блоков электронной аппаратуры и их программная реализация.

Разработка и исследование промышленной сети, создание...

– Низкая скорость передачи данных. Протокол RS-485 (Modbus).

Одним из преимуществ этого протокла является отсутствие необходимости в специальных закрытых

Модуль регистрации температуры FX3U-4AD-PT-ADP, работающий с датчиками температуры Pt100.

Программно-аппаратный комплекс для измерения угловой...

Однако применяя косвенный метод определения угловой скорости возникают проблемы, связанные с изменением параметров электродвигателя при его нагреве, а также необходимостью получения точных значений токов и напряжений статора.

Разработка блока управления для стиральной машины

Еще большее число фирм производят ЖКИ-модули на базе данных контроллеров. Таким образом, устройства на базе этого контроллера обладают не сложным и легко

Блок питания обеспечивает все составные части устройства питанием с необходимыми параметрами.

Новая схема передачи сигнала от датчика АБС к ЭБУ автомобиля

Рассмотрены основные недостатки системы измерения угловой скорости колеса автомобиля, используемые в АБС, являющиеся причинами неисправностей в её

1. Наличие постоянной электрической связи между датчиком и электронным блоком управления (ЭБУ), которая...

Критерии выбора микроконтроллеров для разработки модулей...

Самым широко известным модульным устройством, пожалуй, можно назвать обыкновенный персональный компьютер. Системный блок имеет стандартизированные места для размещения модулей, 5” отсеки для CD приводов, 3.2” отсеки для жестких дисков...

Управление процессом выдува ПЭТ-бутылок. Технологический...

Для выдува ПЭТ-бутылок используют специальные формы, в которых разогретые преформы растягиваются штоками

Нагрев в зонах осуществляется лампами КГЦ, по 2200 Вт на зону.

Для питания входных цепей модулей МРМ3-60-8 используется блок питания БП15Б-Д2-5.

Моделирование моментов нагрузки электродвигателей в MATLAB

, , – весовые коэффициенты переменных составляющих модуля реактивного момента сопротивления механизма.

Нелинейный блок Subsystem4 позволяет реализовать различные функциональные зависимости модуля реактивного момента от скорости.

Метастабильное состояние триггера и способы его устранения

Работа отдельных модулей внутри устройства на частотах, отличных от тактирования. Для выделения причины рассмотрим структуру проекта, выполняющего

Существует специальный аппаратный блок — двухпортовая память с независимыми тактовыми сигналами (dual-port RAM).

Анализ систем жидкостного охлаждения электронной аппаратуры

Так как все составляющие ПК работают на электрическом токе, то им свойственно нагреваться, причем степень их нагрева прямо пропорционально зависит от

В [4] рассмотрены методики расчетов теплового режима блоков электронной аппаратуры и их программная реализация.

Разработка и исследование промышленной сети, создание...

– Низкая скорость передачи данных. Протокол RS-485 (Modbus).

Одним из преимуществ этого протокла является отсутствие необходимости в специальных закрытых

Модуль регистрации температуры FX3U-4AD-PT-ADP, работающий с датчиками температуры Pt100.

Программно-аппаратный комплекс для измерения угловой...

Однако применяя косвенный метод определения угловой скорости возникают проблемы, связанные с изменением параметров электродвигателя при его нагреве, а также необходимостью получения точных значений токов и напряжений статора.

Разработка блока управления для стиральной машины

Еще большее число фирм производят ЖКИ-модули на базе данных контроллеров. Таким образом, устройства на базе этого контроллера обладают не сложным и легко

Блок питания обеспечивает все составные части устройства питанием с необходимыми параметрами.

Задать вопрос