CN103108938B - 用于热循环仪的低热容复合物 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于热循环仪的低热容复合物。本发明的低热容复合物是用于热循环仪的低热容复合物，其能够克服由只有现有PCR热循环仪的独特性所引起的制造和重复性方面的困难。由于低热容和物理特性及机械特性的改进，本发明的低热容复合物可以降低原材料的成本并且保持极佳的热特性，从而在用作热循环仪的热模块时显著地缩短PCR反应时间并节约能量。

Description

用于热循环仪的低热容复合物
技术领域
本发明涉及用于热循环仪的低热容复合物，更具体地涉及包含锡和除锡以外的金属、纳米金刚石、或其混合物的低热容复合物。
背景技术
由于近来的工业发展，热辐射和加热用电子产品的数目增多，并且用于具有极佳热电特性的材料的技术被认为是非常重要的领域。在个人计算机的散热部分、发光二极管(LED)的散热器、热循环仪的热模块部分领域中，其重要性变得越来越大。特别地，热循环仪是分子诊断所必须的基础诊断设备，并且随着其重要性的增加，用于高速诊断的热载体技术得到了大量关注。
聚合酶链反应(PCR)热循环仪是生物技术领域(特别是分子诊断领域)最重要的设备。PCR是用于DNA复制的技术，该技术由Mullis等开发于1983年。PCR用于通过使用酶来连续复制模板DNA链，PCR分为三个阶段：变性阶段，引起待被复制的双链模板DNA的DNA熔解，以产生单链DNA；退火阶段，使引物的数十个碱基与单链DNA结合，使得引物识别反应起始位点，并且有助于酶促反应开始；以及延伸阶段，从引物结合的位点进行DNA复制以产生完整的双链DNA。通过这三个阶段，在理论上，DNA的量加倍，并且如果该步骤重复进行n次，则在理论上DNA的量增加至2n倍。一般而言，将能够控制温度的热模块用作PCR热循环仪，热模块根据预定的时间间隔周期性地重复温度升高和下降，从而控制其温度。
PCR热循环仪的核心部分是具有极佳热性质的热模块。由于PCR的本质，温度升高和下降重复进行，所以需要具有高热导率和低热容的热模块。到目前为止，热模块是由铝金属制成的，而高速PCR热循环仪是由银制成的。
但是，用于该PCR热循环仪的铝的热容性能降低，因而，铝难以用于高速PCR中，这是目前最大的问题。此外，银昂贵，因而使用银的方法造成经济问题。因此，研究了用于解决上述问题的多种热载体材料。
同时，美国专利登记号5,795,547和美国专利公开申请号2009-0074628公开了关于热循环仪的内容，但问题是由于使用铝、银、铜等引起热容性质下降。国际申请号WO2006-138586和美国专利登记号5,542,60公开了通过在聚合物上板上涂覆铝、铜、铟、锡、Pb等，分散金属颗粒来提高热传递的方法，但热容性质受到限制。美国专利登记号5,250,229公开了通过将铋、铜、铅、锌、铁、钴或氧化镍和银或贵金属混合而制备的模块，但具有高生产成本的问题。此外，美国专利公开申请号2008-0003649公开了使用镓-铟合金，但具有高生产成本的问题，以及美国专利公开申请号2008-0124722公开了使用热管以降低温度，但具有制造复杂的问题。
发明内容
技术问题
本发明的一个目的是提供用于热循环仪的具有可靠性、高经济效率和优越热性质的低热容复合物，以克服由只有现有的PCR热循环仪的独特性所引起的制造和重复性方面的困难。
更特别地，本发明的另一目的是提供包含锡；和除锡以外的金属、纳米金刚石、或其混合物的低热容复合物，和通过烧结、轧制或铸造该复合物而制造的热容模制品。
解决方案
在下文中，将参照附图对本发明的低热容复合物进行详细描述。待在下文中介绍的附图是通过使得本发明的构思可以充分地传达至本发明所属领域技术人员的实施例而提供的，并且因而可以被放大。
除非另有指明，否则应当理解，本说明书中所使用的全部术语(包括技术术语和科学术语)与本领域技术人员所理解的含义相同，此外，在下文的描述和附图中，将不对公知的功能或构造进行详细描述，因为它们可以不必要地模糊本发明的理解。
本发明提供了包含锡；和除锡以外的金属、纳米金刚石或其混合物的低热容复合物，以及通过烧结、轧制或铸造该复合物而制造的低热容模制品。
本发明的低热容复合物是用于热循环仪的低热容复合物，其具有可靠性、高经济效率和优越的热性质，该低热容复合物包含锡；和除锡以外的金属、纳米金刚石、或其混合物。
本发明的低热容复合物的组成比为：其中，除锡以外的金属、纳米金刚石、或其混合物的含量为基于锡的0.1重量％至60重量％。通过烧结、轧制或铸造而制造的低热容模制品的物理特性为：密度为5g/ml至10g/ml，热导率为10W/(mK)至100W/(mK)，热容为0.2J/(gK)至1J/(gK)，以及体积热容为1J/(cm3K)至2J/(cm3K)。
在下文中，将对本发明进行详细描述。
本发明提供了包含锡；和除锡以外的金属、纳米金刚石、或其混合物的低热容复合物。
更具体地，将除锡以外的金属、纳米金刚石、或其混合物均匀地分散于锡粉末中，对混合并分散的粉末进行烧结、轧制或铸造以具有低热容。这里，为了提高锡的强度和热性质，将除锡以外的金属、纳米金刚石、或其混合物混合，然后制成合金类型。
在本发明中，低热容复合物可以以基于锡的0.1重量％至60重量％、优选为1重量％至20重量％的含量包含除锡以外的金属、纳米金刚石、或其混合物。
在本发明中，纳米金刚石可以是选自以下的一种或更多种：粒径为1nm至10nm的爆轰合成纳米金刚石、粒径为1nm至500nm的天然纳米金刚石、一般合成的纳米金刚石和恒压合成金刚石，金属可以是选自以下的一种或更多种：银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)、铋(Bi)和锑(Sb)。
更特别地，低热容复合物可以是选自以下的一种或更多种：锡-纳米金刚石-铜、锡-纳米金刚石-银、锡-银、锡-铜、锡-铝、锡-铋、锡-锑、锡-铜-铋、锡-银-铋、锡-铜-锑和锡-铜-银。
在本发明中，除锡以外的金属、纳米金刚石、或其混合物的目的是克服由只有现有PCR热循环仪的独特性所引起的制造和重复性方面的困难，并且包含进关于冲击强度、物理特性和机械特性、热导率和体积热容的提高的低热容的考虑中。这在达到本发明的目的中具有非常重要的意义。
本发明提供了通过烧结、轧制或铸造包含锡；和除锡以外的金属、纳米金刚石、或其混合物的低热容复合物而制造的低热容模制品。
本发明的低热容模制品的工艺步骤参照图1。
在本发明中，低热容模制品具有以下物理特性：密度为5g/ml至10g/ml，热导率为10W/(mK)至100W/(mK)，热容为0.2J/(gK)至1J/(gK)，以及体积热容为1J/(cm3K)至2J/(cm3K)。低热容模制品可以是热循环仪的热模块。热模块参照附图。
发明的有益效果
本发明的低热容复合物是用于热循环仪的低热容复合物，其能够克服由只有现有PCR热循环仪的独特性所引起的制造和重复性方面的困难。由于低热容和物理特性及机械特性中的改进，本发明的低热容复合物可以降低原材料的成本并且保持极佳的热特性，从而在用作热循环仪的热模块时显著地缩短PCR反应时间并且节约能量。
附图的简要说明
图1是示意性地示出本发明的包含锡、纳米金刚石和其它金属的低热容复合物的烧结、轧制或铸造工艺的视图；和
图2是通过烧结、轧制或铸造本发明的低热容复合物而制造的热循环仪的热模块的三维视图。
发明的最佳实施方式
在下文中，将参照下述实施例对本发明进行详细描述。但是，本发明不限于下述实施例，并且对于本领域技术人员而言明显的是可以作出多种改变和变化而不脱离本发明的范围和精神。
[实施例1]从锡-纳米金刚石-铜复合物粉末制造模制品
将锡粉末、纳米金刚石粉末和铜粉末的混合物在热压装置中熔化并施压，从而制造模制品。更特别地，将约1.2g的混合物粉末(其中锡粉末、纳米金刚石粉末和铜粉末以90∶5∶5的比例混合)放置于由石墨制成的模具(内心直径，12.6mm)中的上模冲与下模冲之间，然后将包含复合物粉末的模具安装在高温压制装置(D1P-20J；DaeheungScientificCompany)中的具有垂直施压结构的压机之间。通过使用液压缸对复合物粉末施压，并在230℃下熔化模制。
模制在熔化温度为230℃和保持时间为10分钟的条件下进行。通过使用激光闪光热量测定仪(XenonFlashInstrumentLFA447；NETZSCH)来分析烧结样品，热量测定结果列于表1中。
从表1可以证实，该实施例的热导率为15.559W/(mK)、热容为0.239J/(gK)以及体积热容为1.519J/(cm3K)，与其中单独使用现有铝粉末的情况相比，该体积热容是极佳的。
[实施例2至6和比较例1]从锡-纳米金刚石-铜复合物粉末和铝粉末制造模制品
在与实施例1相同的条件下，通过使用高温压机进行模制以制备锡-纳米金刚石-铜混合物复合物样品，不同之处在于使用：锡、纳米金刚石和铜的比例为85∶5∶10的混合物(实施例2)；锡、纳米金刚石和铜的比例为75∶5∶20的混合物(实施例3)；锡、纳米金刚石和铜的比例为46∶5∶49的混合物(实施例4)；锡、纳米金刚石和铜的比例为94∶1∶5的混合物(实施例5)；锡、纳米金刚石和铜的比例为89∶1∶10的混合物(实施例6)。从混合到模制的工艺示意性地示于图1中。为了比较，对通过使用铝粉末而没有其它粉末获得的样品进行热量测定(比较例1)。在与实施例1相同的条件下对所制备的样品进行热量测定，热量测定结果列于表1中。
表1锡-纳米金刚石-铜混合物复合物和铝复合物的热量测定结果
从表1可以证实，与其中单独使用铝粉末的比较例1相比，这些实施例中的每一个都具有极佳的热容和体积热容。
[实施例7至12]从锡-纳米金刚石-银复合物粉末制造模制品
在与实施例1相同的条件下，通过使用高温压机进行模制以制备锡-纳米金刚石-银混合物复合物样品，不同之处在于使用：锡、纳米金刚石和银的比例为90∶5∶5的混合物(实施例7)；锡、纳米金刚石和银的比例为85∶5∶10的混合物(实施例8)；锡、纳米金刚石和银的比例为75∶5∶20的混合物(实施例9)；锡、纳米金刚石和银的比例为46∶5∶49的混合物(实施例10)；锡、纳米金刚石和银的比例为94∶1∶5的混合物(实施例11)；锡、纳米金刚石和银的比例为89∶1∶10的混合物(实施例12)；在与实施例1相同的条件下对所制备的样品进行热量测定，热量测定结果列于表2中。
表2锡-纳米金刚石-银混合物复合物的热量测定结果
从表2可以证实，与其中单独使用铝粉末的比较例1相比，这些实施例中的每一个都具有极佳的热容和体积热容。
[实施例13和14]从锡-铜复合物粉末制造模制品
在与实施例1相同的条件下，通过使用高温压机进行模制以制备锡-铜混合物复合物样品，不同之处在于使用：锡粉末和铜粉末的比例为95∶5的混合物(实施例13)；锡粉末和铜粉末的比例为90∶10的混合物(实施例14)；
在与实施例1相同的条件下对所制备的样品进行热量测定，热量测定结果列于表3中。
表3锡-铜混合物复合物的热量测定结果
从表3可以证实，与其中单独使用铝粉末的比较例1相比，这些实施例中的每一个都具有极佳的热容和体积热容。
[实施例15]从锡-铜-锑复合物粉末制造模制品
在与实施例1相同的条件下，通过使用高温压机进行模制以制备锡-铜-锑混合物复合物样品，不同之处在于使用：锡粉末、铜粉末和锑粉末的比例为90∶4∶6的混合物；
在与实施例1相同的条件下，对所制备的样品进行热量测定。结果证实，该实施例的热导率为37.443W/(mK)、热容为0.238J/(gK)以及体积热容为1.748J/(cm3K)，与其中单独使用现有铝粉末的情况相比，这是极佳的。
[实施例16至17]从锡-铜-银复合物粉末制造模制品
在与实施例1相同的条件下，通过使用高温压机进行模制以制备锡-铜-银混合物复合物样品，不同之处在于使用：锡粉末、铜粉末和银粉末的比例为96.5∶0.5∶3的混合物(实施例16)；锡粉末、铜粉末和银粉末的比例为98.5∶0.5∶1的混合物(实施例17)；
在与实施例1相同的条件下对所制备的样品进行热量测定，热量测定结果列于表4中。
表4锡-铜-银混合物复合物的热量测定结果
从表4可以证实，与其中单独使用铝粉末的比较例1相比，这些实施例中的每一个都具有极佳的热容和体积热容。
[实施例18]测量模制PCR模块的热特性
在实施例15中制备锡粉末、铜粉末和锑粉末的比例为90∶4∶6的混合物粉末，在230℃下对所制备的混合物粉末进行铸造以制造具有图2所示的形状的PCR模块。将所制造的PCR模块安装于实时PCR装置(ExiCycler；Bioneer)，然后测量热特性。
因为PCR反应温度为95℃，所以在温度从25℃升高至95℃，从95℃下降至25℃的同时，针对该实施例的模制PCR模块和现有铝PCR模块的温度升高速率和温度下降速率测量三次。比较其斜率，分析结果列于表5中。
表5锡-铜-锑PCR模块的斜率的结果
从表5可以证实，与其中使用铝PCR模块的情况相比，其中使用采用低热容复合物的PCR模块的情况极佳，平均上升率为25.1％，平均下降率为26.3％。

Claims (4)

1.一种用于PCR热循环仪的热模块，其通过烧结、轧制、高温压机模制或铸造低热容复合物而制造，所述低热容复合物包含锡-铜-锑。
2.根据权利要求1所述的热模块，其中所述热模块具有以下物理特性：密度为5g/ml至10g/ml，热导率为10W/(mK)至100W/(mK)，热容为0.2J/(gK)至1J/(gK)，以及体积热容为1J/(cm3K)至2J/(cm3K)。
3.一种热循环仪，其包括根据权利要求1或2所述的热模块。
4.一种PCR热循环仪，其包括根据权利要求1或2所述的热模块。
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