化學(xué)發(fā)光免疫復(fù)合物磁場響應(yīng)的觀測裝置設(shè)計

李平,周晉陽

（長治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系,山西長治046000）

標記免疫技術(shù)常用來增加靈敏度,實現(xiàn)微量、痕量甚至超痕量待測物的檢測[1].免疫分析有均相免疫分析和非均相免疫分析,主要區(qū)別在于非均相免疫分析含有將免疫復(fù)合物和其他游離物質(zhì)加以分離的步驟.自動化儀器中大多采用非均相系統(tǒng).化學(xué)發(fā)光免疫分析（CLIA）是以標記發(fā)光劑為示蹤物信號建立起來的一種非放射性標記免疫方法.在化學(xué)發(fā)光免疫分析中,待測物、發(fā)光標記物和免疫磁珠特異結(jié)合,通過測量結(jié)合物在堿性環(huán)境下的發(fā)光值,測得待測物的濃度[2].免疫復(fù)合物是指包含有上述結(jié)合物、游離待測物、游離發(fā)光標記物的復(fù)合物.為防止未結(jié)合發(fā)光標記物產(chǎn)生發(fā)光,影響待測物量含量測定,對免疫復(fù)合物進行發(fā)光測量之前,需對免疫復(fù)合物進行分離,去除未結(jié)合的發(fā)光標記物.免疫磁珠由于具有磁場響應(yīng)性,成為普遍采用的分離載體,在外加磁場下,實現(xiàn)免疫復(fù)合物與其他未結(jié)合成分的分離[3].現(xiàn)有化學(xué)發(fā)光免疫分析儀多采用定磁分離,磁場強度不隨時間發(fā)生變化.磁珠之間的極化產(chǎn)生磁吸引,易發(fā)生免疫磁珠聚集[4],包裹游離的發(fā)光標記物,可能導(dǎo)致假陽性的錯誤結(jié)果.所以,磁場的優(yōu)化設(shè)計,對于提高檢測精度具有重大意義.

針對磁場設(shè)計缺乏有力依據(jù)的現(xiàn)狀,本文使用三維工具設(shè)計一款裝置,可實現(xiàn)磁珠對磁場的微觀響應(yīng)觀測,使其動力學(xué)特性可視化,有助于揭示有利于免疫復(fù)合物分離的磁場形態(tài),為外加分離磁場的優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo),以達到優(yōu)化分離磁場,提高分離效果和檢測準確度的目的.

1 裝置設(shè)計

從實際應(yīng)用出發(fā),對相關(guān)器件進行了選型,然后基于機械設(shè)計的原理,進行理論設(shè)計和計算,從而進行了整個觀測裝置的設(shè)計.

1.1 主要器件選型

1.1.1 顯微鏡 由于裝有免疫復(fù)合物溶液的容器具有一定的高度,變磁模塊也需要一定的空間,所以選擇倒置顯微鏡,載物臺周圍空間較大,物鏡處于載物臺下方,方便放置容器（內(nèi)含免疫復(fù)合物）及觀測裝置.由于觀測對象為懸浮液且容器底部有一定厚度,故選擇物鏡工作距離大的生物顯微鏡.顯微鏡有單目、雙目和三目之分,三目顯微鏡常常與相機、數(shù)碼攝像頭等相連,實現(xiàn)觀測物情況的可視化,并方便處理圖像.

綜上所述,選擇倒置三目生物顯微鏡和DHM-3100UC-300萬像素數(shù)碼攝像頭（含視頻線、驅(qū)動）,與電腦結(jié)合使觀測物可視化,并且可以記錄免疫磁珠運動情況.

1.1.2 驅(qū)動源 當(dāng)觀察免疫復(fù)合物對磁場的響應(yīng)情形時,需要將磁鐵穩(wěn)定地放置于容器旁（內(nèi)含免疫復(fù)合物）,而容器則放置在顯微鏡的載物臺上.通過使定磁場模塊發(fā)生振動而得到變磁場.為防止振動磁場頻率和位移太大而振散磁珠、待測物和發(fā)光劑的結(jié)合物,使其失去生物學(xué)功能,無法發(fā)光,故磁場只發(fā)生微小位移的振動.選擇壓電陶瓷作為驅(qū)動,可由電壓控制壓電陶瓷振動頻率和振幅,位移控制精度高、響應(yīng)快、驅(qū)動功率低,頻率寬.選擇PST150/5/60型號壓電陶瓷驅(qū)動器,工作電壓為0～150 V,電容值為2.4 μF,諧振頻率為15 kHz,剛度系數(shù)為8 N/μm,最大位移為60 μm.用壓電陶瓷驅(qū)動定磁場模塊,控制壓電陶瓷的振動頻率和振幅,實現(xiàn)磁鐵的不同振動特性,有助于后續(xù)實驗研究.由于壓電陶瓷性質(zhì)較脆,不適合與磁場模塊直接相連,所以驅(qū)動部分包含壓電陶瓷和放大機構(gòu),放大機構(gòu)終端與磁鐵模塊相連,不僅使其壓電陶瓷的安全性提升,而且也能夠?qū)崿F(xiàn)放大位移的目的.

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了方便調(diào)節(jié)免疫復(fù)合物與磁場的距離,需要觀測裝置高度可調(diào).本文裝置包括放置顯微鏡的平臺和變磁生成裝置兩部分,高度均可調(diào).

Pro/ENGINEER是美國PTC公司旗下的產(chǎn)品,是一款高效的三維設(shè)計工具,不僅是基于特征的參數(shù)化造型,而且所有模塊全相關(guān),某處的修改能擴展到整個設(shè)計中,大大提高設(shè)計效率[5].而ANSYS具有強大的網(wǎng)格劃分、加載求解和后處理功能,是CAE領(lǐng)域的典型代表.本文采用Pro/ENGINEER作為三維建模軟件,對各零件進行建模和裝配,并用ANSYS進行應(yīng)力分析.

1.2.1 顯微鏡支架 圖1為放置顯微鏡支架的三維造型,材料采用45號鋼,采用4個地角螺栓來實現(xiàn)高度可調(diào).

圖1 支架三維模型Fig.1 The three-dimensional model of the stent

1.2.2 變磁生成裝置 主要裝置的Pro/ENGINEER裝配體如圖2所示[6],設(shè)計兩夾子將磁場模塊夾持固定,夾子端部的軸與直線軸承配合采用H8/f7,運動時摩擦較小.白色部分為軸承固定座,軸承固定座和軸承配合采用H7/h6.其中一個夾子端部有螺紋孔,實現(xiàn)與驅(qū)動器的放大機構(gòu)連接.當(dāng)接入電壓信號時壓電陶瓷軸向長短發(fā)生變化,使橢圓機構(gòu)產(chǎn)生形變輸出位移,帶動磁鐵模塊發(fā)生往復(fù)的微小位移的運動,圖中箭頭代表磁鐵往復(fù)運動方向.

圖2 變磁生成裝置Fig.2 The device used for generating the shiftingmagnetic field

由于倒置顯微鏡的載物臺上方?jīng)]有光路,采用將變磁場倒扣在載物臺上方的方式作用于免疫復(fù)合物,因此除需設(shè)計磁場生成裝置外,還需設(shè)計支撐裝置.最終的裝配如圖3所示,其中支撐圓柱底部設(shè)計有螺紋孔,裝地角螺栓,方便調(diào)整裝置高度.

圖3 整體裝置三維模型Fig.3 The three-dimensional model of the w h ole device

將顯微鏡放置在支架上,通過調(diào)節(jié)支架和主要裝置中的地角螺栓,可實現(xiàn)相對高度可調(diào),方便調(diào)節(jié)磁鐵距待觀測免疫復(fù)合物的距離.

2 模型仿真與分析

當(dāng)把顯微鏡放在頂面上時,圖1的支架受力,ANSYS分析應(yīng)力得到其所受的最大應(yīng)力為437 293 Pa,遠小于45號鋼材料的許用應(yīng)力,故滿足強度要求.除了滿足上述要求之外,本裝置還需要保證當(dāng)磁場模塊發(fā)生振動時整體保持靜止,所以運動時所產(chǎn)生的靜摩擦力要足以抵抗裝置振動產(chǎn)生的慣性力.在Pro/ENGINEER的Mechanism模塊下分析裝置整體質(zhì)量,材料均采用45號鋼,得到整個裝置的質(zhì)量大約在13 kg.地角螺栓與底面的摩擦系數(shù)選為0.6,經(jīng)計算得靜摩擦力為78 N.

為防止底座在磁鐵振動時發(fā)生位移,對慣性力進行了計算.輸入質(zhì)量屬性并選擇慣量在重心,依次進行下面的設(shè)置進行分析：

（1）進行了連接軸設(shè)置,選擇兩個平面作為零參照,兩平面均與連接軸垂直.設(shè)置靜摩擦系數(shù)μs為0.16,動摩擦系數(shù)μk為0.15（值略低于靜摩擦系數(shù)）.

（2）定義重力.

（3）定義伺服電機.磁鐵模塊的振動頻率選擇10 Hz,振幅選擇40 μm,選用余弦型位移輪廓S=A*cos（360*X/T+B）+C做仿真,其中A為幅值,B為相位,C為偏移量,T為周期.經(jīng)計算A為-0.04,B為90,C為0,T為0.1 s.

（4）定義初始條件.定義連接軸速度及快照.

（5）采用“動態(tài)”分析類型,啟用重力和摩擦力,運行.

（6）測量.選擇類型“連接反作用”、“軸向力”,測量主體1（運動部件）作用于主體2（除運動部分外的基礎(chǔ)）的力,評估方法采用“每個時間步長”、“最大”、“最小”.

經(jīng)計算,最大軸向力約為0.03 N.經(jīng)過同樣的測量步驟,得到：最大橫向力約為1.83 N,以x向為主,x方向如圖4所示.

圖4 x方向Fig.4 x-direction

由上述分析可知,靜摩擦力遠遠大于磁鐵振動過程中整個裝置水平方向受力的最大值,當(dāng)磁場發(fā)生振動時,裝置不會相對于地面發(fā)生滑動.

對裝置進行仿真分析得出結(jié)果：顯微鏡支架可承受顯微鏡的重量,應(yīng)力遠遠小于45號鋼的許用應(yīng)力；主要裝置中磁鐵實現(xiàn)振動時,靜摩擦力足以平衡產(chǎn)生的慣性力,磁鐵振動不會引起裝置失穩(wěn),設(shè)計達到所需要求.

3 小結(jié)

本文借助Pro/ENGINEER和ANSYS軟件,設(shè)計了一款可觀測磁珠在磁場中響應(yīng)的裝置,并對其進行了模擬仿真分析,結(jié)果顯示裝置符合使用要求.設(shè)計不足之處在于裝置的重量偏大,較笨重,后續(xù)改進時可以考慮采用輕質(zhì)材料,保證裝置可用的前提下,減少裝置整體的重量.

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