化学发光免疫复合物磁场响应的观测装置设计

李平,周晋阳

（长治医学院生物医学工程系,山西长治046000）

标记免疫技术常用来增加灵敏度,实现微量、痕量甚至超痕量待测物的检测[1].免疫分析有均相免疫分析和非均相免疫分析,主要区别在于非均相免疫分析含有将免疫复合物和其他游离物质加以分离的步骤.自动化仪器中大多采用非均相系统.化学发光免疫分析（CLIA）是以标记发光剂为示踪物信号建立起来的一种非放射性标记免疫方法.在化学发光免疫分析中,待测物、发光标记物和免疫磁珠特异结合,通过测量结合物在碱性环境下的发光值,测得待测物的浓度[2].免疫复合物是指包含有上述结合物、游离待测物、游离发光标记物的复合物.为防止未结合发光标记物产生发光,影响待测物量含量测定,对免疫复合物进行发光测量之前,需对免疫复合物进行分离,去除未结合的发光标记物.免疫磁珠由于具有磁场响应性,成为普遍采用的分离载体,在外加磁场下,实现免疫复合物与其他未结合成分的分离[3].现有化学发光免疫分析仪多采用定磁分离,磁场强度不随时间发生变化.磁珠之间的极化产生磁吸引,易发生免疫磁珠聚集[4],包裹游离的发光标记物,可能导致假阳性的错误结果.所以,磁场的优化设计,对于提高检测精度具有重大意义.

针对磁场设计缺乏有力依据的现状,本文使用三维工具设计一款装置,可实现磁珠对磁场的微观响应观测,使其动力学特性可视化,有助于揭示有利于免疫复合物分离的磁场形态,为外加分离磁场的优化设计提供指导,以达到优化分离磁场,提高分离效果和检测准确度的目的.

1 装置设计

从实际应用出发,对相关器件进行了选型,然后基于机械设计的原理,进行理论设计和计算,从而进行了整个观测装置的设计.

1.1 主要器件选型

1.1.1 显微镜 由于装有免疫复合物溶液的容器具有一定的高度,变磁模块也需要一定的空间,所以选择倒置显微镜,载物台周围空间较大,物镜处于载物台下方,方便放置容器（内含免疫复合物）及观测装置.由于观测对象为悬浮液且容器底部有一定厚度,故选择物镜工作距离大的生物显微镜.显微镜有单目、双目和三目之分,三目显微镜常常与相机、数码摄像头等相连,实现观测物情况的可视化,并方便处理图像.

综上所述,选择倒置三目生物显微镜和DHM-3100UC-300万像素数码摄像头（含视频线、驱动）,与电脑结合使观测物可视化,并且可以记录免疫磁珠运动情况.

1.1.2 驱动源 当观察免疫复合物对磁场的响应情形时,需要将磁铁稳定地放置于容器旁（内含免疫复合物）,而容器则放置在显微镜的载物台上.通过使定磁场模块发生振动而得到变磁场.为防止振动磁场频率和位移太大而振散磁珠、待测物和发光剂的结合物,使其失去生物学功能,无法发光,故磁场只发生微小位移的振动.选择压电陶瓷作为驱动,可由电压控制压电陶瓷振动频率和振幅,位移控制精度高、响应快、驱动功率低,频率宽.选择PST150/5/60型号压电陶瓷驱动器,工作电压为0～150 V,电容值为2.4 μF,谐振频率为15 kHz,刚度系数为8 N/μm,最大位移为60 μm.用压电陶瓷驱动定磁场模块,控制压电陶瓷的振动频率和振幅,实现磁铁的不同振动特性,有助于后续实验研究.由于压电陶瓷性质较脆,不适合与磁场模块直接相连,所以驱动部分包含压电陶瓷和放大机构,放大机构终端与磁铁模块相连,不仅使其压电陶瓷的安全性提升,而且也能够实现放大位移的目的.

1.2 结构设计

为了方便调节免疫复合物与磁场的距离,需要观测装置高度可调.本文装置包括放置显微镜的平台和变磁生成装置两部分,高度均可调.

Pro/ENGINEER是美国PTC公司旗下的产品,是一款高效的三维设计工具,不仅是基于特征的参数化造型,而且所有模块全相关,某处的修改能扩展到整个设计中,大大提高设计效率[5].而ANSYS具有强大的网格划分、加载求解和后处理功能,是CAE领域的典型代表.本文采用Pro/ENGINEER作为三维建模软件,对各零件进行建模和装配,并用ANSYS进行应力分析.

1.2.1 显微镜支架 图1为放置显微镜支架的三维造型,材料采用45号钢,采用4个地角螺栓来实现高度可调.

图1 支架三维模型Fig.1 The three-dimensional model of the stent

1.2.2 变磁生成装置 主要装置的Pro/ENGINEER装配体如图2所示[6],设计两夹子将磁场模块夹持固定,夹子端部的轴与直线轴承配合采用H8/f7,运动时摩擦较小.白色部分为轴承固定座,轴承固定座和轴承配合采用H7/h6.其中一个夹子端部有螺纹孔,实现与驱动器的放大机构连接.当接入电压信号时压电陶瓷轴向长短发生变化,使椭圆机构产生形变输出位移,带动磁铁模块发生往复的微小位移的运动,图中箭头代表磁铁往复运动方向.

图2 变磁生成装置Fig.2 The device used for generating the shiftingmagnetic field

由于倒置显微镜的载物台上方没有光路,采用将变磁场倒扣在载物台上方的方式作用于免疫复合物,因此除需设计磁场生成装置外,还需设计支撑装置.最终的装配如图3所示,其中支撑圆柱底部设计有螺纹孔,装地角螺栓,方便调整装置高度.

图3 整体装置三维模型Fig.3 The three-dimensional model of the w h ole device

将显微镜放置在支架上,通过调节支架和主要装置中的地角螺栓,可实现相对高度可调,方便调节磁铁距待观测免疫复合物的距离.

2 模型仿真与分析

当把显微镜放在顶面上时,图1的支架受力,ANSYS分析应力得到其所受的最大应力为437 293 Pa,远小于45号钢材料的许用应力,故满足强度要求.除了满足上述要求之外,本装置还需要保证当磁场模块发生振动时整体保持静止,所以运动时所产生的静摩擦力要足以抵抗装置振动产生的惯性力.在Pro/ENGINEER的Mechanism模块下分析装置整体质量,材料均采用45号钢,得到整个装置的质量大约在13 kg.地角螺栓与底面的摩擦系数选为0.6,经计算得静摩擦力为78 N.

为防止底座在磁铁振动时发生位移,对惯性力进行了计算.输入质量属性并选择惯量在重心,依次进行下面的设置进行分析：

（1）进行了连接轴设置,选择两个平面作为零参照,两平面均与连接轴垂直.设置静摩擦系数μs为0.16,动摩擦系数μk为0.15（值略低于静摩擦系数）.

（2）定义重力.

（3）定义伺服电机.磁铁模块的振动频率选择10 Hz,振幅选择40 μm,选用余弦型位移轮廓S=A*cos（360*X/T+B）+C做仿真,其中A为幅值,B为相位,C为偏移量,T为周期.经计算A为-0.04,B为90,C为0,T为0.1 s.

（4）定义初始条件.定义连接轴速度及快照.

（5）采用“动态”分析类型,启用重力和摩擦力,运行.

（6）测量.选择类型“连接反作用”、“轴向力”,测量主体1（运动部件）作用于主体2（除运动部分外的基础）的力,评估方法采用“每个时间步长”、“最大”、“最小”.

经计算,最大轴向力约为0.03 N.经过同样的测量步骤,得到：最大横向力约为1.83 N,以x向为主,x方向如图4所示.

图4 x方向Fig.4 x-direction

由上述分析可知,静摩擦力远远大于磁铁振动过程中整个装置水平方向受力的最大值,当磁场发生振动时,装置不会相对于地面发生滑动.

对装置进行仿真分析得出结果：显微镜支架可承受显微镜的重量,应力远远小于45号钢的许用应力；主要装置中磁铁实现振动时,静摩擦力足以平衡产生的惯性力,磁铁振动不会引起装置失稳,设计达到所需要求.

3 小结

本文借助Pro/ENGINEER和ANSYS软件,设计了一款可观测磁珠在磁场中响应的装置,并对其进行了模拟仿真分析,结果显示装置符合使用要求.设计不足之处在于装置的重量偏大,较笨重,后续改进时可以考虑采用轻质材料,保证装置可用的前提下,减少装置整体的重量.

[1]薛盼,章竹君,张晓明.化学发光免疫分析检测人血清中的癌胚抗原[J].分析化学,2011,39（1）：95-98.

[2]韩佩珍.化学发光免疫分析[J].国外医学：放射医学核医学分册,2000,24（5）：196-200.

[3]Wang K,Xia X H.Microchannel-electrode alignmentand separation parameters comparison in microchip capillary electrophoresis by scann ingelectrochemical microscopy[J].Chromatography A,2006,1 110：222-226.

[4]王大坤.羰基铁粉磁流变液特性及其初步应用研究[D].重庆：重庆大学,2007：8-10.

[5]丁杰,荣智林.基于ProE和ANSYS的变流器柜体结构分析[J].变流技术与电力牵引,2008（2）：27-28.

[6]张黎骅,郑严.新编机械设计手册[M].北京：人民邮电出版社,2008.