一种捕获磁珠及光纤检测装置的研究

【摘 要】对以磁珠为载体的生化样品进行光学检测是重要的生化检测方法之一。在检测过程中，核心环节是通过磁场将磁珠精确地吸引到检测位置。本文基于电流磁效应原理，构想了一种捕获磁珠的电磁铁模型。再通过COMSOL5.1仿真软件进行验证。最后将电磁铁模型和光纤组装成检测装置。装置尺寸在毫米范围，而且该装置消耗试液量在微升级别，节省检测成本。

【关键词】电流磁效应 磁珠 光纤 光学检测

【Abstract】Optical detection of biochemical samples by magnetic beads as carrier is one of the important biochemical detection methods. In the detection process， the most important part is magnetic beads are attracted accurately to detecting position by the magnetic field. This paper conceives an electromagnet models to capture magnetic beads by the magnetic effect of current. Then， feasibility of these electromagnet model is verified effectively by COMSOL5.1. Finally， the electromagnet model and the optical fiber are assembled into a detection device， which is in mm range. And， consuming solution level in microlitre， saving test cost.

【Key words】Current magnetic effect Magnetic beads Optical fiber Optical detection

传统的光学检测装置是以显微镜为核心的庞大的光学器件系统。而现在，生化检测装置借助于磁珠技术，光镊技术[1]，可实现小型化，便携化。这种检测装置的原理是：通过磁场磁化磁珠，将磁珠吸引到固定的检测位置，然后通过一根激励光纤激励磁珠，一根收集光纤收集散射出的光学信号。目前聚集磁珠的方法有两种——永磁体聚集和电磁铁聚集。在文献[2]中，G Mistlberger的研究团队将条形磁铁按照中心辐射状排列，将光纤插入中间空隙中。磁珠虽然能被永磁铁装置聚集，但是难以释放，使得光纤传感器很难再次使用。相比永磁铁，电磁铁通过控制电流的大小和导线缠绕的方式来控制磁场的大小及形状。正是由于电磁铁灵活自由的特点，受到广泛关注。本文设计了一种吸引磁珠并能进行光学检测的装置模型。并在文章里介绍模型的几何尺寸，工作原理，对模型进行COMSOL进行数值仿真，从磁场力加以讨论。

1 磁珠在溶液中的受力分析

溶液中，磁珠共受到四种力的作用——磁场力，斯托克斯粘拽力，重力及浮力[3]。磁珠所受磁力大小如公式（1）所示[4]：

（1）

其中V是磁珠的体积，χm为磁珠的磁化率，μ0是真空磁导率。为了方便讨论，设N为磁场因子，即：

（2）

从公式可知N值的大小决定了磁珠所受磁场力的大小。N的大小与磁场密度和磁场密度的梯度有关。通过文献[5]可知道，在溶液中，磁珠所受的粘拽力大小为：

（3）

其中ηf是溶液的动力粘度，Rp是磁珠的半径，uf是溶液的速度，up是磁珠的速度。

本文的仿真实验中所采用的参数如下：Rp半径1μm，磁化率χm为1，磁珠溶液为去离子水，其动力粘度在200C时为ηf=1.005×10-3Pa·s。由于磁珠重力和浮力之和远小于粘拽力，在此忽略重力和浮力，只考虑斯托克斯粘拽力和磁场力。流体的速度保持在1mm/s，直到磁珠被电磁铁吸住，即速度降为0mm/s。这样流体和磁珠的速度差为1mm/s。只有当Fmag>Fdrag时，磁珠才能克服粘拽力，被吸引。经计算，磁珠克服粘拽力的临界条件是：N>5.683*10-3T2/mm。

2 光学检测装置的仿真

2.1 模型结构图

本文设计的光学检测装置，该装置包含上下两个圆柱组合体。上圆柱组合体6相对较薄，是一个厚度为2mm，直径为10mm的微流控芯片6。下圆柱组合体是一个直径和高均为10mm的石英玻璃8。圆柱玻璃的外侧缠有直径极细的铜丝漆包线。玻璃中心嵌入一个高为11mm，底面直径为1mm的不锈钢圆锥型钢针7。这样就组成了电磁力的产生装置。通电后就能产生足够的磁场力，不锈钢针尖就能聚集足够多的磁珠，以供光学检测。装置结构图2所示：

图2 a图是整个装置的轮廓图，b图是装置的正视轮廓图

上组合体6是整个装置的微流检测装置。磁珠溶液通过微流道3流进样品检测室5，从微流道4流出。磁珠路过针尖处，正好被针尖的磁力聚集。在光纤孔道2和1分别插上激励光纤和信号收集光纤。光纤孔道孔径可以根据具体的所用的光纤尺寸来确定。两光纤的端面中心和针尖处于同一平面，使得两光纤靠近针尖，这样可以实现光学检测。

2.2 装置磁场的仿真

在该装置中，不锈钢钢针起到了聚集磁珠的作用。在圆柱石英玻璃8的侧面缠绕100砸直径为0.1mm的铜丝漆包线，通上0.1A的电流。针尖处将产生很大的磁场密度和磁场密度的梯度。由公式（2）可知，磁场力取决于磁场密度和磁场密度的梯度。利用COMSOL5.1版本的AD/CD的磁场模块进行数值计算，可以得到在针尖处的磁力因子N=12.98T2/mm，远远大5.683*10-3T2/mm，所以针尖处有足够的磁场力吸引住大量的磁珠。

3 结语

本文提出了一种聚集磁珠，并能实现光学检测的模型装置。文中详细地交代了装置模型的机械尺寸，分析了磁珠的受力情况，计算出磁珠克服斯托克斯粘拽力的临界条件，即磁力因子N=5.683*10-3T2/mm。经过COMSOL5.1的磁场计算，不锈钢针尖的磁力因子最大，达到12.98T2/mm，远远大于临界值。而且该装置体积小，容易集成，方便携带，耗液量少，操作过程的自由度很大，可重复利用。

参考文献：

[1] Ashkin A.Dziedzic JM.Buorkholm JE et al.Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectrical particles[J].Opt.Lett.1986（11）：288-290

[2] Günter Mistlberger ？， Sergey M. Borisov， Ingo Klimant.Enhancing performance in optical sensing with magnetic nanoparticles[J]Journal of Physics. D： Applied Physics，2008（8）：085003-085011

[3] 王彬，基于MEMS技术的新型免疫磁珠微系统的构建[D].中科院上海微系统与信息技术研究所，2005.

[4] FurlaniE.P.Analysis of Particle Transport in a Magnetophoretic Microsystem[J].Journal of Applied Physics，2006，99（024912）：1-11.

[5] Gijs M. A. M.， Lacharme F. d. r.， Lehmann U. Microfluidic Applications of Magnetic Particles for Biological Analysis and catalysis[J].Chemical Review，2010（110）：1518-1563.

作者简介：把明洲（1991—），男，安徽滁州人，北京航空航天大学硕士在读，研究方向：光学器件的仿真。