李平,周晉陽

（長治醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系,山西長治046000）

標記免疫技術常用來增加靈敏度,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合物和其他游離物質加以分離的步驟.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合,通過測量結合物在堿性環(huán)境下的發(fā)光值,測得待測物的濃度[2].免疫復合物是指包含有上述結合物、游離待測物、游離發(fā)光標記物的復合物.為防止未結合發(fā)光標記物產(chǎn)生發(fā)光,影響待測物量含量測定,對免疫復合物進行發(fā)光測量之前,需對免疫復合物進行分離,去除未結合的發(fā)光標記物.免疫磁珠由于具有磁場響應性,成為普遍采用的分離載體,在外加磁場下,實現(xiàn)免疫復合物與其他未結合成分的分離[3].現(xiàn)有化學發(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,可能導致假陽性的錯誤結果.所以,磁場的優(yōu)化設計,對于提高檢測精度具有重大意義.

針對磁場設計缺乏有力依據(jù)的現(xiàn)狀,本文使用三維工具設計一款裝置,可實現(xiàn)磁珠對磁場的微觀響應觀測,使其動力學特性可視化,有助于揭示有利于免疫復合物分離的磁場形態(tài),為外加分離磁場的優(yōu)化設計提供指導,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 裝置設計

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

1.1 主要器件選型

1.1.1 顯微鏡 由于裝有免疫復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（內含免疫復合物）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、驅動）,與電腦結合使觀測物可視化,并且可以記錄免疫磁珠運動情況.

1.1.2 驅動源 當觀察免疫復合物對磁場的響應情形時,需要將磁鐵穩(wěn)定地放置于容器旁（內含免疫復合物）,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)光劑的結合物,使其失去生物學功能,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、響應快、驅動功率低,頻率寬.選擇PST150/5/60型號壓電陶瓷驅動器,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.由于壓電陶瓷性質較脆,不適合與磁場模塊直接相連,所以驅動部分包含壓電陶瓷和放大機構,放大機構終端與磁鐵模塊相連,不僅使其壓電陶瓷的安全性提升,而且也能夠實現(xiàn)放大位移的目的.

1.2 結構設計

為了方便調節(jié)免疫復合物與磁場的距離,需要觀測裝置高度可調.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.

Pro/ENGINEER是美國PTC公司旗下的產(chǎn)品,是一款高效的三維設計工具,不僅是基于特征的參數(shù)化造型,而且所有模塊全相關,某處的修改能擴展到整個設計中,大大提高設計效率[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.

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)與驅動器的放大機構連接.當接入電壓信號時壓電陶瓷軸向長短發(fā)生變化,使橢圓機構產(chǎn)生形變輸出位移,帶動磁鐵模塊發(fā)生往復的微小位移的運動,圖中箭頭代表磁鐵往復運動方向.

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合物,因此除需設計磁場生成裝置外,還需設計支撐裝置.最終的裝配如圖3所示,其中支撐圓柱底部設計有螺紋孔,裝地角螺栓,方便調整裝置高度.

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,方便調節(jié)磁鐵距待觀測免疫復合物的距離.

2 模型仿真與分析

當把顯微鏡放在頂面上時,圖1的支架受力,ANSYS分析應力得到其所受的最大應力為437 293 Pa,遠小于45號鋼材料的許用應力,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量,材料均采用45號鋼,得到整個裝置的質量大約在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.輸入質量屬性并選擇慣量在重心,依次進行下面的設置進行分析：

（1）進行了連接軸設置,選擇兩個平面作為零參照,兩平面均與連接軸垂直.設置靜摩擦系數(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）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果：顯微鏡支架可承受顯微鏡的重量,應力遠遠小于45號鋼的許用應力；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),設計達到所需要求.

3 小結

本文借助Pro/ENGINEER和ANSYS軟件,設計了一款可觀測磁珠在磁場中響應的裝置,并對其進行了模擬仿真分析,結果顯示裝置符合使用要求.設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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