楊 偉，閆慧敏，和發(fā)展

(安圖實(shí)驗(yàn)儀器(鄭州)有限公司，河南 鄭州 450016)

引言

近年來，隨著國(guó)民健康意識(shí)的增強(qiáng)，各大醫(yī)院、檢測(cè)中心的生化或免疫檢測(cè)需求量快速上升，這促使全自動(dòng)化學(xué)發(fā)光免疫分析儀朝著高速高可靠性的方向發(fā)展。加樣速度與精度是影響高速高精度檢測(cè)的關(guān)鍵因素之一[1-3]。由于分析儀是基于抗原抗體的特異性結(jié)合機(jī)理進(jìn)行測(cè)量，所用樣本(血清、血漿等)的加樣量都在微升量級(jí)，加樣精度的降低必然會(huì)造成測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，甚至?xí)霈F(xiàn)假陽性或假陰性。在單方面追求加樣速度的情況下，分析儀的加樣精度難免會(huì)受到一定的影響[4-6]。因此，在提高加樣速度的同時(shí)也需要保證樣本的加樣精度與穩(wěn)定性。

針對(duì)化學(xué)發(fā)光免疫分析儀在加樣過程中存在的加樣精度低、穩(wěn)定性差等問題，本研究在建立加樣系統(tǒng)的流體動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用流體仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，分析加樣系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)流體運(yùn)動(dòng)特性的影響規(guī)律，為微量液體高精度加樣提供理論支持。

1 系統(tǒng)的組成及工作原理

樣本的加樣系統(tǒng)主要是通過加樣針、泵以及閥等的動(dòng)作配合，將樣本杯中的液體進(jìn)行精確定量采集并加注至反應(yīng)杯中。作為儀器檢測(cè)分析的前處理程序，樣本加樣的精確性與穩(wěn)定性直接影響到后續(xù)樣本測(cè)試的結(jié)果。

如圖1所示，整個(gè)加樣系統(tǒng)由抽液系統(tǒng)與清洗系統(tǒng)組成。抽液系統(tǒng)主要由加樣針、柱塞泵、電磁閥及相應(yīng)的管路接頭等組成，用于樣本的精確采集并移液至反應(yīng)杯中；清洗系統(tǒng)主要由隔膜泵、溢流閥及相應(yīng)的管路接頭等組成，用于樣本加注前后的管路沖洗與灌注。柱塞泵為樣本的抽取與加注提供動(dòng)力源，隔膜泵為系統(tǒng)的沖洗與灌注提供動(dòng)力源。

圖1 加樣系統(tǒng)原理圖

樣本的加樣過程分為樣本抽取與樣本加注2個(gè)過程，如圖2、圖3所示。整個(gè)加樣順序?yàn)椋撼楦綦x空氣柱→進(jìn)入樣本杯→抽取樣本→抬離液面→進(jìn)入反應(yīng)杯→注入樣本→抬離液面。柱塞泵通過系統(tǒng)液產(chǎn)生壓力梯度變化，完成樣本的抽取與加注，樣本在加樣針內(nèi)部的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)液與樣本之間通過空氣柱隔離[1,3,6]。

圖2 樣本抽取示意圖

圖3 樣本加注示意圖

2 加樣過程的理論分析

為了保證加樣過程中樣本、空氣柱與系統(tǒng)液的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，避免樣本與系統(tǒng)液的混合，液體的運(yùn)動(dòng)特性應(yīng)為層流狀態(tài)。由牛頓流體理論可知，層流會(huì)受到管壁摩擦因素的影響，靠近管壁的位置流體的摩擦力較大且流速緩慢，流體分層流動(dòng)[1-3,7]。

根據(jù)流動(dòng)液體的連續(xù)方程與伯努利方程，抽注液狀態(tài)下的流體動(dòng)力學(xué)方程[1,7-9]：

p1-p2=ρu2/2+∑Δp

(1)

式中,p1—— 入口端壓力

p2—— 大氣壓力

ρ—— 液體密度

u—— 入口端平均流速

∑Δp—— 各段管路沿程壓力損失與局部壓力損失之和

(2)

(3)

式中，ui—— 該段管路中的流速

li—— 該段管路長(zhǎng)度

ζi—— 局部壓力損失系數(shù)

η—— 流體動(dòng)力黏度

式(1)可以表示為：

(4)

流體定常流動(dòng)條件下的力學(xué)方程：

(5)

式中，f阻—— 流體在近壁面處的阻力

τ—— 切應(yīng)力

d—— 該段管路直徑

上述分析過程中，液體所受重力與表面張力為常量，故理論推導(dǎo)過程中不做特殊要求。

由式(4)與式(5)可知，隨著速度u的不斷增大，近壁面處的阻力不斷增大。由于加樣針內(nèi)外壁面存在一定粗糙度，隨著液體的流速加快，壁面位置的流體阻力不斷增大，其表面殘留的液體會(huì)不斷增多。

通過以上理論分析可知，在抽液的過程中，殘留在加樣針內(nèi)壁的系統(tǒng)液會(huì)稀釋樣本；在注液的過程中，樣本會(huì)殘留在針內(nèi)壁；加樣針抬離樣本液面過程中，其外壁面存在樣本殘留。所以，系統(tǒng)的速度參數(shù)對(duì)加樣的精確性及穩(wěn)定性存在一定影響。

3 CFD仿真分析

3.1 仿真模型

本研究采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的方法，近似模擬2D或3D模型中流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在滿足流體連續(xù)性方程、質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程的前提下，對(duì)加樣針內(nèi)外壁面附近的液體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真分析[10-11]。

以加樣針為仿真分析對(duì)象，應(yīng)用三維軟件建立加樣針三維幾何模型(圖4)。

圖4 加樣針的尺寸參數(shù)及三維模型

根據(jù)加樣針在樣本杯與反應(yīng)杯中的抽注狀態(tài)，對(duì)加樣系統(tǒng)的仿真分析模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。由于幾何模型是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，本研究采用2D簡(jiǎn)化模型進(jìn)行仿真分析，如圖5、圖6所示。

圖5 加樣系統(tǒng)2D簡(jiǎn)化圖 圖6 網(wǎng)格劃分示意圖

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

1)材料物性

采用純化水代替人體體液樣本(血清、血漿等)。

表1 物性參數(shù)

2)邊界條件及網(wǎng)格設(shè)置

在滿足流體連續(xù)性，質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒前提下，采用多相流VOF模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程對(duì)仿真模型進(jìn)行求解。在考慮重力加速度條件下，兩相介質(zhì)分別是空氣和純化水，加樣針內(nèi)外壁面分別設(shè)置一定的粗糙度[12-15]。采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，根據(jù)不同的工況設(shè)置不同的邊界條件(如圖7所示)。對(duì)整個(gè)加樣系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)處理，采用滑移網(wǎng)格處理動(dòng)靜交界面，并借助彈性光順與局部網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)對(duì)網(wǎng)格實(shí)時(shí)更新。

圖7 邊界條件示意圖

為了更加直觀的反應(yīng)液體的運(yùn)動(dòng)特性，本研究?jī)H對(duì)加樣完成后針的抬升速度與樣本抽液過程進(jìn)行仿真分析，復(fù)現(xiàn)不同的加樣針運(yùn)動(dòng)速度及樣本抽注液速度對(duì)加樣系統(tǒng)的影響規(guī)律。

3.3 仿真分析

1)加樣針抬升速度的仿真分析

設(shè)定樣本加注完成后，加樣針浸入液面下的深度為3 mm，對(duì)加樣針抬離液面后針外壁面的殘液量進(jìn)行仿真分析。隨著加樣針的不斷抬升，液體在針外壁面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖8所示，深色表示液體，淺色表示空氣。不同抬升速度條件下，加樣針外壁面的殘液量如圖9所示。

圖8 針外壁面液體的運(yùn)動(dòng)示意圖

圖9 抬升速度u對(duì)應(yīng)殘液量V

如表2所示，由仿真結(jié)果可知，加樣針外壁面的液體在張力的作用下，其克服自身重力作用浸潤(rùn)在針的外壁面；隨著加樣針抬升速度的逐漸增大，針外壁面的殘液量不斷增多。

表2 抬升速度u對(duì)應(yīng)的殘液量V

2)樣本抽取速度的仿真分析

設(shè)定樣本抽液量為10 μL，系統(tǒng)液在加樣針內(nèi)部上升距離為8 mm，對(duì)系統(tǒng)液在針內(nèi)壁面的殘液量進(jìn)行仿真分析。隨著加樣針內(nèi)部系統(tǒng)液的不斷上升，液體在針內(nèi)壁面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖10所示，深色表示液體，淺色表示空氣。不同抽取速度條件下，加樣針內(nèi)壁面的殘液量如圖11 所示。

圖10 針內(nèi)壁面液體的運(yùn)動(dòng)示意圖

圖11 抽取速度u1對(duì)應(yīng)殘液量V

如表3所示，由仿真結(jié)果可知，加樣針內(nèi)壁面的液體在張力的作用下，其克服自身重力作用浸潤(rùn)在針的內(nèi)表面；隨著抽液速度的不斷增大，加樣針內(nèi)表面的殘液量不斷增多。

表3 抽取速度u1對(duì)應(yīng)的殘液量V

綜上可知，加樣針注完樣本后針抬升的速度越快，針外壁面的殘液量越多，注入反應(yīng)杯中的樣本減少，樣本加注的精確性下降；抽取樣本的速度越快，針內(nèi)壁面的系統(tǒng)液殘液量越多，樣本稀釋的現(xiàn)象越嚴(yán)重，實(shí)際注入反應(yīng)杯中的樣本越少。同理，加樣針抽完樣本后抬升的速度越快，針外壁面的殘液量越多，在進(jìn)行樣本加注的過程中，針外壁的液體與加注反應(yīng)杯中的液體交互不可控性增大，樣本加注的精確性下降；加樣針注液速度越快，樣本殘留在針內(nèi)壁的殘液越多，注入反應(yīng)杯中的樣本減少。

4 實(shí)驗(yàn)研究

搭建樣本加樣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖12所示。柱塞泵采用500 μL高精度微型柱塞泵，分辨率為0.25 μL/step；系統(tǒng)管路為1.6 mm×3.2 mm；柱塞泵至加樣針的管路長(zhǎng)度為1.8 m。分別對(duì)樣本的抽注液速度及加樣針的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分析不同的速度參數(shù)對(duì)加樣精確性及穩(wěn)定性的影響。

圖12 加樣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)過程中使用的計(jì)量設(shè)備，如圖13所示。加樣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用專用軟件控制，加樣針的抬升速度與抽液速度用單位時(shí)間內(nèi)其移動(dòng)的距離與抽液體積反算得到。

圖13 分光光度計(jì)與高精度電子天平

4.1 加樣針抬升速度的實(shí)驗(yàn)與分析

1)抽取樣本后針抬升速度的實(shí)驗(yàn)

為了保證實(shí)驗(yàn)的精確性，排除抽取樣本引入的誤差影響，實(shí)驗(yàn)過程中加樣針不抽取樣本，對(duì)針抬離液面后針外壁面的殘液量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析其對(duì)加樣的精確性與穩(wěn)定性的影響。

采用加樣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(如圖12所示)，設(shè)定加樣針進(jìn)入液面下的深度為8 mm，在不同的抬升速度條件下(如表2所示)，加樣針反復(fù)進(jìn)入樣本杯10次，求取樣本杯每次減少液體量的均值與變異系數(shù)CV。實(shí)驗(yàn)采用高精度電子天平(十萬分之一)對(duì)樣本的量進(jìn)行稱量并反算出液體的體積，加樣針每次進(jìn)入樣本杯之前均用吸水紙拭去表面液體，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

圖14 抬升速度u對(duì)應(yīng)的殘液量V與CV值

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著加樣針抬升速度的不斷增大，針的外壁面殘液量不斷增大，其曲線呈“S”形變化；隨著加樣針抬升速度的不斷增大，變異系數(shù)CV不斷增大，其殘液量的穩(wěn)定性降低。

2)加注樣本后針抬升速度的實(shí)驗(yàn)

為了保證實(shí)驗(yàn)的精確性，排除加注樣本引入的誤差影響，實(shí)驗(yàn)過程中加樣針不加注樣本，對(duì)針抬離液面后針外壁面的殘液量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析其對(duì)加樣的精確性與穩(wěn)定性的影響。

采用加樣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(如圖12所示)，設(shè)定加樣進(jìn)入液面下的深度為3 mm，在不同的抬升速度條件下(如表2所示)，加樣針反復(fù)進(jìn)入反應(yīng)杯10次，求取反應(yīng)杯每次減少液體量的均值與變異系數(shù)CV。實(shí)驗(yàn)采用高精度電子天平(十萬分之一)對(duì)樣本的量進(jìn)行稱量并反算出液體的體積，加樣針每次進(jìn)入反應(yīng)杯之前均用吸水紙拭去表面液體，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。

圖15 抬升速度u對(duì)應(yīng)的殘液量V與CV值

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著加樣針抬升速度的不斷增大，針的外壁面殘液量不斷增大，其曲線呈“S”形變化；隨著加樣針抬升速度的不斷增大，變異系數(shù)CV不斷增大，其殘液量的穩(wěn)定性降低。

綜合以上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，加樣針抬離液面的速度越快，針外壁面的殘液量越多，其殘液量的變異系數(shù)CV增大。隨著抬升速度的不斷增大，加樣針抽取樣本后針外壁面的殘液量越多，樣本加注的過程中實(shí)際加入反應(yīng)杯中的樣本與針外壁的樣本交互的不可控性越大，樣本加注的精確性與穩(wěn)定性下降；隨著抬升速度的不斷增大，加樣針加注樣本后針外壁面的殘液量越多，樣本被針外壁帶走的不可控性越大，樣本加注的精確性與穩(wěn)定性下降。

4.2 抽注液速度的實(shí)驗(yàn)與分析

1)抽取樣本速度的實(shí)驗(yàn)

設(shè)定加樣針抬升速度與加注樣本的速度，在其他條件不變的條件下，改變加樣針的抽取速度，對(duì)加樣針抽取樣本后針內(nèi)壁面的殘液量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析其對(duì)加樣的精確性與穩(wěn)定性的影響。

采用加樣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(如圖12所示)，設(shè)定樣本抽液量為10 μL，加樣針進(jìn)入液面下的深度為8 mm，加樣針抽注完成后抬離液面的速度為0.5 m/s，加注樣本的速度0.4 m/s，在不同的加樣針抽液速度條件下(如表3所示)，加樣針反復(fù)加樣10次，求取樣本稀釋比的均值與變異系數(shù)CV。實(shí)驗(yàn)采用高精度電子天平(十萬分之一)與分光光度計(jì)對(duì)樣本的量進(jìn)行稱量并反算出液體的體積，加樣針每次進(jìn)入樣本杯之前均用吸水紙拭去表面液體，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖16所示。

圖16 抽取速度u1對(duì)應(yīng)的樣本稀釋比α及CV值

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著抽液速度的不斷增大，加樣針內(nèi)壁的系統(tǒng)液殘液量不斷增多，樣本的稀釋比值不斷增大，其曲線呈“S”形變化；隨著加樣針抽液速度的不斷增大，變異系數(shù)CV不斷增大，其注液量的穩(wěn)定性降低。

2)加注樣本速度的驗(yàn)證

設(shè)定加樣針抬升速度與抽取樣本的速度，在其他條件不變的條件下，改變加樣針的加注速度，對(duì)加樣針加注樣本后針內(nèi)壁面的殘液量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析其對(duì)加樣的精確性與穩(wěn)定性的影響。

采用加樣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(如圖12所示)，設(shè)定樣本注液量為10 μL，加樣針加注完成后，樣本針浸入液面下的深度為3 mm，加樣針加注完成后抬離液面的速度為0.5 m/s，抽取樣本的速度0.4 m/s，在不同的加樣針注液速度條件下(如表3所示)，加樣針反復(fù)加樣10次，求取樣本量的均值與變異系數(shù)CV。實(shí)驗(yàn)采用高精度電子天平(十萬分之一)對(duì)樣本量進(jìn)行稱量并反算出液體的體積，加樣針每次進(jìn)入反應(yīng)杯之前均用吸水紙拭去表面液體，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖17所示。

圖17 加注速度u2對(duì)應(yīng)的樣本量V與CV值

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著注液速度的不斷增大，加樣針內(nèi)壁的樣本殘液量不斷增多，加注的樣本量不斷減少，其曲線呈“S”形變化；隨著加樣針注液速度的不斷增大，變異系數(shù)CV不斷增大，其注液量的穩(wěn)定性降低。

綜上可知，加樣針抽液與注液的速度越快，針內(nèi)壁面的殘液量越多，其殘液量的變異系數(shù)CV增大。隨著抽取速度的不斷增大，加樣針抽取樣本后針內(nèi)壁面的系統(tǒng)液殘液量越多，樣本稀釋比值越大，樣本加注的精確性與穩(wěn)定性下降；隨著加注速度的不斷增大，加樣針注完樣本后針內(nèi)壁面的殘液量越多，樣本的加注量不斷減少，樣本加注的精確性與穩(wěn)定性下降。

5 結(jié)論

(1)基于加樣系統(tǒng)的流體動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)出了系統(tǒng)的速度參數(shù)對(duì)加樣精度的影響因子，并采用仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法進(jìn)一步揭示了速度參數(shù)對(duì)樣本的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為微量液體的精確加樣提供了依據(jù);

(2)加樣針抬離液面的速度越快，針外壁面的殘液量增多，殘液量的波動(dòng)性增大，加樣針外壁面的樣本與實(shí)際加注的樣本交互的不可控性增大，樣本加注的精確性及穩(wěn)定性降低;

(3)加樣針抽取與加注樣本的速度越快，針內(nèi)壁面的系統(tǒng)液與樣本的殘留量越多，樣本加注的精確性及穩(wěn)定性降低;

(4)加樣系統(tǒng)的速度參數(shù)對(duì)加樣系統(tǒng)的精確性與穩(wěn)定性影響比較顯著；合理匹配系統(tǒng)的速度參數(shù)，有助于改善加樣的動(dòng)態(tài)特性，提高加樣系統(tǒng)的可靠性；同時(shí)，液體的殘液量曲線為非線性曲線，在滿足加樣精度與穩(wěn)定性的條件下，依據(jù)實(shí)際的需求選擇加樣系統(tǒng)的速度參數(shù)，有助于提高加樣系統(tǒng)的加樣效率;

(5)柱塞泵實(shí)際運(yùn)行速度可分為啟動(dòng)速度、停止速度與運(yùn)行速度，相較于穩(wěn)定的運(yùn)行速度，啟動(dòng)速度與停止速度的時(shí)間占比相對(duì)較小，故未做深入分析。隨著儀器對(duì)加樣性能的不斷提升，有必要對(duì)啟動(dòng)速度與停止速度深入研究，分析其對(duì)加樣性能的影響。