一種捕獲磁珠及光纖檢測裝置的研究

【摘 要】對以磁珠為載體的生化樣品進行光學檢測是重要的生化檢測方法之一。在檢測過程中，核心環節是通過磁場將磁珠精確地吸引到檢測位置。本文基于電流磁效應原理，構想了一種捕獲磁珠的電磁鐵模型。再通過COMSOL5.1仿真軟件進行驗證。最后將電磁鐵模型和光纖組裝成檢測裝置。裝置尺寸在毫米范圍，而且該裝置消耗試液量在微升級別，節省檢測成本。

【關鍵詞】電流磁效應 磁珠 光纖 光學檢測

【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

傳統的光學檢測裝置是以顯微鏡為核心的龐大的光學器件系統。而現在，生化檢測裝置借助于磁珠技術，光鑷技術[1]，可實現小型化，便攜化。這種檢測裝置的原理是：通過磁場磁化磁珠，將磁珠吸引到固定的檢測位置，然后通過一根激勵光纖激勵磁珠，一根收集光纖收集散射出的光學信號。目前聚集磁珠的方法有兩種——永磁體聚集和電磁鐵聚集。在文獻[2]中，G Mistlberger的研究團隊將條形磁鐵按照中心輻射狀排列，將光纖插入中間空隙中。磁珠雖然能被永磁鐵裝置聚集，但是難以釋放，使得光纖傳感器很難再次使用。相比永磁鐵，電磁鐵通過控制電流的大小和導線纏繞的方式來控制磁場的大小及形狀。正是由于電磁鐵靈活自由的特點，受到廣泛關注。本文設計了一種吸引磁珠并能進行光學檢測的裝置模型。并在文章里介紹模型的幾何尺寸，工作原理，對模型進行COMSOL進行數值仿真，從磁場力加以討論。

1 磁珠在溶液中的受力分析

溶液中，磁珠共受到四種力的作用——磁場力，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是磁珠的體積，χm為磁珠的磁化率，μ0是真空磁導率。為了方便討論，設N為磁場因子，即：

（2）

從公式可知N值的大小決定了磁珠所受磁場力的大小。N的大小與磁場密度和磁場密度的梯度有關。通過文獻[5]可知道，在溶液中，磁珠所受的粘拽力大小為：

（3）

其中ηf是溶液的動力粘度，Rp是磁珠的半徑，uf是溶液的速度，up是磁珠的速度。

本文的仿真實驗中所采用的參數如下：Rp半徑1μm，磁化率χm為1，磁珠溶液為去離子水，其動力粘度在200C時為ηf=1.005×10-3Pa·s。由于磁珠重力和浮力之和遠小于粘拽力，在此忽略重力和浮力，只考慮斯托克斯粘拽力和磁場力。流體的速度保持在1mm/s，直到磁珠被電磁鐵吸住，即速度降為0mm/s。這樣流體和磁珠的速度差為1mm/s。只有當Fmag>Fdrag時，磁珠才能克服粘拽力，被吸引。經計算，磁珠克服粘拽力的臨界條件是：N>5.683*10-3T2/mm。

2 光學檢測裝置的仿真

2.1 模型結構圖

本文設計的光學檢測裝置，該裝置包含上下兩個圓柱組合體。上圓柱組合體6相對較薄，是一個厚度為2mm，直徑為10mm的微流控芯片6。下圓柱組合體是一個直徑和高均為10mm的石英玻璃8。圓柱玻璃的外側纏有直徑極細的銅絲漆包線。玻璃中心嵌入一個高為11mm，底面直徑為1mm的不銹鋼圓錐型鋼針7。這樣就組成了電磁力的產生裝置。通電后就能產生足夠的磁場力，不銹鋼針尖就能聚集足夠多的磁珠，以供光學檢測。裝置結構圖2所示：

圖2 a圖是整個裝置的輪廓圖，b圖是裝置的正視輪廓圖

上組合體6是整個裝置的微流檢測裝置。磁珠溶液通過微流道3流進樣品檢測室5，從微流道4流出。磁珠路過針尖處，正好被針尖的磁力聚集。在光纖孔道2和1分別插上激勵光纖和信號收集光纖。光纖孔道孔徑可以根據具體的所用的光纖尺寸來確定。兩光纖的端面中心和針尖處于同一平面，使得兩光纖靠近針尖，這樣可以實現光學檢測。

2.2 裝置磁場的仿真

在該裝置中，不銹鋼鋼針起到了聚集磁珠的作用。在圓柱石英玻璃8的側面纏繞100砸直徑為0.1mm的銅絲漆包線，通上0.1A的電流。針尖處將產生很大的磁場密度和磁場密度的梯度。由公式（2）可知，磁場力取決于磁場密度和磁場密度的梯度。利用COMSOL5.1版本的AD/CD的磁場模塊進行數值計算，可以得到在針尖處的磁力因子N=12.98T2/mm，遠遠大5.683*10-3T2/mm，所以針尖處有足夠的磁場力吸引住大量的磁珠。

3 結語

本文提出了一種聚集磁珠，并能實現光學檢測的模型裝置。文中詳細地交代了裝置模型的機械尺寸，分析了磁珠的受力情況，計算出磁珠克服斯托克斯粘拽力的臨界條件，即磁力因子N=5.683*10-3T2/mm。經過COMSOL5.1的磁場計算，不銹鋼針尖的磁力因子最大，達到12.98T2/mm，遠遠大于臨界值。而且該裝置體積小，容易集成，方便攜帶，耗液量少，操作過程的自由度很大，可重復利用。

參考文獻：

[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技術的新型免疫磁珠微系統的構建[D].中科院上海微系統與信息技術研究所，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.

作者簡介：把明洲（1991—），男，安徽滁州人，北京航空航天大學碩士在讀，研究方向：光學器件的仿真。