孵育系統中的微孔板支架結構優化

姜 容,陳正偉,樊偉東,駱志成,黃 俊

(1.浙江科技學院 生物與化學工程學院,杭州 310023;2.杭州奧盛儀器有限公司,杭州 310012)

多功能微孔板讀數儀是一種利用光學原理在生化試驗中進行試劑濃度測量的儀器。在檢測過程中,試劑所處的環境溫度會影響其中的生化反應,進而影響到最終的檢測結果,因此微孔板讀數儀需要配備孵育系統進行溫度控制,以提高微孔板中樣本在孵育階段的溫度均一性,從而提高最終檢測結果的準確性。孵育系統通過加熱膜對孵育腔內的空氣加熱,為生化反應提供恒溫孵育環境。孵育系統的性能對生化反應會產生顯著的影響[1-2],目前孵育系統的改進方法多是從其電子線路及控制算法等方向作為切入點[3-5],但這類改進方案受限于儀器單一的溫度測控系統,更側重對微孔板所處孵育環境的穩態溫度進行控制,并不能精確地測量與控制微孔板中每個孔位的溫度,忽略了升溫階段不同孔位溫度的差異對試驗產生的影響,因此需要設計一種能夠影響每個孔位溫度的改進方案。微孔板支架組件與微孔板直接接觸,能夠通過熱傳導的方式影響微孔板的溫度分布,且微孔板支架組件的結構相對簡單,體積小、加工成本低,所以認為對微孔板支架組件進行改進是一種相對理想的方案。

增加接觸熱阻是支架組件的結構改進思路之一,通過減小微孔板與支架組件的接觸面,從而增大接觸熱阻,減少從微孔板支架向微孔板的熱量傳遞。Pan等[6]對接觸熱阻的研究表明,接觸熱阻會受到材料物理性質、表面狀態等因素的影響。接觸面兩側固體材料的物理性質,如彈性模量、硬度等,以及接觸界面粗糙度會影響實際接觸面積的大小,從而影響接觸面的傳熱[7-8];金屬表面上氧化膜的有無及厚度也會影響金屬界面處的接觸熱阻,氧化膜的厚度越大,接觸熱阻就越大[9-11];涂層材料的類型、涂層表面的質地和涂層的厚度也會影響接觸熱阻[12]。

提高傳熱效率是支架組件的結構改進思路之二,這不僅能改善升溫階段各孔位溫度的均一性,還可以縮短升溫時間,使樣本更快到達最佳孵育溫度。參考PCR恒溫擴增儀中樣品基座的設計[13-16],通過對支架組件結構的調整,熱量能更均勻、更快速地向微孔板的各孔位傳遞。

針對微孔板在孵育過程中存在溫度均勻性差的問題,本研究綜合前人的研究成果,擬通過對微孔板支架相關機械結構的調整,兼顧制造加工的難度和耗費,在盡可能減少改進方案結構復雜性及所需成本的同時,提升微孔板讀數儀孵育系統的溫度均一性,從而提高儀器的市場競爭力。

1 改進前微孔板支架溫度性能測試

1.1 測試設備

試驗設備包括:美國安捷倫34970A多通道數據采集儀;ThermoTMImmuno 96孔板;FinnpipetteTMF1多通道移液器。

溫度數據采集通常采用具有靈敏度高、體積小、結構簡單及響應時間短等優點的熱敏電阻,故本研究采用基于負溫度系數(negative temperature coefficient,NTC)熱敏電阻的多通道數據采集系統進行溫度數據采集。由于熱敏電阻器的阻值與溫度呈非線性的指數變化關系,若不進行合適的非線性補償,則測溫精度往往不高[17],所以在實際使用中通常都需要進行逐支標定,以確定每支熱敏電阻的阻溫特性。本試驗中的熱敏電阻經過油溫校準,其測量精度達到±0.15 ℃,滿足試驗要求。

1.2 改進前支架組件模型

支架組件模型如圖1所示,其中微孔板支架為支架組件的主體,具有承載、固定微孔板的功能,通過螺紋固定方式與運動機構連接,支架墊塊固定于微孔板支架中間的方槽中;支架組件通過更換不同厚度的支架墊塊來實現對不同高度微孔板的適配;微孔板的各孔位中盛放試驗所需試劑。微孔板支架和支架墊塊材質均為鋁6061,微孔板材質通常為聚苯乙烯。微孔板與支架組件的側壁接觸面較大,底部接觸面較窄。

圖1 支架組件示意圖Fig.1 Schematic diagram of holder assembly

1.3 試驗方法

將環境溫度調至25 ℃,儀器孵育溫度設置為37 ℃,預熱30 min以上;在微孔板的96孔中分別加入200 μL純凈水,并將測溫探頭居中固定在A1、H1、A12、H12、D6、E7等孔位,測溫點分布如圖2所示;多通道數據采集儀設置為每隔10 s采集一次數據,將微孔板放進預熱好的儀器中進行孵育,時間為1.5 h,記錄并處理數據。

圖2 微孔板測溫點分布Fig.2 Distribution of temperature measuring points in microplate

1.4 測試結果

微孔板測溫點升溫曲線如圖3所示,圖中序號的字母表示測溫點在微孔板中所處行,數字表示測溫點在微孔板中所處列,如A1表示從上向下數第1行,從左往右數第1個孔。根據升溫曲線計算得到升溫過程中最大溫差、最終溫差、溫差大于1 ℃的持續時間、升溫階段邊緣孔前7 min平均升溫速率、中間孔前7 min平均升溫速率。溫度測試數據匯總見表1。

表1 溫度測試數據匯總Table 1 Summary of temperature test data

圖3 微孔板測溫點升溫曲線Fig.3 Heating curve of temperature measuring points in microplate

1.5 結果分析

根據圖3的升溫曲線及表1的匯總數據可知,在整個孵育過程中邊緣孔A1、H1、A12、H12升溫曲線較為一致,而中間孔D6、E7升溫曲線也較為一致。在升溫初期,邊緣孔位的樣本溶液升溫速率明顯高于中間孔位,邊緣孔和中間孔存在明顯溫差,且持續時間較長。

2 微孔板支架組件改進

2.1 試驗材料

改進方案所需材料包括:鋁6061、酚醛樹脂、聚四氟乙烯(poly tetra fluoroethylene,PTFE)和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(ethylene vinyl acetate copolymer,EVA)。其中,鋁6061和酚醛樹脂為微孔板支架組件的制造材料,PTFE為支架組件表面涂層材料,EVA為支架組件與微孔板接觸界面的隔熱介質。

2.2 結構改進方案

在孵育過程中,首先對儀器預熱0.5 h,以保證孵育腔內溫度達到目標值,然后再放入微孔板進行正式孵育。對微孔板在升溫過程中出現溫差的原因進行合理假設:預熱階段支架組件首先被加熱,放入微孔板后,兩者間的溫差導致熱量從支架組件向微孔板傳遞,由于接觸面在微孔板邊緣處,熱量通過接觸面從微孔板邊緣向中心傳遞,因此升溫階段微孔板邊緣溫度高于中心溫度?；谠摷僭O設計并加工不同結構的微孔板支架組件,支架組件改進方案如圖4所示。

圖4 支架組件改進方案Fig.4 Improvement schemes of holder assembly

2.2.1 微孔板支架組件材質的改變

酚醛樹脂的化學穩定性、阻燃性和熱穩定性優良,傳熱系數大約為0.2 W/(m·K)[18],遠低于鋁6061。綜合考慮加工難度、成本等因素,最終選定酚醛樹脂作為微孔板支架組件材料,如圖4(a)所示。

2.2.2 支架組件表面涂層的增加

為了達到隔熱目的,需選用低導熱系數、高密度和高比熱容的材料作為隔熱介質[19]。PTFE導熱系數為0.29 W/(m·K),是一種常見的低導熱系數材料,可以作為支架組件的涂層使用,故增加表面噴涂厚度為0.1 mm的PTFE作為試驗組,如圖4(b)所示。

2.2.3 支架組件接觸面隔熱介質的增加

多層材料可以有效阻隔熱的傳遞,因此考慮在支架組件和微孔板的接觸面之間增加一層或多層隔熱材料,使支架組件和微孔板不直接接觸。隔熱材料需要具有良好的化學穩定性、緩沖性能及隔熱保溫性能,根據試驗室現有條件,在微孔板支架組件與微孔板的接觸面上粘貼一層EVA材料以隔熱。

2.2.4 支架組件與微孔板接觸面積的減少

原模型中微孔板和支架組件間的接觸包括:微孔板側壁與支架間的面接觸及微孔板底面與支架間的線接觸?，F更改支架組件的結構,改進后的支架組件與微孔板接觸部位寬度分別為10、5、1 mm,分別如圖4(c)、(d)、(e)所示。

2.2.5 微孔板底面與支架墊塊接觸面的增加

在改進前的支架組件方案中,支架組件與微孔板的底邊接觸面如圖5(a)所示,僅微孔板邊框底部窄邊與支架組件存在接觸。在結構支架改進方案中,通過調整支架墊塊結構,增加了支架組件與微孔板底部的接觸面,改進后支架組件與微孔板底邊接觸面如圖5(b)所示,圖中黑色區域為實際接觸面。改進后支架墊塊結構如圖6所示,其中圖6(a)為與微孔板底部完全接觸的支架墊塊,圖6(b)為與微孔板96孔對應位置鏤空部分接觸的支架墊塊。

圖5 微孔板底部接觸面變化示意圖Fig.5 Schematic diagram of contacting surface change at the bottom of microplate

在上述幾項改進方案中:替換支架組件材質,增加涂層或隔熱介質,減少接觸面,都是為了增大支架組件與微孔板間的接觸熱阻,從而減少從支架組件向微孔板的熱量傳遞;更改支架墊塊結構,令支架墊塊與微孔板孔位底部充分接觸則是為了增強支架組件與微孔板間的熱傳導,同時使微孔板各孔位能夠更均勻地受熱。

3 改進后支架組件結構溫度性能測試

3.1 試驗設備

試驗設備包括:美國安捷倫34970A多通道數據采集儀;Tsto890紅外熱像儀;ThermoTMImmuno 96孔板;FinnpipetteTMF1多通道移液器。

3.2 試驗方案

3.2.1 熱成像試驗

準備兩個相同的微孔板,96孔中均加入200 μL純凈水,置于室溫25 ℃環境中;支架組件置于恒溫32 ℃房間中央的桌上,預熱2 h;將其中一個微孔板直接放置在支架組件上作為試驗組,將另一個微孔板利用四個塑料立柱支撐在桌上,緊鄰支架組件,作為對照組;每隔30 min通過熱成像儀對兩組微孔板進行檢測,記錄中心孔與邊緣孔的溫差。

3.2.2 升溫曲線試驗

環境溫度調至25 ℃,儀器孵育溫度設置為37 ℃,預熱30 min;在微孔板的96孔中分別加入200 μL純凈水,并將測溫探頭居中固定在A1、H1、A12、H12、D行及第6列,總計23個孔位上,測溫點分布如圖7所示;多通道數據采集儀設置為每隔10 s采集一次數據,將微孔板放進預熱好的儀器進行孵育;孵育1.5 h,記錄并處理數據。

3.3 數據分析

3.3.1 熱成像試驗數據分析

圖8(a)、(b)、(c)分別為加熱30、60、90 min時微孔板的熱成像圖。由圖8可知,對照組在空氣中直接加熱微孔板,其邊緣孔與中心孔溫差始終保持在1 ℃內,根據YY/T 1155—2019 《全自動化學發光免疫分析儀》[20]中要求,在誤差允許范圍內;試驗組放置于支架上的微孔板邊緣孔溫度明顯高于中間孔;對兩組數據進行比較,整體暴露于空氣中的對照組微孔板各個孔位溫度一致性更好。本試驗結果表明,在空氣溫度恒定的孵育環境中,有熱量通過熱傳導方式從支架組件向微孔板傳遞,并對微孔板各孔位間溫度均一性產生負面影響。

3.3.2 升溫曲線試驗數據分析

為方便后續分析,將不同的試驗方案進行編號,具體如下:方案1,改進前支架組件結構;方案2,支架組件表面噴涂PTFE;方案3,支架組件材質替換為酚醛樹脂;方案4,支架組件在與微孔板接觸面處粘貼EVA;方案5,側壁接觸(10 mm)+墊塊接觸(10 mm);方案6,側壁接觸(5 mm)+墊塊接觸(5 mm);方案7,側壁接觸(1 mm)+墊塊接觸(1 mm);方案8,改進前支架+墊塊接觸(10 mm);方案9,改進前支架+墊塊接觸(5 mm);方案10,改進前支架+墊塊接觸(1 mm);方案11,側壁接觸(10 mm)+改進前墊塊;方案12,側壁接觸(5 mm)+改進前墊塊;方案13,側壁接觸(1 mm)+改進前墊塊;方案14,改進前支架+底面完全接觸墊塊;方案15,改進前支架+底面部分鏤空接觸墊塊。根據序號排列,各方案升溫曲線分別如圖9(a)至(o)所示。

圖9 各方案微孔板測溫點升溫曲線Fig.9 Heating curves of temperature measuring points in microplate of each scheme

將15組試驗數據中升溫過程產生的最大溫差、溫差大于1 ℃的持續時間、最終溫差、前7 min平均升溫速率及其標準差進行匯總整理,結果見表2。

表2 不同方案支架組件溫度測試數據匯總Table 2 Summary of temperature test data under different holder assmbly schemes

由圖9各方案的升溫曲線及表2的匯總數據可知:最優方案為方案14,即全接觸式支架墊塊結構。放置于該結構上的微孔板在升溫過程中出現的最大溫差僅為1.1 ℃,升溫過程中最大溫差超過1 ℃的持續時間為120 s,前7 min平均升溫速率為1.065 ℃/min,升溫速率標準差0.043;相比改進前的支架結構(方案1),方案14的最大溫差降低了62.07%,最大溫差超過1 ℃的持續時間降低了92.72%,升溫速率提升了37.60%,升溫速率標準差降低了57.00%,從而有效改善了微孔板孔間溫度一致性。另外支架墊塊和微孔板底部部分接觸的方案15,最大溫差為1.4 ℃、升溫速率為1.012 ℃/min、升溫過程中最大溫差超過1 ℃的持續時間為490 s、升溫速率標準差0.044,相比修改前的支架結構(方案1),最大溫差降低了51.72%,升溫速率提升了30.75%,最大溫差超過1 ℃的持續時間降低了70.30%,升溫速率標準差降低了56%;方案2至方案13的試驗結果均不理想,各項指標無明顯提升,升溫過程中的最大溫差均未降低至2 ℃以內。

通過試驗結果可以看出,支架墊塊和微孔板底部的接觸面積對孔位溫差及升溫速率影響較大,支架墊塊與微孔板孔位底部充分接觸可提高支架組件與微孔板間的熱傳導,使微孔板各孔位能夠更均勻地受熱,更有利于熱量均勻、快速地向微孔板的各孔位傳遞;但無明顯的證據表明,替換支架組件材質、接觸面噴涂PTFE及在接觸面處粘貼EVA材料等方法可以提高孵育系統的溫度均一性。

4 結 語

本研究通過對微孔板支架組件機械結構的調整,有效降低了微孔板讀數儀在升溫階段不同孔位中樣本的溫度差異。試驗數據顯示,支架組件與微孔板底部充分接觸有助于保持微孔板各孔位間的溫度一致;無鏤空結構的支架墊塊僅適用于化學發光檢測等不需要光路穿過微孔板的檢測模式;在微孔板孔位對應位置增加通孔的墊塊結構適用于吸收光檢測、熒光檢測等需要光路穿透微孔板的檢測模式,且該墊塊結構能夠減少進入檢測光路中的雜散光,提高了光學檢測的準確性。改進前的支架墊塊由于其橫截面積較小,在加工過程中易發生形變而影響性能,經優化后的底部全接觸式支架墊塊不僅提升了微孔板讀數儀的孵育性能,還具有加工難度小、成本低的優勢,具備較強的理論和應用價值。本研究未對接觸熱阻涉及的所有變量進行精確的控制,后續將進一步深入對支架組件材質、結構和表面處理等因素的研究。