本文是一篇机械论文，本文主要从以下两方面进行了免疫分析仪注液飞溅机理与抑制方法研究。一是发现了免疫分析仪注液过程的结束阶段，产生的射流状态会根据吸收的隔离空气柱体积A、吸液负余量M、注液速度v等参数的改变而产生不同的现象。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 化学发光免疫分析技术
免疫分析技术（immunoassay，IA）是利用抗原（antigen，Ag）和抗体（antibody，Ab）能够进行特异性结合，形成抗原-抗体复合物（Ag-Ab）的特性，建立起来的一种高选择性的分析方法。被检测的抗原或者抗体只会选择特定的抗体性或抗原性物质结合，而且结合后不易解离，因此检测准确度非常高。作为当今一种主流的检测手段，免疫分析技术分为非标记免疫分析技术和标记免疫分析技术[1]。非标记免疫分析技术由于会改变被测抗原或抗体的活性而逐渐被标记免疫分析技术取代。标记免疫分析技术经过六十多年的发展，由放射免疫分析（RIA），酶联免疫分析（ELISA），荧光免疫分析（FLA）[2]，逐渐发展成如今最常用的化学发光免疫分析（CLIA）[3]。
化学发光免疫分析技术（Chemiluminescence immunoassay，CLIA）是Halman等人[4]在1977年提出的，它将高敏感性的化学发光反应系统和高特异性的免疫反应系统相结合，是当前应用最为广泛的一种分析技术方法。化学发光免疫分析法有着灵敏度高、选择性好、线性动力学范围宽、分析方法简便、结果稳定安全等诸多优点[3]。由于有着非常高的灵敏度，待检样本中极少的物质也能被检测出来，因此化学发光免疫分析技术在生命科学研究、食品药品分析[5, 6]、医学临床诊断、环境检测等方面都有着重要的应用价值[7]。吴晓红等人[8]验证了CLIA对乙肝病毒（HBV）的血清学检验有着更高的特异性和敏感性，能够提高临床检验的准确性；Zhao H[9]和宋超等人[10]使用多种方法对比分析检测HIV抗体的灵敏度，结果显示CLIA法具有较高的灵敏度和特异性。除上述两例外，还有很多疾病的诊断治疗都运用到了CLIA法，比如梅毒螺旋抗体的检测[11]、肺炎支原体抗体[12]、流感病毒[13]、肿瘤标志物检验[14]、育龄妇女风疹病毒的检测[15]等。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 气体夹带机理研究
带有一定速度的注射液流（oncoming fluid stream）与由同一液体形成的液池（receiving pool）相接触构成液柱的射流冲击过程（plunging jet）。而在液柱射流冲击液池的过程中会普遍地产生气体夹带进入液池的现象，这种气体夹带现象在自然生活与工程中随处可见，例如将液体倾倒进一个容器中。射流夹带的空气能更好地在水体中进行曝气与传播，对自然界的河水、溪流、瀑布的自我净化功能起到重要作用[17]。但在某些环境下，将气相夹带进入液相是需要避免的：如果在熔融金属、熔融玻璃和塑料等液相中夹带气泡，会极大的降低这些材料的使用性能；在水利工程中，随着夹带进入海水的空气破裂成数量极多的气泡，将成为噪音和舰船航行尾迹中的空化气核的来源，影响其水动力性能和侦查探测能力[18]。在免疫分析仪中，气体夹带进入反应管内液体会严重降低样本与试剂的结合效率，抑制射流冲击的气体夹带现象是十分重要的。
在多数情况下，接收液池是静止不动的，而且液池的直径会比注射液流的直径大很多，因此称为广阔液面下的射流冲击。关于冲击射流的研究，有些是关注注射液流冲击液池过程中气体夹带的机理和模型，有些是讨论气体被卷入液池之后的行为（比如气体会破碎成更小的气泡、分散、上浮或被吸收）如何。Lin与Donnelly[19]是最早定量研究高粘度流体对气体夹带作用的，除了验证液体粘度的影响，他们还记录了射流直径、速度条件、表面活性剂和外部气体性质的影响。Eggers[20]和Lorenceau等人[21, 22]在小惯性情况下的关于粘性界面气体夹带的研究，认为有粘流体的气体夹带机理是由于射流与液池想接触处形成奇点导致的，为初始机制及其标度背后的物理解释提供了新的见解。Schmidtke和Lucas[23]通过高速可视化技术，关注自由液面下气液混合的平均与全局动力学行为，发现了一些气体夹带状态，并把他们划分为无气体夹带、初期夹带、间歇夹带、连续夹带四种，并且认为这些夹带状态主要取决于射流冲击的高度和冲击液面时的射流速度。
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2 免疫分析仪注液实验系统构建
2.1 高速观测实验台整体配置
由于化学发光仪会在极短的时间内（通常在1秒内）完成注液过程，而高速摄像技术可以将这个极短的过程拍摄出上千张图片以供分析，是研究流体动力学的十分有效的方法。图2.1是搭建的整体实验系统示意图，大体由左侧的拍摄系统和右侧的注液系统组成。在完整且独立的注液系统内，可以实现针管的旋转、升降，通过对柱塞泵的控制可以实现吸液、注液等功能，这些功能均可通过笔记本UI界面操作进行控制。高速摄像机（Photron，FASTCAM Mini AX-200）的镜头（Tokina，AT-X PRO，光圈：f/16）保持水平对准注液系统的注液测试台上的反应管，由台式PC控制高速相机（分辨率：1024*1024，帧率：5000 fps）记录完整的液柱冲击反应管的过程。由于高速相机帧率极高，进光量极低，因此需要在正对相机镜头的反应管后面安置大功率视觉光源，并用柔光布遮盖光源使镜头进光均匀，以满足高速相机拍摄需求。
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2.2 注液实验平台
2.2.1 机械臂运动系统
为了完整地模拟化学发光免疫分析仪的注液过程，将注射样本的机械臂从化学发光仪内部剥离出来，为其配置搭建独立的注液系统。该机械臂通过步进电机控制，可以实现升降、旋转两个自由度的运动。如图2.3-A所示，机械臂复位在清洗位，是清洗针管的位置；机械臂首先逆时针转动至吸液位置（图2.3-B），下降到固定位置，吸取一定量的液体；抬升后再顺时针旋转到注液位置（图2.3-C），向反应管内注射液体。注液结束后针管自动旋转回清洗位进行针管的清洗，完成“吸液→注液→清洗”的循环。如果再次进行注液观测，针管会从清洗位启动，先吸取液体再注射液体，回到原位清洗针管。这套机械臂的运动方式，为多次连续顺利地进行实验提供了便利。
2.2.2 吸液注液系统
能够稳定地吸取并注射液体是研究化学发光免疫分析仪注液飞溅机理的基础，图2.4是搭建的化学发光仪独立系统的液压回路图。启动系统后，针管复位在清洗位，电磁换向阀的常位是右位，系统液体从液源中流出，经过“隔膜泵、P口、T口”再回到液源，形成闭合回路；当发送注液命令后，电磁阀依旧处于右位，针管依次旋转至吸液位和注液位，由柱塞泵控制吸液与注液体积的变化；在注液后，针管旋转回清洗位，此时电磁阀执行左位机能，系统液经“隔膜泵、P口、A口、柱塞泵、针管”喷射，对注液针管进行内壁清洗。清洗完毕后电磁阀移回右位，完整的一次注液流程执行完毕。
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3 注液末期射流飞溅状态研究 ..................................... 23
3.1 实验参数设置 ............................................... 23
3.2 隔离空气柱体积对注液误差的影响 ........................... 24
4 液流冲击液池飞溅机理研究 .................................... 42
4.1 实验参数设置与约束液池制备 .................................... 42
4.2 液柱射流冲击液池飞溅状态研究 .............................. 43
5 总结与展望 .................................... 63
5.1 论文总结 ............................................. 63
5.2 研究展望 ................................................ 64
4 液流冲击液池飞溅机理研究
4.1 实验参数设置与约束液池制备
免疫分析仪注液系统除了要避免在注液过程末期的射流会引起一定的液滴飞溅，还要十分注意在整个注液过程中，液柱射流冲击反应管产生液池的一系列状态变化。液池内流体的紊乱状态极有可能导致液滴飞溅，干扰免疫分析仪后续检测流程。某些情况下射流冲击无液池的空反应管，有时射流冲击已经具备液池的反应管。针对以上诸多情况会产生不同的液池状态，需要进行相应的分析。
液柱射流在冲击空反应管或具备一定量液池的反应管，都会产生气泡夹带或液池波动等复杂的现象，而在不同的实验物理参数下，这些流体行为又会产生不一样的特征。本章对冲击液池的深度H、针尖距液面的高度（冲击高度）h、射流冲击速度vj这三个变量对射流冲击液池现象做深入分析，实验参数示意图如图4.1所示。实验设置射流冲击速度vj在0.8-3 m/s范围内取0.85 m/s、1.26 m/s、1.69 m/s、1.84 m/s、2.14 m/s、2.54 m/s、2.92 m/s共7个值；射流冲击高度h在1-20 mm范围内取1 mm、3 mm、5 mm、10 mm、20 mm共5个值；液池深度H取3种情况：无液池（0 mm）、浅液池（2 mm）、深液池（5 mm）。这三组变量进行交叉实验，一共105种工况，每种工况实验3-5次，消除实验偶然性。液池的制备需要提前向空反应管中注射定量去离子水，浅液池注射55 μL，深液池注射135 μL，并且保证无气泡生成。
机械论文参考
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5 总结与展望
5.1 论文总结
在免疫分析仪的分析流程中会经历多次的注液过程。由于向免疫分析仪反应管中注液样本或试剂的过程极不稳定，如在注液末期产生液滴飞溅、射流冲击反应管产生气泡等。这些现象的发生会将反应试剂飞溅到反应管壁，或是干扰反应管内样本与试剂的结合效率，严重影响免疫分析仪的检测精度和准确度。为了良好地抑制免疫分析仪注液飞溅现象，本论文使用高速摄像技术，并模拟化学发光免疫分析仪的注液流程搭建了独立注液观测系统，从流体力学的角度对免疫分析仪注液飞溅机理进行实验研究。
本文主要从以下两方面进行了免疫分析仪注液飞溅机理与抑制方法研究。一是发现了免疫分析仪注液过程的结束阶段，产生的射流状态会根据吸收的隔离空气柱体积A、吸液负余量M、注液速度v等参数的改变而产生不同的现象。根据以上参数变化，绘制了注液末期射流状态分布图，将射流末期状态划分为平稳结束、液柱冒出、液滴喷溅、二次射流、射出气泡和气泡破碎等状态。并探究了平口针与斜口针对射流末期状态的影响，发现使用平口针进行吸液注液可以很好地抑制注液末期射流不稳定状态导致液滴飞溅现象的产生，并可以将产生末期射流飞溅的注液速度阈值提升3倍左右。本实验还统计了隔离空气柱体积与注液量负偏差之间的数量关系，得到了隔离气柱越长，注液量负偏差越大的基本结论。
另外，本文对注液过程中，液柱射流冲击液池产生一系列不稳定状态导致液滴飞溅现象进行了系统研究。通过交叉改变注液射流速度vj、射流高度h和液池深度H，总结了不同的射流参数对液池冲击产生的不同状态分布。将液池冲击产生的不同状态划分为无飞溅区、液滴弹跳区、液柱断裂区和生成气泡区。并分别探析了以上区域形成的基本原理，详细介绍了生成气泡的各种方式：气膜破碎、尖坑陷入、扰动冲击、凹坑回填和液池夹断，以及这些气体夹带方式的特征和具体现象。通过给出液池冲击状态相图，寻找使免疫分析仪注液过程无飞溅稳定进行的区间，为抑制免疫分析仪注液飞溅现象起到理论指导作用。
参考文献（略）