CN112577859B - 一种测量磁性微球基本物理参数的实验装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量磁性微球基本物理参数的实验装置及测量方法，摄取磁性微球分散液在不同状态时的影像信息，截取影像目标区域，提取相应的特征值，随后通过图像数据处理方法转化为色度、沉降速率、磁响应速率等信息。本发明以较低成本地给出某些磁性微球物理参数的测量方法，适用于磁性微球生产过程中实时提供相关物理参数，对于规范磁性微球产品的质量有较大意义。
Description
技术领域
本发明涉及磁性微球材料和图像处理的结合领域，具体涉及一种测量磁性微球基本物理参数的实验装置及测量方法。
背景技术
磁性微球也称磁珠，指的是具有磁场响应行为的亚微米或微米级微球。磁性微球可以被广泛应用于生物医学工程各个领域，如核酸提取、蛋白纯化、免疫分析、细胞分选和特定mRNA分离等用途。磁性微球在现代体外诊断和生化分离中承担着核心原料的地位，目前市场上磁性微球型号、应用、特性相差较大，其质量控制目前尚无严格统一的测量方法。磁性微球物理属性中跟使用相关的参数有水溶液单分散性、颜色状态、沉降速率、磁响应速率、密度、磁含量和饱和磁化强度等，全面表征需要涉及多种大型仪器设备如激光粒度仪、扫描电镜、热失重分析仪和振动磁强计等，不仅表征价格高昂而且往往送检耗时较长。
专利CN 209486276U设计了一个分光光度计的样品槽配件，将外源磁铁固定在样品槽中，以吸光度随时间的变化来衡量磁响应速率，该方法测量磁性微球在溶液中的磁响应性能效果较好。该方法涉及到分光光度计或者分光光谱仪，大部分生物或医学实验室目前主要使用微量分光光度计、酶标仪等小体积光学测量仪器，并不具备此方案的测量条件。
目前磁性微球行业各种物理参数并无严格统一的测量方案，大部分磁性微球质量控制依赖于实验积累的一些测量思路。重要地，不同批次磁珠产品沉降速率与磁响应速率如存在较大差异，下游诊断、分离应用结果会受到波动。基本物理测量参数不仅有助于控制成熟磁性微球产品的质量监测，而且能指导磁性微球性能改进的研发工作。
因此工业上需要制造成本低廉、测量相对准确的磁性微球基本物理参数测量方法，作为指导生产、质量控制和研发需要的检验工具。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单可靠的摄影测量方法，对磁性微球部分重要基本物理性质进行测量，以及相应地一种测量装置，可应用于磁性微球行业内供应商或使用方对产品做初步表征。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一方面，本发明公开了一种测量磁性微球基本物理参数的实验装置，包括：摄像头模块、样品池、外源磁体、支架和光源；
所述摄像头模块包括拍摄单元和影像分析单元；所述拍摄单元，用于获取磁性微球或磁性微球悬液的影像信息；所述影像分析单元，用于通过预设算法获取磁性微球基本物理参数；
所述样品池，用于容纳待测量的磁性微球悬液；所述样品池设置于所述摄像头模块的成像区域内；
所述支架用于支撑并固定所述摄像头模块、样品池、外源磁体和光源；
所述光源用于发射出平行光源光束，所述平行光源光束穿过所述样品池传递至所述摄像头模块。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述影像分析单元包括剪辑子单元、特征提取子单元和影像处理子单元；
所述剪辑子单元，用于从影像信息中截取目标区域影像；
所述特征提取子单元，用于从目标区域影像中提取预设的特征值；
所述影像处理子单元，用于通过影像数据处理算法将提取的预设的特征值转化为磁性微球基本物理参数信息。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述磁性微球基本物理参数信息包括色度、沉降速率或磁响应速率信息。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述影像信息包括所述磁性微球悬液混合均匀、所述磁性微球沉降或外源磁场下所述磁性微球磁泳的影像信息.
作为本发明实施方式的进一步改进，所述实验装置放置于一封闭箱体以规避外界环境光照条件的影响。
另一方面，本发明公开了一种磁性微球基本物理参数的测量方法，通过上述的测量磁性微球基本物理参数的实验装置，所述测量方法包括以下步骤：
S1、获取磁性微球或磁性微球悬液的影像信息；
S2、从影像截取目标区域，提取相应的特征值；
S3、通过预设算法获取磁性微球基本物理参数。
再一方面，本发明公开了上述的磁性微球基本物理参数的测量方法在测量磁性微球色度中的应用。
作为本发明实施方式的进一步改进，在测量磁性微球色度中的应用中包括以下具体步骤：
设定平行光源在样品池附近区域的平均照明强度；
摄取磁性微球悬液的静态照片并读取RGB颜色信息；
将RGB色彩值转换到HSV色彩值，计算得到色度信息。
本发明验证了采用彩色摄像机计算色度值的准确度，在光强不过弱或过强的情况下与标准比色卡有较好的准确性。
再一方面，本发明公开了上述的磁性微球基本物理参数的测量方法在测量磁性微球沉降速率中的应用。
作为本发明实施方式的进一步改进，在测量沉降速率的应用中包括以下具体步骤：
预先对摄像模块进行标定并矫正摄像头模块与样品池的空间坐标，得到影像信息中像素与距离的绝对比值；
将均匀分散的磁性微球悬液置于样品池中；
摄像记录一段时长获取磁性微球悬液中的影像信息；
截取影像信息中感兴趣的目标区域；
对于目标区域的特征值进行提取及结合数据绘图，得到磁性微球浓度场在重力场中的时间-空间分布；
通过拟合数据、折算真实距离-时间值得到沉降速率。
再一方面，本发明公开了上述的磁性微球基本物理参数的测量方法在测量磁性微球表观磁响应速率中的应用。
在测量表观磁响应速率的应用中，包括以下具体步骤：需要在样品池正下方卡槽中引入永磁铁或电磁铁，以对磁性微球悬液附加一个非均匀磁场，使得磁性微球在磁场下加速磁泳，再通过对磁泳过程的摄影读取其磁响应速率信息。本装置考虑使用的是非匀强磁场环境，因此磁性微球在本装置中运动利用严格的解析式或者数值方法计算成本都比较高。为了测量上的实用性规定表观磁响应速率由平均磁泳速率来表征，即最顶层的磁性微球从顶层移动到底层的平均速率作为磁响应速率的表观参数。
另外，从长期对磁性微球的表征可以总结出沉降测量的时-空灰度分布图、磁响应时-空分布图对磁性微球多分散性的相关性。粒径均一度高的磁性微球沉降过程会有一条清晰明确的直线型相分界线，如果该直线从低灰度到高灰度过渡区域模糊及跨度较大时判断该磁性微球粒径均一性差；如果相界面几乎无法确定说明该磁性微球从几纳米到几十微米粒径都可能大量存在。对于磁含量均一的磁性磁响应沉降过程会有一条清晰明确的曲线型相分界线，如果该曲线从低灰度到高灰度过渡区域模糊及跨度较大时判断该磁性微球磁含量不统一，更甚者，如果无明显相界面说明该磁性微球可能大量存在低磁含量微球。
本发明具有以下有益效果：
1、现有技术中磁性微球物理性能测量往往需要一些大型设备，如激光粒度仪、扫描电镜、热失重分析仪及振动磁强计等，本发明采用微型光学摄像设备，能够最大化节约成本；
2、本发明通过直接摄取照片计算得到色度信息，通过沉降速率可以推知粒径、密度信息，通过磁响应平均速率可以推知饱和磁化强度信息，通过微球载体与复合磁性微球的沉降差异可以推知磁含量信息；
3、本发明有利于严格控制磁性微球产品的质量，可以监控磁性微球生产中实时提供产品各方面物理、化学参数稳定的信息，可以作为磁珠生产质检数据输出的一种方式，作为质检标准简单、经济且实用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的测量装置的原理示意图；
图2为本发明实施例提供的装置主体支架设计图；
图3为本发明实施例提供的独立摄像模块及独立样品池模块设计图；
图4本发明实施例提供的摄像模块测量色度与标准比色卡色度值校正曲线；
图5本发明实施例提供的摄影测量沉降速率方法及数据处理示意图；
图6本发明实施例提供的实际测量沉降速率所得等间距时间切片图；
图7本发明实施例提供的实际沉降速率测量所得时-空灰度分布图；
图8本发明实施例提供的实际磁响应速率测量所得时-空灰度分布图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非特别指明，以下实施例中所用的耗材均可从正规渠道商购获得。
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
本发明实施例公开了一种测量磁性微球基本物理参数的实验装置，如图1所示，包括：摄像头模块1、样品池2、外源磁体3、支架4和光源5；其中，摄像头模块1、样品池2可以设置为如图3所示的独立模块。
摄像头模块1包括拍摄单元和影像分析单元；拍摄单元，用于获取磁性微球或磁性微球悬液的影像信息；影像分析单元，用于通过预设算法获取磁性微球基本物理参数；
样品池2，用于容纳待测量的磁性微球悬液；样品池2设置于所述摄像头模块的成像区域内；
支架4用于支撑并固定摄像头模块1、样品池2、外源磁体3和光源5；
光源5用于发射出平行光源光束，平行光源光束穿过样品池2传递至摄像头模块1。
具体地，影像分析单元包括剪辑子单元、特征提取子单元和影像处理子单元；
其中，剪辑子单元，用于从影像信息中截取目标区域影像；
特征提取子单元，用于从目标区域影像中提取预设的特征值；
影像处理子单元，用于通过影像数据处理算法将提取的预设的特征值转化为磁性微球基本物理参数信息。
在本发明实施例中，磁性微球基本物理参数信息包括但是不限于色度、沉降速率或磁响应速率信息。
其中，影像信息包括磁性微球悬液混合均匀、磁性微球沉降或外源磁场下磁性微球磁泳的影像信息。
更优选地，实验装置放置于一封闭箱体以规避外界环境光照条件的影响。
本发明还公开了对应的磁性微球基本物理参数的测量方法，通过上述的测量磁性微球基本物理参数的实验装置，测量方法包括以下步骤：
S1、获取磁性微球或磁性微球悬液的影像信息；
S2、从影像截取目标区域，提取相应的特征值；
S3、通过预设算法获取磁性微球基本物理参数。
具体地，本发明公开了上述的磁性微球基本物理参数的测量方法在测量磁性微球色度中的应用。
在测量磁性微球色度中的应用中包括以下具体步骤：
设定平行光源在样品池附近区域的平均照明强度；
摄取磁性微球悬液的静态照片并读取RGB颜色信息；
将RGB色彩值转换到HSV色彩值，计算得到色度信息。
本发明验证了采用彩色摄像机计算色度值的准确度，在色度不严重偏黑或偏白的情况下与标准比色卡有较好的准确性。
进一步地，本发明公开了上述的磁性微球基本物理参数的测量方法在测量磁性微球沉降速率中的应用。
在测量沉降速率的应用中包括以下具体步骤：
预先对摄像模块进行标定并矫正摄像头模块与样品池的空间坐标，得到影像信息中像素与距离的绝对比值；
将均匀分散的磁性微球悬液置于样品池中；
摄像记录一段时长获取磁性微球悬液中的影像信息；
截取影像信息中感兴趣的目标区域；
对于目标区域的特征值进行提取及结合数据绘图，得到磁性微球浓度场在重力场中的时间-空间分布；
通过拟合数据、折算真实距离-时间值得到沉降速率。
本发明还公开了上述的磁性微球基本物理参数的测量方法在测量磁性微球表观磁响应速率中的应用。
本装置考虑使用的是非匀强磁场环境，因此磁性微球在本装置中运动利用严格的解析式或者数值方法计算成本都比较高。为了测量上的实用性规定表观磁响应速率由平均磁泳速率来表征，即最顶层的磁性微球从顶层移动到底层的平均速率作为磁响应速率的表观参数。
另外，从长期对磁性微球的表征可以总结出沉降测量的时-空灰度分布图、磁响应时-空分布图对磁性微球多分散性的相关性。粒径均一度高的磁性微球沉降过程会有一条清晰明确的直线型相分界线，如果该直线从低灰度到高灰度过渡区域模糊及跨度较大时判断该磁性微球粒径均一性差，更甚者，如果相界面几乎无法确定说明该磁性微球从几纳米到几十微米粒径都可能大量存在。对于磁含量均一的磁性磁响应沉降过程会有一条清晰明确的曲线型相分界线，如果该曲线从低灰度到高灰度过渡区域模糊及跨度较大时判断该磁性微球磁含量不统一，更甚者，如果无明显相界面说明该磁性微球可能大量存在低磁含量微球。
具体例1
本发明实施例公开的一种测量磁性微球基本物理参数的实验装置，装置原理构造如图1所示，主要由摄像头模块1、样品池2、外源磁体3、光源5及支架4组成，其中前四种组件通过支架4组装，以固定各个模块的相对位置。本发明实施例提供的装置主体支架设计如图2所示，所有平面板状结构厚度都为2mm，指定各个外接模块预留尺寸及支架本身尺寸，支架由DSM IMAGE8000树脂材料以0.05mm的精度3D打印制造。
摄像头模块1和样品池2尺寸具体如下：摄像头模块1为USB彩色工业摄像头，具体参数为cmos感光器、6mm焦距、1080p无畸变型号，长、宽、高均为35mm；
样品池2为直径15mm、高45mm的4mL玻璃样品瓶。
外源磁体3为直径12mm、高4mm的圆柱体铷铁硼永久磁铁。光源5使用色温为4500K的荧光灯作为光源，样品池2前入射光照度为10001x。
具体例2
本具体例为磁性微球基本物理参数的测量方法在测量磁性微球色度中的应用。
取3μm均粒磁性微球，由海狸生物医学工程有限公司提供，磁含量～20％，粒径3.0um，CV＝2.7％，水分散液，浓度为10mg/mL，取4mL置于玻璃样品池中，剧烈震荡30s后转移到测量装置进行图像摄取。将获得的图片截取完全只含有磁性微球悬液的区域，求该区域的RGB三平均值，然后转换成HSV色彩空间中的对应值，记录下H值，此即为测量所得色度值。
本实验将此方法用于标准比色卡的色度测量，得到的结果如图4所示，线性相关较好。
具体例3
本具体例为磁性微球基本物理参数的测量方法在测量磁性微球沉降速率中的应用。
在恒定温度为25度的室内，将3μm磁性微球水分散液，浓度为10mg/mL，取4mL置于玻璃样品池中，剧烈震荡30s后转移到测量装置进行影像摄取，拍摄帧数为1fps，测量时间为4h。将获得的影像视频截取完全只有磁性微球悬液的区域，逐帧求该区域沿垂直方向各个位置的灰度平均值，然后组合成时-空灰度分布图，参考图片5、6和7示意。在时-空灰度分布图中明显存在一条由高灰度与低灰度相隔的直线，该直线指示磁性微球悬液相界面的移动为匀速直线运动，通过直线拟合即可得到对应的像素沉降速率。图8所示沉降时-空灰度分布图计算得到3μm磁性微球在25度下的沉降速率为6.72×10-7m/s。
具体例4
本具体例为磁性微球基本物理参数的测量方法在测量磁性微球表观磁响应速率中的应用。
在恒定温度为25度的室内，将3μm均粒磁性微球水分散液，浓度为10mg/mL，取4mL置于玻璃样品池中，剧烈震荡30s后转移到测量装置进行影像摄取，拍摄帧数为1fps，测量时间为15min，注意本实验中装置在样品池地下预留位置加装一个圆柱形磁铁。按照具体例3中方法拍摄悬液的磁响应视频，经过区域截取，灰度转换后得到的时-空分布图中相界面为弯曲曲线，将磁作用达到终点的像素-时间位置记录下来，按照距离-像素比转换成单独的距离、时间数值，将该距离除以时间即可得到磁响应平均速率。如图8所示，计算所得3微米磁性微球在25度下的表观磁响应速率为9.5×10-5m/s。
实例5磁性微球粒径多分散性及磁含量多分散性的定性判断
将任意一款磁性微球按照具体例3和具体例4进行沉降速率、磁响应速率测量后，通过相应的时-空灰度分布图中相界面曲线的清晰度可以迅速判断磁性微球的粒径多分散性及磁含量多分散性情况。上述具体例3和具体例4中相界面清晰，说明该磁性微球粒径均一且每个磁性微球磁含量接近相同。
本发明具有以下有益效果：
1、现有技术中磁性微球物理性能测量往往需要一些大型设备，如激光粒度仪、扫描电镜、热失重分析仪及振动磁强计等，本发明采用小型光学摄像设备，能够在最大化节约成本；
2、本发明通过直接摄取照片计算得到色度信息，通过沉降速率可以推知粒径、密度信息，通过磁相应平均速率可以推知饱和磁化强度信息，通过微球载体与复合磁性微球的沉降差异可以推知磁含量信息；
3、本发明有利于严格控制磁性微球产品的质量，可以监控磁性微球生产中实时提供产品各方面物理、化学参数稳定的信息，一旦发现某段时间出现异常数据，可以认定该批次生产的磁性微球存在质量问题，作为质检标准简单、经济且实用。
以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种磁性微球基本物理参数的测量方法在测量磁性微球沉降速率中的应用，其特征在于，通过测量磁性微球基本物理参数的实验装置，磁性微球基本物理参数的测量方法包括以下步骤：
S1、获取磁性微球或磁性微球悬液的影像信息；
S2、从影像截取目标区域，提取相应的特征值；
S3、通过预设算法获取磁性微球基本物理参数；
其中，在测量沉降速率的应用中包括以下具体步骤：
预先对摄像模块进行标定并矫正摄像头模块与样品池的空间坐标，得到影像信息中像素与距离的绝对比值；
将均匀分散的磁性微球悬液置于样品池中；
摄像记录一段时长获取磁性微球悬液中的影像信息；
截取影像信息中感兴趣的目标区域；
对于目标区域的特征值进行提取及结合数据绘图，得到磁性微球浓度场在重力场中的时间-空间分布；
通过拟合数据、折算真实距离-时间值得到沉降速率；
其中，所述测量磁性微球基本物理参数的实验装置包括：摄像头模块、样品池、外源磁体、支架和光源；
所述摄像头模块包括拍摄单元和影像分析单元；所述拍摄单元，用于获取磁性微球或磁性微球悬液的影像信息；所述影像分析单元，用于通过预设算法获取磁性微球基本物理参数；
所述样品池，用于容纳待测量的磁性微球悬液；所述样品池设置于所述摄像头模块的成像区域内；
所述支架用于支撑并固定所述摄像头模块、样品池、外源磁体和光源；
所述光源用于发射出平行光源光束，所述平行光源光束穿过所述样品池传递至所述摄像头模块；
所述影像分析单元包括剪辑子单元、特征提取子单元和影像处理子单元；
所述剪辑子单元，用于从影像信息中截取目标区域影像；
所述特征提取子单元，用于从目标区域影像中提取相关特征值；
所述影像处理子单元，用于通过影像数据处理算法将提取的特征值推算为磁性微球基本物理参数信息；
所述磁性微球基本物理参数信息包括色度、沉降速率或磁响应速率信息；
所述影像信息包括所述磁性微球悬液混合均匀、所述磁性微球沉降或外源磁场下所述磁性微球磁泳的影像信息。
2.根据权利要求1所述的磁性微球基本物理参数的测量方法在测量磁性微球沉降速率中的应用，其特征在于，所述实验装置放置于一封闭箱体以规避外界环境光照条件的影响。
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