CN101865981B - 一种生物内源磁颗粒检测装置 - Google Patents

Abstract

一种生物内源磁颗粒检测装置，其梯度接收线圈(6)与低温直流超导量子干涉仪(2)的输入线圈相连，低温直流超导量子干涉仪(2)与前置放大器(4)相连；低温直流超导量子干涉仪(2)与梯度接收线圈(6)和低温数据线(5)封装在低温无磁杜瓦(1)内。当磁化退磁单元(3)通过直流电流时，产生静磁场对生物样品磁化，当其通过交流电流时，产生交流磁场对生物样品退磁。移动平台与磁化退磁单元控制器(10)完成对磁化退磁单元(3)和移动平台(8)的控制信号采集与反馈控制。低温无磁杜瓦(1)、磁化退磁单元(3)、前置放大器(4)、含磁纳米颗粒生物样品(7)、移动平台(8)与无磁样品架(9)安置在磁屏蔽室(13)内。

Description

一种生物内源磁颗粒检测装置

技术领域

本发明涉及一种磁颗粒检测装置，特别涉及一种利用扫描超导量子干涉仪显微镜技术并结合磁化退磁线圈检测生物内源磁颗粒的装置。

背景技术

目前，研究发现在多种细菌、动物体内和人脑中存在磁性颗粒。这些磁性颗粒通常是由结晶赤铁矿(γ-Fe₂O₃)和磁铁矿(小粒径Fe₃O₄，超顺磁)组成，单个磁颗粒的大小通常在20纳米至100纳米之间。对这些磁颗粒磁性的检测手段通常是利用装有超导量子干涉仪传感器的磁性测量系统MPMS(Quantum Design公司制造)测量等温剩磁曲线。但是该系统需要将样品位于接收线圈中间，这样就无法获取生物内源磁颗粒的位置信息。

上世纪80年代初期，IBM公司利用超导量子干涉仪传感器搭建的扫描超导量子干涉仪显微镜能够实现对微小样品进行扫描成像，得到样品的二维磁场分布图。随后1993年伊利诺斯大学的L.N.Vu和D.J.Van.Harlingen等人，1997年德国Giessen大学的J.Dechert和Mueck等人，1999年瑞典哥德堡的A.Y.Tzalenchuk等人，2002年纳什维尔范德比尔大学的F.Baudenbacher等人分别研制了不同类型的扫描超导量子干涉仪显微镜。现有的这些扫描超导量子干涉仪显微镜既有低温超导量子干涉仪作为传感元件的也有高温超导量子干涉仪作为传感元件的，在类型上主要有冷样品和热样品两种。对冷样品类型，系统的构造相对要复杂，为了获得高的空间分辨率，超导量子干涉仪必须尽量靠近被测样品表面，甚至与被测样品贴在一起，这样需要有较为复杂的位置反馈系统。虽然冷样品类型的扫描超导量子干涉仪显微镜获得高的空间分辨率，但是在某些应用中，它还是受到一些限制，例如对样品的准确定位方面、样品的更换方面，特别不适合于生物样品的测量，因为生物样品一般只能常温常压状态下测量。对热样品，系统相对简单但牺牲了空间分辨率，这种类型的显微镜的主要优点是对被测样品几乎没有限制而且更换样品非常方便，因此常用于生物样品测量和无损检测中。这些研究均要求样品本身能发出磁信号，然而生物内源磁颗粒一般并不能发出磁信号，需要利用磁化线圈对生物内源磁颗粒进行磁化，这样就不能直接利用扫描超导量子干涉仪显微镜对含有磁颗粒的生物样品进行测量。另一方面，在测量这些生物内源磁颗粒的磁特性(如：等温剩磁曲线)时，同样需要利用线圈对样品进行磁化和退磁。

申请号为200310122728.3的中国专利高温超导量子干涉器用可调距液氮金属杜瓦描述了一种用于扫描超导量子干涉仪显微镜的标准杜瓦结构，该专利缺少磁化退磁线圈，无法实现对生物内源磁颗粒的检测，另外该杜瓦利用高温超导量子干涉仪作为磁传感器，相对低温超导量子干涉仪磁通灵敏度相差三个数量级。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足和缺陷，设计一种生物内源磁颗粒检测装置：一种具有磁化退磁单元的扫描超导量子干涉仪显微镜。

本发明生物内源磁颗粒检测装置，空间分辨率在微米级，磁场灵敏度在

级，可实现对生物内源磁颗粒的检测和磁场分布的二维成像。

本发明生物内源磁颗粒检测装置将磁化退磁单元集成到扫描超导量子干涉仪显微镜中，同时要求磁化退磁单元不影响扫描超导量子干涉仪显微镜的正常工作，即磁化场不能影响生物内源磁颗粒剩磁信号的测量。

本发明生物内源磁颗粒检测装置主要包括低温超导量子干涉仪检测单元、磁化退磁单元、生物样品二维移动平台、移动平台与磁化退磁单元控制器、数据处理系统和磁屏蔽室。其中低温超导量子干涉仪检测单元包括低温无磁杜瓦、低温直流超导量子干涉仪、前置放大器、低温数据线和梯度接收线圈。生物样品二维移动平台包括移动平台和无磁样品架。

低温超导量子干涉仪检测单元主要完成生物弱磁信号的检测采集工作。其中低温无磁杜瓦采用全无磁材料铝、紫铜和蓝宝石制作，以保证低温超导量子干涉仪工作在液氦温区(4.2K)的同时，使得梯度接收线圈最大程度的接近室温生物样品，距离最近可达几百微米。梯度接收线圈为一阶梯度计形式。一阶梯度计由两个串联的绕向相反的单匝线圈构成。一方面，这种一阶梯度计形式的接收线圈能够有效滤除远场的噪声信号，保留近场的有用信号。另一方面，相对于高阶梯度计，一阶梯度计形式的线圈制作和安装更容易。将铌钛超导丝粘贴在蓝宝石冷指上构成梯度接收线圈。梯度接收线圈通过铌钛螺钉与超导量子干涉仪传感器的输入线圈连接，将生物内源磁颗粒的磁通耦合到超导量子干涉仪超导环上。

采用磁化退磁单元是本发明区别于现有扫描超导量子干涉仪显微镜的重要特征。磁化退磁单元由磁化退磁线圈、可控直流电源和可控交流电源组成。磁化退磁线圈不能影响超导量子干涉仪的正常测量，即磁化场不能影响生物内源磁颗粒剩磁信号的测量。本发明通过调节磁化退磁线圈的位置，使超导量子干涉仪处于磁化退磁线圈磁场的对称中心位置。由于超导量子干涉仪被铌罩(低温下为超导体)屏蔽起来，所以实际上就是将梯度接收线圈置于磁化退磁线圈磁场的对称中心位置。梯度接收线圈在对称中心位置感应到一个均匀场，由此检测生物样品中磁颗粒所产生的变化磁场。本发明采用轴对称螺线管线圈配合可控直流电源和可控交流电源，实现对生物内源磁颗粒的磁化与退磁功能。磁化退磁线圈是两个缠绕在同一个空心圆柱形环氧线圈架上的螺线管线圈。螺线管线圈采用铜芯漆包线绕制。

当可控直流电源与其中一个螺线管线圈串联并通以直流电流时，该螺线管线圈中心处可产生静磁场，磁化退磁线圈作为磁化线圈使用。该线圈的功耗较低，不需要额外的冷却装置。当可控交流电源与另一个螺线管线圈串联并通以交流电流时，可产生交流磁场，磁化退磁线圈作为退磁线圈使用。

生物样品二维移动平台主要完成对样品的精准X-Y二维运动，实现对生物样品的扫描。生物样品二维移动平台由移动平台和无磁样品架组成。移动平台侧面装有直线电机驱动线圈，为了减小移动平台对梯度接收线圈的电磁干扰，利用无磁样品架将生物样品与移动平台分离。无磁样品架由玻璃钢制成，一端安装在磁化退磁线圈对称中心位置，一端固定在移动平台上。

移动平台与磁化退磁单元控制器由单片机构成。移动平台与磁化退磁单元控制器和主控计算机相连，主要完成对移动平台和磁化退磁单元的控制信号采集与反馈控制，实现其预先设定的功能：包括移动平台移动步长和移动范围的选择、磁化退磁单元磁场大小的控制、磁化退磁单元的通断功能。

数据处理系统即主控计算机，主要完成整个系统数据的处理与控制算法的实现，并显示存储测得的数据。最终分析并绘制出生物内源磁颗粒样品的磁特性曲线和二维磁场分布图。

磁屏蔽室主要实现对背景噪声和地磁场的屏蔽功能，防止生物磁纳米颗粒被地磁场重新磁化，磁屏蔽室有效空间可容纳所有设备和一个实验人员进行常规实验。墙壁采用三层硅钢板结构，适当设计层厚度和层间距，使磁屏蔽室内静磁场磁感应强度满足技术指标。

附图说明

图1是本发明生物内源磁颗粒检测装置的原理示意图；

图2是磁化退磁单元的剖面图；

图中：1低温无磁杜瓦，2低温直流超导量子干涉仪，3磁化退磁单元，4前置放大器，5低温数据线，6梯度接收线圈，7含生物内源磁颗粒生物样品，8移动平台，9无磁样品架，10移动平台与磁化退磁单元控制器，11低温直流超导量子干涉仪控制器，12数据处理系统，13磁屏蔽室，14环氧线圈架，15铜芯漆包线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步说明：

本发明主要包括：低温超导量子干涉仪检测单元、磁化退磁单元3，生物样品二维移动平台，移动平台与磁化退磁单元控制器10，数据处理系统12，磁屏蔽室13。低温超导量子干涉仪检测单元包括低温无磁杜瓦1、低温直流超导量子干涉仪2、前置放大器4、低温数据线5和梯度接收线圈6。生物样品二维移动平台包括移动平台8和无磁样品架9。

低温超导量子干涉仪检测单元如图1所示，梯度接收线圈6采用铌钛超导丝粘贴在蓝宝石冷指上，形成一阶梯度计。将梯度接收线圈6通过铅管与低温直流超导量子干涉仪2的输入线圈相连，低温直流超导量子干涉仪2通过低温数据线5与前置放大器4相连。低温直流超导量子干涉仪2与梯度接收线圈6以及低温数据线5封装在低温无磁杜瓦1内。

磁化退磁单元3如图2所示，磁化退磁线圈是两个缠绕在同一个空心圆柱形环氧线圈架14上的螺线管线圈，由铜芯漆包线15饶制而成。当可控直流电源与其中一个螺线管线圈串联并通以直流电流时，该螺线管线圈中心处可产生静磁场，磁化退磁线圈作为磁化线圈使用，对生物样品进行磁化。该线圈的功耗较低，不需要额外的冷却装置。当可控交流电源与另一个螺线管线圈串联并通以交流电流时，可产生交流磁场，磁化退磁线圈作为退磁线圈使用，对生物样品进行退磁。

低温无磁杜瓦1、磁化退磁单元3、前置放大器4、含生物内源磁颗粒生物样品7、移动平台8与无磁样品架9放置在磁屏蔽室13内。前置放大器4安装在低温无磁杜瓦1的顶部，磁化退磁单元3安装在低温无磁杜瓦1的底部，移动平台8放置在磁化退磁单元3下面，无磁样品架9位于移动平台8和磁化退磁单元3之间，一端固定在移动平台8上。含生物内源磁颗粒生物样品7放置于无磁样品架9上。移动平台与磁化退磁单元控制器10、低温直流超导量子干涉仪控制器11与数据处理系统12放置在磁屏蔽室13外部。前置放大器4与低温直流超导量子干涉仪控制器11通过数据线相连。低温直流超导量子干涉仪控制器11与数据处理系统12通过数据线相连。移动平台与磁化退磁单元控制器10通过数据线于数据处理系统相连。

磁屏蔽室13采用三层硅钢板搭建。硅钢板接缝处采用搭接的形式。

本发明的工作过程如下：

向低温无磁杜瓦1内缓慢灌入液氦，使低温直流超导量子干涉仪2处于超导温区4.2K。将处理好的含磁纳米颗粒生物样品切片7置于无磁样品架9上。通过调节移动平台8，使含生物内源磁颗粒生物样品7接近低温无磁杜瓦1的底部。

通过数据处理系统12向低温直流超导量子干涉仪控制器11发出控制信号，使低温直流超导量子干涉仪2接通电源开始处于工作状态。移动平台与磁化退磁单元控制器10发出控制信号，使磁化退磁单元3处于工作状态，通过改变电流大小，使磁化线圈产生磁化场，此时通过控制移动平台8使生物样品架9在X-Y平面做二维扫描运动。此时超导梯度线圈6将捕获磁纳米颗粒剩磁磁通，并将磁通耦合到低温直流超导量子干涉仪2的超导环中，根据超导量子干涉原理，低温直流超导量子干涉仪2将磁通转换为电流，电流转换为电压后通过低温数据线5输入前置放大器4，经放大后输入低温直流超导量子干涉仪控制器11并最终输入数据处理系统12。数据处理系统12将所得数据进行处理，分析并绘制出生物内源磁颗粒样品的磁特性曲线和二维磁场分布图。

Claims (4)

1.一种生物内源磁颗粒检测装置，其特征在于，所述的检测装置包括低温超导量子干涉仪检测单元、磁化退磁单元(3)、生物样品二维移动平台、移动平台与磁化退磁单元控制器(10)、数据处理系统(12)和磁屏蔽室(13)；低温超导量子干涉仪检测单元包括低温无磁杜瓦(1)、低温直流超导量子干涉仪(2)、前置放大器(4)、低温数据线(5)和梯度接收线圈(6)；生物样品二维移动平台包括移动平台(8)和无磁样品架(9)；梯度接收线圈(6)通过铅管与低温直流超导量子干涉仪(2)的输入线圈相连，低温直流超导量子干涉仪(2)通过低温数据线(5)与前置放大器(4)相连；低温直流超导量子干涉仪(2)与梯度接收线圈(6)和低温数据线(5)封装在低温无磁杜瓦(1)内；磁化退磁单元(3)由磁化退磁线圈、可控直流电源和可控交流电源组成；可控直流电源和可控交流电源分别与磁化退磁线圈串联；在对生物样品扫描时，生物样品二维移动平台完成对样品的X-Y方向的二维运动；移动平台与磁化退磁单元控制器(10)和主控计算机相连，完成对磁化退磁单元(3)和移动平台(8)的信号采集与反馈控制；低温无磁杜瓦(1)、磁化退磁单元(3)、前置放大器(4)、含磁纳米颗粒生物样品(7)、移动平台(8)与无磁样品架(9)安置在磁屏蔽室(13)内部；移动平台与磁化退磁单元控制器(10)、低温直流超导量子干涉仪控制器(11)与数据处理系统(12)安置在磁屏蔽室(13)外部。

2.按照权利要求1所述的生物内源磁颗粒检测装置，其特征在于，所述的梯度接收线圈(6)采用铌钛超导丝粘贴在蓝宝石冷指上，形成一阶梯度计。

3.按照权利要求1所述的生物内源磁颗粒检测装置，其特征在于，所述的磁化退磁线圈(3)是两个缠绕在同一个空心圆柱形环氧线圈架(14)上的螺线管线圈，由铜芯漆包线(15)饶制而成；当可控直流电源给其中一个螺线管线圈通以直流电流时，螺线管线圈中心处产生静磁场，磁化退磁线圈(3)作为磁化线圈使用，对生物样品进行磁化；当可控交流电源给另一个螺线管线圈通以交流电流时，螺线管线圈中心处产生交流磁场，磁化退磁线圈(3)作为退磁线圈使用，对生物样品退磁。

4.按照权利要求1所述的生物内源磁颗粒检测装置，其特征在于，所述的生物样品二维移动平台，由移动平台(8)和无磁样品架(9)组成；移动平台侧面装有直线电机驱动线圈，无磁样品架(9)位于移动平台(8)和磁化退磁单元(3)之间，无磁样品架(9)由玻璃钢制成，一端安装在磁化退磁线圈对称中心位置，一端固定在移动平台(8)上。

Images