CN105974112A - 移动可控的无线无源磁致伸缩微型检测器及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

移动可控的无线无源磁致伸缩微型检测器及其检测方法，属于磁致伸缩微型检测器械技术领域，包括运输器和传感器，所述运输器包括基体和涂覆层，其特征是：基体为薄带状磁致伸缩材料层，薄带状基体沿宽度方向外缘设置传感器；基体单面覆盖有非磁致伸缩材料制成的涂覆层，涂覆层沿基体长度方向划分为A′部分与B′部分，A′部分与B′部分对应于基体上划分为A部分与B部分，A部分与A′部分组成驱动Ⅰ部，B部分与B′部分组成驱动Ⅱ部；驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ部分的伸缩和翘曲复合运动不同，驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ运动效果的叠加使运输器在盛装待测液的容器壁上产生位移。本发明增大了传感器表面固定的抗体与病菌的接触概率，提高了待测液病菌种类与含量分析的准确性。

Description

移动可控的无线无源磁致伸缩微型检测器及其检测方法
技术领域
本发明属于磁致伸缩微型检测器械技术领域，特别涉及移动可控的无线无源磁致伸缩微型检测器及其检测方法。
背景技术
食品安全是全球共同关注的公共卫生问题之一，事关人民群众身体健康和生命安全。据有关食品安全起因的调查结果显示，食源性疾病引发的食品安全问题是全世界当前首要的食品安全问题。世界卫生组织估计，全球每年发生食源性疾病病例高达40-60亿，且呈逐年上升趋势，其中约300万个5岁以下儿童死亡。在我国，平均每年有2 亿多人次罹患食源性疾病，即平均6.5 人中就有1 人罹患食源性疾病。根据中国疾病预防控制中心的统计报告表明，在食源性疾病中，95%以上是致病菌引起的，其发病率居各类疾病总发病率的前列。阻止被病菌污染的食品进入人类食物链的一个有效的途径就是在最初的控制点进行监测。在此背景下，研发一种高灵敏、快速、原位病菌检测技术，是食品安全防护迫切需要解决的问题。
传统检测致病菌的方法主要依赖于特异性的微生物和生化鉴定，由于其较高的稳定性被广泛用于医院和生物实验室。但是，传统检测技术操作过程复杂、费时，需要具有一定专业知识的技术人员才能完成操作，无法满足便携、快速、原位检测的现实需求。近年来，由于无线、无源、灵敏度高、操作简单、原位检测等优势，磁致伸缩生物传感器病菌检测技术吸引了广大研究者的广泛关注。但是，该传感器在检测过程中只能固定于某处，对于液体样品，只有当液体中病菌经过该位置时才能对病菌进行检测，从而获得病菌的含有情况。这种检测方法最大的缺陷就是偶然性较大。尤其是对于低浓度病菌样本，即使传感器灵敏度很高，如果病菌与传感器没有接触，也无法发挥其功能。
发明内容
为了降低检测过程的偶然性，快速准确地确认水资源及其他液体副产品，如湖泊、河流、井水、自来水、牛奶、果汁等是否有病菌造成污染，本发明提供移动可控的无线无源磁致伸缩微型检测器及其检测方法。
本发明通过以下技术方案予以实现。
移动可控的无线无源磁致伸缩微型检测器，包括运输器和传感器，所述运输器包括基体和涂覆层，其特征是：
基体为薄带状磁致伸缩材料层，沿基体宽度方向外缘设置传感器；基体单面覆盖有非磁致伸缩材料制成的涂覆层，涂覆层沿基体长度方向划分为A′部分与B′部分，A′部分与B′部分对应于基体上划分为A部分与B部分；A部分与A′部分组成驱动Ⅰ部， B部分与B′部分组成驱动Ⅱ部；
A′部分涂覆于A部分上，在交变磁场作用下，A′部分限制了A部分的伸长或者收缩运动，引起驱动Ⅰ部发生伸缩和翘曲复合运动；
B′部分涂覆于B部分上，在交变磁场作用下，B′部分限制了B部分的伸长或者收缩运动，引起驱动Ⅱ部发生伸缩和翘曲复合运动；
驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ部分的截面抗弯模量不同，从而伸缩和翘曲复合运动不同，驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ运动效果的叠加使运输器与盛装待测液体的容器内壁接触面上产生位移。
所述的传感器包括本体，本体为扁长条状，本体长度为200um~2mm，本体宽度为50~300um，本体厚度为5~30um，本体表面由内而外依次均匀溅射铬元素层与金元素层，金元素层外固定有抗体层。
铬元素层和金元素层涂覆厚度为60－150nm。
所述的传感器本体与基体一体成型制造。
沿基体宽度方向外缘设置有多个传感器，每个传感器涂覆的抗体层上携带的抗体种类各不相同。
所述的基体和本体采用磁致伸缩材料，其磁致伸缩系数大于20ppm(10-6)，所述的涂覆层采用的材料为铜或铝。
所述的磁致伸缩微型检测器用于待测液体中病菌检测，其基体长度为3~100mm，基体厚度为10~150µm，涂覆层厚度为3~150µm。
移动可控的无线无源磁致伸缩微型检测器及其检测方法检测方法，其特征是包括下述步骤：
1）、垂直于基体表面设置一组亥姆霍兹线圈，基体长度方向与亥姆霍兹线圈产生的轴向磁场平行；
2）、亥姆霍兹线圈的内圈连接直流电源，提供水平方向不大于200奥斯特磁场强度的稳恒磁场；亥姆霍兹线圈的外圈连接交流电源，提供水平方向不大于5奥斯特磁场强度的交变磁场；
调节直流电流大小和交流电流频率，随着亥姆霍兹线圈振幅和频率变化，驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ部在磁场的作用下发生翘曲运动，但驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ部翘曲程度不同，运输器上驱动Ⅰ部、驱动Ⅱ部与接触面的摩擦力大小不同，运输器产生位移变化，携带传感器产生位移变化；
3）、传感器移动过程中，抗体层与待测液中病菌发生特异性结合，病菌附着在抗体层表面上，导致传感器质量增加，传感器固有频率发生变化，通过传感器固有频率的检测，定量获得待测液体中病菌的含量；
4）、调节亥姆霍兹线圈电流频率，运输器反向运动，运输器退回初始位置。
亥姆霍兹线圈提供的外加磁场使运输器开始沿轴线方向向前运动的频率f1称为前启动频率，使运输器开始沿轴线方向向后运动的频率f2称为后启动频率，基体的谐振频率为f0，其中f1＜f0＜f2；当外加磁场频率 f1＜f＜f0时，运输器向前运动；当外加磁场频率f0＜f＜f2时，运输器向后运动。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
1、本发明仅仅采用一组亥姆霍兹线圈，通过调节可调恒（交）流源，提供交变电流和直流偏置，通过调节恒流大小及交流频率，调节磁致伸缩体的频率及振幅， 通过材料本身的物理特性和结构特性进行驱动，使得检测器在待测液中自由向前或向后移动，增大了传感器表面固定的抗体与病菌的接触概率，为准确分析待测液中病菌含量提供有力保障。
2、运输器可携带有多组传感器，对同一待测液中不同种类的病菌同时进行检测，提高了待测液中病菌检测的效率。
3、本发明可通过调节加载磁场的频率，实现运输器的逆向运输，增使得运输器在待测液中的移动更加简便。
4、本发明结构简单，无线无源，造价低廉，几乎无须维护。
附图说明
图1为省略接触面的检测器整体结构示意图。
图2为基体下表面A′部分与B′部分厚度不同时，初始状态整体结构剖视图。
图3为当f1≤f<f0时，0≤t<T/4或3T/4≤t≤T（T为一个伸缩和翘曲复合运动周期）内，检测器向驱动Ⅱ部运动时整体结构剖视图。
图4为当f1≤f<f0时，T/4≤t<3T/4（T为一个伸缩和翘曲复合运动周期）内，检测器处于静止状态时整体结构剖视图。
图5为t=0或t=T时刻检测器整体一阶振型图。
图6为t=T/4或t=3T/4时刻检测器整体一阶振型图。
图7为t=T/2时刻检测器整体一阶振型图。
图8为本发明原理图，图中f1、f2为检测器启动频率，f0为检测器谐振频率。
图9为本发明整体结构俯视图。
图10为传感器与基体接触处局部放大剖面图。
图中，1、基体，101、A部分，102、B部分，2、涂覆层，201、A′部分，202、B′部分， 3、接触面，4、亥姆霍兹线圈，41、内圈，42、外圈， 5、传感器，51、本体，52、铬元素层，53、金元素层，54、抗体层。
具体实施方式
如图1-10所示，移动可控的无线无源磁致伸缩微型检测器，包括运输器和传感器5，所述运输器包括基体1和涂覆层2，其特征是：基体1为薄带状磁致伸缩材料层，薄带状基体1沿宽度方向外缘设置传感器5；基体1单面覆盖有非磁致伸缩材料制成的涂覆层2，涂覆层2沿基体1长度方向划分为A′部分201与B′部分202，A′部分201与B′部分202对应于基体1上划分为A部分101与B部分102；A部分101与A′部分201组成驱动Ⅰ部， B部分102与B′部分202组成驱动Ⅱ部；
A′部分201涂覆于A部分101上，在交变磁场作用下，A′部分201限制了A部分101的伸长或者收缩运动，引起驱动Ⅰ部发生伸缩和翘曲复合运动；
B′部分202涂覆于B部分102上，在交变磁场作用下，B′部分202限制了B部分102的伸长或者收缩运动，引起驱动Ⅱ部发生伸缩和翘曲复合运动；
驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ部分的截面抗弯模量不同，从而伸缩和翘曲复合运动不同，驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ运动效果的叠加使运输器与盛装待测液体的容器内壁接触面3上产生位移。
沿基体1宽度方向外缘设置有多个传感器5，每个传感器5固定的抗体层54上携带的抗体种类各不相同，使得运输器在待测液中移动时，可同时对不同的病菌进行检测。
所述的基体1和本体51一体成型，二者采用相同的磁致伸缩材料，本实施例所述的涂覆层2采用的非磁致伸缩材料为铜。
本实施例中传感器5本体51为与运输器基体1一体成型。为提高本体1的灵敏度，需要使本体51的形状尺寸及质量尽可能的降低，本实施例中将本体51用细砂纸从 30µm 打磨到 15 µm以减小本体51初始质量，再用激光切割机制成其基体1长度为7.3mm，基体2厚度为27µm，涂覆层2厚度为54µm。磁致伸缩传感器本体51，然后用纯甲醇超声清洗掉本体51表面的油脂和割据过程中留下的残片，超声清洗所用功率为 235W，时间取决于传感器表面洁净度，通常清洗30～60min，本实施例中采用纯甲醇超声清洗47min。为提高本体51表面的耐蚀性和生物活性，采用美国 Moorestown，NJ公司生产的高真空RF喷溅系统，在本体51表面由内而外依次溅射涂覆厚度100nm的铬元素层52和涂覆厚度100nm的金元素层53，在金元素层53外侧采用Langmuir Blodgett技术将抗体单分子层固定在金元素层53表面，形成抗体层4。
铬元素层52可以提高本体51的耐蚀性，避免测试液体对本体51造成的腐蚀作用。
金元素层53提高了抗体层54的固定活性，使得抗体更容易固定在传感器5表面。
一种磁致伸缩蛇形移动检测器的检测方法，其特征是：包括下述步骤：
本发明提供的检测器不仅没有线路连接，也没有复杂的机械结构，通过材料本身的物理特性进行驱动，具体运动过程如下。
设运输器在磁场作用时的频率为f，本实施例中f1≤f＜f0，其中f1为运输器克服摩擦力在磁场作用下的前启动频率，f0为运输器的谐振频率。本实施例中，f0=50.8kHz，f1=50.5kHz。
1）、运输器水平放置于培养皿内，垂直于基体1表面在管道外设置一组亥姆霍兹线圈4，基体1长度方向与亥姆霍兹线圈4产生的轴向磁场平行。
2）、亥姆霍兹线圈4的内圈41连接直流电源，提供水平方向80奥斯特磁场强度的稳恒磁场；亥姆霍兹线圈4的外圈42连接交流电源，提供水平方向1.5奥斯特磁场强度的交变磁场；调节直流电流大小和交流电流频率，随着亥姆霍兹线圈4振幅和频率变化，运输器产生位移变化，使得传感器5在待测液中产生位移，其具体过程如下：
A部分101与B部分102为磁致伸缩材料，A′部分201与B′部分202为非磁致伸缩材料，同时受磁场作用时，会发生伸缩和翘曲复合运动；
设T为一个伸缩和翘曲复合运动周期：
（一）、当0≤t＜T/4时：
当亥姆霍兹线圈4发生的磁场频率达到运输器能够启动的频率——前启动频率——f1时，A部分101与B部分102同时伸长，但是：A部分101受到A′部分201的限制，A部分101与A′部分102组成的驱动Ⅰ部向下翘曲；同时B部分201受到B′部分202的限制，B部分201与B′部分202组成的驱动Ⅱ部向下翘曲；由于涂覆于基体1上的涂覆层A′部分201与B′部分202厚度不同，故A′部分201与B′部分202对其对应于基体1上的A部分101与B部分102限制作用不同，发生的非对称模态振型，使运输器与接触面之间发生非对称碰撞和摩擦, 从而产生推动力而运动，运输器向驱动Ⅱ部一侧水平方向定向移动。
（二）、当T/4t＜3T/4时：
A部分101与B部分102同时收缩，A部分101与B部分102在A′部分201与B′部分202的限制下，驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ部不同程度向上翘曲，运输器两端与接触面之间不发生非对称碰撞和摩擦，运输器处于振动状态，但无水平方向定向移动。
（三）、当3T/4≤t＜T时
驱动Ⅰ部翘曲程度较大，驱动Ⅱ部翘曲程度较小，驱动Ⅰ部与接触面产生的推动力大于驱动Ⅱ部与接触面产生的推动力，运输器向驱动Ⅱ部一侧水平方向定向运动。
所以综上所述，当外磁场频率大于运输器前启动频率f1 , 并小于固有频率f0时,运输器将持续向驱动Ⅱ部一侧水平方向运动，能够起到将检测器运输至不同位置的作用。
3）、传感器5移动过程中，抗体层54与待测液中病菌发生特异性结合，病菌附着在抗体层54表面上，导致传感器5质量增加，传感器5固有频率发生变化，通过传感器固有频率的检测，定量获得待测液体中病菌的含量。
4）、调节亥姆霍兹线圈4电流频率，使f0＜f＜f2时，其中后启动频率f2=51.1kHz时，运动原理与上述相同，运输器反向运动，运输器退回初始位置。
上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.移动可控的无线无源磁致伸缩微型检测器，包括运输器和传感器（5），所述运输器包括基体（1）和涂覆层（2），其特征是：
基体（1）为薄带状磁致伸缩材料层，沿基体（1）宽度方向外缘设置传感器（5）；基体（1）单面覆盖有非磁致伸缩材料制成的涂覆层（2），涂覆层（2）沿基体（1）长度方向划分为A′部分（201）与B′部分（202），A′部分（201）与B′部分（202）对应于基体（1）上划分为A部分（101）与B部分（102）；A部分（101）与A′部分（201）组成驱动Ⅰ部， B部分（102）与B′部分（202）组成驱动Ⅱ部；
A′部分（201）涂覆于A部分（101）上，在交变磁场作用下，A′部分（201）限制了A部分（101）的伸长或者收缩运动，引起驱动Ⅰ部发生伸缩和翘曲复合运动；
B′部分（202）涂覆于B部分（102）上，在交变磁场作用下，B′部分（202）限制了B部分（102）的伸长或者收缩运动，引起驱动Ⅱ部发生伸缩和翘曲复合运动；
驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ部分的截面抗弯模量不同，从而伸缩和翘曲复合运动不同，驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ运动效果的叠加使运输器与盛装待测液体的容器内壁接触面（3）上产生位移。
2.根据权利要求1所述的移动可控的无线无源磁致伸缩微型检测器，其特征是：所述的传感器（5）包括本体（51），本体（51）为扁长条状，本体（51）长度为200um~2mm，本体（51）宽度为50~300um，本体（51）厚度为5~30um，本体（51）表面由内而外依次均匀溅射铬元素层（52）与金元素层（53），金元素层（53）外固定有抗体层（54）。
3.根据权利要求2所述的移动可控的无线无源磁致伸缩微型检测器，其特征是：铬元素层（52）和金元素层（53）涂覆厚度为60~150nm。
4.根据权利要求1所述的一种移动可控的无线无源磁致伸缩微型检测器，其特征是：所述的传感器（5）本体（51）与基体（1）一体成型制造。
5.根据权利要求1或2或4所述的移动可控的无线无源磁致伸缩微型检测器，其特征是：沿基体（1）宽度方向外缘设置有多个传感器（5），每个传感器（5）涂覆的抗体层（54）上携带的抗体种类各不相同。
6.根据权利要求1所述的移动可控的无线无源磁致伸缩微型检测器，其特征是：所述的基体（1）和本体（51）采用磁致伸缩材料，其磁致伸缩系数大于20ppm(10-6)，所述的涂覆层（2）采用的材料为铜或铝。
7.根据权利要求1或6所述的移动可控的无线无源磁致伸缩微型检测器，其特征是：所述的磁致伸缩微型检测器用于待测液体中病菌检测，其基体（1）长度为3~100mm，基体（1）厚度为10~150µm，涂覆层（2）厚度为3~150µm。
8.移动可控的无线无源磁致伸缩微型检测器检测方法，其特征是：包括下述步骤：
1）、垂直于基体（1）表面设置一组亥姆霍兹线圈（4），基体（1）长度方向与亥姆霍兹线圈（4）产生的轴向磁场平行；
2）、亥姆霍兹线圈（4）的内圈（41）连接直流电源，提供水平方向不大于200奥斯特磁场强度的稳恒磁场；亥姆霍兹线圈（42）的外圈（42）连接交流电源，提供水平方向不大于5奥斯特磁场强度的交变磁场；
调节直流电流大小和交流电流频率，随着亥姆霍兹线圈（4）振幅和频率变化，驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ部在磁场的作用下发生翘曲运动，但驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ部翘曲程度不同，运输器上驱动Ⅰ部、驱动Ⅱ部与接触面的摩擦力大小不同，运输器产生位移变化，携带传感器（5）产生位移变化；
3）、传感器（5）移动过程中，抗体层（54）与待测液中病菌发生特异性结合，病菌附着在抗体层（54）表面上，导致传感器（5）质量增加，传感器（5）固有频率发生变化，通过传感器固有频率的检测，定量获得待测液体中病菌的含量；
4）、调节亥姆霍兹线圈（4）电流频率，运输器反向运动，运输器退回初始位置。
9.根据权利要求8所述的移动可控的无线无源磁致伸缩微型检测器检测方法，其特征是：亥姆霍兹线圈（4）提供的外加磁场使运输器开始沿轴线方向向前运动的频率f1称为前启动频率，使运输器开始沿轴线方向向后运动的频率f2称为后启动频率，基体（1）的谐振频率为f0，其中f1＜f0＜f2；当外加磁场频率 f1＜f＜f0时，运输器向前运动；当外加磁场频率f0＜f＜f2时，运输器向后运动。
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