CN107462847A - 一种磁纳米颗粒检测装置 - Google Patents

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    • G01N27/74—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables of fluids
    • G01N27/745—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables of fluids for detecting magnetic beads used in biochemical assays

Abstract

一种磁纳米颗粒检测装置，包括由电源、线圈系统和信号数据处理系统组成。电源的输出端与线圈系统相连；线圈系统由偏置磁场发生线圈(3)、低频激励磁场发生线圈(4)、高频激励磁场发生线圈(5)和感应线圈(6)组成。感应线圈(6)的一端与信号数据处理系统输入端相连，输出检测信号。信号数据处理系统的前置放大器的输出端与数据采集分析装置的输入端相连。偏置磁场发生线圈(3)、低频激励磁场发生线圈(4)、高频激励磁场发生线圈(5)和感应线圈(6)共轴同心嵌套。偏置磁场发生线圈(3)、低频激励磁场发生线圈(4)和高频激励磁场发生线圈(5)产生的磁场在线圈中心叠加形成磁纳米颗粒检测磁场，位于感应线圈(6)的一侧。

Description

一种磁纳米颗粒检测装置
技术领域
本发明涉及一种磁纳米颗粒检测装置。
背景技术
非线性磁化检测技术基于Langevin顺磁理论，利用激励磁场中被检测对象磁化场随激励磁场非线性变化的特性，实现样品中磁纳米颗粒的含量检测。
磁纳米颗粒是一种纳米级(1～100nm)磁性材料。在磁场中，当温度高于转变温度且低于居里温度时，磁纳米颗粒的磁矩远大于原子磁矩，呈超顺磁性，无矫顽力和剩磁，磁滞回线重合成一条曲线。磁纳米颗粒主要有三种类型，一是铁氧体颗粒，主要有γ-Fe2O3、MeFe2O4(Me＝Co，Ni，Mn)和Fe3O4颗粒等；二是金属型颗粒，主要有Fe、Co、Ni及其合金颗粒；三是氮化铁颗粒，Fe-N化合物主要有FeN、Fe2N、ε-Fe3N、Fe16N2等。磁纳米颗粒具有量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应及宏观量子隧道效应等磁学效应，具有良好的磁导向性、生物相容性和生物降解性，可以结合酶、DNA、蛋白质等生物功能分子，在生物高分子纯化、细胞分离、药物靶向运输、磁热疗、增强磁共振成像对比度、磁颗粒成像、磁免疫探针、农兽药残留检测等生物医学领域应用广泛。
欧洲专利EP1262766B1中提出了混合频率激励检测磁纳米颗粒原理，提出了多种基于该检测原理的检测装置拓扑结构。该专利只涉及该检测方法的理论分析，没有关于检测装置的具体设计方案。
欧洲专利EP2224236B1中提出了一种测量磁性材料磁化来实现生物分子检测的装置，对检测装置的线圈系统设计进行了叙述。利用两个空心圆柱线圈产生高频激励磁场和低频激励磁场，在线圈中心叠加形成混合频率激励磁场，感应线圈采用差分结构，检测区位于感应线圈的一侧。根据专利中提出的线圈结构难以实现满足检测需要的检测磁场条件，磁场强度难以满足检测需要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有高强度激励磁场实现难度大，磁纳米颗粒磁化饱和度低，谐波较弱的缺点，提出一种磁纳米颗粒检测装置。本发明可以提高磁纳米颗粒磁化饱和度，实现磁纳米颗粒检测。
本发明基于以下原理：偏置磁场H驱使磁纳米颗粒磁化趋向饱和，低频激励磁场Hf1与偏置磁场H方向相同时，磁纳米颗粒磁化饱和度更高，磁化呈非线性。低频磁场Hf1和高频磁场Hf2共同作用，Hf1>Hf2，f1<<f2，磁化信号中包含一系列磁纳米颗粒非线性磁化产生的谐波信号。低频激励磁场Hf1与偏置磁场H方向相反时，磁纳米颗粒磁化未饱和，磁化呈线性。测量频率为fi＝mf1+nf2谐波的频谱，m和n是不同时为0的整数，可实现磁纳米颗粒的检测。
本发明检测装置包括电源、线圈系统和信号数据处理系统。电源的输出端与线圈系统相连，线圈系统由一个偏置磁场发生线圈、一个低频激励磁场发生线圈、一个高频激励磁场发生线圈和一个感应线圈组成；感应线圈的一端与信号数据处理系统输入端相连，输出检测信号。
所述的电源包括一个直流电源、一个交流电源和一个高频交流电源，直流电源与线圈系统的偏置磁场发生线圈相连，低频交流电源与线圈系统的低频激励磁场发生线圈，高频交流电源与线圈系统的高频激励磁场发生线圈相连。低频交流电源由低频信号发生装置和第一功率放大电路组成，高频交流电源由高频信号发生装置和第二功率放大电路组成，高频信号发生装置、低频信号发生装置的信号输出端分别与相应的功率放大电路的输入端相连。
所述的线圈系统的偏置磁场发生线圈、低频激励磁场发生线圈、高频激励磁场发生线圈和感应线圈共轴嵌套，四个线圈的几何中心重合于一点。所述的偏置磁场线圈采用亥姆霍兹线圈结构，低频激励磁场发生线圈和高频激励磁场发生线圈采用空心圆柱线圈结构或亥姆霍兹线圈结构；感应线圈为差分结构，组成感应线圈的两部分匝数相等，绕向相反，磁纳米颗粒位于感应线圈的一侧。
所述的信号数据处理系统由前置放大器和数据采集分析装置组成，前置放大器的输出端与数据采集分析装置的输入端相连。前置放大器对感应电压信号进行放大、滤波处理，数据采集分析装置对信号进行A/D转换、傅里叶分析、频谱测量及结果输出等。
直流电源驱动偏置磁场发生线圈，产生偏置磁场H。高频信号发生装置和低频信号发生装置分别产生高频交变信号和低频交变信号，分别经两个功率放大电路驱动低频激励磁场发生线圈产生低频交变磁场Hf1，高频激励磁场发生线圈产生高频交变磁场Hf2。三个线圈产生的磁场在线圈系统中心叠加形成磁纳米颗粒检测激励磁场。偏置磁场H驱使磁纳米颗粒磁化趋向饱和，低频激励磁场Hf1与偏置磁场H方向相同时，磁纳米颗粒磁化饱和度更高，磁化呈非线性，低频磁场Hf1和高频磁场Hf2共同作用，磁化信号中包含一系列磁纳米颗粒非线性磁化产生的谐波信号；低频激励磁场Hf1与偏置磁场H方向相反时，磁纳米颗粒磁化未饱和，磁化呈线性。利用感应线圈对磁纳米颗粒磁化场进行检测，输出感应电压信号。前置放大器对电压信号进行放大、滤波处理，数据采集分析装置对信号进行A/D转换、傅里叶分析，测量频率为fi＝mf1+nf2谐波的频谱，m和n是不同时为0的整数，输出检测结果，实现磁纳米颗粒的检测。
感应线圈为差分结构，磁纳米颗粒检测区位于感应线圈的一侧，可以实现磁纳米颗粒磁化信号检测，同时削弱环境磁场对检测造成的干扰，提高检测精度。
偏置磁场驱使磁纳米颗粒在低频激励磁场的正半周和负半周磁化信号不对称，检测信号的既包含奇次谐波，也包含偶次谐波，信号的傅里叶频谱更丰富，有利于提高检测的信噪比。
本发明基于磁纳米颗粒非线性磁化特性，研制磁纳米颗粒检测装置，可以用于与磁纳米颗粒应用相关的检测工作，如生物高分子纯化、细胞分离、药物靶向运输、磁热疗磁免疫探针、农兽药残留检测等生物医学领域的研究与应用。
附图说明
图1为偏置磁场下混合频率激励非线性磁化检测原理图；
图2为本发明检测装置结构图；
图中：图1a激励磁场曲线，图1b磁纳米颗粒非线性磁化曲线，图1c磁纳米颗粒磁化场曲线，图1d感应线圈输出信号曲线，图1e感应线圈输出信号傅里叶频谱；
图3为线圈系统结构示意图；
图中：3偏置磁场发生线圈，4低频激励磁场发生线圈，5高频激励磁场发生线圈，6感应线圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
本发明磁纳米颗粒检测装置基于偏置磁场下混合频率激励非线性磁化检测原理。如图1a所示为激励磁场曲线，由偏置磁场H、低频磁场Hf1和高频磁场Hf2叠加而成；图1b为磁纳米颗粒非线性磁化曲线，由图1a、图1b的对应关系得到激励磁场中磁纳米颗粒磁化信号曲线MD(t)，如图1c所示；图1d为感应线圈输出电压信号u(t)，对其进行傅里叶分析，得到图1e所示的傅里叶频谱通过测量频率为fi＝mf1+nf2谐波的频谱实现磁纳米颗粒检测，m和n是不同时为0的整数。
图1d中电压信号曲线的正半轴和负半周不完全对称，信号中既包含奇次谐波，也包含偶次谐波，图1e中信号的傅里叶频谱更丰富，有利于提高检测信噪比。
如图2所示，本发明检测装置包括电源、线圈系统和信号数据处理系统。电源的输出端与线圈系统相连。线圈系统由一个偏置磁场发生线圈、一个低频激励磁场发生线圈、一个高频激励磁场发生线圈和一个感应线圈组成。线圈系统中的感应线圈的一端与信号数据处理系统输入端相连，输出检测信号。
所述的电源包括直流电源、低频交流电源和高频交流电源。直流电源与偏置磁场发生线圈相连，低频交流电源与低频激励磁场发生线圈相连，高频交流电源与高频激励磁场发生线圈相连。低频交流电源由低频信号发生装置和第一功率放大电路1组成，低频信号发生装置的信号输出端与第一功率放大电路1的输入端相连；高频交流电源由高频信号发生装置和第二功率放大电路2组成，高频信号发生装置的信号输出端与第二功率放大电路2的输入端相连。
前置放大器和数据采集分析装置组成信号数据处理系统。前置放大器的输出端与数据采集分析装置的输入端相连。
直流电源驱动偏置磁场发生线圈产生偏置磁场，低频交流电源驱动低频磁场发生线圈产生低频激励磁场，高频交流电源驱动高频激励磁场发生线圈产生高频激励磁场，在线圈系统中心位置叠加产生均匀度较高的磁纳米颗粒检测激励磁场。磁纳米颗粒在检测激励磁场中被磁化产生磁化信号，感应线圈检测磁化信号输出感应电压信号，由信号数据处理系统进行处理，输出检测结果。
如图3所示，线圈系统由偏置磁场发生线圈3、低频激励磁场发生线圈4和高频激励磁场发生线圈5，感应线圈6共轴嵌套而成，四个线圈的几何中心重合于一点。激励磁场发生线圈3为亥姆霍兹线圈结构，低频激励磁场发生线圈4为空心圆柱线圈结构或亥姆霍兹线圈结构，高频激励磁场发生线圈5为空心圆柱线圈结构或亥姆霍兹线圈结构，感应线圈6采用差分结构，磁纳米颗粒检测区位于感应线圈的一侧，磁纳米颗粒检测区位于线圈系统中心附近激励磁场均匀度较高的位置，检测过程中，磁纳米颗粒放置在该检测区域中。
直流电源驱动偏置磁场发生线圈3，产生偏置磁场H；由信号发生装置1和第一功率放大电路1组成的低频交流电源驱动低频激励磁场发生线圈4产生低频交变磁场Hf1；由信号发生装置2和第二功率放大电路2组成的高频交流电源驱动高频激励磁场发生线圈5产生高频交变磁场Hf2。偏置磁场H、低频磁场Hf1和高频磁场Hf2在线圈系统中心叠加形成磁纳米颗粒检测激励磁场。偏置磁场H驱使磁纳米颗粒磁化趋向饱和，低频激励磁场Hf1与偏置磁场H方向相同时，磁纳米颗粒磁化饱和度更高，磁化呈非线性，低频磁场Hf1和高频磁场Hf2共同作用，磁化信号中包含一系列磁纳米颗粒非线性磁化产生的谐波信号；低频激励磁场Hf1与偏置磁场H方向相反时，磁纳米颗粒磁化未饱和，磁化呈线性。利用感应线圈6对磁纳米颗粒磁化场进行检测，输出感应电压信号。前置放大器对电压信号进行放大、滤波处理，数据采集分析装置对信号进行，A/D转换、傅里叶分析，测量频率为fi＝mf1+nf2谐波的频谱，m和n是不同时为0的整数，输出检测结果，实现磁纳米颗粒的检测。

Claims (3)

1.一种磁纳米颗粒检测装置，其特征在于：所述的检测装置包括电源、线圈系统和信号数据处理系统；电源的输出端与线圈系统相连，所述的线圈系统由偏置磁场发生线圈(3)、低频激励磁场发生线圈(4)、高频激励磁场发生线圈(5)和感应线圈(6)组成；感应线圈(6)的一端与信号数据处理系统输入端相连，输出检测信号；所述的信号数据处理系统由前置放大器和数据采集分析装置组成，前置放大器的输出端与数据采集分析装置的输入端相连；所述的偏置磁场发生线圈(3)、低频激励磁场发生线圈(4)、高频激励磁场发生线圈(5)和感应线圈(6)共轴嵌套，四个线圈的几何中心重合于一点；偏置磁场发生线圈(3)、低频激励磁场发生线圈(4)和高频激励磁场发生线圈(5)产生的磁场在线圈系统中心叠加形成磁纳米颗粒检测磁场，磁纳米颗粒检测区位于感应线圈(6)的一侧。
2.根据权利要求1所述的磁纳米颗粒检测装置，其特征在于：偏置磁场发生线圈(3)为亥姆霍兹线圈结构，低频激励磁场发生线圈(4)为亥姆霍兹线圈或空心圆柱线圈结构，高频激励磁场发生线圈(5)为亥姆霍兹线圈或空心圆柱线圈结构，感应线圈(6)采用差分结构。
3.根据权利要求1所述的磁纳米颗粒检测装置，其特征在于：所述的直流电源驱动偏置磁场发生线圈(3)产生偏置磁场H；低频信号发生装置和第一功率放大电路(1)连接组成低频交流电源，低频信号发生装置产生低频交变信号，经第一功率放大电路(1)驱动低频激励磁场发生线圈(4)产生低频交变磁场Hf1；高频信号发生装置和第二功率放大电路(2)组成高频交流电源，高频信号发生装置产生低频交变信号，经第二功率放大电路(2)驱动高频激励磁场发生线圈(5)产生高频交变磁场Hf2；偏置磁场H、低频磁场Hf1和高频磁场Hf2在线圈系统中心叠加形成磁纳米颗粒检测激励磁场；磁纳米颗粒在磁纳米颗粒检测激励磁场中被磁化，利用感应线圈(6)检测磁纳米颗粒磁化信号输出电压信号；信号数据处理系统对电压信号进行处理分析，输出检测结果。
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