CN109998489B - 基于微纳马达的光声信号检测与成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微纳马达应用领域，特别是涉及一种基于微纳马达的光声信号检测与成像方法，包括：S1：准备用于检测与成像的基于微纳马达的光声信号检测与成像系统；S2：电磁线圈产生磁场对微纳马达进行驱动和导向；S3：通过纳秒脉冲近红外激光光源对微纳马达进行照射，基于光热转换金属层的等离激元效应会激发周围液体的热弹性膨胀，周期性照射微纳马达产生光热转换，产生超声波光声信号；S4：超声波探测器检测接收超声波光声信号后，超声波光声信号经放大、滤波后传递信号至已启动的图像重构电脑进行算法成像。本发明可实现微纳马达在生物体内的跟踪定位成像，突破了微纳马达在生物体内难以跟踪成像的技术瓶颈。

Description

基于微纳马达的光声信号检测与成像方法
技术领域
本发明涉及微纳马达应用领域，特别是涉及一种基于微纳马达的光声信号检测与成像方法。
背景技术
2004年,第一个完整的化学催化型微纳马达诞生——Au/Pt的双金属纳米线,通过Pt催化消耗过氧化氢燃料,从而驱动马达。此后十几年内人们对微纳马达的驱动方式有了更加深入的了解，不只在化学驱动的微纳马达上硕果累累，另外还有外场驱动，诸如外磁场、电场、超声场、光等也发现很多新型马达。这些外场驱动的马达对于微纳马达在生物体内的应用极其重要，因其不像化学驱动的微纳马达需要化学燃料，故可应用于生物体内的药物运输，生物传感以及微修复等。
外场驱动中的磁场驱动具有最大的生物应用前景，就目前所知，磁场驱动的方式主要有螺旋推进型、摆动型以及表面作用驱动型。综合来看，前两种微纳马达主要是利用电沉积或者微纳米加工等手段来进行制备，制备过程较为复杂，而后很多研究学者根据类似旋转运动的方法开辟了一种新的微纳马达制备方法，即表面作用驱动型。但制得的马达驱动速度较低。
而近年来微纳米研究领域更是如日中天，蓬勃发展，很多大奖均颁发给业界知名的研究者，如2016年的诺贝尔化学奖颁发给了分子机器人的研究者。
而其他先进技术的发展也为微纳马达在生物体内的应用提供了可能性，如近年发展起来的光声成像技术。光声成像是利用物质的光声效应来成像的技术，当光热转换效率高的物质在纳秒脉冲激光照射下时会使周围的液体产生热弹性膨胀，周期性的调制入射脉冲激光实现周期性产生热弹性膨胀从而产生光声信号，经过超声波探测器检测产生的光声信号并进行图像重构。光声成像技术可分为三类：光声断层成像(photoacoustictomography,PAT)、光声显微成像(photoacoustic microscopy,PAM)以及光声内窥成像(intravascular photoacoustic imaging，IVPAI)。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微纳马达的光声信号检测与成像方法，可实现微纳马达在生物体内的跟踪定位成像，突破了微纳马达在生物体内难以跟踪成像的技术瓶颈。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
基于微纳马达的光声信号检测与成像方法，所述基于微纳马达的光声信号检测与成像方法包括：
S1：准备用于检测与成像的基于微纳马达的光声信号检测与成像系统，该系统包括由一侧半球面上依次溅射铁磁性金属层和光热转换金属层的基体球体构成的微纳马达、盛装去离子水的容器、纳秒脉冲近红外激光光源、超声波探测器、功率放大器、滤波器、电磁线圈和装有成像算法软件的图像重构电脑；所述微纳马达位于容器内；所述超声波探测器的输出端电连接功率放大器的输入端；所述功率放大器的输出端电连接滤波器的输入端；所述滤波器的输出端电连接图像重构电脑；所述纳秒脉冲近红外激光光源、超声波探测器和电磁线圈分别电连接电源；
S2：启动电磁线圈，电磁线圈产生磁场对微纳马达进行驱动和导向；
S3：启动纳秒脉冲近红外激光光源，通过纳秒脉冲近红外激光光源产生的纳秒脉冲近红外激光对微纳马达进行照射，基于光热转换金属层的等离激元效应会激发周围液体的热弹性膨胀，周期性照射微纳马达产生光热转换，产生超声波光声信号；
S4：启动超声波探测器，超声波探测器检测接收超声波光声信号后，超声波光声信号经功率放大器放大后，经滤波器进行滤波处理，滤波后传递信号至已启动的图像重构电脑进行算法成像。
所述容器为洁净培养皿、毛细管或者PDMS衬底上的微流道中的一种。
所述纳秒脉冲近红外激光光源的波长范围为780nm-808nm，脉冲脉宽为10-15纳秒。
所述超声波探测器为商用64通道线性阵列US换能器，超声波探测器的型号为：L15-4；超声波探测器的中心频率为8MHz；所述功率放大器为低频功率放大器所述功率放大器为低频功率放大器。
所述电磁线圈磁场强度为1-8mT。
所述微纳马达的尺寸为10-30μm。
所述微纳马达上溅射的铁磁性金属层的厚度为15nm；所述微纳马达上溅射的光热转换金属层的厚度为20nm。
所述铁磁性金属层为金属Ni、金属Fe、金属Co、Fe-Ni合金、Fe-Co合金或者Ni-Co合金中的一种；所述光热转换层为金属Au。
所述基体球体为聚苯乙烯球、二氧化硅球或者PMMA球中的一种。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种基于微纳马达的光声信号检测与成像方法，可实现微纳马达在生物体内的跟踪定位成像，突破了微纳马达在生物体内难以跟踪成像的技术瓶颈；简化了微纳马达的驱动导向机制，通过移动或者增强磁场可实现微纳马达驱动，通过左右变换磁场方向可实现微纳马达集群，改变磁场强度可改变微纳马达运动速度，改变磁场方向可改变微纳马达运动方向。
附图说明
图1是本发明的微纳马达驱动原理图；
图2是本发明的光声成像机理图；
图3是本发明的微纳马达制备流程示意图；
图4是本发明的微纳马达结构示意图。
图中：微纳马达1；铁磁性金属层1-1；光热转换金属层1-2；基体球体1-3；容器2；纳秒脉冲近红外激光光源3；超声波探测器4；电磁线圈5；图像重构电脑6。
具体实施方式
下面结合附图1-4对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式一：
如图1-4所示，基于微纳马达的光声信号检测与成像方法，所述基于微纳马达的光声信号检测与成像方法包括：
S1：准备用于基于微纳马达的光声信号检测与成像的检测成像系统，该系统包括由一侧半球面上依次溅射铁磁性金属层1-1和光热转换金属层1-2的基体球体1-3构成的微纳马达1、盛装去离子水的容器2、纳秒脉冲近红外激光光源3、超声波探测器4、功率放大器、滤波器、电磁线圈5和装有成像算法软件的图像重构电脑6；所述微纳马达1位于容器2内；所述超声波探测器4的输出端电连接功率放大器的输入端；所述功率放大器的输出端电连接滤波器的输入端；所述滤波器的输出端电连接图像重构电脑6；所述纳秒脉冲近红外激光光源3、超声波探测器4和电磁线圈5分别电连接电源；
S2：启动电磁线圈5，电磁线圈5产生磁场对微纳马达1进行驱动和导向；
S3：启动纳秒脉冲近红外激光光源3，通过纳秒脉冲近红外激光光源3产生的纳秒脉冲近红外激光对微纳马达1进行照射，基于光热转换金属层1-2的等离激元效应会激发周围液体的热弹性膨胀，周期性照射微纳马达1产生光热转换，产生超声波光声信号；
S4：启动超声波探测器4，超声波探测器4检测接收超声波光声信号后，超声波光声信号经功率放大器放大后，经滤波器进行滤波处理，滤波后传递信号至已启动的图像重构电脑6进行算法成像。
本发明中所述的微纳马达1为“双面神”基体球体1-3结构，所述基体球体1-3的半球面上离子溅射有铁磁性金属层1-1以及光热转换金属层1-2，此微纳马达1的制备工艺简单，驱动效率以及导向效率极高，可通过简单的磁场进行驱动、集群和方向控制，由于外磁场的磁化作用使得每个球形微纳马达1均被磁化从而使相邻的微纳马达1连接在一起，且由于磁力线原因最终导致微纳马达1多个排成一列向前运动从而实现微纳马达1的集群；此外，在纳秒脉冲近红外激光光源3的纳秒脉冲近红外激光照射下该微纳马达1由于光声效应会产生光声信号，经过超声波探测器4检测以及后续图像重建可实现生物体内的微纳马达1实时跟踪。
具体实施方式二：
如图1-4所示，所述容器2为洁净培养皿、毛细管或者PDMS衬底上的微流道中的一种。
具体实施方式三：
如图1-4所示，所述纳秒脉冲近红外激光光源3的波长范围为780nm-808nm，脉冲脉宽为10-15纳秒。
具体实施方式四：
如图1-4所示，所述的基于微纳马达的光声信号检测与成像方法，所述超声波探测器4为商用64通道线性阵列US换能器，超声波探测器4的型号为：L15-4，超声波探测器4的中心频率为8MHz；所述功率放大器为低频功率放大器。图像重构电脑6进行算法成像属于现有技术，具体流程是：商用64通道线性阵列US换能器采集的信号经过与商用64通道线性阵列US换能器配套的US主机将信息发送至图像重构电脑6上，经过现有的光声断层扫描技术进行成像。
具体实施方式五：
如图1-4所示，所述电磁线圈5磁场强度为1-8mT。
具体实施方式六：
如图1-4所示，所述微纳马达1的尺寸为10-30μm。
具体实施方式七：
如图1-4所示，所述微纳马达1上溅射的铁磁性金属层1-1的厚度为15nm；所述微纳马达1上溅射的光热转换金属层1-2的厚度为20nm。实验表明铁磁性金属层1-1过厚会导致整体质量加重，于驱动不利，较薄会导致磁场对微纳马达1不能驱动。光热转换金属层1-2较薄会导致产生的光热转换率较低，从而产生的光声信号弱，若过厚也会加重微纳马达1质量。综合以上因素，铁磁性金属层1-1厚15nm，光热转换层厚度20nm比较合适。
具体实施方式八：
如图1-4所示，所述铁磁性金属层1-1为金属Ni、金属Fe、金属Co、Fe-Ni合金、Fe-Co合金或者Ni-Co合金中的一种；所述光热转换层为金属Au。
具体实施方式九：
如图1-4所示，所述基体球体1-3为聚苯乙烯球、二氧化硅球或者PMMA球中的一种。本发明所说的基体球体1-3，是指两个半球面为不同材料的球体。
基体球体1-3的尺寸为10-30μm；实验表明，基体球体1-3尺寸小于10μm对于光声成像影响极大，致使分辨率不足，且基体球体1-3受布朗运动影响较严重。基体球体1-3尺寸过大将导致微纳马达1驱动不易，微纳马达1速度较低，综合以上情况10μm基体球体1-3效果较好。
具体实施方式十：
微纳马达1制备过程：
步骤1：将10μm的聚苯乙烯球在载玻片上铺展成单层；
步骤2：采用离子溅射法先溅射一层厚度为15nm的Ni金属层；再溅射一层厚度为20nm的Au层；
步骤3：将溅射完的载玻片放入装有适量去离子水的培养皿并放入超声波清洗机进行10-15秒的超声；
步骤4：超声完毕后收集所有的液体并进行多次离心以得到所需微纳马达1的水溶液。
所述微纳马达1的基体材质也可为二氧化硅球或者PMMA球。
所述金属Ni亦可替换为Fe，Co，Fe-Ni、Fe-Co、Ni-Co合金等。
驱动机理：如图1所示即为驱动机理，平面上放置的四个电磁线圈5分别通电，产生四个方向、不同大小的磁场，在磁场作用下，溅射有铁磁性金属层1-1的微纳马达1可前进可左右移动；改变电磁线圈5通电电流大小可改变微纳马达1运动速度。
光声成像机理：如图2所示，置于容器2上的微纳马达1样品经过纳秒脉冲近红外激光光源3的纳秒脉冲近红外激光照射，基于Au颗粒的等离激元效应会激发周围液体的热弹性膨胀，周期性照射微纳马达1从而产生光声信号，也即是超声波，通过超声波探测器4检测产生的光声信号后进行图像重构。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于微纳马达的光声信号检测与成像方法，其特征在于，所述基于微纳马达的光声信号检测与成像方法包括：
S1：准备用于基于微纳马达的光声信号检测与成像的检测成像系统，该系统包括由一侧半球面上依次溅射铁磁性金属层(1-1)和光热转换金属层(1-2)的基体球体(1-3)构成的微纳马达(1)、盛装去离子水的容器(2)、纳秒脉冲近红外激光光源(3)、超声波探测器(4)、功率放大器、滤波器、电磁线圈(5)和装有成像算法软件的图像重构电脑(6)；所述微纳马达(1)位于容器(2)内；所述超声波探测器(4)的输出端电连接功率放大器的输入端；所述功率放大器的输出端电连接滤波器的输入端；所述滤波器的输出端电连接图像重构电脑(6)；所述纳秒脉冲近红外激光光源(3)、超声波探测器(4)和电磁线圈(5)分别电连接电源；
S2：启动电磁线圈(5)，电磁线圈(5)产生磁场对微纳马达(1)进行驱动和导向；
S3：启动纳秒脉冲近红外激光光源(3)，通过纳秒脉冲近红外激光光源(3)产生的纳秒脉冲近红外激光对微纳马达(1)进行照射，基于光热转换金属层(1-2)的等离激元效应会激发周围液体的热弹性膨胀，周期性照射微纳马达(1)产生光热转换，产生超声波光声信号；
S4：启动超声波探测器(4)，超声波探测器(4)检测接收超声波光声信号后，超声波光声信号经功率放大器放大后，经滤波器进行滤波处理，滤波后传递信号至已启动的图像重构电脑(6)进行算法成像；
所述微纳马达(1)上溅射的铁磁性金属层(1-1)的厚度为15nm；所述微纳马达(1)上溅射的光热转换金属层(1-2)的厚度为20nm；
所述铁磁性金属层(1-1)为金属Ni、金属Fe、金属Co、Fe-Ni合金、Fe-Co合金或者Ni-Co合金中的一种；所述光热转换层为金属Au。
2.根据权利要求1所述的基于微纳马达的光声信号检测与成像方法，其特征在于，所述容器(2)为洁净培养皿、毛细管或者PDMS衬底上的微流道中的一种。
3.根据权利要求1所述的基于微纳马达的光声信号检测与成像方法，其特征在于，所述纳秒脉冲近红外激光光源(3)的波长范围为780nm-808nm，脉冲脉宽为10-15纳秒。
4.根据权利要求1所述的基于微纳马达的光声信号检测与成像方法，其特征在于，所述超声波探测器(4)为商用64通道线性阵列US换能器，超声波探测器(4)的型号为：L15-4，超声波探测器(4)的中心频率为8MHz；所述功率放大器为低频功率放大器。
5.根据权利要求1所述的基于微纳马达的光声信号检测与成像方法，其特征在于，所述电磁线圈(5)磁场强度为1-8mT。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于微纳马达的光声信号检测与成像方法，其特征在于，所述微纳马达(1)的尺寸为10-30μm。
7.根据权利要求1所述的基于微纳马达的光声信号检测与成像方法，其特征在于，所述基体球体(1-3)为聚苯乙烯球、二氧化硅球或者PMMA球中的一种。
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