CN110127771A - 四氧化三铁纳米颗粒的调控聚集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种四氧化三铁纳米颗粒的调控聚集方法，包括以下步骤：步骤一，设置磁调控系统，该磁调控系统包括电源模块、通断控制模块和磁控装置，电源模块的输出端组经通断控制模块向磁控装置分时分区分压供电，磁控装置包括至少两个线圈对，线圈对包括两组极化线圈组和两个推动线圈，极化线圈组包括单向极化区，同一对的两个单向极化区互有交叉，形成双向极化区；不同对的线圈对的双向极化区互有交叉，以形成磁调控区；步骤二，将分散的磁颗粒置于所述磁调控区；步骤三，对所述磁控装置通电，从各个方向推动磁颗粒聚集。采用本发明的有益效果是，依次对各个方向上的极化线圈组和推动线圈通电，逐渐推动磁颗粒从相应的方向向磁调控区中心运动，高度可控地实现磁颗粒的聚集。
Description
技术领域
本发明涉及磁性颗粒材料的控制领域，具体涉及一种四氧化三铁纳米颗粒的调控聚集方法。
背景技术
磁性颗粒尤其是纳米磁颗粒是近年来发展迅速且极具应用价值的新型材料，在现代科学的众多领域如生物医药、磁流体、催化作用、核磁共振成像、数据储存和环境保护等得到越来越广泛的应用。纳米磁颗粒一般由铁、钴、镍等金属及其氧化物组成，在医学领域中其通常为核壳结构，由磁性内核及包裹在磁性内核外的高分子聚合物/硅/羟基磷灰石壳层组成。最常见的核层由具有超顺磁或铁磁性质的Fe3O4或γ-Fe2O3制成，具有磁导向性，意味着磁场环境下磁颗粒具有靶向性。在外加磁场作用下磁颗粒可定向移动，方便定位和靶向目标区域。
磁颗粒携带药物后，在磁调控作用下，能很好的聚集于靶向位置，有助于当前一些重大疾病的治疗实现重大技术突破，如肿瘤治疗等。然而，现有技术条件下这些磁颗粒很难在磁场作用下聚焦于身体深部位置，只能聚焦于浅表组织。这样，药物通过血液循环在除目标部位之外的正常组织中扩散就会产生药物副作用，特别是药效剧烈的药物如抗癌药物，其对正常组织细胞也有杀伤作用。解决这一问题的关键在于如何控制药物准确的抵达病灶处，以及药物的准确释放。尽管现有靶向技术包括磁靶向技术已得到快速发展，但如何实现深度靶向仍面临重大技术挑战，并且也是国际研究热点，最近两年国际顶尖期刊均有关于磁调控技术的报道。尽管研究取得了一些进展，将磁调控技术应用于临床试验还面临技术挑战。人体生理条件下，磁颗粒的运动状态非常复杂，因此基础研究需要以简化的模型在体外条件下进行验证。首先要解决的问题是，如何在简化的体外环境下，发展高度可控的磁颗粒的磁调控装置和方法。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明的目的之一在于提供一种四氧化三铁纳米颗粒的调控聚集方法。
技术方案如下：
一种四氧化三铁纳米颗粒的调控聚集方法，其关键在于包括以下步骤：
步骤一，设置磁调控系统，该磁调控系统包括电源模块、通断控制模块和磁控装置，其中电源模块的输入端设置有市电接口，所述电源模块的输出端组经所述通断控制模块向所述磁控装置分时分区分压供电；
所述磁控装置包括两对线圈对，一对所述线圈对包括两组极化线圈组，一组所述极化线圈组包括两个子线圈；
同一组的两个所述子线圈平行、正对设置，且导线绕向相同，同一组的两个所述子线圈之间形成单向极化区；
同一对的两个所述极化线圈组的子线圈的中心线重合；
同一对的两个所述极化线圈组的导线绕向相反，同一对的两个所述极化线圈组的单向极化区互有交叉，以形成双向极化区；
一对所述线圈对还包括两个推动线圈，所述推动线圈的中心线与同一对内的所述子线圈的中心线重合，形成调控中心线；
两个所述推动线圈分别位于对应所述双向极化区的两侧，两个所述推动线圈的内端分别朝向对应的所述双向极化区，两个所述推动线圈分别与同一对的两组所述极化线圈组一一对应配合；
两对所述线圈对的双向极化区互有交叉，以形成磁调控区，两对所述线圈对的调控中心线垂直相交于所述磁调控区的中心；
将两对所述线圈对的调控中心线分别记为X轴和Y轴，将X轴方向上的两组所述极化线圈组分别记为X+向极化线圈组和X-向极化线圈组，将X轴方向上的两个所述推动线圈分别记为X+向推动线圈和X-向推动线圈；
将Y轴方向上的两组所述极化线圈组分别记为Y+向极化线圈组和Y-向极化线圈组，将Y轴方向上的两个所述推动线圈分别记为Y+向推动线圈和Y-向推动线圈；
将一组所述极化线圈组和对应的所述推动线圈记为一个单向极化-推动组；
所述电源模块包括极化供电单元和推动供电单元，对应每组所述极化线圈组分别设有所述极化供电单元，对应每个所述推动线圈分别设有所述推动供电单元；
所述通断控制模块包括供电控制单元和供电驱动单元，所述极化供电单元经供电控制单元向所述磁控装置的极化线圈供电；所述推动供电单元经供电控制单元向所述磁控装置中的推动线圈供电；所述供电驱动单元用于驱动所述供电控制单元开通或者关断；
步骤二，将分散的磁颗粒置于所述磁调控区；
步骤三，对所述磁控装置通电，该过程包括：
单向极化：
对任一组所述极化线圈组通电，所述供电驱动单元驱动所述供电控制单元开通，所述极化供电单元向对应的极化线圈组供电，持续时间为Tj，以在所述磁调控区内形成均匀磁场，所述磁颗粒的两极朝向在所述均匀磁场的作用下自适应转动而取向，所述供电驱动单元再驱动所述供电控制单元关断，完成对所述磁性颗粒的单向极化；
单向推动：
所述供电驱动单元驱动所述供电控制单元开通，所述推动供电单元向同一个所述单向极化-推动组内对应的所述推动线圈供电，持续时间为Tt，以在所述磁调控区内形成推动磁场，并控制该通电的推动线圈的磁极方向，使其推动所述磁颗粒与之远离，之后再使所述供电驱动单元驱动所述供电控制单元关断，完成对所述磁性颗粒的单向极化；
重复所述单向极化和单向推动过程，依次使X+向、Y+向、X-向、Y-向的所述单向极化-推动组通电工作，形成一个调控周期；
重复所述调控周期直至所述磁颗粒聚集在所述磁调控区的中心。
采用以上设计，电源模块可控地为磁控装置的各个线圈供电，将磁性颗粒放入磁调控区内，向某个极化线圈组通电从而对磁性颗粒进行极化，然后与之配合的推动线圈通电，该推动线圈对磁性颗粒产生排斥力，从而推动极化的磁性颗粒向磁调控区的中心平面聚集，这样依次对各个线圈对内的两组极化线圈组通电，通电过程连续变化，在空间内形成规律变化的旋转极化磁场和旋转推动磁场，逐渐推动磁性颗粒从相应的方向向着磁调控区的中心聚集，该装置可以高度可控地实现磁性颗粒的聚集。
作为优选技术方案，上述步骤三对任一组所述单向极化-推动组通电过程中，所述单向极化完成后，间隔时间△T后再进行所述单向推动。
采用以上设计，其优点在于极化线圈和推动线圈的磁场会相互影响，先对磁颗粒进行极化，间隔一段时间再对推动线圈通电，可以减少电感阻抗的影响。
作为优选技术方案，上述单向极化过程中，相应的所述极化供电单元先向所述单向极化-推动组的极化线圈组施加高极化电压Ujh，持续时间为Tj1，然后降为低极化电压Uj，持续时间为Tj2；
其中Ujh＞Uj，Tj1+Tj2＝Tj；
所述单向推动过程中，相应的所述推动供电单元向同一个所述单向极化-推动组的所述推动线圈施加高推动电压Uth，持续时间为Tt1，然后降为低推动电压Ut，持续时间为Tt2；
其中Uth＞Ut，Tt1+Tt2＝Tt。
采用以上设计，其优点在于先高压后低压的方式对线圈通电，有利于克服电感阻抗，使得线圈的磁场快速上升至设计值，磁场响应性更好。
作为优选技术方案，上述极化供电单元包括高压极化供电单元和低压极化供电单元；
所述推动供电单元包括高压推动供电单元和低压推动供电单元；
所述供电控制单元包括高压极化供电控制单元、低压极化供电控制单元、高压推动供电控制单元、低压推动供电控制单元；
所述高压极化供电单元经所述高压极化供电控制单元向所述极化线圈组输出所述高极化电压Ujh；
所述低压极化供电单元经所述低压极化供电控制单元向所述极化线圈组输出所述低极化电压Uj；
所述高压推动供电单元经所述高压推动供电控制单元向所述推动线圈输出所述高推动电压Uth；
所述低压推动供电单元经所述低压推动供电控制单元向所述推动线圈输出所述低推动电压Ut。
采用以上设计，其优点在于方便实现高压和低压通电的切换控制。
作为优选技术方案，上述高压极化供电单元的输出电压为Ujh＝500-550V；
所述低压极化供电单元的输出电压为Uj＝120-160V；
所述高压推动供电单元的输出电压为Uth＝780-850V；
所述低压推动供电单元的输出电压为Ut＝100-150V。
采用以上设计，其优点在于能够获得适当强度的极化磁场和推动磁场。
作为优选技术方案，上述所述供电驱动单元的高压极化供电驱动端发出导通驱动信号的时间即Tj1＝5μs；
所述供电驱动单元的低压极化供电驱动端发出导通驱动信号的时间即Tj2＝600μs；
所述供电驱动单元的高压推动供电驱动端发出导通驱动信号的时间即Tt1＝40μs；
所述供电驱动单元的低压推动供电驱动端发出导通驱动信号的时间即Tt2＝60μs。
采用以上设计，其优点在于极化通电和推动通电的高压和低压时间合理，可控地实现对磁颗粒的极化和推动。
有益效果：采用本发明的有益效果是，通过通断控制模块进行控制，依次对各个线圈对内的极化线圈组和推动线圈通电，通电过程连续变化，在空间内形成规律变化的旋转极化磁场和旋转推动磁场，逐渐推动磁性颗粒从相应的方向向着磁调控区的中心聚集，该方法可以高度可控地实现磁性颗粒的聚集。
附图说明
图1为实施例一的结构示意图；
图2为实施例二的结构示意图；
图3为图2的俯视图；
图4为单向极化-推动组的结构示意图；
图5为实施例三的结构示意图；
图6为采用实施例四或五的方法在平面内调控磁颗粒聚集的过程，图中展示了一个通电周期内磁颗粒的运动；
图7为实施例六中对一个单向极化-推动组进行一次通电的通电参数；
图8通过视频截图方式展示实施例六中磁颗粒聚集过程；
图9为通过改变控制参数，操控聚集后的磁颗粒在磁调控区内移动的照片；
图10为供电单元的电源电路结构图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例一
如图1所示，一种磁调控系统，包括电源模块E、通断控制模块F和磁控装置G，其中电源模块E的输入端设置有市电接口，所述电源模块E的输出端组经所述通断控制模块F向所述磁控装置G分时分区分压供电。
如图2～5所示，所述磁控装置G包括至少两对线圈对100，一对所述线圈对100包括两组极化线圈组，一组所述极化线圈组包括两个子线圈；
同一组的两个所述子线圈平行、正对设置，且导线绕向相同，同一组的两个所述子线圈之间形成单向极化区；
同一对的两个所述极化线圈组的子线圈之间相互平行，同一对的两个所述极化线圈组的导线绕向相反，同一对的两个所述极化线圈组的单向极化区互有交叉，以形成双向极化区；
一对所述线圈对100还包括两个推动线圈120，所述推动线圈120的中心线与同一对内的所述子线圈的中心线平行，两个所述推动线圈120的中心线位于同一直线上，两个所述推动线圈120分别位于对应所述双向极化区的两侧，两个所述推动线圈120的内端分别朝向对应的所述双向极化区；
不同对的所述线圈对100的子线圈之间互有夹角；
不同对的所述线圈对100的双向极化区互有交叉，以形成磁调控区130。
同一对的两个所述极化线圈组的子线圈的中心线重合。
所述电源模块E包括极化供电单元E1和推动供电单元E2，对应每组所述极化线圈组分别设有对应的所述极化供电单元E1，对应每个所述推动线圈120分别设有对应的所述推动供电单元E2；
所述通断控制模块F包括供电控制单元F1和供电驱动单元F2，所述极化供电单元E1或者所述推动供电单元E2均经一个所述供电控制单元F1向所述磁控装置G中的极化线圈组或者推动线圈120供电，所述供电驱动单元F2用于驱动所述供电控制单元F1开通或者关断。
所述极化供电单元E1包括高压极化供电单元和低压极化供电单元；所述推动供电单元E2包括高压推动供电单元和低压推动供电单元；
所述供电控制单元F1包括高压极化供电控制单元、低压极化供电控制单元、高压推动供电控制单元、低压推动供电控制单元；
所述高压极化供电单元经所述高压极化供电控制单元向所述极化线圈组供电；
所述低压极化供电单元经所述低压极化供电控制单元向所述极化线圈组供电；
所述高压推动供电单元经所述高压推动供电控制单元向所述推动线圈供电；
所述低压推动供电单元经所述低压推动供电控制单元向所述推动线圈供电。
本实施例中，供电控制单元均为电源开关IGBT模块，即绝缘栅双极型晶体管；其中，高压极化供电控制单元为第一电源开关IGBT-1；低压极化供电控制单元为第二电源开关IGBT-2；高压推动供电控制单元为第三电源开关IGBT-3；低压推动供电控制单元为第四电源开关IGBT-4。
从图10可以看出，高压极化供电单元对应线路为图10中的线路1，低压极化供电单元线路为图10中的线路2；高压推动供电单元线路为图10中的线路3；低压推动供电单元线路为图10中的线路4。
其中，线路1为高压输出电路，用于连接极化线圈组，具体包括次级线圈T1H，次级线圈T1H经由二极管D11、D12、D13、D14组成的整流电路后，与极化boost升压电路连接后经第一电源开关IGBT-1后向极化线圈组供电。
其中线路1的极化boost升压电路由电感L1、开关管Q11、二极管D15、电容C11组成。
其中，线路2为低压输出电路，用于连接极化线圈组，具体包括次级线圈T1L，次级线圈T1L经由二极管D21、D22、D23、D24组成的整流电路后，与极化BUCK降压电路连接后经第二电源开关IGBT-2后向极化线圈组供电。
其中线路2的极化buck降压电路由电感L2、开关管Q21、二极管D25、电容C21组成。
其中，线路3为高压输出电路，用于连接推动线圈组，具体包括次级线圈T2H，次级线圈T2H经由二极管D31、D32、D33、D34组成的整流电路后，与极化boost升压电路连接后经第三电源开关IGBT-3后向推动线圈供电。
其中线路3的推动boost升压电路由电感L3、开关管Q31、二极管D35、电容C31组成。
其中，线路4为低压输出电路，用于连接推动线圈组，具体包括次级线圈T2L，次级线圈T2L经由二极管D41、D42、D43、D44组成的整流电路后，与极化BUCK降压电路连接后经第四电源开关IGBT-4后向推动线圈供电。
其中线路4的极化buck降压电路由电感L4、开关管Q41、二极管D45、电容C41组成。
所述高压极化供电单元的输出电压为500-550V；
所述低压极化供电单元的输出电压为120-160V；
所述高压推动供电单元的输出电压为780-850V；
所述低压推动供电单元的输出电压为100-150V。
为使同一组的两个所述子线圈之间的极化区的极化磁场为均匀磁场，从而使该区域内的磁颗粒受到的磁场力一致，同一组的两个所述子线圈由同一根极化导线同向绕制而成，该极化导线的中间段垂直于对应的两个所述子线圈，该极化导线中间段的两端分别连接有绕线圈数相同的所述子线圈。
同一组的两个所述子线圈与相同对内另一组的两个所述子线圈相互包裹，也即同一对的两个所述极化线圈组的子线圈分别缠绕到一起。这样，同一对的两个所述极化线圈组的单向极化区重叠，从而使所述双向极化区和单向极化区重合。
所述推动线圈120的中心线与同一对内的所述子线圈的中心线重合，形成调控中心线，所有所述推动线圈120的中心线相交于所述磁调控区130的中心。
为方便所述磁控装置G的各个线圈的安装，还设置有绕线模壳，所有所述子线圈分别绕制于所述绕线模壳上，所述推动线圈120固定于所述绕线模壳上。具体地，所述绕线模壳为外形呈正多面体形的壳体，平行于该绕线模壳的一对相对面绕设有同一对的两个所述极化线圈组，在这两个相对面中的上分别固定设置有所述推动线圈120。绕线模壳可使用高分子材料制造，以不干扰内部磁场为准。
所述子线圈为正方形线圈，其边长为L，同一组的两个所述子线圈之间的距离为D，D＝L/2。
这样，一个极化线圈组通电后，其两个子线圈之间的磁场分布近似是均匀的。所述推动线圈120为螺线管，其半径为r，所述推动线圈120的内侧端面到所述对应的双向极化区中心的距离为d，d与r的关系为
一对所述线圈对100的两组极化线圈组绕向相反，施加同样的电压后，二者在双向极化区的磁场方向相反，用于对磁颗粒进行极化，相应的两个所述推动线圈120分别与两组极化线圈组配合，用于推动磁颗粒运动。
为表述方便，将一组相配合的极化线圈组和推动线圈120称为一个方向的单向极化-推动组。下面为磁控装置G的具体应用形式。
实施例二
图2和3展示了一种平面磁控装置。所述线圈对100有两对，两对所述线圈对100的中心线相垂直。内部设有立方体状的绕线模壳，极化线圈组均绕设在该绕线模壳上，推动线圈120穿设在相应的绕线模壳的面上。为表述方便，两组所述线圈对100的中心线分别记为x轴和y轴，则x轴和y轴上分别设有两个推动方向相反的单向极化-推动组。将四个推动方向的极化线圈组依次记为X+向极化线圈组、X-向极化线圈组、Y+向极化线圈组和Y-向极化线圈组，四个推动方向的推动线圈依次记为X+向推动线圈、X-向推动线圈、Y+向推动线圈和Y-向推动线圈。X+向极化线圈组和X+向推动线圈组成X+向极化-推动组，其余依此类推，分别为X-向极化-推动组、Y+向极化-推动组和Y-向极化-推动组。
该实施例一的磁控装置G可用于xy平面内分散的磁性颗粒的调控聚集。
实施例三
图5展示的是一种三维磁控装置。所述线圈对100有三组，三组线圈对100围成立方体形的所述磁调控区130，三组所述线圈对100的中心线正交于所述磁调控区130的中心。内部设有正方体形的中空绕线模壳，极化线圈组均绕设在该绕线模壳上，推动线圈120穿设在相应的绕线模壳的面上。
为表述方便，三组所述线圈对100的中心线分别记为x轴、y轴和z轴，则x轴、y轴和z轴上分别设有两个推动方向相反的单向极化-推动组。将六个推动方向的极化线圈组依次记为X+向极化线圈组、X-向极化线圈组、Y+向极化线圈组、Y-向极化线圈组、Z+极化线圈组和Z-极化线圈组，六个推动方向的推动线圈依次记为X+向推动线圈、X-向推动线圈、Y+向推动线圈、Y-向推动线圈、Z+推动线圈和Z-推动线圈。组合后，依次组成X+向极化-推动组、X-向极化-推动组、Y+向极化-推动组、Y-向极化-推动组、Z+向极化-推动组、Z-向极化-推动组。
以X轴方向为例，对实施例一和实施例二中的所述线圈对100详细说明：
X轴向的所述线圈对100包括正向极化线圈组A和反向极化线圈组B；
所述正向极化线圈组A包括两个子线圈，分别为子线圈A1和子线圈A2；所述子线圈A1和子线圈A2平行、正对设置，且导线绕向相同，所述子线圈A1和子线圈A2之间形成单向极化区A；
所述反向极化线圈组B包括两个子线圈，分别为子线圈B1和子线圈B2；所述子线圈B1和子线圈B2平行、正对设置，且导线绕向相同；所述子线圈B1和子线圈B2之间形成单向极化区B；
所述子线圈A1、子线圈A2、子线圈B1和子线圈B2的绕线圈数相同，所述子线圈A1、子线圈A2、子线圈B1、子线圈B2的中心线重合；
所述正向极化线圈组A的两个子线圈和所述反向极化线圈组B的两个子线圈之间相互平行，所述正向极化线圈组A和所述反向极化线圈组B的导线绕向相反；
所述子线圈A1、子线圈A2由同一根极化导线A同向绕制而成，该极化导线A的中间段垂直于所述子线圈A1和子线圈A2，该极化导线A中间段的两端分别连接有所述子线圈A1和子线圈A2；
所述子线圈B1、子线圈B2由同一根极化导线B同向绕制而成，该极化导线B的中间段垂直于所述子线圈B1和子线圈B2，该极化导线B中间段的两端分别连接有所述子线圈B1和子线圈B2；
所述极化导线A和极化导线B均为漆包线；
所述子线圈A1和子线圈B1包裹为一体形成第一个环状线束110，所述子线圈A2和子线圈B2包裹为一体形成另一个环状线束110；
所述单向极化区A和单向极化区B重合，形成双向极化区；
X向的所述线圈对100还包括两个推动线圈120，分别为X+向推动线圈和X-向推动线圈，其中X+向推动线圈与第一个环状线束110位于同侧，X-向推动线圈与第二个环状线束110位于同侧。
实施例四
一种磁纳米颗粒的调控聚集方法，其过程为，
步骤一，按照实施例一、二或三设置好磁调控系统；
步骤二，将分散的磁颗粒放入磁控装置G的的磁调控区130内；
步骤三，设定好各IGBT模块的通断电时间和顺序，对磁控装置G通电，磁控装置G的通电过程为：从一组单向极化-推动组开始，所述供电驱动单元F2驱动所述供电控制单元F1开通，以使相应的所述极化供电单元E1和推动供电单元E2先后向所述单向极化-推动组通电，一定时间后所述供电控制单元F1关断，接着与其相邻的下一个单向极化-推动组通电，这样分别依次对所有单向极化-推动组通电，为一个调控周期；
每个单向极化-推动组的通电过程为，与其对应的所述供电驱动单元F2驱动所述供电控制单元F1开通，对应的所述极化供电单元E1向该单向极化-推动组的极化线圈组施加电压为Uj，持续时间为Tj，完成对磁性颗粒的极化，所述供电控制单元F1关断，间隔时间△T后所述供电驱动单元F2驱动所述供电控制单元F1开通，对应的所述推动供电单元E2向该线圈组的推动线圈120施加电压Ut，持续时间为Tt；推动磁性颗粒沿着该推动线圈120的中心线方向向与其垂直的并经过磁调控区中心的面靠近；
按照通电时序和电压重复所述调控周期，从各个方向依次逐渐推动磁颗粒向磁调控区130的中心聚集。
具体来说，实施例二中的磁控装置G的通电过程为：先对X+向极化线圈组和X+向推动线圈先后通电；然后对Y+向极化线圈组和Y+向推动线圈先后通电；再对X-向极化线圈组和X-向推动线圈先后通电；最后对Y-向极化线圈组和Y-向推动线圈先后通电，完成一个通电周期。逆着该顺序通电也是可行的。
图6展示了在平面内调控磁颗粒聚集的过程，图中展示的是一个通电周期内磁颗粒的运动状态。初始状态下磁颗粒的分布状态如图6中a所示，开始运行后，首先X+向极化-推动组通电工作，并推动靠近X+向推动线圈的磁调控区域130内的磁颗粒向中部移动，持续一段时间后，该区域内的磁性颗粒明显向中部聚集，然后X+向极化-推动组断电，此时磁颗粒分布状态如图6中b所示，靠近X+向推动线圈的磁调控区域130内的磁颗粒向y轴运动；随即Y+向极化-推动组通电工作，并推动靠近Y+向推动线圈的磁调控区域130内的磁颗粒向中部移动和聚集，持续一段时间后，该区域内的磁性颗粒明显向x轴聚集，然后Y+向极化-推动组断电，此时磁颗粒分布状态如图6中c所示，靠近Y+向推动线圈的区域内的磁颗粒聚集在x轴处；随即X-极化-推动组通电工作，推动靠近X-推动线圈的磁调控区域130内的磁颗粒向中部移动和聚集，持续一段时间后，该区域内的磁性颗粒明显聚集在中部，然后X-向极化-推动组断电，此时磁颗粒分布状态如图6中d所示，靠近X-向推动线圈的区域内的磁颗粒向y轴处聚集；随即Y-极化-推动组通电工作，并推动靠近Y-向推动线圈的区域内磁颗粒向中部移动和聚集，持续一段时间后，该区域内的磁性颗粒明显聚集在中部，然后Y-向极化-推动组断电，此时磁颗粒分布状态如图6中e所示，磁颗粒明显向磁调控区的中心聚集。如此反复进行多次后，磁颗粒可全部聚集在磁调控区域130的中心处。
实施例三中的磁控装置G的通电过程的一个例子为：第一步对X+向极化线圈组和X+向推动线圈先后通电；第二步对Y+向极化线圈组和Y+向推动线圈先后通电；第三步Z+向极化线圈组和Z+向推动线圈先后通电；第四步对X-向极化线圈组和X-向推动线圈先后通电；第五步对Y-向极化线圈组和Y-向推动线圈先后通电；第六步对Z-向极化线圈组和Z-向推动线圈先后通电，完成一个通电周期。本领域普通技术人员应该认识到，改变各个方向的通电顺序，并在一个通电周期内依次完成所有方向的通电，也是可行的。
实施例五
与实施例四的不同之处在于，每个所述单向极化-推动组的通电过程为，所述供电驱动单元F2先驱动所述高压极化供电控制单元开通，相应的所述高压极化供电单元先向该单向极化-推动组的极化线圈组施加电压为Ujh，持续时间为Tj1，然后所述高压极化供电控制单元关断，接着所述低压极化供电控制单元开通，相应的所述低压极化供电单元向所述极化线圈组施加电压为Uj，持续时间为Tj2，且Tj1+Tj2＝Tj，然后所述低压极化供电控制单元关断；
间隔时间后△T，所述高压推动供电控制单元开通，相应的所述高压推动供电单元向同一个所述单向极化-推动组的推动线圈120施加电压Uth，持续时间为Tt1，然后该高压推动供电控制单元关断，接着所述低压推动供电控制单元开通，相应的所述低压推动供电单元向所述推动线圈120施加电压Ut，持续时间为Tt2，且Tt1+Tt2＝Tt，然后所述低压推动供电控制单元关断。
这样做的原因在于，由于线圈存在电感阻抗效应，刚通电时，其磁场强度是一个逐渐增大然后趋于稳定的过程。首先向线圈施加高电压，使得线圈的磁场强度更快地增加到设计值，然后再施加较低的维持电压。相较于施加恒定的维持电压的做法，本方法能够提高磁控装置G的响应性，使得磁性颗粒的运动更为可控。
实施例六
根据实施例五中的方法，验证本发明的有效性。以实施例二的磁控装置G为例。
将10毫克20～200nm的Fe3O4磁颗粒分散在20ml液体中，然后将其放入直径为50mm的玻璃瓶中，将玻璃瓶放入磁场调控区中心位置。设置控制参数如图7所示，设定电源模块E和通断控制模块F，对每个单向极化-推动组的通电电压和时间为：
所述供电驱动单元F2的高压极化供电驱动端发出导通驱动信号的时间Tj1＝5μs，所述高压极化供电单元向极化线圈组施加电压Ujh＝540V，然后所述高压极化供电控制单元关断，接着所述供电驱动单元F2的低压极化供电驱动端发出导通驱动信号的时间Tj2＝600μs，所述低压极化供电单元向极化线圈组施加电压为Uj＝150V，然后所述低压极化供电控制单元关断；间隔时间△T＝605μs后，所述供电驱动单元F2的高压推动供电驱动端发出导通驱动信号的时间Tt1＝40μs，所述高压推动供电单元向所述单向极化-推动组的推动线圈120施加电压Uth＝-800V，然后高压推动供电控制单元关断，接着所述低压推动供电控制单元开通，所述供电驱动单元F2的低压推动供电驱动端发出导通驱动信号的时间Tt2＝60μs，所述低压推动供电单元向所述单向极化-推动组的推动线圈120施加电压Ut＝-120V。
本实验中，电源通电频率为32Hz，推动线圈电流达120A，根据上述方法对平面内磁纳米颗粒进行聚集。利用视频记录推动过程中玻璃瓶内的磁颗粒的分布情况，根据时间选取截图，由图8可见，随着时间增加，均匀分布在平面内磁纳米颗粒不断向中心区域汇聚，当仪器工作180s时，磁纳米颗粒明显聚集在中心区域。
实施例七
磁性颗粒在液体中运动时，距离某个推动线圈越远，受到的推动力越小，此外，还受到液体的阻力以及与瓶底的摩擦力。因此，通过设定电流大小以获得适当的磁场强度，可以使磁性颗粒缓慢地、可控地、逐步地聚集。进一步地，还可通过改变电压值和通电时间，使聚集的磁颗粒团沿特定路线移动，如图9所示，图中圆圈内为磁颗粒团。
本实验通过合理控制电源系统以获得适当的磁场，实现磁纳米颗粒在磁排斥力的作用下不断向前运动，通过平面内四个方向的推动，不断将磁纳米颗粒聚焦在磁调控区域中心。通过改变通电参数，还可以使聚集后的磁纳米颗粒团沿特定路线移动或推动到目标位置。应该注意到的是，当设置三组以上的多对线圈对时，按照上述类似规则依次对各个方向的单向极化-推动组通电，通电过程连续变化，形成空间内旋转变化的多向磁场，从各个方向对磁颗粒进行推动，可实现对磁颗粒更为精细的调控。可以预见，线圈对数量越多，对磁颗粒的运动控制就越精细。此种聚焦磁颗粒的方法和装置可应用于生物医学领域实验室研究，如深部肿瘤细胞的靶向去除，为更复杂、更接近生物体组织环境下的载药磁颗粒的靶向治疗提供基础。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种四氧化三铁纳米颗粒的调控聚集方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，设置磁调控系统，该磁调控系统包括电源模块(E)、通断控制模块(F)和磁控装置(G)，其中电源模块(E)的输入端设置有市电接口，所述电源模块(E)的输出端组经所述通断控制模块(F)向所述磁控装置(G)分时分区分压供电；
所述磁控装置(G)包括两对线圈对(100)，一对所述线圈对(100)包括两组极化线圈组，一组所述极化线圈组包括两个子线圈；
同一组的两个所述子线圈平行、正对设置，且导线绕向相同，同一组的两个所述子线圈之间形成单向极化区；
同一对的两个所述极化线圈组的子线圈的中心线重合；
同一对的两个所述极化线圈组的导线绕向相反，同一对的两个所述极化线圈组的单向极化区互有交叉，以形成双向极化区；
一对所述线圈对(100)还包括两个推动线圈(120)，所述推动线圈(120)的中心线与同一对内的所述子线圈的中心线重合，形成调控中心线；
两个所述推动线圈(120)分别位于对应所述双向极化区的两侧，两个所述推动线圈(120)的内端分别朝向对应的所述双向极化区，两个所述推动线圈(120)分别与同一对的两组所述极化线圈组一一对应配合；
两对所述线圈对(100)的双向极化区互有交叉，以形成磁调控区(130)，两对所述线圈对(100)的调控中心线垂直相交于所述磁调控区(130)的中心；
将两对所述线圈对(100)的调控中心线分别记为X轴和Y轴，将X轴方向上的两组所述极化线圈组分别记为X+向极化线圈组和X-向极化线圈组，将X轴方向上的两个所述推动线圈(120)分别记为X+向推动线圈和X-向推动线圈；
将Y轴方向上的两组所述极化线圈组分别记为Y+向极化线圈组和Y-向极化线圈组，将Y轴方向上的两个所述推动线圈(120)分别记为Y+向推动线圈和Y-向推动线圈；
将一组所述极化线圈组和对应的所述推动线圈(120)记为一个单向极化-推动组；
所述电源模块(E)包括极化供电单元(E1)和推动供电单元(E2)，对应每组所述极化线圈组分别设有所述极化供电单元(E1)，对应每个所述推动线圈(120)分别设有所述推动供电单元(E2)；
所述通断控制模块(F)包括供电控制单元(F1)和供电驱动单元(F2)，所述极化供电单元(E1)经供电控制单元(F1)向所述磁控装置(G)的极化线圈供电；所述推动供电单元(E2)经供电控制单元(F1)向所述磁控装置(G)中的推动线圈(120)供电；所述供电驱动单元(F2)用于驱动所述供电控制单元(F1)开通或者关断；
步骤二，将分散的磁颗粒置于所述磁调控区(130)；
步骤三，对所述磁控装置(G)通电，该过程包括：
单向极化：
对任一组所述极化线圈组通电，所述供电驱动单元(F2)驱动所述供电控制单元(F1)开通，所述极化供电单元(E1)向对应的极化线圈组供电，持续时间为Tj，以在所述磁调控区(130)内形成均匀磁场，所述磁颗粒的两极朝向在所述均匀磁场的作用下自适应转动而取向，所述供电驱动单元(F2)再驱动所述供电控制单元(F1)关断，完成对所述磁性颗粒的单向极化；
单向推动：
所述供电驱动单元(F2)驱动所述供电控制单元(F1)开通，所述推动供电单元(E2)向同一个所述单向极化-推动组内对应的所述推动线圈(120)供电，持续时间为Tt，以在所述磁调控区(130)内形成推动磁场，并控制该通电的推动线圈(120)的磁极方向，使其推动所述磁颗粒与之远离，之后再使所述供电驱动单元(F2)驱动所述供电控制单元(F1)关断，完成对所述磁性颗粒的单向极化；
重复所述单向极化和单向推动过程，依次使X+向、Y+向、X-向、Y-向的所述单向极化-推动组通电工作，形成一个调控周期；
重复所述调控周期直至所述磁颗粒聚集在所述磁调控区(130)的中心。
2.根据权利要求1所述的四氧化三铁纳米颗粒的调控聚集方法，其特征在于：所述步骤三对任一组所述单向极化-推动组通电过程中，所述单向极化完成后，间隔时间△T后再进行所述单向推动。
3.根据权利要求1所述的四氧化三铁纳米颗粒的调控聚集方法，其特征在于：所述单向极化过程中，相应的所述极化供电单元(E1)先向所述单向极化-推动组的极化线圈组施加高极化电压Ujh，持续时间为Tj1，然后降为低极化电压Uj，持续时间为Tj2；
其中Ujh＞Uj，Tj1+Tj2＝Tj；
所述单向推动过程中，相应的所述推动供电单元(E2)向同一个所述单向极化-推动组的所述推动线圈(120)施加高推动电压Uth，持续时间为Tt1，然后降为低推动电压Ut，持续时间为Tt2；
其中Uth＞Ut，Tt1+Tt2＝Tt。
4.根据权利要求3所述的四氧化三铁纳米颗粒的调控聚集方法，其特征在于：所述极化供电单元(E1)包括高压极化供电单元和低压极化供电单元；
所述推动供电单元(E2)包括高压推动供电单元和低压推动供电单元；
所述供电控制单元(F1)包括高压极化供电控制单元、低压极化供电控制单元、高压推动供电控制单元、低压推动供电控制单元；
所述高压极化供电单元经所述高压极化供电控制单元向所述极化线圈组输出所述高极化电压Ujh；
所述低压极化供电单元经所述低压极化供电控制单元向所述极化线圈组输出所述低极化电压Uj；
所述高压推动供电单元经所述高压推动供电控制单元向所述推动线圈输出所述高推动电压Uth；
所述低压推动供电单元经所述低压推动供电控制单元向所述推动线圈输出所述低推动电压Ut。
5.根据权利要求4所述的四氧化三铁纳米颗粒的调控聚集方法，其特征在于：所述高压极化供电单元的输出电压为Ujh＝500-550V；
所述低压极化供电单元的输出电压为Uj＝120-160V；
所述高压推动供电单元的输出电压为Uth＝780-850V；
所述低压推动供电单元的输出电压为Ut＝100-150V。
6.根据权利要求5所述的四氧化三铁纳米颗粒的调控聚集方法，其特征在于：所述供电驱动单元(F2)的高压极化供电驱动端发出导通驱动信号的时间即Tj1＝5μs；
所述供电驱动单元(F2)的低压极化供电驱动端发出导通驱动信号的时间即Tj2＝600μs；
所述供电驱动单元(F2)的高压推动供电驱动端发出导通驱动信号的时间即Tt1＝40μs；
所述供电驱动单元(F2)的低压推动供电驱动端发出导通驱动信号的时间即Tt2＝60μs。
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