CN112090456A - 一种平面双微带微线圈探头 - Google Patents

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Abstract

一种平面双微带微线圈探头，包括依次设置的第一梯度线圈、介质基板、微流体芯片、接地板和第二梯度线圈；介质基板上印刷有偶耦合微带结构，偶耦合微带结构包括两条平行且彼此靠近的微带线构成微型核磁线圈，两条微带线的尺寸完全相同彼此对称，且两微带线中所传输的电场方向相同；所述第一梯度线圈和第二梯度线圈采用平板表面线圈结构，平行主磁场方向放置。避免以往基于MEMS工艺的集成探头样品和线圈距离不易控制以及暴露的线圈部分易氧化等局限问题，可将微量样品精确放置于所设计的平面射频线圈产生的射频场中心，得到最佳的核磁信号。

Description

一种平面双微带微线圈探头
技术领域
本发明涉及微流控芯片领域，尤其涉及一种平面双微带微线圈探头。
背景技术
微流控芯片采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建微流路系统，将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上，加载生物样品和反应液后，采用微机械泵。电水力泵和电渗流等方法驱动芯片中缓冲液的流动，形成微流路，于芯片上进行一种或连续多种的反应。由于螺线管微型线圈的制造工艺及其与样品容器之间的集成装配工艺较为复杂，不适合批量制作，且难以与微全分析系统相集成。为此，一些学者提出了利用MEMS制造技术在微流体通道装置上直接集成制作的微型平板射频检测线圈。2010年英国南安普顿大学Marcel Utz教授团队将微流控技术引入核磁共检测实验中(Science,2010,330,1056-1058)，开启了微流控核磁共振新方向，例如应用于生物医学领域的微流控磁共振成像技术、应用于化学领域的微流控核磁共振原位检测技术和低场小型核磁共振的多通量微流控技术。因为微流通路结构复杂，形式多样，有时需要多输入流路，因此微流通路板的宽度尺寸较大。然而现有的基于MEMS工艺的集成探头样品和线圈距离不易控制,而且具有暴露的线圈部分易氧化等局限问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种平面双微带微线圈探头。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种平面双微带微线圈探头，包括依次设置的第一梯度线圈、介质基板、微流体芯片、接地板和第二梯度线圈；所述第一梯度线圈、介质基板、微流体芯片、接地板和第二梯度线圈上对应设有定位过孔，通过对齐定位过孔插接于支架内；所述介质基板上印刷有偶耦合微带结构，所述偶耦合微带结构包括两条平行且彼此靠近的微带线构成微型核磁线圈，两条微带线的尺寸完全相同彼此对称，且两微带线中所传输的电场方向相同；所述第一梯度线圈和第二梯度线圈采用平板表面线圈结构，平行主磁场方向放置。
所述微流体芯片包括细胞培养用微流控芯片和反应用微流控芯片。
所述反应用微流控芯片由两片刻有微流体通道的特氟龙薄片夹着一层孔状PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜的三明治结构组成，反应用微流控芯片上设有注液口、排液口、反应区和检测区，所述检测区的位置对应介质基板上的偶耦合微带结构。
所述反应用微流控芯片采用MEMS激光工艺加工制备。
所述细胞培养用微流控芯片包括流体芯片基板和孔状细胞支架，所述流体芯片基板的内部开设有细胞培养腔，细胞培养腔的底部设有供孔状细胞支架嵌于的插入槽，细胞培养腔的的上部开设有注入口；孔状细胞支架的下方设有供活细胞代谢物储存的容置腔，所述容置腔的底部开口设有一通孔，所述通孔的位置对应介质基板上的偶耦合微带结构。
所述细胞培养用微流控芯片的厚度为2～3cm，宽度为2～3cm，长度为6～8cm；所述孔状细胞支架的厚度为0.5～0.7cm，孔径为0.1～0.2mm。
所述流体芯片基板的材质采用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，所述孔状细胞支架的材质采用PDMS。
所述第一梯度线圈和第二梯度线圈的电路板内侧设有方形螺旋状线圈电路，横向螺旋线线间距不同，方形螺旋状线圈电路四周设有屏蔽电路通过定位过孔连接到内层屏蔽层，第一梯度线圈和第二梯度线圈的电路板下端各延伸出一个接口柄，接口设有输入连接点、串联连接点和地线连接点，地线连接点通过定位过孔和电路板内层屏蔽电路连接；电路板中间层设有输入电路，输入电路两端通过定位过孔分别连接外层电路板的输入连接点及方形螺旋线圈的内端点；电路板内层为屏蔽接地层；第二梯度线圈的电路板内层中间设有长方形开窗，长边方向为主磁场方向。
所述支架上设有长方形安装槽，所述第一梯度线圈、介质基板、微流体芯片、接地板和第二梯度线圈组装插接于安装槽内。
所述介质基板的厚度为3mm。
相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
本发明避免以往基于MEMS工艺的集成探头样品和线圈距离不易控制以及暴露的线圈部分易氧化等局限问题，可将微量样品精确放置于所设计的平面射频线圈产生的射频场中心，得到最佳的核磁信号。梯度线圈采用平板表面线圈结构，平行主磁场方向放置，梯度线圈电路板下端各延伸出一个接口柄，接口设有输入连接点、串联连接点和地线连接点，电路板外层设有方形螺旋状线圈电路，横向螺旋线线间距不同，四周设有屏蔽电路通过过孔连接到内层屏蔽层，顶部梯度线圈电路板内层中间设有长方形开窗。
附图说明
图1为本发明的分解结构示意图；
图2为介质基板的结构示意图；
图3为介质基板安装于核磁探头的结构示意图；
图4为偶耦合微带线圈核磁共振探头调谐匹配电路图；
图5为第二梯度线圈的结构示意图；
图6为反应用微流控芯片的分解结构示意图；
图7为细胞培养用微流控芯片的剖面结构示意图。
附图标记：第一梯度线圈1，介质基板2，反应用微流控芯片3，接地板4，第二梯度线圈5，支架6，流体芯片基板7，孔状细胞支架8，上层特氟龙薄片31，孔状PDMS薄膜32，下层特氟龙薄片33，注液口311，排液口312，反应区321，检测区322，细胞培养腔71，插入槽72，注入口73，容置腔74，通孔75。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
本发明中，微流体芯片包括细胞培养用微流控芯片和反应用微流控芯片，以下实施例以反应用微流控芯片为例进行说明。如图1所示，本实施例包括依次设置的第一梯度线圈1、介质基板2、反应用微流控芯片3、接地板4和第二梯度线圈5。
所述第一梯度线圈1、介质基板2、反应用微流控芯片3、接地板4和第二梯度线圈5上对应设有定位过孔，通过对齐定位过孔插接于支架6内；所述介质基板2上印刷有偶耦合微带结构，所述偶耦合微带结构包括两条平行且彼此靠近的微带线构成微型核磁线圈，两条微带线的尺寸完全相同彼此对称，且两微带线中所传输的电场方向相同；所述第一梯度线圈1和第二梯度线圈5采用平板表面线圈结构，平行主磁场方向放置。
具体地，所述支架6上设有长方形安装槽，所述第一梯度线圈1、介质基板2、反应用微流体芯片3、接地板4和第二梯度线圈5组装插接于安装槽内。
如图2所示为介质基板2的结构，通过电磁仿真得知介质基板2的两条微带线的中心正上方区域会产生一个均匀的B1场，可通过电磁仿真软件CST对偶耦合微带线圈设计进行仿真，计算双微带线的宽度w、长度l和线间距d等不同几何参数与所产生上方的射频场的分布关系；也可通过研究基于核磁共振信噪比数学理论模型，分析亚毫米线宽的偶耦合微带不同几何参数与信噪比(灵敏度)的关系，优化偶耦合微带线圈设计达到最佳信噪比。
所述介质基板2选用F4B基板或Rogers 5880等玻璃加固的特氟龙材料，介电常数2.2，损耗角正切值小。介质基板2选用3mm厚度可使得偶耦合微带区域的结构在电路中电感性远大于电容性。在线圈制备工艺开发上，采用PCB加工工艺的形式，在介质基板2上印刷制备所设计的偶耦合微带结构。
如图3所示，在另一实施例中，将制备有偶耦合微带结构的介质基板2垂直安装在一个口径为36mm的核磁探头的中心区域，探头上所使用的线圈调谐匹配电路如图4所示，包括阻抗匹配电容C1和调谐电容C2、C3。将C2和C3分别设置在偶耦合微带结构的两边，这种分压设计使偶耦合微带结构两端的电压分别为V/2和-V/2，降低调谐电容C2所需承受的电压，同时使得偶耦合微带结构的中心处于虚拟接地状态，通过所设计的调谐匹配电路，可将偶耦合微带结构匹配接入到500M Varian NMR System液体NMR谱仪系统中进行实验检测。
如图1和图5所示，所述第一梯度线圈1和第二梯度线圈5的电路板内侧设有方形螺旋状线圈电路，横向螺旋线线间距不同，方形螺旋状线圈电路四周设有屏蔽电路通过定位过孔连接到内层屏蔽层，第一梯度线圈1和第二梯度线圈5的电路板下端各延伸出一个接口柄，接口设有输入连接点、串联连接点和地线连接点，地线连接点通过定位过孔和电路板内层屏蔽电路连接；电路板中间层设有输入电路，输入电路两端通过定位过孔分别连接外层电路板的输入连接点及方形螺旋线圈的内端点；电路板内层为屏蔽接地层，地线端子焊接在两个梯度线圈电路板下端接口的内层屏蔽接地上；所述第二梯度线圈5的电路板内层中间设有长方形开窗，长边方向为主磁场方向。
如图6所示，所述反应用微流控芯片3由刻有微流体通道的上层特氟龙薄片31和下层特氟龙薄片33夹着一层孔状PDMS薄膜32的三明治结构组成，反应用微流控芯片3上设有注液口311、排液口312、反应区321和检测区322，所述检测区322的位置对应介质基板2上的偶耦合微带结构；本实施例中，反应用微流控芯片3采用MEMS激光工艺加工制备。
在另一实施例中，所述微流体芯片采用细胞培养用微流控芯片，用于检测活细胞代谢物；如图7所示，细胞培养用微流控芯片包括流体芯片基板7和孔状细胞支架8；所述流体芯片基板7的内部开设有细胞培养腔71，细胞培养腔71的底部设有供孔状细胞支架8嵌于的插入槽72，细胞培养腔71的的上部开设有注入口73，从注入口73流入后的培养液与体外活细胞充分接触；所述孔状细胞支架8用以支撑需要培养的体外活细胞，孔状细胞支架8平面上具有穿透的小孔，孔状细胞支架8的下方设有供活细胞代谢物储存的容置腔74，活体细胞在培养液中培养中产生的代谢物能够透过小孔达到容置腔74；所述容置腔74的底部开口设有一通孔75，所述通孔75的位置对应介质基板2上的偶耦合微带结构，即平面射频线圈产生的射频场中心；通过细胞培养用微流控芯片将活细胞实时代谢物送到平面双微带微线圈探头的上方检测区域进行实时代谢物分析。
所述流体芯片基板7的厚度为2～3cm，宽度为2～3cm，长度为6～8cm；所述孔状细胞支架8的厚度为0.5～0.7cm，孔状细胞支架8的小孔孔径为0.1～0.2mm，孔状细胞支架8设于距离流体芯片基板7的底部1/3距离处；所述流体芯片基板7的材质采用PMMA，所述孔状细胞支架6的材质采用PDMS。
相比PMMA，体外细胞可以更好地在PDMS薄膜上培养生长，但PDMS薄膜在核磁系统检测中会产生较强的背景信号，所以在本实施例中主体材料选用PMMA，在细胞培养腔71的底部使用PDMS薄膜，这样制备成的细胞培养用微流控芯片既可以适用于细胞培养，又不会在核磁系统中产生干扰信号。
用于细胞培养和反应用的PDMS微纳孔薄膜是通过在一定温度下固化旋涂的特制PDMS液态预聚物制备而成。首先利用SU-8光刻胶在硅片基底上通过光刻形成微柱模具,再将液态PDMS预聚物旋涂在SU-8模具上，于70℃烘箱中加热1.5h，使PDMS聚合形成稳定固态结构。上述的液态PDMS预聚物是由PDMS单体与交联剂以质量比10:1的比例均匀混合，然后再与盐纳米颗粒按一定比例均匀混合而成。再将固化形成的PDMS薄膜放在盐溶剂中溶解去除PDMS薄膜中的盐纳米颗粒，最终形成PDMS微纳孔薄膜。所制备的薄膜的厚度可以通过调整旋涂的速度进行控制。
本实施例设计的反应用微流控芯片3的制备如下：先设计微流控芯片结构，然后将厚度为0.2mm的特氟龙片材用CO2激光系统切割成尺寸为26mm*80mm，用于构成芯片上下结构的片材。采用低功率的激光，在上述特氟龙片材上刻出用于流体连接、液体混合和气体交换等功能的微通道，这些微通道的横截面为深度约100μm的长方形。在同一片特氟龙片材上，再用较高功率的激光刻出反应区321和检测区322。
为了将制备成的特氟龙薄片结构与PDMS薄膜粘结，首先需要将特氟龙薄片和PDMS薄膜都反复用异丙醇和乙醇进行清洗，再用压缩氮气吹干。然后将特氟龙薄片与PDMS薄膜需要粘结的表面都先暴露在50W的氧等离子体中45s的时间。经过氧等离子表面处理后，在PDMS薄膜表面涂上5％的3-氨基丙基三乙氧基硅烷水溶液，在特氟龙薄片表面上涂上α-氰基丙烯酸乙酯黏胶，然后将两个表面在65℃按压粘结50min以上，然后再在80℃下处理4h以上，确保特氟龙薄片结构与PDMS薄膜完好粘结后，整个芯片再用异丙醇清洗两次，放置在60℃的干燥箱中放置一天晾干，组装成大小可安装在所设计的核磁探头的反应用微流控芯片3。在使用时，要求反应用微流控芯片3中的检测区322与介质基板2之间的目标距离可调。本实施例中，在介质基板2与反应用微流控芯片的检测区322中间隔着一层特氟龙芯片基材，由于这层特氟龙中间层的厚度可以通过调整制作检测区322时所用的激光刻蚀功率和时间进行精确控制，因此可以精确控制样品到偶耦合微带线圈线圈之间的距离。该新型探头结构设计避免以往基于MEMS工艺的集成探头样品和线圈距离不易控制以及暴露的线圈部分易氧化等局限问题，可将微量样品精确放置于所设计的平面射频线圈产生的射频场中心，得到最佳的核磁信号。

Claims (10)

1.一种平面双微带微线圈探头，其特征在于：包括依次设置的第一梯度线圈、介质基板、微流体芯片、接地板和第二梯度线圈；所述第一梯度线圈、介质基板、微流体芯片、接地板和第二梯度线圈上对应设有定位过孔，通过对齐定位过孔插接于支架内；所述介质基板上印刷有偶耦合微带结构，所述偶耦合微带结构包括两条平行且彼此靠近的微带线构成微型核磁线圈，两条微带线的尺寸完全相同彼此对称，且两微带线中所传输的电场方向相同；所述第一梯度线圈和第二梯度线圈采用平板表面线圈结构，平行主磁场方向放置。
2.如权利要求1所述的一种平面双微带微线圈探头，其特征在于：所述微流体芯片包括细胞培养用微流控芯片和反应用微流控芯片。
3.如权利要求2所述的一种平面双微带微线圈探头，其特征在于：所述反应用微流控芯片由两片刻有微流体通道的特氟龙薄片夹着一层孔状PDMS薄膜的三明治结构组成，反应用微流控芯片上设有注液口、排液口、反应区和检测区，所述检测区的位置对应介质基板上的偶耦合微带结构。
4.如权利要求3所述的一种平面双微带微线圈探头，其特征在于：所述反应用微流控芯片采用MEMS激光工艺加工制备。
5.如权利要求2所述的一种平面双微带微线圈探头，其特征在于：所述细胞培养用微流控芯片包括流体芯片基板和孔状细胞支架，所述流体芯片基板的内部开设有细胞培养腔，细胞培养腔的底部设有供孔状细胞支架嵌于的插入槽，细胞培养腔的的上部开设有注入口；孔状细胞支架的下方设有供活细胞代谢物储存的容置腔，所述容置腔的底部开口设有一通孔，所述通孔的位置对应介质基板上的偶耦合微带结构。
6.如权利要求5所述的一种平面双微带微线圈探头，其特征在于：所述细胞培养用微流控芯片的厚度为2～3cm，宽度为2～3cm，长度为6～8cm；所述孔状细胞支架的厚度为0.5～0.7cm，孔径为0.1～0.2mm。
7.如权利要求5所述的一种平面双微带微线圈探头，其特征在于：所述流体芯片基板的材质采用PMMA，所述孔状细胞支架的材质采用PDMS。
8.如权利要求1所述的一种平面双微带微线圈探头，其特征在于：所述第一梯度线圈和第二梯度线圈的电路板内侧设有方形螺旋状线圈电路，横向螺旋线线间距不同，方形螺旋状线圈电路四周设有屏蔽电路通过定位过孔连接到内层屏蔽层，第一梯度线圈和第二梯度线圈的电路板下端各延伸出一个接口柄，接口设有输入连接点、串联连接点和地线连接点，地线连接点通过定位过孔和电路板内层屏蔽电路连接；电路板中间层设有输入电路，输入电路两端通过定位过孔分别连接外层电路板的输入连接点及方形螺旋线圈的内端点；电路板内层为屏蔽接地层；第二梯度线圈的电路板内层中间设有长方形开窗，长边方向为主磁场方向。
9.如权利要求1所述的一种平面双微带微线圈探头，其特征在于：所述支架上设有长方形安装槽，所述第一梯度线圈、介质基板、微流体芯片、接地板和第二梯度线圈组装插接于安装槽内。
10.如权利要求1所述的一种平面双微带微线圈探头，其特征在于：所述介质基板的厚度为3mm。
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