CN1971259B - 一种平面核磁共振微线圈微检测器 - Google Patents

Abstract

一种平面核磁共振微线圈微检测器，由平面核磁共振微线圈[1]和微流道结构[2]组成，采用一体式设计，平面核磁共振微线圈[1]加工在聚酰亚胺基片[3]表面，微流道结构[2]为长方体结构，加工在聚酰亚胺基片[3]的另一面，由一聚酰亚胺薄片[4]包埋在位于平面核磁共振微线圈[1]正下方的聚酰亚胺基片[3]内部。工作时，平面核磁共振微线圈同时作为射频激励器和信号接收器，激励待测样品产生NMR信号，并获得NMR波谱。本发明可以满足无损、实时的检测要求，并可以给出检测样品的分子结构和构像的信息。可应用于包括微量样品的分析检测、化学反应的实时动态监控、生物组织与细胞的生长状况的实时动态监控等领域。

Description

一种平面核磁共振微线圈微检测器

技术领域

本发明涉及一种平面核磁共振微线圈微检测器。

背景技术

核磁共振(nuclear magnetic resonance，即NMR)是指核磁矩不为零的核，在外磁场的作用下，核自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一特定频率的射频辐射的物理过程。由于塞曼分裂的大小与分子的化学结构有密切的关系，因而NMR能提供有关化学结构及分子动力学的信息，成为分子结构解析的一个有力工具，这一点是其他的分析方法所不具备的。核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段，由于其可深入物质内部而不破坏样品，并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用，已经从物理学渗透到化学、生物、地质、医疗以及材料等学科，在科研和生产中发挥了巨大作用。然而，与其他的分析方法相比，NMR的检测灵敏度相对较低(检测限约为10^-9mol)，NMR的分析样品的体积一般在10-100mm³，这限制了NMR在微、纳尺寸样品分析中的应用。另外，NMR检测的相关设备(线圈、磁体等)体积相对较大，设备的价格以及使用维护成本较高，非常不利于其在生物、化学等领域中的常规应用。

因此，为了使NMR检测分析技术能够得到更加广泛深入的应用，要解决两个问题，首先是要提高NMR的检测灵敏度，其次是减小NMR检测设备的体积，达到微型化、集成化、与便携化的要求。

为了提高NMR的检测灵敏度，可以采用微线圈作为射频(RF)和接收线圈的方法。由于射频线圈的性能决定NMR检测中的信噪比(SNR)，当RF线圈的尺寸与待测样品相匹配时，NMR信号最大，信噪比SNR与单位电流在线圈中央产生的磁场Buc、线圈的串联电阻Rc、线圈的特征长度d的关系为：

$\mathrm{SNR}\∝\frac{B_{\mathrm{uc}}}{\sqrt{R_c}}\∝d^{-1/2}$

从上式可以看出，为了提高检测灵敏度，微线圈的尺寸必须与样品相匹配。在外磁场、样品的种类和体积确定的情况下，可以通过微加工工艺的优化，提高线圈厚度，增加线圈匝数，来减小线圈的串联电阻，达到提高检测灵敏度的目的。

通过将微线圈与微流道结构集成，构建新型的平面微线圈核磁共振微检测器件，可以减小NMR检测设备的体积，达到降低成本，扩展应用的目的。因此，通过采用微线圈以及将微线圈与微流道结构集成的方法，可以同时解决提高NMR检测分析技术的灵敏度和减小NMR检测设备的体积的问题。同时，为了便于集成，还需要采用基于MEMS技术平面工艺加工的平面结构的微线圈。

国外对于基于MEMS技术的平面核磁共振微线圈的研究始于二十世纪九十年代中期，国外的学者注意到螺线管核磁共振射频微线圈加工难度大、在微尺度下难以同微量样品定位、兼容性差，于是将目光转向使用传统的光刻技术加工的平面核磁共振射频微线圈上。平面微线圈具有设计加工简单、操作简便灵活、可以与含有微流道结构的芯片整合，构成新型的微分析器件。早期的平面核磁共振微线圈的直径从20μm至几百μm不等，主要加工在玻璃或砷化镓底片上，这些微线圈由于厚度较薄，导致串联电阻相对较高，Q值(即quality factor，称为品质因数，是反映线圈性能的重要指标，定义为线圈每个谐振周期储能与耗能之比，Q值越大，表示线圈在工作频率即共振频率下对信号的放大能力越强)相对较小，影响NMR信号测量的灵敏度和分辨率。为此，科研人员改进了平面核磁共振微线圈加工工艺。2002年，瑞典的EPEL微系统研究所的Massin等人采用SU-8铸模和铜电镀加工技术，在玻璃底片上的加工平面微线圈，这种微线圈的电阻小于1欧姆，在300MHz下Q值为24，他们使用500μm直径的微线圈测得了160nl的乙苯的¹H-NMR波谱。2003年，Massin等人又报道了铜电镀平面核磁共振微线圈与加工在玻璃上的含有微流道结构的芯片集成的微分析器件，它的检测体积为470nl，可以测得溶解在D20里的160μg的¹H-NMR波谱。目前国际上对于平面核磁共振微线圈检测技术的研究已从优化微线圈的加工工艺，改善微线圈的工作性能的起步阶段，进入到一些实质的应用研究阶段，国内还未有这方面研究的相关报道。

从目前国内外的研究情况来看，核磁共振平面微线圈检测技术的研究虽然发展较快，但还存在着一些亟待解决的问题，首先，目前用于核磁共振微检测的平面微线圈多加工于硅、玻璃或砷化镓等基片上，这种类型的基片不仅脆性较高，容易毁坏，而且不能用于较粗糙的表面，这些极大的限制了其适用范围；另外，平面微线圈核磁共振微检测器件由核磁共振平面微线圈和微流道结构组成，目前的做法是将这两种结构加工在不同的芯片上，然后进行集成，这不但增加了成本，并且由于结构的原因增加了检测样品与微线圈的距离，极大的降低了检测灵敏度；上面提到的这些问题的解决将会极大地推动核磁共振平面微线圈检测技术的普及和应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的基片脆性较高，容易毁坏，不能用于较粗糙的表面，以及平面微线圈和微流道结构分别加工于不同的基片上，使得流经微流道结构的样品与线圈距离较远，降低了检测灵敏度的缺点，提出一种采用新结构的平面微线圈核磁共振微检测器。

本发明加工于聚酰亚胺(polyimide)基片上。聚酰亚胺是一种聚合材料，具有高机械稳定性，高热学和化学惰性，高介电常数等特点，且柔韧性非常好，适合应用于各种极端环境和工作表面。本发明由平面核磁共振微线圈和微流道结构组成，采用一体式设计，即平面核磁共振微线圈和微流道结构共同加工在同一片聚酰亚胺基片上，其中：平面核磁共振微线圈加工在聚酰亚胺基片表面，微流道包埋在位于微线圈正下方的基片内部。

首先，采用MEMS即微细加工技术将平面核磁共振微线圈加工于聚酰亚胺基片表面上。加工过程采用了铸模、喷镀等工艺，这样加工出的平面核磁共振微线圈厚度大，串联电阻低，Q值相对较高，可大大提高NMR信号测量的灵敏度和分辨率。同时在聚酰亚胺基片表面加工焊盘、引线，焊盘通过引线与平面核磁共振微线圈相联，方便与其他电路连接。本发明可以在传统的光刻工艺基础上方便的加工出形状、尺寸符合设计要求的微线圈，可与微量样品准确定位，提高检测灵敏度。

接着采用反应离子刻蚀技术在位于平面核磁共振微线圈正下方的聚酰亚胺基片的另一面加工出微流道结构，然后再利用高温键合工艺将另一片聚酰亚胺薄片与聚酰亚胺基片的底部封闭，形成完整的微流道结构，这样可以使平面核磁共振微线圈与检测样品的距离大大的缩小，极大提高了检测灵敏度。

本发明最重要的优点是可以达到无损、实时的检测要求，并可以给出检测样品的分子构像的信息，这些优点是其他的检测方法所无法比拟的。因此，本发明可应用于纳升级样品的分析检测、化学反应的实时动态监控、生物组织与细胞的生长状况(能量代谢、PH值、温度等)的实时动态监控等。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，其中1为平面核磁共振微线圈，2为微流道结构，3为聚酰亚胺基片，4为聚酰亚胺薄片；

图2是平面核磁共振微线圈结构示意图，其中1为平面核磁共振微线圈，5为焊盘，6为微线圈引线。

具体实施方式

图1是本发明的具体实施例，本发明由平面核磁共振微线圈1和微流道结构2组成，采用一体式设计，即平面核磁共振微线圈1和微流道结构2共同加工在同一片聚酰亚胺基片3上，其中：平面核磁共振微线圈1加工在聚酰亚胺基片3表面，微流道结构2为长方体结构，加工在聚酰亚胺基片3的另一面，由一聚酰亚胺薄片4包埋在位于平面核磁共振微线圈1正下方的聚酰亚胺基片3内部。

本发明的关键结构是平面核磁共振微线圈1和微流道结构2。平面微线圈核磁共振微检测器件加工分为两个步骤，先加工平面核磁共振微线圈1，再加工微流道结构2。分别说明如下：

加工平面核磁共振微线圈1：利用电子束曝光设备加工掩膜版。平面核磁共振微线圈1加工在聚酰亚胺基片3上，先使用SU-8胶铸模技术加工线圈的模具：首先在聚酰亚胺基片表面上沉积Ti(5nm)\Cu(100nm)种子层，然后采用紫外光刻技术，利用SU-8作为光刻胶在聚酰亚胺基片表面上加工出线圈的模具。再利用铜喷镀工艺加工出具有高Q值的平面核磁共振微线圈1，同时也加工出焊盘5、引线6等；平面核磁共振微线圈1的宽度为40-60微米，厚度为60-100微米，内直径为500微米-2毫米，匝数为3-12。平面核磁共振微线圈1的焊盘5和引线6的厚度为5-10微米，平面核磁共振微线圈1及其焊磐5和引线6如图2所示。在聚酰亚胺材料上利用SU-8胶加工模具，比其他光刻胶加工出来的模具有更大的深宽比。

平面核磁共振线圈1的宽度、厚度、匝数等参数可使用专用软件根据检测样品的情况设计。为使检测灵敏度最高，平面核磁共振微线圈1的大小尽量与检测样品相匹配，即线圈1的检测区域与样品的覆盖区域相当，而且线圈1与样品的距离尽量靠近。

加工微流道结构2：可使用专用软件设计微流控芯片的形状尺寸，利用电子束曝光设备加工掩膜版，接着采用反应离子刻蚀技术在位于平面核磁共振微线圈1正下方的聚酰亚胺基片3另一面加工出微流道结构2，然后再利用高温键合工艺将另一片聚酰亚胺薄片4与聚酰亚胺基片3的底部封闭，形成完整的微流道结构。微流道结构2的宽度与平面核磁共振微线圈4的内直径相等，其顶部距平面核磁共振微线圈1底部为20微米-30微米。

本发明工作方式如下：在微流道结构2上完成采样、稀释、加试剂、反应、分离等分析步骤之后，待测样品到达靠近平面核磁共振微线圈1的检测区。施加固定的外磁场，以平面核磁共振微线圈1作为射频激励器，在宽带脉冲发生器的作用下，引起样品中的自旋核共振，产生NMR信号，平面核磁共振微线圈1再作为信号接收器接收信号，获得NMR波谱。

Claims (3)

1.一种平面核磁共振微线圈微检测器，由平面核磁共振微线圈[1]和微流道结构[2]组成，其特征在于平面核磁共振微线圈[1]加工在聚酰亚胺基片[3]表面，微流道结构[2]为长方体结构，加工在聚酰亚胺基片[3]的另一面，由一聚酰亚胺薄片[4]包埋在位于平面核磁共振微线圈[1]正下方的聚酰亚胺基片[3]内部。

2.根据权利要求1所述的平面核磁共振微线圈微检测器，其特征在于微流道结构[2]的宽度与平面核磁共振微线圈[1]的内直径相等，其顶部距平面核磁共振微线圈[1]底部为20微米-30微米。

3.根据权利要求1所述的平面核磁共振微线圈微检测器，其特征在于利用电子束曝光设备加工掩膜版，首先，在聚酰亚胺基片表面上顺次沉积5nm厚的Ti和100nm厚的Cu种子层，然后采用紫外光刻技术，利用SU-8胶在聚酰亚胺基片表面上加工出线圈的模具，再利用铜喷镀工艺在聚酰亚胺基片[3]的表面加工出平面核磁共振微线圈[1]，同时加工出焊盘[5]、引线[6]；接着采用反应离子刻蚀技术在位于平面核磁共振微线圈[1]正下方的聚酰亚胺基片[3]的另一面加工出微流道结构[2]，然后再利用高温键合工艺将一片聚酰亚胺薄片[4]与聚酰亚胺基片[3]的底部封闭。

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