一种基于磁纳米粒子的快速粒径分布信息测量方法技术

本发明专利技术提出了一种基于磁纳米粒子的快速粒径分布信息测量方法，其步骤如下：磁性纳米样品放置在待测对象处；对磁性纳米样品施加单频正弦波激励磁场；采用磁探测传感器实时测量磁化响应信号；采用带通滤波器、低噪声前置放大器和选频放大器对磁化响应信号进行信号调理；采用谐波幅值检测算法进行谐波幅值信息提取；根据郎之万函数构建谐波幅值信息与粒径分布信息之间的函数关系；设置不同的激励磁场强度，获得Z个不同谐波幅值信息与粒径分布信息之间的函数关系组成数学模型；求解得到粒径分布信息。本发明专利技术可以实时快速地获取磁纳米粒径分布信息，从根本上解决了磁纳米粒径分布测量实时性较低的问题，同时又避开了高次谐波测量困难的难题。

A Fast Measurement Method of Particle Size Distribution Information Based on Magnetic Nanoparticles

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁纳米粒子的快速粒径分布信息测量方法
本专利技术涉及纳米磁学检测技术和非侵入式粒径分布测量的
，尤其涉及一种基于磁纳米粒子的快速粒径分布信息测量方法，适用于医疗生物诊断技术中磁纳米特性信息分析与快速精密测量。
技术介绍
磁纳米粒子在生物医学应用中已被广泛研究，不仅可以应用于肿瘤细胞的热疗、靶向给药、检测活体生物事件，而且可以进行生物标记，如磁纳米粒子探针代替荧光蛋白纳米粒子。磁纳米粒子独特优良的磁学特性也开辟了全新的检测技术与测量手段，如磁纳米粒子成像(MPI)、磁纳米粒子测温(MNPT)和磁纳米免疫检测，为生物医疗领域的创新与发展提供了全新的动力。磁纳米粒子的磁学特性研究涉及颗粒粒径、颗粒形状、粒径分布和粒子间相互作用等磁性纳米材料的关键属性，其中颗粒粒径与粒径分布是其重要属性之一，因此快速、准确地获取粒径分布信息估计至关重要。在常用的显微法中，如透射电子显微镜(TEM)，通过平面投影成像对不同粒径的粒子进行统计得到粒径分布，能直观的取得高精确度的测量结果，但缺点是统计过程中耗时，测量设备昂贵，不能实时测量，而且只能测出局部粒径分布。在光散射法中，使用动态光散法(DLS)直接测量磁纳米粒子的全局粒径分布，也是利用磁纳米粒子的物理特性进行高精度的测量，同样的缺点是测量设备较为昂贵。随着技术的发展，利用磁学特性的实时测量粒径分布的测量方法得到发展，通过测量M-H曲线估计粒径分布，可由奇异值分解或拟合的方法反演出粒径分布，但利用这种方法存在的问题是可能存在虚假震荡，虽然测量时间相对于电镜等测量时间有所改善，但仍然耗费较长时间。利用弛豫法获得粒径分布信息，同样测量过程耗时，使测量结果实时性不强。综上所述，Tem电镜法和基于M-H曲线的粒径估计法都存在设备昂贵，测量时间太长，不能实现实时粒径分布信息测量。
技术实现思路
针对现有测量粒径分布方法可能存在虚假震荡，测量过程耗费时间较长，磁纳米粒径分布信息测量结果实时性不强的技术问题，本专利技术提出一种基于磁纳米粒子的快速粒径分布信息测量方法，能够对磁纳米实现快速实时的粒径分布信息测量，从而满足医疗生物诊断中所要求的快速实时粒径分布信息测量。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于磁纳米粒子的快速粒径分布信息测量方法，其步骤如下：步骤一：磁性纳米样品放置在待测对象处，设置初始迭代参数i＝1；步骤二：对磁性纳米样品所在区域施加单频正弦波激励磁场；步骤三：采用磁探测传感器实时测量步骤二单频正弦波激励磁场激励下的磁纳米样品的磁化响应信号；步骤四：采用带通滤波器、低噪声前置放大器和选频放大器对步骤三中的磁化响应信号依次进行滤波、前置放大和选频放大的信号调理；步骤五：利用数据采集卡对步骤四中信号调理后获得的信号进行数据采集得到离散信号；步骤六：采用谐波幅值检测算法对步骤五中获得的离散信号进行谐波幅值信息提取；步骤七：根据郎之万函数构建谐波幅值信息与粒径分布信息之间的函数关系；步骤八：设置不同的单频正弦波激励磁场强度，i＝i+1且i<＝Z，重复步骤二到步骤七获得Z个不同单频正弦波激励磁场强度下的谐波幅值信息与粒径分布信息之间的函数关系，将Z个函数关系组成矩阵方程组得到数学模型；步骤九：求解步骤八中的数学模型得到粒径分布信息。所述磁纳米样品包括磁性纳米固体粉末颗粒、磁纳米胶体或磁纳米液体。所述步骤二中利用通电的亥姆霍兹线圈、螺线管或者麦克斯韦尔线圈产生单频正弦波激励磁场，单频正弦波激励磁场H(i)＝Hisin(ωt)，其中，Hi是第i次迭代中频率为ω的交流磁场强度；交流磁场强度Hi的范围为0.00005特斯拉---0.005特斯拉，交流磁场强度Hi的频率在1KHz以下。所述步骤三中磁探测传感器为差分结构-空心式螺线圈、梯度线圈或巨磁阻传感器，实时获取磁纳米粒子样品在单频正弦波磁场激励下的磁化响应信息。所述步骤七中构建谐波幅值信息与粒径分布信息之间的函数关系的方法为：磁性纳米粒子在低频交流磁场下的磁化强度M描述为：郎之万函数L(ξ)为：L(ξ)＝coth(ξ)-1/ξ，且有效磁矩m和粒径Dc的关系可表示为：n(Dc)dDc＝n(m)dm；则磁化强度M(Hi)可表示为：磁纳米粒子个数和体积与粒径分布函数的关系为：n(Dc)V(Dc)＝LN(Dc；μ,σ2)粒径分布函数可表示为：磁化强度M(Hi)表达式为：其中，μ0表示真空磁导率，m表示磁纳米粒子的有效磁矩，n(m)表示磁纳米粒子个数，L(ξ)表示用于描述磁纳米粒子超顺磁性的郎之万函数，Ms表示饱和磁化强度，Dc表示磁纳米粒子的直径即粒径，Hi表示第i次的激励磁场强度，T表示磁纳米粒子的绝对温度，V(·)表示磁纳米粒子的体积函数；kB表示玻尔兹曼常数；N表示样品中含有粒径的种类和Z表示调整改变的交变磁场强度总个数，LN(j)是粒径为的粒子数量，μ和σ分别表示粒径分布函数中的参数的期望和方差，表示离散过程中粒径取得步进值；郎之万函数通过有限项泰勒级数展开得到：磁化强度的离散表示为：对带入泰勒级数展开的郎之万函数的磁化强度进行傅里叶变换，离散磁化强度M(Hi)为：通过傅里叶变换前后的离散磁化强度M(Hi)提取各次奇次谐波，得到一次和三次谐波幅值与粒径信息之间的数学关系为：谐波幅值信息与粒径分布信息之间的函数关系：其中，n和k表示自然数，且k＝1,2,3,…n；和分别为外加交变磁场强度Hi时，粒径为的磁纳米粒子的磁化响应中的一次和三次谐波幅值信息；C1(Hi)和C3(Hi)分别是外加交变磁场强度Hi下的磁纳米粒子磁化响应中的一次和三次谐波信息总和。所述步骤八中交流磁场强度的变化范围为0.00005特斯拉---0.005特斯拉，步进为0.0001特斯拉。所述步骤八中所述Z个不同单频正弦波激励磁场强度下的数学模型为：其中，系数矩阵为粒径分布信息为得到的一次谐波幅值和三次谐波幅值构建矩阵方程组：AX＝b。所述步骤九采用正则化非线性方程组算法、Levenberge-Marquardt算法或非负线性最小二乘算法求解数学模型得到粒径分布信息。所述正则化非线性方程组算法的求解方法为：矩阵方程组：AX＝b变换为矩阵方程：A'AX＝A'b；其中，A'表示A的转置矩阵；当阈值为ε时，则矩阵方程可表示为：(A'A+ε·I)X＝A'b；其中，I为单位矩阵；对系数矩阵A进行奇异值分解表示为：A'A+ε·I＝USV'；其中，U和V均是正交矩阵，V'表示正交矩阵V的转置矩阵，S是一个对角矩阵；所求粒径分布信息X为：X＝VS-1UTA'b。本专利技术的有益效果：将磁性纳米固体粉末颗粒、磁纳米胶体或磁纳米液体样品放置在待测对象处，对待测对象所在的区域施加单频正弦波激励磁场，利用磁探测传感器实时获取磁性纳米固体粉末颗粒或磁纳米胶体或磁纳米液体样品的磁化响应信息，磁纳米粒子的磁化强度信息包含丰富的各次谐波信息，通过带通滤波器、低噪声前置放大器和选频放大器对磁化响应信息进行滤波、放大等信号调理，进而采用数据采集卡对信号进行数据采集，通过高精度谐波检测算法提取出所需各次谐波的幅值信息，采用谐波幅值与粒径分布信息之间的耦合关系构建磁纳米粒径分布信息测量模型，实时改变单频正弦波激励磁场强度，测量不同激励磁场强度下的谐波幅值信息，完成粒径分布信息的反演本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磁纳米粒子的快速粒径分布信息测量方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：磁性纳米样品放置在待测对象处，设置初始迭代参数i＝1；步骤二：对磁性纳米样品所在区域施加单频正弦波激励磁场；步骤三：采用磁探测传感器实时测量步骤二单频正弦波激励磁场激励下的磁纳米样品的磁化响应信号；步骤四：采用带通滤波器、低噪声前置放大器和选频放大器对步骤三中的磁化响应信号依次进行滤波、前置放大和选频放大的信号调理；步骤五：利用数据采集卡对步骤四中信号调理后获得的信号进行数据采集得到离散信号；步骤六：采用谐波幅值检测算法对步骤五中获得的离散信号进行谐波幅值信息提取；步骤七：根据郎之万函数构建谐波幅值信息与粒径分布信息之间的函数关系；步骤八：设置不同的单频正弦波激励磁场强度，i＝i+1且i<＝Z，重复步骤二到步骤七获得Z个不同单频正弦波激励磁场强度下的谐波幅值信息与粒径分布信息之间的函数关系，将Z个函数关系组成矩阵方程组得到数学模型；步骤九：求解步骤八中的数学模型得到粒径分布信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁纳米粒子的快速粒径分布信息测量方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：磁性纳米样品放置在待测对象处，设置初始迭代参数i＝1；步骤二：对磁性纳米样品所在区域施加单频正弦波激励磁场；步骤三：采用磁探测传感器实时测量步骤二单频正弦波激励磁场激励下的磁纳米样品的磁化响应信号；步骤四：采用带通滤波器、低噪声前置放大器和选频放大器对步骤三中的磁化响应信号依次进行滤波、前置放大和选频放大的信号调理；步骤五：利用数据采集卡对步骤四中信号调理后获得的信号进行数据采集得到离散信号；步骤六：采用谐波幅值检测算法对步骤五中获得的离散信号进行谐波幅值信息提取；步骤七：根据郎之万函数构建谐波幅值信息与粒径分布信息之间的函数关系；步骤八：设置不同的单频正弦波激励磁场强度，i＝i+1且i<＝Z，重复步骤二到步骤七获得Z个不同单频正弦波激励磁场强度下的谐波幅值信息与粒径分布信息之间的函数关系，将Z个函数关系组成矩阵方程组得到数学模型；步骤九：求解步骤八中的数学模型得到粒径分布信息。2.根据权利要求1所述的基于磁纳米粒子的快速粒径分布信息测量方法，其特征在于，所述磁纳米样品包括磁性纳米固体粉末颗粒、磁纳米胶体或磁纳米液体。3.根据权利要求1所述的基于磁纳米粒子的快速粒径分布信息测量方法，其特征在于，所述步骤二中利用通电的亥姆霍兹线圈、螺线管或者麦克斯韦尔线圈产生单频正弦波激励磁场，单频正弦波激励磁场H(i)＝Hisin(ωt)，其中，Hi是第i次迭代中频率为ω的交流磁场强度；交流磁场强度Hi的范围为0.00005特斯拉---0.005特斯拉，交流磁场强度Hi的频率在1KHz以下。4.根据权利要求1所述的基于磁纳米粒子的快速粒径分布信息测量方法，其特征在于，所述步骤三中磁探测传感器为差分结构-空心式螺线圈、梯度线圈或巨磁阻传感器，实时获取磁纳米粒子样品在单频正弦波磁场激励下的磁化响应信息。5.根据权利要求3所述的基于磁纳米粒子的快速粒径分布信息测量方法，其特征在于，所述步骤七中构建谐波幅值信息与粒径分布信息之间的函数关系的方法为：磁性纳米粒子在低频交流磁场下的磁化强度M描述为：郎之万函数L(ξ)为：L(ξ)＝coth(ξ)-1/ξ，且有效磁矩m和粒径Dc的关系可表示为：n(Dc)dDc＝n(m)dm；则磁化强度M(Hi)可表示为：磁纳米粒子个数和体积与粒径分布函数的关系为：n(Dc)V(Dc)＝LN(Dc；μ,σ2)粒径分布函数可表示为：磁化强度M(Hi)表达式为：其中，μ0...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜中州，叶娜，孙毅，王丹丹，苏日建，刘文中，甘勇，李娜娜，邹东尧，金保华，朱付保，
申请(专利权)人：郑州轻工业学院，
类型：发明
国别省市：河南,41