量子磁光传感器制造技术

量子磁光传感器涉及核磁共振和拉曼光谱的量子级超微量检测的传感器领域，具体包括发现在核磁磁化、核磁共振、核磁弛豫以及核磁非磁化的状态下，检测物中特定质子的电子能级跃迁导致的拉曼散射光在方位和方向上的分布概率差异，寻找并调整激发光和拉曼散射光的最优磁光夹角，将获得更高的拉曼散射光采集效率，同时采集特征磁谱和特征光谱，依据量子关联，还能够从量子关联中找出更多的信息，具体采用主磁场发生器、激发感应线圈、控制子系统、激光器和拉曼探头构成量子磁光传感器，通过离轴方式或同轴方式，调节磁光夹角，实现提高拉曼光谱采集效率，同时实现多状态下特征磁谱和特征光谱的关联，为进一步解析检测分子的含量提供计算依据。计算依据。计算依据。

【技术实现步骤摘要】
量子磁光传感器


[0001]本专利技术涉及互联网和新能源领域，尤其涉及核磁共振和拉曼光谱的量子级别的超微量检测的传感器子领域，用于创新设计一类医学IVD（人体体外诊断产品），对于人体进行血液和组织液的无创超微量检测诊断，还可以用于食品、药物、毒品等其它微量物质的检测。

技术介绍

[0002]体外诊断产品体外诊断产品IVD（英文名称：In Vitro Diagnostic products，缩写：IVD，中文简称：体外诊断产品）由于采用人体体外来进行医疗检测，不同于手术和抽血化验检测，尤其是无创IVD，无需破皮即可完成检测，所以越来越受到医疗机构和被检测对象的欢迎和重视。然而，由于无创IVD是透过人体皮肤对人体内部（例如血液、组织液、皮下组织等）进行检测，其理论模型的创新和技术实现的难度，均极其困难。以核磁共振技术为例，一台核磁共振成像系统居然包含着17人12次获得诺贝尔奖，拉曼光谱技术也是获得诺贝尔物理学奖的成果。
[0003]微量物质检测产品对于一些含有可形成核磁共振的特定质子的超微量物质，无论是以纯原子结构的物质溶液还是以分子结构的混合物质，在其含量非常小的情况下，检测是较为困难的，例如食品中的微量物质、药品中的微量物质、剧毒物质以及毒品，这些检测的需求也是存在的。
[0004]核磁共振技术核磁共振技术核心内容是一种量子现象，具体是部分特定的质子的磁矩在外界纵向恒定磁场中被磁化，并且由于该质子在磁场中，存在固有的进动频率，在与进动频率同频率的横向激发射频磁场的作用下，质子产生进动共振，同时在激发射频磁场停止后，由于化学键中的质子的章动效应，产生化学位移的自由感应衰减，据此，可以依据计算出特定分子的含量。
[0005]依据核磁共振中的共振过程和弛豫过程，尤其是通过检测化学位移的自由感应衰减，可以获得检测物中特定分子的特征磁谱，人们把这种特征磁谱当作特定分子的“指纹磁谱”，通过这种指纹磁谱，可以进一步计算特定分子在检测物中的含量。
[0006]拉曼光谱技术拉曼光谱技术的最核心理论是拉曼效应（英文名称：Raman scattering，英文简称：Raman，中文简称：拉曼散射或拉曼效应。Chandrasekhara Venkata Raman, 1888
‑
1970，印度物理学家），拉曼效应发现于1928年，并在1930年获得诺贝尔物理学奖。拉曼效应的核心原理也是一种量子现象，当特定波长激发光的光子与原子核的核外电子产生碰撞时，电子吸收光子的能量，依据能量守恒原理，产生散射光光子。其中，绝大部分发生弹性碰撞，此时弹出的光子波长与激发光波长一致，称为瑞利散射光（英文名称：Rayleigh scattering，中文简称：瑞利散射）；另外很小部分发生非弹性碰撞，此时由于电子的能级跃迁吸收或者
释放部分能量，所以散射光的波长不等于激发光波长，称为拉曼散射光。其中，拉曼散射光又依据波长的不同，分成散射光波长与激发光波长相差较小的（1～10/cm
‑1）被称为布里渊散射光、散射光波长明显大于（＞10/cm
‑1）激发光波长的称为斯托克斯散射光和散射光波长明显小于激发光波长的称为反斯托克斯散射光（英文名称：Anti
‑
Stokes scattering，中文简称：反斯托克斯散射），布里渊散射、斯托克斯散射和反斯托克斯散射构成的光谱成为拉曼光谱。
[0007]基于特定分子的分子键和原子的结构，均能够产生一种固定的拉曼光谱，人们又称之为特定分子的“指纹光谱”，通过这种指纹光谱，能够进一步计算特定分子在检测物中的含量。
[0008]融合技术创新在核磁磁化、核磁共振、核磁弛豫以及核磁非磁化的状态下，检测物中特定质子中电子的能级跃迁导致拉曼散射光在方向上的概率差异，调整磁光夹角，将获得更高的拉曼散射光采集效率。同时采集特征磁谱和特征光谱，依据量子关联，不仅能够提高拉曼散射光的采集率，还能够从量子关联中找出更多的信息。
[0009]目前，基于核磁共振技术和拉曼光谱技术的融合技术的创新，无论是学术研究还是产品应用、无论是研究报告还是专利申请，据专利技术人的检索，均少有发现。
[0010]此外，核磁共振技术和拉曼光谱技术各自独立技术的产品，也十分昂贵。就核磁共振技术而言，典型产品为用于医疗成像的核磁共振成像系统，通常造价为百万元至千万元量级；就拉曼光谱技术而言，典型产品大多数还是作为实验室检测仪器，少量的已经应用于食品卫生监测及缉毒监测，其价格依然在十万元以上。
[0011]由于拉曼散射光的产生，是源于原子核的核外电子由于受到激发光的激发，从低能级向高能级跃迁，又从高能级回落到原低能级时，释放的光子，据此，考察在核磁共振中的量子态和磁光夹角，就能够以此光子的概率分布作为拉曼光谱信号的概率分布。
[0012]求取拉曼光谱信号的概率分布中的最大概率位置，以此位置作为拉曼散射光的接收位置，接收拉曼散射光，获取最优核磁共振光谱。
[0013]量子态包括原子核的自旋、特定质子的自旋、电子能级、电子云概率、电子能级跃迁。
[0014]在实际设计中，本专利技术中的公式只是表达方式中的一种，在不同的学术流派中，会有不同的公式列写方式，也均包含在本专利技术之中。业内中级设计人员应该能够通过参考公知共用的资料予以采用。
[0015]现有技术的不足现有技术的不足，究其原因分析至少包括如下：1、核磁共振和拉曼光谱属于两个不相干的领域，完全没有相互融合；2、核磁共振大多数用于医学成像，设备昂贵，软硬件基础资源多被国外垄断；3、拉曼光谱的核心设备大多产自国外，由于价格较高，应用普及率较低；4、核磁共振和拉曼光谱的底层资源尚有很多可融合、可产生额外功效之处，尚待开发；5、此外，关于量子理论，由于是一个发展历程较短的理论，其主流分支和单点创新的研究工作尚在进行中，大多数研究学者尚未把研究重点投放到支流分支和多点创新方
面。量子理论应用创新目前正聚焦于单点创新的应用，例如量子保密通信产品、量子并行计算产品，而多合应用的产品，尚没有被研究者多关注。量子理论与其他应用的融合发展尚未到来，也鲜有商业成功的案例。核磁共振和拉曼光谱的融合，需要理论创新和方法创新。而这一创新，尚未发现有研究成果和应用案例。
[0016]专利技术的目的、意图和贡献基于对上述
技术介绍
和现有技术的不足的分析，专利技术人创新了本专利技术专利申请——量子磁光传感器，其专利技术的主要目的包括：1、从量子理论的层面，解析核磁共振技术和拉曼光谱技术在底层原理，创新专利技术出量子磁光传感器，解决融合核磁共振和拉曼光谱的理论和底层技术和传感器结构的问题；2、提出了离轴模式和同轴模式的量子磁光传感器结构设计方案，实现在核磁共振条件下的拉曼散射光收集。
[0017]本专利技术的主要意图和贡献包括：1、建立了核磁共振和拉曼散射光的关联，提高拉曼光谱的采集效率；2、通过核磁状态的变化提供拉曼光谱新的解析和检测手段；3、通过特征磁谱和特征光谱的双重解析，提高检测物中检测分子含量的解析精度；4、通过特征磁谱和特征光谱函数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.量子磁光传感器，包括：由控制支架安装固定主磁场发生器、激发感应线圈、控制子系统、激光器、拉曼探头成为一个整体；所述控制子系统连接所述激发感应线圈、所述激光器和所述拉曼探头，执行以下工作步骤：接受外部控制信号，输出内部返回信号；控制所述激发感应线圈，对于检测区中放置的检测物中的特定质子产生核磁共振；控制所述激光器发出激发光，形成光斑照射到所述检测物上，由所述检测物产生拉曼散射光；控制所述拉曼探头在所述核磁共振过程中采集并输出所述检测物产生的所述拉曼散射光。2.根据权利要求1所述的量子磁光传感器，其特征在于：所述主磁场发生器由电磁铁或永磁铁构成，在所述检测区产生磁场强度大于0.1特斯拉的均匀的主磁场；当所述主磁场发生器采用所述电磁铁时，所述控制子系统包括主磁场控制部件及电源供应部件，连接所述主磁场发生器，控制并提供所述电磁铁的电源，以便产生、关闭和控制一种以上磁场强度的所述主磁场，所述电磁铁包括软磁铁和超导磁铁；当所述主磁场发生器采用所述永磁铁时，所述永磁铁包括磁场稳定的钕铁硼磁铁或钐钴磁铁或铝镍钴磁铁或铁氧体磁铁或橡胶磁铁；或，所述控制子系统还包括磁场强度传感器，以感知所述主磁场的强度。3.根据权利要求2所述的量子磁光传感器，其特征在于：所述激发感应线圈包括激发线圈和感应线圈，二者的电气结构包括激发和感应共用一个绕组线圈的共用结构，或，所述激发线圈和所述感应线圈各自独立绕组线圈的独立结构；所述激发感应线圈在所述检测区中与所述主磁场垂直布置；所述激发感应线圈的外形包括矩形和圆形，大小尺寸适合放置在所述检测区之内；对于所述共用结构，所述控制子系统连接所述激发感应线圈，产生发出激发射频磁场信号，接收核磁共振信号；对于所述独立结构，所述控制子系统的激发端连接所述激发线圈，产生并发出所述激发射频磁场信号，所述控制子系统的感应端连接所述感应线圈，接收所述核磁共振信号。4.根据权利要求3所述的量子磁光传感器，其特征在于所述激光器包括：连接所述控制子系统并接受控制产生单波长或双波长的激发光，所述激发光的波长范围包括可见光、红外光和紫外光，所述激发光的功率包括0.1mW至5W，所述双波长为波长相差在0.01%至5%范围之内；所述激发光从产生到照射到所述检测物上形成所述光斑的光路为一次光路，所述一次光路中包括窄带滤光镜，以放行允许波长范围的激发光通过，阻止非允许波长的激发光通过，通过激发光输出端口，最终以所述光斑的方式照射到所述检测物上，和／或，所述一次光路中包括准直和聚焦的光学器件，以整形光路实现聚焦成所述光斑；和／或，同轴模式和离轴模式，所述同轴模式为所述一次光路的最后一段光路与所述拉曼散射
光采用同一个光轴线传输，所述离轴模式为所述一次光路的最后一段光路与所述拉曼散射光以所述光斑为交叉点，所述激发光与所述拉曼散射光以各自的光轴线分开传输。5.根据权利要求4所述的量子磁光传感器，其特征在于所述拉曼探头包括反射镜或第一聚光镜，还包括准直镜、滤光镜和输出光纤，具体是：从所述光斑直到所述输出光纤构成二次光路，所述反射镜或所述第一聚光镜位于所述二次光路的前端，用于汇聚出自所述光斑处光线；所述准直镜用于准直汇聚后的所述光斑处光线，传输到所述滤光镜，由所述滤光镜阻止从所述光斑处光线中包含的与所述激发光波长相等的反射光成分，放行所述拉曼散射光的成分；所述拉曼散射光包括斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光和布里渊散射光；所述滤光镜包括用于放行所述斯托克斯散射光的低通滤光镜或放行所述反斯托克斯散射光的高通滤光镜或放行所述布里渊散射光的双带通滤光镜；所述拉曼散射光由所述输出光纤的接收端接收，传输到输出端；或，所述拉曼探头还包括第二聚光镜，位于所述滤光镜和所述输出光纤的所述接收端之间，用于汇聚所述拉曼散射光，导入到所述接收端，其中，所述第二聚光镜形成的汇聚光锥的数值孔径小于等于所述接收端的数值孔径；所述输出光纤采用包括一根以上大直径纤芯的光纤，纤芯直径大于40μm，纤芯材料包括石英、塑料，所述输出端为光纤接口，其标准包括SMA905、FC，所述接收端采用垂直切割的断面。6.根据权利要求5所述的量子磁光传感器，其特征在于还包括磁光夹角调节器，具体包括：设定磁光夹角是以所述主磁场方向为方向基准，以所述光斑为位置基准的散射光夹角和激发光夹角，所述磁光夹角调节器包括手动调节器和电动调节器和调节位置限定的限位器，并安装在所述控制支架上；所述磁光夹角调节器包括调节轨迹，所述调节轨迹的种类包括以所述位置基准为中心的包括螺旋线、圆环线、径向线、平面直角坐标线，所述调节轨迹的参数包括轨迹坐标值或极坐标下的方位角和仰角；所述电动调节器通过通信接口连接所述控制子系统，基于所述调节轨迹的种类、所述调节轨迹的参数与所述控制子系统通信，接收和回传控制信息，所述电动调节器采用包括步进电机、超声波电机、电磁铁驱动，所述控制信息包括所述调节轨迹的种类、所述调节轨迹的参数和完成状态；所述手动调节器具有手动调节钮，连到所述控制支架的外表面，便于实施手动调节；所述控制支架的外表面的手动调节钮的行程附件，具有刻度标记；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁贤根，丁远彤，肖苑辉，谢宝虹，
申请(专利权)人：港湾之星健康生物深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：