核磁共振微量样品检测探头制造技术

一种核磁共振微量样品检测探头，包括匹配／调谐容性网络（１）、平面螺旋微检测线圈（２）、印刷电路板（３）、毛细样品管（４）、同轴电缆（５）和金丝连接飞线（６）。其特征在于：平面螺旋微检测线圈（２）经金丝连接飞线（６）与匹配／调谐容性网络（１）电连接后放于主静磁场两磁极间中央，微米量级内直径的毛细样品管（４）经强力胶粘于检测线圈（２）上表面，样品管（４）与主静磁场平行，回波信号从检测线圈（２）经容性网络（１）后由同轴电缆（５）传输至谱仪低噪声放大器输入端。本发明专利技术采用样品管（４）轴向与主磁场平行设计，减小了探头中样品检测区主磁场分布的不均匀性。本发明专利技术适用于对稀有或贵重生化样品的检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种核磁共振微量样品检测探头，尤其涉及基于平面螺旋微检测线圈、可检 测纳升级样品的核磁共振探头。
技术介绍
核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,简称應R)波谱化学分析技术已经广泛应用 于生命科学、制药、地下找水、化学反应监控等领域，和其他化学分析技术相比，核磁共振 波谱技术能够对未知样品进行检测因而分析出被测物的分子组成情况。但是，和气相色谱、 液相色谱等技术相比，目前，常规核磁共振技术的检测灵敏度和信噪比较低。另一方面，在 环境温度、主磁场给定的情况下，核磁共振实验的信噪比与被测样品的体积成反比。目前常 规核磁共振波谱检测探头采用的是内直径5毫米的有机玻璃样品管，相应地，所用自由感应 衰减信号检测线圈为螺线管形，在实验中，由于螺线管线圈垂直于主磁场方向而使主磁场分 布不均匀，导致最后得到的谱线分辨率降低。申请号为200610164809. 3的中国专利介绍了一种平面核磁共振微线圈微检测器，由平面 核磁共振微线圈和微流道结构组成，特别地，该专利介绍了微线圈和微流道结构是如何组成 微检测器的，但该专利采用聚酰亚胺材料作为微线圈的衬底，该材料不属于核磁共振兼容性 材料，即其与铜的磁化系数相差较大，因而会在一定程度上影响主磁场的分布。申请号为 200710179309.1的中国专利介绍了一种核磁共振波谱检测平面微线圈及其制作方法，其中， 平面微线圈为螺旋形，平面微线圈的制作方法包括光刻胶掩模工艺与铜微电镀工艺，虽然该 专利涉及一种微米级平面螺旋微线圈的制作，但并没有给出在核磁共振实验中相关被测样品 与平面微线圈如何配合以获得核磁共振信号，及探头的相关材料组成及构建情况。专利号为7141978的美国专利介绍了一种多流道核磁共振检测探头，每条基于毛细样品 管的流道分别对应一个核磁共振信号检测线圈，所述检测线圈为螺线管形，进行检测时将被 测样品载入毛细管后，将所述毛细管沿螺线管轴线方向插入螺线管并穿出，使毛细管中螺线 管所对应的区域含有被测样品，并实现被测样品与检测线圈间在空间上充分耦合，但由于螺 线管检测线圈必须垂直于主静磁场以感应得到样品产生的自由衰减倩号，螺线管与毛细管的 结构将影响被测样品区域中静磁场的均匀分布，进而降低所得到波谱的谱线分辨率。
技术实现思路
本专利技术的目的是减少现有技术中基于螺线管检测线圈的核磁共振探头对主静磁场分布 的干扰，实现对纳升级样品的核磁共振检测，提出一种新型核磁共振探头。该探头基于微米 量级的平面螺旋微检测线圈，样品检测时线圈与样品管均平行于静磁场方向。而且，本专利技术 探头由核磁共振兼容性材料制作而成，能有效减小由于线圈、空气与样品管间磁化系数差异 而导致的静磁场分布不均匀。在很多化学分析相关实验中，有时被测物比较稀有和贵重，不宜进行大试量分析检测， 需进行微升级甚至纳升级的样品检测，另一方面，根据相关核磁共振原理，检测线圈得到的 样品自由感应衰减信号的信噪比与被测样品体积成反比，即理论上被测样品体积越小信噪比 越高。而现有常规核磁共振检测探头， 一般是基于5毫米内直径试管外套形状匹配螺线管检 测线圈的结构，被测样品体积在毫升量级。另外，根据互易定理，由于螺线管产生的磁场在 螺线管内是沿其轴线方向，为有效感应样品产生的核磁共振信号，检测时需保证螺线管轴线 方向与静磁场方向垂直，这样，由于螺线管与样品管的几何形状，不可避免地会影响检测样 品区域静磁场分布的均匀性，进而降低重建得到的样品核磁共振波谱谱线的分辨率。所述自由感应衰减信号信噪比与被测样品体积成反比基于以下原理将自旋量子数不为零的样品置于静磁场冗中，样品中的核自旋将围绕^做频率为u。-l^的进动，；r为给定原子核的旋磁比。在脉冲核磁共振实验中，热平衡态时对样品所在区域施加一频率为^、持续时间r、垂直于耳的射频脉冲磁场后，在样品的宏观磁化 强度恢复稳态的驰豫过程中，样品附近适当放置的检测线圈中可感应到自由感应衰减信号 (Free Inductance Decay),其时域表达式s(0为<formula>formula see original document page 4</formula>式中，5(;)为单位直流电流流过检测线圈时在空间？点处产生的磁场，^";)为随时 间变化的旋转磁角动量，^为样品体积。为分析得到影响核磁共振检测信噪比的与探头(即检测线圈本身)有关的因素，假定5f)是空间均匀的^f):^， 5^为检测线圈中心处磁场，且任意时刻样品内各点处的^(;)均相同Sf)-M。，则初始时刻j(0)为<formula>formula see original document page 4</formula>对于小尺寸检测线圈，得到的自由感应衰减信号中的噪声主要来自于检测线圈的热噪声r =#r ， k为波尔兹曼常数，z;为线圈温度，A为线圈等效电阻，A/为接收机带宽。综合式(1).与式(2)，信噪比可以表示为 ， (3)对式(3)作进一步分析，假定检测线圈为圆形平面线圈，内半径C，导线厚度h，导线长度。有5^-z/。lxfir'及i^-^xcr1， d为线圈特征长度，对于给定K,(完全约束于线圈内)，则可以推导出膽ocx cT/2 (4)由式(4)可以看出，对于微量样品提高样品-检测线圈间的耦合度能够提高信噪比，而 且，在给定B。、样品种类与体积及接收机带宽等参数下，信噪比与检测线圈的特征长度成 反比，即在耦合度不变的条件下，与样品体积的(3/2)次方成反比。 本专利技术采用以下技术方案本专利技术核磁共振微量样品检测探头包括一个平面螺旋微检测线圈、 一个由两只可调电容 构成的匹配调谐容性网络、 一块作为基底的印刷电路板、 一根同轴电缆以及一根特富龙毛细 样品管。所述平面螺旋微检测线圈采用铜电镀、光刻胶掩模等微机电系统工艺制作于耐热玻 璃衬底上，该玻璃衬底水平粘于所述印刷电路板上。印刷电路板焊有匹配/调谐容性网络， 利用金丝球焊工艺将所述平面螺旋微检测线圈与所述网络电气连接后，再通过一个SMB接头 与所述电缆进行电气连接。平面螺旋微检测线圈感应得到的核磁共振信号经匹配/调谐容性 网络传输至同轴电缆，由同轴电缆输出至核磁共振谱仪接收机的输入端；所述毛细样品管的 内直径与检测线圈的内直径相同，以增加样品与线圈的耦合度，毛细样品管水平粘于平面螺 旋微检测线圈中央上表面，毛细样品管的轴向与静磁场方向一致，有利于减小探头结构对静 磁场分布的干扰。本专利技术具有以下优点和效果与传统5毫米核磁共振探头相比，本专利技术适用于检测纳升 级样品，特别是稀有贵重样品；本专利技术中采用微米级平面螺旋线圈作为检测线圈，保证了与 微量样品的空间耦合度；由理论可知，在相同实验条件下自由感应衰减信号的信噪比样品体 积成反比，所以本专利技术检测探头可以显著提高检测灵敏度；同时，本专利技术采用核磁共振兼容 性材料作为样品管材料，克服了基于螺线管检测线圈的探头在几何结构上对主静磁场空间分 布的干扰。 附图说明图l为核磁共振微量样品检测探头结构示意图，图中l匹配/调谐容性网络，2平面螺旋微检测线圈，3印刷电路板，4毛细样品管，5同轴电缆，6金丝连接飞线。图2为探头电气连接关系等效电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种核磁共振微量样品检测探头，其特征在于，包括匹配／调谐容性网络（１）、平面螺旋微检测线圈（２）、印刷电路板（３）、毛细样品管（４）、同轴电缆（５）和金丝连接飞线（６）；平面螺旋微检测线圈（２）经金丝连接飞线（６）与匹配／调谐容性网络（１）电连接，毛细样品管（４）沿主静磁场方向水平粘于平面螺旋微检测线圈（２）中央上表面，毛细样品管（４）和同轴电缆（５）的轴向平行，毛细样品管（４）和同轴电缆（５）的轴向均平行于外部静磁场方向；回波信号从平面螺旋微检测线圈（２）经匹配／调谐容性网络（１）由同轴电缆（５）传输至核磁共振谱仪低噪声放大器的输入端。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓南，王明，杨文晖，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]