专利名称：核磁共振微量样品检测探头的制作方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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。 发明内容本发明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，本发明 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。 本发明采用以下技术方案
本发明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。
本发明具有以下优点和效果与传统5毫米核磁共振探头相比，本发明适用于检测纳升 级样品，特别是稀有贵重样品；本发明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，所以本发明检测探头可以显著提高检测灵敏度；同时，本发明采用核磁共振兼容 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。
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图，图中7检测线圈等效电感，8检测线圈等效交流电阻，9无磁频率调谐电容，IO无磁阻抗匹配电容，11 SMB接头。
具体实施例方式
以下结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。
图1为本发明检测探头部件结构与电气连接关系示意图。如图1所示，本发明包括匹配/调谐容性网络l，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，金丝连接飞线6。其中，所述平面螺旋微检测线圈2制作于耐热玻璃衬底上，该衬底经强力胶水平粘于印刷电路板3上表面的右半部分，所述匹配/调谐容性网络1制作于印刷电路板3的左半部分，匹配/调谐容性网络1与平面螺旋微检测线圈2间经金丝连接飞线6实现电气连接，即射频激励信号和自由感应衰减信号从匹配/调谐容性网络1经金丝连接飞线6输入或输出平面螺旋微检测线圈2，而匹配/调谐容性网络1经同轴电缆5与核磁共振谱仪进行电气连接，所述毛细样品管4经强力胶粘于平面螺旋微检测线圈2中央上表面，用于盛放被测样品，进行核磁共振检测实验时，合理摆放探头方位使同轴电缆5与毛细样品管4平行，两者均平行于外部静磁场方向。
如图1所示，进行样品检测时，将本发明探头整体置于主静磁场两磁极间的中心区域，并使平面螺旋微检测线圈2的轴向与静磁场方向垂直。毛细样品管4用强力胶沿主静磁场方向粘于检测线圈2中央上表面。进行核磁共振样品检测前，将样品注入并充满检测线圈2上方所对应的样品管4部分，以使检测线圈2能够感应到射频脉冲撤销后，样品中核自旋驰豫过程中产生的宏观磁化矢量的变化。与基于传统螺线管检测线圈的探头相比，毛细样品管4沿主磁场方向放置，有助于减小由于探头几何结构对静磁场空间分布的影响。本发明采用的毛细样品管4的磁化系数与铜的磁化系数相近，有助于进一步减小样品检测区域主磁场分布的不均匀性。
图2为探头电气连接关系等效电路图。在射频工作条件下，平面螺旋微检测线圈2可以表示为一个等效电感7与一个等效电阻8串联。在本发明中，采用金丝球焊方法，将平面螺旋微检测线圈2两端经金丝连接飞线6与匹配/调谐容性网络1相连，所述匹配/调谐容性网络1由一个无磁频率调谐电容9与一个无磁阻抗匹配电容10串联构成，如图2所示。平面螺旋-微检测线圈2与频率调谐电容9并联后再与阻抗匹配电容10相串联，其中，频率调谐电容9的两端经金丝连接飞线6分别与平面螺旋微检测线圈2的两端电气连接，阻抗匹配电
容10 —端与平面螺旋微检测线圈2的信号引出端电气连接，另一端经SMB接头11与同轴电缆5的芯线电气连接。平面螺旋微检测线圈2的非信号引出端作为地，经SMB接头11与同轴电缆5的屏蔽层实现电气连接，同轴电缆5的另一端与核磁共振谱仪接收机中前置低噪声放大器的信号输入端电气连接。所述无磁频率调谐电容9的容值变化范围，应包括使由匹配/调谐容性网络1和平面螺旋微检测线圈2构成的电路在特定拉莫尔频率下共振所对应的容值，所述无磁阻抗匹配电容10的容值变化范围，应包括使上述共振电路在指定拉莫尔频率下输出阻抗为50欧姆所对应的容值。
利用本发明核磁共振探头进行微量样品波谱检测的工作过程为
首先，将本发明探头放入主静磁场的两磁极之间之前，在磁体外面采用注射器将被测样品注入毛细样品管4，并使检测线圈2上方所对应的毛细样品管部分充满样品，以提高样品-检测线圈2占空比；然后，为防止检测时被测样品在样品管中流动甚至流出样品管4，将两个适当大小的橡胶塞塞入样品管4两端；将探头置于一根适当内直径和长度的聚丙烯酸支撑管中并与支撑管可靠粘连，且保证样品管4与同轴电缆5平行于支撑管，以减小探头几何结构及材料间磁化系数差异对静磁场分布的影响；接着，将支撑管沿静磁场方向放入两磁极之间区域的中央，并将所述同轴电缆的信号输出端连于谱仪前置低噪声放大器的输入端，以进一步实现对核磁共振信号的放大与解调。
根据核磁共振基本原理，当被测样品中含有具有核自旋的原子核时，在外部静磁场作用下，宏观上样品中将形成一个平行于静磁场的磁化矢量。在采用本发明探头进行样品检测时，所述磁化矢量垂直于检测线圈2之轴向，然后向检测线圈通以微秒级脉宽的射频功率信号，将磁化矢量的垂直方向上产生一个交变磁场，其频率与被测原子核在给定静磁场场强下的拉莫尔频率匹配。在该交变磁场作用期间，磁化矢量倒向检测线圈2所在平面，而交变磁场消失后，又将在特定的驰豫时间内恢复至热平衡态，即重新平行于静磁场方向。在磁化矢量由恢复热平衡态的过程中，根据法拉第电磁感应定律，位于样品附近的检测线圈2中将引起感应电动势。在本发明探头中，经匹配/调谐容性网络l、 SMB接头ll以及同轴电缆5，该微弱电压信号将传输至谱仪接收机，经放大、下变频、模数转换、相敏检波以及傅立叶变换，最终得到被测样品的核磁共振波谱。
权利要求
1、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。
2、 根据权利要求1所述的核磁共振微量样品检测探头，其特征在于，所述匹配/调谐容 性网络(1)由一个无磁频率调谐电容(9)与一个无磁阻抗匹配电容(10)构成，平面螺旋 微捡测线圈(2)与频率调谐电容(9)并联后与阻抗匹配电容(10)相串联；频率调谐电容(9)的两端经金丝连接飞线(6)分别与平面螺旋微检测线圈(2)的两端电气连接；阻抗 匹配电容(10)的一端与平面螺旋微检测线圈(2)信号引出端电气连接，另一端经SMB接 头(11)与同轴电缆(5)的芯线相连；平面螺旋微检测线圈(2)的非信号端作为地，经SMB 接头(11)与同轴电缆(5)的屏蔽层实现电气连接。
3、 根据权利要求1所述的核磁共振微量样品检测探头，其特征在于，所述平面螺旋微 检测线圈(2)制作于耐热玻璃衬底上，所述耐热玻璃衬底水平粘于所述印刷电路板(3)上， 印刷电路板(3)上焊有所述匹配/调谐容性网络。
4、 根据权利要求1所述的核磁共振微量样品检测探头，其特征在于，所述毛细样品管 (4)的内直径与平面螺旋微检测线圈(2)的内直径相等。
全文摘要
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。本发明适用于对稀有或贵重生化样品的检测。
文档编号G01N24/08GK101526591SQ20091008152
公开日2009年9月9日 申请日期2009年4月10日 优先权日2009年4月10日
发明者李晓南, 杨文晖, 明 王 申请人:中国科学院电工研究所