一种微型核磁共振探头的制作方法

本发明涉及一种核磁共振探头，特别涉及一种利用一次性芯片的微型核磁共振探头。

背景技术：

核磁共振成像法与核磁共振图谱法作为两种最为通用且信号丰富的检测手段，被广泛的应用在化学、药学、生物与医学领域，由于这一技术的非侵害性，使它尤其适用于生物样品的检测。根据经典的信噪比公式（Hoult D I, Richards R E. The signal-to-noise ratio of the nuclear magnetic resonance experiment. 1976.[J]. Journal of Magnetic Resonance, 2011, 213(2):329-43.）可知，当被检测样品体积极小时，核磁共振检测的灵敏度可极大提升。为此，学者们进行了诸多的尝试，如Roger等（Using microcontact printing to fabricate microcoils on capillaries for high resolution proton nuclear magnetic resonance on nanoliter volumes[J]. Applied Physics Letters, 1997, 70(18):2464-2466.）在毛细管上利用微接触打印与湿法化学腐蚀完成螺线管线圈的绕制，Trumbull等（Integrating microfabricated fluidic systems and NMR spectroscopy.[J]. IEEE transactions on bio-medical engineering, 2000, 47(1):3-7.）实现了电泳芯片与核磁共振平面螺旋线圈的结合，吴卫平等（The design and fabrication of a low-field NMR probe based on a multilayer planar microcoil[J]. Microsystem Technologies, 2013, 20(3):419-425.）在玻璃衬底上利用MEMS技术制作集成微流通道的平面线圈，中国专利CN201310659209.4（基于印刷电路板螺线管线圈的低场核磁共振探头）将检测腔集成到印刷电路螺线管线圈内部。

上述公知实例详细叙述了微型核磁共振探头的工作机理与应用前景，但由于结构限制，样品处理被忽视，探头线圈均与检测腔集成一体。因此，难以解决探头检测腔不可更换带来的检测腔清洗耗时、样品交叉污染的问题，这一问题在检测超低浓度样品时尤其突出。

技术实现要素：

（一）要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是针对上述已有技术的不足而提供的一种利用一次性芯片的微型核磁共振探头。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种微型核磁共振探头，包括探头本体以及置于探头本体内的检测通道，所述检测通道包括样品入口、样品出口和连接在样品入口与样品出口之间的检测腔，其特征在于：所述探头本体包括探头上层、中层垫片、以及探头下层，在所述中层垫片上设置有一可与探头本体外部连通的芯片槽，在该芯片槽内设置有一载样芯片，所述检测通道设置在所述载样芯片上，在所述探头上层设置有上层线圈，在所述探头下层设置有下层线圈，所述上层线圈与下层线圈电连接，所述检测腔位于所述上层线圈与下层线圈之间且三者同心。

所述探头上层还包含上层基底、上层导线以及上封装层，所述上层线圈绕在位于上层基底中部的上层基底柱上，上封装层相邻两边切出上层第一键和口和上层第二键和口，所述上层导线设置在第一键和口和上层第二键和口与上层线圈之间；所述中层垫片相邻两边对应上封装层相同位置切出中层第一键和口和中层第二键和口，中层垫片中部设置所述芯片槽；所述探头下层包含下层基底、下层导线以及下封装层，所述下层线圈绕在位于下层基底中部的下层基底柱上，下封装层相相邻两边对应上封装层相同位置切出下层第一键和口和下层第二键和口，所述上层导线与所述下层导线由第一导体柱和第二导体柱进行电导通，整体构成亥姆霍兹线圈。本发明第一导体柱和第二导体柱位于探头本体的相邻两侧，另外两个相邻的边分别用作了芯片槽和焊盘，这样结构比较紧凑，也利于导线的优化布置，促进检测探头的微型化和提高导线对检测的精度的影响。

所述下层导线包括下层第一导线和下层第二导线，所述下层第一导线连接在第一焊盘与下层第一键和口之间并与所述下层线圈连接，所述下层第二导线连接在第二焊盘与下层第二键和口之间。

下封装层覆盖区域不包含第一焊盘与第二焊盘。

所述上层基底和下层基底材料为硬质非金属材料；所述上封装层与下封装层材料为光固化材料；所述上层线圈、上层导线、下层线圈和下层导线材料为高导电材料。

所述硬质非金属材料为玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯；所述光固化材料为UV树脂或SU-8；所述高导电材料为铜、银或金。

所述探头上层、中层垫片、探头下层相邻两层间结合方式为不可逆的等离子体氧化粘结或高分子材料粘结。

所述上层导线与下层导线通过电镀铺到上层基底与下层基底上，上层导线分别从上层线圈两端引致相邻上层基底两边；下层第一导线分别从下层线圈两端引致下层第一键和口和第一焊盘，下层第二导线从下层第二键和口引至第二焊盘。

所述上层第一键和口、中层第一键和口、下层第一键和口截面尺寸与第一导体柱相同，上层第二键和口、中层第二键和口、下层第二键和口截面尺寸与第二导体柱相同。

所述检测腔为圆柱状，直径为上层基底柱直径的0.5-0.8倍。该区域内亥姆霍兹线圈的射频场均匀度最佳。

所述载样芯片工作时完全插入芯片槽，在完成单样品检测后即抛弃，不再重复利用。本发明微型核磁共振探头，在实现微量样品检测的同时，保证样品无残留、探头不被污染，能获取更精确可靠的检测信号。

（三）有益效果

本发明一种利用一次性芯片的核磁共振探头，在满足微型核磁共振探头高信噪比的同时，给出了探头线圈与检测腔隔离结构的设计方案，载样芯片在每次样品检测后抛弃，从根源上避免了样品残留在探头中带来的交叉污染，使得探头主体部分可长期重复利用，兼具高灵敏度与经济性。同时，本发明磁共振探头， 采用多层分立式设计，解决了常规一体式探头制造难度大的问题，在实现“可替换”的前提下，制造流程简易可靠，大大降低了制造成本，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明的整体结构爆炸示意图；

图2为本发明的轴侧示意图；

图3为本发明中探头上层的结构示意图；

图4为本发明中中层垫片的结构示意图；

图5为本发明中探头下层的结构示意图；

图6为本发明实施例检测状态的轴侧示意图；

图中：1探头上层、11上层基底、111上层基底柱、12上层线圈、13上层导线、14上封装层、141上层第一键和口、142上层第二键和口、2中层垫片、21中层第一键和口、22中层第二键和口、23芯片槽、3探头下层、31下层基底、311下层基底柱、32下层线圈、33下层导线、 331下层第一导线、332下层第二导线、333第一焊盘、334第二焊盘、34下封装层、341下层第一键和口、342下层第二键和口、41第一导体柱、42第二导体柱、5载样芯片、51样品入口、52样品出口、53检测腔。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加清晰易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

请参阅图1-5，本发明微型核磁共振探头，其具有：探头上层1、中层垫片2、探头下层3和载样芯片5。所述探头上层1包含上层基底11、上层线圈12、上层导线13和上封装层14，上层线圈12绕在位于上层基底11中部的上层基底柱111上，上封装层14相邻两边切出上层第一键和口141和上层第二键和口142，露出部分上层导线13；所述中层垫片2相邻两边对应上封装层14相同位置切出中层第一键和口21和中层第二键和口22，中层垫片2中部切出芯片槽23；所述探头下层3包含下层基底31、下层线圈32、下层导线33以及下封装层34，下层线圈绕32在位于下层基底31中部的下层基底柱上311，下封装层34覆盖区域不包含第一焊盘333与第二焊盘334，并且下封装层34相相邻两边对应上封装层14相同位置切出下层第一键和口341和下层第二键和口342，露出部分下层第一导线331和下层第二导线332；上层导线13与下层导线33由第一导体柱41和第二导体柱42进行电导通，整体构成亥姆霍兹线圈；载样芯片5至少包含样品入口51、样品出口52和检测腔53。

实施例：

请参见图2与图6，本案提供的一种利用一次性芯片的核磁共振探头，使用过程如下：1、采用普遍使用的去嵌入法，利用第一焊盘333与第二焊盘334接入阻抗分析仪，测试本发明中上层线圈12、下层线圈32、上层导线13、下层导线33、第一导电柱41和第二导电柱42组成的亥姆霍兹线圈在拉莫频率下的阻抗值；2、接入实际电路，利用L性振荡电路匹配至50欧姆；3、将调谐过的探头放置到主磁场中，主要为永磁体提供的静磁场；4、将液体样品通过样品入口51通入未使用载样芯片检测腔53，持续稳定通至样品出口52有微量样品溢出，稳定3-5秒钟；5、将该载样芯片5插入芯片槽23直到遇到阻力，保证检测腔53位于亥姆霍兹线圈中心位置；6、将探头部分与核磁共振控制模块连接，在上位机上操作控制软件，获取样品核磁共振信号；7、通过对这些信号的处理与分析得到样品分子结构层面的性质；8、完成单样品检测后，抛弃已使用载样芯片5。

以上所述仅是本发明的优选实施方案，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。