一种原位分离检测核磁共振射频探头前端及其制备方法与流程

本发明涉及核磁共振技术领域，更具体地说，涉及一种原位分离检测核磁共振射频探头前端，以及一种原位分离检测核磁共振射频探头前端的制备方法。

背景技术：

核磁共振具有无损性，是现代分析和检测技术的重要手段，已广泛应用于物理、化学、生物、医学以及食品检测等诸多领域。作为核磁共振设备的核心部件之一，由射频线圈、射频电路及样品检测区管道所组成的射频探头前端极大程度的决定着仪器实验性能的优劣。

核磁共振射频线圈能够将脉冲序列电信号转换为作用于样品的高频电磁场，使检测核的磁化强度矢量偏离平衡态；还可以接收进动的磁化强度矢量产生的核磁共振信号，并转换成电信号以进行处理。射频线圈的灵敏度、接收带宽和品质因数等性能参数是衡量核磁共振设备整体性能的重要指标。

磁共振信号的特点之一是较为微弱，易与噪声混杂，而提高射频线圈的填充系数是增强有效信号、提高信噪比的有效手段。射频线圈填充系数是影响核磁共振实验结果的重要参数，它是指样品的体积与线圈的容积之比。现有核磁共振实验中，样品置于固定大小和形状的样品管中，对线圈形状的适应性不强，无法根据检测区实际形状有针对性地增大填充因子以提高信噪比。同时，对于微量样品检测，常规线圈也会因为检测区域过大而出现信噪比下降。目前常用的平面微型线圈或微型螺线管线圈，存在着射频场不均匀或难以绕制的困难，难以满足多种混合/反应条件下的实验需求。

传统的线圈制作方法主要是人工或机械制作方式，即通过手工或机械手段按照所需的线圈形状进行绕制。但是，当线圈形状较为复杂或为不规则形状，尤其对于微型核磁共振线圈，这种传统的绕制工艺已无法满足结构的精确需求，由此则必然会造成线圈性能参数的劣化，带来射频场在检测区域的不均匀，对核磁共振信号产生极大的负面影响。

中国专利zl201010589840.8公开了一种用于微流体核磁共振检测的微型螺线管射频线圈及其制造方法，文献(吴英，江永清，周兆英，等.mri微型rf接收线圈的设计与制作[j].半导体光电，2006，27(5):556-559)则提出了一种用于核磁共振成像(mri)系统的微型射频(rf)接收线圈的设计与微加工制作方法。

上述现有技术公开的制作方法虽然精度较高，但流程仍然较为复杂，难以广泛应用。

3d打印作为一种拥有广泛应用前景的技术，能够结合计算机辅助软件实现精密器件的加工。但目前3d打印仍然多用于机械零部件的单一材料制作，如何将之与核磁共振射频前端的多因素精密电子打印需求相结合，有着极为重要的意义。文献(yangc,wusy,glickc,etal.3dprintedrfpassivecomponentsbyliquidmetalfilling[c]//ieeeinternationalconferenceonmicroelectromechanicalsystems.ieee,2015:261-264.)和文献(lil,abedini-nassabr,yellenbb.monolithicallyintegratedhelmholtzcoilsby3-dimensionalprinting[j].appliedphysicsletters,2014,104(25):190.)等，均提出了不同的导电射频线圈的3d打印设计方法，但在应用于高场环境的核磁共振实验中时会遇到连接、进样等困难和问题，难以有效使用。

另一方面，铁磁性或顺磁性物质在静磁场作用下，会在其周围区域产生不均匀的局部磁场，造成物质谱线展宽，对核磁共振的检测结果影响极大。对于含有铁磁性或顺磁性物质的样品，在核磁共振检测前需要首先在外部进行过滤分离等前期处理，将固有的磁性物质尽量去除。原位核磁共振检测技术能够实现对反应过程的实时监测和调控，被广泛应用于电化学、光化学、生物分子组装等诸多领域，且可与多种相关技术结合联用，具有极高的应用价值和潜力。但是，对于有磁性物质生成的反应，因为只能采用常规的外部非原位分离过滤技术，所以无法进行实验体系的原位核磁监测，对相关的检测分析造成困难。

现有的原位分离技术大多需要增加额外的装置、进行复杂的搭建操作或需要营造出特殊的分离环境，应用于强磁场、小腔体的原位核磁共振检测有一定困难。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种原位分离检测核磁共振射频探头前端及其制备方法，具有更高的射频前端设计制作精度；具有简单高效的磁性物质过滤分离结构，能够实现有顺磁性物质产物生成的原位核磁共振反应监测；具有灵活的定制化样品管道设计，方便根据实验所需进行修改调整，有效提高检测信噪比，能够满足多种原位核磁共振检测的要求。

本发明的技术方案如下：

一种原位分离检测核磁共振射频探头前端，包括核磁共振射频线圈、样品混合反应管道、磁加速沉淀过滤管道、杂质吸附过滤室、带电粒子过滤管道、样品检测管道和射频电路接口；样品混合反应管道、磁加速沉淀过滤管道、杂质吸附过滤室、带电粒子过滤管道、样品检测管道依次连通，带电粒子过滤管道与样品检测管道的连通处还连通有分离废液排出管道，核磁共振射频线圈设置于样品检测管道外侧，样品检测管道还与样品排出管道连通；射频电路接口与核磁共振射频线圈连通。

作为优选，样品检测管道的外侧设置有线圈模型，线圈模型与灌注管道连通，液态导电材料从灌注管道注入线圈模型，在线圈模型内形成核磁共振射频线圈。

作为优选，射频电路接口的横截面为内宽外窄的矩形结构，与射频电路相连的铜带插入后，插入部分完全浸没于液态导电材料中。

作为优选，样品混合反应管道包括至少两个进样管道，至少两个进样管道交汇连通；根据提供反应发生的条件与先后，设置针对不同样品的进样管理的交汇点与流速。

作为优选，磁加速沉淀过滤管道的内壁底部，沿样品的流动方向设置有若干与样品的流动方向朝向相反的倒刺型挡板；顺磁性物质在强磁场作用下加速沉淀，被倒刺型挡板拦截收集。

作为优选，杂质吸附过滤室包括扩散部、杂质吸附过滤腔、收集部，扩散部与收集部为喇叭状结构，扩散部的顶部窄口与磁加速沉淀过滤管道连通，扩散部的底部扩口与杂质吸附过滤腔连通，收集部的顶部扩口与杂质吸附过滤腔连通，收集部的底部窄口与带电粒子过滤管道连通；杂质吸附过滤腔内填充有吸附剂。

作为优选，带电粒子过滤管道为环形管道，带电粒子过滤管道的尾端为分叉分流口，分离废液排出管道连通于朝外的外分流口，样品检测管道连通于朝内的内分流口；将磁性带电粒子过滤管道置于均匀强磁场环境下，带电粒子受到洛伦兹力作用产生偏转，磁性带电粒子根据带电极性和带电量的不同进行选择分流分离。

作为优选，还包括包覆体，包覆体的顶端对应样品混合反应管道的进样管道开设若干进样口、对应分离废液排出管道开设分离废液排出口、对应样品排出管道开设样品排出口，包覆体的侧壁对应灌注管道开设灌注口；包覆体的两侧还设置有紧固定位脚。

作为优选，线圈模型、灌注管道、样品混合反应管道、磁加速沉淀过滤管道、杂质吸附过滤室、带电粒子过滤管道、样品检测管道、射频电路接口、分离废液排出管道与样品排出管道采用3d打印成一体结构。

一种原位分离检测核磁共振射频探头前端的制备方法，步骤如下：

1)使用电磁仿真软件设计线圈模型；

2)将线圈模型导入3d制图软件，在线圈模型基础上添加样品混合反应管道、磁加速沉淀过滤管道、杂质吸附过滤室、带电粒子过滤管道、样品检测管道、射频电路接口、分离废液排出管道、样品排出管道、灌注管道、包覆体；

3)利用3d打印得到一体结构的核磁共振射频探头前端的实体模具，从灌注口注射液态导电材料填充线圈模型的管路，形成核磁共振射频线圈；

4)从射频电路接口接入与射频电路相连的铜带，并用导电银胶和热熔胶对射频电路接口进行密封；

5)将完全封装的实体模具置于超声振荡设备中，并调整模具三维朝向，直至液态导电材料内存在的气泡上升排出至灌注管道内；

6)将吸附剂以气泵吹入杂质吸附过滤室中，震动调整至吸附剂平铺于杂质吸附过滤腔内；或者，将吸附剂混合悬浊液注入杂质吸附过滤室中，震动调整至吸附剂平铺于杂质吸附过滤腔内，并静置于高温干燥箱中完全干燥。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的原位分离检测核磁共振射频探头前端及其制备方法，与现有技术相比，尤其是与常见的微型线圈和不规则线圈相比，具有更高的射频前端设计制作精度；具有简单高效的磁性物质过滤分离结构，能够实现有顺磁性物质产物生成的原位核磁共振反应监测；具有灵活的定制化样品管道设计，方便根据实验所需进行修改调整，有效提高检测信噪比，能够满足多种原位核磁共振检测的要求。

本发明中，样品混合反应管道的至少两个进样管道交汇连接；根据提供反应发生的条件与先后，设置针对不同样品的进样管理的交汇点与流速，可用于原位实时至少两种样品的混合反应过程，监控化学反应的动力学特征。

磁加速沉淀过滤管道的内壁底部设置有倒刺型挡板，顺磁性物质在磁体边缘梯度场作用下加速完成沉淀，被各级倒刺型挡板拦截收集，完成大颗粒磁性物质的滤除。

杂质吸附过滤室为窄口缩放空腔结构，使溶液均匀流入腔体，提升吸附剂利用率，且可阻止吸附剂的泄露。磁性沉淀物质和样品溶液中的磁性离子被吸附剂吸附过滤，进一步完成流体中磁性物质的分离。

带电粒子过滤管道、分离废液排出管道与样品检测管道的分叉分流配合，在竖直方向的磁场环境中，带电的顺磁性粒子受到沿径向向外的洛伦兹力作用，能够有效地在带电粒子过滤管道、分离废液排出管道与样品检测管道的交叉处准确分流，使分离出的带有顺磁性粒子的溶液由分离废液排出管道排出。

本发明采用3d打印进行制备，可提高设计灵活度，并可大大提升效率，减少人工成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的内部结构示意图；

图3是样品混合反应管道和磁加速沉淀过滤管道的结构示意图；

图4是杂质吸附过滤室和带电粒子过滤管道的结构示意图；

图5是核磁共振射频线圈、样品检测管道和射频电路接口的结构示意图；

图中：10是包覆体，11是进样口，12是分离废液排出口，13是样品排出口，14是灌注口，15是紧固定位脚，20是样品混合反应管道，21是进样管道，22是交汇口，30是磁加速沉淀过滤管道，31是倒刺型挡板，40是杂质吸附过滤室，41是扩散部，42是杂质吸附过滤腔，43是收集部，50是带电粒子过滤管道，51是分叉分流口，52是分离废液排出管道，60是样品检测管道，61是样品排出管道，70是射频电路接口，71是铜带，80是线圈模型，81是灌注管道。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

本发明为了解决现有技术的核磁共振射频线圈制备技术和原位分离检测中存在的不足，提供一种原位分离检测核磁共振射频探头前端及其制备方法，具有更高的射频前端设计制作精度；具有简单高效的磁性物质过滤分离结构，能够实现有顺磁性物质产物生成的原位核磁共振反应监测；具有灵活的定制化样品管道设计，方便根据实验所需进行修改调整，有效提高检测信噪比，能够满足多种原位核磁共振检测的要求。

一种原位分离检测核磁共振射频探头前端，如图1至图5所示，包括核磁共振射频线圈、样品混合反应管道20、磁加速沉淀过滤管道30、杂质吸附过滤室40、带电粒子过滤管道50、样品检测管道60和射频电路接口70；样品混合反应管道20、磁加速沉淀过滤管道30、杂质吸附过滤室40、带电粒子过滤管道50、样品检测管道60依次连通，带电粒子过滤管道50与样品检测管道60的连通处还连通有分离废液排出管道52，核磁共振射频线圈设置于样品检测管道60外侧，样品检测管道60还与样品排出管道61连通；射频电路接口70与核磁共振射频线圈连通。本发明还包括包覆体10，包覆体10的顶端对应样品混合反应管道20的进样管道21开设若干进样口11、对应分离废液排出管道52开设分离废液排出口12、对应样品排出管道61开设样品排出口13，包覆体10的侧壁对应灌注管道81开设灌注口14；包覆体10的两侧还设置有紧固定位脚15。其中，进样口11、分离废液排出口12、样品排出口13可连接平板接头等外接接口，方便连接和控制。

本发明中，核磁共振射频线圈通过液态导电材料(如液态金属)成型获得。具体地，样品检测管道60的外侧设置有线圈模型80，线圈模型80与灌注管道81连通，液态导电材料从灌注管道81注入线圈模型80，在线圈模型80内形成核磁共振射频线圈。核磁共振射频线圈为螺线管线圈、马鞍线圈、ag线圈或表面线圈及其变形结构，可由镓铟合金或镓铟锡合金等高导电性、无/弱磁性常温液态金属材料构成。

在实际制作前，通过计算机电磁仿真软件cst对所设计的核磁共振射频线圈对应的线圈模型80进行空间射频场仿真，能够有效预测实物实验效果，并可及时根据需求对模型进行改进。本实施例中，核磁共振射频线圈实施为马鞍线圈，核磁共振射频线圈的内径为3mm，主体部分高9.98mm，由宽为1.56mm、厚为0.6mm的液态导电材料组成。考虑到实际使用中的核磁共振磁体腔体尺寸等因素，可将线圈模型80的主要管路内径设置为1.5mm。

射频电路接口70的横截面为内宽外窄的矩形结构，即扁平状窄带形式，方便外接导电铜带71的连接及封装。与射频电路相连的铜带71插入射频电路接口70后，插入部分完全浸没于液态导电材料中，增强了导电性和稳定性。为方便后续与射频电路的连接封装，在射频电路接口70之间设置绝缘挡板，能够防止在使用导电银胶密封时可能导致的短路问题。

样品混合反应管道20包括至少两个进样管道21，至少两个进样管道21交汇连通；可根据提供反应发生的条件与先后，设置针对不同样品的进样管理的交汇点与流速，可用于原位实时至少两种样品的混合反应过程，监控化学反应的动力学特征。具体实施时，可将形成交汇的进样管道21实施为u型管、y型管或其他可适用于流体和颗粒状固体的连通管道。本实施例中，样品混合反应管道20为两个进样管道21的y型管，样品在交汇口22开始混合，且在分离前有一定距离的磁加速沉淀过滤管道30，以使不同样品完全混合并开始反应。

磁加速沉淀过滤管道30的内壁底部，沿样品的流动方向设置有若干与样品的流动方向朝向相反的倒刺型挡板31，对沉淀的顺磁性物质进行拦截收集。样品进入磁加速沉淀过滤管道30后，顺磁性物质在磁体边缘梯度场作用下加速完成沉淀，被各级倒刺型挡板31拦截收集，完成大颗粒磁性物质的滤除。

杂质吸附过滤室40包括扩散部41、杂质吸附过滤腔42、收集部43，扩散部41与收集部43为喇叭状结构，扩散部41的底部扩口与杂质吸附过滤腔42连通，收集部43的顶部扩口与杂质吸附过滤腔42连通，扩散部41的顶部窄口与磁加速沉淀过滤管道30连通，收集部43的底部窄口与带电粒子过滤管道50连通；杂质吸附过滤腔42内填充有吸附剂，如硅胶等。即，杂质吸附过滤室40呈窄口缩放空腔结构，喇叭状结构的扩散部41利用柯恩达效应使溶液均匀流入腔体，进而提升吸附剂利用率；并且，收集部43的底部窄口可阻止吸附剂的泄露。磁性沉淀物质和样品溶液中的磁性离子被吸附剂吸附过滤，进一步完成流体中磁性物质的分离。

带电粒子过滤管道50为环形管道，带电粒子过滤管道50的尾端为分叉分流口51，分离废液排出管道52连通于朝外的外分流口，样品检测管道60连通于朝内的内分流口；将带电粒子过滤管道50置于均匀强磁场环境下，带电粒子受到洛伦兹力作用产生偏转，聚集于带电粒子过滤管道50朝外的侧壁上，在带电粒子过滤管道50的出口分流入分离废液排出管道52。如，带正电的顺磁性粒子(如锰离子、锂离子等)在带电粒子过滤管道50中随液体运动，在自上而下的磁场环境中，受到沿径向向外的洛伦兹力作用，运动轨迹发生偏转，向着带电粒子过滤管道50朝外的侧壁聚集，最终有效地在带电粒子过滤管道50、分离废液排出管道52与样品检测管道60的交叉处准确分流，使分离出的带有顺磁性粒子的溶液由分离废液排出管道52排出。对带负电的顺磁性粒子进行分离同理。

具体实施时，样品检测管道60可根据具体实验要求和所用核磁共振射频线圈进行定制化设计，在出入口处设置为藕状缩放结构，既可贴合核磁共振射频线圈尽量放大以提高填充因子，也可缩小并引入复杂液体流动路径以满足微流体检测需求。本实施例中，样品检测管道60根据核磁共振射频线圈的内径，将样品检测管道60、样品混合反应管道20、样品排出管道61分别设计为2.5mm和1.5mm两种尺寸；一方面可在不影响实验操作的情况下尽量缩小整体体积，便于后续射频探头的制作安装；另一方面也充分利用了核磁共振射频线圈的内径，提高了填充系数，增加了核磁共振信号的信噪比。

本发明应用3d打印技术，线圈模型80、灌注管道81、样品混合反应管道20、磁加速沉淀过滤管道30、杂质吸附过滤室40、带电粒子过滤管道50、样品检测管道60、射频电路接口70、分离废液排出管道52与样品排出管道61采用3d打印成一体结构，提高设计灵活度，并可大大提升效率，减少人工成本。

本发明还提供一种原位分离检测核磁共振射频探头前端的制备方法，步骤如下：

1)核磁共振射频线圈设计：根据实验需求，使用电磁仿真软件设计符合要求的线圈模型80。

2)一体化3d模型组合设计：电磁仿真软件设计完成的线圈模型80，在计算机辅助设计软件(如solidworks等)中添加一系列实验所需的管道，然后对整体模型进行翻模操作，即可得到3d打印所需模型。具体地，将线圈模型80导入3d制图软件，在线圈模型80基础上添加样品混合反应管道20、磁加速沉淀过滤管道30、杂质吸附过滤室40、带电粒子过滤管道50、样品检测管道60、射频电路接口70、分离废液排出管道52、样品排出管道61、灌注管道81、包覆体10，得到整体模型。

3)3d打印实体模具：利用3d打印得到一体结构的核磁共振射频探头前端的实体模具。

4)液态导电材料灌注：从灌注口14注射液态导电材料填充线圈模型80的管路，形成核磁共振射频线圈。

5)射频电路连接及密封：从射频电路接口70接入与射频电路相连的铜带71，并用导电银胶和热熔胶对射频电路接口70进行密封。

6)超声振荡排气：将完全封装的实体模具置于超声振荡设备中，并不断调整模具三维朝向，直至液态导电材料内存在的气泡上升排出至灌注管道81内。

7)探头前端的实验前预处理：将吸附剂以气泵吹入杂质吸附过滤室40中，震动调整至吸附剂平铺于杂质吸附过滤腔42内；或者，将吸附剂混合悬浊液注入杂质吸附过滤室40中，震动调整至吸附剂平铺于杂质吸附过滤腔42内，并静置于高温干燥箱中完全干燥。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。