一种基于核磁共振技术的微流控生物粒子检测芯片

摘要

本发明公开了一种基于核磁共振技术的微流控生物粒子检测芯片，包括产生水平方向均匀主磁场的主磁场产生装置、产生竖直方向的射频磁场的射频磁场发生器、接收微流体中生物粒子核磁共振信号的信号接收器、微流体通道装置和支撑板；射频磁场发生器包括第一基质衬底和刻蚀在该基质衬底上的平板射频发射线圈；接收器包括第二衬底、第三衬底和刻蚀在该两片衬底上的平板射频接收线圈组，第二衬底和第三衬底对称分布在微流体通道装置两侧；微流体通道装置包括微流体通道。本发明的检测芯片体积微小、制造和维护成本低廉，适用于微流体中生物粒子的常规检测与分析，特别适用于“家庭化”人体体液成分与含量的即时医学检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种核磁共振检测芯片，具体涉及一种体积微小、制造和维护成本低廉的基于核磁共振技术的微流控生物粒子检测芯片。

背景技术

目前，光学检测方法广泛应用于微流体通道中生物粒子的检测，但是该方法本身具有一定的局限性。例如，激光诱导荧光检测只适用于具有自然荧光特性或者能与荧光粉相互作用的分子颗粒，而大部分生物分子和化合物并不严格满足这一要求。同时，光学检测方法在检测过程中对感兴趣区域具有检测通道可视化的需求也限制了检测装置材料的选择。除此之外，大部分光学检测方法仅局限于对已知化合物的分析。

核磁共振技术由于其独特的非破坏性，具有在线检测和同时提供物质形态学与功能学信息的功能，能够很好的克服以上问题。但是传统的核磁共振技术采用较大的射频线圈包围整个测量样品，应用于微流体中生物粒子检测时具有灵敏度较差、信噪比和分辨率较低的缺点。基于核磁共振技术，缠绕于微流体通道的微型螺线管线圈可以大大提高微流体中生物粒子检测的灵敏度和分辨率，但是微型螺线管线圈的制造过程比较困难，难以适用于大批量生产。同时，目前大部分高分辨核磁共振检测技术都是在低温超导磁体中进行，而超导磁体的应用不可避免的会增加检测装置的制造和维护成本，当前正在研究的其他一些应用于微流体高分辨率检测的核磁共振技术，例如C.L.Degen，M.Poggio，H.J.Mamin，et al.Nanoscale magnetic resonance imaging，PNAS 2009，106(5)：1313-1317，虽然不需超导磁体，但是仍然需要超低温的检测环境。这些装置要么体积非常庞大，要么制造技术较为复杂，难以适用于微流体中生物粒子的常规检测，特别是“家庭化”的即时医学检测。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种体积微小、制造和维护成本低廉的基于核磁共振技术的微流控生物粒子检测芯片，该检测芯片适用于微流体中生物粒子的常规检测与分析，特别适用于“家庭化”人体体液成分与含量的即时医学检测。

技术方案：为了实现上述目的，本发明的一种基于核磁共振技术的微流控生物粒子检测芯片，包括产生水平方向均匀主磁场的主磁场产生装置、产生竖直方向的射频磁场的射频磁场发生器、接收微流体中生物粒子核磁共振信号的信号接收器、微流体通道装置和支撑板；所述射频磁场发生器包括第一基质衬底和刻蚀在基质衬底上的平板射频发射线圈；所述接收器包括第二衬底、第三衬底和刻蚀在该两片衬底上的平板射频接收线圈组，第二衬底和第三衬底对称分布在微流体通道装置两侧；所述微流体通道装置包括微流体通道。

所述主磁场产生装置包括两块平行的永磁体和连接这两块永磁体构成磁路的铁轭；也可以由其它结构组成的永磁铁磁路实现；所述射频磁场发生器位于永磁铁的顶端。

所述通道的横截面为椭圆形或者梯形。

所述微流体通道为单个或多个，当采用多个微流体通道时，可以对不同大小的粒子进行分类检验；每个微流体通道的横截面积可以不相等，其截面几何形状可以为椭圆形、梯形或者其它几何形状，每个微流体通道的管径是非均匀的，即沿着流速方向各个位置处的横截面积可以不全相等，其中与射频接收线圈组位置对应处的微流体通道截面积较大，在流量恒定的情况下，可减小流经此位置处流体的流速以保证射频接收线圈完整的采集核磁共振信号。

所述平板射频接收线圈组的组数为M×N(M，N≥1)，每组平板射频接收线圈组包括两个平板射频接收线圈，每两个平板射频接收线圈对称分布于微流体通道的两侧，N的值等于微流体通道的数目，M的值为每个微流体通道对应的射频接收线圈的组数。

每两个平板射频接收线圈对称分布于微流体通道的两测对流经的微流体进行同时检测，融合两个射频接收线圈所感应的信号可以增加信号接收器的灵敏度与信噪比；每一个微流体通道对应多组(M≥1)射频接收线圈，当微流体流经某一组射频接收线圈时，可以对信号发射器中的射频发射线圈施加不同的类型的脉冲序列以满足射频接收线圈针对指定类型粒子进行检测的需要。

所述支撑板为长方形薄板，或者其它几何形状的薄板；所述平板射频发射线圈为平面螺线形结构，其材料可选择铜，也可选择其它低阻抗金属材料。

所述的主磁场中的最佳位置为两块永磁体之间磁场均匀度效果最好的位置。

有益效果：本发明的一种基于核磁共振技术的微流控生物粒子检测芯片，体积微小，制造和维护成本低廉，适用于微流体中生物粒子的常规检测与分析，特别适用于“家庭化”人体体液成分与含量的即时医学检测。

附图说明

图1为本发明一种基于核磁共振技术的微流控生物粒子检测芯片的俯视图；

图2为图1中A-A主剖视图；

图3为图2中B-B剖视图；

图4为图2中C-C剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1-4所示，本发明的一种基于核磁共振技术的微流控生物粒子检测芯片，包括产生水平方向均匀主磁场B₀的主磁场产生装置、产生竖直方向的射频磁场B₁的射频磁场发生器、接收微流体中生物粒子核磁共振信号的信号接收器、微流体通道装置105和支撑板110；射频磁场发生器包括第一基质衬底104和刻蚀在第一基质衬底104上的平板射频发射线圈103；信号接收器包括第二衬底106、第三衬底107和刻蚀在该两片衬底上的平板射频接收线圈组，本实施例中有六组平板射频接收线圈组(121、122、123和131、132、133)，第二衬底106和第三衬底107对称分布在微流体通道装置105两侧；微流体通道装置105包括第一微流体通道108和第二微流体通道109，可以根据检测需要，增加微流体通道的数量。

如图2所示，主磁场产生装置包括两块平行的长方体结构的永磁体101和一块连接这两块永磁体101构成磁路的长方体结构的铁轭102；永磁体101的材料为钕铁硼，也可选择其它稀土铁永磁材料，铁轭102的材料为电工纯铁，也可选择其它具有高磁导率的金属材料；射频磁场发生器位于永磁铁101的顶端。每组射频接收线圈组包括两个射频接收线圈，第二衬底106和第三衬底107及刻蚀其上的射频接收线圈对称分布于微流体通道装置105两侧，共同用于微流体核磁共振信号的接收。微流体通道装置105包含单个或多个微流体通道，当采用多个微流体通道时，可以对不同大小的粒子进行分类检验；本实施例中微流体通道装置105包括第一微流体通道108和第二微流体通道109，并采用第二衬底106和第三衬底107对其密封，两个微流体通道的横截面积不等，分别用于运输含有不同大小粒子范围的微流体。支撑板110用于调节并支撑微流体通道装置和信号接收器并使之位于主磁场中的最佳位置，主磁场中的最佳位置为两块永磁体之间磁场均匀度效果最好的位置；支撑板110为一个长方形薄板，材料可选用玻璃或者其它非金属材料。

如图1所示，第一基质衬底104为一个长方形薄板，其材料可选用玻璃，也可选择其它聚合物材料，射频发射线圈103为平面螺线形结构，其材料可选用铜或者其它低阻抗金属材料。

如图3所示，第二基质衬底106为一个长方形薄板，其材料可选用玻璃，也可选择其他聚合物材料，射频接收线圈组为一个3×2的矩阵，其中共有六个射频接收线圈(121、122、123和131、132、133)刻蚀于第一基质衬底106上，每个射频接收线圈均呈平面螺线形结构，线圈的材料可选用铜或者其它低阻抗金属材料，射频接收线圈121、122和123具有相同的尺寸，131、132和133具有相同的尺寸，而121和131的尺寸则可以不等。

如图4中所示，每个微流体通道的横截面积可以不相等，其截面几何形状可以为椭圆形、梯形或者其它几何形状。本实施例中的第一微流体通道108和第二微流体通道109的管径并不是均匀分布的，即沿着各自流速方向(v₁和v₂)各处的横截面积可以不相等，其中与射频接收线圈位置140对应处的微流体通道的管径较大，在流量恒定的情况下，可减小流经此位置处流体的流速以保证射频接收线圈完整的采集核磁共振信号。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以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。