面向便攜式核磁共振檢測的平面微型線圈關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、核磁共振(NMR)技術(shù)相比于其他分析技術(shù)，具有無損檢測樣品的優(yōu)勢，因此廣泛應(yīng)用于化學(xué)結(jié)構(gòu)分析、反應(yīng)動力學(xué)、診斷成像以及其他領(lǐng)域。近幾年，基于NMR技術(shù)的分析儀器正朝著低成本便攜式方向發(fā)展，射頻線圈作為NMR分析儀的核心部件，對信號的發(fā)送和接收具有決定性作用;另外，隨著NMR檢測的樣本體積從傳統(tǒng)的毫升逐漸走向微升，對NMR檢測微量樣本的能力提出要求。為此，研究面向便攜式核磁共振檢測的微型線圈，具有重要的科研意義和商業(yè)潛力價值。本論文在回顧

2、幾種微型線圈的研究現(xiàn)狀和存在問題的基礎(chǔ)上，首先針對平面微型線圈的設(shè)計進(jìn)行理論研究和建模仿真;接著，先后研制基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝的和基于印刷電路板(PCB)工藝的平面微型線圈的NMR探頭;最后，基于搭建的NMR系統(tǒng)平臺，將更具有經(jīng)濟(jì)性的PCB平面微型線圈應(yīng)用于煎炸油摻偽正品油的鑒別分析。論文研究取得下列創(chuàng)新性研究成果:
　　(1)建立了平面微型線圈幾何參數(shù)與信噪比之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。理論分析表明，為了獲得高的信噪比，線圈的

3、內(nèi)直徑應(yīng)盡可能的小;線圈橫截面盡可能的選正方形;線圈寬度優(yōu)先設(shè)計為兩倍趨膚深度;線圈匝間間距與線圈寬度相同等等。這些為微型線圈的設(shè)計提供了必要的理論支撐。
　　(2)基于MEMS工藝，研制了一種平面微型線圈與樣品腔之間目標(biāo)距離可調(diào)的集成探頭結(jié)構(gòu)。該集成探頭在基于玻璃襯底的多層電鍍平面微型線圈上，集成聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流通道。其中，線圈由聚酰亞胺包裹，線圈和PDMS微流通道之間隔著40微米厚的PDMS中間層。由于PDMS中

4、間層的旋涂厚度可以達(dá)到幾十微米到幾毫米，所以該探頭結(jié)構(gòu)既避免了以往基于MEMS工藝的集成探頭易出現(xiàn)中間層玻璃破碎和線圈易氧化等局限，又容易實現(xiàn)指定中間層厚度的要求。
　　(3)研制了一種基于PCB工藝的平面微型線圈。針對MEMS工藝制作平面微型線圈存在制作成本高、對操作人員技術(shù)要求高、不易大批量生產(chǎn)等不足，研制了一種基于PCB工藝的平面微型線圈。線圈制作工藝表明其具有低成本、制造周期短和高產(chǎn)量等優(yōu)勢;另外，PCB線圈電參數(shù)測試結(jié)果

5、表明其具備潛力應(yīng)用于低場核磁共振領(lǐng)域。
　　(4)研制了平面微型線圈的調(diào)諧匹配電路，在融合所研制平面微型線圈的基礎(chǔ)上，制備了NMR探頭，并在搭建的NMR系統(tǒng)測試平臺上進(jìn)行實驗測試。運(yùn)用L型調(diào)諧匹配電路將平面微型線圈匹配至50Ω，將調(diào)諧匹配后的平面微型線圈，放入主磁場強(qiáng)度為0.66 T的永磁體中，通過同軸電纜線連接至前置放大器，并連接至電子柜，這些為NMR實驗提供了必要的硬件支撐。采用MEMS平面微型線圈測試固態(tài)PDMS的橫向弛豫時

6、間值，并采用商業(yè)儀器Bruker minispec MQ60測試驗證，結(jié)果一致。另外，采用PCB平面微型線圈測試去離子水的橫向弛豫時間值，研究了PCB平面微型線圈的最優(yōu)匝數(shù)和最優(yōu)90°脈沖激勵時間，并在這些最優(yōu)參數(shù)下，對不同濃度下的五水硫酸銅水溶液進(jìn)行橫向弛豫時間的測試，實驗結(jié)果表明五水硫酸銅溶液濃度與橫向弛豫率成正比，這種線形關(guān)系與商業(yè)儀器Bruker minispec MQ60測試結(jié)果一致，從而為后續(xù)應(yīng)用于測試液態(tài)樣品并進(jìn)行NMR鑒

7、別分析提供了可靠性基礎(chǔ)。
　　(5)在上述研究成果基礎(chǔ)上，對MEMS平面微型線圈和PCB平面微型線圈進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明PCB平面微型線圈更具備經(jīng)濟(jì)性且可以重復(fù)利用，因此，應(yīng)用基于PCB平面微型線圈的NMR系統(tǒng)測試平臺，完成了煎炸油與正品油的對比實驗和煎炸油摻偽正品油的鑒別實驗。對比實驗表明，第二峰和第三峰的橫向弛豫時間譜值的對比可以區(qū)別煎炸油和正品油;鑒別實驗表明，煎炸油摻偽正品油的摻偽質(zhì)量比例與橫向弛豫時間值成線性遞減關(guān)系。