基于弱磁信號的磁性納米粒子質(zhì)量檢測方法

惠延波 毛志鑫 牛群峰 王莉

摘要：為了研究磁性納米粒子質(zhì)量與磁通密度的關(guān)系，提出了一種基于弱磁信號的磁性納米粒子質(zhì)量檢測方法。選擇亥姆霍茲線圈作為激勵源，將磁性納米粒子溶液放人恒定磁場中，磁性納米粒子在激勵磁場的作用下產(chǎn)生響應(yīng)磁場。為避免受到激勵磁場的影響，對響應(yīng)磁場的單軸分量進行測量，經(jīng)過分析得出不同磁性納米粒子質(zhì)量下磁通密度的變化規(guī)律，最終得出磁性納米粒子質(zhì)量與其產(chǎn)生的磁通密度之間的關(guān)系函數(shù)。結(jié)果表明，隨著磁性納米粒子質(zhì)量的增多，其產(chǎn)生的磁通密度也隨之增大，兩者之間呈線性正相關(guān)函數(shù)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：磁性納米粒子;質(zhì)量檢測;弱磁檢測;激勵磁場;亥姆霍茲線圈

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）14-0023-05

1引言

磁性納米粒子作為新型的納米材料，具有獨特的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、良好的靶向性、生物相容性等特性，因此具備有許多優(yōu)異或全新的性質(zhì)，基于這些性質(zhì)，磁性納米粒子被廣泛地應(yīng)用于免疫檢測、疾病診斷、環(huán)境監(jiān)測、食品工業(yè)等諸多學(xué)科領(lǐng)域。目前檢測磁性納米粒子含量的方法主要是熒光檢測，例如：高效液相色譜法、薄層色譜法、熒光分光光度法等。雖然熒光檢測的靈敏度、檢測范圍非常高，但操作十分的煩瑣、需要專業(yè)研究人員進行操作、應(yīng)用范圍窄、無法作為通用方法使用。本文提出的基于弱磁信號的磁性納米粒子質(zhì)量檢測方法，能夠更加方便地檢測出磁性納米粒子的質(zhì)量。

國內(nèi)有許多使用磁傳感器的方法探索磁性納米粒子溫度變化的研究，但使用磁傳感器檢測磁性納米粒子質(zhì)量的研究微乎其微。彭翔宇等針對磁性納米粒子在交流磁場中發(fā)生的變化，實時測量磁性納米粒子的溫度變化，建立了交流磁化率與溫度的關(guān)系;鐘景等建立了磁性納米粒子磁化率與溫度的模型結(jié)構(gòu)，提出了磁納米溫度測量方法;洪俊等設(shè)計了磁性納米粒子交流弱磁測量系統(tǒng)，通過響應(yīng)信號各次諧波幅值的變化檢測溫度的變化，擬合出溫度與磁場強度的關(guān)系。通過這些研究可以看出，交流激勵磁場能夠激勵磁性納米粒子，使其溫度產(chǎn)生變化的同時，磁響應(yīng)信號也會發(fā)生變化。

綜上所述，交流激勵磁場會使磁性納米粒子發(fā)生溫度變化，從而使其磁響應(yīng)信號發(fā)生變化。為了消除這一影響，更加精確地檢測磁性納米粒子質(zhì)量與磁響應(yīng)信號之間的關(guān)系，本文使用恒定磁場作為激勵源，建立磁性納米粒子質(zhì)量檢測平臺，探索磁性納米粒子質(zhì)量與磁響應(yīng)信號的關(guān)系。

2系統(tǒng)設(shè)計

針對磁性納米粒子質(zhì)量檢測建立一個仿真實驗平臺。平臺使用亥姆霍茲線圈作為恒定磁場激勵源，磁性納米粒子半徑為180 nm，將磁性納米粒子溶液置入圓形薄片容器中，設(shè)置半徑r為10000 nm，將盛有磁性納米粒子溶液的容器放置于恒定激勵磁場中，以圓形薄片的圓心做同心圓，使用磁傳感器檢測容器外圍磁通密度的變化狀況，探究磁性納米粒子質(zhì)量與其磁通密度的關(guān)系。如圖1所示，為了能夠搭建合適的實驗平臺，需要考慮到經(jīng)濟以及磁傳感的量程等問題，優(yōu)化選擇最合適的模型結(jié)構(gòu)，線圈的電流、匝數(shù)等參數(shù)。

3激勵源的選擇

磁陛納米粒子是具有超順磁性能的材料，在外加磁場的情況下具有磁性，當(dāng)外加磁場移除后磁性消失，因此需要施加一個激勵磁場作為激勵源。目前最為常見的恒定磁場發(fā)生裝置主要有螺線管線圈激勵源、線圈激勵C形磁鐵激勵源和亥姆霍茲線圈激勵源。根據(jù)畢奧一薩伐爾定律可知，無限長載流螺線管內(nèi)部磁場為勻強磁場，外部磁場為零。但在實際應(yīng)用中，設(shè)計的螺線管長度與半徑之比往往不夠大，從而導(dǎo)致螺線管線圈的磁場波動性比較大，內(nèi)部勻強磁場區(qū)域較小，不適合作為恒定磁場激勵源使用;線圈激勵c形磁鐵的激勵源是根據(jù)電磁鐵原理設(shè)計而成的，經(jīng)過電流磁化的鐵棒其電磁能要比永磁鐵高出數(shù)倍。想要產(chǎn)生滿足要求的恒定磁場必須使c形磁鐵的間隙足夠小，但當(dāng)磁鐵間隙過小時，容器中只能放人少量樣本溶液，檢測到的磁響應(yīng)信號可能過于微弱或檢測不到。

亥姆霍茲線圈是由兩個完全相同的共軸圓形導(dǎo)體線圈組成，線圈之間的距離恰好等于圓形線圈的半徑，能夠在公共軸線中點附近產(chǎn)生較為廣泛的均勻磁場。其中，勻強磁場的大小可以通過改變線圈大小、電流、匝數(shù)的參數(shù)來調(diào)節(jié)。亥姆霍茲線圈能夠制造一個體積大、均勻度高、磁場值比較微弱的磁場。

對比三種磁場的均勻度，螺線管產(chǎn)生的激勵磁場的均勻度最差，無法形成較為穩(wěn)定的均勻磁場區(qū)域。磁性納米粒子的磁感應(yīng)強度非常微弱，使用螺線管作為激勵源，在測量過程中會受到各個方向上面的磁場干擾，無法準確得出磁性納米粒子產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度。線圈激勵C形磁鐵的激勵源中，鐵芯間隙必須非常小才能夠保證磁場的均勻度，使用該設(shè)備作為激勵源，則使用承載磁性納米粒子的容器不易放取，容器內(nèi)樣本含量少，從而導(dǎo)致磁性納米粒子的響應(yīng)磁場非常微弱，不易檢測。亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的均勻磁場強度雖然小，但均勻區(qū)域大，還具有開敞性質(zhì)，十分方便實驗器械的放入與取出，因此選擇使用亥姆霍茲線圈作為均勻激勵磁場源。

4實驗分析

4.1測量方向的選擇

使用comsol Multiphysics軟件仿真，將設(shè)置的激勵磁場方向定義為x方向，大小為10 G（高斯），與x同一平面的垂直方向為Y方向，與x、Y垂直的方向為z方向，通過實驗仿真得到的磁通密度模如圖2所示。從圖中可以得知，在激勵磁場的作用下，測得容器外圍的磁通密度模呈正弦性變化。得到的磁通密度值約為1×10^-3T，磁通密度模的峰值為1.2x10^-7T，幾乎可以忽略不計。磁傳感器不能夠很好的檢測出磁性納米粒子不同數(shù)量下的磁通密度，因此通過測量磁通密度模的方法來檢測磁性納米粒子質(zhì)量的方法不可取?？紤]到磁性納米粒子產(chǎn)生的響應(yīng)信號相比與激勵磁場十分微弱，激勵磁場會對測量磁響應(yīng)信號造成干擾，分析磁通密度模分量找到一個合適的測量方向。

如圖3所示，分別是磁性納米粒子在x方向和z方向的磁通密度模分量。由圖3（a）中可以看出，因為激勵磁場方向也為x方向，受到激勵磁場的影響以及磁性納米粒子感應(yīng)信號十分的微弱，得到的磁通密度模x分量幾乎與磁通密度模相同。圖3（b）中可以看出，得到的磁通密度模z分量不僅信號微弱，而且雜亂無序，無法提取出有用信號，因此x方向與z方向不能作為信號測量方向。