基于弱磁信號的磁性納米粒子質量檢測方法

惠延波 毛志鑫 牛群峰 王莉

摘要：為了研究磁性納米粒子質量與磁通密度的關系，提出了一種基于弱磁信號的磁性納米粒子質量檢測方法。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生響應磁場。為避免受到激勵磁場的影響，對響應磁場的單軸分量進行測量，經過分析得出不同磁性納米粒子質量下磁通密度的變化規律，最終得出磁性納米粒子質量與其產生的磁通密度之間的關系函數。結果表明，隨著磁性納米粒子質量的增多，其產生的磁通密度也隨之增大，兩者之間呈線性正相關函數關系。

關鍵詞：磁性納米粒子;質量檢測;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、表面效應、良好的靶向性、生物相容性等特性，因此具備有許多優異或全新的性質，基于這些性質，磁性納米粒子被廣泛地應用于免疫檢測、疾病診斷、環境監測、食品工業等諸多學科領域。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、需要專業研究人員進行操作、應用范圍窄、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量檢測方法，能夠更加方便地檢測出磁性納米粒子的質量。

國內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系;鐘景等建立了磁性納米粒子磁化率與溫度的模型結構，提出了磁納米溫度測量方法;洪俊等設計了磁性納米粒子交流弱磁測量系統，通過響應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，使其溫度產生變化的同時，磁響應信號也會發生變化。

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

2系統設計

針對磁性納米粒子質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量與其磁通密度的關系。如圖1所示，為了能夠搭建合適的實驗平臺，需要考慮到經濟以及磁傳感的量程等問題，優化選擇最合適的模型結構，線圈的電流、匝數等參數。

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。根據畢奧一薩伐爾定律可知，無限長載流螺線管內部磁場為勻強磁場，外部磁場為零。但在實際應用中，設計的螺線管長度與半徑之比往往不夠大，從而導致螺線管線圈的磁場波動性比較大，內部勻強磁場區域較小，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電磁鐵原理設計而成的，經過電流磁化的鐵棒其電磁能要比永磁鐵高出數倍。想要產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、匝數的參數來調節。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，螺線管產生的激勵磁場的均勻度最差，無法形成較為穩定的均勻磁場區域。磁性納米粒子的磁感應強度非常微弱，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生的磁感應強度。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，容器內樣本含量少，從而導致磁性納米粒子的響應磁場非常微弱，不易檢測。亥姆霍茲線圈產生的均勻磁場強度雖然小，但均勻區域大，還具有開敞性質，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量的方法不可取。考慮到磁性納米粒子產生的響應信號相比與激勵磁場十分微弱，激勵磁場會對測量磁響應信號造成干擾，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。