基于弱磁信号的磁性纳米粒子质量检测方法

惠延波 毛志鑫 牛群峰 王莉

摘要：为了研究磁性纳米粒子质量与磁通密度的关系，提出了一种基于弱磁信号的磁性纳米粒子质量检测方法。选择亥姆霍兹线圈作为激励源，将磁性纳米粒子溶液放人恒定磁场中，磁性纳米粒子在激勵磁场的作用下产生响应磁场。为避免受到激励磁场的影响，对响应磁场的单轴分量进行测量，经过分析得出不同磁性纳米粒子质量下磁通密度的变化规律，最终得出磁性纳米粒子质量与其产生的磁通密度之间的关系函数。结果表明，随着磁性纳米粒子质量的增多，其产生的磁通密度也随之增大，两者之间呈线性正相关函数关系。

关键词：磁性纳米粒子;质量检测;弱磁检测;激励磁场;亥姆霍兹线圈

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）14-0023-05

1引言

磁性纳米粒子作为新型的纳米材料，具有独特的小尺寸效应、表面效应、良好的靶向性、生物相容性等特性，因此具备有许多优异或全新的性质，基于这些性质，磁性纳米粒子被广泛地应用于免疫检测、疾病诊断、环境监测、食品工业等诸多学科领域。目前检测磁性纳米粒子含量的方法主要是荧光检测，例如：高效液相色谱法、薄层色谱法、荧光分光光度法等。虽然荧光检测的灵敏度、检测范围非常高，但操作十分的烦琐、需要专业研究人员进行操作、应用范围窄、无法作为通用方法使用。本文提出的基于弱磁信号的磁性纳米粒子质量检测方法，能够更加方便地检测出磁性纳米粒子的质量。

国内有许多使用磁传感器的方法探索磁性纳米粒子温度变化的研究，但使用磁传感器检测磁性纳米粒子质量的研究微乎其微。彭翔宇等针对磁性纳米粒子在交流磁场中发生的变化，实时测量磁性纳米粒子的温度变化，建立了交流磁化率与温度的关系;钟景等建立了磁性纳米粒子磁化率与温度的模型结构，提出了磁纳米温度测量方法;洪俊等设计了磁性纳米粒子交流弱磁测量系统，通过响应信号各次谐波幅值的变化检测温度的变化，拟合出温度与磁场强度的关系。通过这些研究可以看出，交流激励磁场能够激励磁性纳米粒子，使其温度产生变化的同时，磁响应信号也会发生变化。

综上所述，交流激励磁场会使磁性纳米粒子发生温度变化，从而使其磁响应信号发生变化。为了消除这一影响，更加精确地检测磁性纳米粒子质量与磁响应信号之间的关系，本文使用恒定磁场作为激励源，建立磁性纳米粒子质量检测平台，探索磁性纳米粒子质量与磁响应信号的关系。

2系统设计

针对磁性纳米粒子质量检测建立一个仿真实验平台。平台使用亥姆霍兹线圈作为恒定磁场激励源，磁性纳米粒子半径为180 nm，将磁性纳米粒子溶液置入圆形薄片容器中，设置半径r为10000 nm，将盛有磁性纳米粒子溶液的容器放置于恒定激励磁场中，以圆形薄片的圆心做同心圆，使用磁传感器检测容器外围磁通密度的变化状况，探究磁性纳米粒子质量与其磁通密度的关系。如图1所示，为了能够搭建合适的实验平台，需要考虑到经济以及磁传感的量程等问题，优化选择最合适的模型结构，线圈的电流、匝数等参数。

3激励源的选择

磁陛纳米粒子是具有超顺磁性能的材料，在外加磁场的情况下具有磁性，当外加磁场移除后磁性消失，因此需要施加一个激励磁场作为激励源。目前最为常见的恒定磁场发生装置主要有螺线管线圈激励源、线圈激励C形磁铁激励源和亥姆霍兹线圈激励源。根据毕奥一萨伐尔定律可知，无限长载流螺线管内部磁场为匀强磁场，外部磁场为零。但在实际应用中，设计的螺线管长度与半径之比往往不够大，从而导致螺线管线圈的磁场波动性比较大，内部匀强磁场区域较小，不适合作为恒定磁场激励源使用;线圈激励c形磁铁的激励源是根据电磁铁原理设计而成的，经过电流磁化的铁棒其电磁能要比永磁铁高出数倍。想要产生满足要求的恒定磁场必须使c形磁铁的间隙足够小，但当磁铁间隙过小时，容器中只能放人少量样本溶液，检测到的磁响应信号可能过于微弱或检测不到。

亥姆霍兹线圈是由两个完全相同的共轴圆形导体线圈组成，线圈之间的距离恰好等于圆形线圈的半径，能够在公共轴线中点附近产生较为广泛的均匀磁场。其中，匀强磁场的大小可以通过改变线圈大小、电流、匝数的参数来调节。亥姆霍兹线圈能够制造一个体积大、均匀度高、磁场值比较微弱的磁场。

对比三种磁场的均匀度，螺线管产生的激励磁场的均匀度最差，无法形成较为稳定的均匀磁场区域。磁性纳米粒子的磁感应强度非常微弱，使用螺线管作为激励源，在测量过程中会受到各个方向上面的磁场干扰，无法准确得出磁性纳米粒子产生的磁感应强度。线圈激励C形磁铁的激励源中，铁芯间隙必须非常小才能够保证磁场的均匀度，使用该设备作为激励源，则使用承载磁性纳米粒子的容器不易放取，容器内样本含量少，从而导致磁性纳米粒子的响应磁场非常微弱，不易检测。亥姆霍兹线圈产生的均匀磁场强度虽然小，但均匀区域大，还具有开敞性质，十分方便实验器械的放入与取出，因此选择使用亥姆霍兹线圈作为均匀激励磁场源。

4实验分析

4.1测量方向的选择

使用comsol Multiphysics软件仿真，将设置的激励磁场方向定义为x方向，大小为10 G（高斯），与x同一平面的垂直方向为Y方向，与x、Y垂直的方向为z方向，通过实验仿真得到的磁通密度模如图2所示。从图中可以得知，在激励磁场的作用下，测得容器外围的磁通密度模呈正弦性变化。得到的磁通密度值约为1×10^-3T，磁通密度模的峰值为1.2x10^-7T，几乎可以忽略不计。磁传感器不能够很好的检测出磁性纳米粒子不同数量下的磁通密度，因此通过测量磁通密度模的方法来检测磁性纳米粒子质量的方法不可取。考虑到磁性纳米粒子产生的响应信号相比与激励磁场十分微弱，激励磁场会对测量磁响应信号造成干扰，分析磁通密度模分量找到一个合适的测量方向。

如图3所示，分别是磁性纳米粒子在x方向和z方向的磁通密度模分量。由图3（a）中可以看出，因为激励磁场方向也为x方向，受到激励磁场的影响以及磁性纳米粒子感应信号十分的微弱，得到的磁通密度模x分量几乎与磁通密度模相同。图3（b）中可以看出，得到的磁通密度模z分量不仅信号微弱，而且杂乱无序，无法提取出有用信号，因此x方向与z方向不能作为信号测量方向。