1.本发明涉及浓度检测技术领域，尤其涉及一种基于混频检测原理的浓度检测传感器。
背景技术：2.临床检测技术(point-of-care testing,poct)的提出是为了解决现代医疗体系中因环境条件有限而导致医疗资源匮乏的问题。其目的为摆脱传统基于实验室手段的诊断技术，使得患者在条件有限的情况下能进行和实验室技术同等级别的医学诊断。因此poct泛指具备价格合理、精度高、操作简便等特点的检测手段。除了用于疾病诊断以外，poct还被应用于环境监测、食品安全和药物检测等多个领域。
3.磁性纳米颗粒作为新兴的示踪剂被广泛应用于各种医学检测领域，比如：磁颗粒成像、药物传递、目标物定量检测等。磁性纳米粒子的浓度检测主要包含两个方面：光学检测以及磁检测。相比于光学检测，磁检测技术具备更高的检测灵敏度并且对检测环境要求更低的特点，同时磁检测技术能检测三维空间信号，这是光学检测所不具备的能力。得益于此，磁检测技术一般具备更低的检测下限。
4.根据检测原理，磁检测技术主要包含三类：磁阻、磁通量和磁导率。其中基于磁通量检测原理的方法包含了一种新兴技术——混频检测技术。该方法相比于其他磁检测原理具有成本低与检测灵敏度高的特点。并且该传感器还具备体积小和抗干扰能力强的特点，使其在大多数临床环境下皆可以进行检测，满足poct使用环境。同时结构简单的特性使其容易组成整列用于多检测应用。由于检测对象为干燥样本，因此可以忽略弛豫与磁颗粒间的磁偶极矩作用，检测精度较高。
5.混频检测主要应用分两种：单一检测对象和多检测对象。
6.(1)单一样本：将干燥且带有磁性纳米颗粒的容器竖直插入线圈，并保持带有磁性纳米粒子的检测区域的中心处于上检测线圈中心位置。处于中心位置的顺磁性物质被磁化后产生响应被差分检测线圈捕获。分析捕获的信号即可获取当前容器中的磁性纳米颗粒浓度。
7.(2)多样本：常见的多样本检测为层析检测。层析检测试纸条上存在两根磁纳米颗粒形成的窄带(控制线和检测线)。使用方法与单样本类似，将试纸条伸入检测线圈内部，当检测线到达检测线圈中心位置时检测一次信号，然后继续推进试纸条直至控制线达到检测线圈中心位置，此时再测一次信号。通过前后捕获的信号强度即可获取浓度检测结果。
8.现有的传感器在微量检测情况下，响应磁场对磁力线的影响被弱化；另外多路检测有较高的样本间距要求，目前多样本检测受到相邻样本间距要求的影响，仅适用于实验室检测阶段，尚无法应用于间距较小的临床检测环境，在间距较小的临床检测环境，该项技术在多路检测应用中的检测精度不如单一检测情况。
9.因此，本领域的技术人员致力于开发一种磁性粒子浓度检测传感器，以提升传感器对检测对象的灵敏度，解决多路检测需要保证相邻检测对象距离过大的问题。
技术实现要素：10.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是多路检测需要保证的相邻检测对象距离过大，传感器对检测对象检测的灵敏度偏低。
11.为实现上述目的，本发明提供了一种基于混频检测原理的浓度检测传感器，其特征在于，包括驱动线圈、激励线圈和差分检测线圈，其中：
12.所述驱动线圈，为圆柱型绕制多层线圈，于引线处输入低频大功率电流，用于在圆柱体中心处产生足够强的低频磁场使得该位置的顺磁性材料能磁饱和；
13.所述激励线圈，为圆柱型绕制单层线圈，位于所述驱动线圈内部，与所述驱动线圈为同心位置关系，于引线处输入高频低功率电流，用于产生高频激励磁场使得饱和顺磁性材料能产生磁响应，从而影响线圈中心位置的磁力线分布情况；
14.所述差分检测线圈，包括绕制方向相反但参数完全一致的第一线圈和第二线圈上下串联而成，所述差分检测线圈位于所述激励线圈内部，与所述激励线圈和所述驱动线圈为同心位置关系，所述第一线圈和所述第二线圈的几何中心重合，为单层结构，所述第一线圈为浓度信号捕获线圈，第二线圈为环境信号捕获线圈，所述第一线圈捕获的信号与所述第二线圈捕获的信号相减即可获得高信噪比的浓度信号。
15.在本发明的一个优选实施例中，所述驱动线圈的高度为60～100mm，线径0.3～2mm，总匝数700～800。
16.进一步的，所述激励线圈的高度为60～100mm，线径0.3～2mm，总匝数500～700。
17.进一步的，所述差分检测线圈的高度为3～7mm，线径0.3～2mm，总匝数500～700。
18.进一步的，所述差分检测线圈位置采用多匝层叠的方法，在保证总线圈匝数的情况下，减少差分检测线圈的高度。
19.进一步的，所述差分检测线圈的高度与所述激励线圈的高度比为1:18。
20.进一步的，所述差分检测线圈的高度为5mm，总匝数150。
21.在本发明的一个优选实施例中，所述驱动线圈的线圈间距与线径相同。
22.进一步的，所述驱动线圈的线圈线径为1mm，线圈间距取值范围为1mm。
23.在本发明的一个优选实施例中，所述驱动线圈、激励线圈和差分检测线圈采用3d打印的形式制作线圈骨架，材料为光敏树脂。
24.本发明的有益效果是：
25.差分检测线圈采用多匝层叠的方法，在保证总线圈匝数的情况下，尽可能减少差分检测线圈的高度，与驱动线圈及激励线圈的高度存在明显差距，以使检测线圈中心位置磁力线分布均匀，且方向基本一致，提升传感器对检测对象的灵敏度，并且减小差分检测线圈上下串联的检测线圈间距，解决多路检测需要保证相邻检测对象距离过大的问题。
26.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
27.图1是本发明的一个较佳实施例的浓度检测传感器结构示意图；
28.图2是本发明的一个较佳实施例的浓度检测传感器结构纵向截面示意图；
29.图3是本发明的一个较佳实施例与现有技术的浓度检测传感器纵向截面对比示意
图；
30.图4是本发明的一个较佳实施例的驱动线圈有限元仿真参数示意图；
31.图5是本发明的一个较佳实施例的驱动线圈线圈间距有限元仿真示意图；
32.图6是本发明的一个较佳实施例的驱动线圈直流偏置随线圈层数w的变化情况示意图；
33.图7是本发明的一个较佳实施例的驱动线圈信号强度随线圈层数w的变化情况示意图；
34.图8是本发明的一个较佳实施例的驱动线圈线圈匝数有限元仿真示意图。
35.图9是本发明的一个较佳实施例的驱动线圈示意图。
36.图10是本发明的一个较佳实施例的激励线圈示意图。
37.图11是本发明的一个较佳实施例的检测线圈示意图。
具体实施方式
38.以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
39.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
40.基于混频检测原理的浓度检测传感器，是用于对具备顺磁性的物质进行浓度检测，利用磁性纳米颗粒在磁场中磁化并产生响应干扰磁力线分布。该颗粒在基于混频检测原理的浓度检测传感器外围线圈产生的磁场中磁化并产生磁响应，通过所述浓度检测传感器捕获该响应强度即可推算出磁性颗粒的浓度。
41.如图1～图2所示，在本发明的一个优选实施例中，所述基于混频检测原理的浓度检测传感器，包括驱动线圈1、激励线圈2和差分检测线圈3，所述驱动线圈1为具有特定尺寸参数的圆柱型绕制多层线圈，用于在圆柱体中心处产生足够强的低频磁场使得该位置的顺磁性材料能磁饱和；
42.如图9所示，所述驱动线圈1由多层线圈绕制而成，并于引线处输入低频大功率电流，使所述驱动线圈1中心空间产生强磁场。该磁场将磁化放入中心的顺磁性物质，并使其达到磁饱和。
43.如图10所示，所述激励线圈2，为圆柱型绕制线圈，位于所述驱动线圈1内部，与所述驱动线圈1为同心位置关系，用于产生高频激励磁场使得饱和顺磁性材料能产生磁响应，从而影响线圈中心位置的磁力线分布情况；
44.所述激励线圈2由单层线圈绕制而成，并于引线处输入高频低功率电流，使线圈中心空间产生高频激励磁场。该磁场将已磁饱和化的顺磁性物质再次磁化，并使顺磁性物质产生磁响应干扰磁力线分布和方向。
45.如图11所示，所述差分检测线圈3，包括绕制方向相反但参数完全一致的第一线圈4和第二线圈5上下串联而成，所述差分检测线圈3位于所述激励线圈2内部，与所述激励线圈2和所述驱动线圈1为同心位置关系，所述第一线圈4和所述第二线圈5的几何中心重合，
为单层结构。所述第一线圈4为浓度信号捕获线圈，所述第二线圈5为环境信号捕获线圈。所述第一线圈4捕获的信号与所述第二线圈5捕获的信号相减即可获得高信噪比的浓度信号，所述第一线圈4与所述第二线圈5绕制方向相反，具备差分作用，获得的信号基本不受外界干扰影响。
46.利用超顺磁性纳米颗粒作为生物标记物载体，通过所述浓度检测传感器测量磁性纳米颗粒的浓度从而获取生物标记物的浓度。所述浓度检测传感器结构采用三组线圈同心套筒结构，所述差分检测线圈3采用多匝层叠的方法，在保证总线圈匝数的情况下，尽可能减少所述差分检测线圈3的高度，减少所述第一线圈4、所述第二线圈5的间距，降低了多路检测时检测对象的距离要求。所述浓度检测传感器结构纵向截面示意图如图3所示。
47.本发明的一个优选实施例与现有传感器的区别如图3所示。图3(a)显示现有技术中浓度检测传感器，在检测线圈中心处的磁力线分布较为分散，且方向不集中，完全穿过线圈的磁力线数量较少。图3(b)为本发明优选实施例的所述浓度检测传感器，显示在保证总匝数的情况下，减少了所述差分检测线圈3的高度，所述第一线圈4和所述第二线圈5的中心间距d1大幅降低，小于现有技术中两线圈之间的间距d2，并且由于和所述驱动线圈1与所述激励线圈2高度h存在明显差距，即h》》d1，导致所述差分检测线圈3中心位置磁力线分布均匀，且方向基本一致。更重要的是，大多数磁力线穿过了线圈使得初始感应信号较强，从而对于检测对象浓度较低的情况，该磁响应较现有传感器更明显，在浓度检测过程中能捕获更微小的磁力线变化，具备更高的检测精度。当所述差分检测线圈3中心处存在磁性物质且产生磁相应，将有更多的磁力线产生方向偏移，从而产生更明显的信号变化，最终获得更低的检测下限。
48.在本发明的一些优选实施例中，所述驱动线圈1的尺寸参数优选为：高度60～100mm，线径0.3～2mm，总匝数700～800：所述激励线圈2的尺寸参数优选为：高度60～100mm，线径0.3～2mm，总匝数500～700，所述差分检测线圈3的尺寸优选为：高度3～7mm，线径0.3～2mm，总匝数500～700。
49.优选的，按表1中参数进行线圈尺寸参数选择。
50.表1线圈尺寸参数
51.类型高度/mm内径/mm外径/mm线径/mm总匝数驱动线圈9040450.5750激励线圈9028320.5600差分检测线圈55200.5150
52.所述第一线圈4与所述第二线圈5中心位置距离的减少，降低了多样本检测时两个相邻样本间距的要求，使得所述基于混频检测原理的浓度检测传感器具备应用在临床层析检测应用上，多样本检测时两个相邻样本间距可达到4mm。
53.所述浓度检测传感器的线圈设计有三个主要参数：单匝线圈间距d、总匝数n、线圈纵向层数w。通过comsol有限元仿真的方式对所述驱动线圈1结构参数进行仿真验证。图4为所述驱动线圈1截面图，总匝数n可表示为线圈层数w和线圈横向层数h的乘积形式n＝w
×
h。
54.(1)线圈间距d
55.通过确定总匝数n和线圈纵向层数w以及其他电学参数，控制t线和c线上下移动模拟传感器扫描过程，通过所述差分检测线圈3捕获的信号强度来获取线圈间距d与信号之间
关系，本次comsol仿真选用的线圈间距d选取范围为：1.5-2mm。仿真结果如图5所示：
56.从信号完整性分析，线圈间距d越小信号完整性越好；从信号强度上分析，线圈间距d越小信号强度越强。通过线圈密绕，即线圈间距设置为与线径相等，能有效地在较小的检测线圈高度的情况下获得较大的匝数，从而提高响应磁场强度，本发明的一个优选实施例中选用线径为1mm，因此最终选用线圈间距d＝1mm。
57.(2)线圈层数w
58.通过确定总匝数n和线圈间距d以及其他电学参数，控制t线和c线上下移动模拟传感器扫描过程，通过所述差分检测线圈3捕获的信号强度来获取线圈层数w与信号之间关系，本次comsol仿真选用的线圈纵向层数w选取范围为：1-40。仿真结果如图6所示：
59.从图6可知当w＝1或2时，在w较小时，所述驱动线圈1无法完全包裹住中间的所述差分检测线圈3，因此出现部分的磁力线无法完整穿过检测线圈的情况，因此所述差分检测线圈捕获的信号强度略低于其他情况。为了获取信号强度情况，将各种w取值与信号强度进行分析，获得如图7所示结果：
60.从图中可知，当n＝40时，w取值为5-8时信号强度达到最大值，因此后续考虑取定n值后，w和h取值越相近越好。
61.(3)总匝数n
62.由(2)可知w和h取值越近信号强度越好，因此通过确定线圈纵向层数w和线圈间距d以及其他电学参数，控制t线和c线上下移动模拟传感器扫描过程，通过所述差分检测线圈3捕获的信号强度来获取线圈总匝数n与信号之间关系，本次comsol仿真选用的线圈纵向层数w选取范围为：5-11，因此n取值范围为n＝w2,即25-121。仿真结果如图8所示：
63.从图中可知信号强度随着匝数的增加而减少，因此在保证所述驱动线圈1能完整包裹住所述差分检测线圈3的同时，所述驱动线圈1匝数无需过多，线圈匝数能确保传感器后续信号采集即可。
64.在保证其他电学参数正常工作的情况下，线圈间距d越小，信号强度越大；线圈层数w和线圈高度h取值越近，信号强度越大；在确保所述驱动线圈1产生的绝大多数磁力线能穿过所述差分检测线圈3的同时匝数无需过多，适量即可获得较强的信号强度。
65.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
技术特征：1.一种基于混频检测原理的浓度检测传感器，其特征在于，包括驱动线圈、激励线圈和差分检测线圈，其中：所述驱动线圈，为圆柱型绕制多层线圈，于引线处输入低频大功率电流，用于在圆柱体中心处产生足够强的低频磁场使得该位置的顺磁性材料能磁饱和；所述激励线圈，为圆柱型绕制单层线圈，位于所述驱动线圈内部，与所述驱动线圈为同心位置关系，于引线处输入高频低功率电流，用于产生高频激励磁场使得饱和顺磁性材料能产生磁响应，从而影响线圈中心位置的磁力线分布情况；所述差分检测线圈，包括绕制方向相反但参数完全一致的第一线圈和第二线圈上下串联而成，所述差分检测线圈位于所述激励线圈内部，与所述激励线圈和所述驱动线圈为同心位置关系，所述第一线圈和所述第二线圈的几何中心重合，为单层结构，所述第一线圈为浓度信号捕获线圈，第二线圈为环境信号捕获线圈，所述第一线圈捕获的信号与所述第二线圈捕获的信号相减即可获得高信噪比的浓度信号。2.如权利要求1所述的基于混频检测原理的浓度检测传感器，其特征在于，所述驱动线圈的高度为60～100mm，线径0.3～2mm，总匝数700～800。3.如权利要求2所述的基于混频检测原理的浓度检测传感器，其特征在于，所述激励线圈的高度为60～100mm，线径0.3～2mm，总匝数500～700。4.如权利要求3所述的基于混频检测原理的浓度检测传感器，其特征在于，所述差分检测线圈的高度为3～7mm，线径0.3～2mm，总匝数100～200。5.如权利要求4所述的基于混频检测原理的浓度检测传感器，其特征在于，所述差分检测线圈位置采用多匝层叠的方法，在保证总线圈匝数的情况下，减少差分检测线圈的高度。6.如权利要求5所述的基于混频检测原理的浓度检测传感器，其特征在于，所述差分检测线圈的高度与所述激励线圈的高度比为1:18。7.如权利要求6所述的基于混频检测原理的浓度检测传感器，其特征在于，所述差分检测线圈的高度为5mm，总匝数150。8.如权利要求1所述的基于混频检测原理的浓度检测传感器，其特征在于，所述驱动线圈的线圈间距与线径相同。9.如权利要求8所述的基于混频检测原理的浓度检测传感器，其特征在于，所述驱动线圈的线圈线径为1mm，线圈间距取值范围为1mm。10.如权利要求1～9任一项所述的基于混频检测原理的浓度检测传感器，其特征在于，所述驱动线圈、激励线圈和差分检测线圈采用3d打印的形式制作线圈骨架，材料为光敏树脂。
技术总结本发明涉及浓度检测技术领域，尤其涉及一种基于混频检测原理的浓度检测传感器，包括驱动线圈、激励线圈和差分检测线圈，所述驱动线圈为圆柱型绕制多层线圈，于引线处输入低频大功率电流；所述激励线圈为圆柱型绕制单层线圈，位于所述驱动线圈内部，与驱动线圈为同心位置关系，于引线处输入高频低功率电流；所述差分检测线圈，包括绕制方向相反但参数完全一致的第一线圈和第二线圈上下串联而成，所述差分检测线圈位于所述激励线圈内部，与所述激励线圈和所述驱动线圈为同心位置关系，所述第一线圈和所述第二线圈的几何中心重合，为单层结构。本发明的有益效果是提升传感器对检测对象的灵敏度，解决多路检测需要保证相邻检测对象距离过大的问题。距离过大的问题。距离过大的问题。
技术研发人员：王侃 李唐安 崔大祥 徐昊
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2022.07.21
技术公布日：2022/11/1
