专利名称：用于微流体核磁共振检测的微型螺线管射频线圈及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用于微流体核磁共振检测的射频线圈，特别涉及螺线管型磁场分 布均勻的射频微型线圈及其制造方法。
背景技术：
核磁共振波谱检测技术对样品具有非破坏性，因而广泛应用于化学、生物医学和 材料科学领域。核磁共振射频线圈可以使用收发分离式或同时具备收发两用的线圈，发 射功能是用来发射脉冲序列以激励被测样品的磁化矢量，接收功能是用来接收激发自旋 而产生的自由感应衰减信号。对信号进行傅里叶变换可以得到核磁共振波谱图，从来获 得被测样品的成分等信息。根据不同的应用领域，一般射频线圈有螺线管线圈，平面线 圈，鞍形线圈，鸟笼线圈，蝶形线圈以及相列阵线圈等。(Hoult, D. I. and R. Ε. Richards, SIGNAL-TO-NOISE RATIO OF NUCLEARMAGNETIC-RES0NANCE EXPERIMENT. Journal of Magnetic Resonance, 1976. 24(1) :p. 71-85.)文献中论述了相比其他类型线圈，螺线管 具有高灵敏度、磁场分布均勻等优点，所以现在常规商业上用的核磁共振波谱检测技术 是采用孔径为5mm的探头，即在毛细玻璃管上采用缠绕导线形成螺线管线圈。它的样品 检测极限大约为5X109mol，远差于其他检测技术如红外光谱分析、质谱分析等。(Peck， Τ. L. , R. L. Magin, and P.C.Lauterbur, DESIGN AND ANALYSIS OF MICR0C0ILS FOR NMRMICR0SC0PY. Journal of Magnetic Resonance Series B,1995. 108(2) :p. 114—124.) 文献中理论和实验验证线圈直径大约IOOum时，单位体积样品信噪比(S/N)反比于线圈 直径；小于IOOum时，反比于线圈直径的平方根，所以很多文献中出现运用微型线圈以提 高灵敏度。但是在微尺度下缠绕法不易实现，从而不易制造微型螺线管线圈。(Massin， C., et al. , Planar microcoil—based microfluidic NMR probes. Journal ofMagnetic Resonance, 2003. 164(2) :p. 242-255.)文献引起众多学者关注，文献中讲述基于微平面螺 旋线圈的核磁共振探头检测微流通道中的微量样品溶液。最早提出将微平面线圈应用到核 磁共振波谱检测技术是文献(Peck，T.L. ,et al. ,NMRMICR0SPECTR0SC0PY USING 100-MU-M PLANAR RF-COILS FABRICATED0N GALLIUM-ARSENIDE SUBSTRATES. Ieee Transactions on Biomedical Engineering, 1994. 41 (7) :p. 706-709.)。平面微线圈虽然具有灵敏度低、射 频磁场均勻性差，但是在微米尺寸以下，它可以由现代微制造光刻技术进行自动化批量化 生产；另外，平面微线圈易与基于芯片的微流体系统结合，以便于操作微流体和增加集成性 能。与Massin，C.同一个研究小组的Ehrmann，K.在2006-2007年提出运用MEMS技术制作 螺线管线圈和亥姆霍兹线圈，并将其应用到哺乳细胞的核磁共振谱检测。国内研究学者如王明，李晓南等在中国专利申请号为200610164809. 3、 200710179309. 1、2009100815沈.6等中，以及文献《纳升级生化样品核磁共振微检测用高信 噪比平面微线圈的设计.》、《基于MEMS的高Q值核磁共振平面微线圈》等中设计与制造核 磁共振微型平面螺旋射频线圈。中国专利200910091597. 4《一种核磁共振射频微线圈及其制作方法》则涉及的是亥姆霍兹型(鞍形)核磁共振射频微线圈，但是产生同样大小的射频 磁场，亥姆霍兹型(鞍形)核磁共振射频微线圈的电阻要比微型螺线管射频线圈大，从而信 噪比就会相对较小。

发明内容
本发明要解决的是现有常规微流体检测不易适合运用微量样品检测；微型平面螺 旋线圈射频磁场不均勻和灵敏度低；微型螺线管线圈不易应用常规的缠绕法制造；以及产 生同样大小的射频磁场，亥姆霍兹型(鞍形)线圈的电阻大而降低了信噪比等问题。为解决上述技术问题，本发明提供一种微型螺线管射频线圈，用于核磁共振微流 体检测，该射频线圈包括位于绝缘衬底上的底层斜条形线圈、左右两排底部线圈，设置在底 部线圈顶部的柱形线圈，位于左右两排底部线圈之间的微流通道，以及位于微流通道上方 的顶层斜条形线圈；底层斜条形线圈的两端分别与左右两排底部线圈错位连接，顶层斜条 形线圈的两端分别与设置在底部线圈顶部的柱形线圈错位相连，底层斜条形线圈和顶层斜 条形线圈的倾斜方向相反。为提搞本发明的信噪比，上述底层斜条形线圈、底部线圈，柱形线圈以及顶层斜条 形线圈均采用低阻抗金属材料制成，由于铜不仅导电率高、且价格低廉、耐蚀性优良、易与 集成电路结合，因此线圈材料优选铜。上述的微流通道采用毛细玻璃管，其截面形状优选方形，用于放置被测样品。由于传统的硅衬底机械特性较脆且成本昂贵，因此本发明的述绝缘衬底选用耐 热玻璃或其他绝缘耐热性的聚合物材料制成，采用前述材料制作的绝缘衬衬底具有生物兼 容性，成本低，和线圈之间产生的衬底电容(substrate capacitance)较小，且对线圈中的 传导电流影响较小从而减小功耗损失。上述的底部线圈和柱形线圈每排的数量相同，为η个，底层斜条形线圈和顶层斜 条形线圈的数量相同，为η-1个，η为大于1的自然数。本发明的的制造方法主要基于光刻胶光刻技术和铜电镀线圈技术，具体包括如下 步骤1、在绝缘衬底上沉淀一层光刻胶；2、对已沉淀的光刻胶进行紫外线光刻照射，形成左右两排凹槽，再以电镀方式向 凹槽内填充低阻抗金属材料，形成左右两排底部线圈；3、对左右两排底部线圈中间的光刻胶进行光刻，形成斜条形凹槽，然后以电镀方 式向凹槽内填充低阻抗金属材料，形成底层斜条形线圈；4、在已镀好的底部线圈以及底部线圈两侧未光刻的光刻胶上再沉淀一层光刻 胶；5、对步骤4沉淀的光刻胶进行紫外线光刻照射，形成柱形凹槽，再以电镀方式向 凹槽内填充低阻抗金属材料，形成两排柱形线圈；6、对两排柱线线圈之间的光刻胶进行紫外线光刻照射，形成斜条形凹槽，然后以 电镀方式向凹槽内填充低阻抗金属材料，形成顶层斜条形线圈；7、从一侧对位于底层斜条形线圈和顶层斜条形线圈的光刻胶进行紫外线光刻照 射，形成一个中心线垂直于柱形线圈的通孔，再将微流通道置于前述通孔中，即制得成品。
本发明还可以采用如下步骤制造1、在绝缘衬底上沉淀一层光刻胶；2、对已沉淀的光刻胶进行紫外线光刻照射，形成左右两排凹槽，再以电镀方式向 凹槽内填充低阻抗金属材料，形成左右两排底部线圈；3、对左右两排底部线圈中间的光刻胶进行光刻，形成六个斜条形凹槽，然后以电 镀方式向凹槽内填充低阻抗金属材料，形成底层斜条形线圈；4、在已镀好的底部线圈以及底部线圈两侧未光刻的光刻胶上再沉淀一层光刻 胶；5、对步骤4沉淀的光刻胶进行紫外线光刻照射，形成柱形凹槽，再以电镀方式向 凹槽内填充低阻抗金属材料，形成两排柱形线圈；6、将微流通道置于两排柱形线圈之间，然后在微流通道上沉淀光刻胶至其顶部与 柱线线圈的顶部平行，再对光刻胶进行紫外线光刻照射，形成斜条形凹槽，然后以电镀方式 向凹槽内填充低阻抗金属材料，形成顶层斜条形线圈，即制得成品。采用本方法时微流通道应采用耐热的毛细玻璃材质。由于SU-8光刻胶与其他类型光刻胶相比，能制造高深宽比的MEMS微结构(本发 明中即指线圈)；具有良好的力学性能和热稳定性；不导电，在电镀时可以直接绝缘。因此 两种方法中所采用的光刻胶均优选SU-8光刻胶本发明可用现代微制造中光刻和电镀技术进行自动化批量化生产，可产生均勻的 射频磁场，其线圈截面尺寸在几十至几百微米量级，特别适合稀少和贵重样品的检测。
以下结合附图和具体实例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

图1为本发明的结构示意图。图加为本发明制作方法步骤1的示意图。图2b和图2c为本发明制作方法步骤2的示意图。图2d为本发明制作方法步骤3的示意图。图加为本发明制作方法步骤4的示意图。图2f和图2g为本发明制作方法步骤5的示意图。图池和图2i为本发明制作方法步骤6和7的示意图。
具体实施例方式参见图1，本实施例的绝缘衬底(1)是一个长方形薄板，采用耐热玻璃材质，用于 放置被测样品的微流通道(4)为方形毛细玻璃管，左右两排底部线圈(7)每排有7个，相应 的设置在底部线圈(7)顶部的柱形线圈(3)每排也为7个，连接两排底部线圈(7)的底层 斜条形线圈(2)和连接两排柱形线圈(3)的顶层斜条形线圈(5)均为6条，其中底层斜条 形线圈(2)和顶层斜条形线圈(5)的倾斜方向相反。上述线圈的材质采用铜，彼此连接后 构成一个匝数为六的螺线管线圈。参见图2a-2i，本实施例的制造方法如下1、将20微米厚的SU-8光刻胶(6)沉淀到绝缘衬底(1)上(参见图42a)；2、对已沉淀的光刻胶进行紫外线光刻照射，形成左右共七对的凹槽(参见图2b)，再以电镀方式向凹槽内填充低阻抗金属材料，形成20微米高的左右两侧底部线圈(7)，共 七对(参见图2c中)；3、对左右两排底部线圈(7)中间的光刻胶进行光刻，形成六个斜条形凹槽，然后 以电镀方式向凹槽内填充低阻抗金属材料，形成20微米高的六个底层斜条形线圈O)(参 见图2d)；4、在已镀好的底部线圈(7)、斜条形线圈(2)以及底部线圈(7)两侧未光刻的光刻 胶上再沉淀一层80微米厚的SU-8光刻胶(参见图2e)；5、对步骤4沉淀的光刻胶进行紫外线光刻照射，形成80微米深的柱形凹槽参见 (图2f)，再以电镀方式向凹槽内填充低阻抗金属材料，形成两排80微米高的柱形线圈(3)， 共七对(参见图2g)；6、对两排柱线线圈(3)之间的SU-8光刻胶进行紫外线光刻照射，形成六个斜条形 凹槽(参见图池)，然后以电镀方式向凹槽内填充低阻抗金属材料，形成六个顶层斜条形线 圈(5)(参见图2i)；步骤O)中七对左右两侧底部线圈，步骤C3)中六个斜条形线圈，步骤( 左右七 对柱形线圈，以及步骤(6)中六个顶层斜条形线圈，环绕形成一个六匝的螺线管线圈；7、参见图2i，从正面(或背面)方向对六匝螺线管环绕包围的光刻胶位于底层斜 条形线圈(2)和顶层斜条形线圈(5)的光刻胶进行紫外线光刻照射，形成一个中心线垂直 于柱形线圈(3)的方孔，再将方形毛细玻璃管置入方形通孔中，形成微流通道G)，即制得 成品。本发明的工作原理是将微流通道中的被测样品置于主磁场中，被测样品就被磁性极化，宏观上表 现出磁化矢量；再给微型螺线管射频线圈施加电流，产生垂直于主磁场且均勻度较好的射 频磁场，均勻的射频磁场使被测样品中的原子核产生一致的翻转角，即被测样品中的原子 核进行同步进动，同步进动使被测样品在宏观上表现出横向磁化矢量，横向磁化矢量在微 型螺线管射频线圈中产生感应电动势，记录一段时间后得到自由感应衰减信号，再将自由 感应衰减信号进行傅里叶变换，得到核磁共振波谱图。
权利要求
1.一种用于微流体核磁共振检测的微型螺线管射频线圈，其特征在于包括位于绝缘衬 底(1)上的底层斜条形线圈(2)、左右两排底部线圈(7)，设置在底部线圈(7)顶部的柱形线 圈(3)，位于左右两排底部线圈(7)之间的微流通道(4)，以及位于微流通道(4)上方的顶层 斜条形线圈(5)；底层斜条形线圈(2)的两端分别与左右两排底部线圈(7)错位连接，顶层 斜条形线圈(5)的两端分别与设置在底部线圈(7)顶部的柱形线圈(3)错位相连，底层斜条 形线圈(2)和顶层斜条形线圈(5)的倾斜方向相反。
2.根据权利要求1所述的用于微流体核磁共振检测的微型螺线管射频线圈，其特征在 于所述的底层斜条形线圈(2)、底部线圈(7)，柱形线圈(3)以及顶层斜条形线圈(5)均采用 低阻抗金属材料制成。
3.根据权利要求1所述的用于微流体核磁共振检测的微型螺线管射频线圈，其特征在 于所述的微流通道(4)为毛细玻璃管。
4.根据权利要求1所述的用于微流体核磁共振检测的微型螺线管射频线圈，其特征在 于所述的绝缘衬底(1)由耐热玻璃或其他绝缘耐热性的聚合物材料构成。
5.如权利要求1至4任意一项所述的用于微流体核磁共振检测的微型螺线管射频线 圈，其特征在于每排底部线圈(7)和柱形线圈(3)的数量相同，为η个，底层斜条形线圈(2) 和顶层斜条形线圈(5)的数量相同，为η-1个，前述η为大于1的自然数。
6.如权利要求5所述的用于微流体核磁共振检测的微型螺线管射频线圈，其特征在于 每排底部线圈(7)和柱形线圈(3)的数量均为7个，底层斜条形线圈(2)和顶层斜条形线圈 (5)的数量均为6条，共同构成一个匝数为六的螺线管线圈。
7.权利要求1至6任意一项所述的用于微流体核磁共振检测的微型螺线管射频线圈的 制造方法，其特征在于包括如下步骤(1)在绝缘衬底(1)上沉淀一层光刻胶(6)；(2)对已沉淀的光刻胶进行紫外线光刻照射，形成左右两排凹槽，再以电镀方式向凹槽 内填充低阻抗金属材料，形成左右两排底部线圈(7)；(3 )对左右两排底部线圈(7 )中间的光刻胶进行光刻，形成六个斜条形凹槽，然后以电 镀方式向凹槽内填充低阻抗金属材料，形成底层斜条形线圈(2 )；(4)在已镀好的底部线圈(7)以及底部线圈(7)两侧未光刻的光刻胶上再沉淀一层光 刻胶；(5)对步骤(4)沉淀的光刻胶进行紫外线光刻照射，形成柱形凹槽，再以电镀方式向凹 槽内填充低阻抗金属材料，形成两排柱形线圈(3)；(6)对两排柱线线圈(3)之间的光刻胶进行紫外线光刻照射，形成斜条形凹槽，然后以 电镀方式向凹槽内填充低阻抗金属材料，形成顶层斜条形线圈(5 )；(7)从一侧对位于底层斜条形线圈(2)和顶层斜条形线圈(5)的光刻胶进行紫外线光 刻照射，形成一个中心线垂直于柱形线圈(3)的通孔，再将微流通道(4)置于前述通孔中， 即制得成品。
8.权利要求1至6任意一项所述的用于微流体核磁共振检测的微型螺线管射频线圈的 制造方法，其特征在于包括如下步骤(1)在绝缘衬底(1)上沉淀一层光刻胶(6)；(2)对已沉淀的光刻胶进行紫外线光刻照射，形成左右两排凹槽，再以电镀方式向凹槽内填充低阻抗金属材料，形成左右两排底部线圈(7)；(3)对左右两排底部线圈(7)中间的光刻胶进行光刻，形成斜条形凹槽，然后以电镀方 式向凹槽内填充低阻抗金属材料，形成底层斜条形线圈(2 )；(4)在已镀好的底部线圈(7)以及底部线圈(7)两侧未光刻的光刻胶上再沉淀一层光 刻胶；(5)对步骤(4)沉淀的光刻胶进行紫外线光刻照射，形成柱形凹槽，再以电镀方式向凹 槽内填充低阻抗金属材料，形成两排柱形线圈(3)；(6 )将微流通道(4 )置于两排柱形线圈(3 )之间，然后在微流通道(4 )上沉淀光刻胶至 其顶部与柱线线圈(3)的顶部平行，再对光刻胶进行紫外线光刻照射，形成斜条形凹槽，然 后以电镀方式向凹槽内填充低阻抗金属材料，形成顶层斜条形线圈(5)，即制得成品。
全文摘要
本发明涉及一种用于微流体核磁共振检测的微型螺线管射频线圈及其制造方法，包括位于绝缘衬底上的底层斜条形线圈、左右两排底部线圈，设置在底部线圈顶部的柱形线圈，位于左右两排底部线圈之间的微流通道，以及位于微流通道上方的顶层斜条形线圈；底层斜条形线圈的两端分别与左右两排底部线圈错位连接，顶层斜条形线圈的两端分别与设置在底部线圈顶部的柱形线圈错位相连，底层斜条形线圈和顶层斜条形线圈的倾斜方向相反。本发明采用光刻胶光刻技术和铜电镀线圈技术进行制造。本发明克服微米尺度螺线管射频线圈不易缠绕等不足，又具有射频磁场均匀度高等优点，可以用于稀少和贵重样品的核磁共振检测。
文档编号G01R33/34GK102095746SQ201010589840
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者倪中华, 吴卫平, 易红, 陆荣生 申请人:东南大学