基于磁性纳米线的免疫传感器及检测系统

　　磁性纳米线不仅具有普通一维纳米材料的特性,还拥有优异的磁性能^[1-2],成为纳米材料科学较为活跃的研究领域之一^[3-4].目前,对磁性纳米线的研究主要集中于各种不同材料纳米线的制备及其各种特性的表征^[5-9].本研究利用磁性纳米线独特的磁化特性,通过对系统感应线圈几何参数的优化设计,构建磁性纳米线免疫传感器检测系统,然后利用此系统对不同质量浓度的样品进行定量检测,并对结果进行分析.

　　1　检测系统

　　1.1　检测原理

　　对激励线圈施加一个交变信号,将产生一个交变磁场,根据法拉第电磁感应原理,在其内部的感应线圈将产生感生电动势.如果将磁性纳米材料暴露在此交变磁场中,其本身的磁化特性将对交变磁场产生影响,从而影响感生电动势.通过测量感生电动势的变化量,可以定量检测磁性纳米材料溶液的质量浓度.

　　磁性纳米材料的磁化强度可以用如下函数表达^[10]:

　　式中:称为Langevin函数,

　　为无量纲磁场;H为磁场强度;

　　m0为单种磁性材料的磁矩;μ0为真空磁导率;k为Boltzmann常数;T为热力学温度;M1为磁性材料的饱和磁化强度.

　　当磁性纳米材料暴露在幅值为A0、频率为f的交变磁场中时,

　　将式(3)代入式(1),即可得到磁性纳米材料在交变磁场中的磁化强度函数.

　　1.2　检测装置

　　磁性纳米线免疫传感器检测系统由信号源、检测头以及信号处理3部分组成,如图1所示.信号源产生激励信号,施加在检测头的激励线圈上.检测头由样品腔、感应线圈以及激励线圈3部分组成,最内层为进样腔,中间层为感应线圈,最外层为激励线圈.感应线圈由2个相同线圈组成差分电路.产生的感应信号由信号处理部分进行放大、滤波,最后通过A/D转换得到.

　　1.3　感生电动势计算

　　为了确定感应线圈的几何参数,首先需要计算感生电动势.假设样品处于感应线圈轴线上的偶极子点,选取感应线圈半径R1作为基本几何变量,其他几何变量为:感应线圈长度W1、感应线圈厚度H1,以及样品相对于感应线圈中心的距离Z1.相对于空间坐标中的R1作如下无量纲变换:

　　首先,考虑偶极子在半径为R的单匝感应线圈的轴线上,距离为Z1的位置上受到的时变磁力矩为因此在线圈中的感生电动势为

　　然后,如果线圈的匝数为N1,磁通量为Φ,在式(5)中代入线圈长度w、线圈厚度h、感生电动势的幅值U1,得到

　　式中:

　　无量纲函数描述了感应线圈几何形状的影响.另外,预放大倍数对尺寸及其他物理参数也有一定的影响.