[发明专利]耦合磁成像装置及测量方法

说明书

本发明公开了一种耦合磁成像装置及测量方法，该装置包括：样品台、微波装置、激光装置和外磁场装置，样品台包括棱镜、金刚石，金刚石固定于棱镜正上方，样品台采用金刚石中的氮空位缺陷作为量子磁传感器；微波装置包括微波信号发生器和中心对称的辐射结构，微波信号发生器用于发射微波信号，辐射结构用于接收所述微波信号，并作为微波天线向金刚石的氮空位缺陷辐射微波磁场；激光装置用于发射中心波长为532nm的激光，激光以一定角度入射棱镜；外磁场装置位于样品台上方，与样品台的竖直方向呈一定角度，用于向金刚石的氮空位缺陷提供稳定磁场；其中，样品台以插件模式耦合于光学显微镜。

技术领域

本发明涉及生命科学测量领域，具体涉及磁成像探测领域，尤其涉及一种耦合磁成像装置及测量方法。

背景技术

光、电、热和磁等都是生命科学测量中涉及到的重要物理量，其中使用最广的是光成像。光成像尤其是荧光成像，能够拓展生物医学研究的视野，但是，由于生物样品中的背景信号和荧光信号不稳定，光成像很难绝对定量。磁成像或磁共振成像具有穿透性高、背景影响低和稳定等特点，在一些重要的应用场景下有很广泛的应用，比如医学磁共振成像、脑磁测量、尤其是生物磁感应等需要对磁场或者磁信号进行直接测量的领域。如果将磁成像与光成像等其它成像技术联用，在增加生物样品测量信息的同时，还能够提高生物样品测量的精确性。

利用磁成像技术测量生物样品时，需要考虑室温大气环境、较好的空间分辨率和生物相容性等因素。现有的磁成像技术主要包括：超导量子干涉仪、磁光克尔显微镜、原子磁力显微镜、洛伦兹电镜和原子气磁力计。超导量子干涉仪虽然能够通过增大线圈实现高测磁灵敏度，但是也会增加传感器的尺寸，限制空间分辨率。并且由于超导量子干涉仪的测量环境需要超导低温，使得探头和样品之间的距离比较难靠近，不仅限制样品的空间分辨率还增加了测量难度。磁光克尔显微镜虽然能够实现样品的无损测量，也能够与光学显微镜兼容，但是无法精确测量磁场强度，同时也会因本身的光学特性影响生物样品的测量准确性，无法测量分散的磁性颗粒。其他磁成像技术方法很难与光成像兼容，并且在测量时需要扫描，难以满足对于生物样品检测的室温大气的要求。因此，需要设计一种能与光成像耦合的适用于生物样品检测的磁成像装置，在不影响光学显微镜原有功能的情况下，增加磁场探测的模式，使得光成像和磁成像都具有微米级的空间分辨率。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种耦合磁成像装置及测量方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面的实施例，提供了一种耦合磁成像装置，包括：样品台，包括棱镜、金刚石，金刚石固定于棱镜正上方，样品台采用金刚石中的氮空位缺陷作为量子磁传感器；微波装置，包括微波信号发生器和中心对称的辐射结构，所述微波信号发生器用于发射微波信号，所述辐射结构用于接收所述微波信号，并作为微波天线向金刚石氮空位缺陷辐射微波磁场；激光装置，用于发射中心波长为532nm的激光，激光以一定角度入射棱镜；外磁场装置，位于样品台上方，与样品台的竖直方向呈一定角度，用于向金刚石的氮空位缺陷提供稳定磁场；其中，样品台以插件模式耦合于光学显微镜。

根据本发明的实施例，其中，棱镜包括道威棱镜或矩形棱镜。

根据本发明的实施例，其中，激光装置发射的激光入射棱镜，通过所述棱镜在所述金刚石的第一表面内实现全反射，所述第一表面为金刚石与待测样品的接触面。。

根据本发明的实施例，其中，辐射结构包括样品孔、固定孔、微波接口、导体铜层和铜丝，样品孔位于辐射结构的中心，用于放置金刚石；导体铜层位于样品孔的两侧，具有抛物线和圆弧平滑连接结构，使得铜丝的走向旋转90°；微波接口位于辐射结构的两端，与导体铜层相连；铜丝位于金刚石上方，跨过样品孔与导体铜层焊接在一起；固定孔用于将辐射结构固定于样品台。

根据本发明的实施例，其中，铜丝的延伸方向平行于辐射结构的短边方向，以使所述铜丝在所述金刚石表面产生的磁场方向与所述金刚石的氮空位缺陷的夹角一致。