CN101512384B - 检测和确认分析物的磁共振系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于磁共振测量来检测目标分析物的系统和方法。磁结构产生具有与分析物相当的尺寸的不同磁场区域。当分析物结合在那些区域中时，来自样品的磁共振信号发生改变，从而对分析物进行检测。

Description

检测和确认分析物的磁共振系统和方法

相关申请

本申请要求2005年4月21日提交的、名称为BIO-HAZARD SUBSTANCE DETECTOR AND IDENTIFIER(生物危害物质检测器和识别器)的美国临时申请序列号60/673,382和2005年4月7日提交的、名称为SHIPPING CONTAINER INSPECTIONDEVICE(船运集装箱检查设备)的序列号60/699,019的权益，这两个专利申请都以引用方式并入本文。

政府利益

本发明在美国政府的支持下在下面合同中的一个或多个下作出：海军空战中心n68335-02-c-3120、国土安全部合同NBCHC060017和HSHQPA-05-9-0039。美国政府在本发明中拥有一定权利。

技术领域

本发明一般地涉及分析物检测领域，并且另外地涉及使用磁共振检测分析物。

背景技术

对特定分析物的检测技术跨越许多实验室仪器和技术，包括液体和气体色谱法(分别是LC和GC)、质谱法(MS)、核磁共振(NMR)波谱法、聚合酶链反应(PCR)、光谱法和荧光透视法、傅立叶变换红外(FTIR)光谱法以及离子淌度仪(ion mobilityinstruments)。但是，现今的化学分析仪器大且昂贵，需要熟练的操作员，涉及复杂的样品制备，并且需要大量时间进行分析。

在世界亟需改进对于特定化学制品和微生物的检测。例如，在国家安全领域，需要一种系统检测生物制剂、毒素和化学武器，从而在恐怖主义攻击的情况下提供早期警报。这种检测能力也可以用来搜索这种武器正在研发或生产的秘密场所，从而能够采取行动以防止它们的使用。同样需要一种系统扫描邮件和包裹以检测恐怖主义攻击。

对于医学科学，也需要一种改进的病原体检测。对与禽流感、牛海绵状脑病(更通常称作“疯牛病”)或者重症急性呼吸系统综合症(SARS)相关联的DNA或蛋白质的灵敏检测将能够进行干预从而避免大范围流行。这种系统的广泛临床使用将帮助识别普通疾病或严重疾病，极大地帮助医生进行诊断。

对于检测有毒工业化学制品(TIC)和有毒工业材料(TIM)的工业应用，也需要对各种化学药品的检测。这种系统将能够进行泄漏检测、过程控制、对材料降解的检测、对浓度的控制以及宽广范围行业中的许多其他过程应用。

在农业和食品生产中，也需要改进的检测还需要一种检测食物污染、变质或中毒的装置。食品包括，诸如饮用水和果汁之类的物品。在法医测试中也存在需求，包括例如在搜索位置的样品中寻找特定的DNA序列。

包括先前已经用作MRI造影剂的纳米级顺磁微粒(纳米微粒)的磁共振检测技术正在研制中。这些微粒包括由无磁性材料外壳覆盖的顺磁或超顺磁(在本文中二者通常称作顺磁)材料的核心，外壳装饰有反应物分子以促进结合到目标细胞例如病原体、肿瘤细胞等。纳米微粒在MRI分析之前注入到患者。它们结合到目标细胞，引起MRI图像性质的局部改变，并且能够检测或定位目标细胞。

纳米微粒也已经在生物体外使用。溶解或悬浮在液体介质中，纳米微粒在该介质中结合到目标细胞或分子。纳米微粒和分析物可以形成包括数打或成千上万个纳米微粒的聚集体。这种聚集体可以通过光散射、原子力显微镜检测法、电子显微镜检测法以及在一些情况下通过NMR效应来检测。例如，参见授予给Josephson等人的美国专利号5,254,460。

目标专用反应物可以安置在纳米微粒上以便提供分析物专用选择性。缺点是需要形成包括多个纳米微粒和多个目标细胞或分子的聚集体，因为仅在每个纳米微粒结合到多个分析物并且每个分析物结合到多个纳米微粒时发生聚集。聚集可以通过几何效应例如纳米微粒间的尺寸变化而抑制。形成聚集体可能需要大量时间。

关于凝聚的先前研究是在精密张驰测量器(benchtoprelaxmeter)和高场强MR仪器上进行的。样品制备以及到NMR管中的插入是冗长的。每种样品的手工混合以及然后样品的插入都是耗时的并且错过在分析物结合到纳米微粒时早期发生的重要结合事件。需要小型自动仪器加速测量。而且，从基础物理学和生物化学的观点理解描述测量中所看到的变化的现象是重要的。

早期的研究没有从物理学的观点模拟T2效应的变化。简单的凝聚效应通过光学装置(显微镜)观察以建立关于T2变化的现象。另外，早期的研究没有利用纳米微粒的化学计量控制，以调节导致特定NMR产物的各种应用的测量参数。

早期的研究使用纯净且没有经历干扰例如尘土、酸等的样品。而且，不存在快速测量与没有来自杂波和近邻分子的干扰、总系统的成本、低的假警报以及高概率检测相结合的需求。也不存在对待检测的分析物浓度的限定范围。

早期的研究没有考虑使用改进的顺磁材料例如铁、钴和镍的化合物来产生更强磁化和提高灵敏度。

发明内容

本发明提供一种可以基于磁共振测量检测目标分析物的系统和方法。在一个方面，以磁共振纳米开关的形式使用特定纳米微粒检测分析物。

在本发明的一个方面，尽管存在近邻的干扰、污垢、杂波、生物干扰物(例如霉菌孢子)、蛋白质干扰物(例如脱脂乳和卵蛋白素)、顺磁干扰(例如血红蛋白和腐殖酸(包含蛰合铁))、环境干扰物(例如所谓亚利桑那尘土、柴油机烟灰等)，系统和方法仍以非常高的特异性检测目标分析物。

本发明的一个方面包括一种检测液体介质中的分析物的系统和方法。在另一方面，分析物可以作为气雾剂、水溶胶引入，并且可以引入到合成介质例如食品中。

系统包括检测来自液体通过该液体的磁场，以及液体中磁场具有不同性质例如特定值或梯度的区域的共振信号的磁共振系统。该区域内的液体产生依赖于磁场性质的磁共振信号，并且该区域外的液体也可以因扩散而受该区域的影响。对于分析物具有特定亲和性的材料与该区域相邻。分析物结合到亲和性材料或者由亲和性材料保持，并且将液体从该区域移开，从而改变磁共振信号并暴露分析物。

一种检测分析物的系统包括：在液体介质中包含分析物的样品、用于在所述液体中产生第一磁场的装置、用于在所述液体中的特殊区域内产生第二磁场的装置、用于将所述分析物保持在所述特殊区域内的装置、能够测量来自所述液体的磁共振信号的磁共振仪、以及用于分析那些信号以确定所述液体是否占据所述特殊区域的装置。作为选择，通过所述特殊区域的液体影响剩余液体的磁共振信号。所述第二磁场与所述第一磁场不同，使得位于所述特殊区域内的液体的信号可检测地不同于位于所述特殊区域外的液体的信号。当存在分析物时，分析物将液体从所述特殊区域移开。因此，如果所述信号显示所述液体占据所述特殊区域，则分析物一定不存在。如果所述信号显示所述液体从所述特殊区域中移开，那么分析物一定存在，从而该分析物被检测到。

分析物可以是任何分子、分子合成物、微生物、化学制品或材料，其可以包含在所述液体介质中，并且当该分析物如此被包含时它置换所述液体。分析物的实例包括：生物分子，例如蛋白质、DNA、RNA或者其片段或合成物；酶类、小分子、有机体、微生物例如完整的或分裂的病毒或细菌；来自其他物种包括人类的完整的或分裂的细胞，非生物化学制品，例如化学武器分子、炸药、杀虫剂、医药品和工业化学制品。

在一种实施方案中，所述液体包含所述分析物。这里“包含”的意思是分析物溶解、悬浮、乳化或者全部包括和分散在液体中。而且，分析物置换液体的意思是分析物的分子不能与液体的分子共同占据空间。

所述液体可以是包含具有非零自旋的原子核的任何流体材料。仅具有非零自旋的原子核产生NMR现象。当包含所述液体的分子包含具有非零自旋的原子核例如水分子中的氢时，所述液体包括这种原子核。作为选择，所述液体可以包含这种原子核作为溶质或悬浮物，例如在¹⁹F拉莫尔频率时产生磁共振信号的氟化溶质。

在另一方面，系统包括通过所述液体的第一磁场。所述第一磁场可以由电磁体、永久性磁体、超导线圈或任何其他源产生。通常，所述第一磁场是可以在0.01特斯拉至20特斯拉范围内的静态且基本上均匀的磁场，并且是磁共振系统的一部分。

第二磁场在所述样品的特殊区域中产生。所述第二磁场在使用磁共振可以检测到的某个参数方面不同于所述第一磁场。例如，所述第二磁场可以在大小、方向、均匀性、梯度或任何其他可检测参数方面不同于所述第一磁场。第二磁场生成器或产生第二磁场的装置可以是悬浮在液体中并沉浸在第一磁场或外加磁场中的纳米微粒。在一种实施方案中，纳米微粒变成被磁化的，并且产生矢量地添加到外加磁场的偶极形磁场，从而产生净磁场。所述特殊区域是由不同磁场占据的体积。当不同磁场由纳米微粒引起时，从而产生净磁场特殊区域是与纳米微粒表面相邻但在纳米微粒表面外的纳米级体积，其中，净磁场基本上不同于所述外加磁场。作为选择，特殊的磁场区域可以由顺磁离子例如蛰合铁或钆代替纳米微粒产生。该方法的优点在于受扩散限制的反应速率可以因金属离子蛰合物的更高迁移率而增加。类似的离子在MRI中使用(Gd-DTPA和Gd-DOTA)。

作为选择，所述特殊磁场区域由尺寸大于纳米级的微粒或结构产生，假设当分析物存在或不存在时，所述磁共振信号可检测地不同。例如，成形的磁结构可以在两个区域中提供磁场的两个特殊值，并且分析物结合分子可以连接到磁场区域中的仅一个。然后，检测测量是对合成磁共振信号的波谱分析，当分析物不存在时其将表现出与两个磁场区域相对应的两个频率峰值，或者当分析物混淆磁场区域中的一个时仅表现单个峰值。

在一个方面，使用温度循环来加速分析物与纳米微粒之间的结合。这通过提高分析物和/或纳米微粒的迁移率来缩短结合事件时间。当能量势垒抑制结合时，更高的温度提高结合速率。温度循环可以包括加热和冷却或者相反。然后，在磁共振仪中测量样品。

在一个方面，所述系统包括将分析物保持在所述特殊区域中的机制或粘结剂，以将液体从特殊区域移开，从而对分析物进行检测。这种粘结剂可以包括分析物具有亲和性的任何材料表面或分子。这种保持可以通过氢键、离子力、共价键、硫化物桥接、范德瓦耳斯力、静电力或者任何其他类型的分子或材料附着或亲和性配位体来实现。粘结剂设置成与成形磁场的区域相邻，使得当结合时目标分子占据该区域并且将液体从该区域排除。例如，粘结剂可以是相对于分析物蛋白质而出现的抗体，或者与分析物DNA序列互补的DNA。优选地，粘结剂也可以对于除了可能存在的分析物之外的所有溶质不具有亲和性或具有负亲和性。除了DNA之外，可以使用其他保持装置，例如核酸适体(aptamer)、小分子等。目标包括但不局限于如下：

a.识别并结合到抗原的抗体。

b.低聚核苷酸或者与DNA或RNA目标互补的DNA序列。

c.结合到目标蛋白质、细菌、病毒、酵母或真菌的DNA或RNA核酸适体。

d.结合到目标蛋白质、细菌、病毒、酵母或真菌的蛋白质或肽。

e.由人造氨基酸构成且具有到目标的更强结合或更好的环境稳定性的伪肽。

f.可以结合到目标的小分子或小分子的组合

g.可以结合到目标蛋白质、细菌、病毒、酵母或真菌的单糖、多糖、碳水化合物和糖类。

另一方面包括能够激励并检测来自液体介质的磁共振信号的磁共振仪。现有的磁共振系统可以执行该功能。更优选地，该仪器是可以自动执行检测测量的简单、小型、自动、专用磁共振系统。该系统测量受所述特殊区域中的所述第二磁场影响的、与液体的存在或不存在相关的信号。例如，当所述特殊区域中的磁场的大小不同于剩余液体中的磁场的大小时，那么该磁共振系统可以测量磁共振信号的波谱内容以确定从其出现所述信号的磁场。因此，通过分析所述特殊区域中液体的拉莫尔频率，所述系统确定液体是否占据该区域。

另一可选的测量是液体的自旋-自旋弛豫时间(T2)。当所述特殊区域中的磁场具有强梯度时，特别是当液体在与测量相比较的短时间内扩散通过那些梯度场时，T2受影响。因此，该系统可以通过测量液体的T2确定是否在所述特殊区域中发生去极化来确定分析物的存在。

在一个方面，该小型磁共振系统可以测量T2的正或负变化。在Josephson专利中凝聚被描述为分子的大的超分子组合的形成。凝聚在时间方面必须晚于结合事件而发生。在凝聚的情况下，所有测量显示负的T2变化。类似地，Josephson中定义为“正1/T2”的参数表示T2的负变化。凝聚被Josephson描述为几个分子附着到彼此并且它们形成足够大以至于改变水的T2的组合的过程。在一种实施方案中，本发明的系统测量因分析物结合事件而引起的T2变化，从而在凝聚之前引起正和负的T2变化。

在一个方面，该小型磁共振系统首先测量纳米微粒或纳米微粒溶液上的基准T2，然后纳米微粒或纳米微粒溶液与分析物混合并且再次测量T2以确定T2的变化是否发生。这样做是为了保证正确的纳米微粒浓度和一致的化学计量，以及消除计量和混合错误、纳米微粒性质的变化、流体输送错误等。

在一种实施方案中，本发明的系统可以通过在单个时间测量来自样品的磁共振信号来检测分析物。作为选择，该系统可以跨越一段时间执行一系列测量，并且可以比较或分析测量以改进分析物的检测。例如，分析物和纳米微粒之间的结合可以在比特定测量所需时间长的间隔期间进行。然后系统可以重复地执行测量以观察由结合所引起的变化。作为另一个实例，分析物可能首先结合到纳米微粒形成双体，引起T2的正偏移，此后双体可以组合以形成凝聚物，引起T2的负偏移。这种数据可以通过减小假警报率、提供更低的检测阈值以及增强对于给定量的分析物的检测概率而极大地增强结果的质量。

本发明的系统可以从对同一样品的重复测量中导出与反应动力学相关的参数，包括参数的变化率或累积的反应参数。然后这些结果可以用来指导另外的测量以确认或清除最初的指示。例如，如果样品在混合之后很快表现出小但可疑的T2变化，系统可以启动一系列测试以确定T2在一段时间上的变化率。然后，如果那些随后的结果确认分析物存在，则可以发出警报，但是如果继续的测量指示没有分析物，那么最初的怀疑可以被清除，从而防止假警报。使用临时的再次扫描协议，结合速率-大小分析，该系统提高可靠性和阈值灵敏性。

基于实验结果和理论模拟，正的T2变化是由于在结合到纳米微粒时分析物置换水分子，并且负的T2变化是由于在由多个纳米微粒形成的笼形结构中的水分子的重复散相。另外，正或负的T2变化可以通过处理和化学计量来促进。例如，可以调节纳米微粒与反应物的比例以提供负或正的T2变化。在一些情况下，测量负和正的T2效应以消除来自基本样品的干扰可能是重要的。例如，被顺磁离子污染的测试样品，例如具有蛰合铁的腐殖酸，引起混合物的T2减小。因此，如果存在与腐殖酸混合的分析物，可以用下面的方式测量。首先，在混合纳米微粒之前测量样品以产生基准T2测量。然后，混合纳米微粒并测量T2的变化或正或负，从而暴露分析物。作为选择，如果不能执行独立的基准测量，则有用的是，混合在结合到分析物时产生正T2差异的纳米微粒，使得尽管污染仍然可以检测分析物。

“纳米微粒多元混合物”是对于多种分析物敏化的纳米微粒制剂。存在两种多元情况。第一，混合物中的每个纳米微粒对于特定分析物而被敏化。第二，单个纳米微粒对于多种分析物而被敏化。

在一种实施方案中，自动空气监测系统包括：允许样品与空气一起进入的入口、汇集样品材料并将它浓缩成液体形式(称作原始样品)的收集器、以及流体学系统。该流体学系统例如在容器中容置原始样品，并且例如经由使用泵例如蠕动泵的出口管提供对原始样品的一致计量。计量的样品与可能在例如通过泵经由出口从储存器汲取的水中的所选纳米微粒混合。一旦反应发生，流体学系统就将样品例如经由泵驱动的管路移动到磁共振系统的样品区以供测量。作为选择，样品混合和处理可以在该磁共振系统中发生。该流体学系统可以包括用于细胞溶解的装置，其中该流体学系统可以溶解或分裂样品中的细胞或病毒以释放目标细胞的蛋白质、RNA或DNA。该流体学系统也可以具有嵌入的温度控制以加速结合事件。该流体学系统也可以具有整体系统清洁溶剂以消除污染。清洁溶剂或清洗剂可以从储存器汲取并且泵抽通过将样品递送至样品区的管路。该流体学系统也允许正和负对照物测试以保证整个系统是工作的且使用校准标准执行校准测试。

在一种实施方案中，使用蛰合物代替纳米微粒产生不同的磁场区域并结合到分析物。使用蛰合离子的优点在于，它允许更快地扩散通过液体介质从而加速受扩散限制的过程。另一方面，使用纳米微粒，可以调节亲和性分子以选择期望的分析物，然而蛰合物仅以特殊的分子形式出现。与蛰合物相比较，纳米微粒具有更多区域以附着亲和性分子。纳米微粒可以装饰有结合到分析物、炸药和化学制品的蛰合物。

在一个方面，由顺磁核心或蛰合物或者其他磁结构所产生的第二磁场区域具有与分析物的大小相当的大小，使得所结合的分析物刚好填充该第二磁场区域，将液体从该区域排除，从而提供最高的信号和最高的灵敏度。例如，当分析物是相对小的分子例如炸药蒸汽分子或化学武器分子时，那么该第二磁场区域的大小优选地选择为1-10nm的范围。为了检测较大的分析物，例如毒素或DNA或病毒微粒，那么该第二磁场区域的大小将是10-100nm。当分析物是更大物体例如细菌时，该第二磁场区域的大小根据需要可以是100-1000nm或更大，以匹配分析物。

所述纳米微粒可以包括提供光学签名的结构。例如，荧光染料或中心可以附着到或包含在纳米微粒中，并且可以暴露于具有足够能量的光子以激励荧光，引起具有不同于(通常低于)激励光子的能量的荧光光子的发射。激励和荧光光子可以在紫外、可见光或红外范围内。对荧光光子的检测提供对纳米微粒浓度的测量。另外，当分析物结合到纳米微粒时，可以修改结构，并且这种行为可在导致荧光中引起以可检测的变化例如荧光光子的强度或能量的变化。独立于磁共振测量，该变化的检测将提供指示，即分析物结合已经发生从而分析物在样品中存在。

本发明的其他特征和优点将从下面的详细描述、权利要求和附图中显而易见。

附图说明

本发明的细节，关于它的结构和操作，可以通过学习附图部分地获得，在附图中，类似的参考标号是指类似的部分，其中：

图1是显示外加磁场和纳米微粒周围的第二磁场的对纳米微粒的示意表示。

图2是图1的纳米微粒周围的净磁场的图。

图3是纳米微粒周围的磁场梯度大小的绘图。

图4是沿着微粒的轴的磁场梯度大小的绘图。

图5是磁共振系统的功能框图。

图6a-d是天线的四种配置的表示。

图7是磁体的一种实施方案的示意表示。

图8是缓冲振荡器的电路图。

图9是具有一个控制器和多个传感器单元的安装的示意说明。

图10显示HVAC监测系统的示意图。

图11a-e描绘固定安装系统和三个收集器入口的实施方案。

图12是手持便携式系统的正面透视图。

图13是适用于医疗诊断应用的系统的框图。

具体实施方式

在阅读该描述之后，本领域技术人员将显然知道如何在各种可选实施方案和可选应用中实现本发明。但是，虽然将在这里描述本发明的各种实施方案，但是应当理解，这些实施方案仅以实例的方式而不是以限制的方式呈现。同样地，对各种可选实施方案的该详细描述不应当被解释为限制如所附权利要求中所陈述的本发明的范围或宽度。

磁共振

这里提供对在某些实施方案中使用的技术要素的简要概述。分析物或目标分子包含在介质中，优选地包含在液体例如水中，该介质包含具有非零自旋的原子核例如氢。如众所周知的(参见例如一维和二维液相NMR中的脉冲法，Wallace S.Brey，学术出版社，1988)，这种原子核的磁分量在磁场中极化或空间定向，并且可以引起以由下面给出的频率的磁共振进动：

f_Larmor＝γB/2π，

其中B是原子核位置的磁场强度，γ是原子核的磁旋比，并且f_Larmor是共振频率或拉莫尔频率(对于氢原子核，γ＝2.675×10⁸Tesla^-1sec^-1)。原子核的磁分量或磁矩是矢量，并且相加得到作为结果的总磁化矢量，该总磁化矢量由NMR波谱仪所测量的NMR信号。

在例如用于记录NMR信号的扰动(参见下面)之后，总磁化矢量随着时间的流逝恢复到它的原始稳态；该过程称作原子核磁弛豫。就单指数过程而言使用两个基本时间常数描述该弛豫。沿着第一磁场方向的总磁化的恢复由用T1表示的自旋点阵弛豫时间或纵向弛豫时间描述。典型地，T1是毫秒至秒级。在与第一磁场方向垂直的平面中总磁化的单指数衰减由用T2表示的自旋-自旋弛豫时间或横向弛豫时间来描述。对于液体信号，T2通常在100毫秒或更多的范围内。另一方面，固体样品通常具有1-100微秒范围内的T2值。

通过将一个或多个RF(射频)能量脉冲施加到样品并且测量由脉冲所引起重新定向的总磁化来执行磁共振测量。RF脉冲具有等于拉莫尔频率的频率、以及足够使得总磁化矢量重新定向到与第一磁场垂直的平面中的持续时间，其中可以随着时间的流逝而记录总磁化矢量(NMR信号)。因此，RF脉冲通常是90度的倍数。

自旋-自旋弛豫典型地由一系列脉冲产生自旋回波信号而测量。自旋回波由90度脉冲，继之以小延迟时间(通常，表示为τ)。继之以180度脉冲而产生(90°-τ-180°)。在记录总磁化之前，使用在时间上与第一完全相同的第二τ。RF脉冲序列和时间延迟用来首先在第一τ期间在与第一磁场垂直的平面中散相包括总磁化的原子核磁矩，并且在第二τ期间在该平面中重新聚焦剩余的总磁化。该后者重新聚焦产生可以被记录的回波信号。测量自旋-自旋弛豫的最常见方法是最初由Carr和Purcell描述的方法(Carr，H.Y.和Purcell，E.M.：Effects of Diffusion on Free Precession in NuclearMagnetic Resonance Experiments(核磁共振实验中扩散对自由进动的影响)，Physical Review 94，no.3(1954)：630-638)，对早期由Meiboom和Gill描述的方法的修改(Meiboom，S.和Gill，D.：Modified Spin-Echo Method for Measuring Nuclear Relaxation Times(用于测量原子核弛豫时间的修改的自旋-回波法)，The Reviewof Scientific Instruments 29，no.8(1958)：688-691)。Carr-Purcell修改的Meiboom-Gill(CPMG)方法在上述初始的90°-τ-180°序列之后使用一系列小时间延迟，继之以180度脉冲。这又继之以作为结果的总磁化矢量[90_x°-(τ-180_y°-τ-记录)_n]。自旋回波信号的振幅与回波时剩余的总磁化成比例，其随着序列数目的增加(随着n的值增加)而连续地变得小。因此，在各种n值之后测量总磁化矢量的振幅并且使用T2作为弛豫时间将数据拟合到单指数衰减提供对T2的直接测量。

顺磁纳米微粒场

在优选实施方案中，使用纳米微粒影响纳米微粒附近的区域中的磁场。当外部磁场施加到它时，纳米微粒的顺磁或超顺磁核心被磁化。超顺磁性与磁化体的尺寸太小以至于不能形成磁畴的铁磁性有关。超顺磁核心表现出比得上铁的高磁导性和相当高的饱和场，但是很少或没有滞后现象(H_c～0)。当置于磁场中时，核心与外加磁场方向平行地被强磁化。当去除外部磁场时，核心基本上丧失它的全部磁化。忽略各向异性和形状影响，所感生的核心磁矩由下面给出：

m_core＝(4π/3)(r_core ³)(χB₀)

其中m_core是核心的偶极矩，r_core是它的半径，B₀是外加磁场，以及χ是磁化率。通常，对于无磁性材料χ≈0，对于超顺磁材料，当B₀低于饱和场时χ＞≈1，对于大于饱和度的B₀，1≤χ≤0。例如，磁铁矿(Fe₃O₄)是对于低于大约0.5特斯拉的饱和场的磁化率大约为1的超顺磁性。

磁化核心产生通常近似偶极场的磁场，或者由位于纳米微粒的顺磁核心中心的理想磁性偶极子产生的磁场。在纳米微粒核心外部的位置，偶极磁场如下确定参数：

B_r＝2m_corecosθ/r³

B_θ＝-m_coresinθ/r³

这里，B_r是偶极场的径向分量，B_θ是周向分量，r是与核心中心相隔的距离，θ是相对于外加磁场的极角，并且m_core是偶极矩。

偶极场线性地添加到外加磁场(作为矢量)，产生净磁场。拉莫尔频率由极化原子核经历的净磁场确定。与外加磁场垂直的偶极场的分量主要引起场旋转，然而与外加磁场平行的偶极分量直接改变净磁场的大小，因此改变拉莫尔频率，相对于无畸变的外加磁场。忽略二阶项，对于r＞＞r_core的净磁场B_net如下：

B_net＝B₀(1+4π/3(r_core/r)³χ(2cos²θ-sin²θ))

在一些实施方案中，净磁场的梯度大小也是重要的。磁场梯度由下面给出：

B_net＝B₀χ8π(r_core ³/r⁴)(-{r}cos²θ+{θ}cosθ sinθ)其中大括号表示r或θ方向上的单位矢量。

液体中的扩散

一些实施方案包括液体介质。液体包含分析物和发射磁共振信号的原子核。那些信号受扩散影响，特别是液体分子通过液体的扩散，或者分子自扩散。扩散如下用公式表示：

σ_walk＝(2 D_molec t)^1/2

其中σ_walk是时间t中在各向同性三维随机移动中所行进的平均距离，并且D_molec是平移扩散系数。例如，对于室温下的水，D_molec＝1.5×10^-9m²/s。

磁共振测量也受自旋扩散、原子核的自旋或极化与相同类型的附近原子核的自旋或极化互换的现象的影响。自旋扩散可以遍及样品分布自旋相关效应，例如去极化。例如，如果水中的小部分氢原子核受去极化力，则自旋扩散可以使得样品中的所有氢都采用平均的极化值。

一种模型

该模型满足纳米微粒和溶剂之间的自旋相关相互作用，并且提供量化所观察到的T2效应的有用框架。该模型在一些实施方案中用作测量和检测分析物的基础。假设简化的纳米微粒包括由无磁性材料的球形外壳包围的超顺磁材料的球形核心，全部在水中。但是，可以应用或修改该模型以与其他形状的纳米微粒一起使用，或者与其他溶剂一起使用。该模型提出对所观察的T2变化的下面机制：

(1)溶液中的纳米微粒相对于淡水减小T2。该模型提出去极化是由于由磁化核心产生的偶极磁场引起的。磁场畸变使得自旋以不同频率进动，从而导致破坏性的干扰。虽然CPMG通常重新聚焦静态磁场非均匀效应，但是水分子的布朗运动使得它们在比回波间隔短的时间内进入并退出磁场畸变，从而使得自旋扩散时间相关并且破坏CPMG重新聚焦效应。

(2)当纳米微粒与分析物反应，但是没有凝聚时，T2增加。这可能是由于分析物分子占据纳米微粒周围的畸变磁场区域的部分，从而将水从该区域排除，从而减少自旋扩散并增加T2。

(3)当纳米微粒和分析物凝聚时，T2减小。这可能是由于充满水的笼形结构的形成，其中水分子经历与周围纳米微粒的重复自旋-分散碰撞。充分重复地增加去极化将减小T2，尽管分析物阻塞非均匀磁场区域的部分。

(4)单指数通常拟合极化衰减曲线。这不管当一般溶剂仅看到均匀磁场、双群系时，纳米微粒附近的氢强散相的事实。但是，通过经由同核触发相互作用的自旋扩散，自旋群体快速地遍及样品而均衡，从而导致单一平均的T2。

在由箭头110所示的外加磁场存在的情况下，模型纳米微粒在图1中以横截面的形式示出。纳米微粒包括优选地顺磁，更优地超顺磁的可磁化核心112。纳米微粒的感生局部偶极形磁场由虚线表示。核心的半径应当足够大以在足够大的区域中产生显著磁场畸变，从而产生该区域中液体的T2的变化。核心的半径应当足够小使得核心不会变成铁磁性。典型地，核心半径为大约1-20nm。期望的核心性质包括外加磁场强度时的高磁化率、优选地超过外加磁场强度的高饱和场、与液体介质的化学兼容性以及非常低的残留场。最后的特征是期望防止纳米微粒因磁性吸引而凝结在一起。核心材料可以是任何可磁化材料例如铁氧化物、钴以及镍化合物。如果使用铁核心，则纳米微粒可以是无毒且可降解的。核心由无磁性材料例如右旋糖苷或二氧化硅的一个或多个外壳114覆盖。二氧化硅涂层是稳定且坚固的，并且可以避免冷冻的需求。可以考虑其他聚合物涂层例如聚苯乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇。

纳米微粒周围的位置(r，θ)处的净磁场相对于均匀磁场具有正负变化。这在图2的图中显示。

虽然CPMG程序重新聚焦静态磁场非均匀性，但是，从一个磁场区域移动到另一个的那些水分子，在重新聚焦脉冲间的时间中，不会重新聚焦并且产生T2效应。因此，T2变化与净磁场的梯度有关。

为了考虑具体的实例，核心是Fe₃O₄，具有4-8nm的直径，并且微粒的剩余部分是外壳，具有整体50nm的直径。磁化率和饱和场依赖于组成、晶体结构和核心直径。饱和场的值在0.2至0.5T的范围变化，并且磁化率在0.2至2的范围变化。数值模拟使用0.5T饱和度和0.5磁化率而准备。该纳米微粒附近的净磁场在图2中显示。看到微粒两“极”处的强磁场增强，相对于“赤道”周围的磁场减小。外壳内的磁场不受关注并且不计算；它绘制为B₀。

磁场梯度在图3和4中显示。图3是纳米微粒周围的磁场梯度大小的绘图。图4是沿着微粒的轴的磁场梯度大小的图。再次，不分析微粒内部的磁场。

对于T_Echo＝4毫秒的回波间隔，平均移动距离是大约3.5微米。这比畸变磁场区域的长度级别大得多；因此，假设水分子在重新聚焦脉冲之间具有足够的时间进入和退出畸变磁场区域是安全的。

由水分子经过畸变磁场区域所产生的自旋散相可以如下估计。瞬时进动频率与水分子位置的净磁场成比例。为了简化，我们假设分子在一个回波间隔期间随机移动通过一个纳米微粒的畸变磁场区域，在仅具有B₀的外加磁场的主要溶剂中开始和结束。虽然分子位于畸变磁场内，但是与溶剂的剩余部分相比较，它累积额外的进动。然后因B₀磁场引起的相位提前像通常一样由180脉冲重新聚焦，但是来自在畸变磁场中花费的时间的额外进动相位将不会重新聚焦。因磁场畸变的横越而引起的未重新聚焦的相位递增是微粒所经历的磁场减去主要溶剂中的磁场的积分：

d_phase＝∫γ(B_net(r)-B₀)dt

其中d_phase是经过B_net(这里空间的显函数)的氢与保留在均匀磁场B₀中的氢之间的累积相位差，γ再次是拉莫尔系数，并且在重新聚焦脉冲之间的时间上进行积分。为了获得相移的粗略估计，先前的方程式可以通过假设分子驻留在恒定磁场中长达扩散通过畸变磁场区域所需的时间而简化，得到下面的近似：

d_phase＝[x_dis ²/(2 D_molec)][B_net-B₀]γ

使用上面讨论的纳米微粒大小和磁场假设，净磁场典型地偏离外加磁场20mT。该磁场中的自旋将比在主要溶剂中进动快大约850 kHz。该畸变的典型长度级别是x_dis＝20nm。扩散20nm所需的时间是133纳秒。在该时间期间，自旋进动额外的d_phase＝0.1弧度。这代表由单个分子横越在单个回波间隔中引起的基本散相，如果不由CPMG重新聚焦，这将导致短的T2。在样品中，许多水分子将与非均匀磁场连续地相互作用，并且每个分子将依赖于具体路径经历正或负的相移。总体地，额外的自旋分散引起破坏性的干扰和整体的去极化。

水中的自旋扩散系数依赖于温度和其他因素在D_spin≈10^-15至10^-16m²/s的范围内。虽然自旋扩散比分子扩散慢，在几毫秒中在许多水分子之间传播去极化是足够的。有趣地，固态自旋扩散速率趋向于高得多，大约10^-9m²/s的量级与自由水中的分子扩散相当。如果外壳表现出快速的自旋扩散，则它可以用作在接触纳米微粒表面的全部水分子之间分布极化的导管。

几个实验已经证明20-200毫秒的T2增加。该模型提出这是因为阻塞纳米微粒表面的分析物分子的缘故，从而有效地防止水分子采样纳米微粒表面处的畸变磁场区域。

当分析物分子附着到纳米微粒表面时，表面的一部分被阻塞。全局去极化速率降低并且T2增加。衰减速率的变化粗略地与由分析物占据的畸变磁场体积的部分成比例。如果附着有多个分析物分子，则它们都将平均地有助于类似的T2变化。如果分析物仅花费其时间的一部分覆盖纳米微粒的表面，那么T2成比例地改变级别。

 T2的减小也可以通过改变纳米微粒与抗体的比例而观察到。这里抗体用作到分析物的连接的实例。这定义为化学计量控制。依赖于分析物的检测级别，可以调节化学计量以允许分析物的快速检测。

可以调节反应物和处理条件以导致T2减小。纳米微粒和分析物的扩展聚集体的形成与这种T2减小相关联。该模型假设聚集体是水分子可以容易地通过的敞开的笼形结构。这没有在早期的研究中解释。在一种实施方案中，自旋信息在凝聚物结构内外快速地扩散，使得在笼形结构内部发生的去极化遍及样品而均衡。

该模型提出凝聚物的T2减小是因为当笼形结构内的水分子重复地遇到去极化场时的重复散相。这种重复散相表示比自由液体中隔离的纳米微粒更有效的极化降低，因为笼内的水分子保持在许多纳米微粒表面附近。虽然纳米微粒的畸变磁场体积的部分被分析物阻塞，但是水分子可以花费其大部分时间采样与主磁场不同的磁场，从而在与回波间隔相比较的短时间内变得完全散相。然后，通过与包括凝聚物外部那些的邻近分子交换极化，均匀地减小T2。

该模型具有效用，因为它产生执行与样品中的分析物相关的测量的新测量和新方法。该模型解释分析物与纳米微粒的相互作用如何产生T2的增加和减小，并且提出通过调节反应物浓度控制效果的方法。注意，检测速度是许多应用的关键参数，该模型提出因分析物-纳米微粒结合的T2增加方法将比因聚集的T2减小更快地提供信号，因为结合必须在凝聚之前发生。该模型也指导使用更高磁化率核心材料和更薄无磁性外壳的对更灵敏纳米微粒的研制。该模型也产生消除系统误差的步骤，例如在混合之前分别测量纳米微粒溶液和样品的T2，以更好地量化因结合引起的任何T2变化。该模型也解释热效应和扩散效应如何参与，并且可以用来加速检测或确认分析物反应。该模型也指导通过量化信号和噪声对比样品大小和其他设计参数而研制采用本发明方法的产品。

方法描述

在一种实施方案中，一种检测一种或多种分析物的方法包括：制备可能包含分析物和其他材料的液体样品混合物；将第一磁场施加到液体；在液体的特殊区域中准备第二不同磁场；如果存在的话，将分析物保持在特殊区域内(例如，通过提供保持分析物、保证粘结剂与特殊区域相邻并允许分析物与粘结剂相互作用的装置)；当分析物保持在特殊区域内时，激励来自混合物的磁共振信号；分析信号以确定分析物是否占据特殊区域；以及然后当信号指示液体从特殊区域中被移开时得出该分析物存在的结论。

在一种实施方案中，制备液体样品混合物包括包含原子核具有非零自旋的原子的液体的使用。原子可能是液体的固有部分，或者它们可以作为溶质添加。制备液体样品的步骤可以包括混合或搅拌以保证分析物到达纳米微粒。混合可以用许多种方法实现，包括通过使用泵驱动样品流体通过回旋管路，并且这种运动可以是单向或反复的以产生期望级别的混合。作为选择，纳米微粒和分析物可以包含在相同类型的液体中，使得当纳米微粒和分析物位于相同容器中时，它们自发混合而不需要物理搅拌。例如，纳米微粒和样品材料可以溶解在水中，然后在测量容器中通过扩散而混合。无辅助的混合也可以通过使用对于各种成分的高可混合溶剂例如酒精和水实现。

该方法也可以包括温度循环，其中样品可以在固定的位置加热或冷却，或者样品可以在维持于高温或低温的位置之间移动。该方法可以包括在这种温度变化之前、期间或之后进行测量。例如，T2的测量可以在混合样品时即刻进行，并且在一段时间的加热和冷却之后当样品变成均衡温度时再次执行。在热处理之前和之后的T2值的比较将揭示在热处理期间发生的反应，例如分析物结合到纳米微粒。

该方法可以包括改变样品的温度然后测量T2参数的步骤。温度影响纳米微粒相互作用和磁共振测量。分析物与纳米微粒上的亲和性分子之间的选择性结合可以通过升高温度而加速，特别是对于受扩散限制的反应。因此，这种方法可以包括：在第一温度下，优选地在当进行测量时分析物不会与纳米微粒反应的足够低的温度下测量液体中纳米微粒与未知物的混合物的T2。该方法于是包括加热样品到充分促进分析物-纳米微粒反应的第二温度的步骤。该方法可以包括在第二温度测量T2以观察结合的效应。该方法可以包括另一个温度变化，例如返回到第一温度，以及另一个T2测量以确认在各种温度变化之后样品的T2不同于温度变化之前样品的T2。上述步骤提供许多优点，包括对于干扰物的改进鉴别、T2变化是因为分析物特异性结合的证明、以及仪器误差的检查。

该方法可以包括加热样品到足够破坏分析物-纳米微粒聚集体的温度，从而产生分析物-纳米微粒双体的溶液，具有相应的T2变化。温度可以进一步升高，直到分析物与纳米微粒解除结合，从而将分析物释放回到溶液中并引起另一个T2变化。然后温度可以降低，直到结合或聚集恢复，且T2相应返回到较早值。T2对比温度的该行为将强有利地鉴别干扰物或仪器误差，并且将确认分析物的存在。

该方法可以包括在与纳米微粒混合之前测量样品材料的T2的步骤。这将揭示引起T2偏移的样品材料，例如高粘度溶液或样品中的蛰合铁。当样品材料仅引起小的T2偏移时，测量可以像通常一样进行，但是在分析中，处理的样品的T2可以与在原始样品中初始观察到的T2相比较以确定分析物是否存在。当样品产生大的T2偏移时，可能有利的是，稀释样品直到它的作用足够低以至于允许磁共振测量。然后可以如描述地检测稀释样品中的分析物。当样品产生如此大的T2偏移以至于禁止磁共振测量时，本发明可以将该样品标记为不可测试，从而避免假警报，或者它可以存档样品以供进一步的分析。

该方法可以包括以特定的方式准备磁场。可以通过首先产生具有允许磁共振测量的足够强度的基本上均匀的第一磁场，然后局部地干扰该磁场以在特殊区域中产生不同于第一磁场的第二磁场来准备磁场。当特殊区域外部的液体的磁共振信号受特殊区域内部的液体的信号影响并与其区别时，第二磁场不同于第一磁场。例如，第二磁场可以通过在液体中混合或溶解顺磁微粒例如上面描述的那些纳米微粒而产生。纳米微粒然后在纳米微粒外部附近的区域中自发地产生第二磁场，作为纳米微粒被第一磁场磁化的结果。作为选择，可以使用顺磁离子例如蛰合铁或钆代替纳米微粒。该方法的优点在于受扩散限制的反应速率可以因金属离子蛰合物的更高迁移率而增加。类似的离子在MRI成像中使用(Gd-DTPA和Gd-DOTA)。

将分析物保持在特殊区域内可以通过反应或结合或者吸引分析物到分析物对其具有特殊亲和性的材料表面或分子来实现。这种保持可以由氢键、离子力、共价键、范德瓦耳斯力、静电力或者任何其他类型的分子或材料附着而实现。例如，保持机制可以是相对于分析物蛋白质出现的抗体，或者与分析物DNA序列互补的DNA，并且可以包括分析物对其具有亲和性的任何材料表面或分子。优选地，保持机制也可以对于除了可能存在的分析物之外的所有溶质不具有亲和性或具有负亲和性。优选地，保持机制固定在特殊区域附近，使得分析物将保持在特殊区域内。例如，当特殊区域在纳米微粒外部时，对分析物的抗体，或者上述其他保持机制可以附着到纳米微粒的表面，使得分析物将保持在该区域内的纳米微粒附近并且液体将被排除。可选地，纳米微粒可以包括多个抗体、或互补DNA或者其他粘结剂，以便与许多不同但是所选的分析物相互作用。例如，纳米微粒可以装饰有炭疽的互补DNA、蓖麻蛋白的抗体以及天花的互补DNA序列，从而能够检测单个混合物中这些分析物的任何一种。

确定分析物是否占据特殊区域的磁共振测量和分析可以包括通过波谱分析来分析磁共振信号以寻找特殊区域的频率分量特性。如果存在的话，该频率分量指示液体在特殊区域中，因此分析物不存在。作为选择，该步骤可以包括应用CPMG程序，并且分析信号以确定液体的T2。T2分布可以是单指数分量，或者它可以包括许多分量，这取决于自旋扩散速率。但是，在任何一种情况下，比基准情况(具有纳米微粒但是不具有分析物的液体)的T2长的T2指示分析物的存在。

该方法的变体包括形成包含多个分析物实体的聚集体。然后，T2的减小(与基准相比较)指示分析物的存在。例如，当纳米微粒和分析物分子都具有多个附着点时，具有附着机制的纳米微粒与分析物分子的聚集体可以形成。因为聚集导致T2的减小，然而分析物到纳米微粒的结合导致T2的增加，所以预先校准信号使得提前知道T2变化的期望符号是重要的。可以调节纳米微粒化学计量，以防止凝聚或者依赖于使用的测量过程而引起凝聚。

在一种实施方案中，分析物使得纳米微粒形成扩展聚合体。使用膜滤器将那些聚合体与液体介质分离。该膜滤器的孔径大小优选地大于纳米微粒或分析物的大小，但是小于聚合体。当凝聚的样品被过滤时，滤出液具有减小浓度的纳米微粒和分析物，其因此极大地浓缩为滤饼。当期望二次分析装置例如确认微生物的检测时，滤饼用于该二次分析。类似地，滤出液可以使用本发明的系统重新测量作为另外的检查，因为当大部分纳米微粒已经被滤出时，滤出液的T2应当比初始纳米微粒溶液长得多。

该方法可以包括测量标准的T2值的步骤。这里，标准是具有已知T2的任何材料。优选地，标准的T2在时间方面不变化并且从先前的校准测量中已知。例如，标准可以是调节浓度以提供特定T2值的纳米微粒或硫酸铜溶液。标准能够检测和校正仪器漂移。标准可以是不是溶液的液体，例如选择具有期望范围内的T2的油。可以安排标准以具有与不存在分析物的样品基本上相等的T2，在该情况下，这称作负比较器。标准可以具有与由分析物所产生的T2接近的T2，这称作正比较器。该方法可以包括使用不同的T2值测量多个标准的T2。

该方法可以包括测试正和/或负对照物的步骤。正对照物(positive control)可以是良性分析物，例如与对其敏化的纳米微粒一起的枯草杆菌。正对照物可以在任何时间分析，并且应当以与威胁分析物相同的方法检测。优选地，由正对照物产生的T2变化从先前的校准中已知，并且测试正对照物应当总是产生期望的T2变化，并且这样执行的失败将揭示系统中的故障。负对照物(negative control)是与对某些其他材料敏化的纳米微粒一起的良性分析物，例如与对炭疽敏化的纳米微粒结合的枯草杆菌。负对照物应当决不会产生T2变化，因为分析物和纳米微粒不匹配。如果负对照物产生T2变化，它将揭示系统的故障。执行正和负对照物的优点在于实际地测试整个样品收集、流控、样品处理和检测阶段。为了比较，在前一个段落中所讨论的正和负比较器标准仅测试系统的磁共振部分，而不测试样品处理阶段。

该方法可以包括产生样品T2的增加和减小的步骤。T2的增加或减小取决于纳米微粒的性质、其他反应物例如抗体的比例、以及其他处理参数。因此样品可以通过使用当分析物存在时产生T2增加的处理步骤对于T2增加而测试，然后相同样品可以通过添加产生T2减小的成分或处理步骤对于T2减小而测试。对增加和减小T2值的观察将增强分析的可靠性并减少假警报率。作为选择，可以处理从相同样品汲取的两个等分试样以在一个中产生T2增加而在另一个中产生减小。

干扰物是如果在样品中存在，则引起模拟目标分析物的T2变化的材料。大多数干扰物产生较短的T2，包括包含蛰合铁的材料以及引起液体粘度增加的材料。因此，分析物和干扰物的作用可以通过处理样品使得分析物将产生T2增加来区别。对于更大的分析物-干扰物鉴别，可以通过相同样品的顺序处理或者通过并行等分试样的比较安排T2的增加和减小。

该方法可以包括在样品材料添加到该混合物之前测量纳米微粒混合物的T2的步骤。该步骤的优点在于纳米微粒浓度或性质的任何错误将在使用样品材料之前揭示。如果纳米微粒溶液表现出不期望的T2值(例如因计量错误而引起的高或低纳米微粒浓度)，那么可以倾倒纳米微粒溶液并且可以制备新的纳米微粒溶液。如果纳米微粒溶液表现出接近期望值的T2值，那么可以使用纳米微粒溶液。优选地，然后在相对于混合和反应后样品的T2的比较分析中使用T2的测量值，从而消除因纳米微粒浓度引起的误差，从而提高可再现性。

该方法可以包括下述步骤：液体中混合样品材料和纳米微粒，然后测量混合物的T2，然后促进分析物和纳米微粒之间的反应，然后在这种反应之后测量T2的步骤。例如，可以摇动或加热样品以促进反应。同时的混合和加热可以用来加速反应。在反应之前和之后的混合物的T2的比较揭示分析物。这些步骤的优点在于样品和纳米微粒的体积中的任何误差可以被检测并消除。

在一种实施方案中，通常不需要危险的化学制品。例如，可以仅使用水、盐、纳米微粒和无害蛋白质反应物例如抗体测试分析物。

系统描述

现在将参考图5描述可以实施或实现上述测量或检测技术的系统的一种实施方案，该图5是通常指示为500的磁共振系统的功能框图。该系统包括磁体或磁体系统512。在一种实施方案中，磁体512是配置成在1ml的样品区域或体积514中产生具有0.01％均匀性的0.5特斯拉磁场的永久磁体。作为选择，磁体系统可以包括电磁体、超导线圈或者磁场的任何其他源。线圈或天线516位于样品体积附近。在一种实施方案中，线圈环绕样品体积514。脉冲发生器518连接到线圈516以期望的拉莫尔频率提供电磁脉冲到样品体积514。放大器519可以位于脉冲发生器和天线之间以放大来自脉冲发生器的信号。接收器520也连接到线圈516以便接收由线圈拾取的信号。前置放大器512可以位于接收器和天线之间以放大天线信号。接收器520将接收的信号转换成数字形式。控制器522与脉冲发生器518和接收器520通信。控制器控制接收器和脉冲发生器的操作。控制器也接收在它们已经转换成数字形式之后由接收器接收的信号。控制器522可以是设计成执行这里描述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、离散栅极或晶体管逻辑、离散硬件组件或其任何组合。作为选择，控制器、脉冲发生器、接收器和用户接口的功能可以组合成单个单元例如ASIC或FPGA，或者集成这种电路的板。用户接口系统524与控制器522连接。用户接口系统524提供在用户和系统500之间相互作用的机制。接口系统可以包括例如显示器例如液晶屏、指示灯、按键板、鼠标、音频扬声器、麦克风、开关或触摸屏。

RF线圈可以制作得足够小以询问微升大小样品体积的体积或者足够大以容纳多升样品。这是可伸缩的系统。图6a-d是天线的四种配置的表示，每个都以透视图显示。在图的部分a中，显示具有沿着线圈长度恒定的缠绕密度的螺管线圈。样品位于线圈内部以供测量。线圈用作将RF能量耦合到样品原子核中以及将来自原子核的磁共振信号耦合出到系统的剩余部分的天线。

在图的部分b中，显示具有变化的缠绕密度的螺管线圈。缠绕密度在线圈的端部比中间高。使用变化缠绕密度的优点在于由线圈产生的RF磁场可以比由具有恒定缠绕密度的相同大小的线圈产生的磁场更均匀。

在图的部分c中，显示两圈单面线圈。该配置的优点在于细长容器例如管子可以插入和移除，而不断开线圈或管子的连接。

在图的部分d中，显示四圈协作产生横向RF磁场的线圈配置。细长样品可以插入而不断开线圈或管子的连接。

系统的具体用户接口和输出与应用高度相关的，但是典型地将包括依赖于分析物检测的信息的发送。例如，这种通信可以包括记录或归档测试结果、显示威胁警报消息、点亮警报或信号灯或者激发声音警报。通信数据还包括发送信号到其他设备，例如响应所选分析物的检测而自动切断HVAC系统或隔离测试样品。经由用户接口的通信可以包括响应分析物测试结果发送数据或命令的电子、光学、红外线、无线电、微波、机械或声音装置或者任何其他装置。另外，用户接口可以包括与控制器通信的远程通信接口例如网络接口卡和无线访问卡。这些可以允许操作员或其他设备与该系统通信，传递命令或取回数据或传送警报。通信可以包括通过因特网、通过局域网或者通过直接电子或无线链路发送信息。

在一种实施方案中，系统配置在两个独立机壳中，一个具有磁体512、脉冲发生器518和接收器520。另一个机壳具有控制器522和用户接口524。这两个机壳通过电子通信链路例如电缆、无线链路或光纤链路交换信息例如命令和数据。在优选实施方案中，通信链路包括在每个机壳上使用标准USB连接的USB接口。

磁共振系统500可以通过经由线圈施加由脉冲发生器518产生的电磁脉冲例如射频(RF)脉冲，激励来自样品体积514中的水中的氢原子核的磁共振信号。该系统通过感生地拾取线圈516中的信号来检测来自水中的氢原子核的磁共振信号。接收器使用放大器、混合器和模拟数字转换器处理所接收的信号。

在一种实施方案中，系统500通过CPMG程序或技术在控制器522的控制下测量水的T2。该测量包括由脉冲发生器产生的90度RF脉冲，继之以2毫秒延迟，然后以4毫秒间隔的2000个180度脉冲的串。180度脉冲的相位与90度脉冲的相位正交。该程序以4毫秒的间隔产生自旋回波，其由接收器520接收。在一种实施方案中，控制器522执行确定并记录自旋回波的分析例程，执行获得波谱峰值的FFT分析，找到最大峰值，并且使用三个变量将峰值拟合到公式：指数的振幅和衰减时间，加上时间无关的背景。所观察到的T2值是最佳拟合指数衰减时间。

由控制器执行的分析包括对所观察到的T2值和先前校准或测量的T2值之间的比较。当样品的所观察到的T2值不同于不存在分析物的样品的T2值时，分析物由系统检测到。先前校准的T2值可以通过测量具有与用于分析物测量的相同浓度的纳米微粒的水溶液而确定。水的T2受纳米微粒浓度所影响。T2也受分析物结合到纳米微粒并占据纳米微粒周围的高梯度区域所影响。在优选实施方案中，纳米微粒浓度由溶液的公式控制。不具有分析物、以及具有各种浓度的分析物的溶液的T2值也由先前的校准而已知。

在一种实施方案中，纳米微粒溶解或悬浮在水介质中。纳米微粒具有由直径为50nm的外壳包围的直径为8nm的超顺磁磁心。专用于分析物的抗体分子(或这里描述的其他结合或吸引机制)结合到外壳。当纳米微粒在样品514中时，核心由磁体512所施加的磁场磁化，产生添加到外加磁场的局部偶极场。在从纳米微粒的表面径向延伸到距离表面大约20nm处的区域内，作为结果的净磁场包括高达0.1 T/nm的空间梯度。水中大约1∶10000的低浓度的纳米微粒对于检测和测量用途最有效。这导致每个测试的纳米微粒的非常少的消耗。在一种实施方案中，为此目的，磁共振系统500的磁体512使用永久磁体。永久磁体不需要功率，可以制造为任意小型，并且经济。大多数现有磁共振系统使用电磁体或超导线圈产生磁场。任意地减小电磁体或超导磁体的大小是不可行的。如果电磁体的尺寸减小，磁场成比例地缩减。如果磁场保持恒定，那么电磁体线圈中的电流密度必须增加。电流密度因基础限制即铜的导电率而不能任意地增加。在某个电流密度限制大约100 amps/cm²之上，线圈必须用水冷却。在第二限制大约200amps/cm²之上，线圈自毁。小型、高磁场、稳态铜线圈是不可行的。

类似地，任意地减小超导磁体的尺寸也是不可行的。超导线圈可以比非超导线圈制造得更小且更强有力，并且可以承载高的电流密度。但是，超导线圈必须由真空隔离的致冷器环绕，通常具有维持在不同冷冻温度下的多个外壳。而且，多个外壳由支柱机械地热互连。由于支撑元件的导热率，将致冷器制得任意薄是不可能的。致冷器限制超导磁体中可行的最小化。

永久磁体没有这些缺陷。使用永久磁体的给定磁体设计将精确地缩放到任意大或小的尺寸，而没有改变几何结构或磁场或磁场质量。唯一的基础限制是铁磁畴大小，大约1微米。通过设计永久磁体系统，磁体可以缩放到由样品体积、RF线圈性质或系统的其他参数确定的大小，而不是迫使其他参数遵守磁体级别。结果，小型化整个电磁系统是可行的。这导致改进在较小样品体积中的检测灵敏度、减小系统的传感器部分的成本和重量，以及减小所需的RF功率。

磁体512的一种实施方案在图7中以横截面的形式示意地示出。磁体包括框架710，例如中空钢架。在一种实施方案中，框架的高度H小于50cm并且可能小于5cm。宽度W也可以小于50cm并且也小于5cm。上永久圆盘磁体714和与该上永久磁体相对设置的下永久圆盘磁体716分别连接到框架的上部和框架的下部。例如，它们可以使用螺丝或螺栓机械地连接，和/或它们可以使用粘结剂连接。圆盘形上极片718位于上永久磁体的顶面上并且与位于下极片顶面上的圆盘形下极片720相对。在每个极片外围周围的是具有调节螺栓的八个带细螺纹的孔，这些孔可以改变以提高磁场的均匀性。磁体通过用螺栓将框架固定在一起，将永久磁体圆盘滑动到适当位置，将极片滑动到适当位置，然后填垫而装配。永久磁体圆盘非常强地吸引到钢架，并且极片非常强地吸引到永久磁体圆盘。各种接触元件之间的吸引以及所产生的摩擦提供保持装配在一起的机械稳定性。通过将夹子或粘结剂应用到磁体圆盘或极片，优选地不干扰磁场填垫或磁共振测量，可以获得进一步的稳定性。永久磁体组件上的力是强的并且有潜在的危险的。考虑到所涉及的强力，没有显示用来控制装配过程的夹具和工具。

填垫是调节磁体例如磁体512以产生必要均匀性的过程。如构建的，大多数磁体因制造公差而不能提供足够的均匀性。填垫包括测量磁场分布、调节磁体的固有参数，以及重复直到实现期望的均匀性。在一种实施方案中，利用集中于最重要的磁场参数，而不是提供大部分决不需要的参数的完备集的简单填垫设计。

首先，均衡两个永久磁体圆盘的磁化。基于所观察到的轴向梯度，一个或多个薄铁磁片因磁性吸引而圆周地围绕两个磁体中仅较强的一个而固定。薄片的数目和厚度的迭代调节产生轴向梯度的接近完美的消除。然后薄片可以由夹子或粘结剂固定。

然后，调节位于极片外围的小型螺栓的一个或多个，例如螺栓722。这些螺栓压在永久磁体圆盘上以根据需要轻微地摇动极片从而消除横向磁场梯度。可以根据所观察到的磁场的细节来调节极片的任何一个或两个。各种螺栓的最终调节产生横向梯度的接近完美的消除。

典型地，不需要改变极片的形状，但是它们可以拆卸，并且如果需要的话，可以修改它们的形状以实现期望的磁场。作为选择，极片之间的间距可以通过拧紧两个极片周围的所有螺栓而轻微地减小。这种调节在磁性上几乎等价于调节极片解除步骤的深度。

为了制造磁体部件，粉末状金属例如铁或钢可以放置在期望形状的模具内。然后在压力机中，施加压力和热量以产生最终的部件。虽然该技术仅可以制造小部件，但是可以实现批量制造。作为选择，机械加工可以用来制造各个部件。

可以设计极片以提供用于样品测试的最高磁场均匀性和磁场体积，具有间隙足够插入和调谐磁共振样品线圈的限制。设计限制包括极片中限制饱和度的最大磁场、实现目标磁场均匀性的最小数目的填垫参数，以及低成本商业永久磁体组件的使用，在可能的情况下。

永久磁体材料提供非常高的磁化密度，但是温度敏感。在可以调节到磁场的频率的应用中，磁场的热漂移不是问题。但是，对于精确的T2测量，稳定磁场是必要的。可以使用温度控制的外壳。在一种实施方案中，外壳可以使用泡沫隔离和一对补片加热器构建。热电偶传感器和控制器完成方案。

使用CPMG程序的T2的精确测定使用在至少自旋回波间距的时间级别上具有最小相位噪声的极其稳定的局部振荡器而增强。由于嘈杂的计算机电源线，非常高成本的晶体振荡器通常不提供足够的稳定性。足够的稳定性可以通过缓冲DC电源输入和RF时钟输出使用便宜的集成晶体振荡器而获得。这种布置在图8中示意地示出。在一种实施方案中，图8中所示的振荡器在图5的脉冲发生器518中使用。通常，DC(直流)电源输入通过串联地布线两个或多个稳压器而缓冲。图8中描绘的电路包括第一稳压器802(例如，接收+12V输入的8伏特调节器)。第二稳压器804接收第一稳压器的输出并且提供它的输出到振荡器806(例如，接收8伏特调节器的输出的5伏特调节器)。第三稳压器808(例如，5伏特调节器)也可以接收第一稳压器的输出并且可以提供它的输出到具有高速和高源极绝缘的数字逻辑门810，例如74F3037线路驱动器NAND(可以从飞利浦半导体和其他公司获得)。数字逻辑门810缓冲振荡器的输出。

磁共振系统500(图5)使用天线516与样品相互作用，该天线在操作中电磁耦合到样品的处理原子核。在一种实施方案中，线圈安装在模块化、可互换平台中以能够改变样品大小，在污染的情况下替换线圈，或者进行需要的其他更改。

天线可以封装在抗污染材料中。当将要测试带有多种疾病或毒素的多个样品时，污染是严重的问题。先前的天线难以清洁，因为它们在几何上高度回旋，并且包括不卫生的绝缘体和导体材料。天线的封装可以解决该问题。例如，天线可以是以中空圆筒形特氟龙形式嵌入的铜线圈，使得来自样品容器的任何污染将仅遇到特氟龙表面，决不会遇到实际导体。因为特氟龙不吸收且相对容易清洁，极大地减少污染问题。而且，封装的天线将比自由安装的线圈更稳定且机械粗糙。来自密封剂中的元素例如氘或氟的磁共振信号可以用来控制频率或磁场。

噪声、干扰信号、基准偏移量和其他背景作用的消除可以通过使用交替的各种RF相位多次执行磁共振测量而改进。这可以在控制器的控制下执行。例如，在RF脉冲期间激励可以在自旋的正和负相位旋转之间交替。在控制器的信号处理期间，接收振荡器的相位也可以旋转90度或其倍数。控制器中控制这些相位交替的分析软件也执行数字化数据的相应加法或减法以累积期望的信号同时消除背景。

可以给系统提供各种用户接口。例如，图5中描绘的系统500可以执行测量以检测所选的一种或多种分析物，并且如果检测到则发出警报来报告结果或者提供视觉指示或者经由用户接口524报告。在一种形式中，操作员将混合的样品插入到系统中并且按下用户接口上的单个按钮以启动控制器执行并分析样品的先前准备的一系列指令。如果搜索到多于一种分析物，则指令自动地指导对每种分析物敏化的纳米微粒的混合并且顺序地执行测量。在另一种形式的仪器中，机械或光学开关传感样品的插入到磁共振系统中，并且自动地启动测量序列。

在一种实施方案中，T2变化是分析物存在的主要指标。为了检查可能影响T2测量的漂移或错误，该系统可以比较样品的所测量的T2和具有先前测量的T2值的密封校准样品的T2。密封样品可以包含具有稳定T2的水、矿物油或其他液体中的硫酸铜以供比较。作为选择，可以周期性地测量密封校准样品。

可以使用将样品呈现给磁共振系统的多种机制。包括液体介质、分析物和纳米微粒的样品可以在容器例如玻璃NMR管、塑料管或瓶、一次性容器例如塑料Eppendorf管或瓶、或者其他合适的容器中混合。有利的聚合物是PEEK(聚醚醚酮)，这是由于它的稳定性、惰性和机械加工性的缘故。该容器可以涂敷有防止纳米微粒附着到墙壁、凝结或沉淀到混合物外部的材料。例如，涂层可以是蛋白质例如BSA(牛血清蛋白)。包含样品的容器可以手动地或者由机械供给器插入到磁共振系统中。作为选择，可以通过插入样品液体到容器中例如通过管路将样品或其成分泵入容器中而使用磁共振系统中的固定容器进行多个样品测量。在测量之后，使用泵、管路、阀门和相关的流体流动器件(fluid flow device)从固定容器汲取样品。清洗或冲洗步骤可以在样品之间执行。可以执行保存稀释水和纳米微粒的储存器的紫外线处理以防止细菌形成。作为选择，杀真菌剂例如叠氮化钠可以以痕量混合在稀释水中以防止水中细菌和藻类的生长。

在图9中示意描绘的一种实施方案中，多个传感器单元连接到单个控制器。例如，自动且位置固定的系统可以包括具有电源和脉冲发生器或发送器的一个中央控制器902，其由电缆连接到多个远程传感器头906a和b。虽然仅描绘两个传感器头，但是可以使用多个。每个头906包括一直具有所选纳米微粒的样品制备装置、磁共振磁体、前置放大器和线圈，例如结合图5所描述的。RF电源脉冲通过由控制器902控制的输出多路复用器908路由到传感器单元。来自传感器单元的信号通过同样由控制器控制的输入多路复用器912路由到接收器910。互连优选地由同轴电缆实现。作为选择，每个传感器单元可以包括RF放大器。当RF放大器位于传感器单元时，互连不需要带有高功率RF脉冲从而可以是无线、光纤或与同轴电缆一样的其他通信装置。图9中描绘的系统的元件以上述方式操作。

在一种实施方案中，可以从自由空气、HVAC尘土、内部空间例如商场、地铁列车或其他大量客运区域或者任何其他空气系统汲取悬浮在空气中的微粒物质以测试疾病或恐怖主义攻击。(HVAC代表加热、通风和空调。)收集优选地包括将微粒物质吸入系统中或者将来自空气的微粒浓缩成液体介质。图10显示这种监测系统的示意图。收集器1002可以位于待监控的管路或任何其他区域中，并且可以包括导流管(未示出)以排除尘土和昆虫。收集器1002可以包括吸引分析物或样品材料的静电浓缩器。流体学系统1004将来自收集器1002的样品传送到磁共振分析器或系统1006的样品区。磁共振系统1006可以是结合图5描述的系统。流体学系统1004可以包括自动微流体混合器以混合分析物和液体例如水介质、以及对于待检测的一种或多种分析物而配置的纳米微粒。纳米微粒和水的储存器1008也可以是流体系统的一部分。然后所混合的样品由流体系统传送到磁共振系统的样品区，在那里执行测量。在一种实施方案中，流体传送系统与混合器连通并且延伸到样品区。根据测量结果，样品可以倾倒到废物容器中，作为归档材料存储，或者发送到二次分析系统。废水可以通过过滤器循环而再次使用。

图11a-e描绘结合图10中描述的固定安装系统和三个收集器入口的实施方案。图11a是显示入口1102和显示器1104的系统的透视图而图11b是该系统的平面图。图10中描绘的其他元件包含在外壳中。图11c-e描绘用于系统的三个入口选择方案。一旦开始，控制器使得系统周期性地收集样品以供分析。系统也可以手动地操作。用户接口可以通过按钮或触摸屏提供。显示器1104可以显示操作状态。用户访问可以通过例如生物统计学识别例如指纹识别或密码控制。

图12是手持便携式系统的正面透视图。该系统可以用单个按键自动操作模式操作。样品可以经由瓶和管引入。容器1202中的样品可以通过位于顶部的插孔或开口1204引入到系统中。在系统内部，流体系统将以上面结合图10所描述的方式处理混合并移动到NMR系统中的样品。用户接口1206在显示屏上可以包括“生物危害”和“安全”的点亮区。为了开始操作，开始按钮提供在触摸屏上。系统操作的状态在屏幕上指示。

现在将参考图13描绘为了医疗诊断的目的可以实施或实现上述测量或检测技术的系统的一种实施方案，图13是自动样品测试系统的功能框图。对于临床应用，样品包括来自患者的材料的样本。材料可以包括：活的或死的细胞材料，例如皮肤、血液、蛋白感染素、骨髓、头发、活组织检查样品或其他组织；或者非细胞生物材料例如唾液、粘液、痰液、静脉内的流体、尿液、粪便、脓液、髓液，以及胃或肠的内容；或者从人体或动物体获得的任何其他样品材料。收集该材料包括患者或受检者产生材料，临床医生从患者或受检者的身体提取材料，审查员从犯罪场所或事故取回样品材料，或者导致生物材料的累积以供测试的任何其他步骤。

首先，流体系统1302将患者的样本1304，或者其一部分，或者其溶液吸入混合器中，混合器混合样品材料和例如储存在溶剂储存器1306中的溶剂、以及储存在储存器1308a-c中的一种或多种纳米微粒。每种纳米微粒可以对于与疾病或医学病症相关的一种或多种化学制品或分析物而敏化。图13显示三种纳米微粒，但是可以使用其中的每一种对于与一种或多种医学病症相关的一种或多种分析物而敏化的任意种数纳米微粒类型。疾病包括传染性病原体例如病毒和细菌、以及非传染性疾病例如癌症或高胆固醇血症。化学制品包括由身体产生的酶类或其他标记、毒素和药品。在一种实施方案中，用户选择在测试特定患者样本时使用的纳米微粒的类型。例如，医生可以提取患者血液的样品以检查药物的浓度以便控制计量，或者机场或边界交接处的警卫可以获取活的或死的鸡的组织样品以检查禽流感。另外的处理步骤可以包括：溶解样品以释放DNA或RNA或者样品的其他成分；加热或冷却样品；调节样品的pH；或者促进纳米微粒和分析物之间的选择性反应所需的其他步骤。然后，混合的样品或其等分试样传送到磁共振系统1310例如图5中描绘的系统中。作为选择，样品可以与位于磁共振仪中的容器内部的纳米微粒混合，从而避免传送混合样品的步骤，并且当样品位于磁共振仪中时可以采取另外的处理步骤。

磁共振仪然后测量来自样品的信号，例如样品的T2，并且分析那些信号以确定所选分析物的存在或不存在或者浓度。然后，基于测量结果，医生可以诊断患者的疾病。

在上述系统的一种实施方案中，系统通过测量来自液体的信号来检测分析物，信号与磁场相关。具体地，信号对于纳米微粒周围的特殊区域中的不同磁场敏感。当分析物结合到相应抗体或其他粘结剂时，使得分析物保持在特殊区域中，从而产生不同的磁场。分析物将液体从那个区域移开，所以液体不再发射表征该区域中磁场的磁共振信号。而且，注意分析物不发射磁共振信号或者至少不发射与液体类似的信号是重要的。这是因为分析物牢固地固定到固体纳米微粒的缘故，使得分析物表现出固体的短T2特性。因此，在一种实施方案中，当占据该特殊区域时，分析物不产生模拟液体的信号。

凝聚可以引起T2的变化而不引起T1的变化，然而T1和T2都响应于增加的纳米微粒浓度而变化。因此，T1的测量可以用作纳米微粒浓度的校准或独立测量。在一种实施方案中，系统测量样品的T1和T2，应用关于T1值的分析以确定纳米微粒浓度，并且应用关于T2值的分析以检测分析物。作为选择，测量样品中的铁含量从而测量纳米微粒浓度的其他方法是可用的。

由控制器执行的数据处理步骤包括对于与分析物的存在相关的参数(例如CPMG数据的T2变化)拟合数据。通常，CPMG中的回波序列拟合到单指数公式，振幅、时间常数和背景的三参数拟合。实现这个的简单但有效的方法是格点搜索，其中首先从数据中估计所有三个参数，然后通过在估计值上下改变这三个参数来产生值的三维网格。然后，最佳值从公式中选择为数据的最小卡方或均方差。从最佳值开始，再次计算新的搜索网格，计算偏差，以及再次导出最佳值。该过程重复许多次(通常9次)以获得最佳全局拟合。可选地，每次使用时网格的规模可以减小(例如0.95)一定因子，使得不重复地出现相同的值。

磁共振系统的主要子系统是脉冲发生器、信号接收器和控制器。这些子系统可以位于由电缆互连的独立板上。作为选择，子系统可以集成为单个计算机板上的单个电路。后者的优点在于不需要电缆互连，并且单个时基可以用于所有子系统。

系统可以用电池供电。系统在数据采集期间使用非常少的功率，并且可以编程为在睡眠模式中使用基本上零的功率。

在一种实施方案中，系统还可以包括连接到控制器的辐射检测器。辐射检测器的目的在于检测样品中的放射性材料。辐射检测器可以是优选地对伽马射线敏感的任何辐射传感器，例如半导体、闪烁器和充气计数器。检测器可以位于样品收集装置、样品混合系统或者位于磁共振系统下游的保持室附近。

昆虫例如蜘蛛可能阻塞空气入口和收集器。这些昆虫进入的第一障碍是过滤器。对于外部安装，可以包括优选地对人类和宠物无害的缓释杀虫剂。这种杀虫剂可以沿着入口的轴或在入口嘴部附近实施。

在一种实施方案中，系统和方法检测炸药和化学武器材料。该系统和方法可以使用上述纳米微粒执行检测，其中纳米微粒上的特定结合位置结合到炸药或化学武器分子。作为选择，该系统和方法可以通过测量来自样品材料自身的磁共振信号检测炸药或化学武器材料，而不使用纳米微粒。该系统可以使用自旋原子核奥氏效应检测化学武器和炸药。在该情况下不需要纳米开关。另一种配置可以是包括气体色谱法、质谱法、离子淌度谱法、其他分析技术以及具有或不具有纳米微粒的NMR的混合系统。

本发明的系统和方法的优点在于可以使用相同装置对于某些分析物执行确认测试。例如，炸药的确认测试包括使用磁共振系统测量T1参数，因为大部分炸药的T1非常长(许多秒)。作为另一个实例，化学武器例如神经毒剂的确认测量是基于氟或磷元素的表征拉莫尔频率的对氟或磷的磁共振扫描。

在一种实施方案中，系统通过测试从邮件收集的微粒物质来检测邮件信封中的毒素和生物武器。在该应用中，系统将优选地包括例如摇动、振动、通过邮件纸张吹气或者压缩信封从信封提取微粒物质的装置。该系统可以包括用于切割信封以取回粉末的装置，优选地仅在那些传感器已经指示对特定邮件纸张的怀疑之后。

采样空气的应用的优选实施方案包括空气入口、收集器、浓缩器和自动流体系统。空气入口包括排除尘土和昆虫的过滤器、以及分离样品微粒和空气的旋风器。入口可以使用“冲击器”或“预分离器”或“分馏器”，并且起到防止大微粒(例如尺寸大于大约10微米空气动力学直径的微粒)进入检测器或识别器的作用。大微粒分馏器是环境采样器中的组成组件-它是内部喷嘴和与喷嘴垂直的板的组合。对于HVAC单元或占据环境采样器，可以存在位于入口下游的可选预分离器盒。另外，对于环境采样器，可以存在正好位于排气口上游的小虫滤网。收集器包括浓缩器装置，其包括虚拟冲击器以将样品微粒插入液体介质中。流体系统然后混合样品和纳米微粒。

在一种实施方案中，所述系统和方法适合检查船运集装箱，例如检测船运集装箱中的物品中的危险材料或药品或微生物。该实施方案包括：从船运集装箱的内部空间吸入空气的装置；收集或浓缩悬浮或包含在空气中的任何材料的装置；混合材料和纳米微粒的装置；以及将该混合物提供给磁共振系统以供测试的装置。检查可以通过打开船运集装箱的门而执行。作为选择，内部空气可以通过船运集装箱上的口或可重新盖紧的开口汲取。进一步的细节在2005年4月7日提交的、名称为“SPIPPING CONTAINER INPECTIONDEVICE(船运集装箱检查设备)”的临时申请序列号60/669,019中提供。

本领域技术人员将进一步地理解，结合本文所公开的实施方案而描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤经常可以实现为电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，各种说明性组件、分块、模块、电路和步骤已经在上面根据它们的功能性进行了一般的描述。这种功能性实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统上的设计限制。技术人员可以对于每个具体应用以各种方法实现所描述的功能性，但是这些实现决定不应当被解释为偏离与本发明范围。另外，对模块、分块、电路或步骤中的功能分组是为了便于描述。特定的功能或步骤可以从一个模块、分块或电路移动，而不背离本发明。

结合本文所公开的实施方案而描述的各种说明性逻辑块、模块和电路可以使用的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、离散栅极或晶体管逻辑、离散硬件组件或设计成执行本文所描述的功能其任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但是作为选择，处理器可以是任何处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以实现为计算设备的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP核心的一个或多个微处理器，或者任何其他这种配置。

结合本文所公开的实施方案而描述的方法或算法的步骤可以直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或者在二者的组合中实施。软件模块可以驻留在RAM存储器、闪速存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或者任何其他形式的存储介质中。示例性的存储介质可以连接到处理器，使得处理器可以从存储介质中读取信息以及将信息写入存储介质。作为选择，存储介质可以集成到处理器中。处理器和存储介质可以驻留ASIC中。

提供对所公开的实施方案的上述描述，以使本领域技术人员能够制造或使用本发明。对这些实施方案的各种修改对本领域技术人员来说是显而易见的，并且本文所限定的一般原理可以适用于其他实施方案而不背离本发明的实质或范围。因此，本发明并不应当局限于本文所示出的实施方案，而应当符合与本文所公开的原理和新特征一致的最广泛范围。

Claims (12)

1.一种使用磁共振来检测样品中是否存在分析物的方法，该方法包括：

将第一磁场施加到包含已知液体和待分析材料的样品上；

在所述样品的至少一个区域中施加第二磁场，使得该至少一个区域中的所述已知液体的磁共振信号不同于该至少一个区域外部的所述液体的磁共振信号，其中所述第二磁场由与亲合性材料关联的纳米微粒产生；

以所述亲合性材料将所述分析物吸引到所述至少一个区域中；

当所述分析物位于所述至少一个区域中时，激励来自所述已知液体的磁共振信号；以及

通过所述已知液体的T2的增加来确定所述分析物的存在；

该方法还包括：

确定所述已知液体和所述纳米微粒的T2；

提供具有在所述第一磁场存在的情况下产生第二磁场并且将所述分析物保持在所述第二磁场中的能力的顺磁微粒；以及

通过确定所确定的T2是否大于所述已知液体与所述顺磁微粒的组合的T2来确定所述样品中是否存在分析物。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括测量所述样品的T1以确定所述样品中的所述纳米微粒的浓度、以及使用该确定来确定用于确定是否出现T2的增加的基准。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二磁场是这样的，即所述第二磁场中的所述已知液体的磁共振信号可以区别于所述第二磁场外部的所述液体的磁共振信号。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括从所确定的T2中确定所述样品中的分析物的量。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述顺磁微粒的化学计量抑制凝聚。

6.根据权利要求1所述的方法，其中在基本上凝聚之前，确定用来确定所述分析物存在的所述样品的T2的确定。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括测量不具有待分析材料的所述液体和所述顺磁微粒的T2。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括：

将纳米级顺磁微粒与所述液体混合，由此所述第二磁场由所述微粒产生并且所述区域与所述微粒直接相邻。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括：将多个纳米级顺磁微粒与所述样品混合，其中所述多个微粒与所述分析物形成超分子组合。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括测量来自所述样品的磁共振信号。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二磁场由纳米级顺磁微粒产生，所述分析物结合到所述微粒形成双体配位，并且所述分析物占据所述第二磁场区域，从而将所述液体从该区域中排除，导致所述液体的散相减少，从而导致整个液体样品的T2的增加。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二磁场由与分析物结合以形成超分子组合的许多纳米级顺磁微粒产生。

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