[發明專利]一種用于細胞磁熱遺傳學研究的高頻磁熱裝置

有效

• 申請號: 202110338801.9
• 申請日: 2021-03-30
• 公開（公告）號: CN113099564B
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 胡正琿;稅均徽;談高波;李昊;莊斯宜;楊巍;張桂迎;林強
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: H05B6/04
• 分類號: H05B6/04;H05B6/06;H05B6/44
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 王兵

用于細胞離子通道激活的高頻磁熱裝置，包括依次連接的功率電源單元(1)、高頻逆變器單元(2)、電流放大諧振單元(3)、多層感應線圈單元(4)以及信號控制單元(5)；的功率電源單元(1)為高頻逆變器主電路提供能量，高頻逆變器單元(2)將直流輸入信號轉換為高頻交流信號，并將信號輸出至電流放大諧振單元(3)，電流放大諧振單元(3)將輸入的交變電流信號放大2倍，并將信號輸出至多層感應線圈單元(4)以及信號控制單元(5)，多層感應線圈單元(4)將交變電流信號通過高頻諧振轉換為磁場信號，信號控制單元(5)掃描驅動頻率，通過LabVIEW軟件編程實現輸出反饋控制信號至高頻逆變器單元(2)。

技術領域

本發明涉及磁熱技術領域，特別是針對細胞磁熱遺傳學研究中激活熱敏感型細胞離子通道磁場發生裝置。

背景技術

磁遺傳學是一種調控神經元活動的學科。近年來，利用磁性納米粒子的磁熱效應來激發細胞離子通道從而達到調控神經活動目標的磁熱遺傳學已成為研究熱點之一。磁熱裝置作為磁熱遺傳學的核心工具，它產生磁場的特性會直接影響到磁熱遺傳的效果，對于磁熱裝置的開發與完善，是促進磁遺傳學研究發展的必要條件。

應用于細胞磁熱遺傳學的高頻磁熱裝置，一般要求磁場強、頻率高、熱輻射低且安全穩定。目前國內外用于磁熱遺傳的高頻磁熱裝置，多是采用空心螺線管或繞線于鐵氧體來實現的，并通過串聯諧振電路產生所需磁場。利用空心螺線管的優點在于它產生的磁場受頻率限制低，高頻性能好，能輕松產生高頻磁場，同時諧振環路上的諧振電壓不會太高（在產生相同磁能條件下，諧振電壓與電感的1/2次方成正比），安全性稍強。缺點在于空心螺線管匝數較少、電感值小，需要成百上千安培的電流才能產生磁熱遺傳中所需的磁場，會造成空心螺線管上的寄生電阻耗能巨大，螺線管發熱嚴重，同時還對電源要求較高，制作困難。對于繞線于鐵氧體產生高頻磁場來說，其優點在于需要很小的電流就能產生磁熱遺傳中所需要的磁場，制作簡單方便，受趨膚效應與寄生電阻的影響較小。其缺點在于鐵氧體受材料和工藝限制很難產生穩定的高頻磁場，高頻性能差。

發明內容

本發明要克服現有的上述空心螺線管和繞線于鐵氧體產生磁場的兩種方案的缺點，提供一種電路結構簡單、工作性能可靠、可實現PID控制、可安放在顯微鏡平臺上的小型高頻交變磁場發生裝置，用于磁熱刺激激活細胞離子通道以操控細胞興奮的磁遺傳學實驗。

本發明是通過以下技術方案實現。

本發明的用于細胞離子通道激活的高頻磁熱裝置，包括依次連接的功率電源單元1、高頻逆變器單元2、電流放大諧振單元3以及信號控制單元5；所述的功率電源單元1為高頻逆變器主電路提供能量，所述高頻逆變器單元2將直流輸入信號轉換為高頻交流信號，并將信號輸出至電流放大諧振單元3，所述電流放大諧振單元3將輸入的交變電流信號放大2倍，并將交變電流信號通過高頻諧振轉換為磁場信號，再將信號輸出至信號控制單元5，所述信號控制單元5掃描驅動頻率，通過LabVIEW軟件編程實現輸出反饋控制信號至高頻逆變器單元2；所述的信號控制電路模塊8和PC端6的閉環主控程序構成整體的信號控制單元5。所述信號控制電路模塊8由STM32和DDS芯片AD9854構成，所述的閉環主控程序基于PC端6的LabVIEW軟件編寫構成；所述信號控制電路模塊8和PC端6的閉環主控程序通過串口進行通信。

所述的功率電源單元1包括一臺商用數控直流電源，商用數控直流電源的輸出端通過電感（軟啟動，保護電路）與高頻逆變器單元2的供電端VCC相連；

所述高頻逆變器單元2包括第一逆變器驅動電路模塊2a、第二逆變器驅動電路模塊2c以及逆變器主電路模塊2b。所述第一逆變器驅動電路模塊2a由IR2113型的芯片IR1與圖騰柱結構結合設計而成,所述第二逆變器驅動電路模塊2c由IR2113型的芯片IR2與圖騰柱結構結合設計而成,所述第一逆變器驅動電路模塊2a和第二逆變器驅動電路模塊2c關于逆變器主電路模塊2b對稱，對稱的部分功能相同。所述第一次寫逆變器驅動電路模塊2a中的芯片IR1的輸入端與信號控制電路模塊8的輸出端相連，所述第二逆變器驅動電路模塊2c中的芯片IR2的輸入端與所述信號控制電路模塊8的輸出端相連；