量子磁光传感器的制作方法

1.本发明涉及互联网和新能源领域，尤其涉及核磁共振和拉曼光谱的量子级别的超微量检测的传感器子领域，用于创新设计一类医学ivd（人体体外诊断产品），对于人体进行血液和组织液的无创超微量检测诊断，还可以用于食品、药物、毒品等其它微量物质的检测。


背景技术：

2.体外诊断产品体外诊断产品ivd（英文名称：in vitro diagnostic products，缩写：ivd，中文简称：体外诊断产品）由于采用人体体外来进行医疗检测，不同于手术和抽血化验检测，尤其是无创ivd，无需破皮即可完成检测，所以越来越受到医疗机构和被检测对象的欢迎和重视。然而，由于无创ivd是透过人体皮肤对人体内部（例如血液、组织液、皮下组织等）进行检测，其理论模型的创新和技术实现的难度，均极其困难。以核磁共振技术为例，一台核磁共振成像系统居然包含着17人12次获得诺贝尔奖，拉曼光谱技术也是获得诺贝尔物理学奖的成果。
3.微量物质检测产品对于一些含有可形成核磁共振的特定质子的超微量物质，无论是以纯原子结构的物质溶液还是以分子结构的混合物质，在其含量非常小的情况下，检测是较为困难的，例如食品中的微量物质、药品中的微量物质、剧毒物质以及毒品，这些检测的需求也是存在的。
4.核磁共振技术核磁共振技术核心内容是一种量子现象，具体是部分特定的质子的磁矩在外界纵向恒定磁场中被磁化，并且由于该质子在磁场中，存在固有的进动频率，在与进动频率同频率的横向激发射频磁场的作用下，质子产生进动共振，同时在激发射频磁场停止后，由于化学键中的质子的章动效应，产生化学位移的自由感应衰减，据此，可以依据计算出特定分子的含量。
5.依据核磁共振中的共振过程和弛豫过程，尤其是通过检测化学位移的自由感应衰减，可以获得检测物中特定分子的特征磁谱，人们把这种特征磁谱当作特定分子的“指纹磁谱”，通过这种指纹磁谱，可以进一步计算特定分子在检测物中的含量。
6.拉曼光谱技术拉曼光谱技术的最核心理论是拉曼效应（英文名称：raman scattering，英文简称：raman，中文简称：拉曼散射或拉曼效应。chandrasekhara venkata raman, 1888-1970，印度物理学家），拉曼效应发现于1928年，并在1930年获得诺贝尔物理学奖。拉曼效应的核心原理也是一种量子现象，当特定波长激发光的光子与原子核的核外电子产生碰撞时，电子吸收光子的能量，依据能量守恒原理，产生散射光光子。其中，绝大部分发生弹性碰撞，此时弹出的光子波长与激发光波长一致，称为瑞利散射光（英文名称：rayleigh scattering，中文简称：瑞利散射）；另外很小部分发生非弹性碰撞，此时由于电子的能级跃迁吸收或者
释放部分能量，所以散射光的波长不等于激发光波长，称为拉曼散射光。其中，拉曼散射光又依据波长的不同，分成散射光波长与激发光波长相差较小的（1～10/cm-1
）被称为布里渊散射光、散射光波长明显大于（＞10/cm-1
）激发光波长的称为斯托克斯散射光和散射光波长明显小于激发光波长的称为反斯托克斯散射光（英文名称：anti-stokes scattering，中文简称：反斯托克斯散射），布里渊散射、斯托克斯散射和反斯托克斯散射构成的光谱成为拉曼光谱。
7.基于特定分子的分子键和原子的结构，均能够产生一种固定的拉曼光谱，人们又称之为特定分子的“指纹光谱”，通过这种指纹光谱，能够进一步计算特定分子在检测物中的含量。
8.融合技术创新在核磁磁化、核磁共振、核磁弛豫以及核磁非磁化的状态下，检测物中特定质子中电子的能级跃迁导致拉曼散射光在方向上的概率差异，调整磁光夹角，将获得更高的拉曼散射光采集效率。同时采集特征磁谱和特征光谱，依据量子关联，不仅能够提高拉曼散射光的采集率，还能够从量子关联中找出更多的信息。
9.目前，基于核磁共振技术和拉曼光谱技术的融合技术的创新，无论是学术研究还是产品应用、无论是研究报告还是专利申请，据发明人的检索，均少有发现。
10.此外，核磁共振技术和拉曼光谱技术各自独立技术的产品，也十分昂贵。就核磁共振技术而言，典型产品为用于医疗成像的核磁共振成像系统，通常造价为百万元至千万元量级；就拉曼光谱技术而言，典型产品大多数还是作为实验室检测仪器，少量的已经应用于食品卫生监测及缉毒监测，其价格依然在十万元以上。
11.由于拉曼散射光的产生，是源于原子核的核外电子由于受到激发光的激发，从低能级向高能级跃迁，又从高能级回落到原低能级时，释放的光子，据此，考察在核磁共振中的量子态和磁光夹角，就能够以此光子的概率分布作为拉曼光谱信号的概率分布。
12.求取拉曼光谱信号的概率分布中的最大概率位置，以此位置作为拉曼散射光的接收位置，接收拉曼散射光，获取最优核磁共振光谱。
13.量子态包括原子核的自旋、特定质子的自旋、电子能级、电子云概率、电子能级跃迁。
14.在实际设计中，本发明中的公式只是表达方式中的一种，在不同的学术流派中，会有不同的公式列写方式，也均包含在本发明之中。业内中级设计人员应该能够通过参考公知共用的资料予以采用。
15.现有技术的不足现有技术的不足，究其原因分析至少包括如下：1、核磁共振和拉曼光谱属于两个不相干的领域，完全没有相互融合；2、核磁共振大多数用于医学成像，设备昂贵，软硬件基础资源多被国外垄断；3、拉曼光谱的核心设备大多产自国外，由于价格较高，应用普及率较低；4、核磁共振和拉曼光谱的底层资源尚有很多可融合、可产生额外功效之处，尚待开发；5、此外，关于量子理论，由于是一个发展历程较短的理论，其主流分支和单点创新的研究工作尚在进行中，大多数研究学者尚未把研究重点投放到支流分支和多点创新方
面。量子理论应用创新目前正聚焦于单点创新的应用，例如量子保密通信产品、量子并行计算产品，而多合应用的产品，尚没有被研究者多关注。量子理论与其他应用的融合发展尚未到来，也鲜有商业成功的案例。核磁共振和拉曼光谱的融合，需要理论创新和方法创新。而这一创新，尚未发现有研究成果和应用案例。
16.发明的目的、意图和贡献基于对上述背景技术和现有技术的不足的分析，发明人创新了本发明专利申请——量子磁光传感器，其发明的主要目的包括：1、从量子理论的层面，解析核磁共振技术和拉曼光谱技术在底层原理，创新发明出量子磁光传感器，解决融合核磁共振和拉曼光谱的理论和底层技术和传感器结构的问题；2、提出了离轴模式和同轴模式的量子磁光传感器结构设计方案，实现在核磁共振条件下的拉曼散射光收集。
17.本发明的主要意图和贡献包括：1、建立了核磁共振和拉曼散射光的关联，提高拉曼光谱的采集效率；2、通过核磁状态的变化提供拉曼光谱新的解析和检测手段；3、通过特征磁谱和特征光谱的双重解析，提高检测物中检测分子含量的解析精度；4、通过特征磁谱和特征光谱函数关联，提高检测物中检测分子含量的解析精度和检测变化细节。


技术实现要素：

18.本发明的核心创新是提出在核磁共振的条件下采集拉曼光谱，并建立特征磁谱和特征光谱之间的关联方法，对于检测物中包含的特定质子的检测分子，施加核磁共振，调整主磁场、激发光及散射光收集之间的磁光夹角，获得最强分布概率处的拉曼散射光，基于非磁状态、磁化状态、核磁共振状态和弛豫状态，通过量子磁光函数计算法和直接测量法获取特征光谱，通过核磁共振的监测方法获取特征磁谱，采用特征光谱和特征磁谱关联函数计算检测分子的含量，本发明的主要贡献在于：通过建立量子层面的核磁共振和拉曼光谱的函数关联，提高拉曼光谱的采集效率、提高检测分子含量的解析精准度，解析量子运动变化细节，有利于发现和计算检测物中其它分子的构成及含量。
19.在图2中，检测物置于由n极和s极构成的主磁场中，其中的圆球表示为被主磁场磁化的特定质子（例如氢质子），根据右手定则，特定质子外围的带负电荷的电子旋转（图2中是按照正电荷旋转），产生磁矩，接受主磁场的顺磁磁化，产生与主磁场磁力线方向相同的排列。在于主磁场垂直方向上，加载激发射频磁场，当该磁场的交变频率与特定质子以及主磁场的强度形成特定关系时，特定质子将发生核磁共振。与此同时，对于检测物加载激发光，检测物中包含特定质子的检测分子受到激发光的激发，而产生散射光，再以特定角度接收散射光。由于核磁共振的作业，这种散射光的产生点和产生方向，将形成一定的概率分布。此时，只要找到最大概率的激发光发生点和角度，就能够收集更多的激发光。此外，在核磁共振的各种状态中，通过建立磁光函数，我们就能够实现特征磁谱和特征光谱的关联，进而进一步解析出更多的信息。
20.1、关于核磁共振如图3所示，对于检测物中的单个特定质子（例如1h）在主磁场中，部分质子受到激发射频磁场的扰动，当这个激发射频磁场的频率（或者）与特定质子在主磁场中的固有频率相同时，原子核的磁矩发生拉莫尔进动（larmor precession）圆锥的运动和章动（nutation）现象，称之为核磁共振，其中，为特定质子所固有的磁旋比，它是一个测量值，是原子核固有的常数。图7是核磁共振条件下的工作原理示意图。公式如下：或需要强调的是：1.1、特定质子并非都能够发生核磁共振，只是一部分，这符合统计规律。
21.1.2、核磁共振是量子现象，与普朗克常数（）或 （）有关。
22.1.3、发生核磁共振的质子分为磁矩方向与主磁场相同的顺磁磁化的低能级和与主磁场相反的抗磁磁化的高能级，其中低能级的核自旋数比高能级的核自旋数略高，以1.5t（特斯拉）的主磁场为例，常温下，低能级的核自旋数比高能级的核自旋数大约多了个。
23.对于整个检测物中的多个特定质子，则按照统计计算其整体的核磁共振，在宏观上，依然符合核磁共振的原理。
24.1.4、检测物包括的特定质子中n个量子数的总体概率函数分布可用下列公式描述：其中：是边界，n是量子数，是n个粒子数的所述总体概率函数，是第n个粒子的波函数，是第n个粒子的概率密度，如图4、图5和图6所示，为高概率区域。
25.2、核磁共振与拉曼散射光状态如图4和图10所示，从量子层面看，拉曼散射光是由于激发光的光子与检测物中的特定质子中原子核与核外电子形成的电偶极子发生非弹性碰撞，使得电偶极子发生能级跃迁而产生散射光光子的，虽然依据海森堡测不准原理，对于单个散射光光子，我们极难确定这个散射光光子是在空间的哪个点位产生，也极难确定它将沿哪个空间角度飞出。但是，从宏观统计学的角度分析，发明人认为符合量子能级跃迁概率函数，例如在图10中1006，我们能够确定一个最高概率的第二夹角，计算条件如下所示：其中：
为单个量子能级跃迁概率函数，为所述能级跃迁概率，为所述电磁波频率，为所述磁场。
26.并且，可以归纳为以下4种状态的散射光产生的位置和方向存在不同属性。
27.2.1、非磁化状态检测物未被施加外界主磁场状态，这种状态下拉曼散射效应为常规的状态，此时检测物中的特定质子处于量子简并状态，散射光的光子受到量子简并的熵增影响，由激发光产生的散射光产生的位置和方向上呈现的状态确定为原始的非磁化状态。
28.2.2、磁化状态检测物正在被施加外界主磁场状态，此时检测物中的特定质子处于的一部分处于被主磁场顺磁磁化和抗磁磁化，亦即这部分特定质子按照一种确定的排列，检测物整体排列在熵方面发生变化，由激发光产生的散射光必然会引起位置和方向上的变化，而这种变化时在统计学方面是有具体不同的。我们确定这种由激发光产生的散射光产生的位置和方向上呈现的状态为磁化状态。
29.2.3、核磁共振状态检测物正在被施加外界主磁场状态时，施加引起核磁共振的激发射频磁场，此时由于特定质子正在发生核磁共振，部分原子核的磁矩发生拉莫尔进动和章动的共振运动，由此引起由激发光产生的散射光同理必然会引起位置和方向上的变化，表现在宏观统计学上产生了具体的不同。我们确定这种由激发光产生的散射光产生的位置和方向上呈现的状态为核磁共振状态。
30.2.4、弛豫状态检测物的特定质子在发生核磁共振时，停止激发射频磁场后，发生核磁共振的那部分原子核恢复磁化状态的过程就是弛豫过程。因此，弛豫状态时一种随着时间变化的过程，受检测物的形态和种类不同，这种恢复时间介于百毫秒至数天不等。同理，弛豫状态在由激发光产生的散射光产生的位置和方向上呈现的状态也将呈现统计学的不同，我们确定这种散射光的状态为弛豫状态。
31.3、状态关联检测计算由于本发明是在核磁共振状态中检测拉曼光谱，如果我们将激发光的照射光斑照射到检测物的特定区域上，而在特定区域中找到特定质子中n个量子数的总体概率函数分布最大处，再由散射光收集器按照特定角度收集该最大处的散射光，那么就可以获得最多的拉曼散射光光子，此时就可以依据以下公式：的拉曼散射光光子，此时就可以依据以下公式：建立状态关联函数，检测并计算最优的拉曼光谱。
32.本发明的目的、意图和贡献是采用如下技术方案的工作步骤实现的。
33.1、基础结构
本发明作为量子磁光传感器，包括以下基础结构和步骤。
34.由控制支架安装固定主磁场发生器、激发感应线圈、控制子系统、激光器、拉曼探头成为一个整体。
35.控制子系统连接激发感应线圈、激光器和拉曼探头，执行以下工作步骤：接受外部控制信号，输出内部返回信号。
36.控制激发感应线圈，对于检测区中放置的检测物中的特定质子产生核磁共振。
37.控制激光器发出激发光，形成光斑照射到检测物上，由检测物产生拉曼散射光。
38.控制拉曼探头在核磁共振过程中采集并输出检测物产生的拉曼散射光。
39.2、主磁场发生器在前述基础方案的基础上，本发明的具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：主磁场发生器由电磁铁或永磁铁构成，在检测区产生磁场强度大于0.1特斯拉的均匀的主磁场。
40.当主磁场发生器采用电磁铁时，控制子系统包括但不限于主磁场控制部件及电源供应部件，连接主磁场发生器，控制并提供电磁铁的电源，以便产生、关闭和控制一种以上磁场强度的主磁场。电磁铁包括软磁铁和超导磁铁。
41.当主磁场发生器采用永磁铁时，永磁铁包括但不限于磁场稳定的钕铁硼磁铁或钐钴磁铁或铝镍钴磁铁或铁氧体磁铁或橡胶磁铁。
42.控制子系统还包括但不限于磁场强度传感器，以感知主磁场的强度。
43.3、激发感应线圈在前述基础方案的基础上，本发明的具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现。
44.激发感应线圈包括但不限于激发线圈和感应线圈，二者的电气结构包括但不限于激发和感应共用一个绕组线圈的共用结构，或，激发线圈和感应线圈各自独立绕组线圈的独立结构。
45.激发感应线圈在检测区中与主磁场垂直布置。
46.激发感应线圈的外形包括但不限于矩形和圆形，大小尺寸适合放置在检测区之内。
47.对于共用结构，控制子系统连接激发感应线圈，产生发出激发射频磁场信号，接收核磁共振信号。
48.对于独立结构，控制子系统的激发端连接激发线圈，产生并发出激发射频磁场信号，控制子系统的感应端连接感应线圈，接收核磁共振信号。
49.4、激光器在前述基础方案的基础上，本发明的具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现。
50.连接控制子系统并接受控制，产生单波长或双波长的激发光，激发光的波长范围包括但不限于可见光、红外光和紫外光，激发光的功率包括但不限于0.1mw至5w，双波长为波长相差在0.01%至5%范围之内。
51.激发光从产生到照射到检测物上形成光斑的光路为一次光路，一次光路中包括但
不限于窄带滤光镜，以放行允许波长范围的激发光通过，阻止非允许波长的激发光通过，通过激发光输出端口，最终以光斑的方式照射到检测物上。
52.一次光路中包括但不限于准直和聚焦的光学器件，以整形光路实现聚焦形成光斑。
53.同轴模式和离轴模式，同轴模式为一次光路的最后一段光路与拉曼散射光采用同一个光轴线传输，离轴模式为一次光路的最后一段光路与拉曼散射光以光斑为交叉点，激发光与拉曼散射光以各自的光轴线分开传输。
54.5、拉曼探头在前述基础方案的基础上，本发明的具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现。
55.拉曼探头包括但不限于反射镜或第一聚光镜，还包括但不限于准直镜、滤光镜和输出光纤，具体是：从光斑直到输出光纤构成二次光路，反射镜或第一聚光镜位于二次光路的前端，用于汇聚出自光斑处光线。
56.准直镜用于准直汇聚后的光斑处光线，传输到滤光镜，由滤光镜阻止从光斑处光线中包含的与激发光波长相等的反射光成分，放行拉曼散射光的成分。
57.拉曼散射光包括但不限于斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光和布里渊散射光。
58.滤光镜包括但不限于用于放行斯托克斯散射光的低通滤光镜或放行反斯托克斯散射光的高通滤光镜或放行布里渊散射光的双带通滤光镜。
59.拉曼散射光由输出光纤的接收端接收，传输到输出端。
60.拉曼探头还包括但不限于第二聚光镜，位于滤光镜和输出光纤的接收端之间，用于汇聚拉曼散射光，导入到接收端，其中，第二聚光镜形成的汇聚光锥的数值孔径小于等于接收端的数值孔径。
61.输出光纤采用包括但不限于一根以上大直径纤芯的光纤，纤芯直径大于40μm，纤芯材料包括但不限于石英、塑料，输出端为光纤接口，其标准包括但不限于sma905、fc，接收端采用垂直切割的断面。
62.拉曼探头中的聚光镜和准直镜，需要考虑工作的光波波段，例如，对于红外波段，透射式的聚光镜和准直镜应采用石英玻璃，反射式聚光镜和准直镜应采用镀金镜面，以提高红外光线的透射或者反射的效率。
63.6、磁光夹角控制器在前述基础方案的基础上，本发明的具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现。
64.包括但不限于磁光夹角调节器，具体包括但不限于：设定磁光夹角是以主磁场方向为方向基准，以光斑为位置基准的散射光夹角和激发光夹角，磁光夹角调节器包括但不限于手动调节器和电动调节器和调节位置限定的限位器，并安装在控制支架上。
65.磁光夹角调节器包括但不限于调节轨迹，调节轨迹的种类包括但不限于以位置基准为中心的包括但不限于螺旋线、圆环线、径向线、平面直角坐标线，调节轨迹的参数包括但不限于轨迹坐标值、极坐标下的方位角和仰角。
66.电动调节器通过通信接口连接控制子系统，基于调节轨迹的种类、调节轨迹的参数与控制子系统通信，接收和回传控制信息，电动调节器采用包括但不限于步进电机、超声波电机、电磁铁驱动，控制信息包括但不限于调节轨迹的种类、调节轨迹的参数和完成状态。
67.手动调节器具有手动调节钮，连到控制支架的外表面，便于实施手动调节。控制支架的外表面的手动调节钮的行程附件，具有刻度标记。
68.离轴模式包括但不限于散射光夹角调节器、激发光夹角调节器，实施对于散射光夹角、激发光夹角进行调节。
69.散射光夹角调节器还包括但不限于固定拉曼探头，以光斑为圆心、以二次光路的光轴对准光斑为径向旋转的机构，以改变散射光夹角。
70.激发光夹角调节器还包括但不限于固定激发光输出端口，以光斑为圆心、以一次光路的末端光轴对准光斑为径向旋转的机构，以改变激发光夹角。
71.散射光夹角调节器和激发光夹角调节器之间包括但不限于相互位置限位器。
72.同轴模式的磁光夹角调节器采用散射光夹角和激发光夹角一体化统一调节，包括但不限于固定拉曼探头，以光斑为圆心、以末端光路的光轴对准光斑为径向旋转的机构，以改变磁光夹角。
73.为了便于叙述，定义第一夹角为激发光的方位角和仰角，第二夹角为散射光的方位角和仰角。
74.7、控制子系统在前述基础方案的基础上，本发明的具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现。
75.控制子系统还包括但不限于：基于存储、管理和控制子系统的工作步骤的处理器系统内核。
76.完成量子磁光传感器与外部通信的通信接口，并约定通信协议，通信接口的规格类型包括但不限于usb接口、wifi接口、bluetooth接口。
77.通信协议至少包括但不限于磁光夹角的控制信息、控制子系统的工作信息。
78.获取控制子系统、激光器和激发感应线圈所需要的工作电源、由电磁铁构成的主磁场发生器所需要的工作电源的电源接口。
79.对于主磁场、激光器、激发感应线圈和控制子系统进行保障性维护的自诊断子系统。
80.控制子系统的核心是电路板，为了减小对于核磁共振过程的干扰，电路板采用磁屏蔽的包装结构，并且安置在主磁场发生器的磁极背部，例如n极或者s极的背面，即主磁场和检测区的背面。控制子系统采用微处理器为核心的智能电路设计，包括cpu、存储、接口和soc电路，在通信接口及电缆上，采用磁屏蔽元件做高频隔离。
81.8、拉曼光谱仪在前述基础方案的基础上，本发明的具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现。
82.包括但不限于拉曼光谱仪，具体包括但不限于：拉曼光谱仪包括但不限于光纤输入接口和控制接口，并且控制子系统包括但不限
于光谱仪通信接口。
83.光纤输入接口连接拉曼探头的光纤接口，获取拉曼散射光。
84.控制接口连接控制子系统的光谱仪通信接口，接受控制子系统的控制。
85.拉曼光谱仪包括但不限于狭缝器、准直镜、分光镜、阵列光电转换器、积分器、光谱输出接口，以完成从拉曼散射光到拉曼光谱电信号的转换及输出。
86.拉曼光谱仪还包括但不限于制冷器及温度控制器，以执行对于阵列光电转换器的制冷及温度控制。
87.控制子系统包括但不限于对于拉曼光谱的解析步骤，包括但不限于显示器和操作界面，显示器用于显示包括但不限于光谱图形、参数，操作界面用于完成用户对于量子磁光传感器的操作。
88.拉曼光谱仪连接控制支架，构成一个整体。
89.拉曼光谱仪为独立与量子磁光传感器的外接设备，通过光纤接口和控制接口与量子磁光传感器连接和工作。
90.拉曼光谱仪包括片上光谱仪和集成光谱仪。
91.片上光谱仪的采用，有利于将本发明实现功能完整，有利于小型化，将直接输出数字化的检测结果，例如直接输出特征磁谱、特征光谱和物质含量。进一步地，还可以将本发明制作成便携式的医用ivd设备。
92.9、采集种类在前述基础方案的基础上，本发明的具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现。
93.核磁共振过程划分为磁化状态、核磁共振状态、弛豫状态和非磁状态，控制子系统中包括的拉曼采集种类的步骤，控制子系统通过拉曼探头采集这些状态中检测物的拉曼散射光，拉曼采集种类的步骤具体包括但不限于：磁化状态拉曼散射光，在主磁场已经加载但是激发感应线圈没有加载激发射频磁场信号时，这种状态即为磁化状态，此时，依据主磁场强度，采集此时的拉曼散射光即为磁化状态拉曼散射光。
94.核磁共振状态拉曼散射光，在主磁场已经加载时，激发感应线圈加载激发射频磁场信号，使得检测物中的特定质子产生核磁共振，这种状态即为核磁共振状态，此时，采集此时的拉曼散射光即为核磁共振状态拉曼散射光。
95.弛豫状态拉曼散射光，在特定质子已经开始核磁共振的前提下，从关闭激发射频磁场信号开始，到特定质子恢复到磁化状态为止，这个期间即为弛豫状态，此时，采集这个期间的全部时刻的拉曼散射光即为弛豫状态拉曼散射光。
96.非磁状态拉曼散射光，对于由电磁铁构成的主磁场发生器，关闭电磁铁的电源，使得主磁场的磁场强度归零，并且关闭激发射频磁场信号，这种状态即为非磁状态，此时，采集此时的拉曼散射光即为非磁状态拉曼散射光。
97.在控制子系统的通信协议中约定状态种类标志，通过通信接口与外界进行通信。
98.控制子系统中包括的核磁采集种类的步骤，控制子系统通过感应线圈，采集信号，至少包括：共振信号，在激发射频磁场工作时，采集感应线圈中包括但不限于频率、幅度、宽
度的信号。
99.水平弛豫信号，在激发射频磁场从停止直到特定质子恢复常态为止的过程中的水平方向采集包括但不限于频率、幅度、宽度和弛豫时间的信号。
100.垂直弛豫信号，在激发射频磁场从停止直到特定质子恢复常态为止的过程中的垂直方向采集包括但不限于频率、幅度、宽度和弛豫时间的信号。
101.10、材料构成在前述基础方案的基础上，本发明的具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现。
102.除了主磁场发生器、激发感应线圈和控制子系统之外，全部元器件及控制支架的构成材料，均采用非磁性材料。
103.拉曼探头全部采用非金属材料制作。
104.在离轴模式中，激光器的激发光输出端口采用非金属材料制作。
105.控制子系统的电路板采用磁屏蔽材料制作成封闭的盒体，并且放置在远离检测物的拉曼检测界面的主磁场发生器的侧面，以减小对于主磁场的影响。
106.一次光路和二次光路全部采用非金属材料制作，这有利于减小激发射频磁场引起的电磁感应和涡流而造成对于检测的干扰，同时也免去了由于非金属和非磁物质的材料而引起对于磁场的干扰。
107.11、发明的有益效果1、设计出一种全新的量子传感器，实现核磁共振和拉曼散射光的关联、传感和信号采集；2、可提供核磁在非磁化状态、磁化状态、核磁共振状态和弛豫状态的细分拉曼光谱和磁谱，有利于进一步解析量子运动的特征；3、提高了拉曼散射光的采集灵敏度，提供了依据磁谱和拉曼光谱联合解析的新方法。
附图说明
108.附图清单：图1：离轴模式量子磁光传感器结构图图2：量子磁光传感器原理图图3：核磁共振原理图图4：核磁共振下拉曼散射光原理图图5：核磁直角坐标原理图图6：核磁极坐标原理图图7：核磁共振磁场结构图图8：离轴拉曼散射光光路图图9：夹角控制器方位角结构图图10：夹角控制器仰角结构图图11：同轴模式量子磁光传感器图12：特征磁谱图
图13：特征光谱图。
109.附图详细说明：图1：摘要附图及离轴模式量子磁光传感器结构图由n极和s极构成主磁场，在主磁场中设置有激发感应线圈，在控制子系统的控制下，由激发感应线圈产生激发核磁共振的射频磁场，并形成检测区。检测物置于检测区中，在检测物上，面向垂直与主磁场的方向，设置一个检测面，由激光器产生激发光，照射到检测物上，形成光斑，由拉曼探头接收光斑处的光线，过滤掉反射光，只让拉曼散射光通行，并且由拉曼探头的光纤输出端输出拉曼散射光。其中，控制子系统通过通信接口和电源接口与外界连接，再由激发线圈接口、感应线圈接口连接激发感应线圈，由激光接口连接激光器，控制整个量子磁光传感器工作。
110.其中，主磁场的形成包括永磁铁方式和电磁铁方式，当采用电磁铁方式时，控制子系统还为电磁铁控制并提供磁场电源，以产生主磁场。此外，激发光的光轴和拉曼散射光的光轴采用离轴方式，以实现对于激发光的发出和拉曼散射光的接收的方位角和仰角实现分开的调节，以实现最优接收的目的。
111.图2：量子磁光传感器原理图检测物置于由n极和s极构成的主磁场中，其中的圆球表示为被主磁场磁化的特定质子（例如氢质子），根据右手定则，特定质子外围的带负电荷的电子旋转（图1中是按照正电荷旋转），产生磁矩，接受主磁场的顺磁磁化，产生与主磁场磁力线方向相同的排列。在于主磁场垂直方向上，加载激发射频磁场，当该磁场的交变频率与特定质子以及主磁场的强度形成特定关系时，特定质子将发生核磁共振。与此同时，对于检测物加载激发光，检测物中包含特定质子的检测分子受到激发光的激发，而产生散射光，再以特定角度接收散射光。由于核磁共振的作业，这种散射光的产生点和产生方向，将形成一定的概率分布。此时，只要找到最大概率的激发光发生点和角度，就能够收集更多的激发光。此外，在核磁共振的各种状态中，通过建立磁光函数，我们就能够实现特征磁谱和特征光谱的关联，进而进一步解析出更多的信息。
112.图3：核磁共振原理图301：主磁场及其磁场方向302：激发射频磁场及其方向303：特定质子及其旋转磁矩304：特定质子的进动轨道b0：主磁场强度b1：激发射频磁场强度o：特定质子中心p：磁矩轴与进动轨道圆心的垂直交叉点q：进动轨道圆心。
113.图4：核磁共振下的拉曼散射光原理图401：主磁场及其磁场方向402：特定质子的旋转磁矩轴403：激发光及其方向
404：散射光及其方向405：散射光高概率区o：特定质子中心。
114.图5：核磁直角坐标原理图501：特定质子502：高概率区x：直角坐标系x轴y：直角坐标系y轴z：直角坐标系z轴o：直角坐标系中心点ls：激发光rm：散射光。
115.图6：核磁极坐标原理图601：主磁场与激发光形成的仰角602：主磁场与散射光形成的方位角603：散射光高概率区x：直角坐标系x轴y：直角坐标系y轴z：直角坐标系z轴o：直角坐标系中心点ls：激发光rm：散射光θ：激发光的仰角φ：激发光的方位角。
116.图7：核磁共振磁场结构图701：主磁场s极702：主磁场n极703：激发射频磁场704：激发射频磁场的线圈705：直角坐标系x：直角坐标系x轴y：直角坐标系y轴z：直角坐标系z轴o：直角坐标系中心点。
117.图8：离轴拉曼散射光光路图801：主磁场802：检测物803：激发光方向804：拉曼散射光方向
805：第一夹角806：第二夹角807：光斑b0：主磁场ls：激发光rm：高概率的拉曼散射光。
118.图9：夹角控制器方位角结构图901：主磁场方向及z轴902：直角坐标系x/y轴903：激发光光路轴904：拉曼散射光光路轴905：激光器906：激发光聚焦光路907：激光器运动轨道908：拉曼探头909：拉曼散射光汇聚光路910：拉曼探头运动轨道x/y：直角坐标系x/y轴z：直角坐标系z轴及主磁场方向o：直角坐标系中心点ls：激光器rm：拉曼探头θ
ls
：激发光方位角θ
rm
：拉曼散射光方位角。
119.图10：夹角控制器仰角结构图1001：主磁场方向及z轴1002：直角坐标系y/x轴1003：激发光光路轴1004：拉曼散射光光路轴1005：激光器1006：激发光聚焦光路1007：激光器运动轨道1008：拉曼探头1009：拉曼散射光汇聚光路1010：拉曼探头运动轨道x/y：直角坐标系x/y轴z：直角坐标系z轴及主磁场方向o：直角坐标系中心点ls：激光器
rm：拉曼探头φ
ls
：激发光仰角φ
rm
：拉曼散射光仰角。
120.图11：同轴模式量子磁光传感器1101：主磁场s极1102：主磁场n极1103：激发射频磁场的线圈1104：感应磁场的线圈1105：检测物1106：光斑1107：同轴拉曼探头1108：控制及校验子系统1109：拉曼光谱仪1110：产生激发光的激光器1111：激发光光路1112：采集的散射光光路1113：半反半透镜1114：激发光和散射光的同轴光路。
121.图12：特征磁谱图这是自由感应衰减fid信号的傅里叶变换的波形图，其中，纵坐标为，是幅度，横坐标为，是激发射频磁场的角频率，图中有4个波峰，分别是oh键、ch2键、ch键和ch3键。
122.图13：特征光谱图这是基于差分算法的拉曼光谱的谱线图。其中：1301：ld1通道光谱谱线1302：ld2通道光谱谱线1303：差分后的特征峰谱线。
具体实施方式
123.本发明的目的、意图和贡献是采用如下2个实施例的技术方案实现的。这里需要特别说明的是，由于每个具体的实施例都有具体的用途和工业实用性。所以，以下实施例中的任何一个，并不能包括本发明的所有特征和步骤，也不是对本发明的限制，本发明权利要求书的描述，是对于发明的全面总结。
124.实施例一、通用离轴量子磁光传感器本实施例是本发明申请采用激发光和拉曼散射光离轴方式的一种通用的量子磁光传感器，可用于无创伤的（无创）医用生化检测，例如通过手指、手掌、脚等肢体的皮外实施血液中葡萄糖含量、钾离子含量、激素等微量物质的检测，还可以用于食品、药品、毒品等物质的无损检测。基本结构是采用离轴方式完成拉曼光谱的激发、采集和量子磁光传感。相对于同轴方式而言，离轴方式的优势在于，在不知道检测分子的最优第二夹角的情况下，通过调节第一夹角和第二夹角来持续检测拉曼散射光光谱的强度，可以获得最优拉曼散射光
的角度，即最优第二夹角。当然，离轴方式由于增加了复杂度，造成了实施成本的增加。
125.1、示图说明本实施例内容主要包括由以下附图构成，它们是：图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图12、图13。
126.2、方案及步骤2.1、基础结构本发明作为量子磁光传感器，包括以下基础方法步骤。
127.由控制支架安装固定主磁场发生器、激发感应线圈、控制子系统、激光器、拉曼探头成为一个整体。
128.控制子系统连接激发感应线圈、激光器和拉曼探头，执行以下工作步骤。
129.接受外部控制信号，输出内部返回信号。
130.控制激发感应线圈，对于检测区中放置的检测物中的特定质子产生核磁共振。
131.控制激光器发出激发光，形成光斑照射到检测物上，由检测物产生拉曼散射光。
132.控制拉曼探头在核磁共振过程中采集并输出检测物产生的拉曼散射光。
133.这里需要强调的是，核磁共振下获得拉曼光谱需要检测物中包含具有共同的特定质子，该特定质子能够产生核磁共振效应，并且它的化合物的分子还能够产生拉曼散射效应。例如以
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h，进一步例如最终检测的是检测物中的葡萄糖分子含量，其分子式为c6h
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o6，对于核磁共振，检测的是
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h质子的核磁共振磁谱，对于拉曼光谱，检测的是c6h
12
o6的特征光谱。
134.图1是本实施例的结构图。如图2是本实施例的原理示意图，也是表达本发明方法的一种原理描述。其核心是将检测物置于主磁场中，再采用拉曼光谱检测方法获得拉曼光谱的信号，并计算特征光谱。其中，由n极和s极提供主磁场，检测物置于主磁场中，由于主磁场的磁化作用，检测中所包括的微观上的特定质子部分被磁化，呈现顺磁磁矩和主磁场同向，呈现顺磁磁化状态。此时，由于顺磁磁化的作用，这部分特定质子由原来未加主磁场时的非磁状态变成了磁矩排列整齐的顺磁磁化状态，那么，这种变化对于宏观的检测物来说，将带来统计学的效果。依据这种加载和未加载主磁场前后的统计效果差异，本发明可提供最简洁模式的应用。
135.为了更进一步加强测量效果，本发明还增加一个选择项，即增加一个激发射频磁场，在激发射频磁场的作用下，特定质子进入共振状态，在关闭激发射频磁场后，特定质子又进入了弛豫状态。这些在统计学上均表现出相应的效果。在综合考虑非磁状态、磁化状态、共振状态和弛豫状态在统计学上的表现效果的差异，我们就能够解析出更多的信息。
136.为了捕捉这些信息，发明人引入了拉曼光谱的检测，来获得这些状态下的拉曼光谱，图1中包括是拉曼光谱的检测方法。为了便于描述，发明人将激发光和散射光的光路分开表示，即采用激发光和散射光离轴方式描述。需要强调的是，图1中这种激发光和散射光分开画，并不表示本发明只适合离轴方式，而是对于激发光和散射光离轴方式同样有效。通过调整激发光的入射角度和散射光的收集角度，结合特定质子在非磁状态、磁化状态、共振状态和弛豫状态在统计学上的表现效果的差异，我们实现对于更多信息的解析。
137.图8是离轴方式下激发光和拉曼散射光的光路示意，激发光ls的入射角度——即第一夹角和最高概率的散射光rm的收集角度——即第二夹角在本发明中的一种表现。图8
中，801表示主磁场b0，802表示检测物，803表示激发光，804表示最高概率的散射光，805表示第一夹角，806表示第二夹角。
138.需要强调的是，主磁场的实现方式包括多种，即电磁方式和永久磁铁方式，其中如果需要测量非磁状态，则只能采用电磁方式，在电磁铁通电的状态下由电磁铁产生主磁场，关闭电磁铁电源，即可实现关闭主磁场。
139.图1是本实施例的在离轴方式下的结构示意图。图11是本实施例在同轴方式下的结构示意图。至于采用离轴方式还是采用同轴方式，都是本发明所保护的选择项。
140.在图11中，1101和1102分别表示主磁场的s磁极和n磁极，1103表示激发射频磁场的激发线圈，1104表示接收核磁共振信号的感应线圈，1105表示检测物，1106表示光斑，这个光斑是由激发光在检测物上产生的光斑，并且，散射光也是从额光斑上产生的，1107表示用于收集散射光的拉曼探头，1108表示控制及校验子系统，主要由硬件和部分软件构成，1109表示拉曼光谱仪，用于解析拉曼光谱信号，生成拉曼光谱，1110表示激光器，用于产生激发光，1111表示激发光的光路，1112表示散射光的光路，1113是半反半透镜，用于合成和分离激发光额散射光。1114是激发光和散射光的同轴光路。在光路上，还包括一些光学器件，例如窄带滤光镜、带通滤光镜、狭缝等。
141.图7是主磁场的另外一种解析试图——核磁共振结构图，图中可见，激发射频磁场是与主磁场垂直的，它由激发线圈加载激发射频磁场信号产生，与主磁场一起共同作用于检测区中的检测物上。其中，701表示主磁场s极，702表示主磁场n极，703表示激发射频磁场，704表示激发射频磁场的线圈，705表示直角坐标系，x表示直角坐标系x轴，y表示直角坐标系y轴，z表示直角坐标系z轴，o表示直角坐标系中心点。
142.本发明申请的检测状态包括：非磁化状态、磁化状态、核磁共振状态和弛豫状态。
143.特别需要提醒的是，本发明申请还包括以下的简化特例。
144.1、只需要主磁场而无需核磁共振的情况下，此时可去掉激发感应线圈，或者不使用激发感应线圈，只在主磁场中的检测拉曼光谱信号。例如只需要非磁化状态和磁化状态中检测。
145.2、只需要主磁场，同时加载核磁共振的情况下，无需弛豫状态时的情况下，检测拉曼光谱信号。例如只需要非磁化状态、磁化状态、核磁共振状态的字体下检测，二不需要在弛豫状态下检测。
146.2.2、主磁场发生器在前述基础方案的基础上，本发明的具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：主磁场发生器由电磁铁或永磁铁构成，在检测区产生磁场强度大于0.1特斯拉的均匀的主磁场。
147.当主磁场发生器采用电磁铁时，控制子系统包括但不限于主磁场控制部件及电源供应部件，连接主磁场发生器，控制并提供电磁铁的电源，以便产生、关闭和控制一种以上磁场强度的主磁场。
148.当主磁场发生器采用永磁铁时，永磁铁包括但不限于磁场稳定的钕铁硼磁铁或钐钴磁铁或铝镍钴磁铁或铁氧体磁铁或橡胶磁铁。电磁铁包括软磁铁和超导磁铁。
149.控制子系统还包括但不限于磁场强度传感器，以感知主磁场的强度。
150.在具体的优选项中，主磁场采用铷铁硼强磁场的永磁铁，例如磁场强度在0.5～1.5特斯拉，其优势是可以降低成本减小功耗，但是不足之处在于无法获得非磁化状态下的检测。
151.在采用电磁铁的优选项中，电磁铁采用剩磁和矫顽力小的软磁铁，其优势在于主磁场不仅可以实现开，实现非磁化状态和磁化状态的检测，进一步还可以实现主磁场大小可控，这在一些特殊应用中，可以发挥特别的优势。进一步地，电磁铁还可以采用超导磁铁，以进一步提高主磁场强度，例如可将主磁场强度提高到1.5特斯拉以上。
152.2.3、激发感应线圈在前述基础方案的基础上，本发明的具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现。
153.激发感应线圈包括但不限于激发线圈和感应线圈，二者的电气结构包括但不限于激发和感应共用一个绕组线圈的共用结构，或，激发线圈和感应线圈各自独立绕组线圈的独立结构。
154.激发感应线圈在检测区中与主磁场垂直布置。
155.激发感应线圈的外形包括但不限于矩形和圆形，大小尺寸适合放置在检测区之内。
156.对于共用结构，控制子系统连接激发感应线圈，产生发出激发射频磁场信号，接收核磁共振信号。
157.对于独立结构，控制子系统的激发端连接激发线圈，产生并发出激发射频磁场信号，控制子系统的感应端连接感应线圈，接收核磁共振信号。
158.进一步的，施加核磁共振的步骤，具体包括但不限于：以主磁场为垂直方向，布置激发射频磁场与主磁场垂直并且在同一个检测区的水平方向，放置检测物于检测区，调整激发射频磁场的频率和强度，使得特定质子产生核磁共振的步骤，特定质子包括但不限于在检测物中的检测分子中、干扰分子中。
159.进一步的，在激发射频磁场工作时采集包括但不限于频率、幅度、宽度的共振信号的步骤。
160.进一步的，在激发射频磁场从停止直到特定质子恢复常态为止的过程中的水平方向采集包括但不限于频率、幅度、宽度和弛豫时间的水平弛豫信号的步骤。
161.进一步的，在激发射频磁场从停止直到特定质子恢复常态为止的过程中的垂直方向采集包括但不限于频率、幅度、宽度和弛豫时间的垂直弛豫信号的步骤。
162.核磁共振信号的具体采集轴向，是按照业内公知共用的知识确定的，通过感应线圈和解析电路采集获得。如图3、图4、图5、图7所示的直角坐标系，感应线圈可分为单轴、双轴和三轴，以便获得相应坐标轴上的感应信号。对于无需核磁成像应用的系统，本发明的感应线圈至少包括与激发线圈同轴的单轴即可。
163.干扰分子，是指包含在检测分子中的其它分子，但是干扰分子中也包含特定质子的分子，对于不包括特定质子的干扰分子，由于它不能形成核磁共振信号，所以可以在核磁共振的检测中不予考虑。只是在拉曼光谱检测时，由于特征峰是混合的，所以这时候可以采用一些公知共用的筛选方法，删除干扰分子的拉曼光谱的信号部分。
164.需要特别指出的是，作为一种低成本的、只对特定检测分子的检测应用，也可以取
消采集核磁共振信号的步骤，而只是在施加主磁场的磁化状态时和不施加主磁场的非磁化状态时，只通过采集拉曼光谱信号，以计算解析出检测物中检测分子的含量的步骤，而不需要核磁共振步骤的参与。
165.2.4、激光器在前述基础方案的基础上，本发明的具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现。
166.连接控制子系统并接受控制，产生单波长或双波长的激发光，激发光的波长范围包括但不限于可见光、红外光和紫外光，激发光的功率包括但不限于0.1mw至5w，双波长为波长相差在0.01%至5%范围之内。
167.激发光从产生到照射到检测物上形成光斑的光路为一次光路，一次光路中包括但不限于窄带滤光镜，以放行允许波长范围的激发光通过，阻止非允许波长的激发光通过，通过激发光输出端口，最终以光斑的方式照射到检测物上。
168.一次光路中包括但不限于准直和聚焦的光学器件，以整形光路实现聚焦成光斑。
169.同轴模式和离轴模式，同轴模式为一次光路的最后一段光路与拉曼散射光采用同一个光轴线传输，离轴模式为一次光路的最后一段光路与拉曼散射光以光斑为交叉点，激发光与拉曼散射光以各自的光轴线分开传输。
170.对于一些荧光不明显或者荧光对于检测影响不大的应用，为了降低成本减小复杂度，可以采用单波长单路激光器。
171.在这里，双波长激光器主要是采用差分光源来消除光斑处的荧光部分，它包括以下两种方案实现差分光源，一是直接采用2路波长接近的激光管，二是采用1路激光管，通过对于电源的控制，实现产生的激光频率的细微差别。
172.在一次光路中，可以采用光纤作为激发光输出器件，只是在激发光输出端口，本实施例采用聚焦方式最终输出激发光，还可以采用较细的光束准直输出。此时的激发光光束直径小于考虑的因素包括以下两点，一是小直径有利于拉曼散射光的产生，另外一方面，直径过于小的时候，需要考虑激发光对于检测物的破坏，在用于人体检测的时候，还需要考虑人体的感受，以及相关安全标准。
173.需要注意的是，在一次光路中，靠近主磁场的部分，不得使用磁性材料，以免影响主磁场和激发射频磁场、影响对于特征磁谱的检测和解析。
174.2.5、拉曼探头在前述基础方案的基础上，本发明的具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现。
175.拉曼探头包括但不限于反射镜或第一聚光镜，还包括但不限于准直镜、滤光镜和输出光纤，具体是：从光斑直到输出光纤构成二次光路，反射镜或第一聚光镜位于二次光路的前端，用于汇聚出自光斑处光线。
176.准直镜用于准直汇聚后的光斑处光线，传输到滤光镜，由滤光镜阻止从光斑处光线中包含的与激发光波长相等的反射光成分，放行拉曼散射光的成分。
177.拉曼散射光包括但不限于斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光和布里渊散射光。
178.滤光镜包括但不限于用于放行斯托克斯散射光的低通滤光镜或放行反斯托克斯
散射光的高通滤光镜或放行布里渊散射光的双带通滤光镜。
179.拉曼散射光由输出光纤的接收端接收，传输到输出端。
180.拉曼探头还包括但不限于第二聚光镜，位于滤光镜和输出光纤的接收端之间，用于汇聚拉曼散射光，导入到接收端，其中，第二聚光镜形成的汇聚光锥的数值孔径小于等于接收端的数值孔径。
181.输出光纤采用包括但不限于一根以上大直径纤芯的光纤，纤芯直径大于40μm，纤芯材料包括但不限于石英、塑料，输出端为光纤接口，其标准包括但不限于sma905、fc，接收端采用垂直切割的断面。
182.拉曼探头中的聚光镜和准直镜，需要考虑工作的光波波段，例如，对于红外波段，透射式的聚光镜和准直镜应采用石英玻璃，反射式聚光镜和准直镜应采用镀金镜面，以提高红外光线的透射或者反射的效率。
183.需要注意的是，在二次光路中，靠近主磁场的部分，不得使用磁性材料，以免影响主磁场和激发射频磁场、影响对于特征磁谱的检测和解析。
184.2.6、磁光夹角控制器在前述基础方案的基础上，本发明的具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现。
185.包括但不限于磁光夹角调节器，具体包括但不限于：设定磁光夹角是以主磁场方向为方向基准，以光斑为位置基准的散射光夹角和激发光夹角，磁光夹角调节器包括但不限于手动调节器和电动调节器和调节位置限定的限位器，并安装在控制支架上。
186.磁光夹角调节器包括但不限于调节轨迹，调节轨迹的种类包括但不限于以位置基准为中心的包括但不限于螺旋线、圆环线、径向线、平面直角坐标线，调节轨迹的参数包括但不限于轨迹坐标值、极坐标下的方位角和仰角。
187.电动调节器通过通信接口连接控制子系统，基于调节轨迹的种类、调节轨迹的参数与控制子系统通信，接收和回传控制信息，电动调节器采用包括但不限于步进电机、超声波电机、电磁铁驱动，控制信息包括但不限于调节轨迹的种类、调节轨迹的参数和完成状态。
188.手动调节器具有手动调节钮，连到控制支架的外表面，便于实施手动调节。控制支架的外表面的手动调节钮的行程附件，具有刻度标记。
189.离轴模式包括但不限于散射光夹角调节器、激发光夹角调节器，实施对于散射光夹角、激发光夹角进行调节。
190.散射光夹角调节器还包括但不限于固定拉曼探头，以光斑为圆心、以二次光路的光轴对准光斑为径向旋转的机构，以改变散射光夹角。
191.激发光夹角调节器还包括但不限于固定激发光输出端口，以光斑为圆心、以一次光路的末端光轴对准光斑为径向旋转的机构，以改变激发光夹角。
192.散射光夹角调节器和激发光夹角调节器之间包括但不限于相互位置限位器。
193.同轴模式的磁光夹角调节器采用散射光夹角和激发光夹角一体化统一调节，包括但不限于固定拉曼探头，以光斑为圆心、以末端光路的光轴对准光斑为径向旋转的机构，以改变磁光夹角。
194.为了便于叙述，定义第一夹角为激发光的方位角和仰角，第二夹角为散射光的方位角和仰角。
195.进一步的，通过测量获取最优磁光夹角，包括但不限于：调整磁光夹角，当核磁共振光谱达到最优核磁共振光谱时，以此磁光夹角为最优磁光夹角的步骤，最优核磁共振光谱，具体包括但不限于：在核磁共振光谱中一个以上指定位置的信号幅度最大或最小。
196.在核磁共振光谱中一个以上指定位置的信号幅度与另外一个以上指定位置的信号幅度的比值最大或最小。
197.核磁共振光谱中出现的波峰个数大于特征个数，特征个数是与检测分子有关联的数值。
198.在调整磁光夹角的全部范围中，核磁共振光谱中出现的波峰个数最多。
199.记录此时获得的最优磁光夹角为已知最优磁光夹角。
200.进一步的，通过设定获取最优磁光夹角，具体包括但不限于：依据已知最优磁光夹角来设定磁光夹角，将此时获取到的核磁共振光谱指定位最优核磁共振光谱的步骤。
201.进一步的，依据最优核磁共振光谱，计算在检测物中检测分子含量的步骤。
202.进一步的，采用永磁铁或电磁铁方式产生主磁场的步骤，电磁铁包括但不限于直流线圈电磁铁和超导体线圈电磁铁。
203.磁光夹角，包括但不限于主磁场方向与激发光方向的第一夹角和主磁场方向与散射光方向之间的第二夹角。
204.调整磁光夹角的方式包括但不限于结构固定模式、手动调整模式和自动调整模式。
205.调整磁光夹角的步骤是本发明方法的一种优选项，而不是必选项。在一些应用中，可以采用固定的磁光夹角的方案，这对于一些已知的优化磁光夹角的检测应用，取消调整磁光夹角，采用固定的磁光夹角设计，这将有利于降低应用系统的复杂度和降低成本。
206.作为手动调整模式是，在第一夹角和第二夹角上，设计一种利于手动调整的机械装置，用于分别调节第一夹角和第二夹角。
207.作为自动调整模式，是设计一种包括步进电机来实现对于第一夹角和第二夹角来实施分开独立调节，步进电机再由相应的控制电路控制，并接受系统的控制指令。进一步的，还可以通过对于拉曼光谱信号的解析，在第一夹角和第二夹角可调的全程范围内，扫描和寻找最优核磁共振光谱或者最强的拉曼散射光信号，最终确定最优磁光夹角的第一夹角和第二夹角。
208.关于磁光夹角，涉及图2、图3、图4、图5、图6、图8、图9和图10都是用于表示磁光夹角的。
209.图3是核磁共振原理图，这是单个特定质子在核磁共振情况下产生进动的工作原理。其中，301表示主磁场及其磁场方向，它是一种磁场强度较大的静态磁场。302表示激发射频磁场及其方向，它是一种交变磁场，根据核磁共振的原理，当这个交变磁场的变化频率与特定质子在主磁场下的固有频率相等时，特定质子将发生旋转轨道进动，这个进动的过程包括特定质子绕着op轴自旋，同时还以op点为半径，绕q点公转，当激发射频磁场停止后，特定质子将进入弛豫状态，最终恢复到磁化状态。303表示特定质子及其旋转磁矩，304表示
特定质子的进动轨道，b0表示主磁场强度，b1表示激发射频磁场强度，o表示特定质子中心，p表示磁矩轴与进动轨道圆心的垂直交叉点，q表示进动轨道圆心。
210.图4是核磁共振下的拉曼散射光原理图，其中，401表示主磁场及其磁场方向，402表示特定质子的旋转磁矩轴，403表示激发光及其方向，404表示散射光及其方向，405表示散射光高概率区，o表示特定质子中心。在这里，球形的特定质子中，球壳是特定质子的核外电子的电子云运动轨道概率分布的示意，在量子力学中，球形的电子云只是其运动概率分布中，球形只是其中的一种，由于电子能级的不同，其运动轨道概率分布将呈现多种外形。激发光的光子对于处在不同的能级轨道上的电子产生非弹性碰撞，引起电子的运动轨道的能级跃迁，在跃迁时释放出光子，考察这些被释放的光子，其释放点和飞行轨道，通过微观的量子现象，到宏观的具体位置和运动方向，将呈现统计学表现。图中的qns表示按照统计学规律，其非弹性碰撞产生点的高概率区。
211.图5是核磁直角坐标原理图，表示单个特定质子在核磁共振条件下的电子云概率分布。其中，501表示特定质子，502表示高概率区，x表示直角坐标系x轴，y表示直角坐标系y轴，z表示直角坐标系z轴，o表示直角坐标系中心点，ls表示激发光，rm表示散射光。图中qns含义同上。
212.图6是核磁极坐标原理图，这是为了表示激发光和散射光的位置和角度的示意图。其中601表示主磁场与激发光形成的要交，602表示主磁场与散射光形成的第二夹角，603表示散射光高概率区，x表示直角坐标系x轴，y表示直角坐标系y轴，z表示直角坐标系z轴，o表示直角坐标系中心点，ls表示激发光，rm表示散射光，θ和φ表示方位角，3共同构成第一夹角。
213.图9、图10是作为磁光夹角控制器的结构实施例。
214.它是由两个同心圆的半圆环的导轨构成，激光器和拉曼探头分别安装在各自的导轨上，由手动或者电动，完成激光器以及拉曼探头的位置调节。需要注意的是，两个导轨均强制激光器和拉曼探头各自的光轴指向圆心，而激光器发出的激发光的光斑就位于这个圆心处，因此，这种结构将保证拉曼探头所收集的拉曼散射光的焦点一直处在光斑处。
215.其中，图9是半圆导轨的正面示图，图10是半圆导轨的侧面示图，901是主磁场方向及z轴，902是直角坐标系x/y轴，903是激发光光路轴，904是拉曼散射光光路轴，905是激光器，906是激发光聚焦光路，907是激光器运动轨道，908是拉曼探头，909是拉曼散射光汇聚光路，910是拉曼探头运动轨道，x/y是直角坐标系x/y轴，z是直角坐标系z轴及主磁场方向，o是直角坐标系中心点，ls是激光器，rm是拉曼探头，θ
ls
是激发光方位角，θ
rm
是拉曼散射光方位角。1001是主磁场方向，即z轴，1002是直角坐标系y/x轴，1003是激发光光路轴，1004是拉曼散射光光路轴，1005是激光器，1006是激发光聚焦光路，1007是激光器运动轨道，1008是拉曼探头，1009是拉曼散射光汇聚光路，1010是拉曼探头运动轨道，x/y是直角坐标系x/y轴，z是直角坐标系z轴及主磁场方向，o是直角坐标系中心点，ls是激光器，rm是拉曼探头，φ
ls
是激发光仰角，φ
rm
是拉曼散射光仰角。
216.图13是一种特征光谱的示意图，其中，横轴为拉曼散射光位移值，纵轴是拉曼散射光的幅度值，1301和1302分别是差分方式下由两个激光器产生的拉曼效应时采集的两个拉曼散射光光谱的谱线，1303是通过差分算法计算获得的拉曼散射光的特征峰波形。
217.优选地，关于离轴方式，还可以包括以下具体步骤。
218.采用离轴方式，以恒定主磁场的方向为基准方向，针对检测物上的光斑为顶点，在核磁共振过程和水平弛豫过程和垂直弛豫过程中，通过调整激发光与基准方向的激发光夹角、收集的散射光与基准方向的收集散射光夹角，以采集离轴拉曼光谱信号并计算检测分子的离轴特征光谱的步骤。
219.依据多次获得的在不同的激发光与基准方向的激发光夹角和收集的散射光与基准方向的收集散射光夹角情况下获得的离轴拉曼光谱信号和离轴特征光谱，计算获取最优离轴拉曼光谱信号和最优离轴特征光谱。
220.依据固有特征光谱，在最优离轴拉曼光谱信号中计算检测分子的离轴最优特征光谱的步骤。
221.采用差分光源和差分方法获取离轴最优拉曼光谱信号的离轴最优特征光谱的步骤。
222.离轴最优特征光谱是指在包括在离轴特征光谱中特征峰位置重复性最好和特征峰数值最大的离轴特征光谱，此时的激发光夹角和收集散射光夹角分别为最优激发光夹角和最优收集散射光夹角。
223.优选地，关于同轴方式，还可以包括以下具体步骤。
224.采用同轴方式，以恒定主磁场的方向为基准方向，针对检测物上的光斑为顶点，在核磁共振过程和水平弛豫过程和垂直弛豫过程中，通过调整光轴与基准方向的光轴夹角，以采集同轴拉曼光谱信号并计算检测分子的同轴特征光谱的步骤。
225.依据多次获得的在不同的光轴夹角的情况下获得的同轴拉曼光谱信号和同轴特征光谱，计算获取最优同轴拉曼光谱信号和最优同轴特征光谱。
226.依据固有特征光谱，在最优同轴拉曼光谱信号中计算检测分子的同轴最优特征光谱的步骤。
227.采用差分光源和差分方法获取同轴最优拉曼光谱信号的同轴最优特征光谱的步骤。
228.同轴最优特征光谱是指在包括在同轴特征光谱中特征峰位置重复性最好和特征峰数值最大的同轴特征光谱，此时的光轴夹角为最优光轴夹角。
229.在实际设计中，本发明中的公式只是表达方式中的一种，在不同的学术流派中，会有不同的公式列写方式，也均包含在本发明之中。
230.另外，固有特征光谱中的固有的概念，是包含该检测分子所特有的在光谱学方面的特征，随着光谱仪的自身性能的不同，会有一些差异，这些差异将表现在特征峰的具体位置、特征峰的形状（含大小、波峰角度、波峰高度、波峰面积等）等方面，这是公知共用的知识，并非本发明的特别定义。
231.这里补充说明的是，采用差分光源和差分方法，主要目的是为了消除荧光，其原理和说明，对于业内技术人员而言，属于公知共用的知识和技术。
232.进一步的，针对检测物，采用离轴方式，分别调整第一夹角和第二夹角，获取核磁共振光谱的数据，建立第一夹角与核磁共振光谱对应的离轴第一夹角函数，建立第二夹角与核磁共振光谱对应的离轴第二夹角函数的步骤，第一夹角和第二夹角的调整范围不超过从0度到180度。
233.进一步的，计算离轴第一夹角函数和离轴第二夹角函数的极值，建立与已知检测
分子含量的检测物的特征磁谱的对应关系表，作为依据离轴第一夹角函数和离轴第二夹角函数的极值、特征磁谱查取对应关系表获取检测分子含量的查表法的步骤。
234.进一步的，计算离轴第一夹角函数和离轴第二夹角函数的极值，并获取特征磁谱，采用计算法获取检测分子含量的步骤。
235.图1是离轴方式拉曼散射光采集的示意图。
236.优选地，采用离轴方式，以恒定主磁场的方向为基准方向，针对检测物上的光斑为顶点，在核磁共振过程和水平弛豫过程和垂直弛豫过程中，通过调整激发光与基准方向的激发光夹角、收集的散射光与基准方向的收集散射光夹角，以采集离轴拉曼光谱信号并计算检测分子的离轴特征光谱的步骤。
237.优选地，依据多次获得的在不同的激发光与基准方向的激发光夹角和收集的散射光与基准方向的收集散射光夹角情况下获得的离轴拉曼光谱信号和离轴特征光谱，计算获取最优离轴拉曼光谱信号和最优离轴特征光谱。
238.优选地，依据固有特征光谱，在最优离轴拉曼光谱信号中计算检测分子的离轴最优特征光谱的步骤。
239.优选地，采用差分光源和差分方法获取离轴最优拉曼光谱信号的离轴最优特征光谱的步骤。
240.优选地，离轴最优特征光谱是指在包括在离轴特征光谱中特征峰位置重复性最好和特征峰数值最大的离轴特征光谱，此时的激发光夹角和收集散射光夹角分别为最优激发光夹角和最优收集散射光夹角。
241.2.7、控制子系统在前述基础方案的基础上，本发明的具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现。
242.控制子系统还包括但不限于：基于存储、管理和控制子系统的工作步骤的处理器系统内核。
243.完成量子磁光传感器与外部通信的通信接口，并约定通信协议，通信接口的规格类型包括但不限于usb接口、wifi接口、bluetooth接口。
244.通信协议至少包括但不限于磁光夹角的控制信息、控制子系统的工作信息。
245.获取控制子系统、激光器和激发感应线圈所需要的工作电源、由电磁铁构成的主磁场发生器所需要的工作电源的电源接口。
246.对于主磁场、激光器、激发感应线圈和控制子系统进行保障性维护的自诊断子系统。
247.控制子系统的核心是电路板，为了减小对于核磁共振过程的干扰，电路板采用磁屏蔽的包装结构，并且安置在主磁场发生器的磁极背部，例如n极或者s极的背面，即主磁场和检测区的背面。控制子系统采用微处理器为核心的智能电路设计，包括cpu、存储、接口和soc电路，在通信接口及电缆上，采用磁屏蔽元件做高频隔离。
248.这里的直接计算法包括业内公知共用的一些方法，业内中级设计人员应该能够通过参考公知共用的资料予以采用，这里不再复述。
249.2.8、拉曼光谱仪在前述基础方案的基础上，本发明的具体包括但不限于以下的一种或者多种组合
实现。
250.包括但不限于拉曼光谱仪，具体包括但不限于：拉曼光谱仪包括但不限于光纤输入接口和控制接口，并且控制子系统包括但不限于光谱仪通信接口。
251.光纤输入接口连接拉曼探头的光纤接口，获取拉曼散射光。
252.控制接口连接控制子系统的光谱仪通信接口，接受控制子系统的控制。
253.拉曼光谱仪包括但不限于狭缝器、准直镜、分光镜、阵列光电转换器、积分器、光谱输出接口，以完成从拉曼散射光到拉曼光谱电信号的转换及输出。
254.拉曼光谱仪还包括但不限于制冷器及温度控制器，以执行对于阵列光电转换器的制冷及温度控制。
255.控制子系统包括但不限于对于拉曼光谱的解析步骤，包括但不限于显示器和操作界面，显示器用于显示包括但不限于光谱图形、参数，操作界面用于完成用户对于量子磁光传感器的操作。
256.拉曼光谱仪连接控制支架，构成一个整体。
257.拉曼光谱仪包括片上光谱仪和集成光谱仪。
258.片上光谱仪的采用，有利于将本发明实现功能完整，有利于小型化，将直接输出数字化的检测结果，例如直接输出特征磁谱、特征光谱和物质含量。进一步地，还可以将本发明制作成便携式的医用ivd设备。
259.拉曼光谱仪为独立与量子磁光传感器的外接设备，通过光纤接口和控制接口与量子磁光传感器连接和工作。
260.优选的，拉曼光谱仪包括片上光谱仪和集成光谱仪。
261.这里需要注意的是，这种优选方案是采用内置光谱仪方案，实际上，一种新型的片上光谱仪最为适合，它是采用光器件和集成电路混合方式制造的一种微型芯片尺度和结构的光谱仪。而集成光谱仪是一种采用小型化设计的，将透射式光路、反射式光路或者透射反射混合式光路的小型光谱仪。作为光路尺寸较大的、甚至带有制冷光电传感器的光谱仪，由于其体积和功耗较大，作为优选方案不建议采用。但是这并非在本发明申请中不能采用，这也是本发明需要保护的范围。
262.2.9、采集种类在前述基础方案的基础上，本发明的具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：核磁共振过程划分为磁化状态、核磁共振状态、弛豫状态和非磁状态，控制子系统中包括的拉曼采集种类的步骤，控制子系统通过拉曼探头采集这些状态中检测物的拉曼散射光，拉曼采集种类的步骤具体包括但不限于：磁化状态拉曼散射光，在主磁场已经加载但是激发感应线圈没有加载激发射频磁场信号时，这种状态即为磁化状态，此时，依据主磁场强度，采集此时的拉曼散射光即为磁化状态拉曼散射光。
263.核磁共振状态拉曼散射光，在主磁场已经加载时，激发感应线圈加载激发射频磁场信号，使得检测物中的特定质子产生核磁共振，这种状态即为核磁共振状态，此时，采集此时的拉曼散射光即为核磁共振状态拉曼散射光。
264.弛豫状态拉曼散射光，在特定质子已经开始核磁共振的前提下，从关闭激发射频磁场信号开始，到特定质子恢复到磁化状态为止，这个期间即为弛豫状态，此时，采集这个期间的全部时刻的拉曼散射光即为弛豫状态拉曼散射光。
265.非磁状态拉曼散射光，对于由电磁铁构成的主磁场发生器，关闭电磁铁的电源，使得主磁场的磁场强度归零，并且关闭激发射频磁场信号，这种状态即为非磁状态，此时，采集此时的拉曼散射光即为非磁状态拉曼散射光。
266.在控制子系统的通信协议中约定状态种类标志，通过通信接口与外界进行通信。
267.控制子系统中包括的核磁采集种类的步骤，控制子系统通过感应线圈，采集信号，至少包括：共振信号，在激发射频磁场工作时，采集感应线圈中包括但不限于频率、幅度、宽度的信号；水平弛豫信号，在激发射频磁场从停止直到特定质子恢复常态为止的过程中的水平方向采集包括但不限于频率、幅度、宽度和弛豫时间的信号；垂直弛豫信号，在激发射频磁场从停止直到特定质子恢复常态为止的过程中的垂直方向采集包括但不限于频率、幅度、宽度和弛豫时间的信号；上述采集种类，可根据需要来对于本发明的优化。例如，在无需非磁化状态时，主磁场发生器就可以采用永磁铁方案，而无需采用电磁铁方案，以便减小制造成本和体积。在不需要弛豫状态时，可以减小计算复杂度。
268.2.10、材料构成在前述基础方案的基础上，本发明的具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现。
269.除了主磁场发生器、激发感应线圈和控制子系统之外，全部元器件及控制支架的构成材料，均采用非磁性材料。
270.拉曼探头全部采用非金属材料制作。
271.在离轴模式中，激光器的激发光输出端口采用非金属材料制作。
272.控制子系统的电路板采用磁屏蔽材料制作成封闭的盒体，并且放置在远离检测物的拉曼检测界面的主磁场发生器的侧面，以减小对于主磁场的影响。
273.一次光路和二次光路全部采用非金属材料制作，这有利于减小激发射频磁场引起的电磁感应和涡流而造成对于检测的干扰，同时也免去了由于非金属和非磁物质的材料而引起对于磁场的干扰。
274.这里需要注意的是，对于感应线圈信号的计算，是为了解析出特征磁谱，而在这里，根据量子力学中量子磁场的理论，核磁共振时主磁场的大小和稳定与否，对于特征磁谱解析和计算的影响较大。为了减小对于主磁场的影响，在主磁场附近，尤其是检测物的检测面附近，不得采用磁性材料，建议采用非磁性的材料制造的器件。
275.2.11、特征磁谱和特征光谱通过控制子系统的通信接口，外部计算机可以获取本发明量子磁光传感器所获得的核磁共振和拉曼散射光光谱数据，依据这些数据，通过计算，可获得检测物的特征磁谱和特征光谱，已完成检测工作。
276.图12是特征磁谱的一种示意波形图。这是自由感应衰减fid信号的傅里叶变换的
波形图，其中，横轴是激发射频磁场的角频率，纵轴是化学位移fid的函数值。纵坐标为 ，是幅度，横坐标为，是激发射频磁场的角频率，图中有4个波峰，分别是oh键、ch2键、ch键和ch3键。
277.图13是特征光谱图的一种实际采集图。这是基于差分算法的拉曼光谱的谱线图。其中：1301是ld1通道光谱谱线，1302是ld2通道光谱谱线，1303是差分后的特征峰谱线。
278.需要特别指出的是，作为一种低成本的、只对特定检测分子的检测应用，也可以取消特征磁谱的步骤，而只是在非磁状态、磁化状态、共振状态和弛豫状态中，采集拉曼光谱信号，以计算解析出检测物中检测分子的含量的步骤，而不需要特征磁谱的计算参与。
279.关于磁谱直接计算法的具体设计，尤其是在获得了化学位移的自由感应衰减数据后，如何计算检测分子的含量，前人的一些成果已经成为公知共用的知识，可以参考一些教科书、研究报告和专利。
280.需要特别指出的是，作为一种简便的、低成本的应用，尤其是只通过拉曼光谱而无需特征磁谱参与也能够满足测量需要的情况下，依据特征磁谱计算检测分子含量的步骤可以省略，因此，本步骤并不是必需项，而是一种优选项。
281.实施例二、通用同轴量子磁光传感器1、 简介本实施例是本发明的一种采用同轴方式的例子。由于同轴方式在磁光夹角控制器方面结构相较于离轴方式要简单得多，具有成本低结构简化的优势。
282.此外，由于同轴方式的第一夹角和第二夹角是重合的，所以对于一些特定质子，获得优化磁光夹角的可能性将大大减小。
283.之所以采用同轴方式，是因为以下原因。
284.1、一些包含特定质子的检测分子，其拉曼散射光的产生的高概率角度与激发光的入射角度近似于负180度，此时同轴模式依然可以采集到足够分量的散射光；2、检测物中检测分子的含量浓度足够高，无需再提高检测灵敏度；3、基于成本、体积和简化的角度考虑。
285.2、示图说明本实施例内容主要包括由以下附图构成，它们是：图2、图3、图4、图5、图6、图7、图12、图13。图1、图8、图9、图10、图11可作为参考。
286.3、差异化说明与实施例一相同之处这里不予复述，不同之处在于：本实施例采用的是如图11所示的同轴方式激发和采集拉曼光谱。
287.其它差异化说明如下：在前述基础方案的基础上，本发明包括但不限于同轴方式的计算步骤，具体包括但不限于以下的一种或者多种组合方法步骤实现。
288.在图9和图10中，只采用一个导轨，并且把拉曼探头安装到导轨上，拉曼探头沿导轨方向运动，以调节磁光夹角。需要注意的是，无论拉曼探头在导轨上如何移动，其光轴始终指向光斑处，即图9图10的圆心o点。
289.优选地，同轴磁光夹角可以依据所检测的检测物属性，既可以设计成为可调的，还可以设计成为固定的。
290.在具体的磁光夹角调整方面，包括以下选择项。
291.进一步的，针对检测物，采用同轴方式，调整磁光夹角，获取核磁共振光谱的数据，建立磁光夹角与核磁共振光谱对应的同轴夹角函数的步骤，磁光夹角的调整范围不超过从0度到180度。
292.进一步的，计算同轴夹角函数的极值，建立与已知检测分子含量的检测物的特征磁谱的对应关系表，作为依据同轴夹角函数的极值、特征磁谱查取对应关系表获取检测分子含量的查表法的步骤。
293.进一步的，计算同轴夹角函数的极值，并获取特征磁谱，采用计算法获取检测分子含量的步骤。
294.优选地，以恒定主磁场的方向为基准方向，针对检测物上的光斑为顶点，在核磁共振过程和水平弛豫过程和垂直弛豫过程中，通过调整光轴与基准方向的光轴夹角，以采集同轴拉曼光谱信号并计算检测分子的同轴特征光谱的步骤。
295.优选地，依据多次获得的在不同的光轴夹角的情况下获得的同轴拉曼光谱信号和同轴特征光谱，计算获取最优同轴拉曼光谱信号和最优同轴特征光谱。
296.优选地，依据固有特征光谱，在最优同轴拉曼光谱信号中计算检测分子的同轴最优特征光谱的步骤。
297.优选地，采用差分光源和差分方法获取同轴最优拉曼光谱信号的同轴最优特征光谱的步骤。
298.优选地，同轴最优特征光谱是指在包括在同轴特征光谱中特征峰位置重复性最好和特征峰数值最大的同轴特征光谱，此时的光轴夹角为最优光轴夹角。
299.优选地，同轴方式由于无法分开激发光和散射光的角度，所以对于一些散射光与优化的激发光不在同一个角度的检测分子的检测和计算，不建议采用同轴方式。