量子磁光传感自然梯度磁场分层检测的系统

技术领域

本发明涉及互联网和新能源领域，尤其涉及量子力学、核磁磁谱和散射光光谱的融合创新，涉及医疗体外检测仪器的传感器子领域。本发明申请是发明人此前提出的《量子磁光传感方法》的系列发明之一，是进一步实现《量子磁光传感方法》的一种低成本进阶方案，也是发明人持续研究成果《量子磁光传感器》、《量子磁光多维传感方法》等授权发明专利的后续衍生深化的工业实用性的发明。具体是通过调整磁铁的位置，自然生成梯度磁场，以解决传统的通过梯度磁场线圈来产生梯度磁场的一种简便而低成本的方法。有利于实现医学广谱IVD（人体体外诊断产品）的产品，对于人体进行体外进行纯无创的皮下血液和组织液的超微量检测，还可专用食品、药物等其他微量物质的无损检测。

背景技术

1、核磁磁谱

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，可以计算出特定分子的含量。

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做特定分子的“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。

2、梯度磁场

梯度磁场是核磁共振技术中的核心技术，是实现核磁共振检测的核心技术，也是利用核磁共振实现成像的关键所在。现阶段，梯度磁场的实现大多是在主磁场中采用梯度磁场线圈产生偏转磁场、进而合成出梯度磁场的方法。该方法结构复杂，成本高昂，例如在现有的核磁共振成像系统中，就是采用这种方法。而一套用于检测人体的核磁共振成像系统，造价都是千万元左右。目前，尚未发现有低成本的梯度磁场实现方案。本发明申请就是试图以一种无需偏转磁场和梯度磁场线圈，而通过调节主磁场磁铁的位置，就能够实现梯度磁场的方法，以大幅度降低成本，减小设备体积。

3、散射光光谱

根据光学基本原理，光波的本质就是一种电磁波。可见光的频率介于380～780nm的电磁波，一束光线（通常可称为激发光）照射到物体表面，将产生反射光、折射光、衍射光和散射光。其中，反射光、折射光和衍射光是在宏观的几何光学中，电磁波在一种传播介质遇到另外一种传播介质时的反应，它符合光的反射定律、折射定律以及费马定律和马吕斯定律。具体规律是，对于反射光，反射角等于入射角，光波波长不变；对于折射光，折射角与入射角的正弦函数与两种介质的折射率成反比；对于衍射光，又称绕射，是指光波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。需要说明的是，反射光和折射光不在本发明的讨论范围之内，本发明只讨论散射光。

散射光属于微观的、符合量子力学原理的现象。基本原理是物质内的带电粒子、电子和质子在入射电磁波（激发光）的作用下，产生振荡，受到电磁波加速的电荷又在各个方向辐射电磁波，这一过程成为散射过程，产生的电磁波称之为散射光。散射光可划分为以下几种类型。

（1）、瑞利散射光

英国物理学家瑞利指出，当微粒的直径远小于激发光的波长时，产生散射光强度几乎与激发光强度相等的瑞利散射光，并且散射光有确定的散射角。当微粒处于静止状态时，产生波长与激发光相同的静态瑞利散射光；当微粒处于动态时，将产生受多普勒频移效应的波长比入射光加宽的动态瑞利散射光；当微粒的直径远大于激发光波长时，还会产生散射光强度与激发光波长没有依赖关系的米散射光。瑞利散射光属于弹性的散射光。

（2）、布里渊散射光

法裔美籍科学家布里渊对于涉及声学声子和涉及磁振子的非弹性散射光进行的研究，指出，光量子与发出散射光物质相互作用过程中产生和湮没的元激发仅是低能区的声学声子或磁振子，其能量范围≤0.124meV，与光子作用的量级为10-18～10-17，并且具备相干性。

（3）、拉曼散射光

印度物理学家拉曼对于散射光的研究中，发现了这种现象，并且荣获1930年的诺贝尔物理奖。这种现象是：光量子与发出散射光物质相互作用，产生和湮没的元激发，包含所有类别的元激发和转动、振动的原子、分子，双光子在三能级（基态、虚态和末态）之间跃迁，产生和湮没一个元激发（声子、磁振子、电子、等离激元中的某一个元激发）的过程。其能量范围是几个到几百，与光子作用的量级为10-14，并且具备非相干性。其中，包括散射光波长大于激发光波长的斯托克斯散射光和散射光波长小于激发光波长的反斯托克斯散射光。

（4）、汤姆孙散射光

英国物理学家汤姆孙发现：激发光入射的电磁波的电场，使得其中的自由带电粒子产生弹性散射，其特征是散射波的波长与激发光相同。并且，粒子加速的主要原因都来自入射波的电场分量，而磁场的作用可被忽略。粒子将会在电场振动的方向上开始运动，从而产生电磁偶极辐射。汤姆孙的成就，使得他荣获1906年诺贝尔物理奖。

（5）、康普顿散射光

美国物理学家康普顿发现：入射的激发光光子与物质原子中的核外电子产生非弹性碰撞而被散射的过程。碰撞时，入射光子把部分能量转移给电子，使它脱离原子成反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化。其中，因失去能量而导致散射光波长变长的现象称为康普顿现象；因光子获得能量引起散射光波长变短称为逆康普顿现象。康普顿的这些成就，使得他荣获1927年诺贝尔物理奖。

（6）、荧光

激发光照射到一些特定原子时，光的能量使原子核周围的一些电子由原来的轨道跃迁到了能量更高的轨道，即从基态跃迁到高级别的激发单线态，而这些高级别的单线态等是不稳定的，会恢复基态，此时的能量会以光子的形式释放，所以产生荧光。大多数情况下，荧光的波长比激发光波长更长，能量更低。但是，当吸收强度较大时，可能发生双光子吸收现象，导致辐射波长短于吸收波长的情况发生。当辐射波长与吸收波长相等时，即是共振荧光。常见的例子是物质吸收紫外光，发出可见波段荧光，我们生活中的荧光灯就是这个原理，涂覆在灯管的荧光粉吸收灯管中汞蒸气发射的紫外光，而后由荧光粉发出可见光，实现人眼可见的可用于照明光源。

需要特别说明的是，在本发明申请中，考虑到荧光和散射光都有基于量子力学的共同基础，为了便于说明，我们把荧光也纳入到散射光范畴里，作为同一个类别。

4、量子磁光传感方法现有研究积累

发明人团队自2022年开始，申请并且已经获得中国国家知识产权局授权3个中国发明专利《量子磁光传感方法 中国专利号CN114441507B》和《量子磁光传感器 中国专利号CN114441506B》和《量子磁光多维传感方法 中国专利号CN115452803B》是发明人团队在此前申请的同类创新，其主要创新点是首次提出：1、同时对包含特定质子的检测物进行核磁共振的磁谱检测和对检测物表面进行散射光光谱检测。2、建立磁谱和光谱相关联的量子力学方程，并求解出特定质子和特定分子在检测物中的含量。3、提出量子散射光呈现荆棘球分布模型，并解决微观原子和宏观检测物统计分布的数学模型的建立。

上述成果首次提出并且成功解决核磁共振磁谱和散射光光谱关联的理论、计算、实现方法和结构设计的问题，本发明是这些研究的深入和继续发展，旨在进一步提出在检测物上，以0～3维空间实现量子磁光传感自然梯度磁场分层检测的系统，以便实现更精准地定位测量、更好地应用于无创检测等方面的产品。例如，对于人体的体外无创检测（例如IVD产品），遇到的较大问题是皮肤的干扰，具体而言，在体外检测皮下组织、组织液、血管中的微量物质，由于磁谱和光谱均无法对抗来自于皮肤多样性的干扰，而采用多维度定位测量，就能够完美地解决这一问题。

5、现有的散射光探测仪简述

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奖的成果。

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、剧毒物质以及缉毒检测等，这些检测的需求也是存在的。

光谱检测产品

与测量领域中其他探测仪相比，散射光探测仪还是属于发展的初级阶段。虽然近些年为了科研探测的需要，一些专用的自研设备的研究报告也偶尔在一些科研期刊上报道，例如飞秒激光探测的实验设备、高精度拉曼光谱采集设备、阵列激光成像设备等。作为产品化的设备，发明人检索到的设备有以下若干种类，介绍如下。

（1）、共轴散射光探测仪整机

所谓共轴，是指激发光的发出和散射光的接收在探测点处采用同一个光轴。这是目前现有的基于散射光探测的常规手段。例如，现有的绝大多数拉曼探测仪、荧光探测仪、乃至有源光谱探测仪的整机，几乎无一例外的都是采用共轴结构。

（2）、共轴光谱探测头

为了降低成本和强调通用性，甚至有厂家将激发光的发出和散射光的接收设计成为一种称之为光谱探测头的产品，其结构原理依然是激发光和接收光共轴的结构。

（3）、体外诊断产品

基于共轴结构的体外诊断的典型产品：有IVD（英文名称：In Vitro Diagnosticproducts，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探测，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）进行探测，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奖的成果。

（4）、微量物质探测产品

基于共轴结构的微量物质探测产品：例如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，探测都是较为困难的，例如食品中的微量物质、药品中的微量物质、剧毒物质，这些探测的需求也是存在的。

（5）、拉曼光谱技术

基于共轴结构的拉曼光谱技术：拉曼光谱技术的最核心理论是拉曼效应Raman（英文名称：Raman scattering，中文简称：拉曼散射或拉曼效应。Chandrasekhara VenkataRaman, 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，还有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称为拉曼光谱。

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，人们又称其为特定分子的“指纹光谱”，通过这种指纹光谱，能够进一步计算特定分子在探测物中的含量。

6、现有技术的不足

从量子磁光传感技术看（《量子磁光传感方法 中国专利号CN114441507B》和《量子磁光传感器 中国专利号CN114441506B》和《基于多轴多模的量子散射光分布探测器 中国专利申请号CN202211270064.4》和《量子磁光多维传感方法 中国专利号CN115452803B》），现有技术没有采用可低成本实现的梯度磁场，均未实现对于检测物的低成本分层检测，这就不仅尚未解决梯度磁场的低成本和小体积问题，无法降低整体设备的造价和体积，更在于无法实现小体积跨越检测物表皮去检测皮下物质的能力，例如对于人体组织液中的葡萄糖检测，由于皮肤的多样性，如果不剔除皮肤的干扰，是无法实现对于皮下组织的精准检测的。

因此，采用梯度磁场对于检测物实现分层检测是重要和必需的。

7、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——《量子磁光传感自然梯度磁场分层检测的系统》，本发明的主要目的包括：

（1）、通过调整磁铁位置以自然产生梯度磁场，实现对于检测物的低成本分层检测；

（2）、设计量子磁光传感算法，以实现对于检测物的分层的特定分子含量检测计算。

本发明的主要意图和贡献包括：

（1）、结构贡献：通过采用包括永磁铁在内的低成本磁场，通过调整磁铁位置，产生梯度磁场，极大限度地降低成本和减小体积；

（2）、理论贡献：设计出计量子磁光传感算法，以准确检测和计算检测物的分层的特定分子含量；

（3）、发明意图：提供低成本小体积的量子磁光传感的自然梯度磁场分层检测的方法。

发明内容

1、本发明的核心思路

梯度磁场及K空间

在核磁共振理论中，梯度磁场是主磁场中叠加的一种磁场，由于磁场中某处的检测物的特定质子的核磁共振频率，是与该处合成磁场的大小成线性比例的，因此，在一个检测区的空间中，依次改变各个检测点的合成磁场大小，就能够实现对于核磁共振点的扫描，通过扫描，即可遍历全部检测区域的全部空间。

其中，公式1.1为核磁共振的频率计算原理，公式1.2为梯度磁场中x点的核磁共振频率，公式1.3为梯度磁场张量及K空间的偏微分方程组。业内技术人员应该明白核磁共振的基本原理，

1.1

1.2/>

1.3

其中，

在核磁共振设备的结构中，梯度磁场是通过专门设计的梯度磁场线圈产生。这种设计是对梯度磁场线圈通电，产生励磁，励磁叠加到主磁场，使得主磁场在某个轴向强度上产生一种大小的叠加变化，如公式1.3所示，从而产生梯度磁场。这种方案的结构较为复杂、体积庞大，并且需要消耗电能，成本较高。

自然梯度磁场形成与位置函数

依据磁场理论，假设磁铁的磁场强度为B，则距离磁铁为R处的磁场强度将按照公式1.4呈现位置函数关系。对于一对磁场均匀的磁铁，假设磁铁的磁极为平面，如果N极面与S极面相互平行，则在极面的中间部位，其磁场强度在一个与极面平行的参考中间平面上，是均等的。如果N极面与S极面的位置呈现一个不等于0的夹角，即N极面与S极面不平行，则依据位置函数公式1.4，在对称的参考中间平面上，其磁场强度将呈现出逐渐变化，亦即呈现梯度磁场。通过精心布置，在参考中间平面的一定范围内，将出现一个线性的梯度磁场。

1.4

需要注意的是，位置函数公式1.4是一种概念公式。在具体设计的时候，需要按照磁铁的形状、磁铁布置的位置、参考中间平面的选择，进行进一步的细化设计，以给出具体详细的位置函数。进一步的，参考中间平面也可以归一化成一个中轴线，例如以下发明内容实时步骤2.3、2.4中的X轴。

量子散射光理论依据

依据散射光产生的原理，在微观方面，全部散射光的产生，都是符合量子力学原理的，都是激发光光子与物质原子的核外电子相互作用产生的，符合量子力学的能量波函数规律。以激发光照射的探测点为球心，以接收光入射为参照，建立球极坐标，此时的散射光依据能量波函数的规律，将在这个球面上，呈现概率分布和角度分布，通过探测这个概率分布和角度分布，寻找到高概率区，即可找到所谓“高光点”，进而进一步探测出散射光概率分布图。

量子核磁能量波函数

能量波函数的计算公式包括但不限于：

公式1.5为直角三维坐标下拉普拉斯算子，公式1.6是约化普朗克常数的计算公式，公式1.7为直角三维坐标下薛定谔方程，公式1.8为球极坐标系下拉普拉斯算子，公式1.9为球极坐标系下拉普拉斯方程，公式1.10为哈密顿算子，公式1.11为球极坐标系下薛定谔方程，公式1.12为粒子的波函数计算公式，公式1.13为粒子的概率密度的计算公式，公式1.14为n个量子数的总体概率函数，公式1.15是最优概率区间的计算公式，

1.5/>

1.6

1.7

1.8

1.9

1.10

1.11

1.12

1.13

1.14

1.15

其中，

优选地，在核磁共振中的量子态和磁光夹角，是以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，从而释放的光子，以此释放的光子的概率分布作为拉曼光谱信号的概率分布的步骤。

优选地，依据探测物中全部特定质子在核磁共振中的量子态和磁光夹角，计算拉曼光谱信号的概率分布的步骤。

优选地，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的步骤。

优选地，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。

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设计。

核磁磁谱与散射光光谱关联

核磁磁谱至少包括：主磁场强度、激发射频频率、梯度磁场强度、核磁共振频率、核磁共振点的坐标、弛豫信号（自由感应衰减FID）、纵向弛豫时间T1、横向弛豫时间T2，检测时间等。

散射光光谱至少包括频移、强度，检测时间等。

散射光衰减

随着检测物属性的差异，激发光在照射到检测物的检测点时，会随着激发光波长的不同和检测物的属性不同，能够以梯度衰减的方式沿着激发光的光轴进入到检测物一定的深度，也就是说，光子的能量随着进入检测物的深度的扩大，逐渐衰减到零，以此深度为最大检测深度，出射到检测点的散射光，随着激发光光子能量的衰减而递减。在以波长为785nm的红外激光作为激发光时，对于人体的皮肤，能够进入皮肤约2mm至3mm，此时，激发光将会随着深度的变化而逐渐衰减。对于产生的散射光也是随着深度的增加，而逐渐衰弱。在本专利申请中，我们可以参考按照线性衰减，对于检测层做散射光强度做修正。

最多检测层数的计算，是依据激发光能够进入检测物（例如皮肤）的深度，例如对于波长为785nm的激光，在人的手指指腹皮肤里最大深度约为3.0mm，而皮肤中表皮和真皮的深度约为1.2mm，对于葡萄糖（分子式C6H12O6）或氯化钠（分子式NaCL）或黄体酮（分子式C21H30O2）的检测，需要在真皮以下的皮下组织中进行，于是需要计算1.2mm到2.5mm中的检测层的核磁磁谱和散射光光谱数据。具体是通过核磁共振时在梯度磁场进行分层计算中，对于体元尺寸的判断，例如这里的体元尺寸是1.40mm，那么，第一层体元的厚度为1.4mm，这里正好是表皮和真皮的组织，我们不需要检测这里的葡萄糖值，而第二层的体元的层在1.4mm至2.8mm之间，这个正好是我们需要检测葡萄糖的位置，于是计算该层的激发磁场频率，并依据这个频率，使得手指皮肤下的1.4mm至2.8mm的组织进入氢核磁共振状态，依据这个核磁共振状态下获得的散射光光谱，扣除第一层（1.4mm）的散射光衰减，从而获得本检测层的散射光光谱信号，据此，再依据比对数据库，查找计算出特定分子——葡萄糖的检测含量。

不同分子结构的核磁磁谱和散射光光谱区别

对于包含特定质子的不同的分子结构，由于共价键的不同和特定分子在检测物中的含量的不同，所产生的核磁磁谱和散射光光谱均有所差异。在需要检测特定分子的含量时，业内技术人员需要依据这些差异，建立求解方程，进行求解特定分子的含量。或者依据对于标定物（葡萄糖C6H12O6或氯化钠NaCL或黄体酮C21H30O2）测量而建立的比对数据库，进行查找确定。

散射光光谱的离轴可调方式

依据现有技术之不足，设计一种新的散射光探测仪，将现有的激发光与收集的散射光的同轴方式改变成离轴方式，并且设计使得离轴的夹角可调，通过调节离轴的夹角，寻找到最强散射光的位置。

2、本发明的实现步骤

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。

2.1、基础结构

本发明作为量子磁光传感自然梯度磁场分层检测的系统，包括但不限于：梯度磁场磁铁、线圈、光谱检测模块、温度传感器、控制模块、检测仓、壳体。具体包括但不限于：

由梯度磁场磁铁在检测区域产生梯度磁场，作用于检测区域中的检测仓内的检测物。

由控制模块产生共振层激发信号，通过线圈对于检测物中包括的特定质子在共振层激发产生核磁共振，再通过线圈采集共振层核磁感应信号。

由控制模块控制并通过光谱检测模块，产生激发光照射到检测物，并且采集散射光信号，分解散射光信号中包括的特定质子的分子键的特征峰信号。

分别在磁化状态、共振状态、弛豫状态采集散射光信号和指定的共振层的共振层核磁感应信号，输出交由后端设备计算，或由控制模块直接计算检测物中特定分子的含量。

2.2、条状梯度磁场磁铁

在前述基础方案的基础上，优选地，本发明梯度磁场磁铁具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：

梯度磁场磁铁由条状矩形六方体永磁铁或电磁铁或超导磁铁成对构成，一对梯度磁场磁铁包括磁场均匀的两个磁体，一个磁体的N极和另一个磁体的S极面对面布置，其中，N极磁体的边线和S极磁体的边线与X轴构成一个平面，两根边线对称分布于X轴两边，边线与X轴相交于坐标原点，两根边线与X轴的夹角均大于0度并且两个夹角相等，检测仓置于X轴上。

优选地，以一对以上梯度磁场磁铁，建立X轴的一维坐标系，通过调节梯度磁场磁铁的位置，使得梯度磁场磁铁之间所产生的磁场的大小沿X轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的一维梯度磁场。

优选地，以一对以上梯度磁场磁铁之间所自然产生的磁场的方向为Z轴方向，Z轴与X轴垂直，建立X轴、Z轴的二维坐标系，通过调节梯度磁场磁铁的位置，使得梯度磁场磁铁之间所产生的磁场的大小沿X轴方向和沿Z轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的二维梯度磁场。

优选地，以一对以上梯度磁场磁铁之间所自然产生的磁场的方向为Z轴方向，以与X轴和Z轴均垂直方向为Y轴，建立X、Y、Z的三维坐标系，通过调节磁铁的位置，使得梯度磁场磁铁之间所产生的磁场的大小沿X轴方向和沿Z轴方向和Y轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的三维梯度磁场。

实际上，依据工业界在永磁铁方面的最新发明，一种高强度的钕铁硼永磁铁作为本发明的应用较为合适。另外，随着高温超导体的进展，采用廉价的高温超导体构成的磁铁，也将纳入本发明的应用。

2.3、筒状梯度磁场磁铁

在前述基础方案的基础上，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：梯度磁场磁铁具体还包括但不限于：

梯度磁场磁铁由筒状体永磁铁或电磁铁或超导磁铁构成，磁体的N极和S极在筒状体的两端布置，并且两端的直径一大一小侧面呈梯形，以筒状体的中轴线为X轴，检测仓置于X轴。

建立X轴的一维坐标系，通过调节检测物的位置点，获得磁场的大小沿X轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的一维梯度磁场，沿X轴垂直方向布置激发线圈和感应线圈。

优选地，建立X轴、Z轴的二维坐标系，布置与X轴垂直的Z梯度线圈，通过Z梯度线圈产生，沿Z轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的Z梯度磁场，与X梯度磁场一起形成二维梯度磁场，并且布置激发线圈和感应线圈。

优选地，建立X、Y、Z的三维坐标系，布置与X轴垂直的Z梯度线圈和与X轴及Z轴均垂直的Y梯度线圈，通过Z梯度线圈产生，沿Z轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的Z梯度磁场，并且，通过Y梯度线圈产生，沿Y轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的Y梯度磁场，与X梯度磁场和Z梯度磁场一起形成三维梯度磁场。

实际上，依据工业界在永磁铁方面的最新发明，一种高强度的钕铁硼永磁铁作为本发明的应用较为合适。另外，随着高温超导体的进展，采用廉价的高温超导体构成的磁铁，也将纳入本发明的应用。

2.4、控制模块

在前述基础方案的基础上，本发明控制模块具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：

由计算机小系统连接的线圈驱动采集器和光谱检测处理器和输入输出接口，工作步骤包括：

计算机小系统，通过管控模块，管理控制线圈驱动采集器和光谱检测处理器和输入输出接口的工作。

线圈驱动采集器，包括合成驱动采集器，或，独立的激发线圈驱动器和感应线圈采集器，其中，合成驱动采集器所连接的为激发线圈与感应线圈合二为一的合成线圈，独立的激发线圈驱动器所连接独立的激发线圈，独立的感应线圈采集器所连接独立的感应线圈。

光谱检测处理器，对外连接光谱检测模块，由计算机小系统处理，控制光谱检测模块包括激发光启停控制、激发光功率控制，激发光频率控制。

输入输出接口，对外连接后端设备，接受后端设备的控制指令和输出信息给后端设备。

控制模块还包括由计算机小系统管理和控制的温度处理器，其中温度处理器连接温度传感器，检测梯度磁场磁铁的温度，由计算机小系统完成温度补偿计算。

优选地，控制模块还包括由计算机小系统管理和控制的磁场检测模块，其中磁场检测模块包括磁场强度传感器和信号处理电路，检测检测仓处的磁场强度。

优选地，控制模块还包括内部全集成模式，和，半集成模式，其中全集成模式包括由控制模块直接计算检测物中特定分子的含量的结果，半集成模式包括计算检测物中特定分子的含量的中间步骤，由后端设备继续计算出最终结果。

2.5、线圈

在前述基础方案的基础上，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：

线圈包括合成线圈，将产生共振层激发信号和采集共振层核磁感应信号的两组线圈合成为一组的合成线圈，其中，合成线圈的平面与自然梯度磁场的方向呈现垂直布置，并且布置在检测仓位置。

线圈包括独立的激发线圈和独立的感应线圈，其中，激发线圈的平面与自然梯度磁场呈现垂直布置，并且布置在检测仓位置。

优选地，线圈还包括Z梯度线圈和Y梯度线圈，布置在检测区域内，并且放置在检测仓之外。

2.6、光谱检测模块

在前述基础方案的基础上，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：

光谱检测模块具体包括：空间光学光谱模块，或，芯片光学光谱模块，具体包括：

空间光学光谱模块包括基于拉曼光谱的空间光学系统，至少包括激发光发生器、激发光聚光镜、激发光滤光镜、散射光聚光镜、狭缝、分光镜、光电转换器阵列、积分器、光纤。

优选地，空间光学系统还包括激发光和散射光在前端为同轴传输模式的同轴空间光学系统，或，激发光和散射光在前端为离轴传输模式的离轴空间光学系统。

芯片光学光谱模块包括基于集成电路制造工艺的微光学镜头阵列、图像传感器阵列、光电转换器、滤波器、光源二极管及微镜头。

优选地，激发光发生器产生的激发光波长与检测物中待检测的特定分子相关，包括针对人体皮肤的近红外、远红外波长。

优选地，光谱检测模块还包括光谱信号接口。

光谱检测模块的头部不得包括金属和磁性物质。

2.7、输入输出接口

在前述基础方案的基础上，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：

输入输出接口具体包括：电信号接口，其中，

电信号接口提供控制模块与后端设备的接口，包括USB、RS232、TypeC、蓝牙、WIFI接口，传输约定的通信内容。

优选地，输入输出接口具体还包括光谱信号接口，其中：

光谱信号接口提供包括收集到的散射光信号，包括滤光镜、聚光镜和光纤，提供给后端设备，接口类型包括SMA905、GBIC、LC、SC、FC，还包括用户自定义的接口。

2.8、制冷模块

在前述基础方案的基础上，优选地，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现的。

还包括光电转换阵列制冷器，具体包括：

在光电转换器阵列上，安装光电转换阵列制冷器以降低光电转换器的工作温度，减小温度噪声，光电转换阵列制冷器降低的温度低于环境的温度，包括0℃至－150℃。

优选地，在磁铁上，安装磁铁制冷器以降低磁铁和磁场的温度。

控制模块还包括由计算机小系统管理和控制的制冷驱动器，连接光电转换阵列制冷器，磁铁制冷器。

2.9、温度控制模块

在前述基础方案的基础上，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现，具体是：

还包括温度控制模块，具体包括：

温度控制模块是随着光电转换阵列制冷器、磁铁制冷器而配置的，包括温度传感器和温度处理器，由控制模块进行控制。

2.10、检测仓

在前述基础方案的基础上，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现，检测仓还包括：

检测仓由不包含金属和磁性物质的光学透明材料构成，呈筒状开口形状。

检测仓外侧避开布置线圈，线圈避开激发光和散射光光路。

优选地，检测仓大小尺寸包括10mm至90mm，如手指指头尺寸范围。

优选地，检测仓在朝向光谱检测模块的一面，检测仓安装有检测窗，检测窗材料由对于激发光和散射光波长的光线透明的材料构成。

优选地，检测仓检测窗布置在X轴。

2.11、其他

对于检测物中的特定分子，依据本发明提供的方法，还可以包括但不限于人体血液、组织液中其他分子的检测。

2.12、发明的有益效果

（1）、通过调整磁铁的位置以获得梯度磁场，最大限度地简化了梯度磁场的构成，最大限度地降低了制造成本，最大限度地减小了体积；

（2）、采用核磁共振机制进行分层采集核磁共振信号，与激发光/散射光的光谱采集到的特征峰信号，在磁化状态、核磁共振状态和弛豫状态下，采用量子化的量子磁光传感算法，实现对于特定分子的分层检测，分层计算特定分子含量；

（3）、基于分层检测和计算特定分子的含量，能够实现人体体外诊断的无创伤实现；

（4）、实现了发明目的、意图和贡献；

（5）、提供了本发明在人体血糖及黄体酮检测的具体实施例。

附图说明

图1：摘要图/实施例一图

图1中，O点是坐标原点，X/B是X轴和一维梯度磁场轴，Z/W是Z轴和梯度磁场宽度轴，N是磁铁的北极，S是磁铁的南极。1001是磁铁，1002是检测仓，1003是磁铁制冷器，1004是温度控制模块，1005是磁场检测模块，1006是输入输出接口，1007是光谱信号输出接口。

图2：条状磁铁的梯度磁场图

图2中，是一对条状磁铁产生的梯度磁场的示意图。2001是X轴，它与磁铁产生的主磁场方向垂直。2002是Z轴，它与磁铁产生的主磁场方向平行。O点是X轴和Z轴的相交点，也是坐标原点。2003是倾斜布置的条状磁铁。2004是磁矩，它是检测物中特定质子的原子核的磁矩，每一个磁矩是针对位置点处的示意，例如1H氢质子。2005是梯度磁场，需要注意的是，2004所指出的多根虚线是相同的磁场强度的线，而不是磁场方向线，并且，依照图2的磁铁位置布置，这些等磁场强度的线，是从左到右，磁场强度呈现逐渐减弱的，从而形成从左到右梯度减弱的磁场。2006检测仓。

图3：筒状磁铁的梯度磁场图

图3中，是一个圆筒状的磁铁产生的梯度磁场的示意图。3001是X/B轴，3002是Z/W轴，3003是筒状磁铁，3004是磁铁的S极，3005是磁铁的N极，3006是检测仓，3007和3008是磁力线方向。

一对磁铁以平行状态布置。根据磁铁的磁场分布原理，此时，除了磁铁两边的磁场强度呈现非均匀状态之外，磁铁中间的区域，磁场强度呈现均匀状态。其中，3001是X/B轴，3002是Z/W轴，3003是磁铁，3004是磁矩，3005是均匀磁场区域，3006是磁铁外围的非均匀磁场区域。

图4：控制模块图

图4中，是控制模块的示意图。图中，包括的各个部分的子模块，如图所示。

具体实施方式

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，并且，在本发明权利要求书条款之外，需要本行业的基础知识支撑。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，是对于发明的核心总结。

实施例一、通用体外诊断产品

1、简介及示图说明

本实施例是本发明的一个通用体外诊断产品IVD（英文：In Vitro Diagnosticproducts，中文：体外诊断产品）的系统图。可对皮下特定分子的含量分布进行检测。皮肤层及皮下层厚度尺寸可以按照实际情况测量、定义及调整。

对于视图，参考图1至图4。

2、方案及步骤

2.1、基础结构

本发明作为量子磁光传感自然梯度磁场分层检测的系统，包括但不限于：梯度磁场磁铁、线圈、光谱检测模块、温度传感器、控制模块、检测仓、壳体。具体包括：

由梯度磁场磁铁在检测区域产生梯度磁场，作用于检测区域中的检测仓内的检测物。

由控制模块产生共振层激发信号，通过线圈对于检测物中包括的特定质子在共振层激发产生核磁共振，再通过线圈采集共振层核磁感应信号。

由控制模块控制并通过光谱检测模块，产生激发光照射到检测物，并且采集散射光信号，分解散射光信号中包括的特定质子的分子键的特征峰信号。

分别在磁化状态、共振状态、弛豫状态采集散射光信号和指定的共振层的共振层核磁感应信号，输出交由后端设备计算，或，由控制模块直接计算检测物中特定分子的含量。

通常，作为核磁共振，较为有效的检测物的特定质子是氢质子。因此，作为一个特例，本专利将以氢质子（1H）作为主要的核磁共振检测的特定质子，但是这里并非排除其他的质子，例如13C、15N、19F、29Si、7Li、9Be等。特定分子是包括但不限于特定质子的化合物分子，例如葡萄糖（C6H12O6），或氯化钠（NaCL）或黄体酮（C21H30O2）等。

实际上，基于本发明申请的基本原理，对于生物体来说，这种传感方法是一种包括但不限于基于无创的皮下的广谱的IVD的通用方法。

2.2、条状梯度磁场磁铁

在前述基础方案的基础上，优选地，本发明梯度磁场磁铁具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：

梯度磁场磁铁由条状矩形六方体永磁铁或电磁铁或超导磁铁成对构成，一对梯度磁场磁铁包括磁场均匀的两个磁体，一个磁体的N极和另一个磁体的S极面对面布置。其中，N极磁体的边线和S极磁体的边线与X轴构成一个平面，两根边线对称分布于X轴两边，边线与X轴相交于坐标原点，两根边线与X轴的夹角均大于0度并且两个夹角相等，检测仓置于X轴上。

优选地，以一对以上梯度磁场磁铁，建立X轴的一维坐标系，通过调节梯度磁场磁铁的位置，使得梯度磁场磁铁之间所产生的磁场的大小沿X轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的一维梯度磁场。

优选地，以一对以上梯度磁场磁铁之间所自然产生的磁场的方向为Z轴方向，Z轴与X轴垂直，建立X轴、Z轴的二维坐标系，通过调节梯度磁场磁铁的位置，使得梯度磁场磁铁之间所产生的磁场的大小沿X轴方向和沿Z轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的二维梯度磁场。

优选地，以一对以上梯度磁场磁铁之间所自然产生的磁场的方向为Z轴方向，以与X轴和Z轴均垂直方向为Y轴，建立X、Y、Z的三维坐标系，通过调节磁铁的位置，使得梯度磁场磁铁之间所产生的磁场的大小沿X轴方向和沿Z轴方向和Y轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的三维梯度磁场。

作为条状磁铁，是本实施例的一种优选项，通过调节磁铁的位置，具体包括：

优选地，一对磁铁对称于X轴倾斜摆放，在一对磁铁形成的夹角之间形成自然梯度磁场。

优选地，多对磁铁对称于X轴倾斜摆放，在多对磁铁形成的夹角之间形成自然梯度磁场。

优选地，一对磁铁对称于X轴平行摆放，在一对磁铁形成的长条的入口处形成自然梯度磁场。

优选地，多对磁铁对称于X轴平行摆放，在多对磁铁形成的长条的入口处形成自然梯度磁场。

关于梯度磁场，在一些应用中，可以简化成只需要一维的检测，例如对于人体体外葡萄糖检测，只需要X轴梯度磁场，不需要Y轴梯度磁场和Z轴梯度磁场，只进行分层的检测即可。

实际上，依据工业界在永磁铁方面的最新发明，一种高强度的钕铁硼永磁铁作为本发明的应用较为合适。另外，随着高温超导体的进展，采用廉价的高温超导体构成的磁铁，也将纳入本发明的应用。

对于人体体外葡萄糖检测，这里需要注意在层检测时寻找到皮肤层，依照皮肤厚度进行X轴梯度磁场的厚度计算，在后续计算时，去掉皮肤层的葡萄糖分子的指纹光谱信号，而只需要计算出皮下组织中葡萄糖的含量。

之所以需要对梯度磁场进行编号，是因为在散射光光谱检测中，通常激发光照射到检测体（例如人的手指的指腹皮肤）的深度有限，对于可核磁共振的分层检测来说，激发光照射的深度通常为几个mm，而核磁共振的层厚度通常在mm数量级，因此，在进行散射光光谱和核磁磁谱关联时，通常的层数在两三层左右。

作为一个特例，0维检测，实际上是把整个检测物当成一个整体的检测，不分层、不分条和不分位的检测。

选用标定物，主要是用于在本发明首次应用时，制作标准计量砝码的功效。可以预先配制一批已知浓度的浓度梯度的系列标准，检测并且记录，作为后期应用的标准。在这里，标定物可以选择纯物质的水溶液或其他溶液。

由于磁场的作用，特定质子处于磁场中，受静磁场磁化、激发磁场引起共振、弛豫时的衰减，甚至在关闭主磁场时的非磁状态的情况下，特定质子的进动和章动情况的不同，从而引起散射光光子产生的位置和角度有所不同。据此可建立核磁共振的磁谱和散射光的光谱的量子运动联动的方程组，以进一步求解。

对于核磁磁谱和散射光光谱的参数及计算，业内技术人员应该依据基础知识进行关联计算。例如，对于皮下组织，不同的组织类型，核磁磁谱中的纵向弛豫时间T1和横向弛豫时间T2的值是不同的，例如在主磁场的磁场强度为1.0T时，对于血液，T1和T2分别是800ms和180ms；对于肌肉，T1和T2分别是600ms和40ms；对于脂肪，T1和T2分别是180ms和90ms。

需要注意的是，这里的一维，是指把整个检测物分成若干个检测层，对于各个检测层做进一步的检测。

最多检测层数的计算，是依据激发光能够进入检测物（例如皮肤）的深度，例如对于波长为785nm的激光，在人的手指指腹皮肤里最大深度约为3.0mm，而皮肤中表皮和真皮的深度约为1.2mm，对于葡萄糖的检测，需要在真皮以下的皮下组织中进行，于是需要计算1.2mm到3.0mm中的检测层的核磁磁谱和散射光光谱数据。具体是通过核磁共振时在梯度磁场进行分层计算中，对于体元尺寸的判断，例如这里的体元尺寸是1.40mm，那么，第一层体元的厚度为1.4mm，这里正好是表皮和真皮的组织，我们不需要检测这里的葡萄糖值，而第二层的体元的层在1.4mm至2.8mm之间，这个正好是我们需要检测葡萄糖的位置，于是计算该层的激发磁场频率，并依据这个频率，使得手指皮肤下的1.4mm至2.8mm的组织进入氢核磁共振状态，依据这个核磁共振状态下获得的散射光光谱，扣除第一层（1.4mm）的散射光衰减，从而获得本检测层的散射光光谱信号，据此，再依据比对数据库，查找计算出特定分子——葡萄糖的检测含量。

关于经验数据，在设备的研发期间，通常的做法之一是，采用更高测量精度的设备作为校准设备，对于每种特定分子，都进行临床校准，以此校准经验数据。另外一种可行的做法是，对于已经获得大量的临床数据时，采用人工智能的方法，获得校准后的经验数据。

经验差分算法的优势在于：采用大量临床数据，能够获得较为简洁的计算。

随着检测物的温度的降低，特定核子（例如1H）的极化率将急速增加，而温度的上升，特定核子的极化率将急速较小。当极化率高的时候，由于参与极化的特点核子数量多，因此在散射光产生的过程中，受极化影响的原子核就多，对于散射光光子的频率和出射角度的影响随之也变多。因此，温度越低，极化对于散射光的影响也就越大，影响的程度与极化率曲线成正比。

2.3、筒状梯度磁场磁铁

在前述基础方案的基础上，优选地，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：

梯度磁场磁铁由筒状体永磁铁或电磁铁或超导磁铁构成，磁体的N极和S极在筒状体的两端布置，并且两端的直径一大一小侧面呈梯形，以筒状体的中轴线为X轴，检测仓置于X轴。

建立X轴的一维坐标系，通过调节检测物的位置点，获得磁场的大小沿X轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的一维梯度磁场，沿X轴垂直方向布置激发线圈和感应线圈。

优选地，建立X轴、Z轴的二维坐标系，布置与X轴垂直的Z梯度线圈，通过Z梯度线圈产生，沿Z轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的Z梯度磁场，与X梯度磁场一起形成二维梯度磁场，并且布置激发线圈和感应线圈。

优选地，建立X、Y、Z的三维坐标系，布置与X轴垂直的Z梯度线圈和与X轴及Z轴均垂直的Y梯度线圈，通过Z梯度线圈产生，沿Z轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的Z梯度磁场，并且，通过Y梯度线圈产生，沿Y轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的Y梯度磁场，与X梯度磁场和Z梯度磁场一起形成三维梯度磁场。

基于条状磁铁相同的道理，关于梯度磁场，在一些应用中，可以简化成只需要一维的检测，例如对于人体体外葡萄糖检测，只需要X轴梯度磁场，不需要Y轴梯度磁场和Z轴梯度磁场，只进行分层的检测即可。

实际上，依据工业界在永磁铁方面的最新发明，一种高强度的钕铁硼永磁铁作为本发明的应用较为合适。另外，随着高温超导体的进展，采用廉价的高温超导体构成的磁铁，也将纳入本发明的应用。

对于人体体外葡萄糖检测，这里需要注意在层检测时寻找到皮肤层，依照皮肤厚度进行X轴梯度磁场的厚度计算，在后续计算时，去掉皮肤层的葡萄糖分子的指纹光谱信号，而只需要计算出皮下组织中葡萄糖的含量。

之所以需要对梯度磁场进行编号，是因为在散射光光谱检测中，通常激发光照射到检测体（例如人的手指的指腹皮肤）的深度有限，对于可核磁共振的分层检测来说，激发光照射的深度通常为几个mm，而核磁共振的层厚度通常在mm数量级，因此，在进行散射光光谱和核磁磁谱关联时，通常的层数在两三层左右。

作为一个特例，0维检测，实际上是把整个检测物当成一个整体的检测，不分层、不分条和不分位的检测。

选用标定物，主要是用于在本发明首次应用时，制作标准计量砝码的功效。可以预先配制一批已知浓度的浓度梯度的系列标准，检测并且记录，作为后期应用的标准。在这里，标定物可以选择纯物质的水溶液或其他溶液。

由于磁场的作用，特定质子处于磁场中，受静磁场磁化、激发磁场引起共振、弛豫时的衰减，甚至在关闭主磁场时的非磁状态的情况下，特定质子的进动和章动情况的不同，从而引起散射光光子产生的位置和角度有所不同。据此可建立核磁共振的磁谱和散射光的光谱的量子运动联动的方程组，以进一步求解。

对于核磁磁谱和散射光光谱的参数及计算，业内技术人员应该依据基础知识进行关联计算。例如，对于皮下组织，不同的组织类型，核磁磁谱中的纵向弛豫时间T1和横向弛豫时间T2的值是不同的，例如在主磁场的磁场强度为1.0T时，对于血液，T1和T2分别是800ms和180ms；对于肌肉，T1和T2分别是600ms和40ms；对于脂肪，T1和T2分别是180ms和90ms。

需要注意的是，这里的一维，是指把整个检测物分成若干个检测层，对于各个检测层做进一步的检测。

最多检测层数的计算，是依据激发光能够进入检测物（例如皮肤）的深度，例如对于波长为785nm的激光，在人的手指指腹皮肤里最大深度约为3.0mm，而皮肤中表皮和真皮的深度约为1.2mm，对于葡萄糖的检测，需要在真皮以下的皮下组织中进行，于是需要计算1.2mm到3.0mm中的检测层的核磁磁谱和散射光光谱数据。具体是通过核磁共振时在梯度磁场进行分层计算中，对于体元尺寸的判断，例如这里的体元尺寸是1.40mm，那么，第一层体元的厚度为1.4mm，这里正好是表皮和真皮的组织，我们不需要检测这里的葡萄糖值，而第二层的体元的层在1.4mm至2.8mm之间，这个正好是我们需要检测葡萄糖的位置，于是计算该层的激发磁场频率，并依据这个频率，使得手指皮肤下的1.4mm至2.8mm的组织进入氢核磁共振状态，依据这个核磁共振状态下获得的散射光光谱，扣除第一层（1.4mm）的散射光衰减，从而获得本检测层的散射光光谱信号，据此，再依据比对数据库，查找计算出特定分子——葡萄糖的检测含量。

2.4、控制模块

在前述基础方案的基础上，优选地，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：

由计算机小系统连接的线圈驱动采集器和光谱检测处理器和输入输出接口，工作步骤包括：

计算机小系统，通过管控模块，管理控制线圈驱动采集器和光谱检测处理器和输入输出接口的工作。

线圈驱动采集器，包括合成驱动采集器，或，独立的激发线圈驱动器和感应线圈采集器，其中，合成驱动采集器所连接的为激发线圈与感应线圈合二为一的合成线圈，独立的激发线圈驱动器所连接独立的激发线圈，独立的感应线圈采集器所连接独立的感应线圈。

光谱检测处理器，对外连接光谱检测模块，由计算机小系统处理，控制光谱检测模块包括激发光启停控制、激发光功率控制，激发光频率控制。

输入输出接口，对外连接后端设备，接受后端设备的控制指令和输出信息给后端设备。

控制模块还包括由计算机小系统管理和控制的温度处理器，其中温度处理器连接温度传感器，检测梯度磁场磁铁的温度，由计算机小系统完成温度补偿计算。

优选地，控制模块还包括由计算机小系统管理和控制的磁场检测模块，其中磁场检测模块包括磁场强度传感器和信号处理电路，检测检测仓处的磁场强度。磁场强度传感器包括但不限于霍尔传感器、隧道磁阻传感器、半导体磁敏电阻传感器、半导体磁敏二极管传感器等。

优选地，控制模块还包括内部全集成模式，和，半集成模式，其中全集成模式包括由控制模块直接计算检测物中特定分子的含量的结果，半集成模式包括计算检测物中特定分子的含量的中间步骤，由后端设备继续计算出最终结果。

业内工程设计人员需要注意的是，这种圆筒状磁铁是两端直径为一大一小，筒壁的厚度相同，并且磁极是两端布置的，此时的X轴在筒的内部与磁场方向平行，与条状磁铁的磁场方向是不同的。

业内工程设计人员，可以根据检测物和特定分子的属性，进行对这些优选项进行选择。

2.5、线圈

在前述基础方案的基础上，优选地，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：

线圈包括合成线圈，将产生共振层激发信号和采集共振层核磁感应信号的两组线圈合成为一组的合成线圈，其中，合成线圈的平面与自然梯度磁场的方向呈现垂直布置，并且布置在检测仓位置。

线圈包括独立的激发线圈和独立的感应线圈，其中，激发线圈的平面与自然梯度磁场呈现垂直布置，并且布置在检测仓位置。

优选地，线圈还包括Z梯度线圈和Y梯度线圈，布置在检测区域内，并且放置在检测仓之外。

激发线圈和感应线圈包括独立方式和共用方式。

共振层的设置，除了上述一维方法之外，还可以通过建立二维的、三维的梯度磁场和相应的激发线圈及激发信号，以便完成二维矩形条状共振和三维立方体（体元）的检测。

检测位在核磁共振领域中，习惯名词也叫做“体元”。检测位的引入，是为了进一步加强对于检测点的定位。需要注意的是，这里的检测点必须要跟检测位的位置相符，即检测点必须在检测位沿X轴的检测面的位置上。

作为具体的条扫描和检测位扫描的实现方法，本实施例将激发光产生模组和散射光收集模组设计成一种固定结构，然后再设计一个沿X轴和Y轴做平面运动的步进电机控制器，使得检测点可以随着检测条和检测位的位置变化而移动。

对于皮肤上有伤疤或者其他之类干扰的情况下，3维位检测的引入，可以跳过伤疤处或其他干扰处，以使得检测点处于正常的皮肤处，或者对准皮下血管处进行检测。

2.6、光谱检测模块

在前述基础方案的基础上，优选地，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：

光谱检测模块具体包括：空间光学光谱模块，或，芯片光学光谱模块，具体包括：

空间光学光谱模块包括基于拉曼光谱的空间光学系统，至少包括激发光发生器、激发光聚光镜、激发光滤光镜、散射光聚光镜、狭缝、分光镜、光电转换器阵列、积分器、光纤。

优选地，空间光学系统还包括激发光和散射光在前端为同轴传输模式的同轴空间光学系统，或，激发光和散射光在前端为离轴传输模式的离轴空间光学系统。

芯片光学光谱模块包括基于集成电路制造工艺的微光学镜头阵列、图像传感器阵列、光电转换器、滤波器、光源二极管及微镜头。

优选地，激发光发生器产生的激发光波长与检测物中待检测的特定分子相关，包括针对人体皮肤的近红外、远红外波长。

优选地，光谱检测模块还包括光谱信号接口。

光谱检测模块的头部不得包括金属和磁性物质。

业内工程设计人员需要注意的是，这里的光谱检测模块可以是一个光谱检测系统，例如拉曼光谱检测系统，特别需要注意的是，当采用独立的拉曼光谱检测系统时，无论是发光器的头部还是接收光谱的检测头，均不得含有金属的、磁性物质材料，以免对于磁场的影响。

随着检测物属性的差异，激发光在照射到检测物的检测点时，会随着激发光波长的不同和检测物的属性不同，能够以梯度衰减的方式沿着激发光的光轴进入到检测物一定的深度。在以波长为785nm、1064nm的红外激光作为激发光时，对于人体的皮肤，能够进入皮肤约2mm至3.5mm，此时，激发光将会随着深度的变化而逐渐衰减。对于产生的散射光也是随着深度的增加，而逐渐衰弱。在本专利申请中，我们将按照线性衰减，对于检测层做散射光强度做修正。

需要注意的是，虽然在核磁共振方面，在梯度磁场的作业下，存在检测层的问题，但是由于激发光进入检测物的深度限制，这里的检测层的深度必须跟激发光进入的深度相适应，否则，将无法实现磁谱和光谱的联合求解。

需要注意的是，对于无需成像、只需要做皮下组织检测时，只需要这里的1维层检测即可。

对于人体体外无创葡萄糖检测的应用，标定物的另外一种工作步骤是，以人体静脉血抽血在生化仪中检测，获得的葡萄糖值作为标定物的已知葡萄糖值，同时以本步骤检测到的整体核磁磁谱和表面散射光光谱的数据做对照，以生化仪化验的葡萄糖值作为比对数据，来校准本步骤所计算的检测含量，建立比对数据库。通过多次、多葡萄糖值检测的实验，获得比对数据库的比对数据。

对于其他的皮下分子检测，例如葡萄糖（C6H12O6），或氯化钠（NaCL）或黄体酮（C21H30O2）等，则标定物需要选择标准含量的黄体酮，检测和建立比对数据库。

2.7、输入输出接口

在前述基础方案的基础上，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：

输入输出接口具体包括：电信号接口，其中，

电信号接口提供控制模块与后端设备的接口，包括USB、RS232、TypeC、蓝牙、WIFI接口，传输约定的通信内容。

优选地，输入输出接口具体还包括光谱信号接口，其中：

光谱信号接口提供包括收集到的散射光信号，包括滤光镜、聚光镜和光纤，提供给后端设备，接口类型包括SMA905、GBIC、LC、SC、FC，还包括用户自定义的接口。

业内工程设计人员需要注意的是，当采用光谱信号接口时，还可以在散射光聚光镜后端直接采用大直径的光纤输出，例如SMA905接口，此后，连接光谱仪设备。

2.8、制冷模块

在前述基础方案的基础上，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现的。

还包括光电转换阵列制冷器，具体包括：

在光电转换器阵列上，安装光电转换阵列制冷器以降低光电转换器的工作温度，减小温度噪声，光电转换阵列制冷器降低的温度低于环境的温度，包括0℃至－150℃。

优选地，在磁铁上，安装磁铁制冷器以降低磁铁和磁场的温度。

控制模块还包括由计算机小系统管理和控制的制冷驱动器，连接光电转换阵列制冷器，磁铁制冷器。

业内工程设计人员需要注意的是，这里的制冷器的选型，包括半导体二极管制冷器、压缩机制冷器。在控制模块中，需要包括温度控制的管理、设定、自控以及显示的软硬件配套子系统。

2.9、温度控制模块

在前述基础方案的基础上，优选地，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现，具体是：

还包括温度控制模块，具体包括：

温度控制模块是随着光电转换阵列制冷器、磁铁制冷器而配置的，包括温度传感器和温度处理器，由控制模块进行控制。

业内工程设计人员需要注意的是，这里的温度传感器的选型，包括半导体二极管传感器、电阻传感器等。在温度控制模块中，需要包括温度控制的管理、设定、自控以及显示的软硬件配套子系统。

2.10、检测仓

在前述基础方案的基础上，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现，具体包括但不限于：

检测仓由不包含金属和磁性物质的光学透明材料构成，呈筒状开口形状。

检测仓外侧避开布置线圈，线圈避开激发光和散射光光路。

优选地，检测仓大小尺寸包括10mm至90mm，如手指指头尺寸范围。

优选地，检测仓在朝向光谱检测模块的一面，检测仓安装有检测窗，检测窗材料由对于激发光和散射光波长的光线透明的材料构成。

优选地，检测仓检测窗布置在X轴。

2.11、其他

在前述基础方案的基础上，优选地，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：

对于检测物中的特定分子，依据本发明提供的方法，还可以包括但不限于人体血液、组织液中其他分子的检测。也能够直接检测皮肤表皮上的某些分子，例如在美容行业中检测皮肤色素。

实施例二、无创血糖体外诊断（IVD）设备

1、简介

与实施例一不同，本实施例只作为简洁便携的血糖IVD设备设计方法。

不作为成像及其以图像方式执行体外检测，而是一类低成本的人体IVD检测方法的实施例。业内技术人员应该能够依照此方法构建一种低成本的人体IVD，例如用于检测葡萄糖之类的设备。

所谓血糖检测，就是检测人体血液中葡萄糖的含量。所谓黄体酮检测，亦即人体血液和组织液中黄体酮含量的检测。这对于糖尿病患者和怀孕妇女，是十分重要的。另外，对于美容行业，本发明亦可依此类推，实现皮肤色素类的检测。

本发明的一个关键意图，就是实现不破皮的方式，在人体皮肤上，完成无创伤检测。本发明的重要实施例之一就是为无创IVD提供一个可行的创新方法。

2、示图说明

本实施例的总体结构示意图如图1，其他示图如实施例一所述。需要提醒业内技术人员的是，这些图只是结构示意的一种，并不是对于本实施例的限定。

3、差异化说明

与实施例一相同之处这里不予复述，如前述示图说明，不同之处在于：

（1）、只采用一对条状永磁铁，倾斜布置，如图1和图2所述；

（2）、只采用一维的共振层分层核磁共振配制；

（3）、永磁铁采用高磁化的钕铁硼磁铁；

（4）、对于磁铁，采用半导体二极管降温，温度可降至－100℃至30℃，同时，采用温度补偿计算；

（5）、激发光的波长采用785nm或者1064nm的窄带激光二极管，按照斯托克斯散射光进行拉曼方式的光谱解析和采集；

（6）、将图1的元器件设计成一个小型化的整体，配合高精度拉曼光谱仪；

（7）、还可以采用计算机小系统和无线通信，将系统设计成一个完整独立的便携IVD设备。