Frekvens Blanding Magnetisk Detection scanner til Imaging magnetiske partikler i Plane Prøver

Summary

En scanner til billeddannelse magnetiske partikler i plane prøver blev udviklet under anvendelse af blanding magnetisk detektionsteknik den plane frekvens. Den magnetiske intermodulation produkt respons fra den ulineære nonhysteretic magnetisering af partiklerne registreres på en to-frekvens excitation. Det kan bruges til at tage 2D-billeder af tynde biologiske prøver.

Abstract

Opsætningen af ​​en plan Frequency Blanding Magnetic Detection (p-FMMD) scanner til at udføre Magnetisk Partikler Imaging (MPI) af flade prøver præsenteres. Den består af to magnetiske målehoveder på begge sider af prøven monteret på benene af en U-formet støtte. Prøven lokalt udsættes for et magnetfelt excitation felt bestående af to forskellige frekvenser, en stærkere komponent ved ca. 77 kHz og en svagere felt ved 61 Hz. De ulineære magnetisering karakteristika superparamagnetiske partikler giver anledning til dannelsen af ​​intermodulationsprodukter. En udvalgt sum-frekvens komponent af høj og lav frekvens magnetfelt falder ind på de magnetisk ulineære partikler registreres af en demodulationselektronik. I modsætning til en konventionel MPI scanner, er p-FMMD ikke kræver anvendelse af et stærkt magnetfelt til hele prøven, fordi blandingen af ​​de to frekvenser sker lokalt. Således er de laterale dimensioner af prøven er blotbegrænset af scanning rækkevidde og understøtningerne. Men prøven højde bestemmer den rumlige opløsning. I den aktuelle opsætning er det begrænset til 2 mm. Som eksempler præsenterer vi to 20 mm × 25 mm p-FMMD billeder erhvervet fra prøver med 1 um maghemit diameter partikler i silanol matrix og med 50 nm magnetit partikler i aminosilan matrix. Resultaterne viser, at den nye MPI scanneren kan anvendes til analyse af tynde biologiske prøver og til medicinske diagnostiske formål.

Introduction

Magnetiske nanopartikler (MNP) har fundet udbredte anvendelser i molekylærbiologi og inden for medicin, dvs. til manipulation af biomolekyler og enkeltceller ^1, til selektiv mærkning mål enheder til påvisning, ^{2, 3} for kromatin modulation, ⁴ og mRNA isolation og kræftbehandling . ⁵ på grund af deres superparamagnetiske egenskaber, de er især egnede til medicinsk billeddannelse. De kan tjene, for eksempel som kontrastmidler eller sporstoffer til magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) eller med hensyn til disponering billeddannelse ved hjælp superledende Quantum Interference Device (SQUID) detektorer. ^{2, 6} De superparamagnetiske nanopartikler giver en god kontrast til de forskellige væv af det menneskelige organ, der er dia- eller paramagnetisk. ⁷ således kan partiklerne bekvemt anvendes til at erhverve medicinske billeder af humane kropsdele med forholdsvis god rumlig opløsning og følsomhed. ⁸

telt "> Den magnetiske partikler Imaging (MPI) teknik blev indført ved Gleich og Weizenecker ⁹ gør brug af ikke-linearitet af partiklens magnetisering. Ved nul eller svagt magnetfelt bias, respons MNP til en AC excitation af frekvensen f er stærk grund deres store følsomhed. især partiklens ulineære magnetisering giver anledning til frembringelsen af harmoniske N · f, med n = 2, 3, 4 ... Ved høj magnetfelt bias, det harmoniske respons bliver svag, fordi partiklerne magnetisk mættet. i MPI teknik prøven helt magnetiseret bortset fra et felt-fri linje (ffl) eller et felt-fri punkt (FFP). Kun partikler ligger tæt på denne linje eller punkt vil bidrage til den ulineære reaktion af prøven. med bevægelse af en FFP og beskæftigelse af egnede receiver spoler, Gleich og Weizenecker erhvervede MPI billeder med en rumlig opløsning på 1 mm.

For atfå oplysninger om den rumlige fordeling af MNP, to metoder er normalt ansat, den mekaniske bevægelse af sensoren i forhold til prøven, eller bevægelse af FFL / FFP ved hjælp af elektromagneter. ^{2, 3} I sidstnævnte tilfælde, genopbygning billede teknikker ligesom harmoniske-space MPI ³ eller X-space MPI ^{10, 11,} er ¹² nødvendige. Den rumlige opløsning af MPI bestemmes ved foldningen egenskaber af excitations- og detektionsspoler samt ved egenskaberne af det magnetiske feltgradient. Dette tillader genopbygning billede algoritmer til at opnå en forbedret opløsning i forbindelse native opløsning, som er bestemt af størrelse og afstand af pickup spoler samt af magnetfeltet fordeling styret af Maxwells ligninger.

En MPI scanner består sædvanligvis af en stærk magnet til magnetisering af hele prøven, en styrbar spolesystem til styring af et FFL eller FFP tværs prøven, en høj frekvens excitation spolesystem og et påvisning spolesystem til optagning den ulineære reaktion fra prøven. Den FFL / FFP kontinuerligt bevæget gennem prøven volumen mens registreres det harmoniske svar fra denne umættede prøve region. For at undgå problemet med montering af prøven ind i scanneren, har en enkelt-sidet MPI scanner blevet demonstreret af Gräfe et al. ^13, men på bekostning af reduceret ydelse. De bedste resultater opnås, hvis prøven er omgivet af magneterne og spoler. Fordi prøven skal fuldt magnetiseret bortset fra FFL / FFP region, teknikken kræver relativt store og stærke magneter med vandkøling, hvilket fører til en temmelig voluminøs og tung MPI system.

Vores tilgang er baseret på frekvens blanding ved det ikke-lineære magnetiseringskurve af superparamagnetiske partikler. ¹⁴ Når super-paramagnets udsættes for magnetfelter ind på to forskellige frekvenser (f ₁ og f </ em> _2), sum frekvenser repræsenterer en lineær kombination m · f ₁ + n · f ₂ (med heltal m, n) genereres. Det blev vist, at forekomsten af disse komponenter er meget specifik for nonlinearity af magnetiseringskurven af partiklerne. ¹⁵ Med andre ord, når MNP prøven samtidigt udsættes for en drivende magnetfelt ved frekvensen _f2 og en sonderende felt ved frekvensen f _1, partiklerne generere et respons felt ved frekvensen f ₁ + 2 · _f2. Dette beløb frekvens ville ikke være nul uden magnetisk ulineære prøve, derfor specificiteten er ekstremt høj. Vi kaldte denne metode "frekvens blande magnetisk afsløring" (FMMD). Det er blevet eksperimentelt bekræftet, at teknikken giver et dynamisk område på mere end fire størrelsesordener i partikelkoncentration. ¹⁴

<p class = "jove_content"> I modsætning til typiske MPI instrumentering, går den plane frekvens blanding magnetisk detektion (p-FMMD) tilgang ikke kræve at magnetisere prøven tæt på mætning, fordi dannelsen af summen frekvenskomponent f ₁ + 2 · f ₂ er maksimum ved nul statisk skævhed felt. ^14. Derfor er behovet for stærke og omfangsrige magneter lindres. Faktisk er de ydre dimensioner af målehovedet er kun 77 mm × 68 mm × 29 mm. Til sammenligning, MPI opsætninger er typisk meter-størrelse. ⁷ Ulempen er imidlertid, at teknikken er begrænset til plane prøver med en maksimal tykkelse på 2 mm i den aktuelle opsætning. Prøven skal scannes relativt til tosidet måling hoved. En re-konstruktion giver mulighed for tykkere prøver er mulig, men må handles i et tab af rumlig opløsning.

Baseret på denne FMMD teknik præsenterer vi en særlig type MPI DETECtor for plane prøver, den såkaldte "plane frekvens blande magnetisk afsløring" (s-FMMD) scanner. Princippet er for nylig blevet offentliggjort. ¹⁷ I dette arbejde har vi fokus på den metode af teknikken og nuværende protokoller hvordan man opsætter sådan en scanner, og hvordan du udfører scanninger. Det har vist sig, at MPI kan anvendes til medicinske diagnostiske formål såsom hjerte-kar eller kræft billeddannelse. ^{16, 18, ​​19} Derfor mener vi, at den nye MPI scanner kan bruges til en bred vifte af anvendelsesmuligheder, fx til måling af magnetisk partikel distribution i vævssnit.

Protocol

1. Design en Planar FMMD målehovedet

1. Vælg en spole ordning for måling hoved. Vælg en konfiguration ifølge figur 1, består af to pickup spoler over og to under prøven i en (-, +, +, -) sekvens, med prøven sidder i midten mellem de to (+) spoler. Skiltet angiver retningen af snoede, dvs. (+) for uret og (-) for uret. Således følsomhed pickup spoler bliver næsten homogen på tværs af tykkelsen prøven.
   1. Placer exciteringsspoler således at direkte inducerede signal i pickup spoler udligner for at undgå mætning af forforstærkeren og opnå maksimal følsomhed til prøven. Andre konfigurationer, der opfylder disse grundlæggende design regler kan udtænkes.
2. Angiv den maksimale tykkelse prøven. Her bruge 2 mm.
   1. Vælg diameteren og længden af ​​pickup spoler svarende til den maksimale prøve thickness. Her blev en indre diameter på 2 mm valgt, som giver en gennemsnitlig diameter på 3,7 mm for højden af ​​viklinger på 1,7 mm. Spolen bredde er 4 mm.
   2. Vælg tråddiameteren og antallet af viklinger af pickup spoler, således at den samlede impedans af alle pickup spoler omtrent svarer indgangsimpedans forforstærkeren. Denne betingelse medfører restriktioner for afsløring frekvens. I tilfælde af en operationsforstærker med en optimal indgangsimpedans på 1.100 Ω, alle fire pickup spoler har 600 vindinger 0,08 mm dia. emaljeret kobbertråd, hvilket gav et samlet Ohmsk serie modstand på 95,3 Ω og en samlet induktans på 1,9 mH, hvilket giver 919 Ω impedans.
3. Forbered de højfrekvente exciteringsspoler ^17, således at det magnetiske felt ved prøvens placering ideelt beløber sig til omkring 0,5 mT. For eksempel, hvis den indre radius af spolen er 3,8 mm, og bredden er 8,5 mm, vind 476 viklinger på 0,1 mm i diameter w ire. Her var et felt på 0,4 mT gennemføres på f ₁ = 76.550 Hz.
4. Forbered lavfrekvente exciteringsspoler ^17, således at det magnetiske felt ved prøvens placering er omkring 5 mT. For eksempel, hvis den indre radius af spolen er 5 mm og bredden er 8,5 mm, vind 2.000 viklinger tråddiameter 0,12 mm. Opsætningen gav 5 mT ved f ₂ = 61 Hz.

Figur 1. Skematisk tegning af p-FMMD opsætning. To målehoveder er elektronisk forbundet med hinanden. Prøven anbringes i rummet mellem lederne. Detection spoler (+) måler prøven signal, counter-sår afsløring spoler (-) tjener som reference til at udligne den direkte felt fra de højfrekvente exciteringsspoler. Amp - forforstærker, x - mixer, LPF - lavpasfilter, DAQ - dataopsamling.target = "_ blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.

2. Konstruer Måling hoved

1. Konstruere p-FMMD således at to sæt excitations- og detektionsspoler er fæstnet over og under prøven. Hvert sæt af spoler består af en lav frekvens driver spole, en høj frekvens magnetiseringsspole og en differentiel detektering spole omfatter to modsat sår pickup spoler i aksial gradiometer konfiguration.
   1. Muliggøre en justerbarhed af mindst en magnetiseringsspole forhold til differencen detektionsspolen for at kunne udligne direkte induktion af højfrekvent magnetisering i detektionsspolen. For eksempel montere ekscitationsspolen på en tråd, der tillader relativ bevægelse af ekscitationsspolen versus detektionsspolen. Et skematisk diagram af p-FMMD er vist i figur 1. Figur 2 viser en teknisk tegning og et fotografi af opsætningen. detaljeretparametre for spolerne er anført i tabel 1.
2. Monter spolen sæt over og under prøven på en stiv understøtning, med koaksial orientering, se figur 1 og 2. Sørg for, at de to coil sæt ikke vibrerer i forhold til hinanden.
3. Juster højfrekvente balance af målingen hovedet ved at anvende den høje frekvens magnetiseringsstrømmen til den respektive magnetiseringsspolen sæt, variere den relative position imellem dem, og samtidig måling det detekterede signal på denne frekvens på detektionsspolen sæt, anvendelse af udstyr, såsom en oscilloskop eller en lock-in forstærker.
   1. Juster direkte inducerede spænding så lav som nogle få millivolt, dvs mere end 1.000 gange undertrykkelse af direkte induktion. Bestemme grænsen for justerbarhed ved at observere faseforskydningen mellem magnetiseringsstrømmen og detekteret spænding. På et minimum, den inducerede spænding er 90 ° faseforskudt som sammenlignesd til direkte induktion.

Figur 2. Teknisk tegning og foto af p-FMMD hoved. Tværsnit langs et vertikalt plan (øverst til venstre) og et vandret plan (nederst til venstre) er vist, samt et fotografi af den åbnede måling hoved før coil winding. 1 - Aluminum støtte, 2 - coil tidligere for afsløring coils, 3 - gevind coil tidligere for exciteringsspoler som kan flyttes op / ned ved rotation, 4 - prøve støtteplader, 5 - aluminium låg, 6 - prøve prop support, 7 - prop i x-retningen, 8 - prop i y-retningen. 6 - 8 er fjernet til scanning. Størrelsen af p-FMMD hoved er 77 mm × 68 mm × 29 mm. Klik her for at se en større version af dette tal.

3. Opsæt Måling Electronics

1. Konfigurer exciførelse afdeling, som består af de to oscillatorer og effektforstærkere for både lavfrekvente driver spole og høj frekvens excitation coil.
   1. Oprette den lavfrekvente drivsektionen, der omfatter en oscillator og en effektforstærker til den lave frekvens _f2. Beregn effekten af ​​forstærkeren således, at den leverer den nødvendige strøm til at producere inden for ca. 5 mT i driveren spolen. Her skal du bruge en direkte digital syntese (DDS) chip som programmerbare oscillator. Anvender en højhastighedsforbindelse puffer som effektforstærker.
   2. Opsæt excitation sektion høj frekvens, som omfatter en oscillator og en effektforstærker for den høje frekvens f _en. Opsætning af effektforstærkeren, således at den leverer den nødvendige strøm til at producere inden for ca. 0,5 mT i magnetiseringsspolen. Brug en DDS chip og en højhastigheds-buffer som oscillator og effektforstærker henholdsvis.
2. Konfiguration sektionen afsløring, som består af en preamplifier, til en første mixer demodulate fra den høje frekvens f _1, en ​​mellemliggende forstærker og filter, en anden blander til at demodulere fra to gange den lave frekvens 2 · f _2, og en endelig filter og output driver. Alternativt kan du bruge to lock-forstærkere til at gennemføre afsløring elektronik.
   1. Opsæt forforstærker scenen. Vælge den indgang operationsforstærkeren (OP), i betragtning af impedansen af ​​detektionsspolen og gevinsten båndbredde produkt. Udfør støj optimering procedure, under hensyntagen til den specificerede spænding støj og nuværende støj af OP, som forklaret i Ref. 10. Vælg en høj hastighed støjsvag operationsforstærker med en forstærkning på omkring 100 i den første fase. Den efterfølgende fase er ukritisk, men tjek at udgangssignalet forbliver i spændingsområde, dvs. ikke fordrejes på grund af overbelastning. Her skal du bruge en støjsvag JFET input operationsforstærker med 4,3-fold forstærkning.
   2. Opsætning af fFØRSTE demodulation etape, multiplicere det forstærkede signal med høj frekvens f _1. Brug en analog multiplikator chip og reference den fra et andet separat DDS chip for at realisere en justerbar fase for demodulation. Alternativt kan du bruge en lock-in forstærker som forforstærker (3.2.1), første demodulator (3.2.2) og høj frekvens generator (3.1.2).
   3. Opsæt den mellemliggende forstærkning og filtrering scenen. Gennemføre en lavpasfilter, således at signalet frekvens 2 · f ₂ passerer uforstyrret, mens de falske højfrekvente komponenter ved f ₁ og 2 · f ₁ er effektivt undertrykt. Vælg en passende mellemprodukt forstærkning, for eksempel ved at vælge to generelle formål operationsforstærkere med en samlet forstærkning på omkring 100.
   4. Opsæt den anden demodulation etape, multiplicere filtreres og forstærkede signal med det dobbelte af den lavfrekvente 2 · f _2. Brugen analog multiplikator chip og reference det fra en fjerde separat DDS chip for at realisere en justerbar fase for demodulation. Alternativt kan du bruge en lock-in forstærker stand til anden harmonisk demodulation som mellemprodukt forstærker (3.2.3), andet demodulator på anden harmoniske (3.2.4) og lavfrekvent generator (3.1.1).
   5. Opsæt den endelige forstærkning og filtrering scenen. Gennemføre en lavpasfilter, således at signalet frekvensen ved scanningsfrekvens passerer uforstyrret, mens de falske højfrekvente komponenter ved 4 · f ₂ er effektivt undertrykt. Vælg en passende endelig forstærkning, i betragtning af det ønskede output spændingsområde. Brug to generelle formål operationsforstærkere med en samlet forstærkning på omkring 10.

4. Opsæt 2D scanner

1. Montere en 2D scanner, således at bevægelsen er vinkelret på spolens akse.
2. Styr 2D scanner og synkront acquiring udgangsspændingen fra målingen elektronik for at opnå et 2D billede af FMMD signal af den plane prøve ved hjælp hjemmelavet script skrevet i programmeringssproget Python.

5. Forbered Sample

1. Brug magnetitpartikler med diametre på 50 nm og 100 nm og maghemit partikler med en diameter på 1 um, hvoraf koncentrationen er 25,0 mg / ml. opløsningen vaskes ved at opløse de magnetiske partikler i vand, at adskille dem ved hjælp af en magnet og kassere vandet. Gentag proceduren tre gange. Fortynd den magnetiske partikel opløsningen til en tiendedel med destilleret vand.
2. Forbered papir pellet prøver med 2,0 mm diameter ved at presse stykker absorberende trækpapir ved anvendelse af en biopsi punch. Soak dem i magnetisk perle løsning af forskellige koncentrationer i 30 sek, og lad dem tørre i luften. Her, brug koncentrationer på 0,04, 0,2, 1, 5, og 25 mg / ml 100 nm størrelse partikler.
3. Forbered en prøve ved hjælp af en nitrocellulose membran af størrelsen 2,0 mm x 18,0 mm. Soak membranen på ufortyndet 1 um partikeldiameter løsning. Forbered en prøve ved opblødning membranen jævnt, og en anden ved at lave en koncentrationsgradient. Gør dette ved neddypning enderne af membranen i perler opløsning med forskellige koncentrationer, hvilket resulterer i koncentrationsgradient (figur 5).
4. Der fremstilles en prøve i et kapillarrør af 10 pi volumen, ydre diameter 400 um, længde 40 mm. Fyld kapillærrøret med ufortyndet 50 nm partikeldiameter opløsning. Forbered en anden mikrorør med 20x fortyndet opløsning (mix 100 ul ufortyndet opløsning med 1,9 ml vand).

6. Udfør 2D FMMD Scan

1. Vælg scanningsområdet efter plane dimensioner a × b af prøven. Indtast værdierne i scanningssoftwaren.
2. Vælg stepping retning. Normalt den korteste af de to plane dimensioner, lad os kalde det b
3. Vælg scanningshastighed v, med hensyntagen til signal reduktion på grund af lav-pass filtrering, se diskussionen. Juster hastigheden til en værdi mellem 1 og 7 mm / sek. Indtast værdien i scanningssoftwaren.
4. Vælg stepping afstand Δ B, under hensyntagen til at det ikke behøver at være meget mindre end den opnåelige rumlige opløsning, og den totale scanningstid T, som vil være mindst t = a / v · b / Δ b +1). Indtast stepping afstand i softwaren.
5. Monter prøven på 2D-scanner. Løs det på plastplade med tape.

Figur 3. Foto af p-FMMD måling setup. Prøven er fastgjort med tape på plastik luftfartsselskab bevæget af motorentrin (venstre). Så prøven scannes i p-FMMD hoved (til højre). Klik her for at se en større version af dette tal.

6. Udfør scanningen ved at trykke på startknappen. De scanninger af figurerne 5 og 6 dækker en 20,0 mm (x-akse) × 25,0 mm (y-akse) region, dvs. seks 25 mm lange spor blev scannet langs y-aksen, med 4,0 mm trin i X-retning, på et stadium hastighed på 1,0 mm / sek. Dette svarer til en scanningstid på ca. 2 min.

Figur 4. Graphical User Interface af scanningssoftwaren. Scanningsparametrene indtastes her. Målingen startes ved at trykke på den røde knap.

7. Billedbehandling

1. Konverter de rå data til matrix formular ved hjælp af en homemade script i python. Log de rå data for hele scanning sammen med ekstra værdier i en 2-kolonne kommaseparerede værdier (CSV) fil. Den ekstra kolonne angiver den opfange de tilsvarende data i den foreløbige bevægelse. De script segmenter de rå data kolonne ved hver ændring af den ekstra kolonne værdi og fjerner data segmenter under træde bevægelse. Det konstruerer også den resulterende matrix ved at sætte de resterende træk segmenter i rækker eller kolonner af matricen og skriver matricen til en CSV-format fil.
   Bemærk: p-FMMD billeder af denne undersøgelse er fremkommet ved en python script. Den pyplot.contour funktionen og pyplot.imshow funktion fra matplotlib bibliotek til python er kumulativt anvendt til udarbejdelse af de konturer og baggrundsfarver, hhv.

Representative Results

Figur 5a viser den beregnede følsomhed fordeling af den indre dobbelt-differentiel detektering spole som en funktion af koordinaterne x og y i prøveplanet. Den blev beregnet i en omvendt tilgang ved at bestemme superposition af de magnetiske felter på alle punkter (x, y) i det centrale plan genereres af alle fire detektionsspoler. I bakgear, bestemmer denne detektionsspolen følsomhed over for et magnetisk moment ved hvert af disse punkter. Beregningen blev udført ved at tilnærme spolerne som lange spoler af ringe højde. Således følsomhed fordeling afbildet i figur 5a repræsenterer følsomheden kortet i scanning plan, det såkaldte punktspredningsfunktionen (PSF). På en tilsvarende måde, figur 5b viser følsomheden som funktion af den aksiale koordinat z og den radiale koordinat r (r x ² + y ^2), hvilket giver en vertikal kortlægning af følsomheden i spalten af målingen hovedet. Oprindelsen x = 0 og y = 0 ligger i centrum af detektionsspolen. Afstanden mellem centrene for den øvre og nedre detektionsspolen er 2 mm. Coil parametre er angivet i tabel 1. Figur 5c viser resultatet af en eksperimentel scanning over prøven streng-typen line fremstillet ifølge protokol 5.2. Til sammenligning blev en følsomhed spor beregnes ved numerisk integration af punktspredningsfunktionen afbildet i figur 5a over en 2 mm bred ideelle linje. Aftalen er godt, bortset fra at de negative skuldre i det beregnede signal ikke overholdes eksperimentelt. I simuleringen, disse negative dele stammer fra de negative bidrag fra reference- spoler, der er mere i det fjerneste felt regime end afsløring spoler siden af ​​sample. Vi tror det negative bidrag er overvurderet i simulering, fordi spolerne er tilnærmet med ubetydelig højde på viklinger.

Figur 5. Udførelse af målingen hoved. Beregnet følsomhed fordeling af målingen hoved (a) som en funktion af den plane koordinater x og y for z = 0, (b) som en funktion af den aksiale koordinat z og den radiale koordinat r . Følsomheden er givet relativt til midten mellem den øvre og nedre afsløring spole ved x = 0, y = 0 og r = 0. (c) Sammenligning af målt og simuleret følsomhed. Klik her for at se en større version af dette tal.

f ₁ = 76,56 kHz med hensyn til magnetiske momenter i midten af målingen hovedet. Ved beregningen blev parametrene for den indre spole taget som anført i Tabel 1, under forudsætning af en fyldning faktor (dvs. kobber fraktion i viklingerne tværsnit) af K _F = 0,5. Vi opnåede et magnetisk moment følsomhed m ₀ / √ f = 1,8 · 10 ^-14 Am ² / √ Hz. For 1 sek måling tid, svarer det til en løses minimum magnetisk øjeblik af m ₀ = 7,3 · 10 ^-14 Am ^2. Denne værdi er sammenlignelig end detektionsgrænsen, der kan opnås med en standard 8 mm måling diameter hoved. ¹⁴

Figur 6a viser signal intensitet som en funktion af koncentrationen af ​​magnetiske perler opløsning. Den scanning hastighed var 1,0 cm / min. Koncentrationen af ​​papiret pellets fremstillet i overensstemmelse med forskrift 5.2 blev varieret fra 0,04 til 25,0 mg / ml. Fejlsøjlerne angiver standardafvigelsen af ​​FMMD måling. Resultaterne viste en stærk korrelation mellem koncentrationen af ​​magnetiske perler og signalet fra detektoren. Determinationskoefficienten ^R2 for den lineære regression blev evalueret som 0,98. Figur 6b viser den målte forhold mellem hastigheden af scannebordet og signalintensiteten målt med 5 mg / ml papir pellet prøve i overensstemmelse med forskrift 5.3. Det konstateredes, at der kan opnås højere signaler ved lavere hastighed.

Figur 6. Kalibrering. Normalized kalibreringskurve af (a) p-FMMD måling med forskellige koncentrationer af magnetiske perler. Som prøver blev papir piller med 2,0 mm diameter fremstillet under anvendelse af en biopsitang, gennemvædet med magnetisk partikel opløsning af forskellige koncentrationer (se protokol 5.3). Målingen hoved øjeblikkeligt papiret pellets med forskellige koncentrationer af MP. Hastigheden af ​​scenen blev justeret til 1,0 mm / sek. (B) Signal intensitet som funktion af hastigheden af XY scenen for 5,0 mg / ml papir pellet prøve. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7 viser et fotografi af prøver membran-type fremstillet ifølge protokol 5.4 og rekonstruerede p-FMMD billede opnået fra det. Billedområdet samt scanningsområdet er begge 20 mm x 25 mm. Sammenligningen af ​​p-FMMD scanning med den optiske billede af Sampl e viser klart muligheden for at bruge p-FMMD som MPI scanner. Men p-FMMD scanninger er noget bredere end de reelle objekter. Denne udvidelse kan primært henføres til følsomheden profil af målingen hovedet. Som vist i figur 5a, er måling af en magnetisk partikel fordeling udvides ved denne udlægning også til ± 2,0 mm fra centrum af målehoveder.

Figur 7. 2D FMMD scanning. (A) fotografi af strengen typen prøven. Prøven blev fremstillet under anvendelse af en nitrocellulosemembran gennemvædet med 1 um diameter maghemit partikel opløsning SiMAG-silanol se protokol 5.4. (B) Rekonstrueret MPI billede, størrelse 20 mm x 25 mm. Prøven løbende scannet i y-retningen og fortløbende trådte i x-retningen med 4 mm.ef = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53869/53869fig7large.jpg" target = "_ blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.

En anden prøve blev fremstillet, bestående af to mikrorør fyldt med forskellige magnetiske partikelkoncentration, som beskrevet i protokol 5.5. Figur 8 viser et fotografi af prøven og den rekonstruerede p-FMMD billede, begge med en størrelse på 20 mm x 25 mm. Dette eksempel viser, at koncentrationer, som afviger med en faktor 20 kan godt afbildes med klart skelnelige billedegenskaber.

Figur 8. 2D FMMD scanning. (A) Fotografi af to mikrorør af 10 pi volumen med forskellige sample koncentrationer af væske MAG-Amin, se protokol 5.5. (B) Rekonstrueret MPI billede, størrelse 20 mm &# 215; 25 mm. Prøven løbende scannet i y-retningen og fortløbende trådte i x-retningen med 4 mm. Klik her for at se en større version af dette tal.

	Coil dimensioner			viklinger		Coil under prøven		Coil ovenfor nævnte prøve
Coil	R1 [mm] a	W [mm] B	H [mm] c	Antal viklinger	Wire-Ø [mm]	R [Ω] d	L [MH] e	R [Ω] d	L [MH] e
Måling	1.0	4.0	1.7	2 × 600 0,08	47,67	0,95	47,66	0,95
excitation	3.8	8.5	1.0	476	0.10	29.90	1,56	29.70	1,45
Chauffør	5.0	8.5	5.0	2.000	0.12	190,75	36,90	141,28	37.90
en R1 er den indre radius af spolen. Den gennemsnitlige radius er R1 + H / 2, den ydre radius er R1 + H.
B W er bredden af spolen, dvs. tværsnittet af viklingerne.
c H er højden af spolevindingerne.
d R betegner den ohmske modstand ved DC. I tilfælde af måling spoler, er than serie modstand af begge spoler.
e L betegner induktans, målt med en induktans meter ved 1 kHz.

Tabel 1. Coil parametre. Dimensioner og viklinger spolernes af målingen hovedet.

Discussion

Måleteknikken udnytter nonlinearity af magnetiseringen kurven for de superparamagnetiske partikler. De to-sidet måling hoved samtidigt gælder to magnetiske magnetisering felter med forskellig frekvens til prøven, en lav frekvens _(f2) komponent til at drive partiklerne ind magnetisk mætning og en høj frekvens (f ₁₎ probe felt til at måle den ulineære magnetiske respons . I begge harmoniske af de indfaldende marker, m · f ₁ og N · f _2, og summen frekvenser, m · f ₁ + n · f ₂ (med heltal m, n), er genereret. Disse intermodulationsprodukter detekteres af differentielt viklet pickup spolen. De referenceværdier spoler ikke opfange disse signaler, fordi de er placeret langt væk fra prøven. De tjener til undertrykkelse af den direkte fremkaldte høje frekvens excitation, som ellers ville mætte forforstærker. Således er den lille sum-frekvenssignal på grund af tilstedeværelsen af ​​super-paramagnetiske materialer bliver målelig og kvantificerbar. I readout elektronik, kun intermodulation produkt på summen frekvens f ₁ + 2 · f ₂ demoduleres fordi det er den stærkeste ikke-lineær komponent, som er til stede uden statisk forspænding felt. Det blev vist, at denne teknik tillader hurtig behandling og et meget stort dynamisk detekteringsområde. Nærmere oplysninger om FMMD princip og readout elektronikken er beskrevet detaljeret i Ref. 10.

Måleresultaterne er vist i figur 6 viser, at p-FMMD signal afhænger af hastigheden af scannebordet og af koncentrationen af de magnetiske partikler. Følgelig rumlig opløsning og detektionsgrænse af teknikken er også hastighed-og koncentrationsafhængig. Vi tilskriver dette fund til signalet reduktion af den lavepass filter på outputtet af to faser lock-in detektering af readout elektronik. Tidligere forskning på MPI viste også, at den rumlige opløsning er afhængig af parametre hastighed gradient styrke, partikeldiameter, volumen af den magnetiske kerne og mekanisk hastighed af scenen. ²⁰ Vores resultater er konsistente med disse resultater.

Vores 2D scanning metode adskiller sig væsentligt fra den konventionelle MPI teknik baseret på at generere en Field Gratis punkt (FFP) eller Field Gratis Line (FFL), selvom afsløring princippet baseret på den ikke-lineære signal fra superparamagnets ligner. ^{3, 21} Selv konventionelle MPI har fordele i forhold til nye p-FMMD teknik, såsom den samtidige 3D analyse uden mekanisk bevægelse af prøve eller et system ^7, til den nye MPI scanneren ikke behøver store magneter generere et stærkt felt. Vi mener, at både den konventionelle MPI scanneren og p-FMMD scanner har deres særlige fordele. Fordelen ved p-FMMD scanner er dens enkelhed og dens små dimensioner. Der er ikke behov for anvendelse af store gradientspoler og intet behov for køleflader. Prøven størrelse i x- og y-retningen er ikke begrænset af den teknik, blot ved scanneren og støtte. Men teknikken er kun for tilstrækkeligt tynde prøver, der passer mellem afsløring spoler. Det kræver bevægelse af prøven i forhold til målingen hoved, mens standard MPI udnytter elektrisk styret scanning af FFL / FFP uden prøve bevægelse.

MPI er en relativt ny teknik, der har en række potentielle applikationer i mange videnskabelige og industrielle områder. Det er blevet vist, at dets rumlige opløsning er sammenlignelig med den for andre medicinsk billeddannende modaliteter. I denne undersøgelse har vi introduceret en ny teknik kaldet p-FMMD at udføre MPI af plane prøver. Sammenlignet med andre MPI scannere, kræver det ikke generering af en FFL or FFP. Der er ikke behov stærkt magnetfelt eller feltgradient. Vi mener, at p-FMMD teknik vil blive en alternativ metode inden for MPI. Potentielle anvendelsesområder omfatter analyse af biologiske vævssnit til diagnostiske formål. Med en re-design til at rumme tykkere prøver, ikke-invasive undersøgelser af større objekter og små dyr bliver mulig.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Magnetic particles "SiMAG Silanol"	Chemicell (http://www.chemicell.com)	1101-5	Aqueous dispersion of magnetic silica particles, Maghemite, dia. 1 µm
Magnetic nanoparticles "fluidMAG-Amine"	Chemicell (http://www.chemicell.com)	4121-5	Aqueous dispersion of magnetic nanoparticles, Magnetite, dia. 50 nm
Microtube 10 µl	Hirschmann Laborgeräte (http://www.hirschmann-laborgeraete.de/?sc_lang=en)		volume 10 µl, outer diameter 400 µm, length 40 mm
Nitrocellulose Membrane Biodyne B	Thermo Scientific (http://www.thermoscientific.com)	77016	Biodyne B Nylon Membrane, 0.45 µm, 8 cm x 12 cm
DDS chip AD9834	Analog Devices (http://www.analog.com)	AD9834	20 mW Power, 2.3 V to 5.5 V, 75 MHz Complete DDS
Operational Amplifier AD829	Analog Devices (http://www.analog.com)	AD829	High Speed, Low Noise Video Op Amp
Analog Multiplier MPY634	Texas Instruments (http://www.ti.com)	MPY634	Wide Bandwidth Precision Analog Multiplier
High-Speed Buffer BUF634	Texas Instruments (http://www.ti.com)	BUF634	250 mA High-Speed Buffer
Operational Amplifier OPA627	Texas Instruments (http://www.ti.com)	OPA627	Precision High-Speed Difet(R) Operational Amplifiers
Operational Amplifier TL072	Texas Instruments (http://www.ti.com)	TL072	Dual Low-Noise JFET-Input General-Purpose Operational Amplifier
Lock-In Amplifier SR830	Stanford Instruments (http://www.thinksrs.com)	SR830	100 kHz DSP lock-in amplifier
XYZ motorized stage	Sciencetown, Incheon, Korea (http://mkmsll.en.ec21.com/)
Cleanroom wiper	Seoul Semitech Co (http://www.seoulsemi.com)	CF-909	dimension 2.0 mm × 18 mm