Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

תדירות ערבוב סורק זיהוי מגנטי הדמית חלקיקים מגנטיים בדגימות מישורים

Published: June 9, 2016 doi: 10.3791/53869
Automatic Translation
1, 2, 1, 1, 2, 3
1Advanced Vision System Research Section, Electronics & Telecommunication Research Institute (ETRI), 2Intelligent Cognitive Technology Research Department, Electronics & Telecommunication Research Institute (ETRI), 3Peter Grünberg Institute (PGI-8), Forschungszentrum Jülich

Summary

סורק הדמית חלקיקים מגנטיים בדגימות מישוריים פותח באמצעות תדר מישוריים ערבוב טכניקת זיהוי מגנטי. תגובת מוצר intermodulation המגנטית מן המגנטיזציה הקוי nonhysteretic של החלקיקים נרשמה עם עירור שתי בתדירות. ניתן להשתמש בו כדי לצלם תמונות 2D של דגימות ביולוגיות דקות.

Abstract

ההתקנה של תדר מישוריים ערבוב האיתור מגנטי (p-FMMD) סורק לביצוע הדמית חלקיקים מגנטי (MPI) של דגימות שטוחות מוצגת. זה מורכב משני ראשי מדידה מגנטיים משני צידי המדגם רכוב על הרגליים של תמיכה בצורת פרסה. המדגם חשוף מקומי לשדה עירור מגנטי מורכב שני תדרים שונים, מרכיב חזק בסביבות 77 kHz ושדה חלש 61 רץ. מאפייני המגנטיזציה הקויים של חלקיקים פאראמגנטי להצמיח דור התוצרים אינטר-מודולציה. רכיב הסכום-תדר נבחר של אירוע השדה מגנטי בתדר הגבוה ונמוך על החלקיקים הקויים המגנטי מוקלט על ידי אלקטרוניקת demodulation. בניגוד סורק MPI קונבנציונלי, p-FMMD אינו מחייב את היישום של שדה מגנטי חזק המדגם כולו בגלל הערבוב של שני התדרים מתרחש באופן מקומי. לפיכך, ממדים לרוחב של המדגם הם רקמוגבל על ידי מגוון הסריקה התומכת. עם זאת, גובה המדגם קובע את הרזולוציה המרחבית. בשנת ההגדרה הנוכחית הוא מוגבל ל -2 מ"מ. כדוגמאות, אנו מציגים שתי תמונות 20 מ"מ × 25 מ"מ p-FMMD רכשה ממדגמים עם 1 מיקרומטר חלקיקים בקוטר מגהמיט במטריצה ​​silanol ועם חלקיקים מגנטיט 50 ננומטר במטריצה ​​aminosilane. התוצאות מראות כי סורק MPI רומן יכול להיות מיושם על ניתוח של דגימות ביולוגיות דקות למטרות אבחון רפואיות.

Introduction

חלקיקים מגנטיים (MNP) מצאו יישומים נפוצים בביולוגיה מולקולרית ברפואה, כלומר, מניפולציה של ביומולקולות ותאי יחיד 1, תיוג סלקטיבי גופים היעד לגילוי, 2, 3 עבור אפנון הכרומטין, 4 ו לבידוד mRNA וטיפול בסרטן . 5 בשל המאפיינים פאראמגנטי שלהם, הם שימושיים במיוחד עבור דימות רפואי. הם יכולים לשמש, למשל, כמו סוכני ניגודיות או קליעים נותבים עבור דימות תהודה מגנטית (MRI) או הדמיה רגישה ששימוש במכשיר קוונטיים הפרעת מוליכים (SQUID) גלאי. 2, 6 החלקיקים פאראמגנטי להניב ניגודיות טובה לרקמות השונות של האדם הגוף אשר לדיאלוגים או פאראמגנטיים. 7 לפיכך, חלקיקים יכול לשמש בנוחות לרכוש תמונות רפואיות של חלקי גוף האדם עם רזולוציה מרחבית טובה יחסית ורגישות. 8

טכניקת אוהל "> הדמית החלקיקים המגנטיים (MPI) הוצגה על ידי Gleich ו Weizenecker 9 עושה שימוש הליניאריות של המגנטיזציה של החלקיקים. באפס או הטיה יש שדה מגנטי חלשה, התגובה של MNP כדי עירור AC של f התדירות הוא חזק בשל הרגישות הגדולה שלהם. בפרט, המגנטיזציה הקוי של החלקיקים מולידה דור הרמוניות n · f, עם n = 2, 3, 4 ... בשעת הטית שדה מגנטית גבוהה, התגובה ההרמונית נחלשה בגלל החלקיקים רוויים מגנטיים. ב טכניקת MPI, המדגם הוא ממוגנט לחלוטין למעט קו שדה ללא (FFL) או נקודה חינם-שדה (FFP). רק חלקיקים הנמצאים בסמוך לקו זה או נקודה תתרום התגובה הקוית של המדגם. עם תנועה של FFP ותעסוקה של סלילי מקלט מתאימים, Gleich ו Weizenecker רכשו תמונות MPI עם רזולוציה מרחבית של 1 מ"מ.

כדילקבל מידע על הפריסה המרחבית של MNP, שתי שיטות מועסקות בדרך כלל, התנועה המכאנית של החיישן ביחס המדגם, או תנועה של FFL / FFP באמצעות אלקטרומגנטים. 2, 3 במקרה האחרון, טכניקות שחזור תמונה כמו-מרחב הרמוני MPI 3 או X-שטח 10 MPI, 11, 12 נדרשים. הרזולוציה המרחבית של MPI נקבעת על פי מאפייני פיתול של סלילי עירור וגילוי וכן על ידי המאפיינים של שיפוע השדה המגנטי. זה מאפשר אלגוריתמים שחזור תמונה לקבל החלטה השתפרה במהלך הרזולוציה המקורית, אשר נקבעה על ידי גודל ומרחק של סלילי הטנדר כמו גם על ידי חלוקת השדה המגנטית נשלטת על ידי משוואות מקסוול.

סורק MPI בדרך כלל מורכב של מגנט חזק עבור magnetizing המדגם כולו, מערכת סליל לשליטה על היגוי FFL או FFP ברחבי הדוגמא, excitatio בתדירות גבוההמערכת סליל n, ומערכת סליל זיהוי עבור להרים את התגובה הקוית מן המדגם. FFL / FFP מועבר באופן רציף דרך נפח הדגימה תוך התגובה ההרמונית מאזור מדגם בלתי רווי זה נרשם. על מנת למנוע את הבעיה של התאמת הדגימה לתוך הסורק, סורק MPI חד צדדי הודגם על ידי Grafe et al. 13, עם זאת על חשבון ביצועים מופחתים. התוצאות הטובות ביותר מושגות אם המדגם הוא מוקף מגנטים וסלילים. בגלל המדגם צריך להיות ממוגנט כולי פרט באזור FFL / FFP, הטכניקה דורשת יחסית מגנטים גדולים וחזקים עם קירור מים, מה שמוביל מערכת MPI מגושמת וכבדה למדי.

הגישה שלנו מבוססת על תדר ערבוב בעיקול המגנטיזציה שאינו ליניארי של חלקיקים פאראמגנטי. 14 כאשר-paramagnets סופר נחשפים לשדות מגנטיים שני תדרים שונים (f 1 ו- f </ em> 2), תדרי סכום מייצג שילוב מטר ליניארי · f 1 + n · f 2 (עם מ 'מספרים שלמים, n) נוצר. היא הוצגה כי הופעתו של רכיבים אלה הוא מאוד ספציפיות כדי הליניאריות של עקומת המגנטיזציה של חלקיקים. 15 במילים אחרות, כאשר המדגם MNP חשוף בו זמנית לשדה מגנטי נהיגה בתדר f 2 ושדה חיטוט בתדר f 1, חלקיקים ליצור שדה בתגובה בתדר f 1 + 2 · f 2. תדירות סכום זה לא תהיה קיים בלי המדגם המגנטי קוי, ולכן וספציפיות גבוהות מאוד. קראנו בשיטה זו "תדר ערבוב זיהוי מגנטי" (FMMD). זה אומת באופן ניסיוני כי טכניקת מניב טווח דינמי של יותר מארבעה סדרי הגודל בריכוז חלקיקים. 14

<p class = "jove_content"> בניגוד המכשור MPI טיפוסי, תדירות מישוריים ערבוב זיהוי מגנטי (p-FMMD) הגישה אינה דורשת כדי למגנט מדגם קרוב לרוויה כי הדור של f רכיב התדר סכום 1 + 2 · f 2 הם מקסימום באפס שדה הטיה סטטי. 14 לכן, צורך מגנטים חזקים ומגושמים מקלה. למעשה, את הממדים החיצוניים של ראש המדידה הם רק 77 מ"מ × 68 מ"מ × 29 מ"מ. לשם השוואה, setups MPI הוא בדרך כלל מטר בגודל. 7 החסרון, לעומת זאת, הוא כי הטכניקה מוגבלת דגימות מישוריים עם עובי מרבי של 2 מ"מ ההגדרה הנוכחית. המדגם יש לסריקה יחסית לראש מדידה דו-צדדית. מחדש בנייה המאפשרת דגימות עבות אפשרית, אך להיסחר ב להפסד של רזולוציה מרחבית.

בהתבסס על טכניקת FMMD זה, אנו מציגים סוג מיוחד של MPI detecטור עבור דגימות מישוריים, הסורק שנקרא "תדר מישוריים ערבוב זיהוי מגנטי" (p-FMMD). העיקרון פורסם לאחרונה. 17 בעבודה זו, אנו מתמקדים על המתודולוגיה של הטכניקה ופרוטוקולים נוכחיים כיצד להגדיר סורק כזה וכיצד לבצע סריקות. הוכח כי MPI ניתן ליישם למטרות רפואיות אבחנתיות כגון הדמית לב וכלי דם או סרטן. 16, 18, ​​19 לכן אנו מאמינים כי סורק MPI החדש יכול לשמש עבור מגוון רחב של יישומים פוטנציאליים, למשל, למדידת חלקיקים מגנטיים הפצה בחתכי רקמה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. עיצוב ראש מדידה Planar FMMD

  1. בחר ערכת סליל על ראש המדידה. בחר תצורה פי איור 1, מורכב סלילי טנדר שני מעל שתיים בתחתית המדגם בתוך (-, +, +, -) רצף, עם המדגם יושב במרכז בין הסלילים שני (+). השלט מציין את הכיוון של סלילה, כלומר, (+) עבור כיוון השעון (-) עבור השעון. לפיכך, את הרגישות של סלילי הטנדר הופכת כמעט הומוגנית ברחבי העובי המדגם.
    1. מניח את סלילי העירור כך האות המושרית ישירות סלילי הטנדר מבטלת על מנת למנוע הרוויה של המגבר קדם ולהשיג רגישות מירבית המדגם. תצורות אחרות אשר עונים כללי עיצוב בסיסיים אלה ניתן המציאו.
  2. ציין את עובי הדגימה המירבית. הנה, להשתמש 2 מ"מ.
    1. בחר את הקוטר והאורך של סלילי הטנדר דומה t הדגימה המירביתhickness. הנה, בקוטר פנימי של 2 מ"מ נבחר, אשר מניב בקוטר ממוצע של 3.7 מ"מ עבור הגובה בפיתולים של 1.7 מ"מ. רוחב הסליל הוא 4 מ"מ.
    2. בחר את קוטר התיל ומספר בפיתולים של סלילי הטנדר כזה כי העכבה הכוללת של כל סלילי הטנדר כ תואמת את עכבת הכניסה של המגבר קדם. מצב זה מטיל מגבלות על תדירות זיהוי. במקרה של מגבר מבצעי עם עכבת קלט אופטימלית של 1,100 Ω, כל סלילי הטנדר הארבעה יש 600 בפיתולים של dia 0.08 מ"מ. חוט נחושת מצופה אמייל, מניב התנגדות טורית ohmic סך של 95.3 Ω ו השראות סך של 1.9 MH, אשר נותן 919 עכבה Ω.
  3. הכן את סלילי עירור בתדירות גבוהה 17 כאלה שהשדה המגנטי על מיקום המדגם אידיאלי מסתכם לסך של כ 0.5 MT. למשל, אם את הרדיוס הפנימי של הסליל הוא 3.8 מ"מ והרוחב הוא 8.5 מ"מ, רוח 476 בפיתולים בקוטר 0.1 מ"מ w כַּעַס. כאן, בשדה של 0.4 מ"ת מושגת f 1 = 76,550 הרץ.
  4. הכן את סלילי עירור בתדירות נמוכה 17 כאלה שהשדה המגנטי על המיקום של המדגם הוא כ -5 מטרים. למשל, אם את הרדיוס הפנימי של הסליל הוא 5 מ"מ והרוחב הוא 8.5 מ"מ, רוח 2,000 בפיתולים של חוט בקוטר 0.12 מ"מ. ההתקנה הניבו כ -5 mT ב f 2 = 61 הרץ.

איור 1
ציור סכמטי באיור 1. של p-FMMD הגדרה. שני ראשי המדידה מחוברים באופן אלקטרוני זה לזה. המדגם מושם במרחב בין הראשים. סלילי איתור (+) למדוד את האות המדגמת, סלילי איתור פצע לדלפק (-) לשמש התייחסות לבטל את השדה הישיר מן סלילי עירור בתדירות גבוהה. Amp - מגבר קדם, x - מערבל, LPF - מסנן מעביר נמוכים, DAQ - רכישת נתונים.Target = "_ blank"> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

2. לבנות ראש המדידה

  1. לבנות את p-FMMD כך שתי מערכות סלילי עירור וגילוי מחוברות מעל ומתחת המדגם. כל קבוצה של סלילי מורכבת סליל נהג בתדר נמוך, סליל עירור בתדירות גבוהה, וכן סליל זיהוי הפרש הכולל שני סלילי טנדר פצע oppositely בתצורת gradiometer צירית.
    1. אפשר עבור כוונון של לפחות ביחס סליל עירור אחד לסליל זיהוי ההפרש כדי להיות מסוגל לאזן אינדוקציה ישירה של עירור בתדירות גבוהה לתוך הסליל זיהוי. למשל, לעלות על סליל העירור על חוט המאפשר תנועה יחסית של סליל העירור מול סליל זיהוי. תרשים סכמטי של p-FMMD מוצג באיור 1. איור 2 מתאר ציור טכני ותצלום של ההתקנה. מְפוֹרָטהפרמטרים של סלילי מפורטים בטבלה 1.
  2. הר סטי הסליל מעל ומתחת המדגם על תמיכה נוקשה, עם אורינטציה קואקסיאליים, ראו איורים 1 ו -2. ודא כי שני סטים סליל לא לרטוט ביחס אחד לשני.
  3. התאם את איזון בתדירות גבוהה של הראש המדידה על ידי יישום הנוכחי עירור בתדירות גבוהה כדי להגדיר את סליל עירור בהתאמה, שינוי המיקום היחסי ביניהם, ובמקביל מדידת האות זוהה בתדר זה על סט סליל זיהוי, תוך שימוש בציוד כגון אוסצילוסקופ או מגבר נעילה.
    1. התאם את המתח ישירות מושרה נמוך כמו כמה במיליוולט, כלומר, יותר מ-פי 1,000 דיכוי האינדוקציה ישירה. קבע את הגבול של כוונון על ידי התבוננות פאזה בין נוכחי עירור מתח מזוהה. לכל הפחות, את המתח המושרה הוא 90 ° שלב שהוסט כמו להשוותד אינדוקציה ישירה.

איור 2
איור 2. ציור טכני ותמונת ראש p-FMMD. בחתכים לאורך במישור האנכי (למעלה משמאל) מישור אופקי (משמאל למטה) מוצגים כמו גם תצלום של ראש מדידה נפתח לפני סליל מתפתל. 1 - תמיכת אלומיניום, 2 - סליל לשעבר סליל זיהוי, 3 - הליכי סליל לשעבר סליל עירור אשר ניתן להעביר למעלה / למטה על ידי סיבוב, 4 - צלחות תמיכה מדגמת, 5 - מכסי אלומיניום, 6 - מדגם תמיכת פקק, 7 - פקק בכיוון x, 8 - פקק בכיוון y. 6 - 8 יוסרו לסריקה. הגודל של ראש p-FMMD הוא 77 מ"מ × 68 מ"מ × 29 מ"מ. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

3. הגדרת מדידה אלקטרוניקה

  1. הגדר את exciסעיף tation, מורכב של שני מתנדים וכוח המגברים הוא סליל נהג בתדירות נמוך סליל עירור בתדירות גבוהה.
    1. הגדרת סעיף הנהג בתדירות נמוכה, המהווה מתנד ומגבר כוח עבור בתדר נמוך f 2. חשב את הכוח של המגבר כך שהוא מספק הזרם הנדרש כדי להפיק את השדה של כ 5 mT בסליל הנהג. הנה, להשתמש הסינתזה הדיגיטלית ישירה (DDS) שבב כמו מתנד לתכנות. להעסיק מאגר במהירות גבוהה כמו מגבר כוח.
    2. הגדרת סעיף עירור בתדירות גבוהה, המהווה מתנד ומגבר כוח עבור בתדירות גבוהה ו 1. הגדר את מגבר הכח כזה כי הוא מספק את הנוכחי הנדרש כדי להפיק את השדה של כ 0.5 mT בסליל העירור. השתמש שבב DDS וכרית במהירות גבוהה כמו מתנד ומגבר כוח, בהתאמה.
  2. גדר בקטע האיתור, מורכב preamplifier, מערבל ראשון demodulate מתדירות הגבוהה f 1, מגבר ביניים ולסנן, מערבל שני demodulate מ פעמי התדירות הנמוכה 2 · f 2, ונהג לסנן פלט סופי. לחלופין, להשתמש בשני מגברי נעילה ליישם אלקטרוניקת זיהוי.
    1. הגדר את במת המגבר קדם. בחר את המגבר המבצעי הקלט (OP), בהתחשב העכבה של סליל איתור מוצר רוחב פס רווח. בצע את ההליך אופטימיזציה רעש, תוך לקיחה בחשבון את הרעש מתח המצוין ורעש הנוכחי של OP, כמוסבר Ref. 10. בחרו מגבר מבצעי במהירות גבוהה רעש נמוך עם הגברה של כ -100 בשלב הראשון. השלב הבא הוא לא ביקורתי, אך ראה כי אות המוצא נשארת בטווח המתח, כלומר, לא מעוותת בשל עומס יתר. הנה, להשתמש מגבר מבצעי קלט JFET רעש נמוך עם הגברת 4.3 פי.
    2. הגדרת fבשלב demodulation irst, הכפלת האות מוגבר עם תדירות גבוהה ו 1. השתמש שבב מכפיל אנלוגי הפניה משבב DDS שני נפרד כדי להגשים שלב מתכווננת עבור demodulation. לחלופין, השתמש מגבר נעילה כמו מגבר קדם (3.2.1), ומפענח הראשון (3.2.2) ו גנרטור בתדירות גבוהה (3.1.2).
    3. הגדר את במת הגברה וסינון הביניים. ליישם מסנן נמוך לעבור כך תדר האות ב -2 · f 2 עובר באין מפריע בעוד רכיבי תדר גבוה הכנים במקרה f 1 ו -2 · f 1 מודחק ביעילות. בחר הגברת ביניים מתאימה, למשל על ידי בחירת שני מגברים אופרטיביים למטרות כלליות עם הגברה כוללת של כ 100.
    4. הגדר את במת demodulation השני, הכפלת האות המסונן מוגבר עם פעמי התדירות הנמוכה 2 · f 2. להשתמששבב מכפיל אנלוגי הפניה משבב DDS נפרד רביעי כדי להגשים שלב מתכווננת עבור demodulation. לחלופין, השתמש מגבר נעילה מסוגל demodulation הרמוני השני כמו מגבר ביניים (3.2.3), ומפענח השני בבית השני הרמוני (3.2.4) ו גנרטור בתדר נמוך (3.1.1).
    5. הגדר את במת הגברה וסינון הסופית. ליישם מסנן נמוך לעבור כך תדר האות בתדר הסריקה עובר באין מפריע בעוד רכיבי תדר גבוה הכנים במקרה 4 · f 2 מודחקים ביעילות. בחר הגברה סופית מתאימה, בהתחשב בטווח מתח תפוקה הרצוי. השתמש בשני מגברים אופרטיביים למטרות כלליות עם הגברה כוללת של כ 10.

4. הגדרת סורק 2D

  1. הר סורק 2D כך שמטוס התנועה הוא בניצב לציר של הסליל.
  2. לשלוט סורק 2D and סינכרוני acquiring מתח המוצא מן אלקטרוניקת המדידה על מנת לקבל תמונת 2D של אות FMMD של המדגם מישוריים בעזרת סקריפט תוצרת בית הכתוב Python שפת תכנות.

5. מכינים לדוגמא

  1. השתמש חלקיקי מגנטיט בקטרים ​​של 50 ננומטר ו -100 חלקיקים ננומטר מגהמיט בקוטר של 1 מיקרומטר מהם ריכוז הוא 25.0 מ"ג / מ"ל. לשטוף את הפתרון על ידי המסת החלקיקים המגנטיים במים, תוך הפרדתם באמצעות מגנט ולהשאיר את המים. חזור על התהליך שלוש פעמים. לדלל את הפתרון החלקיקים המגנטיים כדי עשירית עם מים מזוקקים.
  2. הכינו דגימות גלולה נייר בקוטר 2.0 מ"מ על ידי ניקוב פיסות נייר סופג הקליטה באמצעות אגרוף ביופסיה. משרה אותם בתמיסת חרוז מגנטית של ריכוזים שונים במשך 30 שניות ולתת להם להתייבש באוויר. הנה, להשתמש בריכוז של 0.04, 0.2, 1, 5, ו -25 מ"ג / מ"ל ​​של 100 חלקיקים בגודל ננו-מטר.
  3. כן מדגם באמצעות nitrocellulosקרום דואר של מ"מ גודל 2.0 × 18.0 מ"מ. משרה את הממברנה עם פתרון החלקיקים בקוטר החי 1 מיקרומטר. הכין דגימה אחת על ידי השריית הקרום שווה, ועוד אחד על ידי ביצוע מפל ריכוזים. עושה זאת על ידי השריית הקצוות של הקרום בתמיסה חרוזה עם ריכוז שונה, וכתוצאה מכך מפל הריכוזים (איור 5).
  4. כן מדגם ב צינור קפילרי 10 נפחי μl, קוטר חיצוני 400 מיקרומטר, אורך 40 מ"מ. מלא את צינור נימים עם פתרון חלקיקים בקוטר חי 50 ננומטר. הכן microtube השני עם 20x פתרון מדולל (לערבב 100 μl של פתרון חי עם 1.9 מ"ל מים).

6. בצעו 2D FMMD סריקה

  1. אזור סריקה בחר פי ממדים מישוריים × b של המדגם. הזן את הערכים בתוכנת הסריקה.
  2. בחר בכיוון דריכה. בדרך כלל, התקופה הקצרה מבין שני הממדים מישוריים, נכנה אותו ב
  3. מהירות סריקה בחר נ, תוך התחשבות אות הפחתה בשל סינון נמוך לעבור, ראה דיון. כוונו את מהירות לערך בין 1 ו -7 מ"מ / sec. הזן את הערך בתוכנת הסריקה.
  4. ב דריכה מרחק Δ בחר, תוך לקיחה בחשבון כי זה לא צריך להיות קטן בהרבה ברזולוציה מרחבית השגה, ואת t זמן הסריקה הכולל אשר יהיה לפחות t = A / V · b / Δ ב +1). הזן את מרחק הדריכה בתוכנה.
  5. הר מדגם בסורק 2D. קנה על צלחת הפלסטיק באמצעות נייר דבק.

איור 3
איור 3. תמונה של התקנת מדידת p-FMMD. המדגם מודבק עם דבק על מוביל הפלסטיק מתרגש המנועבשלב (משמאל). ואז המדגם נסרק בראש p-FMMD (מימין). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

  1. בצע את הסריקה על ידי לחיצה על כפתור התחל. הסריקות של דמויות 5 ו -6 כיסוי מ"מ 20.0 (ציר x) × 25.0 מ"מ (ציר y) לאזור, קרי שישה 25 מ"מ אורך עקבות נסרקו לאורך ציר y, עם 4.0 צעדים מ"מ בכיוון x, במהירות הבמה של 1.0 מ"מ / שניה. זה מסתכם זמן סריקה של כ -2 דקות.

איור 4
איור 4. ממשק משתמש גרפי של תוכנת הסריקה. פרמטרי הסריקה מוזנים כאן. המדידה המופעל על-ידי לחיצה על הכפתור האדום.

עיבוד תמונה 7.

  1. המר את הנתונים הגולמיים כדי טופס מטריקס באמצעות homemadתסריט דואר בפייתון. התחבר את הנתונים הגולמיים של הסריקה כולו יחד עם ערכים נוספים בקובץ בפורמט ערכים מופרדים בפסיקים 2 עמודות (CSV). העמודה הנוספת מצביעה על לכידת הנתונים המתאימים במהלך תנועת הדריכה. מגזרי סקריפט בעמודת הנתונים הגולמית בכל שינוי של ערך עמודה הנוסף ומסירים את פלחי נתונים במהלך צעידת תנועה. זה גם בונה את מטריקס כתוצאה ידי הצבת פרקים רצופים הנותרים לתוך שורות או עמודות של מטריצה ​​וכותב המטריצה ​​לקובץ בפורמט CSV.
    הערה: תמונות p-FMMD של מחקר זה נוצרות באמצעות סקריפט פייתון. פונקצית pyplot.contour ופונקצית pyplot.imshow מספריית matplotlib פיתון משמשות במצטבר עבור הכנת הקווים המתאר ואת צבעי רקע, בהתאמה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ציור 5a מציג את התפלגות רגישות המחושבת של סליל זיהוי פעמי הפרש הפנימי כפונקציה של x קואורדינטות y במישור המדגם. זה חושב בגישה הפוכה על ידי קביעת סופרפוזיציה של השדות המגנטיים בכל הנקודות (x, y) במישור המרכזי שנוצר על ידי כל סלילי זיהוי הארבעה. בכיוון הפוך, זה מקובע את הרגישות של סליל זיהוי על מומנט מגנטי בכל הנקודות הללו. החישוב נעשה על ידי קירוב הסלילים כמו סלילי ארוך של גובה זניח. לפיכך, חלוקת הרגישות המתוארת ציור 5a מייצגת את המפה הרגישה במישור הסריקה, פונקציה שנקראת נקודת התפשטות (כוחות הביטחון הפלסטיני). באופן דומה, איור 5b מראה את הרגישות כפונקציה של צירי לתאם z ואת רדיאלי לתאם r (r x 2 + y 2), ובכך לתת מיפוי אנכי של רגישות החריץ של ראש המדידה. מקורו x = 0 ו- y = 0 ממוקם בדיוק במרכז הסליל זיהוי. המרווח בין המרכזים של סליל זיהוי העליון ותחתונים הוא 2 מ"מ. פרמטרי הסליל מפורטים בטבלת 1. איור 5 ג מראה את התוצאה של סריקה בודקת על מדגם קו מחרוזת מהסוג הערוכים לפי פרוטוקול 5.2. לשם השוואה, עקבות רגישות חושבו מספרי על ידי שילוב פונקצית התפשטות נקודה מתוארת ציור 5a מעל קו אידיאלי רחב 2 מ"מ. ההסכם הוא טוב, חוץ מזה הכתפיים שהליליות האות המחושב אינן נצפו בניסוי. בסימולציה, החלקים השליליים הללו מקורן התרומות השליליות סלילי ההתייחסות שהן יותר במשטר השדה הרחוק מאשר סלילי האיתור ליד סם ple. אנו מאמינים כי התרומה השלילית בהערכה בסימולציה כי הסלילים הם מקורבים עם גובה זניח של בפיתולים.

איור 5
איור 5. ביצועים של ראש המדידה. הפצה רגישה המחושב של ראש המדידה (א) כפונקציה של מישוריים קואורדינטות x ו- y עבור z ​​= 0, (ב) כפונקציה של צירי לתאם z ואת רדיאלי לתאם r . הרגישות ניתנת יחסית למרכז בין סליל זיהוי העליון ותחתונים ב- x = 0, y = 0 ו r = 0. (ג) השוואה בין רגישות נמדדה מדומה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

"jove_content" FO: keep-together.within-page = "1"> חשבנו את גבול הגילוי הפיזי של הסליל בתדר מדידת f 1 = 76.56 kHz ביחס רגעים מגנטיים במרכז ראש המדידה. לצורך החישוב, הפרמטרים של הסליל הפנימי נלקחו כמפורט בטבלת 1, בהנחה גורם מילוי (כלומר, את החלק יחסי נחושת בפיתולים לחצות קטע) של K F = 0.5. השגנו רגישות מומנט מגנטית של מ 0 / √ f = 1.8 · 10 -14 Am 2 / √Hz. במשך זמן מדידה 1 שניות, זה מסתכם מומנט מגנטי מינימום פתיר של m 0 = 7.3 · 10 -14 Am 2. ערך זה דומה יותר לגבול הגילוי שניתן להשיג עם ראש מדידה בקוטר סטנדרטי 8 מ"מ. 14

איור 6 א מראה את סיגנהl עוצמת כפונקציה של ריכוז של פתרון חרוזים מגנטיים. מהירות סריקה היה 1.0 ס"מ / min. ריכוז של כדורי נייר הערוכים לפי פרוטוקול 5.2 היה נע בין 0.04 ל 25.0 מ"ג / מ"ל. הברים שגיאה לציין את סטיית התקן של המדידה FMMD. התוצאות הראו מתאם חזק בין הריכוז של חרוזים מגנטיים האות ממגלה. מקדם נחישות R 2 של רגרסיה ליניארית הוערך כמו 0.98. איור 6 מראה את הקשר הנמדד בין המהירות של שלב הסריקה ואת עוצמת האות נמדדת עם מדגם 5 מ"ג / מיליליטר נייר גלול פי פרוטוקול 5.3. נמצא כי אותות גבוהים ניתן להשיג במהירות נמוכה.

איור 6
איור 6. כיול. עקומת כיול מנורמלת של (א) p-FMמדידת MD באמצעות ריכוזים שונים של חרוזים מגנטיים. כמו דגימות, כדורי נייר בקוטר 2.0 מ"מ הוכנו באמצעות אגרוף ביופסיה, ספוג פתרון החלקיקים המגנטיים של ריכוזים שונים (ראה פרוטוקול 5.3). ראש המדידה עבר את כדורי נייר עם ריכוזים שונים של MP. המהירות של השלב הותאמה 1.0 מ"מ / sec. (ב) עוצמת האות כפונקציה של מהירות הבמה XY למדגם 5.0 מ"ג / מ"ל גלולה נייר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7 מציג תצלום של דגימות קרום מסוג הערוכים לפי פרוטוקול 5.4 ואת תמונת p-FMMD המשוחזר המתקבל ממנו. לאזור התמונה כמו גם את אזור הסריקה הן 20 מ"מ × 25 מ"מ. ההשוואה של p-FMMD לסרוק עם התמונה האופטית של sampl דואר ממחישים היטב את כדאיות להשתמש p-FMMD כמו סורק MPI. עם זאת, סריקות FMMD p הן קצת רחבות יותר מאשר החפצים האמיתיים. רחבה זו ניתן בעיקר מיוחסת פרופיל הרגישות של ראש המדידה. כפי שניתן לראות ציור 5a, מדידת חלוקת חלקיקים מגנטית מתרחבת לפי חלוקה זו אפילו ± 2.0 מ"מ ממרכז ראשי המדידה.

איור 7
איור 7. 2D FMMD לסרוק. (א) תצלום של מדגם סוג המחרוזת. המדגם הוכן באמצעות קרום nitrocellulose ספוגה 1 מיקרומטר בקוטר פתרון מגהמיט החלקיקים SiMAG-silanol ראה פרוטוקול 5.4. (ב) תמונת MPI המשוחזר, גודל 20 מ"מ × 25 מ"מ. המדגם נסרק ברציפות בכיוון y ו ברצף צעד בכיוון x על ידי 4 מ"מ.יעד EF = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53869/53869fig7large.jpg" = "_ blank"> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

מדגם שני הוכן, מורכב משני microtubes מלא ריכוז חלקיקים מגנטי שונה, כמתואר בפרוטוקול 5.5. איור 8 מציג תצלום של המדגם ואת תמונת p-FMMD המשוחזר, הן בגודל של 20 מ"מ × 25 מ"מ. דוגמה זו ממחישה כי ריכוזים שונים בפקטור של 20 ניתן הדמיה היטב עם תכונות תמונה להבחין בבירור.

הספרה 8
איור 8. סריקת 2D FMMD. (א) תצלום של שני microtubes של 10 נפחי μl עם ריכוזי מדגם שונים של MAG-אמין נוזל, ראה פרוטוקול 5.5. (ב) התמונה המשוחזרת MPI, גודל 20 מ"מ &# 215; 25 מ"מ. המדגם נסרק ברציפות בכיוון y ו ברצף צעד בכיוון x על ידי 4 מ"מ. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

ממדי קויל בפיתולי סליל להלן מדגם סליל מעל המדגם
סליל R 1 [מ"מ] ב [מ"מ] W H [מ"מ] ג מס של בפיתולים Wire-O [מ"מ] ר [Ω] ד L [MH] e ר [Ω] ד L [MH] e
מדידה 1.0 4.0 1.7 2 × 600 0.08 47.67 0.95 47.66 0.95
עִירוּר 3.8 8.5 1.0 476 0.10 29.90 1.56 29.70 1.45
נהג 5.0 8.5 5.0 2,000 0.12 190.75 36.90 141.28 37.90
צוות R 1 הוא הרדיוס הפנימי של הסליל. הרדיוס הממוצע הוא R 1 + H / 2, הרדיוס החיצוני הוא R 1 + H.
W b הוא הרוחב של הסליל, כלומר, החתך של בפיתולים.
ג H הוא גובה בפיתולי הסליל.
R ד מציין את ההתנגדות ohmic ב DC. במקרה של סלילי מדידה, זה לאהוא ההתנגדות הטורית של שני הסלילים.
L e מציין את ההשראות, נמדדו עם מד השראות kHz 1.

פרמטרים בטבלה 1. קויל. מידו בפיתולים של הסלילים של ראש המדידה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

שיטת המדידה מנצלת את הליניאריות של עקומת המגנטיזציה של החלקיקים פאראמגנטי. ראש המדידה דו-הצדדי חל בו זמנית בשני תחומי עירור מגנטיים בתדר שונה המדגם, תדר נמוך (ו 2) מרכיב לנהוג חלקיקים לתוך רוויה מגנטית בתדר גבוה (ו 1) שדה חללי כדי למדוד את התגובה המגנטית הקוית . בפרט, הן ההרמוניות של שדות האירוע, מ '· f 1 ו- n · f 2, ותדרים לסיכום, m · f 1 + n · f 2 (עם מ' מספרים שלמים, n), נוצרים. תוצרי אינטר-מודולציה אלו מזוהים על ידי סליל טנדר הפצע באופן דיפרנציאלי. סלילי ההתייחסות לא קולטים את האותות האלה מכיוון שהם ממוקמים רחוק מן המדגם. הם משמשים עבור דיכוי בתדירות גבוהה הנגרמת ישירות excitation שאחרת להרוות את המגבר קדם. לפיכך, אות הסכום בתדר הזעירה בשל נוכחותם של חומרים פאראמגנטיים סופר הופכת מדידה וכמותיים. בתחום האלקטרוניקה ההודעה, רק המוצר intermodulation בתדר סכום f 1 + 2 · f 2 הוא demodulated כי זה הוא המרכיב קוי החזק אשר שוהה ללא שדה הטיה סטטי. זה היה הראו כי טכניקה זו מאפשרת עיבוד מהיר ומגוון זיהוי דינמי גדול מאוד. פרטים של עקרון FMMD והרכיבים האלקטרוניים של ההודעה מתוארים בפירוט Ref. 10.

את תוצאות המדידה שמוצגות באיור 6 עולות כי אות p-FMMD תלוי במהירות של שלב סריקה על הריכוז של החלקיקים המגנטיים. כתוצאה מכך, מגבלת רזולוציה וזיהוי המרחבי של הטכניקה הם גם מרוב מהירות וריכוז תלוי. אנו מייחסים ממצא זה הפחתת האות של נמוךלעבור סינון במוצא של זיהוי הנעילה דו-שלבית של אלקטרוניקת ההודעה. מחקרים קודמים על MPI הראו גם כי הרזולוציה מרחבית הוא תלוי במהירות הפרמטרים של כוח שיפוע, קוטר חלקיקים, נפח של הליבה המגנטית ומהירות מכאנית של הבמה. 20 ממצאינו עולים בקנה אחד עם התוצאות הללו.

שיטת סריקת 2D שלנו שונה במידה ניכרת מן טכניקת MPI הקונבנציונלית המבוססת על יצירת נקודה חינם שדה (FFP) או שדה קו חינם (FFL), אם כי עיקרון זיהוי על פי האיתות שאינה ליניארי מ superparamagnets דומה. 3, 21 למרות יש הקונבנציונלי MPI יתרונות על פני טכניקת p-FMMD החדש, כגון ניתוח 3D סימולטני ללא תנועה מכאנית של מדגם או מערכה 7, סורק MPI החדש אינו צריך מגנטים גדולים כדי ליצור שדה חזק. אנו מאמינים כי הן הסורק MPI קונבנציונאלי הסורק p-FMMD יש יתרונות מסוימים שלהם. היתרון של סורק p-FMMD הוא הפשטות שלו ואת ממדיו הקטנים. אין צורך להעסקת סלילי שיפוע גדולים ואין צורך סליל קירור. גודל המדגם ב x ו- y בכיוון אינו מוגבל על ידי הטכניקה, רק על ידי הסורק לבין התמיכה. עם זאת, הטכניקה היא רק החלים על דגימות דקות מספיק שמתאימות בין סלילי זיהוי. זה דורש תנועה של המדגם יחסית לראש המדידה, ואילו תקן MPI מנצל נשלט חשמלית סריקה של FFL / FFP ללא תנועה המדגם.

MPI היא טכניקה חדשה יחסית, כי יש מגוון רחב של יישומים פוטנציאליים רבים בתחומים מדעיים ותעשייתיים. הוכח כי הרזולוציה מרחבית שלה היא דומה לזו של שיטות הדמיה רפואית אחרות. במחקר זה, הצגנו טכניקה חדשה בשם p-FMMD לבצע MPI של דגימות מישוריים. לעומת סורקים MPI אחרים, היא אינה דורשת הדור של o FFLr FFP. אין שיפוע שדה או שדה מגנטי חזק הוא זקוק. אנו מאמינים כי טכניקת p-FMMD תהפוך שיטה חלופית בתחום MPI. תחומי יישומים אפשריים כוללים ניתוח סעיפי רקמה ביולוגיים למטרות אבחון. עם עיצוב-מחדש כדי להתאים דגימות עבות, מחקרים לא פולשנית של עצמים גדולים ובעלי חיים קטנים יהפכו ריאליים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי R & ICT תוכנית ד 'של MSIP / IITP, הרפובליקה של קוריאה (גרנט No: B0132-15-1001, פיתוח מערכת הדמיה הבא).

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Tseng, P., Judy, J. W., Di Carlo, D. Magnetic nanoparticle-mediated massively parallel mechanical modulation of single-cell behavior. Nat meth. 9 (11), 1113-1119 (2012).
  2. Borgert, J., et al. Fundamentals and applications of magnetic particle imaging. J. Cardiovasc. Comput. Tomogr. 6 (3), 149-153 (2012).
  3. Buzug, T. M., et al. Magnetic particle imaging: introduction to imaging and hardware realization. Z. Med. Phys. 22 (4), 323-334 (2012).
  4. Kanger, J. S., Subramaniam, V., van Driel, R. Intracellular manipulation of chromatin using magnetic nanoparticles. Chromosome Res. 16 (3), 511-522 (2008).
  5. Magnetic Nanoparticles: From Fabrication to Clinical Applications. Thanh, N. T. K. , CRC press. Boca Raton. ISBN: 978=1439869321 (2012).
  6. Saritas, E. U., et al. Magnetic Particle Imaging (MPI) for NMR and MRI researchers. J. Magn. Reson. 229 (4), 116-126 (2012).
  7. Goodwill, P. W., et al. X-space MPI: magnetic nanoparticles for safe medical imaging. Adv. Mater. 24 (28), 3870-3877 (2012).
  8. Yim, H., Seo, S., Na, K. MRI Contrast Agent-Based Multifunctional Materials: Diagnosis and Therapy. J Nanomat. 2011 (2011), (2011).
  9. Gleich, B., Weizenecker, J. Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles. Nature. 435 (7046), 1214-1217 (2005).
  10. Rahmer, J., Weizenecker, J., Gleich, B., Borgert, J. Analysis of a 3-D system function measured for magnetic particle imaging. IEEE Trans. Med. Imaging. 31 (6), 1289-1299 (2012).
  11. Goodwill, P. W., Conolly, S. M. Multidimensional x-space magnetic particle imaging. IEEE Trans. Med. Imaging. 30 (9), 1581-1590 (2011).
  12. Goodwill, P. W., Konkle, J. J., Zheng, B., Saritas, E. U., Conolly, S. M. Projection x-space magnetic particle imaging. IEEE Trans. Med. Imaging. 31 (5), 1076-1085 (2012).
  13. Gräfe, K., et al. An Application Scenario for Single-Sided Magnetic Particle Imaging. Biomed. Tech. 57, Suppl. 1 (2012).
  14. Krause, H. -J., et al. Magnetic particle detection by frequency mixing for immunoassay applications. J. Magn. Magn. Mater. 311 (1), 436-444 (2007).
  15. Meyer, M. H. F., et al. Francisella tularensis detection using magnetic labels and a magnetic biosensor based on frequency mixing. J. Magn. Magn. Mater. 311 (1), 259-263 (2007).
  16. Finas, D., et al. Detection and distribution of superparamagnetic nanoparticles in lymphatic tissue in a breast cancer model for magnetic particle imaging. Biomed. Tech. 57, Suppl. 1 (2012).
  17. Hong, H., Lim, J., Choi, C. -J., Shin, S. -W., Krause, H. -J. Magnetic particle imaging with a planar frequency mixing magnetic detection scanner. Rev. Sci. Instr. 85 (1), 013705 (2014).
  18. Haegele, J., et al. Toward cardiovascular interventions guided by magnetic particle imaging: First instrument characterization. Magn. Reson. Med. 69 (6), 1761-1767 (2012).
  19. Haegele, J., et al. Magnetic particle imaging: visualization of instruments for cardiovascular intervention. Radiology. 265 (3), 933-938 (2012).
  20. Goodwill, P. W., Lu, K., Zheng, B., Conolly, S. M. An x-space magnetic particle imaging scanner. Rev. Sci. Instrum. 83 (3), 033708 (2012).
  21. Lampe, J., et al. Fast reconstruction in magnetic particle imaging. Phys. Med. Biol. 57 (4), 1113-1134 (2012).
  22. Yim, H., Seo, S., Na, K. MRI Contrast Agent-Based Multifunctional Materials: Diagnosis and Therapy. J Nanomat. 2011 (2011), (2011).

Tags

הנדסה גיליון 112 הדמית חלקיקים מגנטיים (MPI) תדר ערבוב האיתור המגנטי (FMMD) חלקיקים מגנטיים פאראמגנטיות על demodulation מוצר-מודולציה
תדירות ערבוב סורק זיהוי מגנטי הדמית חלקיקים מגנטיים בדגימות מישורים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hong, H., Lim, E. G., Jeong, J. c.,… More

Hong, H., Lim, E. G., Jeong, J. c., Chang, J., Shin, S. W., Krause, H. J. Frequency Mixing Magnetic Detection Scanner for Imaging Magnetic Particles in Planar Samples. J. Vis. Exp. (112), e53869, doi:10.3791/53869 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter