Frequenza di miscelazione Scanner rilevamento magnetico per l'imaging particelle magnetiche in Planar Campioni

Summary

Uno scanner per l'imaging particelle magnetiche nei campioni planari è stato sviluppato utilizzando la frequenza planare miscelazione tecnica di rilevamento magnetico. La risposta del prodotto di intermodulazione magnetico dal magnetizzazione nonhysteretic non lineare delle particelle viene registrato su una eccitazione a due frequenze. Può essere usato per prendere immagini 2D di campioni biologici sottili.

Abstract

La messa a punto di una frequenza di miscelazione planare scanner magnetico Detection (p-FMMD) per l'esecuzione magnetica particelle Imaging (MPI) di campioni piatti è presentato. Si compone di due teste di misura magnetici su entrambi i lati del campione montato sulle gambe di un supporto a forma di u. Il campione è localmente esposto ad un campo magnetico di eccitazione costituito da due frequenze distinte, una componente forte a circa 77 kHz e un campo più debole a 61 Hz. Le caratteristiche di magnetizzazione non lineare di particelle superparamagnetiche danno luogo alla generazione di prodotti di intermodulazione. Un componente somma frequenza selezionata dell'incidente alta e bassa frequenza del campo magnetico sulle particelle magneticamente non lineari viene registrata da una elettronica di demodulazione. In contrasto con uno scanner MPI convenzionale, p-FMMD non richiede l'applicazione di un forte campo magnetico per l'intero campione in quanto la miscelazione delle due frequenze avviene localmente. Pertanto, le dimensioni laterali del campione sono sololimitata dalla portata di scansione ed i supporti. Tuttavia, l'altezza del campione determina la risoluzione spaziale. Nella configurazione attuale è limitata a 2 mm. A titolo di esempio, vi presentiamo due 20 mm × 25 mm immagini p-FMMD acquisiti da campioni con 1 micron le particelle di diametro maghemite nella matrice silanolo e con particelle di magnetite 50 nm a matrice aminosilane. I risultati mostrano che lo scanner MPI romanzo può essere applicata per l'analisi di campioni biologici sottili e per scopi diagnostici medici.

Introduction

Nanoparticelle magnetiche (MNP) hanno trovato applicazioni diffuse in biologia molecolare e della medicina, ad esempio, per la manipolazione di biomolecole e cellule singole ^1, per l'etichettatura selettivamente le entità di destinazione per il rilevamento, ^{2, 3} per la modulazione della cromatina, ⁴ e per l'isolamento di mRNA e il trattamento del cancro . ⁵ Grazie alle loro proprietà superparamagnetiche, essi sono particolarmente utili per l'imaging medico. Possono servire, ad esempio, come agenti di contrasto o traccianti per risonanza magnetica (MRI) o per l'imaging suscettibilità usano rivelatori Superconducting Quantum dispositivo Interference (SQUID). ^{2, 6} Le nanoparticelle superparamagnetiche producono un buon contrasto per i diversi tessuti umani corpo che sono di dialogo o paramagnetica. ⁷ Così, le particelle possono convenientemente essere utilizzati per acquisire immagini mediche di parti del corpo umano con relativamente buona risoluzione spaziale e sensibilità. ⁸

tenda "> Il Imaging particelle magnetiche (MPI) tecnica introdotta da Gleich e Weizenecker ⁹ fa uso della non linearità della magnetizzazione della particella. A zero o debole polarizzazione del campo magnetico, la risposta di MNP ad una eccitazione alternata di frequenza f è forte dovuto loro grande sensibilità. In particolare, la magnetizzazione non lineare della particella dà luogo alla generazione di armoniche n · f, con n = 2, 3, 4 ... At alta polarizzazione del campo magnetico, la risposta armonica diventa debole perché le particelle sono magneticamente saturi. In la tecnica MPI, il campione è completamente magnetizzato eccezione di una linea di campo libero (FFL) o un punto free-field (FFP). solo particelle situato vicino a questa linea o punto contribuirà alla risposta non lineare del campione. Con la movimento di un FFP e dell'occupazione di bobine ricevitore adeguato, Gleich e Weizenecker immagini acquisite MPI con una risoluzione spaziale di 1 mm.

In modo daottenere informazioni sulla distribuzione spaziale di MNP, due metodi sono generalmente impiegati, il movimento meccanico del sensore rispetto al campione, o movimento del FFL / FFP mediante elettromagneti. ^{2, 3} In quest'ultimo caso, le tecniche di ricostruzione dell'immagine come armonica-space MPI ³ o X-spazio MPI ^{10, 11, 12} sono necessari. La risoluzione spaziale MPI è determinata dalle proprietà di convoluzione di bobine di eccitazione e rilevamento nonché dalle caratteristiche del gradiente di campo magnetico. Questo permette algoritmi di ricostruzione dell'immagine per ottenere una risoluzione migliorata rispetto alla risoluzione nativa, che è determinata dalla dimensione e distanza delle bobine di captazione e dalla distribuzione del campo magnetico governato dalle equazioni di Maxwell.

Uno scanner MPI è di solito composto da un forte magnete per magnetizzazione l'intero campione, un sistema di bobine controllabile per la guida di un FFL o FFP attraverso il campione, un excitatio ad alta frequenzan sistema di bobine, e un sistema di bobina di rivelazione per prelevare la risposta non lineare dal campione. Il FFL / FFP viene spostato in modo continuo attraverso il volume del campione mentre la risposta armonica da questa regione campione insaturo viene registrato. Per evitare il problema di montare il campione nello scanner, un solo lato scanner MPI è stata dimostrata da Gräfe et al. ^13, ma a scapito delle prestazioni ridotte. I migliori risultati si ottengono se il campione è circondato dai magneti e bobine. Poiché il campione deve essere pienamente magnetizzato eccezione della zona FFL / FFP, la tecnica richiede magneti relativamente grandi e forti con raffreddamento ad acqua, portando ad un sistema MPI piuttosto ingombranti e pesanti.

Il nostro approccio si basa sulla frequenza di miscelazione a curva di magnetizzazione non lineare di particelle superparamagnetiche. ¹⁴ Quando super-paramagneti sono esposti a campi magnetici a due frequenze distinte (f ₁ e f </ em> _2), le frequenze somma che rappresentano una combinazione lineare m · f ₁ + n · f ₂ (con numeri interi m, n) sono generati. È stato dimostrato che la comparsa di questi componenti è altamente specifico per la non linearità della curva di magnetizzazione delle particelle. ¹⁵ In altre parole, quando il campione MNP è simultaneamente esposto ad un campo magnetico di guida a frequenza f ₂ ed un campo sondaggio alla frequenza f _1, le particelle generano un campo risposta alla frequenza f ₁ + 2 · f _2. Questa frequenza somma non sarebbe inesistente in assenza del campione magneticamente non lineare, quindi la specificità è estremamente elevata. Abbiamo chiamato questo metodo "frequenza di miscelazione di rilevamento magnetico" (FMMD). È stato sperimentalmente verificato che la tecnica produce una gamma dinamica di oltre quattro ordini di grandezza in concentrazione di particelle. ¹⁴

<p class = "jove_content"> In contrasto tipica strumentazione MPI, la frequenza planare miscelazione approccio rilevamento magnetico (p-FMMD) non richiede per magnetizzare campione vicini alla saturazione perché la generazione della somma della frequenza componente f ₁ + 2 · f ₂ è massimo a campo di polarizzazione zero statico. ¹⁴ Pertanto, la necessità di forti magneti e ingombranti viene alleviata. In effetti, le dimensioni esterne della testa di misura sono solo il 77 mm x 68 mm x 29 mm. Per confronto, impostazioni MPI sono tipicamente meter dimensioni. ⁷ Lo svantaggio, tuttavia, è che la tecnica è limitata ai campioni planari con uno spessore massimo di 2 mm nella configurazione attuale. Il campione deve essere sottoposto a scansione relativamente alla testa di misura su due lati. Una ricostruzione che permette per i campioni più spessi è possibile, ma deve essere negoziate in una perdita di risoluzione spaziale.

Sulla base di questa tecnica FMMD, presentiamo un tipo speciale di MPI DATECtor per campioni planari, la cosiddetta "frequenza planare miscelazione rilevazione magnetica" (p-FMMD) scanner. Il principio è stato recentemente pubblicato. ¹⁷ In questo lavoro, ci concentriamo sulla metodologia della tecnica e protocolli attuali come impostare ad esempio uno scanner e come eseguire scansioni. E 'stato dimostrato che MPI può essere applicato per scopi diagnostici medici come imaging cardiovascolare o il cancro. ^{16, 18, ​​19} Pertanto riteniamo che il nuovo scanner MPI può essere utilizzato per una vasta gamma di possibili applicazioni, ad esempio, per la misurazione di particelle magnetiche distribuzione in fette di tessuto.

Protocol

1. Progettare un Planar FMMD misura Capo

1. Scegliere uno schema della bobina per la testa di misura. Selezionare una configurazione secondo la figura 1, costituito da due bobine di captazione sopra e due sotto il campione in un (-, +, +, -) sequenza, con il campione seduto al centro tra i due (+) bobine. Il segno indica la direzione di avvolgimento, cioè, (+) per orario e (-) per antiorario. Così, la sensibilità delle bobine di captazione diventa quasi omogenea in tutto lo spessore del campione.
   1. Posizionare le bobine di eccitazione tale che il segnale direttamente indotta nelle bobine di captazione annulla per evitare la saturazione del preamplificatore ed ottenere la massima sensibilità al campione. Altre configurazioni che soddisfano queste regole di progettazione di base possono essere concepiti.
2. Specificare lo spessore massimo del campione. Qui, utilizzare 2 mm.
   1. Scegliere il diametro e la lunghezza delle bobine di captazione simile al campione massima thickness. Qui, un diametro interno di 2 mm è stato scelto, che produce un diametro medio di 3,7 mm per l'altezza di avvolgimenti di 1,7 mm. La larghezza della bobina è di 4 mm.
   2. Scegliere il diametro del filo e il numero di avvolgimenti delle bobine di captazione tali che l'impedenza totale di tutte le bobine di captazione corrisponde approssimativamente l'impedenza di ingresso del preamplificatore. Questa condizione impone restrizioni sulla frequenza di rilevamento. Nel caso di un amplificatore operazionale con una impedenza di ingresso ottimale di 1.100 Ω, tutti quattro bobine di captazione hanno 600 avvolgimenti tra 0,08 mm dia. filo di rame smaltato, ottenendo un Ohmico resistenza serie totale di 95,3 Ω e una induttanza totale di 1,9 mH, che dà 919 Ω impedenza.
3. Preparare le bobine di eccitazione ad alta frequenza ¹⁷ tale che il campo magnetico nella posizione del campione ammonta idealmente a circa 0,5 mT. Per esempio, se il raggio interno della bobina è di 3,8 mm e la larghezza è di 8,5 mm vento 476 avvolgimenti del diametro di 0,1 millimetri w IRE. Qui, un campo di 0,4 mT è stato raggiunto a f ₁ = 76.550 Hz.
4. Preparare le bobine di eccitazione a bassa frequenza ¹⁷ tale che il campo magnetico nella posizione del campione è di circa 5 mT. Per esempio, se il raggio interno della bobina è di 5 mm e la larghezza è di 8,5 mm vento 2.000 avvolgimenti di filo di diametro di 0,12 millimetri. La messa a punto ha prodotto 5 Mt ad f ₂ = 61 Hz.

Figura 1. Schema del p-FMMD set-up. Due teste di misura sono collegati elettronicamente tra loro. Il campione viene posto nello spazio tra le teste. bobine di rilevamento (+) misurano il segnale campione, bobine di rilevamento contro-ferita (-) servono come riferimento per cancellare il campo direttamente dalle bobine di eccitazione ad alta frequenza. Amp - preamplificatore, x - mixer, LPF - filtro passa-basso, DAQ - acquisizione dati.target = "_ blank"> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

2. Costruire la testa di misura

1. Costruire la p-FMMD tale che due serie di bobine di eccitazione e rilevamento sono attaccati sopra e sotto il campione. Ciascuna serie di spire è costituito da una bobina a basso conducente frequenza, una bobina di eccitazione ad alta frequenza, e una bobina di rivelazione differenziale comprendente due bobine contrapposte ferita prelievo in configurazione gradiometer assiale.
   1. Permettono una regolazione di almeno una bobina di eccitazione rispetto alla bobina di rivelazione differenziale per essere in grado di bilanciare l'induzione diretta di eccitazione ad alta frequenza nella bobina di rivelazione. Per esempio, montare la bobina di eccitazione ad un filo che consente uno spostamento relativo della bobina di eccitazione rispetto alla bobina di rivelazione. Un diagramma schematico del p-FMMD è mostrato in Figura 1. La Figura 2 illustra un disegno tecnico e una fotografia della configurazione. dettagliatoparametri delle bobine sono elencati nella Tabella 1.
2. Montare i set bobina sopra e sotto il campione su un supporto rigido, con orientamento coassiale, vedi figure 1 e 2. Assicurarsi che i due insiemi bobina non vibrano rispetto all'altro.
3. Regolare il bilanciamento alta frequenza della testa di misura applicando la corrente di eccitazione ad alta frequenza al rispettivo insieme bobina di eccitazione, variando la posizione relativa tra loro, e contemporaneamente misurando il segnale rilevato a questa frequenza sul set bobina di rivelazione, utilizzando apparecchiature come un oscilloscopio o un amplificatore lock-in.
   1. Regolare la tensione indotta direttamente a partire da pochi millivolt, cioè, la soppressione di più di 1.000 volte di induzione diretta. Determinare il limite di regolazione osservando lo sfasamento tra corrente di eccitazione e la tensione rilevata. Come minimo, la tensione indotta è di 90 ° sfasato come confrontared per l'induzione diretta.

Figura 2. Disegno tecnico e la foto della testa p-FMMD. Le sezioni trasversali lungo un piano verticale (in alto a sinistra) e un piano orizzontale (in basso a sinistra) sono indicati, nonché una fotografia della testa di misura aperto prima bobina di avvolgimento. 1 - supporto in alluminio, 2 - bobina ex per bobine di rilevamento, 3 - filettato bobina ex per bobine di eccitazione che può essere spostato su / giù dalla rotazione, 4 - piastre di supporto del campione, 5 - coperchi in alluminio, 6 - Esempio di supporto tappo, 7 - stopper in direzione x, 8 - fermo nella direzione y. 6 - 8 vengono rimossi per la scansione. La dimensione della testa p-FMMD è di 77 mm x 68 mm x 29 mm. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

3. Impostare Elettronica di misura

1. Configurare il EXCIsezione zione, composto dai due oscillatori e amplificatori di potenza sia per bobina a basso conducente frequenza e bobina di eccitazione ad alta frequenza.
   1. Impostare la sezione bassa conducente frequenza, comprendente un oscillatore e un amplificatore di potenza per la bassa frequenza f _2. Calcolare la potenza dell'amplificatore tale che eroga la corrente necessaria per produrre il campo di circa 5 mT nella bobina conducente. Qui, utilizzare un chip di sintesi digitale diretta (DDS) come oscillatore programmabile. Impiegare un buffer ad alta velocità come amplificatore di potenza.
   2. Impostare la sezione di eccitazione ad alta frequenza, comprendente un oscillatore e un amplificatore di potenza per l'alta frequenza f _1. Impostare l'amplificatore di potenza tale che eroga la corrente necessaria per produrre il campo di circa 0,5 mT nella bobina di eccitazione. Utilizzare un chip DDS e un buffer ad alta velocità rispettivamente oscillatore e amplificatore di potenza,.
2. Configurare la sezione di rilevamento, costituito da un preamplifier, un primo miscelatore per demodulare dal f alta frequenza _1, un amplificatore intermedio e filtro, un secondo mixer per demodulare dal doppio della bassa frequenza 2 · f _2, e un driver di filtro e di uscita finale. In alternativa, utilizzare due amplificatori lock-in per implementare l'elettronica di rilevamento.
   1. Impostare il preamplificatore. Selezionare l'amplificatore operazionale di ingresso (OP), considerando l'impedenza della bobina di rivelazione e il prodotto guadagno larghezza di banda. Eseguire la procedura di ottimizzazione rumore, tenendo conto del rumore di tensione specificata e corrente di disturbo del PO, come spiegato in Ref. 10. Selezionare un basso rumore amplificatore operazionale ad alta velocità con una amplificazione di circa 100 nel primo stadio. La fase successiva è acritica, ma verificare che il segnale di uscita rimane nella gamma di tensione, vale a dire, non distorta a causa di un sovraccarico. Qui, utilizzare un ingresso JFET amplificatore operazionale a basso rumore con l'amplificazione di 4,3 volte.
   2. Impostare la first stadio di demodulazione, moltiplicando il segnale amplificato con l'alta frequenza f _1. Utilizzare un chip moltiplicatore analogico e riferimento da un secondo chip DDS separata per realizzare una regolazione di fase per la demodulazione. In alternativa, utilizzare un amplificatore lock-in come preamplificatore (3.2.1), prima demodulatore (3.2.2) e generatore ad alta frequenza (3.1.2).
   3. Impostare l'amplificazione e filtraggio fase intermedia. Implementare un filtro passa-basso in modo che la frequenza del segnale a 2 · f ₂ passaggi indisturbati mentre le componenti ad alta frequenza spurie a f ₁ e 2 · f ₁ sono efficacemente soppressa. Scegliere un'amplificazione intermedio adatto, per esempio selezionando due amplificatori operazionali polivalenti con amplificazione totale di circa 100.
   4. Impostare il secondo stadio di demodulazione, moltiplicando il segnale filtrato e amplificato con il doppio della bassa frequenza 2 · f _2. Usoun chip moltiplicatore analogico e riferimento da una quarta di chip DDS separata per realizzare una regolazione di fase per la demodulazione. In alternativa, utilizzare un amplificatore lock-in in grado di demodulazione seconda armonica come amplificatore intermedio (3.2.3), secondo demodulatore in seconda armonica (3.2.4) e generatore di bassa frequenza (3.1.1).
   5. Impostare l'amplificazione e filtraggio fase finale. Implementare un filtro passa-basso in modo che la frequenza del segnale alla frequenza di scansione passa indisturbati mentre le componenti ad alta frequenza spurie a 4 · f ₂ vengono efficacemente soppresse. Scegliere un amplificazione finale adeguato, considerando la gamma di tensione di uscita desiderata. Utilizzare due amplificatori operazionali general-purpose con un ampliamento complessivo di circa 10.

4. Impostare scanner 2D

1. Montare uno scanner 2D modo che il piano di movimento è perpendicolare all'asse della bobina.
2. Controllare lo scanner 2D e acquiri sincronong la tensione di uscita dall'elettronica di misura in modo da ottenere un'immagine 2D del segnale FMMD del campione planare utilizzando uno script casalingo scritto in linguaggio di programmazione Python.

5. Preparare campione

1. Utilizzare particelle di magnetite con diametro di 50 nm e 100 nm e particelle maghemite con un diametro di 1 micron di cui concentrazione è 25,0 mg / ml. Lavare la soluzione sciogliendo le particelle magnetiche in acqua, separandoli con un magnete e scartando l'acqua. Ripetere la procedura per tre volte. Diluire la soluzione particella magnetica a un decimo con acqua distillata.
2. Preparare i campioni di carta pellet con diametro di 2,0 millimetri per punzonatura pezzi di assorbimento carta assorbente con un punzone biopsia. ammollo in soluzione perla magnetica di diverse concentrazioni per 30 sec e lasciarli asciugare all'aria. Qui, utilizzare concentrazioni di 0,04, 0,2, 1, 5 e 25 mg / ml di 100 nm particelle di dimensioni.
3. Preparare un campione utilizzando un nitrocellulose membrana di dimensioni 2,0 millimetri × 18,0 mm. Immergere la membrana con la soluzione non diluita 1 micron di diametro delle particelle. Preparare un campione immergendo la membrana in modo uniforme, e un altro facendo un gradiente di concentrazione. A tale scopo, immergendo le estremità della membrana in soluzione perline con concentrazione differente, producendo il gradiente di concentrazione (Figura 5).
4. Preparare un campione in un tubo capillare di 10 volumi microlitri, diametro esterno di 400 micron di lunghezza 40 mm. Riempire il capillare con la soluzione diametro delle particelle 50 nm non diluito. Preparare una seconda microtubo con 20x soluzione diluita (miscela di 100 ml di soluzione non diluita con 1,9 ml di acqua).

6. Eseguire 2D FMMD Scan

1. Selezionare area di scansione secondo dimensioni planari a × b del campione. Inserire i valori nel software di scansione.
2. Selezionare la direzione di lancio. Di solito, il più corto dei due dimensioni planari, chiamiamolo B
3. Selezionare la scansione velocità V, con considerazione della riduzione del segnale a causa di filtraggio passa-basso, vedi la discussione. Regolare la velocità a un valore compreso tra 1 e 7 mm / sec. Inserire il valore del software di scansione.
4. Selezionare distanza passo Δ b, tenendo conto che non deve essere molto più piccola della risoluzione spaziale ottenibile, e il tempo t di scansione totale che sarà almeno t = a / v · b / b Δ +1). Inserire la distanza di lancio nel software.
5. Montare il campione sullo scanner 2D. Risolvere il problema sul piatto di plastica con del nastro adesivo.

Figura 3. Foto di setup di misura p-FMMD. Il campione è fissato con nastro adesivo sul supporto in plastica mosso dal motorestadio (a sinistra). Poi il campione viene analizzato nella testa p-FMMD (a destra). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

6. Eseguire la scansione, premere il pulsante di avvio. Le scansioni delle figure 5 e 6 coprono un 20,0 millimetri (asse x) × 25,0 millimetri (asse y) regione, cioè, sei lunghezza 25 millimetri tracce sono scansionate lungo l'asse y, con passo 4,0 mm in direzione x, ad una velocità fase di 1,0 mm / sec. Ciò equivale a un tempo di scansione di circa 2 min.

Figura 4. Interfaccia grafica utente del software di scansione. I parametri di scansione vengono inseriti qui. La misura viene avviata premendo il pulsante rosso.

Processing 7. Immagine

1. Convertire i dati grezzi in forma di matrice utilizzando una pasta fattae lo script in python. Accedere ai dati grezzi di tutta la scansione insieme ai valori supplementari in un file di formato 2-colonna dei valori separati da virgole (CSV). La colonna aggiuntiva indica la cattura dei dati corrispondenti durante il moto passo. I segmenti di script la colonna di dati grezzi ad ogni cambio di valore della colonna in più e rimuove i segmenti di dati durante un passo di movimento. Si costruisce anche la matrice risultante mettendo restanti segmenti consecutivi in ​​righe o colonne della matrice e scrive la matrice in un file di formato CSV.
   Nota: le immagini p-FMMD di questo studio sono generati utilizzando uno script python. La funzione pyplot.contour e la funzione pyplot.imshow dalla libreria matplotlib per Python sono cumulativamente utilizzati per la preparazione dei contorni e dei colori di sfondo, rispettivamente.

Representative Results

La Figura 5a mostra la distribuzione sensibilità calcolata della bobina di rivelazione doppio differenziale interna in funzione delle coordinate x ed y nel piano campione. E 'stato calcolato un approccio inverso determinando la sovrapposizione dei campi magnetici in tutti i punti (x, y) nel piano centrale generata da tutte le quattro bobine di rilevamento. Viceversa, determina la sensibilità della bobina di rivelazione ad un momento magnetico a ciascuno di questi punti. Il calcolo è stato effettuato mediante il ravvicinamento delle bobine come lunghi rotoli di altezza trascurabile. Così, la distribuzione sensibilità illustrato nella figura 5a rappresenta la mappa di sensibilità nel piano di scansione, la cosiddetta funzione di diffusione di punto (PSF). In modo simile, la figura 5b mostra la sensibilità in funzione della coordinata assiale z e coordinata radiale r (r x ² + y ^2), dando così una mappatura verticale della sensibilità nella fessura della testa di misura. L'origine x = 0 ey = 0 si trova esattamente al centro della bobina di rivelazione. La distanza tra i centri della bobina di rivelazione superiore e inferiore è di 2 mm. I parametri bobina sono elencati nella Tabella 1. Figura 5c mostra il risultato di una scansione sperimentale sul campione linea di tipo stringa preparata secondo il protocollo 5.2. Per confronto, una traccia sensibilità è stata calcolata integrando numericamente la funzione di diffusione di punto illustrato in figura 5a su una vasta linea ideale 2 mm. L'accordo è buono, tranne che le spalle negative nel segnale calcolato non sono osservati sperimentalmente. Nella simulazione, queste parti negative provengono dai contributi negativi bobine di riferimento che sono più nel regime campo lontano rispetto alle bobine di rilevamento prossimi al sampio. Crediamo che il contributo negativo è sovrastimato in simulazione, perché le bobine sono approssimate con altezza trascurabile di avvolgimenti.

Figura 5. Rappresentazione della testa di misura. Distribuzione sensibilità calcolata della testa di misura (a) in funzione della planare coordinate x ed y per z = 0, (b) in funzione della coordinata assiale z e coordinata radiale r . La sensibilità è data relativamente al centro tra la bobina di rilevazione superiore e inferiore a x = 0, y = 0 e R = 0. (c) Confronto della sensibilità misurato e simulato. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

f ₁ = 76.56 kHz rispetto momenti magnetici al centro della testa di misura. Per il calcolo, sono stati presi i parametri della bobina interna come elencato nella tabella 1, nell'ipotesi di un fattore di riempimento (cioè, la frazione di rame negli avvolgimenti sezione trasversale) di K _F = 0,5. Abbiamo ottenuto un magnetica sensibilità momento di m ₀ / √ f = 1.8 · 10 ^-14 Am ² / √Hz. Per 1 sec tempo di misura, ciò equivale a un momento magnetico di risoluzione minimo di m ₀ = 7.3 · 10 ^-14 Am ^2. Questo valore è paragonabile al limite di rilevamento che può essere ottenuto con un otto millimetri testa di misura diametro standard. ¹⁴

Figura 6a mostra il signal intensità in funzione della concentrazione della soluzione di perline magnetiche. La velocità di scansione era di 1,0 m / minuto. La concentrazione dei pellets carta preparati secondo il protocollo 5.2 è stata variata da 0.04 a 25.0 mg / ml. Le barre di errore indicano la deviazione standard della misurazione FMMD. I risultati hanno mostrato una forte correlazione tra la concentrazione di perline magnetiche e il segnale dal rivelatore. Il coefficiente di determinazione R ² della regressione lineare è stata valutata come 0.98. Figura 6b mostra la relazione tra la velocità misurata della fase di scansione e l'intensità del segnale misurata con il campione di carta pellet 5 mg / ml in base al protocollo 5.3. Si è constatato che i segnali superiori possono essere ottenuti a velocità inferiore.

Figura 6. calibrazione. Curva di calibrazione normalizzata di (a) il p-FMMisurazione MD utilizzando diverse concentrazioni di perline magnetiche. Come campioni, pellet di carta con diametro di 2,0 millimetri sono stati preparati utilizzando una biopsia, imbevuto di una soluzione di particelle magnetiche di diverse concentrazioni (vedi protocollo 5.3). La testa di misura superato il pellet di carta con diverse concentrazioni di MP. La velocità di fase è stata regolata a 1,0 mm / sec. (B) l'intensità del segnale in funzione della velocità della fase XY per il campione di carta pellet 5,0 mg / ml. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

La figura 7 mostra una fotografia di campioni del tipo a membrana preparati secondo il protocollo 5.4 e l'immagine ricostruita p-FMMD da esso ottenuto. L'area dell'immagine così come l'area di scansione sono entrambi 20 mm × 25 mm. Il confronto del p-FMMD scansione con l'immagine ottica del sampl e dimostra chiaramente la possibilità di utilizzare il p-FMMD come scanner MPI. Tuttavia, le scansioni p-FMMD sono un po 'più ampia rispetto gli oggetti reali. Questo allargamento può essere attribuito principalmente al profilo sensibilità della testa di misura. Come mostrato in figura 5a, la misurazione di una distribuzione particella magnetica viene ampliata con questa distribuzione anche a ± 2,0 mm dal centro delle teste di misura.

Figura 7. 2D FMMD scansione. (A) Foto del campione tipo stringa. Il campione è stato preparato utilizzando una membrana di nitrocellulosa imbevuto di 1 micron di diametro soluzione maghemite particelle Simag-Silanolo vedi protocollo 5.4. (B) immagine ricostruita MPI, dimensioni 20 mm × 25 mm. Il campione è continuamente scansionato in direzione ye consecutivamente un passo in direzione x da 4 mm.ef = target "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53869/53869fig7large.jpg" = "_ blank"> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Un secondo campione è stato preparato, costituito da due microtubi riempiti con differenti concentrazioni di particelle magnetiche, come descritto nel protocollo 5.5. Figura 8 mostra una fotografia della dell'immagine p-FMMD ricostruito campione e, entrambi con una dimensione di 20 mm × 25 mm. Questo esempio dimostra che le concentrazioni diverse per un fattore di 20 possono essere ben ripreso con caratteristiche dell'immagine chiaramente distinguibili.

Figura 8. scansione 2D FMMD. (A) Fotografia di due microtubi di 10 volumi microlitri con diverse concentrazioni campione di liquido MAG-Amine, vedi protocollo 5.5. (B) immagine ricostruita MPI, formato 20 millimetri &# 215; 25 mm. Il campione è continuamente sottoposto a scansione in direzione Y e consecutivamente ha fatto un passo in direzione x di 4 mm. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

	dimensioni coil			avvolgimenti		Coil sotto campione		Coil sopra campione
Bobina	R 1 [mm] un	W [mm] b	H [mm] c	Numero di avvolgimenti	Filo-Ø [mm]	R [Ω] d	L [MH] e	R [Ω] d	L [MH] e
misurazione	1.0	4.0	1.7	2 × 600 0,08	47.67	0.95	47.66	0.95
Eccitazione	3.8	8.5	1.0	476	0.10	29.90	1.56	29.70	1.45
autista	5.0	8.5	5.0	2.000	0,12	190,75	36.90	141.28	37.90
un R 1 è il raggio interno della bobina. Il raggio medio è R 1 + H / 2, il raggio esterno R è 1 + H.
b W è la larghezza della bobina, cioè, la sezione trasversale degli avvolgimenti.
c H è l'altezza degli avvolgimenti della bobina.
d R denota la resistenza ohmica a DC. Nel caso delle bobine di misura, è tha resistenza serie di entrambe le bobine.
e L denota l'induttanza, misurata con un misuratore di induttanza a 1 kHz.

Tabella 1. Parametri Coil. Dimensioni e avvolgimenti delle bobine della testa di misurazione.

Discussion

La tecnica di misura utilizza la non linearità della curva di magnetizzazione delle particelle superparamagnetiche. La testa di misura a due facciate applica simultaneamente due campi di eccitazione magnetici di diversa frequenza al campione, una bassa frequenza (f ₂₎ componente per guidare le particelle in saturazione magnetica e alta frequenza (f ₁₎ campo sonda per misurare la risposta magnetica non lineare . In particolare, entrambe le armoniche dei campi incidenti, m · f ₁ e n · F _2, e somma le frequenze, m · f ₁ + n · f ₂ (con numeri interi m, n), sono generati. Questi prodotti di intermodulazione vengono rilevati dalla bobina pickup differenzialmente ferita. Le bobine di riferimento non raccolgono questi segnali perché si trovano lontano dal campione. Servono per la soppressione della alta frequenza direttamente indotto EXCIzione che altrimenti saturare il preamplificatore. Così, il piccolo segnale somma frequenza dovuta alla presenza di materiali super paramagnetico diventa misurabile e quantificabile. In dell'elettronica di lettura, solo il prodotto intermodulazione somma frequenza f ₁ + 2 · f ₂ è demodulato perché è il più forte componente non lineare che è presente senza campo di polarizzazione statica. E 'stato dimostrato che questa tecnica consente l'elaborazione veloce e una gamma molto ampia di rilevazione dinamica. Dettagli del principio FMMD e dell'elettronica di lettura sono descritte in dettaglio in Ref. 10.

I risultati di misura mostrati in figura 6 rivelano che il segnale p-FMMD dipende dalla velocità della fase di scansione e della concentrazione delle particelle magnetiche. Di conseguenza, la risoluzione e rilevamento limite spaziale della tecnica sono anche velocità- e concentrazione-dipendente. Attribuiamo questo risultato la riduzione del segnale bassofiltro passa all'uscita del rilevamento lock-in due fasi dell'elettronica di lettura. Precedenti ricerche su MPI anche mostrato che la risoluzione spaziale dipende dalla velocità di parametri di forza di gradiente, diametro delle particelle, il volume del nucleo magnetico e velocità meccanica della fase. ²⁰ I nostri risultati sono coerenti con questi risultati.

Il nostro metodo di scansione 2D notevolmente diversa dalla tecnica MPI convenzionale basata sulla generazione di un campo Point gratuito (FFP) o Campo Free Line (FFL), anche se il principio di rilevamento sulla base del segnale non lineare dal superparamagnets è simile. ^{3, 21} Sebbene convenzionale MPI presenta vantaggi rispetto alla nuova tecnica p-FMMD, come l'analisi simultanea 3D senza movimento meccanico del campione o di sistema ^7, il nuovo scanner MPI non necessita di grandi magneti per generare un forte campo. Crediamo che sia lo scanner convenzionale MPI e lo scanner P-FMMD hanno i loro vantaggi specifici. Il vantaggio dello scanner p-FMMD è la sua semplicità e le sue piccole dimensioni. Non vi è alcuna necessità di impiegare grandi bobine di gradiente e senza bisogno di bobine di raffreddamento. La dimensione del campione in direzione xey non sono limitati dalla tecnica, semplicemente lo scanner e il supporto. Tuttavia, la tecnica è applicabile solo a campioni sufficientemente sottili che si adattano tra le spire di rilevamento. Richiede spostamento del campione relativamente alla testa di misurazione, mentre MPI standard utilizza controllato elettricamente scansione del FFL / FFP senza movimento campione.

MPI è una relativamente nuova tecnica che ha una varietà di potenziali applicazioni in molti campi scientifici e industriali. E 'stato dimostrato che la sua risoluzione spaziale è paragonabile a quella di altre modalità di imaging medico. In questo studio, abbiamo introdotto una nuova tecnica chiamata p-FMMD per eseguire MPI di campioni planari. Rispetto ad altri scanner MPI, non richiede la generazione di un FFL oR FFP. Non è necessario alcun forte campo magnetico o gradiente di campo. Noi crediamo che la tecnica p-FMMD diventerà un metodo alternativo nel campo di MPI. aree applicative potenziali includono l'analisi di sezioni di tessuto biologiche per scopi diagnostici. Con una riprogettazione per ospitare i campioni più spessi, gli studi non invasivi di oggetti più grandi e piccoli animali diventerà fattibile.

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