Frekvens Blanding Magnetic Detection Scanner for Imaging magnetiske partikler i Planar Samples

Summary

En skanner for avbildning magnetiske partikler i planar prøvene ble utviklet ved hjelp av planar frekvens blande magnetiske gjenkjenning teknikk. Den magnetiske intermodulasjon produkt respons fra det ikke-lineære nonhysteretic magnetiseringen av partiklene blir registrert på en to-frekvens eksitasjon. Den kan brukes til å ta bilder av 2D tynne biologiske prøver.

Abstract

Oppsettet av en plan Frequency Blandings Magnetic Detection (p-FMMD) skanner for å utføre magnetiske partikler Imaging (MPI) på flate prøver blir presentert. Den består av to magnetiske målehoder på begge sider av prøven montert på benene av en U-formet støtte. Prøven er lokalt utsettes for et magnetisk felt eksitasjon som består av to distinkte frekvenser, en sterkere komponent på omtrent 77 kHz og et svakere felt ved 61 Hz. Ikke-lineære magnetiseringskurve egenskapene til superparamagnetiske partikler som gir opphav til generering av intermodulasjonsprodukter. En valgt sum-frekvenskomponent av frekvensen magnetfelt innfallende høy og lav på de magnetisk ikke-lineære partiklene blir registrert av en demodulerte elektronikk. I motsetning til en vanlig skanner MPI, betyr p-FMMD ikke krever anvendelse av et sterkt magnetisk felt for hele prøven på grunn blanding av de to frekvensene opptrer lokalt. Således, de laterale dimensjoner av prøven er barebegrenset av skanneområdet og støttene. Imidlertid bestemmer prøvehøyden romlig oppløsning. I dagens oppsett er det begrenset til 2 mm. Som eksempler, presenterer vi to 20 mm x 25 mm p-FMMD bilder ervervet fra prøver med 1 mikrometer diameter maghemite partikler i silanol matrise og med 50 nm magnetittpartikler i aminosilan matrise. Resultatene viser at de nye MPI skanneren kan anvendes for analyse av tynne biologiske prøver og for medisinske diagnoseformål.

Introduction

Magnetiske nanopartikler (MNP) har funnet utbredt applikasjoner i molekylærbiologi og i medisin, dvs. for manipulering av biomolekyler og enkeltceller ^en, for selektiv merking målet enheter for deteksjon, ^{2, 3} for kromatin modulasjon, ⁴ og for mRNA isolert og kreftbehandling . ⁵ på grunn av de superparamagnetiske egenskaper, de er spesielt nyttige for medisinsk avbildning. De kan tjene, for eksempel, som kontrastmidler eller tracere for Magnetic Resonance Imaging (MRI) eller for mottakelighet avbildning ved hjelp Superledende Quantum Interference Device (Squid) detektorer. ^{2, 6} Den superparamagnetiske nanopartikler gir en god kontrast til de forskjellige vev i menneske organ som er dia- eller paramagnetisk. ⁷ Dermed kan partiklene beleilig brukes for å skaffe medisinske bilder av menneskelige kroppsdeler med relativt god romlig oppløsning og følsomhet. ⁸

telt "> The Magnetic Particle Imaging (MPI) teknikk innføres ved Gleich og Weizenecker ⁹ gjør bruk av ulineariteten av partikkelens magnetiseringen. Ved null eller svake magnetfeltet, responsen av MNP til en ac eksitasjon av frekvensen f er sterk på grunn deres store følsomhet. spesielt partikkelens ikke-lineære magnetisering gir opphav til generering av harmoniske nm f, med n = 2, 3, 4 ... Ved høye magnetfeltet, blir den harmoniske respons svak fordi partiklene er magnetisk mettet. i MPI teknikk, blir prøven helt magnetisert med unntak av en felt-fri linje (ffl) eller et felt-fritt punkt (FFP). Bare partikler ligger i nærheten av denne linje eller punkt vil bidra til den ikke-lineære respons av prøven. med bevegelse av en FFP og ansettelse av egnede mottakerspoler, Gleich og Weizenecker ervervet MPI bilder med en romlig oppløsning på 1 mm.

For åinnhente informasjon om den romlige fordeling av MNP, to fremgangsmåter er vanligvis anvendes, den mekaniske bevegelse av sensoren i forhold til prøven, eller bevegelse av FFL / FFP ved hjelp av elektromagneter. ^{2, 3} I sistnevnte tilfelle, bilderekonstruksjonsteknikk som harmonisk plass MPI ³ eller X-space MPI ^{10, 11,} er ¹² nødvendig. Den romlige oppløsning av MPI bestemmes av konvolusjon egenskapene til eksitasjon og deteksjon spoler, så vel som av egenskapene til den magnetiske feltgradient. Dette gjør at bildet gjenoppbygging algoritmer for å oppnå en bedre oppløsning enn native oppløsning, som bestemmes av størrelse og avstand til pickup spoler samt av den magnetiske feltfordeling styres av Maxwells ligninger.

En MPI skanner består vanligvis av en sterk magnet for å magnetisere hele prøven, en styrbar spolesystem for å styre en FFL eller FFP på tvers av prøven, en høy frekvens excitation spolesystemet, og en detektorspole system for å plukke opp den ikke-lineære responsen fra prøven. FFL / FFP beveges kontinuerlig gjennom prøvevolumet mens den harmoniske svar fra umettet eksempelområdet er registrert. For å unngå problemet med montering av prøven inn i skanneren, har en ensidig MPI scanner blitt demonstrert av Grafe et al. ^13, men på bekostning av redusert ytelse. De beste resultater oppnås dersom prøven er omgitt av magneter og spoler. Fordi prøven må være fullt magnetisert med unntak av FFL / FFP region, krever teknikken forholdsvis store og sterke magneter med vannkjøling, som fører til en heller voluminøs og tung MPI system.

Vår fremgangsmåte er basert på frekvens blanding ved den ikke-lineære magnetiseringskurve av superparamagnetiske partikler. ¹⁴ Når super paramagnets er utsatt for magnetiske felt ved to forskjellige frekvenser (f ₁ og f </ em> _2), sum frekvenser som representerer en lineær kombinasjon m · f ₁ + n · f ₂ (med heltall m, n) er generert. Det ble vist at forekomsten av disse komponentene er sterkt avhengige av ulineariteten av magnetiseringskurven av partiklene. ¹⁵ Med andre ord, når den MNP prøven blir samtidig utsatt for en driv magnetisk felt ved frekvens f ₂ og sentret felt ved frekvensen f _1, partiklene generere en respons felt ved frekvens f ₁ + 2 · f _2. Denne summen frekvens ville ikke være eksisterer uten den magnetisk ikke-lineære prøven, og derfor spesifisiteten er ekstremt høy. Vi kalte denne metoden "frekvens blande magnetiske gjenkjenning" (FMMD). Det er blitt eksperimentelt bekreftet at teknikken gir et dynamisk område på mer enn fire størrelsesordener i partikkelkonsentrasjonen. ¹⁴

<p class = "jove_content"> I motsetning til typiske MPI instrumentering, gjør den plane frekvensblande magnetiske deteksjons (p-FMMD) tilnærming ikke trenger å magnetisere prøven i nærheten av metning fordi genereringen av summen frekvenskomponenten f ₁ + 2 · f ₂ er maksimum ved null forspenning statisk felt. ¹⁴ Derfor er det behov for sterke og store magneter lindres. Faktisk er de ytre dimensjoner av målehodet er bare 77 mm x 68 mm x 29 mm. Til sammenligning MPI oppsett er typisk meter størrelse. ⁷ Ulempen er imidlertid at teknikken er begrenset til plane prøver med en maksimal tykkelse på 2 mm i det aktuelle oppsettet. Prøven må være skannes relativt til det tosidige målehode. En re-konstruksjon som åpner for tykkere prøver er mulig, men må omsettes i et tap av romlig oppløsning.

Basert på denne FMMD teknikk presenterer vi en spesiell type MPI Detector for planar prøver, den såkalte "planar frekvens blande magnetiske gjenkjenning" (p-FMMD) skanner. Prinsippet har nylig blitt publisert. ¹⁷ I dette arbeidet har vi fokus på metodikken i teknikk og presentere protokoller hvordan du setter opp en slik skanner og hvordan du utfører skanninger. Det har vist seg at MPI kan brukes til medisinske diagnostiske formål som hjerte eller kreft imaging. ^{16, 18, ​​19} Derfor tror vi at den nye MPI skanneren kan brukes til et bredt spekter av potensielle bruksområder, for eksempel, for å måle magnetiske partikler distribusjon i vev skiver.

Protocol

1. Design en Planar FMMD Måling Hode

1. Velg en spole ordning for måling hodet. Velge en konfigurasjon ifølge figur 1, som består av to pickup spoler over og to under prøven i en (-, +, +, -) sekvens, med prøven sitter i midten mellom de to (+) spoler. Skiltet betegner retningen av vikling, det vil si, (+) for urviseren og (-) for mot urviseren. Dermed blir følsomheten av pickup spolene nesten homogen tvers av prøvens tykkelse.
   1. Plasser eksitasjon spoler slik at den direkte induserte signal i pickup spolene utligner for å hindre metning av forforsterker og oppnå maksimal følsomhet for prøven. Andre konfigurasjoner som oppfyller disse grunnleggende designregler kan være utformet.
2. Angi maksimal sample tykkelse. Her bruker 2 mm.
   1. Velge diameteren og lengden av de pickup spoler lik den maksimale prøve thickness. Her ble en indre diameter på 2 mm velges, noe som gir en midlere diameter på 3,7 mm for høyden av viklinger av 1,7 mm. Spolen bredde er 4 mm.
   2. Velge tråddiameteren og antall viklinger av mater spoler slik at den totale impedans av alle pickup spoler tilnærmet stemmer overens med inngangsimpedansen av forforsterkeren. Denne tilstanden pålegger restriksjoner på deteksjon frekvens. I tilfelle av en operasjonsforsterker med en optimal inngangsimpedans 1100 Ω, alle fire spoler pickup har 600 vindinger av 0,08 mm diameter. emaljert kobbertråd, noe som ga en total ohmsk seriemotstand på 95,3 Ω og en total induktans på 1,9 mH, noe som gir 919 Ω impedans.
3. Fremstille de høyfrekvente eksitasjon spoler ¹⁷ slik at det magnetiske felt ved prøven befinner seg ideelt utgjør ca. 0,5 mT. For eksempel, hvis den indre radius av spolen er 3,8 mm og bredden er 8,5 mm, vind 476 vindinger med diameter 0,1 mm w ire. Her ble et felt av 0,4 mT oppnås ved f ₁ = 76550 Hz.
4. Forbered lavfrekvente eksitasjon spoler ¹⁷ slik at magnetfeltet på prøven plassering er ca 5 mT. For eksempel, hvis den indre radius av spolen er 5 mm, og bredden er 8,5 mm, vind 2000 viklinger av tråddiameter på 0,12 mm. Oppsettet ga 5 mT på f ₂ = 61 Hz.

Figur 1. Skjematisk tegning av p-FMMD oppsett. To målehoder er elektronisk forbundet til hverandre. Prøven plasseres i mellomrommet mellom hodene. Deteksjons spoler (+) måle prøvesignalet, motsatt viklet deteksjonsspoler (-) tjener som referanse for å nøytralisere den direkte banen fra den høyfrekvente eksitasjon spoler. Amp - forforsterker, x - mikser, LPF - lavpassfilter, DAQ - datainnsamling.target = "_ blank"> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

2. Konstruer Måling hodet

1. Konstruer p-FMMD slik at to sett av eksitasjons- og deteksjonsspoler er festet over og under prøven. Hvert sett av spoler består av en lav frekvens driver spolen, en høy frekvens magnetiseringsspolen, og en differensialdetektorspole omfattende to motsatt viklet pickup spoler i aksial gradiometer konfigurasjon.
   1. Gir mulighet for en justerbarhet av minst en magnetiseringsspolen i forhold til differansen detektorspole for å være i stand til å balansere ut direkte induksjon av den høyfrekvente magnetisering inn i deteksjons spolen. For eksempel, montere magnetiseringsspolen på en tråd som tillater relativ bevegelse av magnetiseringsspolen versus detektorspole. Et skjematisk diagram av p-FMMD er vist i figur 1. Figur 2 viser en teknisk tegning og et fotografi av oppsettet. Detaljertparametere av spolene er oppført i tabell 1.
2. Monter spolesettene over og under prøven på en stiv bærer, med koaksial orientering, se figurene 1 og 2. Pass på at de to spolesett ikke vibrere i forhold til hverandre.
3. Juster høy frekvens balansen av målehodet ved anvendelse av høyfrekvent magnetisering strøm til de respektive magnetiseringsspolen sett, variere den relative stilling mellom dem, og samtidig måling av det detekterte signal ved denne frekvens i detektorspole satt, ved bruk av utstyr slik som en oscilloskop eller en lock-forsterker.
   1. Juster direkte indusert spenning så lav som noen få millivolt, dvs. mer enn 1000 ganger undertrykkelse av direkte induksjon. Bestemme grensen av justerbarhet ved å observere faseforskyvningen mellom eksiteringsstrømmen og likerettede spenning. Som et minimum, er den induserte spenning 90 ° faseforskjøvet som sammenlignetd til direkte induksjon.

Figur 2. Teknisk tegning og foto av p-FMMD hodet. Tverrsnitt langs et vertikalt plan (øverst til venstre) og et horisontalt plan (nederst til venstre) er vist, samt et bilde av den åpnede måling hodet før viklingen. 1 - Aluminum støtte, 2 - kveiler tidligere for detektorspoler, 3 - gjenget spiral tidligere for eksitasjon spoler som kan beveges opp / ned ved rotasjon, 4 - sample bæreplater, 5 - aluminium lokk, 6 - sample stopperen støtte, 7 - propp i x-retning, 8 - stopper i y retning. 6-8 er fjernet for skanning. Størrelsen på p-FMMD hode er 77 mm × 68 mm × 29 mm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

3. Sett opp Måling Electronics

1. Konfigurer excimente seksjon, bestående av de to oscillatorer og forsterkere for både lav frekvens driver spolen og høyfrekvente magnetiseringsspolen.
   1. Sett opp lavfrekvensdriveren seksjon, som omfatter en oscillator og en effektforsterker for den lave frekvens f _2. Beregne kraften fra forsterkeren slik at den leverer den nødvendige strøm for å produsere feltet av omtrent 5 mT i driveren spolen. Her bruker en Direct Digital Synthesis (DDS) chip som programmerbar oscillator. Ansett en high-speed buffer som effektforsterker.
   2. Still opp den høyfrekvente magnetisering seksjon, som omfatter en oscillator og en effektforsterker for den høye frekvens f _1. Sett opp effektforsterkeren slik at den leverer den nødvendige strøm for å produsere feltet av ca. 0,5 mT i magnetiseringsspolen. Bruke en DDS-brikke og en høyhastighets buffer som oscillator og effektforsterker, respektivt.
2. Konfigurer deteksjonsseksjon, som består av en preamplifier, en første blander for å demodulere fra den høye frekvens f _1, en ​​mellomliggende forsterker og filter, en andre blander for å demodulere fra to ganger den lavfrekvente 2 · f _2, og et endelig filter og utgang driver. Alternativt kan du bruke to låsebygde forsterkere til å gjennomføre gjenkjenning elektronikk.
   1. Sett opp forforsterkeren scenen. Velge inngangsoperasjonsforsterker (OP), tatt i betraktning at impedansen til den detektorspole og gevinsten-båndbreddeproduktet. Utføre støyoptimaliseringsprosedyren, tar hensyn til den angitte spenning støy og strømstøyen av OP, som forklart i Ref. 10. Velg en høyhastighets lav støy operasjonsforsterker med en forsterkning på omtrent 100 i det første trinn. Det etterfølgende trinn er ukritisk, men kontrollerer at utgangssignalet forblir i spenningsområdet, dvs. ikke forvrengt på grunn av overbelastning. Her bruker en støysvak JFET inngangsoperasjonsforsterker med 4,3 ganger forsterkning.
   2. Sett opp first demodulasjon scenen, å multiplisere det forsterkede signal med høy frekvens f _1. Bruke en analog multiplikator brikke og referere til den fra en annen separat DDS chip for å kunne realisere en regulerbar fase for demodulering. Alternativt kan du bruke en lock-forsterker som forforsterker (3.2.1), første demodulator (3.2.2) og høyfrekvent generator (3.1.2).
   3. Sett opp mellom forsterkning og filtrering scenen. Implementere et lavpassfilter, slik at signalfrekvensen ved 2 · f ₂ passerer uforstyrret, mens de uønskede høye frekvenskomponenter i f ₁ og 2 · f ₁ er effektivt undertrykket. Velge en passende mellomliggende forsterkning, for eksempel ved å velge to generelle operasjonsforsterkere med en total forsterkning på omtrent 100.
   4. Sett opp andre demodulation stadium, multiplisere det filtrerte og forsterkede signalet med det dobbelte av lavfrekvente 2 · f _2. Bruken analog multiplikator brikke og referere til den fra en fjerde separat DDS chip for å kunne realisere en regulerbar fase for demodulering. Alternativt kan du bruke en lock-forsterker i stand til andre harmoniske demodulation som mellomforsterker (3.2.3), andre demodulator på andre harmoniske (3.2.4) og lav frekvens generator (3.1.1).
   5. Sett opp den siste forsterkning og filtrering scenen. Implementere et lavpassfilter, slik at signalfrekvensen ved skanning frekvens passerer uforstyrret, mens de uønskede høye frekvenskomponenter ved 4 · f ₂ blir effektivt undertrykt. Velg en passende siste forsterkning, med tanke på ønsket utgangsspenningsområde. Bruk to generelle operasjonsforsterkere med en total forsterkning på ca 10.

4. Sett opp 2D-skanner

1. en 2D skanner montere, slik at bevegelsen plan er vinkelrett på spolens akse.
2. Styr 2D skanner og synkront acquiring utgangsspenningen fra måleelektronikken for å oppnå et 2D-bilde av den FMMD signalet fra den plane prøven ved hjelp av et hjemmelaget skript skrevet i programmeringsspråket Python.

5. Forbered Sample

1. Benytte magnetittpartikler med diameter på 50 nm og 100 nm og maghemite partikler med en diameter på 1 pm hvis konsentrasjon er 25,0 mg / ml. Vask løsningen ved å oppløse de magnetiske partikler i vann, separere dem ved hjelp av en magnet og kasting av vannet. Gjenta prosedyren tre ganger. Fortynn den magnetiske partikler løsningen på en tiendedel med destillert vann.
2. Forbered papir pellets prøver med diameter 2,0 mm ved punching biter av absorberende trekkpapir ved hjelp av en biopsi punch. Suge dem i magnetiske kuler løsning av forskjellige konsentrasjoner i 30 sekunder og la dem tørke i luft. Her bruker konsentrasjoner på 0,04, 0,2, 1, 5 og 25 mg / ml 100 nM størrelse.
3. Forbered en prøve ved hjelp av en nitrocellulose membran av størrelse 2,0 mm x 18,0 mm. Sug membranen med ufortynnet 1 mikrometer diameter partikkel løsning. Forbered en prøve ved å dyppe membranen jevnt, og en annen ved å gjøre en konsentrasjonsgradient. Dette gjøre ved å dyppe endene av membranen i perlene oppløsning med forskjellige konsentrasjoner, noe som resulterer i konsentrasjonsgradienten (figur 5).
4. Fremstilling av en prøve i et kapillarrør av 10 ul volum, ytre diameter 400 um, lengde 40 mm. Fyll kapillarrør med ufortynnet 50 nm diameter partikkel løsning. Forbered en andre microtube med 20x fortynnet løsning (blande 100 ul ufortynnet oppløsning med 1,9 ml vann).

6. Utfør 2D FMMD Scan

1. Velg skanningsområdet i henhold til plane dimensjoner a × b av prøven. Skriv inn verdiene i skannerprogramvaren.
2. Velg stepping retning. Vanligvis er den korteste av de to plane dimensjoner, la oss kalle det b
3. Velg skannehastighet v, med vurdering av signalreduksjon på grunn av lav-pass filtrering, i diskusjon. Justere hastigheten til en verdi mellom 1 og 7 mm / sek. Angi verdien i skannerprogramvaren.
4. Velg trinn avstand Δ b, tar hensyn til at det trenger ikke være mye mindre enn det oppnåelige romlig oppløsning, og det totale skanne tiden t som vil være minst t = a / v x B / Δ b 1). Skriv inn stepping avstand i programvaren.
5. prøven på 2D skanner montere. Fiks det på plate ved hjelp av tape.

Figur 3. Bilde av p-FMMD måleoppsettet. Prøven er festet med tape på plastbære flyttet av motorstadiet (til venstre). Da prøven skannes i p-FMMD hodet (til høyre). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

6. Utfør skanningen ved å trykke på startknappen. Skanninger av figurene 5 og 6 deksel en 20,0 mm (x-aksen) x 25,0 mm (y-aksen) region, dvs. seks 25 mm lange spor ble skannet langs y-aksen, med 4,0 mm trinnene i x-retning, på et stadium hastighet på 1,0 mm / sek. Dette utgjør en skannetiden på ca. 2 min.

Figur 4. Graphical User Interface av skannerprogramvaren. Skanneparametrene føres her. Målingen startes ved å trykke på den røde knappen.

7. Bildebehandling

1. Konverter rådata til matriseform ved hjelp av en homemade skript i python. Logg rådata om hele skanningen sammen med ekstra verdier i en to-kolonne kommaseparerte verdier (CSV) format fil. Den ekstra kolonne angir fange de tilsvarende data under spring bevegelse. Skriptet segmenter rådata kolonnen ved hver endring av den ekstra kolonneverdi og fjerner data segmenter under stepping bevegelse. Den konstruerer også den resulterende matrisen ved å sette de gjenværende segmenter etter hverandre i rader eller kolonner i matrisen og skriver den inn i en matrise CSV-format.
   Merk: p-FMMD bilder av denne studien er generert ved hjelp av et Python-skript. Den pyplot.contour funksjon og pyplot.imshow funksjonen fra matplotlib biblioteket for python er kumulativt brukt for utarbeidelse av konturer og bakgrunnsfarger, henholdsvis.

Representative Results

Figur 5a viser den beregnede følsomhet fordelingen av indre dobbelt differensial deteksjon spolen som en funksjon av koordinatene x og y i prøven planet. Det ble beregnet på en invers måte ved å bestemme den superposisjon av de magnetiske felter på alle punkter (x, y) i det sentrale plan som genereres av alle fire deteksjonsspoler. I revers, bestemmer dette deteksjons spolen sensitivitet for et magnetisk moment ved hver av disse punktene. Beregningen ble utført av tilnærmet spolene som lange sløyfer av ubetydelig høyde. Således følsomheten fordelingen vist i figur 5a viser følsomhet kartet i skanneplanet, de såkalte punktspredefunksjonen (PSF). På lignende måte, viser figur 5b følsomheten som en funksjon av den aksiale koordinaten z og den radielle koordinaten r (r x ² + y ^2), og dermed gi en vertikal kartlegging av følsomheten i slissen av målehodet. Origo x = 0 og y = 0 ligger i sentrum av den detektorspole. Avstanden mellom sentrene i øvre og nedre detektorspole er 2 mm. Spolenes parameterne er oppført i tabell 1. Figur 5c viser resultatet av en eksperimentell skanning over streng-typelinje prøve fremstilt i henhold til protokollen 5,2. For sammenligning ble en følsomhet trase beregnet ved numerisk integrering av punktspredefunksjonen vist i figur 5a i løpet av en 2 mm bred ideell linje. Avtalen er god, bortsett fra at de negative skuldrene i den beregnede signal ikke observeres eksperimentelt. I simuleringen, disse negative del stammer fra de negative bidrag fra referansespoler som er mer i fjernfeltet regime enn deteksjons spoler ved siden av sample. Vi tror det negative bidraget er overestimert i simulering fordi spolene er tilnærmet med ubetydelig høyde på viklingene.

Figur 5. Utførelse av målehodet. Beregnet følsomhet fordeling av målehodet (a) som en funksjon av den plane koordinater x og y for z = 0, (b) som en funksjon av den aksiale koordinaten z og den radielle koordinaten r . Følsomheten er gitt relativt til midten mellom øvre og nedre deteksjons spole ved x = 0, y = 0 og r = 0. (c) Sammenligning av målt og simulert følsomhet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

f ₁ = 76,56 kHz med hensyn til magnetiske momenter i sentrum av målehodet. For beregningen ble parametrene av den indre kveil tatt som angitt i tabell 1, forutsatt at en fyllfaktor (dvs. kobber fraksjonen i viklingene tverrsnitt) av K _F = 0,5. Vi fikk en magnetisk moment følsomheten m ₀ / √ f = 1,8 · 10 ^-14 Am ² / √Hz. For 1 sek tidsmåling, utgjør dette en løses minimum magnetiske moment m ₀ = 7,3 · 10 ^-14 Am ^to. Denne verdien er sammenlignbar enn deteksjonsgrensen som kan oppnås med en standard 8 mm diameter målehodet. ¹⁴

Figur 6a viser signal intensitet som en funksjon av konsentrasjonen av magnetiske kuler oppløsning. Skannehastigheten var 1,0 cm / min. Konsentrasjonen av papir pellets fremstilt i henhold til protokollen 5,2 ble variert 0,04 til 25,0 mg / ml. Feilstolpene betegne standardavviket til FMMD målingen. Resultatene viste en sterk korrelasjon mellom konsentrasjonen av magnetiske kuler og signalet fra detektoren. Koeffisienten R ² av den lineære regresjon ble evaluert som 0,98. Figur 6b viser den målte forholdet mellom hastigheten av skannetrinnet og signalintensiteten målt med 5 mg / ml papir pellet prøve i henhold til protokollen 5,3. Det ble funnet at høyere-signaler kan oppnås ved lavere hastighet.

Figur 6. Kalibrering. Normalisert målekurve av (a) p-FMMD måling ved hjelp av forskjellige konsentrasjoner av magnetiske kuler. Som eksempler, ble papir pellets med diameter 2,0 mm utarbeidet med en biopsi punch, dynket i magnetiske partikler løsning av ulike konsentrasjoner (se protokoll 5.3). Målingen hode føres papir pellets med forskjellige konsentrasjoner av MP. Hastigheten på trinnet ble regulert til 1,0 mm / sek. (B) Signal intensitet som funksjon av hastigheten på XY scenen for 5,0 mg / ml papir pellet prøven. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7 viser et fotografi av membran-type prøver fremstilt i henhold til protokollen 5,4 og den rekonstruerte p-FMMD bildet innhentet fra den. Bildet området samt skanneområdet er både 20 mm x 25 mm. Sammenligningen av p-FMMD skanne med optisk bilde av sampl e viser klart muligheten til å bruke p-FMMD som MPI skanner. Men p-FMMD skanner er noe bredere enn de virkelige stedene. Denne utvidelse kan hovedsakelig tilskrives den følsomhetsprofilen av målehodet. Som vist i figur 5a, er målingen av en magnetisk partikkelfordeling utvidet ved denne fordeling til og med til ± 2,0 mm fra sentrum av målehodene.

Figur 7. 2D FMMD skanne. (A) Fotografi av strengen typen prøven. Prøven ble fremstilt ved anvendelse av en nitrocellulosemembran fuktet med 1 um diameter maghemite partikkel oppløsning SiMAG-silanol se protokoll 5,4. (B) Rekonstruert MPI image, størrelse 20 mm x 25 mm. Prøven blir kontinuerlig skannet i y-retningen og fortløpende trappet x retning ved 4 mm.ef = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53869/53869fig7large.jpg" target = "_ blank"> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

En andre prøve ble fremstilt, bestående av to mikrorør fylt med forskjellig magnetisk partikkelkonsentrasjon, slik som beskrevet i protokollen 5,5. Figur 8 viser et fotografi av prøven og den rekonstruerte p-FMMD bilde, begge med en størrelse på 20 mm x 25 mm. Dette eksempel viser at konsentrasjoner avviker fra hverandre med en faktor på 20 kan også avbildes med klart merkbare bildeegenskaper.

Figur 8. 2D FMMD scan. (A) Fotografi av to mikrorør av 10 pl volum med forskjellige prøve konsentrasjoner av væske MAG-Amine, se protokoll 5.5. (B) Rekonstruert MPI image, størrelse 20 mm &# 215; 25 mm. Prøven blir kontinuerlig skannet i y-retningen og fortløpende trappet x retning ved 4 mm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

	Coil dimensjoner			viklinger		Coil under prøven		Coil ovenfor prøven
Coil	R1 [mm] a	W [mm] b	H [mm] c	Antall viklinger	Wire-Ø [mm]	R [Ω] d	L [MH] e	R [Ω] d	L [MH] e
Mål	1.0	4.0	1.7	2 × 600 0,08	47.67	0.95	47.66	0.95
eksitasjon	3.8	8.5	1.0	476	0,10	29.90	1,56	29.70	1,45
Sjåfør	5.0	8.5	5.0	2000	0,12	190,75	36.90	141,28	37.90
en R 1 er den indre radius av spolen. Den gjennomsnittlige radius er R 1 + H / 2, er den ytre radius R 1 + H.
b W er bredden av spolen, dvs. tverrsnittet av viklingene.
c H er høyden av spolevindingene.
d R betegner Ohmsk motstand på DC. I tilfelle av måle spoler, er det than seriemotstand på begge spoler.
e L betegner induktans, målt med en induktans meter ved 1 kHz.

Tabell 1. Coil Parametere. Mål og viklinger av sløyfene av målehodet.

Discussion

Måleteknikken utnytter ulineariteten av magnetiseringskurven av de superparamagnetiske partikler. De to-sidig målehode gjelder samtidig to magnetiske eksitasjon felt av forskjellig frekvens til prøven, en lav frekvens (f ₂₎ komponent for å drive partiklene i magnetisk metning og en høy frekvens (f ₁₎ probe feltet for å måle ikke-lineær magnetisk respons . Spesielt begge harmoniske av hendelsen felt, m · f ₁ og n · f _2, og sum frekvenser, m · f ₁ + n · f ₂ (med heltall m, n), genereres. Disse intermodulation produkter er oppdaget av forskjellig såret pickup coil. Referanse spoler ikke plukke opp disse signalene fordi de er plassert langt borte fra prøven. De tjener for undertrykkelse av direkte indusert høyfrekvent excimentering som ellers ville mette forforsterkeren. Dermed blir den lille sum-frekvenssignal på grunn av tilstedeværelsen av super-paramagnetisk materiale målbar og kvantifiserbare. I avlesnings elektronikk, er bare det produkt intermodulasjon ved Sumfrekvensen f ₁ + 2 · f _to demodulerte fordi det er den sterkeste ikke-lineær komponent som er til stede uten statisk forspenning felt. Det ble vist at denne teknikken tillater rask behandling og et veldig stort dynamisk rekkevidden. Detaljer om FMMD prinsippet og avlesnings elektronikk er beskrevet i detalj i Ref. 10.

Måleresultatene er vist i figur 6 viser at p-FMMD signal avhenger av hastigheten av skannetrinnet og av konsentrasjonen av de magnetiske partiklene. Følgelig romlig oppløsning og deteksjonsgrense av teknikken er også hastighets- og konsentrasjonsavhengig. Vi tilskriver dette funnet til signal reduksjon av den lavepass filter på utgangen av den to-trinns låst påvisning i avlesningselektronikken. Tidligere forskning på MPI viste også at den romlige oppløsningen er avhengig av parametrene hastigheten av gradient styrke, partikkeldiameter, volum av den magnetiske kjerne og mekanisk hastighet av scenen. ²⁰ Våre funn er i overensstemmelse med disse resultatene.

Vår 2D skannemetode avviker betydelig fra den konvensjonelle MPI teknikk basert på å generere en felt Free Punkt (FFP) eller Felt gratis linje (ffl), selv om deteksjonsprinsipp basert på det ikke-lineært signal fra superparamagnets er lik. ^{3, 21} Selv konvensjonell MPI har fordeler fremfor den nye p-FMMD teknikk, slik som den samtidige 3D-analyse uten mekanisk bevegelse av prøven eller et system ^7, til den nye MPI skanneren trenger ikke store magnetene genererer et sterkt felt. Vi tror at både konvensjonelle MPI skanneren og p-FMMD skanner har sine spesielle fordeler. Fordelen med p-FMMD skanneren er dens enkelhet og dens små dimensjoner. Det er ikke behov for å anvende store gradient spolene og ikke behov for kjøling spoler. Prøvestørrelsen i x- og y-retningen er ikke begrenset av den teknikk, bare av avsøkeren og bæreren. Imidlertid er teknikken kun anvendbar for tilstrekkelig tynne prøver som passer mellom deteksjons- spoler. Det krever bevegelse av prøven i forhold til målehodet, mens standard MPI benytter elektrisk styrt avsøkning av FFL / FFP uten prøve bevegelse.

MPI er en relativt ny teknikk som har en rekke potensielle bruksområder i mange vitenskapelige og industrielle områder. Det har vist seg at den romlige oppløsning er sammenlignbar med den til andre medisinsk bildediagnostikk. I denne studien har vi innført en ny teknikk som kalles p-FMMD å utføre MPI av planar prøver. Sammenlignet med andre MPI skannere, krever det ikke generering av en FFL or FFP. Ingen sterke magnetiske felt eller felt gradient er nødvendig. Vi tror at den p-FMMD teknikken vil bli et alternativ metode innen MPI. Potensielle bruksområder inkluderer analyse av biologiske vev seksjoner for diagnostiske formål. Med en re-konstruksjon for å imøtekomme tykkere prøver, ikke-invasive studier av større gjenstander og små dyr blir 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