Frekvens Blandning Magnet Detection Scanner för Imaging magnetiska partiklar i Planar Prover

Summary

En scanner för avbildning magnetiska partiklar i plana prover har utvecklats med den plana frekvensblandnings magnetisk detekteringsteknik. Den magnetiska intermodulation produkten svar från den icke-linjära nonhysteretic magnetiseringen av partiklarna är inspelad på en två-frekvensexcitering. Det kan användas för att ta 2D-bilder av tunna biologiska prover.

Abstract

Installationen av ett plant frekvensblandnings Magnetic Detection (p-FMMD) skanner för att utföra magnetiska partiklar Imaging (MPI) av platta prover presenteras. Den består av två magnetiska mäthuvuden på båda sidor av provet monterat på benen av en U-format stöd. Provet lokalt utsätts för ett magnetiskt exciteringsfält bestående av två distinkta frekvenser, en starkare komponent vid ca 77 kHz och en svagare fält på 61 Hz. De icke-linjära magnetiseringskurvor egenskaper hos superparamagnetiska partiklar ger upphov till genereringen av intermodulationsprodukter. En utvald summafrekvenskomponenten i hög- och lågfrekventa magnetfält som infaller på de magnetiskt icke-linjära partiklarna registreras av ett demodulationsdatablock elektronik. I motsats till en konventionell MPI scanner, inte p-FMMD inte kräver tillämpningen av ett starkt magnetfält för hela provet eftersom blandning av de två frekvenser sker lokalt. Således, sido dimensioner provet är barabegränsad av avsökningsområde och stöden. Emellertid bestämmer provhöjd den rumsliga upplösningen. I den aktuella konfigurationen är begränsad till 2 mm. Som exempel presenterar vi två 20 mm x 25 mm p-FMMD bilder som förvärvats från prover med 1 pm maghemit diameter partiklar i silanol matris och med 50 nm magnetitpartiklar i aminosilan matris. Resultaten visar att den nya MPI scanner kan användas för analys av tunna biologiska prover och för medicinska diagnostiska ändamål.

Introduction

Magnetiska nanopartiklar (MNP) har funnit omfattande applikationer i molekylärbiologi och inom medicinen, dvs. om den för manipulering av biomolekyler och enskilda celler ^1, för att selektivt märka målgrupp enheter för upptäckt, ^{2, 3} för kromatin modulering, ⁴ och för mRNA-isolering och cancerbehandling . ⁵ grund av deras super egenskaper, de är särskilt användbara för medicinsk avbildning. De kan tjäna, till exempel, som kontrastmedel eller spårämnen för magnetisk resonanstomografi (MRT) eller känslighet avbildning med supraledande Quantum Interference Device (SQUID) detektorer. ^{2, 6} supernanopartiklar ger en bra kontrast till de olika vävnader i människo organ som är dia- eller para. ⁷ Sålunda kan partiklarna lämpligen användas för att förvärva medicinska bilder av mänskliga kroppsdelar med relativt god rumslig upplösning och känslighet. ⁸

tält "> The Magnetic Particle Imaging (MPI) teknik introducerades av Gleich och Weizenecker ⁹ gör användning av icke-linearitet av partikelns magnetisering. Vid noll eller svagt magnetfält bias, är svaret från MNP till en ac excitation av frekvensen f stark till följd av deras stora känslighet. i synnerhet ger partikelns olinjära magnetisering upphov till genereringen av övertoner n · f, med n = 2, 3, 4 ... Vid höga magnetfält bias, blir den harmoniska svar svag eftersom partiklarna är magnetiskt mättad. i MPI tekniken provet helt magnetiseras med undantag för en fält fri linje (FFL) eller en fält fri punkt (FFP). endast partiklar som ligger nära denna linje eller punkt kommer att bidra till den ickelinjära svaret från provet. med förflyttning av en FFP och anställning av lämpliga mottagarspolarna, Gleich och Weizenecker förvärvade MPI bilder med en rumslig upplösning på 1 mm.

För attfå information om den geografiska fördelningen av MNP, två metoder som vanligen används, den mekaniska rörelsen av sensorn i förhållande till provet, eller förflyttning av FFL / FFP genom elektromagneter. ^{2, 3} I det senare fallet, tekniker bildrekonstruktions som harmonisk rymden MPI ³ eller X-space MPI ^{10, 11,} är ¹² krävs. Den rumsliga upplösningen i MPI bestäms av faltningen egenskaperna hos excitations- och detektionsspolar samt av egenskaperna hos det magnetiska fältgradienten. Detta medger bildrekonstruktionsalgoritmer för att erhålla en förbättrad upplösning över den ursprungliga upplösningen, vilket bestäms av storlek och avstånd av upptagningspolarna samt genom den magnetiska fältfördelningen styrs av Maxwells ekvationer.

En MPI scanner vanligtvis består av en stark magnet för magnetisering hela provet, en kontrollerbar spelsystem för att styra en FFL eller FFP över provet, en högfrekvent excitation spolsystem och en upptäckt spolsystem för att plocka upp den ickelinjära svaret från provet. Den FFL / FFP kontinuerligt förflyttas genom provvolymen medan den harmoniska svar från denna omättade provområdet registreras. För att undvika problemet med att passa in provet i skannern har en enkelsidig MPI scanner visats av et al. Grafe ^13, men på bekostnad av minskad prestanda. De bästa resultaten erhålles om provet är omgiven av magneterna och spolarna. Eftersom urvalet måste vara fullständigt magnetiserade utom för FFL / FFP regionen kräver tekniken relativt stora och starka magneter med vattenkylning, vilket leder till en ganska skrymmande och tunga MPI-system.

Vår strategi är baserad på frekvens blandning vid den icke-linjära magnetiseringskurva av superparamagnetiska partiklar. ¹⁴ När super paramagnets utsätts för magnetfält vid två distinkta frekvenser (f ₁ och f </ em> _2), summafrekvenser som representerar en linjär kombination m · f ₁ + n · _f2 (med heltal m, n) genereras. Det visades att utseendet på dessa komponenter är i hög grad specifik för olinjäritet magnetiseringskurvan av partiklarna. ¹⁵ Med andra ord, när MNP provet samtidigt exponeras för ett drivande magnetiskt fält vid frekvensen _f2 och en sonderings fält vid frekvensen f _1, partiklarna generera ett svarsfält vid frekvensen f ₁ + 2 · f _2. Denna summa frekvens skulle inte vara existerande utan magnetiskt olinjära provet, därför specificiteten är extremt hög. Vi kallade denna metod "frekvensblandnings magnetisk detection" (FMMD). Det har experimentellt verifierat att tekniken ger ett dynamiskt omfång på mer än fyra storleksordningar i partikelkoncentration. ¹⁴

<p class = "jove_content"> I motsats till typiska MPI instrumentering, tar den plana frekvensblandnings magnetisk detektion (p-FMMD) tillvägagångssätt kräver inte att magnetisera provet nära mättnad eftersom genereringen av summan frekvenskomponenten f ₁ + 2 · f ₂ är maximum vid noll statiskt förspänningsfält. ¹⁴ Därför är behovet av starka och skrymmande magneter lindras. I själva verket, de yttre dimensionerna hos mäthuvudet är endast 77 mm x 68 mm x 29 mm. Som jämförelse, MPI inställningar är vanligtvis meter storlek. ⁷ Nackdelen är dock att tekniken är begränsad till plana prover med en maximal tjocklek på 2 mm i den aktuella installationen. Provet har som ska skannas relativt till den dubbelsidiga mäthuvud. En ombyggnad möjliggör tjockare prover är möjligt, men måste bytas in mot en förlust av rumslig upplösning.

Baserat på denna FMMD teknik, presenterar vi en speciell typ av MPI DETECtor för plana prov, det så kallade "plana frekvensblandnings magnetisk detektering" (p-FMMD) scanner. Principen har nyligen publicerats. ¹⁷ I detta arbete fokuserar vi på metoder för tekniken och nuvarande protokollen hur man inrätta en sådan scanner och hur man utför genomsökningar. Det har visat sig att MPI kan användas för medicinska diagnostiska ändamål såsom hjärt- eller cancer avbildning. ^{16, 18, ​​19} Därför tror vi att den nya MPI scanner kan användas för ett brett spektrum av potentiella tillämpningar, t ex för att mäta magnetisk partikel fördelning i vävnadsskivor.

Protocol

1. Design en Planar FMMD mäthuvud

1. Välj en spole system för mätning huvudet. Välj en konfiguration enligt figur 1, som består av två pickup spolar ovanför och två nedanför provet i en (-, +, +, -) sekvens, med provet sitter i mitten mellan de två (+) spolar. Tecknet betecknar lindningsriktningen, dvs., (+) för medurs och (-) för moturs. Således blir känsligheten hos pickupspolar nästan homogent över provet tjocklek.
   1. Placera magnetiseringsspolarna så att den direkt inducerade signalen i upptagningsspolar upphäver i syfte att förhindra mättning av förförstärkaren och uppnå maximal känslighet till provet. Andra konfigurationer som uppfyller dessa grundläggande konstruktionsregler kan utformas.
2. Ange den maximala provtjockleken. Här använder 2 mm.
   1. Välja diametern och längden av upptagningsspolar som liknar den maximala prov thickness. Här, en innerdiameter av 2 mm väljs, vilket ger en medeldiameter av 3,7 mm för höjden på lindningar av 1,7 mm. Spolen bredd är 4 mm.
   2. Välja tråddiametern och antalet lindningar av upptagningsspolar så att den totala impedansen för alla pickupspolar matchar approximativt ingångsimpedansen hos förförstärkaren. Detta tillstånd innebär begränsningar för frekvensdetektering. I fallet med en operationsförstärkare med en optimal ingångsimpedans 1100 Ω, alla fyra pickup spolar har 600 lindningar av 0,08 mm dia. emaljerad koppartråd, vilket ger en total Ohmskt seriemotstånd av 95,3 Ω och en total induktans på 1,9 mH, vilket ger 919 Ω impedans.
3. Framställa de högfrekventa exciteringsspolar ¹⁷ på sådant sätt att det magnetiska fältet vid provets läge uppgår idealt till cirka 0,5 mT. Till exempel, om den inre radien av spolen är 3,8 mm och bredden är 8,5 mm, vind 476 lindningar av 0,1 mm diameter w vrede. Här var ett fält av 0,4 mT uppnås vid f ₁ = 76.550 Hz.
4. Framställa de lågfrekventa magnetiseringsspolarna ¹⁷ på sådant sätt att det magnetiska fältet vid provets läge är ca 5 mT. Till exempel, om den inre radien av spolen är 5 mm och bredden är 8,5 mm, vind 2.000 varv av tråd 0,12 mm diameter. Installations gav 5 mT vid _f2 = 61 Hz.

Figur 1. Schematisk ritning av p-FMMD set-up. Två mäthuvuden är elektroniskt anslutna till varandra. Provet placeras i utrymmet mellan huvudena. Detekteringsspolarna (+) mäta provsignalen, kontralindade detektionsspolar (-) används som referens för att neutralisera det direkta området från högfrekventa exciteringsspolar. Amp - förförstärkare, x - blandare, LPF - lågpassfilter, DAQ - datainsamling.target = "_ blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

2. Konstruera mäthuvudet

1. Konstruera p-FMMD så att två uppsättningar av excitations- och detektionsspolar är fästa ovanför och under provet. Varje uppsättning av spolar består av en lågfrekvent förare spole, en högfrekvent magnetiseringsspolen, och en differentialdetekteringsspole innefattande två motsatt lindade pickup spolar i axiell Metrar konfiguration.
   1. Möjliggöra en justerbarhet av åtminstone en exciteringsspole i förhållande till differentialdetekteringsspole för att kunna balansera ut direkt induktion av den högfrekventa exciteringen in i detektionsspole. Exempelvis montera exciteringsspolen på en tråd som tillåter relativ rörelse av magnetiseringsspolen kontra detektionsspolen. Ett schematiskt diagram av det p-FMMD visas i figur 1, fig. 2 visar en teknisk ritning och ett fotografi av den installationen. Detaljeradparametrar för spolarna är listade i tabell 1.
2. Montera spoluppsättningar ovanför och under provet på ett styvt stöd, med koaxial orientering, se figur 1 och 2. Se till att de två spoluppsättningar inte vibrerar i förhållande till varandra.
3. Justera det höga frekvensbalansen i mäthuvudet genom att applicera det högfrekventa exciteringsström till respektive magnetiseringsspolen set, att variera den relativa positionen mellan dem, och samtidigt mäta den detekterade signalen vid denna frekvens vid detekterings spoluppsättning, med användning av utrustning, såsom en oscilloskop eller en lock-in-förstärkare.
   1. Justera direkt inducerade spänningen så låg som några få millivolt, dvs mer än 1000-faldigt undertryckande av direkt induktion. Bestämma gränsen för justerbarhet genom att observera fasförskjutningen mellan exciteringsström och detekterade spänningen. Vid minsta, är den inducerade spänningen 90 ° fasförskjuten som jämförd direkt induktion.

Figur 2. Teknisk ritning och foto av p-FMMD huvud. Tvärsnitt längs ett vertikalt plan (överst till vänster) och ett horisontellt plan (nederst till vänster) visas, liksom ett fotografi av den öppnade mäthuvudet före spollindning. 1 - Aluminum stöd, 2 - Bobin för detektionsspolar, 3 - gängade spolstommen för magnetiseringsspolarna som kan flyttas uppåt / nedåt genom rotation, 4 - provstödplattor, 5 - aluminiumlock, 6 - prov propp stöd, 7 - stopper i x-riktningen, 8 - propp i y-led. 6-8 avlägsnas för skanning. Storleken på p-FMMD huvudet är 77 mm x 68 mm x 29 mm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

3. Ställ in Measurement Electronics

1. Konfigurera excition sektion, som består av de två oscillatorer och effektförstärkare för både lågfrekvent förare spole och högfrekvent magnetiseringsspolen.
   1. Ställa in avsnittet lågfrekventa förare, innefattande en oscillator och en effektförstärkare för den låga frekvensen f _2. Beräkna kraften i förstärkaren så att den ger den nödvändiga strömmen för att producera området omkring 5 miljoner ton i förarpolen. Här kan du använda en Direct Digital Synthesis (DDS) chip som programmerbar oscillator. Använda en höghastighetsbuffert såsom effektförstärkare.
   2. Inrätta det högfrekventa exciteringssektion, innefattande en oscillator och en effektförstärkare för den höga frekvensen f _1. Ställ in effektförstärkaren så att den ger den nödvändiga strömmen för att producera området cirka 0,5 Mt magnetiseringsspolen. Använda en DDS chip och en höghastighetsbuffert såsom oscillator och effektförstärkaren, respektive.
2. Konfigurera detekteringssektion, som består av en preamplifier, en första bländare för att demodulera den höga frekvensen f _1, en ​​mellanliggande förstärkare och filter, en andra bländare för att demodulera från två gånger den lågfrekventa 2 · f _2, och en slutlig förarfilter och utgång. Alternativt kan du använda två lock-in förstärkare för att genomföra detektionselektroniken.
   1. Inrättat förförstärkarsteget. Välja operationsförstärkaren ingång (OP), med tanke på impedansen hos detektionsspolen och förstärkningen-bandbreddprodukt. Utföra brusoptimeringsproceduren, med hänsyn tagen till den angivna spänningen buller och aktuella bullret från OP, som förklaras i Ref. 10. Välj en hög hastighet lågt brus operationsförstärkare med en förstärkning av ca 100 i det första steget. Den efterföljande steget är okritisk, men kontrollera att utsignalen förblir i spänningsområdet, det vill säga, inte snedvrids på grund av överbelastning. Här, använda en låg brus JFET ingång operationsförstärkare med 4,3-faldig förstärkning.
   2. Ställ in fIRST demodulering skede, multiplicera den förstärkta signalen med den höga frekvensen f _en. Använda en analog multiplikator chip och referens det från en andra separat DDS-chip i syfte att realisera en justerbar fas för demodulering. Alternativt kan du använda en lock-in-förstärkare som förförstärkare (3.2.1), första demodulator (3.2.2) och högfrekvensgenerator (3.1.2).
   3. Inrätta det mellanliggande amplifiering och filtreringssteget. Implementera en lågpassfilter så att signalfrekvensen vid 2 · f ₂ passerar ostörd medan de falska höga frekvenskomponenter vid F ₁ och 2 · f _ett effektivt undertryckas. Välj en lämplig mellanliggande förstärkning, till exempel genom att välja två allmänna ändamål operationsförstärkare med en total förstärkning av omkring 100.
   4. Ställ in andra demodulering steget, multiplicera den filtrerade och förstärkta signalen med dubbla låg frekvens 2 · _f2. Användningen analog multiplikator chip och referens den från en fjärde separat DDS-chip i syfte att realisera en justerbar fas för demodulering. Alternativt kan du använda en lock-in förstärkare kan andra harmoniska demodulering som mellanförstärkare (3.2.3), andra demodulator vid andra övertonen (3.2.4) och låg frekvensgenerator (3.1.1).
   5. Inrätta den slutliga amplifieringen och filtreringssteget. Implementera en lågpassfilter så att signalfrekvensen vid avsökningsfrekvensen passerar ostörd medan de falska höga frekvenskomponenter vid 4 · f ₂ är effektivt undertryckt. Välj en lämplig slutlig förstärkning, med tanke på den önskade utgångsspänningsområdet. Använd två generella operationsförstärkare med en total förstärkning av cirka 10.

4. Ställ in 2D Scanner

1. Montera en 2D scanner, så att rörelseplanet är vinkelrätt mot spolens axel.
2. Styra 2D scanner och synkront acquiring utspänningen från mätningselektroniken i syfte att erhålla en 2D-bild av FMMD signalen av det plana provet med användning av en hemmagjord script skrivet i programspråket Python.

5. Bered Prov

1. Använda magnetitpartiklar med diametrar av 50 nm och 100 nm och maghemit partiklar med en diameter av 1 | j, m av vilken koncentration är 25,0 mg / ml. Tvätta lösning genom att lösa de magnetiska partiklarna i vatten, separera dem med en magnet och kasta vattnet. Upprepa proceduren tre gånger. Späd den magnetiska partikellösning till en tiondel med destillerat vatten.
2. Förbered papperspelletprover med 2,0 mm diameter genom att stansa bitar av absorberande läskpapper med hjälp av en biopsistans. Blötlägg dem i magnetisk pärla lösning av olika koncentrationer i 30 sekunder och låt dem torka i luft. Här använder koncentrationer av 0,04, 0,2, 1, 5, och 25 mg / ml av 100 nm stora partiklar.
3. Förbered ett prov med hjälp av en nitrocellulose membran av storlek 2,0 mm x 18,0 mm. Blötlägg membranet med den outspädda ett um partikeldiameter lösning. Bered ett prov genom att blötlägga membranet jämnt, och en annan genom att göra en koncentrationsgradient. Gör detta genom att blötlägga ändarna av membranet i pärlor lösning med olika koncentration, vilket resulterar i koncentrationsgradienten (Figur 5).
4. Framställning av ett prov i ett kapillärrör av 10 | il volym, ytterdiameter 400 ^ m, längd 40 mm. Fyll kapillärröret med outspädd 50 nm partikeldiameter lösning. Förbered en andra mikrorör med 20x utspädd lösning (blanda 100 pl outspädd lösning med 1,9 ml vatten).

6. Utför 2D FMMD Scan

1. Välj skanningsområde enligt plana måtten a × b av provet. Ange värdena i skanningsprogrammet.
2. Välja steg riktning. Vanligtvis är det kortare av de två plana dimensioner, låt oss kalla det b
3. Välj avsökningshastigheten v, med hänsyn till signalminskning på grund av lågpassfiltrering, se diskussion. Justera hastigheten till ett värde mellan 1 och 7 mm / sek. Ange värdet i skanningsprogrammet.
4. Välj stegavstånd Δ b, med beaktande av att det inte behöver vara mycket mindre än den som kan uppnås rumslig upplösning, och den totala avsökningstiden t som kommer att vara åtminstone t = a / v • b / Δ b 1). Ange stegavstånd i programvaran.
5. Montera provet på 2D scanner. Fixa det på plattan med tejp.

Figur 3. Bild av p-FMMD mätning setup. Provet är fäst med tejp på plastbäraren förflyttas av motornstadium (till vänster). Sedan provet scannas i p-FMMD huvud (höger). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

6. Utför skanningen genom att trycka på startknappen. Skannar av figurerna 5 och 6 täcker en 20,0 mm (x-axel) × 25,0 mm (y-axeln) regionen, det vill säga sex 25 mm långa spår skannades längs y-axeln, med 4,0 mm steg i x-led, i ett skede hastighet av 1,0 mm / sek. Detta uppgår till en avsökningstiden på ca 2 min.

Figur 4. grafiska användargränssnittet i skanningsprogrammet. Skannings parametrar matas in här. Mätningen startas genom att trycka på den röda knappen.

7. Bildbehandling

1. Konvertera rådata till matrisform med hjälp av en homemade skript i Python. Logga rådata i hela skanningen tillsammans med extra värden i en två-kolonn kommaseparerade värden (CSV) fil. Den extra kolumnen anger att fånga motsvarande data under stegrörelsen. Skriptet segment rådata kolumn vid varje förändring av den extra kolumnvärde och tar bort segmenten data under stegrörelse. Den konstruerar också den resulterande matrisen genom att de återstående varandra följande segment i rader eller kolumner i matrisen och skriver matrisen till en CSV-fil.
   Notera: p-FMMD bilder av denna studie genereras med användning av en Python-skript. Den pyplot.contour funktion och pyplot.imshow funktion i matplotlib biblioteket för Python kumulativt används för framställning av konturer och bakgrundsfärger, respektive.

Representative Results

Figur 5a visar den beräknade känslighetsfördelningen hos den inre dubbeldifferentialdetektionsspole som en funktion av koordinaterna x och y i provplanet. Det beräknades på ett omvänt tillvägagångssätt genom att bestämma överlagringen av de magnetiska fälten i alla punkter (x, y) i det centrala planet genereras av alla fyra detektionsspolar. I omvänd bestämmer detta detektionsspolen känslighet för ett magnetiskt moment på var och en av dessa punkter. Beräkningen utfördes genom tillnärmning spolarna så länge spolar av ringa höjd. Sålunda känslighetsfördelning som visas i figur 5a representerar känsligheten kartan i avsökningsplanet, det så kallade punktspridningsfunktion (PSF). På ett liknande sätt visar figur 5b känsligheten som en funktion av den axiella koordinaten z och den radiella koordinaten r (r x ² + y ^2), vilket ger en vertikal kartläggning av känsligheten i slitsen av mäthuvudet. Ursprunget x = 0 och y = 0 ligger exakt i centrum av detektionsspolen. Avståndet mellan centra för de övre och nedre detektionsspole är 2 mm. De ring parametrar är listade i tabell 1, fig. 5c visar resultatet av en experimentell avsökning över strängen-linjetyp prov framställt enligt protokoll 5,2. För jämförelse framställdes en känslighet spår beräknas genom numeriskt integrera punktspridningsfunktionen som visas i figur 5a under en 2 mm bred ideala linjen. Avtalet är bra, förutom att de negativa axlar i den beräknade signalen inte observeras experimentellt. I simuleringen, dessa negativa delar härstammar från de negativa bidragen från referenspolarna som är mer i regimen fjärrområdet än detekteringsspolarna intill sampel. Vi tror att negativa bidraget överskattas i simuleringen eftersom spolarna är approximeras med försumbar höjd varv.

Figur 5. Utförande av mäthuvudet. Beräknad känslighet fördelning av mäthuvudet (a) som en funktion av det plana koordinaterna x och y för z = 0, (b) som en funktion av den axiella koordinaten z och den radiella koordinaten r . Känsligheten ges i förhållande till centrum mellan den övre och nedre detektionsspole vid x = 0, y = 0 och r = 0. (c) Jämförelse av uppmätt och simulerad känslighet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

f ₁ = 76,56 kHz med avseende på magnetiska moment i centrum av mäthuvudets. För beräkningen, var parametrarna för den inre spolen tas som listas i tabell 1, med antagande av en fyllnadsfaktorn (dvs., kopparfraktionen i lindningarna tvärsnitt) av K _F = 0,5. Vi fick ett magnetiskt moment känslighet m ₀ / √ f = 1,8 · 10 ^-14 Am ² / √Hz. För en sekund mättid, innebär detta en upplösning minimum magnetiskt moment av m ₀ = 7,3 · 10 ^-14 Am ^2. Detta värde är jämförbart än detektionsgränsen som kan uppnås med en standard 8 mm diametermätning huvudet. ¹⁴

Figur 6a visar den signal intensiteten som en funktion av koncentrationen av magnetiska pärlor lösning. Scanningshastigheten var 1,0 cm / min. Koncentrationen av pappers pellets framställda enligt protokoll 5,2 varierades från 0,04 till 25,0 mg / ml. Felstaplarna betecknar standardavvikelsen för FMMD mätningen. Resultaten visade en stark korrelation mellan koncentrationen av magnetiska pärlor och signalen från detektorn. Determinationskoefficienten R ² för den linjära regressionen utvärderades som 0,98. Figur 6b visar det uppmätta förhållandet mellan hastigheten hos avsökningssteget och signalintensiteten mäts med 5 mg / ml papper pelletprov enligt protokoll 5,3. Det visade sig att högre signaler kan erhållas vid lägre hastighet.

Figur 6. Kalibrering. Normaliserad kalibreringskurva av (a) p-FMMD mätning med olika koncentrationer av magnetiska pärlor. Som prov, var papper pellets med 2,0 mm diameter med användning av en biopsistans, indränkt i magnetisk partikel lösning av olika koncentrationer (se protokoll 5,3). Mäthuvudet passerat pappers pellets med olika koncentrationer av MP. Hastigheten av scenen justerades till 1,0 mm / sek. (B) Signal intensitet som funktion av hastigheten på XY scenen för 5,0 mg / ml papper pelletprov. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 7 visar ett fotografi av membran-typ prover framställda enligt protokoll 5,4 och den rekonstruerade p-FMMD bild erhållen från den. Bildområdet samt skanningsområdet är båda 20 mm x 25 mm. Jämförelsen av p-FMMD skanna med den optiska bilden av sampl e visar tydligt möjligheten att använda p-FMMD som MPI scanner. Men p-FMMD skannar är något bredare än de verkliga objekten. Denna breddning kan huvudsakligen hänföras till känslighetsprofilen hos mäthuvudet. Såsom visas i figur 5a, är mätningen av en magnetisk partikelfördelning breddas genom denna distribution även till ± 2,0 mm från centrum av de mäthuvuden.

Figur 7. 2D FMMD skanna. (A) Ett fotografi av provet sträng typ. Provet framställdes med användning av ett nitrocellulosamembran indränkt med en ^ m diameter maghemit partikellösning SiMAG-silanol se protokoll 5,4. (B) Rekonstruerade MPI bild, storlek 20 mm x 25 mm. Provet kontinuerligt skannas i y-led och i följd ingrep x-led med 4 mm.ef = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53869/53869fig7large.jpg" target = "_ blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Ett andra prov framställdes, bestående av två mikrorör fyllda med olika magnetpartikelkoncentration, som beskrivs i protokoll 5,5. Figur 8 visar ett fotografi av provet och den rekonstruerade p-FMMD bild, båda med en storlek på 20 mm x 25 mm. Detta exempel visar att koncentrationer som skiljer sig med en faktor av 20 kan vara väl avbildas med klart urskiljbara bilden funktioner.

Figur 8. 2D FMMD scan. (A) Fotografera av två mikrorör av 10 pl volym med olika provkoncentrationer av vätske MAG-Amin, se protokoll 5,5. (B) Rekonstruerade MPI bild, storlek 20 mm &# 215; 25 mm. Provet kontinuerligt skannas i y-led och i följd ingrep x-led med 4 mm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

	coil dimensioner			lind~~POS=TRUNC		Spole nedan prov		Coil ovan prov
Spole	R 1 [mm] a	W [mm] b	H [mm] c	Antal lindningar	Wire-o [mm]	R [Ω] d	L [MH] e	R [Ω] d	L [MH] e
Mått	1,0	4,0	1,7	2 × 600 0,08	47,67	0,95	47,66	0,95
excitation	3,8	8,5	1,0	476	0,10	29,90	1,56	29,70	1,45
Förare	5,0	8,5	5,0	2000	0,12	190,75	36,90	141,28	37,90
en R 1 är den inre radien av spolen. Den genomsnittliga radien är R 1 + H / 2, är den yttre radien R 1 + H.
b W är bredden av spolen, dvs tvärsnittet av lindningarna.
c H är höjden av spollindningarna.
d R betecknar den ohmska resistansen vid DC. Vid mätningspolarna, är det than seriemotstånd av båda spolarna.
e L betecknar induktans, mätt med en induktans mätaren vid 1 kHz.

Tabell 1. Coil parametrar. Mått och lindningar hos spolarna i mäthuvudet.

Discussion

Vilken mätteknik som utnyttjar den olinjäritet magnetiseringskurvan av de superparamagnetiska partiklar. Den dubbelsidiga mäthuvud gäller samtidigt två magnetiska exciteringsfält av olika frekvens till provet, en låg frekvens _(f2) komponent för att driva partiklar in magnetisk mättnad och en hög frekvens (f ₁₎ sond fält för att mäta olinjära magnetiska svar . Enligt bägge övertoner av de infallande fält, m · f ₁ och N · f _2, och summan frekvenser, m · f ₁ + n · f ₂ (med heltal m, n), alstras. Dessa intermodulationsprodukter upptäcks av differentiellt lindad pickup spole. Referens spolar inte plocka upp dessa signaler, eftersom de befinner sig långt bort från provet. De tjänar för undertryckande av direkt inducerade högfrekventa excitation som annars skulle mätta förförstärkare. Således, den lilla summafrekvenssignal på grund av närvaron av super-paramagnetiska material blir mätbar och kvantifierbar. I avläsningselektronik, är endast intermoduleringsprodukt till summafrekvensen f ₁ + 2 · f ₂ demodulerad eftersom det är den starkaste icke-linjär komponent som är närvarande utan statiskt förspänningsfält. Det visade sig att denna teknik tillåter snabb bearbetning och en mycket stor dynamik detekteringsområde. Detaljer om FMMD principen och avläsningselektronik beskrivs i detalj i ref. 10.

Mätresultaten visas i Figur 6 visar att p-FMMD signal beror på hastigheten på avsökningssteget och på koncentrationen av de magnetiska partiklarna. Följaktligen rumslig upplösning och detektionsgräns av tekniken är också hastighets- och koncentrationsberoende. Vi tillskriver denna upptäckt till signalen reduktion av den lågalågpassfilter på utgången från den två-stegs lock-in-detekteringen av avläsningselektroniken. Tidigare forskning på MPI visade också att den rumsliga upplösningen är beroende av parametrar hastighet lutning styrka, partikeldiameter, volym hos den magnetiska kärnan och mekanisk hastighet av scenen. ²⁰ Våra resultat överensstämmer med dessa resultat.

Vår 2D scanning metod skiljer sig avsevärt från den konventionella MPI teknik baserad på att generera ett fält Gratis Point (FFP) eller fält gratis abonnemangs (FFL), trots att principen påvisande baserat på icke-linjär signal från superparamagnets är liknande. ^{3, 21} Även om konventionell MPI har fördelar jämfört med nya p-FMMD teknik, såsom den samtidiga 3D analys utan mekanisk rörelse av provet eller ett system ^7, den nya MPI scannern inte behöver stora magneter generera ett starkt fält. Vi tror att både konventionella MPI skannern och p-FMMD scanner har sina specifika fördelar. Fördelen med den p-FMMD skanner är dess enkelhet och dess små dimensioner. Det finns inget behov av användning av stora gradientspolar och inget behov av kylslingor. Provstorleken i x- och y-riktningen är inte begränsade av den teknik, bara genom scannern och stödet. Emellertid är tekniken endast tillämplig på tillräckligt tunna prover som passar mellan detekteringsspolarna. Det kräver rörelse av provet i förhållande till mäthuvudet, medan standard MPI utnyttjar elektriskt styrd avsökning av FFL / FFP utan provrörelse.

MPI är en relativt ny teknik som har en mängd olika potentiella tillämpningar inom många vetenskapliga och industriella områden. Det har visats att dess rumsliga upplösningen är jämförbar med den för andra medicinska avbildningsmetoder. I denna studie, införde vi en ny teknik som kallas p-FMMD att utföra MPI av plana prover. Jämfört med andra MPI skannrar, behöver den inte generering av en FFL or FFP. Det behövs ingen starkt magnetfält eller fältgradient. Vi tror att det p-FMMD tekniken kommer att bli en alternativ metod inom MPI. Potentiella tillämpningsområden inkluderar en analys av biologiska sektioner för diagnostiska ändamål vävnads. Med en ny design för att rymma tjockare prover, icke-invasiva undersökningar av större objekt och små djur kommer att bli möjligt.

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