Frequentie mengen Magnetic Detection Scanner voor de beeldvorming van magnetische deeltjes in Planar Samples
Summary
Een scanner voor beeldvorming magnetische deeltjes in vlakke monsters werd ontwikkeld met vlakke frequentie mengen magnetische detectietechniek. De magnetische intermodulatieproduct reactie van de lineaire nonhysteretic magnetisatie van de deeltjes wordt opgenomen op een twee-frequentie excitatie. Het kan worden gebruikt om 2D beelden dunne biologische monsters.
Abstract
De opzet van een vlakke Frequency mengen Magnetic Detection (p-FMMD) scanner voor het uitvoeren van magnetische deeltjes Imaging (MPI) van vlakke monsters wordt gepresenteerd. Het bestaat uit twee magnetische meetkoppen aan beide zijden van het monster aangebracht op de benen van een U-vormige ondersteuning. Het monster wordt plaatselijk blootgesteld aan een magnetisch veld excitatie bestaat uit twee verschillende frequenties, een sterkere component bij ongeveer 77 kHz en een zwakker veld bij 61 Hz. De lineaire magnetisatie eigenschappen van superparamagnetische deeltjes geven aanleiding tot het ontstaan van intermodulatieproducten. Een geselecteerde som-frequentiecomponent van de hoge en lage magnetische veld dat invalt op de magnetisch-lineaire deeltjes wordt geregistreerd door een demodulatieëlektronica. In tegenstelling tot een conventionele MPI scanner heeft p-FMMD niet de toepassing van een sterk magnetisch veld om het gehele monster vereist vanwege het mengen van de twee frequenties optreedt ter plaatse. Dus de laterale afmetingen van het monster zijnbeperkt door het meetbereik en de steunen. De monsterhoogte bepaalt de ruimtelijke resolutie. In de huidige opzet is beperkt tot 2 mm. Als voorbeelden presenteren we twee 20 mm x 25 mm p-FMMD beelden verkregen uit monsters van 1 urn diameter maghemiet deeltjes in silanol matrix en met 50 nm magnetietdeeltjes in aminosilaan matrix. De resultaten tonen aan dat de nieuwe MPI scanner kan worden toegepast voor de analyse van dunne biologische monsters en voor medisch diagnostische doeleinden.
Introduction
Magnetische nanodeeltjes (MNP) hebben wijdverspreide toepassingen in de moleculaire biologie en de geneeskunde, namelijk gevonden, voor het manipuleren van biomoleculen en enkele cellen 1, voor het selectief labelen doelobjecten voor detectie, 2, 3 voor chromatine modulatie, 4 en mRNA isolatie en kankerbehandeling . 5 Door hun superparamagnetische eigenschappen zijn ze bijzonder nuttig voor medische beeldvorming. Ze kunnen dienen, bijvoorbeeld als contrastmiddelen of tracers Magnetic Resonance Imaging (MRI) of gevoeligheid beeldvorming met behulp Supergeleidende Quantum Interference Device (SQUID) detectoren. 2, 6 De superparamagnetische nanodeeltjes leveren een goed contrast met de verschillende weefsels van het menselijk instantie dia- of paramagnetisch zijn. 7 Aldus kunnen de deeltjes gemakkelijk worden gebruikt om medische beelden van menselijke lichaamsdelen met relatief goede ruimtelijke resolutie en gevoeligheid te verkrijgen. 8
tent "> De Magnetic Particle Imaging (MPI) techniek die door Gleich en Weizenecker 9 maakt gebruik van de niet-lineariteit van magnetisatie van het deeltje. Op nul of zwak magnetisch veld voorspanning, de reactie van MNP een ac excitatie frequentie f sterk door hun grote gevoeligheid. vooral lineaire magnetisatie van het deeltje leidt tot de generatie van harmonische n · f, met n = 2, 3, 4 … bij hoge magnetisch veld voorspanning, de harmonische responsie zwak, omdat de deeltjes magnetisch verzadigd zijn. In de MPI techniek wordt het monster volledig gemagnetiseerd uitzondering van een veldvrije lijn (FFL) of een veldvrije point (FFP). Alleen deeltjes dicht bij deze lijn of bijzondere bijdragen aan de niet-lineaire respons van het monster. met beweging van een FFP en de werkgelegenheid van geschikte ontvanger spoelen, Gleich en Weizenecker verworven MPI beelden met een ruimtelijke resolutie van 1 mm.Om teinformatie verkrijgen over de ruimtelijke verdeling van MNP twee werkwijzen worden gewoonlijk toegepast, de mechanische beweging van de sensor ten opzichte van het monster, of verplaatsing van de FFL / FFP door elektromagneten. 2, 3 In het laatste geval beeldvormingstechnieken zoals harmonische-space MPI 3 of X-space MPI 10, 11, 12 nodig. De ruimtelijke resolutie van MPI wordt bepaald door de convolutie eigenschappen van excitatie en detectie spoelen en door de eigenschappen van de magnetische veldgradiënt. Hierdoor kan beeldreconstructiealgoritmen een verbeterde resolutie via standaard resolutie, die wordt bepaald door de grootte en afstand van de pick-up spoelen en de magnetische veldverdeling onder Maxwell vergelijkingen verkrijgen.
Een MPI-scanner is meestal bestaat uit een sterke magneet voor het magnetiseren van het gehele monster, een bestuurbare spoel systeem voor het besturen van een FFL of FFP over het monster, een hoge frequentie excitation spoelsysteem en een detectiespoel voor het opnemen van de lineaire reactie van het monster. De FFL / FFP wordt continu bewogen door het monster volume, terwijl de harmonische respons van deze onverzadigde monster regio wordt geregistreerd. Om het probleem van aanbrengen van het preparaat in de scanner te vermijden, is een enkelzijdige MPI scanner aangetoond door Gräfe et al. 13, maar ten koste van verminderde prestaties. De beste resultaten worden verkregen als het monster wordt omringd door de magneten en spoelen. Omdat het monster moet volledig gemagnetiseerd uitzondering van de regio FFL / FFP de techniek vereist relatief grote en sterke magneten met waterkoeling, wat leidt tot een vrij omvangrijk en zwaar MPI systeem.
Onze benadering is gebaseerd op de frequentie mengen van de niet-lineaire magnetisatiecurve van superparamagnetische deeltjes. 14 Bij super-paramagneten blootstellen aan magnetische velden op twee verschillende frequenties (f1 en f </ em> 2), de som frequenties wat neerkomt op een lineaire combinatie m · f 1 + n · f 2 (met gehele getallen m, n) worden gegenereerd. Aangetoond werd dat het uiterlijk van deze componenten zeer specifiek is voor de niet-lineariteit van de magnetisatie kromme van de deeltjes. 15 Met andere woorden, wanneer de MNP monster gelijktijdig wordt blootgesteld aan een aandrijvende magneetveld frequentie f2 en een indringende veld bij frequentie f 1, de deeltjes genereren responsieveld bij frequentie f 1 + 2 · f2. Dit bedrag frequentie niet aanwezig zijn zonder de magnetisch-lineaire monster, dus de specificiteit zeer hoog. We noemden deze methode "frequency mixing magnetische detectie" (FMMD). Experimenteel is vastgesteld dat de techniek levert een dynamisch bereik van meer dan vier orden van grootte in deeltjesconcentratie. 14
<p class = "jove_content"> In tegenstelling tot typische MPI instrumentatie, wordt de vlakke frequentie mengen magnetische detectie (p-FMMD) benadering niet toe de steekproefclose magnetiseren tot verzadiging vanwege de vorming van de som frequentiecomponent f 1 + 2 · f 2 is maximaal bij nul statische voorspanningsveld. 14 Derhalve is de behoefte aan sterke en volumineuze magneten verlicht. In feite, de buitenafmetingen van de meetkop slechts 77 mm × 68 mm × 29 mm. Ter vergelijking, MPI opstellingen zijn meestal meter-formaat. 7 Het nadeel is echter dat de techniek beperkt is tot vlakke monsters met een maximale dikte van 2 mm in de huidige opstelling. Het monster moet vrij worden gescand om de tweezijdige meetkop. Een reconstructie waardoor dikkere monsters mogelijk, maar in te ruilen voor een verlies van ruimtelijke resolutie.Op basis van deze FMMD techniek, presenteren we een speciaal type MPI DETECtor voor planaire monsters, de zogenaamde "vlakke frequentie mixing magnetische detectie" (p-FMMD) scanner. Het principe is onlangs verschenen. 17 In dit werk, richten we ons op de methodologie van de techniek en de huidige protocollen hoe het opzetten van een dergelijke scanner en hoe u scans uit te voeren. Het is aangetoond dat MPI kan worden toegepast voor medische diagnostische doeleinden zoals cardiovasculaire of kanker beeldvorming. 16, 18, 19 Daarom geloven wij dat de nieuwe MPI scanner kan worden gebruikt voor een breed scala van mogelijke toepassingen, bijvoorbeeld voor het meten van magnetische deeltjes distributie in het weefsel plakjes.
Protocol
Representative Results
Discussion
De meettechniek gebruikt de niet-lineariteit van de magnetisatie kromme van de superparamagnetische deeltjes. De tweezijdige meetkop gelijktijdig worden twee magnetische excitatie velden van verschillende frequenties aan het monster een lage frequentie (f2) component om de deeltjes in magnetische verzadiging en een hoge frequentie (f1) veldsterktemeter aan de niet-lineaire magnetische respons te bepalen drijven . In het bijzonder, zowel harmonischen van het incident velden, m<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de ICT R & D programma van MSIP / IITP, de Republiek Korea (Grant No: B0132-15-1001, Ontwikkeling van Next Imaging System).
Materials
| 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 | 250mA 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 |
References
- Tseng, P., Judy, J. W., Di Carlo, D. Magnetic nanoparticle-mediated massively parallel mechanical modulation of single-cell behavior. Nat meth. 9 (11), 1113-1119 (2012).
- Borgert, J., et al. Fundamentals and applications of magnetic particle imaging. J. Cardiovasc. Comput. Tomogr. 6 (3), 149-153 (2012).
- Buzug, T. M., et al. Magnetic particle imaging: introduction to imaging and hardware realization. Z. Med. Phys. 22 (4), 323-334 (2012).
- Kanger, J. S., Subramaniam, V., van Driel, R. Intracellular manipulation of chromatin using magnetic nanoparticles. Chromosome Res. 16 (3), 511-522 (2008).
- Thanh, N. T. K. . Magnetic Nanoparticles: From Fabrication to Clinical Applications. , (2012).
- Saritas, E. U., et al. Magnetic Particle Imaging (MPI) for NMR and MRI researchers. J. Magn. Reson. 229 (4), 116-126 (2012).
- Goodwill, P. W., et al. X-space MPI: magnetic nanoparticles for safe medical imaging. Adv. Mater. 24 (28), 3870-3877 (2012).
- Yim, H., Seo, S., Na, K. MRI Contrast Agent-Based Multifunctional Materials: Diagnosis and Therapy. J Nanomat. 2011 (2011), (2011).
- Gleich, B., Weizenecker, J. Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles. Nature. 435 (7046), 1214-1217 (2005).
- Rahmer, J., Weizenecker, J., Gleich, B., Borgert, J. Analysis of a 3-D system function measured for magnetic particle imaging. IEEE Trans. Med. Imaging. 31 (6), 1289-1299 (2012).
- Goodwill, P. W., Conolly, S. M. Multidimensional x-space magnetic particle imaging. IEEE Trans. Med. Imaging. 30 (9), 1581-1590 (2011).
- Goodwill, P. W., Konkle, J. J., Zheng, B., Saritas, E. U., Conolly, S. M. Projection x-space magnetic particle imaging. IEEE Trans. Med. Imaging. 31 (5), 1076-1085 (2012).
- Gräfe, K., et al. An Application Scenario for Single-Sided Magnetic Particle Imaging. Biomed. Tech. 57, (2012).
- Krause, H. -. J., et al. Magnetic particle detection by frequency mixing for immunoassay applications. J. Magn. Magn. Mater. 311 (1), 436-444 (2007).
- Meyer, M. H. F., et al. Francisella tularensis detection using magnetic labels and a magnetic biosensor based on frequency mixing. J. Magn. Magn. Mater. 311 (1), 259-263 (2007).
- Finas, D., et al. Detection and distribution of superparamagnetic nanoparticles in lymphatic tissue in a breast cancer model for magnetic particle imaging. Biomed. Tech. 57, (2012).
- Hong, H., Lim, J., Choi, C. -. J., Shin, S. -. W., Krause, H. -. J. Magnetic particle imaging with a planar frequency mixing magnetic detection scanner. Rev. Sci. Instr. 85 (1), 013705 (2014).
- Haegele, J., et al. Toward cardiovascular interventions guided by magnetic particle imaging: First instrument characterization. Magn. Reson. Med. 69 (6), 1761-1767 (2012).
- Haegele, J., et al. Magnetic particle imaging: visualization of instruments for cardiovascular intervention. Radiology. 265 (3), 933-938 (2012).
- Goodwill, P. W., Lu, K., Zheng, B., Conolly, S. M. An x-space magnetic particle imaging scanner. Rev. Sci. Instrum. 83 (3), 033708 (2012).
- Lampe, J., et al. Fast reconstruction in magnetic particle imaging. Phys. Med. Biol. 57 (4), 1113-1134 (2012).
- Yim, H., Seo, S., Na, K. MRI Contrast Agent-Based Multifunctional Materials: Diagnosis and Therapy. J Nanomat. 2011 (2011), (2011).
