Fréquence de mélange Scanner de détection magnétique pour l'imagerie de particules magnétiques dans des échantillons planaires
Summary
Un scanner pour l'imagerie des particules magnétiques dans des échantillons planaires a été développé en utilisant la fréquence plane de mélange technique de détection magnétique. La réponse magnétique du produit d'intermodulation de l'aimantation sans hystérésis non linéaire des particules est enregistrée sur une excitation à deux fréquences. Il peut être utilisé pour prendre des images 2D d'échantillons biologiques minces.
Abstract
La configuration d'une fréquence plane de mélange magnétique de détection (p-FMMD) scanner pour effectuer particules magnétiques Imaging (MPI) d'échantillons plats est présenté. Il est constitué de deux têtes de mesure magnétique des deux côtés de l'échantillon monté sur les branches d'un support en forme de u. L'échantillon est exposé localement à un champ d'excitation magnétique constitué de deux fréquences distinctes, une composante plus forte à environ 77 kHz et un champ plus faible à 61 Hz. Les caractéristiques d'aimantation non linéaire des particules superparamagnétiques donnent lieu à la génération de produits d'intermodulation. Une composante somme fréquence sélectionnée de l'incident et faible champ magnétique de fréquence sur les particules magnétiquement non linéaires est enregistré par une électronique de démodulation. Contrairement à un scanner MPI conventionnel, le p-FMMD ne nécessite pas l'application d'un fort champ magnétique à l'ensemble de l'échantillon, car le mélange des deux fréquences se produit localement. Ainsi, les dimensions latérales de l'échantillon ne sont quelimitée par la plage de balayage et les supports. Cependant, la hauteur de l'échantillon détermine la résolution spatiale. Dans la configuration actuelle, il est limité à 2 mm. A titre d'exemple, nous présentons deux 20 mm x 25 mm p-FMMD images acquises à partir d'échantillons avec 1 um particules de diamètre de maghémite dans la matrice de silanol et avec des particules de magnétite 50 nm dans la matrice aminosilane. Les résultats montrent que le nouveau scanner MPI peut être appliqué pour l'analyse d'échantillons biologiques minces et à des fins de diagnostic médical.
Introduction
Des nanoparticules magnétiques (MNP) ont trouvé des applications répandues dans la biologie moléculaire et de la médecine, à savoir, pour la manipulation des biomolécules et des cellules individuelles 1, pour le marquage sélectif des entités cibles pour la détection, 2, 3 pour la modulation de la chromatine, 4 et pour l' isolement de l' ARNm et le traitement du cancer 5. En raison de leurs propriétés superparamagnétiques, ils sont particulièrement utiles pour l' imagerie médicale. Ils peuvent servir, par exemple, comme agents de contraste ou traceurs pour imagerie par résonance magnétique (IRM) ou pour l' imagerie de sensibilité en utilisant Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) détecteurs. 2, 6 Les nanoparticules superparamagnétiques donnent un bon contraste avec les différents tissus de l' être humain corps qui sont dia- ou paramagnétique 7. Ainsi, les particules peuvent facilement être utilisées pour acquérir des images médicales de parties du corps humain avec relativement bonne résolution spatiale et la sensibilité. 8
tente "> L'imagerie par particules magnétiques (MPI) technique introduite par Gleich et Weizenecker 9 fait usage de la non – linéarité de l'aimantation de la particule. A zéro ou polarisation de champ magnétique faible, la réponse du MNP à une excitation en courant alternatif de fréquence f est forte en raison de leur grande sensibilité. En particulier, l' aimantation non linéaire de la particule donne lieu à la génération d'harmoniques n · f avec n = 2, 3, 4 … au champ magnétique de polarisation élevée, la réponse harmonique devient faible , car les particules sont magnétiquement saturées. Dans la technique MPI, l'échantillon est complètement magnétisé sauf pour une ligne sans champ (FFL) ou un point sans champ (FFP). Seules les particules situé à proximité de cette ligne ou d'un point contribuera à la réponse non linéaire de l'échantillon. Avec la mouvement d'un AHAT et de l'emploi de bobines de réception appropriés, Gleich et Weizenecker images acquises MPI avec une résolution spatiale de 1 mm.Afin deobtenir des informations sur la distribution spatiale des MNP, deux méthodes sont habituellement utilisées, le mouvement mécanique du capteur par rapport à l'échantillon, ou le mouvement du FLE / FFP au moyen d'électroaimants. 2, 3 Dans ce dernier cas, les techniques de reconstruction d'image comme harmonique espace MPI 3 ou X-espace MPI 10, 11, 12 sont nécessaires. La résolution spatiale de MPI est déterminée par les propriétés de convolution d'excitation et de détection des bobines, ainsi que par les caractéristiques du gradient de champ magnétique. Cela permet à des algorithmes de reconstruction d'image pour obtenir une meilleure résolution sur la résolution native, qui est déterminée par la taille et la distance des bobines de ramassage ainsi que par la distribution de champ magnétique régi par les équations de Maxwell.
Un scanner MPI est généralement constitué d'un aimant fort pour magnétiser l'ensemble de l'échantillon, un système de bobines commandé pour diriger un ou FLP FFP à travers l'échantillon, une excitatio haute fréquencen de bobines, et un système de bobine de détection pour capter la réponse non linéaire de l'échantillon. FFL / FFP est déplacé en continu à travers le volume d'échantillon alors que la réponse harmonique de cette zone d'échantillon insaturé est enregistré. Afin d'éviter le problème de mise en place de l'échantillon dans le scanner, un scanner MPI simple face a été démontrée par Gräfe et al. , 13, mais au détriment des performances réduites. Les meilleurs résultats sont obtenus si l'échantillon est entourée par les aimants et les bobines. Comme l'échantillon doit être entièrement magnétisé, sauf pour la région FFL / FFP, la technique nécessite des aimants relativement grands et forts avec refroidissement par eau, conduisant à un système MPI plutôt encombrant et lourd.
Notre approche est basée sur la fréquence de mélange à la courbe de magnétisation non-linéaire de particules superparamagnétiques. 14 Quand les super-paramagnétiques sont exposés à des champs magnétiques à deux fréquences distinctes (f 1 et f </ em> 2), les fréquences de somme représentant une combinaison linéaire m · f 1 + n · f 2 (avec des nombres entiers m, n) sont générés. Il a été montré que l'apparition de ces composants est hautement spécifique pour la non linéarité de la courbe d'aimantation des particules. 15 En d' autres termes, lorsque l'échantillon MNP est simultanément exposée à un champ magnétique d' entraînement à la fréquence f 2 et un champ de sondage à la fréquence f 1, les particules de générer un champ de réponse à la fréquence f 1 + 2 · f 2. Cette fréquence somme ne serait pas existant sans l'échantillon magnétiquement non linéaire, donc la spécificité est extrêmement élevé. Nous avons appelé cette méthode «mélange de fréquence de détection magnétique" (FMMD). Il a été vérifié expérimentalement que cette technique donne une plage dynamique de plus de quatre ordres de grandeur à la concentration des particules 14.
<p class = "jove_content"> Contrairement à l' instrumentation typique MPI, la fréquence plane de mélange de détection magnétique (p-FMMD) approche ne nécessite pas de magnétiser l'échantillon proche de la saturation parce que la génération de la somme de fréquence composante f 1 + 2 · f la figure 2 est maximale à zéro champ de polarisation statique. 14 par conséquent, la nécessité d'aimants puissants et volumineux est atténué. En fait, les dimensions extérieures de la tête de mesure ne sont que 77 mm × 68 mm × 29 mm. A titre de comparaison, les configurations MPI sont généralement de taille m. 7 L'inconvénient, toutefois, est que la technique est limitée à des échantillons planaires ayant une épaisseur maximale de 2 mm dans la configuration actuelle. L'échantillon doit être balayée par rapport à la tête de mesure à deux côtés. Une re-construction permettant des échantillons plus épais est possible, mais doit être échangé pour une perte de résolution spatiale.Sur la base de cette technique de FMMD, nous présentons un type spécial de MPI détecteur pour les échantillons planaires, le soi-disant «fréquence plane de mélange de détection magnétique" (p-FMMD) scanner. Le principe a été publié récemment. 17 Dans ce travail, nous nous concentrons sur la méthodologie de la technique et des protocoles actuels comment mettre en place un tel scanner et comment effectuer des analyses. Il a été montré que MPI peut être appliquée à des fins de diagnostic médical tels que l' imagerie cardiovasculaire ou d'un cancer. 16, 18, 19 Par conséquent , nous pensons que le nouveau scanner MPI peut être utilisé pour une large gamme d'applications potentielles, par exemple, pour la mesure de particules magnétiques la distribution dans des coupes de tissu.
Protocol
Representative Results
Discussion
La technique de mesure utilise la non-linéarité de la courbe d'aimantation des particules superparamagnétiques. La tête de mesure recto-verso applique simultanément deux champs d'excitation magnétiques de fréquences différentes à l'échantillon, une basse fréquence composant (2 f) pour entraîner les particules dans la saturation magnétique et une haute fréquence (f 1) champ de sonde pour mesurer la réponse magnétique non linéaire . En particulier, les d…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le programme D de MSIP / IITP, République de Corée (Grant No: B0132-15-1001, développement de la prochaine Imaging System) ICT R &.
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 |
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