תדירות ערבוב סורק זיהוי מגנטי הדמית חלקיקים מגנטיים בדגימות מישורים
Summary
סורק הדמית חלקיקים מגנטיים בדגימות מישוריים פותח באמצעות תדר מישוריים ערבוב טכניקת זיהוי מגנטי. תגובת מוצר intermodulation המגנטית מן המגנטיזציה הקוי nonhysteretic של החלקיקים נרשמה עם עירור שתי בתדירות. ניתן להשתמש בו כדי לצלם תמונות 2D של דגימות ביולוגיות דקות.
Abstract
ההתקנה של תדר מישוריים ערבוב האיתור מגנטי (p-FMMD) סורק לביצוע הדמית חלקיקים מגנטי (MPI) של דגימות שטוחות מוצגת. זה מורכב משני ראשי מדידה מגנטיים משני צידי המדגם רכוב על הרגליים של תמיכה בצורת פרסה. המדגם חשוף מקומי לשדה עירור מגנטי מורכב שני תדרים שונים, מרכיב חזק בסביבות 77 kHz ושדה חלש 61 רץ. מאפייני המגנטיזציה הקויים של חלקיקים פאראמגנטי להצמיח דור התוצרים אינטר-מודולציה. רכיב הסכום-תדר נבחר של אירוע השדה מגנטי בתדר הגבוה ונמוך על החלקיקים הקויים המגנטי מוקלט על ידי אלקטרוניקת demodulation. בניגוד סורק MPI קונבנציונלי, p-FMMD אינו מחייב את היישום של שדה מגנטי חזק המדגם כולו בגלל הערבוב של שני התדרים מתרחש באופן מקומי. לפיכך, ממדים לרוחב של המדגם הם רקמוגבל על ידי מגוון הסריקה התומכת. עם זאת, גובה המדגם קובע את הרזולוציה המרחבית. בשנת ההגדרה הנוכחית הוא מוגבל ל -2 מ"מ. כדוגמאות, אנו מציגים שתי תמונות 20 מ"מ × 25 מ"מ p-FMMD רכשה ממדגמים עם 1 מיקרומטר חלקיקים בקוטר מגהמיט במטריצה silanol ועם חלקיקים מגנטיט 50 ננומטר במטריצה aminosilane. התוצאות מראות כי סורק MPI רומן יכול להיות מיושם על ניתוח של דגימות ביולוגיות דקות למטרות אבחון רפואיות.
Introduction
חלקיקים מגנטיים (MNP) מצאו יישומים נפוצים בביולוגיה מולקולרית ברפואה, כלומר, מניפולציה של ביומולקולות ותאי יחיד 1, תיוג סלקטיבי גופים היעד לגילוי, 2, 3 עבור אפנון הכרומטין, 4 ו לבידוד mRNA וטיפול בסרטן . 5 בשל המאפיינים פאראמגנטי שלהם, הם שימושיים במיוחד עבור דימות רפואי. הם יכולים לשמש, למשל, כמו סוכני ניגודיות או קליעים נותבים עבור דימות תהודה מגנטית (MRI) או הדמיה רגישה ששימוש במכשיר קוונטיים הפרעת מוליכים (SQUID) גלאי. 2, 6 החלקיקים פאראמגנטי להניב ניגודיות טובה לרקמות השונות של האדם הגוף אשר לדיאלוגים או פאראמגנטיים. 7 לפיכך, חלקיקים יכול לשמש בנוחות לרכוש תמונות רפואיות של חלקי גוף האדם עם רזולוציה מרחבית טובה יחסית ורגישות. 8
טכניקת אוהל "> הדמית החלקיקים המגנטיים (MPI) הוצגה על ידי Gleich ו Weizenecker 9 עושה שימוש הליניאריות של המגנטיזציה של החלקיקים. באפס או הטיה יש שדה מגנטי חלשה, התגובה של MNP כדי עירור AC של f התדירות הוא חזק בשל הרגישות הגדולה שלהם. בפרט, המגנטיזציה הקוי של החלקיקים מולידה דור הרמוניות n · f, עם n = 2, 3, 4 … בשעת הטית שדה מגנטית גבוהה, התגובה ההרמונית נחלשה בגלל החלקיקים רוויים מגנטיים. ב טכניקת MPI, המדגם הוא ממוגנט לחלוטין למעט קו שדה ללא (FFL) או נקודה חינם-שדה (FFP). רק חלקיקים הנמצאים בסמוך לקו זה או נקודה תתרום התגובה הקוית של המדגם. עם תנועה של FFP ותעסוקה של סלילי מקלט מתאימים, Gleich ו Weizenecker רכשו תמונות MPI עם רזולוציה מרחבית של 1 מ"מ.כדילקבל מידע על הפריסה המרחבית של MNP, שתי שיטות מועסקות בדרך כלל, התנועה המכאנית של החיישן ביחס המדגם, או תנועה של FFL / FFP באמצעות אלקטרומגנטים. 2, 3 במקרה האחרון, טכניקות שחזור תמונה כמו-מרחב הרמוני MPI 3 או X-שטח 10 MPI, 11, 12 נדרשים. הרזולוציה המרחבית של MPI נקבעת על פי מאפייני פיתול של סלילי עירור וגילוי וכן על ידי המאפיינים של שיפוע השדה המגנטי. זה מאפשר אלגוריתמים שחזור תמונה לקבל החלטה השתפרה במהלך הרזולוציה המקורית, אשר נקבעה על ידי גודל ומרחק של סלילי הטנדר כמו גם על ידי חלוקת השדה המגנטית נשלטת על ידי משוואות מקסוול.
סורק MPI בדרך כלל מורכב של מגנט חזק עבור magnetizing המדגם כולו, מערכת סליל לשליטה על היגוי FFL או FFP ברחבי הדוגמא, excitatio בתדירות גבוההמערכת סליל n, ומערכת סליל זיהוי עבור להרים את התגובה הקוית מן המדגם. FFL / FFP מועבר באופן רציף דרך נפח הדגימה תוך התגובה ההרמונית מאזור מדגם בלתי רווי זה נרשם. על מנת למנוע את הבעיה של התאמת הדגימה לתוך הסורק, סורק MPI חד צדדי הודגם על ידי Grafe et al. 13, עם זאת על חשבון ביצועים מופחתים. התוצאות הטובות ביותר מושגות אם המדגם הוא מוקף מגנטים וסלילים. בגלל המדגם צריך להיות ממוגנט כולי פרט באזור FFL / FFP, הטכניקה דורשת יחסית מגנטים גדולים וחזקים עם קירור מים, מה שמוביל מערכת MPI מגושמת וכבדה למדי.
הגישה שלנו מבוססת על תדר ערבוב בעיקול המגנטיזציה שאינו ליניארי של חלקיקים פאראמגנטי. 14 כאשר-paramagnets סופר נחשפים לשדות מגנטיים שני תדרים שונים (f 1 ו- f </ em> 2), תדרי סכום מייצג שילוב מטר ליניארי · f 1 + n · f 2 (עם מ 'מספרים שלמים, n) נוצר. היא הוצגה כי הופעתו של רכיבים אלה הוא מאוד ספציפיות כדי הליניאריות של עקומת המגנטיזציה של חלקיקים. 15 במילים אחרות, כאשר המדגם MNP חשוף בו זמנית לשדה מגנטי נהיגה בתדר f 2 ושדה חיטוט בתדר f 1, חלקיקים ליצור שדה בתגובה בתדר f 1 + 2 · f 2. תדירות סכום זה לא תהיה קיים בלי המדגם המגנטי קוי, ולכן וספציפיות גבוהות מאוד. קראנו בשיטה זו "תדר ערבוב זיהוי מגנטי" (FMMD). זה אומת באופן ניסיוני כי טכניקת מניב טווח דינמי של יותר מארבעה סדרי הגודל בריכוז חלקיקים. 14
<p class = "jove_content"> בניגוד המכשור MPI טיפוסי, תדירות מישוריים ערבוב זיהוי מגנטי (p-FMMD) הגישה אינה דורשת כדי למגנט מדגם קרוב לרוויה כי הדור של f רכיב התדר סכום 1 + 2 · f 2 הם מקסימום באפס שדה הטיה סטטי. 14 לכן, צורך מגנטים חזקים ומגושמים מקלה. למעשה, את הממדים החיצוניים של ראש המדידה הם רק 77 מ"מ × 68 מ"מ × 29 מ"מ. לשם השוואה, setups MPI הוא בדרך כלל מטר בגודל. 7 החסרון, לעומת זאת, הוא כי הטכניקה מוגבלת דגימות מישוריים עם עובי מרבי של 2 מ"מ ההגדרה הנוכחית. המדגם יש לסריקה יחסית לראש מדידה דו-צדדית. מחדש בנייה המאפשרת דגימות עבות אפשרית, אך להיסחר ב להפסד של רזולוציה מרחבית.בהתבסס על טכניקת FMMD זה, אנו מציגים סוג מיוחד של MPI detecטור עבור דגימות מישוריים, הסורק שנקרא "תדר מישוריים ערבוב זיהוי מגנטי" (p-FMMD). העיקרון פורסם לאחרונה. 17 בעבודה זו, אנו מתמקדים על המתודולוגיה של הטכניקה ופרוטוקולים נוכחיים כיצד להגדיר סורק כזה וכיצד לבצע סריקות. הוכח כי MPI ניתן ליישם למטרות רפואיות אבחנתיות כגון הדמית לב וכלי דם או סרטן. 16, 18, 19 לכן אנו מאמינים כי סורק MPI החדש יכול לשמש עבור מגוון רחב של יישומים פוטנציאליים, למשל, למדידת חלקיקים מגנטיים הפצה בחתכי רקמה.
Protocol
Representative Results
Discussion
שיטת המדידה מנצלת את הליניאריות של עקומת המגנטיזציה של החלקיקים פאראמגנטי. ראש המדידה דו-הצדדי חל בו זמנית בשני תחומי עירור מגנטיים בתדר שונה המדגם, תדר נמוך (ו 2) מרכיב לנהוג חלקיקים לתוך רוויה מגנטית בתדר גבוה (ו 1) שדה חללי כדי למדוד את התגובה המ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי R & ICT תוכנית ד 'של MSIP / IITP, הרפובליקה של קוריאה (גרנט No: B0132-15-1001, פיתוח מערכת הדמיה הבא).
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).
