采用平面频率混合磁检测技术研制了一种用于平面样品中磁性颗粒成像的扫描仪。该技术通过双频激励，记录颗粒非线性无滞回磁化产生的磁互调响应，可用于对薄层生物样品进行二维成像。
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本文内容
摘要
摘要
本文介绍了一种用于对平面样品进行磁性颗粒成像（MPI）的平面频率混合磁检测（p-FMMD）扫描仪的构建方法。该装置由两个磁测量探头组成，分别安装在U形支架两臂上，并位于样品的两侧。样品局部暴露于一个包含两个不同频率成分的磁激励场中：一个较强的组分约为77 kHz，另一个较弱的场为61 Hz。超顺磁性颗粒的非线性磁化特性会引发互调产物的产生。通过解调电子系统，记录作用于磁非线性颗粒上的高频与低频磁场的某一选定和频分量。与传统的MPI扫描仪不同，p-FMMD无需对整个样品施加强磁场，因为频率混合仅在局部发生。因此，样品的横向尺寸仅受限于扫描范围和支持结构。然而，样品的高度决定了空间分辨率，在当前装置中该分辨率被限制在2 mm以内。作为示例，我们展示了从两种样品获得的20 mm × 25 mm p-FMMD图像：一种是硅醇基质中直径为1 µm的磁赤铁矿颗粒，另一种是氨基硅烷基质中粒径为50 nm的磁铁矿颗粒。结果表明，这种新型MPI扫描仪可用于薄层生物样品的分析以及医学诊断应用。
引言
磁性纳米颗粒（MNP）在分子生物学和医学领域已得到广泛应用， 即用于生物分子和单个细胞的操作1，用于选择性地标记目标实体以进行检测，2, 3 用于染色质调控，4 用于 mRNA 分离和癌症治疗。5 由于其超顺磁特性，它们在医学成像中尤为有用。例如，可作为磁共振成像（MRI）的对比剂或示踪剂，或用于基于超导量子干涉仪（SQUID）探测器的磁化率成像。 2, 6 超顺磁性纳米颗粒对具有抗磁性或顺磁性的人体不同组织可产生良好的对比度。7 因此，这些颗粒可方便地用于对人体部位进行医学成像，具有相对较高的空间分辨率和灵敏度。8
Gleich 和 Weizenecker9 提出的磁粒子成像（Magnetic Particle Imaging, MPI）技术利用了磁性粒子磁化特性的非线性。在零磁场或弱偏置磁场下，由于磁性纳米粒子（MNP）具有较大的磁化率，其对频率为 f 的交流激励信号的响应较强。特别是，粒子磁化的非线性特性会产生频率为 n·f 的谐波信号（n = 2, 3, 4 …）。而在高偏置磁场下，由于粒子已达到磁饱和状态，其谐波响应显著减弱。在 MPI 技术中，样品整体处于磁化状态，仅存在一条无磁场线（field-free line, F....
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方案
1. 设计平面FMMD测量头
- 选择测量头的线圈方案。根据图1选择一种配置，该配置由位于样品上方的两个拾取线圈和下方的两个拾取线圈组成，排列顺序为（-，+，+，-），样品位于两个（+）线圈之间的中心位置。符号表示绕线方向，即，（+）代表顺时针，（-）代表逆时针。因此，拾取线圈的灵敏度在样品厚度方向上几乎保持均匀。
- 放置激励线圈，使得在拾取线圈中直接感应的信号相互抵消，以防止前置放大器饱和，并实现对样品的最大灵敏度。也可设计其他满足这些基本设计原则的配置。
- 确定最大样品厚度。此处使用2 mm。
- 选择拾取线圈的直径和长度，使其接近最大样品厚度。此处选择内径为2 mm，绕线高度为1.7 mm时，平均直径为3.7 mm。线圈宽度为4 mm。
- 选择拾取线圈的导线直径和绕线匝数，使所有拾取线圈的总阻抗大致匹配前置放大器的输入阻抗。此条件对检测频率有所限制。例如，当运算放大器的最佳输入阻抗为1,100 Ω时，四个拾取线圈均采用0.08 mm直径的漆包铜线绕制600匝，总串联电阻为95.3 Ω，总电感为1.9 mH，得到阻抗为919 Ω。
- 制备高频激励线圈17，使样品位置处的磁场理想值约为0.5 mT。例如，若线圈内半径为3.8 mm，宽度为8.5 mm，则使用0.1 mm直径导线绕制47....
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结果
图5a展示了内层双差分检测线圈在样品平面内随坐标x和y变化的计算灵敏度分布。该分布通过反向方法计算得出：确定由全部四个检测线圈在中心平面内各点(x, y)产生的磁场叠加结果，从而反推出检测线圈在每个位置对磁矩的检测灵敏度。计算过程中将线圈近似为高度可忽略的长线圈。因此，图5a所示的灵敏度分布代表了扫描平面内的灵敏度图，即所谓的点扩展函数（PSF）。类似地，图5b展示了灵敏度随轴向坐标z和径向坐标r（r2 = x2 + y2）的变化关系，从而给出了测量头狭缝内灵敏度的垂直映射。原点x = 0和y = 0位于检测线圈的正中心。上下两个检测线圈中心之间的间距为2 mm。线圈参数列于表1.......
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讨论
该测量技术利用了超顺磁性颗粒磁化曲线的非线性特性。双侧测量探头同时向样品施加两个不同频率的磁激励场：一个低频（f2）分量用于使颗粒达到磁饱和，另一个高频（f1）探测场用于测量其非线性磁响应。具体而言，入射场的各次谐波（m·f1 和 n·f2）以及和频信号（m·f1 + n·f2，其中 m、n 为整数）均会被产生。这些互调产物由差分绕制的拾取线圈检测。参考线圈由于远离样品，不会接收到这些信号，其作用是抑制直接感应的高频激励信号，否则该信号将使前置放大器饱和。因此，由超顺磁性材料产生的微弱和频信号得以被测量和量化。在读出电子系统中，仅对和频为 f1 + 2·f2 的互调产物进行解调，因为这是在无静态偏置场条件下最强的非线性分量。研究表明，该技术可实现快速处.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
这项工作由 ICT R 资助&D 计划，韩国信息通信技术部/韩国信息通信技术促进署（资助编号：B0132-15-1001，下一代成像系统的开发）
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 磁性颗粒 "SiMAG Silanol" | Chemicell (http://www.chemicell.com) | 1101-5 | 磁性二氧化硅颗粒的水分散液，磁赤铁矿，直径 1 µm |
| 磁性纳米颗粒 "fluidMAG-Amine" | Chemicell (http://www.chemicell.com) | 4121-5 | 磁性纳米颗粒的水分散液，磁铁矿，直径 50 nm |
| 微量管 10 µl | Hirschmann Laborgeräte (http://www.hirschmann-laborgeraete.de/?sc_lang=en) | 容积 10 µl，外径 400 µm，长度 40 mm | |
| 硝酸纤维素膜 Biodyne B | Thermo Scientific (http://www.thermoscientific.com) | 77016 | Biodyne B 尼龙膜，0.45 µm，8 cm × 12 cm |
| DDS 芯片 AD9834 | Analog Devices (http://www.analog.com) | AD9834 | 20 mW 功率，2.3 V 至 5.5 V，75 MHz 完整 DDS |
| 运算放大器 AD829 | Analog Devices (http://www.analog.com) | AD829 | 高速、低噪声视频运算放大器 |
| 模拟乘法器 MPY634 | Texas Instruments (http://www.ti.com) | MPY634 | 宽带宽精密模拟乘法器 |
| 高速缓冲器 BUF634 | Texas Instruments (http://www.ti.com) | BUF634 | 250 mA 高速缓冲器 |
| 运算放大器 OPA627 | Texas Instruments (http://www.ti.com) | OPA627 | 精密高速 Difet(R) 运算放大器 |
| 运算放大器 TL072 | Texas Instruments (http://www.ti.com) | TL072 | 双通道低噪声结型场效应管输入通用运算放大器 |
| 锁相放大器 SR830 | Stanford Instruments (http://www.thinksrs.com) | SR830 | 100 kHz 数字信号处理锁相放大器 |
| XYZ 电动平台 | Sciencetown, Incheon, Korea (http://mkmsll.en.ec21.com/) | ||
| 洁净室擦拭纸 | Seoul Semitech Co (http://www.seoulsemi.com) | CF-909 | 尺寸 2.0 mm × 18 mm |
参考文献
- 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 i....
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重印与许可
