Частота Смешивание Магнитный сканер обнаружения для визуализации магнитных частиц в планарных образцах
Summary
Сканер для визуализации магнитных частиц в плоских образцах была разработана с использованием планарной смешения частот магнитного метода обнаружения. Магнитный отклик интермодуляционный продукт из нелинейного безгистерезисный намагниченности частиц регистрируется на двухчастотного возбуждения в. Он может быть использован, чтобы принимать 2D изображения тонких биологических образцов.
Abstract
Установка планарного смешения частот Магнитная детекция (п-FMMD) сканер для выполнения визуализации магнитных частиц (MPI) плоских образцов представлена. Он состоит из двух магнитных головок измерения на обеих сторонах образца, установленного на ножках U-образной опоры. Образец локально подвергается воздействию магнитного поля возбуждения, состоящей из двух различных частот, более сильная компонента приблизительно при 77 кГц и более слабого поля при 61 Гц. Нелинейные характеристики намагничивания суперпарамагнитных частиц приводят к образованию продуктов интермодуляции. Выбранная сумма частот компонент высокой и низкой частоты падающего магнитного поля на магнитно-нелинейных частиц регистрируется демодул электроники. В отличие от обычного сканера MPI, п-FMMD не требует применения сильного магнитного поля для всей выборки, так как смешение двух частот происходит локально. Таким образом, поперечные размеры образца простоограничен диапазоном сканирования и опор. Тем не менее, высота образца определяет пространственное разрешение. В текущей установке она ограничена до 2 мм. В качестве примера приведем два 20 мм × 25 мм п-FMMD изображения, полученные из образцов с диаметром частиц маггемита 1 мкм в силанола матрице и с магнетитовых частиц 50 нм в аминосилановым матрице. Результаты показывают, что новый сканер MPI может быть применен для анализа тонких биологических образцов и для медицинских диагностических целей.
Introduction
Магнитные наночастицы (MNP) нашли широкое применение в молекулярной биологии и в медицине, то есть, для манипуляций биомолекул и одиночных камерах 1, для селективной маркировки целевых объектов для обнаружения, 2, 3 для хроматина модуляции, 4 и для выделения мРНК и лечения рака . 5 Благодаря своим свойствам суперпарамагнит-, они особенно полезны для медицинской визуализации. Они могут служить, например, в качестве контрастных агентов или индикаторов для магнитно – резонансной томографии (МРТ) или для визуализации восприимчивости с использованием сверхпроводящей квантовой интерференции устройства (SQUID) , детекторы. 2, 6 Сверхпарамагнитные наночастицы дают хороший контраст с различными тканями человеческого тела , которые являются диа- или парамагнитной. 7 Таким образом, частицы могут быть легко использованы для получения медицинских изображений частей тела человека с относительно хорошим пространственным разрешением и чувствительностью. 8
палатка "> The визуализации магнитопорошковым (MPI) метод введен Gleich и Weizenecker 9 использует нелинейности намагниченности частицы. При нулевом или слабом смещении магнитного поля, отклик MNP на переменном токе возбуждения частоты F является сильным из – за их большая восприимчивость. В частности, нелинейная намагниченность частицы приводит к генерации гармоник п ° F, при п = 2, 3, 4 … при высоком смещении магнитного поля, гармонический отклик становится слабым , поскольку частицы магнитного насыщения. В методика MPI, образец полностью намагничены для линии без поля (FFL) или без поля точки (ПКО), за исключением. только частицы, расположенной близко к этой линии или точки будут способствовать нелинейного отклика образца. с движение ПКО и занятости подходящих приемных катушек, Gleich и Weizenecker приобрела MPI изображения с пространственным разрешением 1 мм.Чтобыполучать информацию о пространственном распределении МНП, два метода обычно используются, механическое перемещение датчика относительно образца или перемещения FFL / СЗП с помощью электромагнитов. 2, 3 В последнем случае, методы восстановления изображений как гармонического пространства MPI 3 или X-пространстве MPI 10, 11, 12 требуются. Пространственное разрешение MPI определяется свойствами свертки возбуждения и обнаружения катушек, а также характеристиками градиента магнитного поля. Это позволяет алгоритмы восстановления изображения, чтобы получить улучшенное разрешение в родном разрешении, которое определяется по размеру и расстояния до приемных катушек, а также распределения магнитного поля подчиняется уравнениям Максвелла.
Сканер MPI обычно состоит из сильного магнита для намагничивания весь образец, управляемую систему катушки для рулевого управления с FFL или ПКО на образце, высокочастотный возбуждениямисистема катушек N, и система обнаружения катушки для сбора нелинейного отклика от образца. FFL / СЗП непрерывно перемещается по объему образца в то время как гармонический отклик от этого ненасыщенного область образца регистрируется. Для того , чтобы избежать проблемы подгонки образца в сканер, односторонний сканер MPI была продемонстрирована Grafe и др. 13, однако за счет снижения производительности. Наилучшие результаты получаются, если образец окружен магнитами и катушками. Поскольку образец должен быть полностью намагничены для FFL / FFP области за исключением того, метод требует относительно больших и сильных магнитов с водяным охлаждением, что приводит к довольно громоздким и тяжелым системой MPI.
Наш подход основан на частоте смешения в нелинейной кривой намагничивания суперпарамагнитных частиц. 14 Когда супер-парамагнетиками подвергаются воздействию магнитных полей на двух различных частотах (F 1 и F </ EM> 2), частоты суммой , которая представляет собой линейную комбинацию т · е 1 + п · F 2 (с целыми числами т, п) генерируются. Было показано , что появление этих компонентов весьма специфичен к нелинейности кривой намагничивания частиц. 15 Другими словами, когда образец МНП одновременно подвергается продвигающего магнитного поля на частоте F 2 и зондирующего поля на частоте F 1, частицы генерируют поле отклика на частоте F 1 + 2 · F 2. Эта частота сумма не будет существует без магнитно нелинейного образца, поэтому специфичность чрезвычайно высока. Мы назвали этот метод "смешение частот магнитного обнаружения" (FMMD). Это было экспериментально подтверждено , что метод дает динамический диапазон более четырех порядков величины концентрации частиц. 14
<р класс = "jove_content"> В отличие от типичных MPI – измерительных приборов, плоскостная смешение частот магнитного обнаружения подхода (п-FMMD) не требует , чтобы намагнитить образец близок к насыщению , так как генерация суммарной частоты компонента F 1 + 2 ° F 2 является максимальным при нулевом статическом поле смещения. 14 Таким образом, потребность в сильных и объемных магнитов смягчается. На самом деле, наружные размеры измерительной головки являются только 77 мм × 68 мм × 29 мм. Для сравнения, MPI установок , как правило , измеритель размера. 7 Недостаток, однако, заключается в том , что эта методика ограничена плоскостных образцов с максимальной толщиной 2 мм в текущей настройке. Образец должен быть отсканированы относительно двустороннему измерительной головки. Повторная конструкция, позволяющая для более толстых образцов можно, но торговаться в связи с потерей пространственного разрешения.На основе этого метода FMMD мы представляем специальный тип MPI DETECтор для плоских образцов, так называемый "плоскостной смешение частот магнитного обнаружения" (р-FMMD) сканер. Этот принцип был недавно опубликован. 17 В этой работе мы ориентируемся на методологии и методики настоящих протоколов , как настроить такой сканер и как выполнить сканирование. Было показано , что MPI может быть применен для медицинских диагностических целей , таких , как сердечно – сосудистые или рак визуализации. 16, 18, 19 Поэтому мы считаем , что новый сканер MPI может использоваться для широкого круга потенциальных применений, например, для измерения магнитных частиц распределение в срезах тканей.
Protocol
Representative Results
Discussion
Методика измерений использует нелинейность кривой намагничивания суперпарамагнитных частиц. Головка измерения двухсторонняя одновременно применяет двух магнитных полей возбуждения различной частоты к образцу, с низкой частотой (F 2) компонента , для привода частиц в магни…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана R & D ИКТ программы MSIP / ИППИ, Республика Корея (грант №: B0132-15-1001, Разработка 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).
