Frequenzmisch Magnetische Erkennung Scanner für die Bildgebung magnetische Partikel in Planar Proben

Summary

Ein Scanner zum Abbilden magnetischen Teilchen in planar Proben wurde unter Verwendung des planaren Frequenzmisch magnetischen Detektionstechnik entwickelt. Das magnetische Intermodulationsprodukt Antwort von der nichtlinearen hysteresefreie Magnetisierung der Teilchen wird bei einer Zweifrequenzanregung aufgezeichnet. Es kann verwendet werden 2D-Bilder von dünnen biologischen Proben zu nehmen.

Abstract

Der Aufbau eines planaren Frequenzmisch magnetischen Erfassungs (p-Autobahnmeistereien) -Scanner für magnetische Partikel Imaging (MPI) für flache Proben Durchführung präsentiert. Es besteht aus zwei magnetischen Meßköpfe auf beiden Seiten der auf die Schenkel eines U-förmigen Träger angebracht Probe. Die Probe wird lokal an einem magnetischen Erregungsfeld ausgesetzt, bestehend aus zwei unterschiedlichen Frequenzen, eine stärkere Komponente bei etwa 77 kHz und einer schwächeren Feld bei 61 Hz. Die nichtlinearen Magnetisierungseigenschaften von superparamagnetischen Teilchen führen zu der Erzeugung von Intermodulationsprodukten. Eine ausgewählte Summenfrequenzkomponente der hoch- und niederfrequenten Magnetfeld fällt auf den magnetisch nichtlinearen Teilchen wird durch eine Demodulationselektronik aufgezeichnet. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Scanner MPI, p-Autobahnmeistereien erfordert nicht die Anwendung eines starken Magnetfeldes auf die gesamte Probe durch Mischen der beiden Frequenzen lokal auftritt. Somit sind die seitlichen Abmessungen der Probe einfachdurch den Scanbereich und die Träger begrenzt. Jedoch bestimmt die Probenhöhe der räumlichen Auflösung. In der aktuellen Setup ist es auf 2 mm begrenzt. Als Beispiele stellen wir zwei 20 mm × 25 mm p-Autobahnmeistereien Bilder von Proben mit 1 & mgr; m Durchmesser Maghemitteilchen in Silanol-Matrix und mit 50 nm Magnetitteilchen in Aminosilan Matrix erworben. Die Ergebnisse zeigen, dass die neue MPI-Scanner zur Analyse von dünnen biologischen Proben und für Zwecke der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden können.

Introduction

Magnetischen Nanopartikeln (MNP) haben weit verbreitete Anwendungen in der Molekularbiologie und in der Medizin, also gefunden, für die Manipulation von Biomolekülen und Einzelzellen ^1, für die Zieleinheiten selektiv Markierung zur Detektion, ^{2, 3} für Chromatin – Modulation, ⁴ und für die mRNA – Isolierung und Behandlung von Krebs . ⁵ aufgrund ihrer superparamagnetischen Eigenschaften sind sie für die medizinische Bildgebung besonders geeignet. Sie können zum Beispiel als Kontrastmittel oder Tracer für die Magnetresonanztomographie (MRT) oder für die Anfälligkeit Bildgebung Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) Detektoren dienen. ^{2, 6} Die superparamagnetischen Nanopartikeln einen guten Kontrast zu den verschiedenen Geweben des menschlichen ergeben Körper, der dia- oder paramagnetisch sind. ^7. Somit können die Partikel zweckmßigerweise medizinische Bilder von menschlichen Körperteilen mit relativ gute räumliche Auflösung und Empfindlichkeit zu erhalten verwendet werden. ⁸

Zelt "> macht The Magnetic Particle Imaging (MPI) Technik , die von Gleich und Weizenecker ⁹ eingeführt , die Magnetisierung des Teilchens Verwendung der Nicht – Linearität. Bei Null oder schwach Vormagnetisierungsfeld, ist die Antwort von MNP an eine Wechselanregung der Frequenz f stark aufgrund ihre große Anfälligkeit. insbesondere die nichtlinearen Magnetisierung des Teilchens Anlass zu der Erzeugung von harmonischen gibt n · f, mit n = 2, 3, 4 … bei hohen Magnetfeldvorspannung, wird die harmonische Antwort schwach , weil die Partikel magnetisch gesättigt sind. In die MPI-Technik wird die Probe vollständig magnetisiert mit Ausnahme einer feldfreien Linie (FFL) oder einem feldfreien Punkt (FFP). nur Partikel in der Nähe dieser Linie oder Punkt wird der nichtlinearen Antwort der Probe beitragen. Mit dem Bewegung eines FFP und Einsatz geeigneter Empfangsspulen, Gleich und Weizenecker erworben MPI Bilder mit einer räumlichen Auflösung von 1 mm.

Damiterhalten Informationen über die räumliche Verteilung von MNP werden zwei Verfahren in der Regel verwendet wird , die mechanische Bewegung des Sensors in Bezug auf die Probe oder die Bewegung des FFL / FFP mittels Elektromagneten. ^{2, 3} Im letzteren Fall Bildrekonstruktionstechniken wie harmonisch-Raum MPI ³ oder X-Raum ^{10 MPI, 11, 12} sind erforderlich. Die räumliche Auflösung des MPI wird durch die Faltungseigenschaften der Anregungs- und Detektionsspulen sowie durch die Eigenschaften des magnetischen Feldgradienten bestimmt. Dies ermöglicht Bildrekonstruktionsalgorithmen eine verbesserte Auflösung gegenüber der nativen Auflösung zu erhalten, die durch die Maxwellschen Gleichungen bestimmt durch Größe und Abstand der Aufnahmespulen sowie durch die Magnetfeldverteilung bestimmt wird.

Ein MPI-Scanner ist in der Regel von einem starken Magneten besteht für die gesamte Probe zu magnetisieren, eine steuerbare Spulensystem für eine FFL oder FFP über die Probe zu steuern, eine hohe Frequenz excitation Spulensystem und ein Detektionsspulensystem zum Aufnehmen der nichtlinearen Antwort der Probe auf. Die FFL / FFP wird kontinuierlich durch das Probenvolumen, während die harmonische Antwort von dieser ungesättigten Probenbereich bewegt, wird aufgezeichnet. Um das Problem des Anbringens der Probe in den Scanner, ein einseitiges MPI – Scanner wurde von Gräfe et al gezeigt , zu vermeiden. ^13, jedoch auf Kosten einer reduzierten Leistung. Die besten Ergebnisse werden erhalten, wenn die Probe durch die Magnete und Spulen umgeben ist. Weil die Probe vollständig magnetisiert werden muß, mit Ausnahme der FFL / FFP Region erfordert die Technik relativ großen und starken Magneten mit einer Wasserkühlung, was zu einer ziemlich sperrig und schwer MPI-System.

Unser Ansatz ist auf der Frequenz basierend auf der nichtlinearen Magnetisierungskurve von superparamagnetischen Partikeln vermischt werden . ¹⁴ Bei der Super-Paramagneten auf Magnetfelder bei zwei unterschiedlichen Frequenzen ausgesetzt sind (f ₁ und f </ em> _2), sum Frequenzen eine lineare Kombination repräsentiert m · f ₁ + n · f ₂ (mit ganzen Zahlen m, n) erzeugt werden . Es wurde gezeigt , dass das Auftreten dieser Komponenten auf die Nicht – Linearität der Magnetisierungskurve der Teilchen hoch spezifisch ist. ^15. Mit anderen Worten, wenn die MNP Probe gleichzeitig mit einer Antriebs Magnetfeld mit der Frequenz f ₂ und einem Sondieren Feld bei der Frequenz ausgesetzt wird , f _1, erzeugen die Teilchen eine Antwortfeld bei der Frequenz f ₁ + 2 · f _2. Diese Summenfrequenz wäre ohne die magnetisch nichtlinearen Probe nicht vorhanden sein, damit die Spezifität sehr hoch ist. Wir nannten diese Methode "Frequenzmisch magnetische Detektion" (Autobahnmeistereien). Es wurde experimentell nachgewiesen , dass die Technik einen Dynamikbereich von mehr als vier Größenordnungen in der Partikelkonzentration ergibt. ¹⁴

<p class = "jove_content"> Im Gegensatz zu typischen MPI Instrumentierung, die planare Frequenzmisch magnetische Detektion (p-Autobahnmeistereien) Ansatz erfordert nicht die Probe zu magnetisieren schließen , weil die Erzeugung der Summenfrequenzkomponente f ₁ + 2 · f bis zur Sättigung ₂ ist maximal bei Null statischen Vormagnetisierungsfeld. ¹⁴ daher die Notwendigkeit für eine starke und sperrig Magneten gelindert wird. In der Tat sind die äußeren Abmessungen des Messkopfes nur 77 mm × 68 mm × 29 mm. Zum Vergleich sind MPI Setups typischerweise metergroße. ⁷ Der Nachteil ist jedoch, dass die Technik auf planare Proben mit einer maximalen Dicke von 2 mm in der aktuellen Einstellungen beschränkt. Die Probe relativ zu dem zweiseitigen Meßkopfes abgetastet werden. Eine Re-Konstruktion für dickere Proben erlaubt ist möglich, aber ist für einen Verlust an räumlicher Auflösung gehandelt werden.

Basierend auf dieser Technik Autobahnmeistereien, präsentieren wir eine besondere Art von MPI detector für planare Proben, die "planare Frequenzmisch magnetische Detektion" (p-Autobahnmeistereien) Scanner so genannte. Das Prinzip wurde vor kurzem veröffentlicht. ¹⁷ In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die Methodik der Technik und Gegenwart Protokolle , wie eine solche Scanner einzurichten und wie Scans durchzuführen. Es hat sich gezeigt , dass MPI für medizinische Diagnosezwecke , wie beispielsweise Herz – Kreislauf oder Krebs – Bildgebung angewendet werden. ^{16, 18, ​​19} Daher glauben wir , dass die neue MPI – Scanner für eine breite Palette von möglichen Anwendungen verwendet werden kann, beispielsweise zur Messung von magnetischen Teilchen Verteilung in Gewebeschnitten.

Protocol

1. Design ein Planar Autobahnmeistereien Messkopf Wählen Sie eine Spule Schema für den Messkopf. Wählen Sie eine Konfiguration gemäß Figur 1, bestehend aus zwei Aufnahmespulen oberhalb und zwei unterhalb der Probe in einem (-, +, +, -) Sequenz, wobei die Probe zwischen den beiden (+) Spulen in der Mitte sitzt. Das Vorzeichen bezeichnet die Richtung der Wicklung, dh (+) für Rechts- und (-) für gegen den Uhrzeigersinn. Somit wird die Empfindlichkeit der Aufnahmespulen über die …

Representative Results

Figur 5a zeigt die berechneten Empfindlichkeitsverteilung der inneren Doppeldifferentialdetektionsspule als eine Funktion der Koordinaten x und y in der Probenebene. Es wurde in einer umgekehrten Ansatz berechnet , indem von allen vier Erfassungsspulen an allen Punkten (x, y) in der Mittelebene erzeugt , um die Überlagerung der Magnetfelder zu bestimmen. Umgekehrt bestimmt diese die Empfindlichkeit der Detektionsspule mit einem magnet…

Discussion

Das Messverfahren nutzt die Nichtlinearität der Magnetisierungskurve der superparamagnetischen Teilchen. Die zweiseitige Meßkopf trifft gleichzeitig zwei magnetischen Anregungsfelder unterschiedlicher Frequenz auf die Probe, einer niedrigen Frequenz (f ₂₎ Komponente , die Teilchen in magnetische Sättigung und eine hohe Frequenz (f ₁₎ Sondenfeld die nichtlineare magnetische Antwort zu messen , zu fahren . Insbesondere beide Harmonischen der einfallenden Felder, m · <em…

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