Frecuencia de mezcla escáner de detección magnética para obtener imágenes de partículas magnéticas en muestras planas

Summary

Un escáner para obtener imágenes de partículas magnéticas en muestras planas se ha desarrollado utilizando la técnica de mezcla de detección magnética de frecuencia plana. La respuesta producto de intermodulación magnético de la magnetización nonhysteretic no lineal de las partículas se registra a una excitación de dos frecuencias. Se puede utilizar para tomar imágenes en 2D de muestras biológicas delgadas.

Abstract

Se presenta la configuración de una frecuencia de mezcla planar escáner magnético de detección (p-FMMD) para la realización de partículas magnéticas Imaging (MPI) de las muestras planas. Se compone de dos cabezales de medición magnéticos en ambos lados de la muestra montada en las patas de un soporte en forma de u. La muestra se expone localmente a un campo de excitación magnética que consiste en dos frecuencias diferentes, en un componente más fuerte a aproximadamente 77 kHz y un campo más débil en 61 Hz. Las características de magnetización no lineales de partículas superparamagnéticas dan lugar a la generación de productos de intermodulación. Un componente de suma frecuencia seleccionada de la alta y baja frecuencia incidente campo magnético sobre las partículas magnéticamente no lineales es grabada por una electrónica de demodulación. En contraste con un escáner MPI convencional, p-FMMD no requiere la aplicación de un campo magnético fuerte para toda la muestra porque la mezcla de las dos frecuencias se produce localmente. Por lo tanto, las dimensiones laterales de la muestra son sólolimitado por el alcance de detección y los soportes. Sin embargo, la altura de la muestra determina la resolución espacial. En la configuración actual que se limita a 2 mm. Como ejemplos, se presentan dos de 20 mm x 25 mm imágenes p-FMMD adquiridos a partir de muestras de 1 m de diámetro maghemita partículas en la matriz de silanol y con partículas de magnetita 50 nm de matriz de aminosilano. Los resultados muestran que la novela escáner MPI se puede aplicar para el análisis de muestras biológicas delgadas y con fines de diagnóstico médico.

Introduction

Las nanopartículas magnéticas (MNP) han encontrado amplias aplicaciones en la biología molecular y en la medicina, es decir, para la manipulación de biomoléculas y células individuales ^1, para etiquetar selectivamente entidades diana para la detección, ^{2, 3} para la modulación de la cromatina, ⁴ y para el aislamiento de mRNA y el tratamiento del cáncer . ⁵ Debido a sus propiedades superparamagnéticas, que son especialmente útiles para formación de imágenes médicas. Pueden servir, por ejemplo, como agentes de contraste o trazadores para imagen de resonancia magnética (MRI) o para obtener imágenes de la susceptibilidad utilizando detectores Superconductor Quantum Interference Device (SQUID). ^{2, 6} Las nanopartículas superparamagnéticas producen un buen contraste con los diferentes tejidos de la humana cuerpo que son dia- o paramagnético. ⁷ Por lo tanto, las partículas se pueden usar convenientemente para adquirir imágenes médicas de partes del cuerpo humano con relativamente buena resolución espacial y sensibilidad. ⁸

tienda "> The Imaging Partículas Magnéticas técnica (MPI) introducido por Gleich y Weizenecker ⁹ hace uso de la no linealidad de la magnetización de la partícula. En el cero o débil sesgo campo magnético, la respuesta de los MNP a una excitación de corriente alterna de frecuencia f es fuerte debido a las su gran susceptibilidad. En particular, la magnetización no lineal de la partícula da lugar a la generación de armónicos de n · f, con n = 2, 3, 4 … En sesgo alto campo magnético, la respuesta armónica se debilita porque las partículas son magnéticamente saturado. En la técnica de MPI, la muestra está completamente magnetizado a excepción de una línea de campo libre (FFL) o un punto libre de campo (FFP). sólo partículas situado cerca de esta línea o punto contribuirá a la respuesta no lineal de la muestra. con el movimiento de un FFP y el empleo de bobinas receptoras adecuadas, Gleich y Weizenecker adquirió imágenes MPI con una resolución espacial de 1 mm.

A fin de queobtener información sobre la distribución espacial de MNP, por lo general se emplean dos métodos, el movimiento mecánico del sensor con respecto a la muestra, o el movimiento de la FFL / FFP por medio de electroimanes. ^{2, 3} En el último caso, las técnicas de reconstrucción de imágenes como armónica del espacio MPI ³ o X-espacio MPI ^{10, 11, 12} son requeridos. La resolución espacial de MPI se determina por las propiedades de convolución de excitación y de detección de bobinas, así como por las características de la gradiente de campo magnético. Esto permite que los algoritmos de reconstrucción de imágenes para obtener una resolución mejorado en la resolución nativa, que se determina por el tamaño y la distancia de las bobinas de captación, así como por la distribución del campo magnético gobernado por las ecuaciones de Maxwell.

Un escáner MPI generalmente se compone de un imán fuerte para magnetizar toda la muestra, un sistema de bobina controlable para la dirección de un FFL o FFP través de la muestra, un excitatio alta frecuenciasistema de bobina n, y un sistema de bobina de detección para recoger la respuesta no lineal de la muestra. El FFL / FFP se mueve continuamente a través del volumen de la muestra mientras que la respuesta de armónicos de esta región muestra insaturado se registró. Con el fin de evitar el problema de ajuste de la muestra en el escáner, una sola cara escáner MPI ha sido demostrado por Gräfe et al. ^13, sin embargo, a expensas de un rendimiento reducido. Los mejores resultados se obtienen si la muestra está rodeado por los imanes y bobinas. Debido a que la muestra tiene que ser completamente magnetizado excepción de la región FFL / FFP, la técnica requiere imanes relativamente grandes y fuertes con refrigeración por agua, lo que lleva a un sistema de MPI bastante voluminoso y pesado.

Nuestro enfoque se basa en mezclar en la curva de magnetización no lineal de partículas superparamagnéticas de frecuencia. ¹⁴ Cuando super-paramagnetos están expuestos a campos magnéticos en dos frecuencias distintas (f ₁ y f </ em> _2), frecuencias de suma que representa una combinación lineal m · f ₁ + n · f ₂ (con números enteros m, n) son generados. Se demostró que la aparición de estos componentes es altamente específico a la no linealidad de la curva de magnetización de las partículas. ¹⁵ En otras palabras, cuando la muestra MNP es a la vez expuesto a un campo magnético de conducción a la frecuencia f ₂ y un campo de sondeo a la frecuencia f _1, las partículas de generar un campo de respuesta a la frecuencia f ₁ + 2 · f _2. Esta frecuencia suma no sería existente sin la muestra magnéticamente no lineal, por lo tanto, la especificidad es extremadamente alta. Llamamos a este método "frecuencia de mezcla de detección magnética" (FMMD). Se ha comprobado experimentalmente que la técnica se obtiene un rango dinámico de más de cuatro órdenes de magnitud en la concentración de partículas. ¹⁴

<clase p = "jove_content"> En contraste con típico instrumentación MPI, la frecuencia planar mezcla enfoque de detección magnética (p-FMMD) no requiere para magnetizar la muestra cerca de la saturación porque la generación de la suma frecuencia componente f ₁ + 2 · f ₂ es máxima en campo de polarización estática cero. ¹⁴ por lo tanto, la necesidad de imanes fuertes y voluminosos se alivia. De hecho, las dimensiones exteriores de la cabeza de medición son solamente 77 mm × 68 mm × 29 mm. Para la comparación, las configuraciones de MPI son típicamente-metro de tamaño. ⁷ El inconveniente, sin embargo, es que la técnica se limita a las muestras planas con un espesor máximo de 2 mm en la configuración actual. La muestra tiene que ser escaneada con relación a la cabeza de medición de dos caras. Una re-construcción que permite muestras más gruesas es posible, pero tiene que ser cambiado por una pérdida de resolución espacial.

Sobre la base de esta técnica FMMD, presentamos un tipo especial de MPI detector para muestras planas, la llamada "mezcla detección magnética de frecuencia plana" (p-FMMD) del escáner. El principio ha sido recientemente publicado. ¹⁷ En este trabajo, nos centramos en la metodología de la técnica y los protocolos actuales de cómo configurar un escáner de este tipo y cómo realizar exploraciones. Se ha demostrado que el MPI se puede aplicar con fines de diagnóstico médico, tales como imágenes cardiovasculares o el cáncer. ^{16, 18, ​​19} Por ^tanto, creemos que el nuevo escáner MPI se puede utilizar para una amplia gama de aplicaciones potenciales, por ejemplo, para la medición de partículas magnéticas distribución en cortes de tejido.

Protocol

1. Diseño de una medición Cabeza plana FMMD Elija una combinación de bobina para el cabezal de medición. Seleccione una configuración de acuerdo con la Figura 1, que consta de dos bobinas de recogida por encima y dos por debajo de la muestra en un (-, +, +, -) secuencia, con la muestra que se sienta en el centro entre las dos bobinas (+). El signo indica la dirección de bobinado, es decir, (+) para las agujas del reloj y (-) para la izquierda. Por lo tanto, la sensibilidad de l…

Representative Results

La figura 5a muestra la distribución de sensibilidad calculado de la bobina de detección de doble diferencial interna como una función de las coordenadas x e y en el plano de la muestra. Se calculó en un enfoque inverso mediante la determinación de la superposición de los campos magnéticos en todos los puntos (x, y) en el plano central generado por todas las cuatro bobinas de detección. A la inversa, esto determina la sensibili…

Discussion

La técnica de medida utiliza la no linealidad de la curva de magnetización de las partículas superparamagnéticas. El cabezal de medición de dos caras simultáneamente se aplica dos campos de excitación magnéticos de diferente frecuencia a la muestra, una baja frecuencia (f ₂₎ componente para conducir las partículas en la saturación magnética y una alta frecuencia (f ₁₎ de campo de sonda para medir la respuesta magnética no lineal . En particular, los dos armónicos de l…

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