फ्रीक्वेंसी Planar नमूने में चुंबकीय कण इमेजिंग के लिए चुंबकीय जांच स्कैनर मिश्रण

Summary

तलीय नमूनों में चुंबकीय कणों इमेजिंग के लिए एक स्कैनर तलीय आवृत्ति चुंबकीय पहचान तकनीक के मिश्रण का उपयोग कर विकसित किया गया था। कणों के nonlinear nonhysteretic संस्कार से चुंबकीय intermodulation उत्पाद प्रतिक्रिया एक दो आवृत्ति उत्तेजना पर दर्ज की गई है। यह पतली जैविक नमूने के 2 डी चित्र लेने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।

Abstract

एक तलीय आवृत्ति मिश्रण फ्लैट नमूने के चुंबकीय कण इमेजिंग (एमपीआई) के प्रदर्शन के लिए चुंबकीय जांच (पी-FMMD) स्कैनर की स्थापना प्रस्तुत किया है। यह नमूना एक यू के आकार का समर्थन के पैरों पर मुहिम शुरू के दोनों किनारों पर दो चुंबकीय माप सिर के होते हैं। नमूना स्थानीय स्तर पर 61 हर्ट्ज पर और के बारे में 77 kHz पर दो अलग आवृत्तियों, एक मजबूत घटक से मिलकर एक चुंबकीय उत्तेजना क्षेत्र एक कमजोर क्षेत्र के संपर्क में है। superparamagnetic कणों के nonlinear संस्कार विशेषताओं intermodulation उत्पादों की पीढ़ी को जन्म दे। चुंबकीय nonlinear कणों पर उच्च और निम्न आवृत्ति चुंबकीय क्षेत्र की घटना के एक चयनित योग आवृत्ति घटक एक demodulation इलेक्ट्रॉनिक्स द्वारा दर्ज की गई है। क्योंकि दो आवृत्तियों का मिश्रण होता है स्थानीय स्तर पर एक पारंपरिक एमपीआई स्कैनर के विपरीत, पी-FMMD पूरे नमूना करने के लिए एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र के आवेदन की आवश्यकता नहीं है। इस प्रकार, नमूना के पार्श्व आयाम बस रहे हैंस्कैनिंग रेंज और समर्थन करता है के द्वारा सीमित। हालांकि, नमूना ऊंचाई स्थानिक संकल्प निर्धारित करता है। मौजूदा सेटअप में यह 2 मिमी तक ही सीमित है। उदाहरण के रूप में, हम दो × 20 मिमी 25 मिमी पी FMMD silanol मैट्रिक्स में और aminosilane मैट्रिक्स में 50 एनएम मैग्नेटाइट कणों के साथ 1 माइक्रोन व्यास maghemite कणों के साथ नमूनों से प्राप्त कर लिया छवियों प्रस्तुत करते हैं। परिणाम बताते हैं कि उपन्यास एमपीआई स्कैनर पतली जैविक नमूने के विश्लेषण के लिए और नैदानिक ​​चिकित्सा प्रयोजनों के लिए लागू किया जा सकता है।

Introduction

चुंबकीय नैनोकणों (एमएनपी), biomolecules के हेरफेर और एकल कक्षों ^के लिए ^1, चुनिंदा क्रोमेटिन मॉडुलन, ^{4 के} लिए और mRNA अलगाव और कैंसर के इलाज के लिए पता लगाने, ^{2, 3} के लिए लक्ष्य संस्थाओं लेबलिंग के लिए यानी, आणविक जीव विज्ञान में और चिकित्सा के क्षेत्र में बड़े पैमाने पर आवेदन मिल गया है । ⁵ उनकी superparamagnetic गुणों के कारण, वे मेडिकल इमेजिंग के लिए विशेष रूप से उपयोगी होते हैं। वे अतिचालक क्वांटम हस्तक्षेप उपकरण (व्यंग्य) डिटेक्टरों का उपयोग विपरीत एजेंटों या चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) या संवेदनशीलता इमेजिंग के लिए के लिए ट्रेसर के रूप में उदाहरण के लिए, सेवा कर सकते हैं। ^{2, 6} superparamagnetic नैनोकणों मानव के विभिन्न ऊतकों को एक अच्छा इसके विपरीत उपज शरीर जो dia- या समचुंबक कर रहे हैं। इस प्रकार ^7, कण आसानी से अपेक्षाकृत अच्छा स्थानिक संकल्प और संवेदनशीलता के साथ मानव शरीर के अंगों की चिकित्सा छवियों को प्राप्त करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। ⁸

तम्बू "> चुंबकीय कण इमेजिंग (एमपीआई) तकनीक Gleich और Weizenecker ⁹ द्वारा शुरू कण के आकर्षण संस्कार के nonlinearity का उपयोग करता है। शून्य या कमजोर चुंबकीय क्षेत्र पूर्वाग्रह पर, आवृत्ति च की एक एसी उत्तेजना को एमएनपी की प्रतिक्रिया मजबूत है की वजह उनके बड़े संवेदनशीलता। विशेष रूप से, कण के nonlinear संस्कार एन के साथ harmonics एन · च की पीढ़ी को जन्म, = 2, 3, 4 … उच्च चुंबकीय क्षेत्र पूर्वाग्रह पर देता है, हार्मोनिक प्रतिक्रिया कमजोर क्योंकि कणों चुंबकीय संतृप्त कर रहे हो जाता है। में एमपीआई तकनीक, नमूना पूरी तरह से एक क्षेत्र से मुक्त लाइन (FFL) या एक क्षेत्र से मुक्त बिंदु (FFP) को छोड़कर चुम्बकीय है। केवल इस लाइन या बिंदु के पास स्थित कणों नमूना के nonlinear प्रतिक्रिया के लिए योगदान देगा। साथ एक FFP और उपयुक्त रिसीवर कॉयल के रोजगार का आंदोलन, Gleich और Weizenecker 1 मिमी की एक स्थानिक संकल्प के साथ एमपीआई छवियों का अधिग्रहण किया।

के लिएएमएनपी के स्थानिक वितरण के बारे में जानकारी प्राप्त करने के दो तरीके आमतौर पर कार्यरत हैं, नमूना के संबंध में, या FFL / FFP के आंदोलन विद्युत चुम्बकों के माध्यम से। ^{2, 3} के साथ सेंसर की यांत्रिक आंदोलन उत्तरार्द्ध मामले में, छवि पुनर्निर्माण तकनीक हार्मोनिक अंतरिक्ष एमपीआई ³ या एक्स-अंतरिक्ष एमपीआई ^{10, 11} की ^{तरह, 12} के लिए आवश्यक हैं। एमपीआई के स्थानिक संकल्प उत्तेजना और पता लगाने के कुंडल की कनवल्शनफ़िल्टर्स गुण के आधार के रूप में अच्छी तरह के रूप में चुंबकीय क्षेत्र ढाल की विशेषताओं से निर्धारित होता है। इस छवि को पुनर्निर्माण एल्गोरिदम देशी संकल्प है, जो आकार और पिक कॉयल की दूरी के रूप में अच्छी तरह मैक्सवेल के समीकरण द्वारा शासित चुंबकीय क्षेत्र वितरण से निर्धारित होता है पर एक सुधार के प्रस्ताव प्राप्त करने के लिए अनुमति देता है।

एक एमपीआई स्कैनर आमतौर पर पूरे नमूना, नमूना भर में एक FFL या FFP स्टीयरिंग के लिए एक चलाया तार प्रणाली, एक उच्च आवृत्ति excitatio magnetizing के लिए एक मजबूत चुंबक के शामिल हैn कुंडल प्रणाली है, और नमूना से nonlinear प्रतिक्रिया को चुनने के लिए एक का पता लगाने का तार प्रणाली। FFL / FFP लगातार जबकि इस असंतृप्त नमूना क्षेत्र से हार्मोनिक प्रतिक्रिया दर्ज की गई है नमूना मात्रा के माध्यम से ले जाया जाता है। आदेश स्कैनर में नमूना फिटिंग की समस्या से बचने के लिए, एक तरफा एमपीआई स्कैनर हालांकि कम प्रदर्शन की कीमत पर, Gräfe एट अल। ¹³ से प्रदर्शित किया गया है। सबसे अच्छा परिणाम प्राप्त कर रहे हैं अगर नमूना मैग्नेट और कॉयल से घिरा हुआ है। क्योंकि नमूना पूरी तरह से FFL / FFP क्षेत्र को छोड़कर चुम्बकीय किया जाना है, तकनीक के लिए एक नहीं बल्कि भारी और भारी एमपीआई प्रणाली के लिए अग्रणी पानी ठंडा करने के साथ अपेक्षाकृत बड़े और मजबूत मैग्नेट की आवश्यकता है।

हमारा दृष्टिकोण आवृत्ति superparamagnetic कणों की गैर रेखीय संस्कार की अवस्था में मिश्रण पर आधारित है। ¹⁴ सुपर paramagnets दो अलग आवृत्तियों (एफ _-1 और च <पर चुंबकीय क्षेत्र को उजागर कर रहे हैं/ em> _2), योग आवृत्तियों एफ एक रेखीय संयोजन मीटर · प्रतिनिधित्व करने वाले ₁ + n · एफ ₂ (पूर्णांक संख्या मीटर के साथ, n) उत्पन्न कर रहे हैं। यह दिखाया गया था कि इन घटकों की उपस्थिति अत्यधिक कणों के आकर्षण संस्कार वक्र के nonlinearity के लिए विशिष्ट है। ¹⁵ अन्य शब्दों में, जब एमएनपी नमूना एक साथ आवृत्ति च ₂ और आवृत्ति पर एक जांच क्षेत्र में एक ड्राइविंग चुंबकीय क्षेत्र के संपर्क में है एफ _1, कण आवृत्ति च पर एक प्रतिक्रिया क्षेत्र उत्पन्न ₁ + 2 · एफ _2। इस राशि आवृत्ति चुंबकीय nonlinear नमूना बिना विद्यमान नहीं होगा, इसलिए विशिष्टता बहुत अधिक है। हम इस पद्धति "आवृत्ति चुंबकीय का पता लगाने के मिश्रण" (FMMD) कहा जाता है। यह प्रयोगात्मक सत्यापित किया गया है कि तकनीक कण एकाग्रता में परिमाण के चार से अधिक आदेश की एक गतिशील रेंज अर्जित करता है। ¹⁴

<पी वर्ग = "jove_content"> ठेठ एमपीआई इंस्ट्रूमेंटेशन के विपरीत, तलीय आवृत्ति मिश्रण चुंबकीय का पता लगाने (पी-FMMD) दृष्टिकोण संतृप्ति के करीब नमूना आकृष्ट करने की आवश्यकता नहीं है क्योंकि योग आवृत्ति घटक च की पीढ़ी ₁ + 2 · च ₂ शून्य स्थिर पूर्वाग्रह क्षेत्र में अधिकतम है। ¹⁴ इसलिए, मजबूत और भारी मैग्नेट के लिए जरूरत क्रमशः समाप्त होता है। वास्तव में, माप सिर के बाहरी आयामों केवल 77 मिमी × 68 × 29 मिमी मिमी हैं। तुलना के लिए, एमपीआई setups आम तौर पर मीटर आकार के होते हैं। ⁷ कमी, हालांकि, कि तकनीक मौजूदा सेटअप में 2 मिमी की अधिकतम मोटाई के साथ तलीय नमूने के लिए प्रतिबंधित किया जाता है। नमूना दो तरफा माप सिर करने के लिए अपेक्षाकृत स्कैन किया गया है। एक फिर से निर्माण मोटा नमूनों की अनुमति के लिए संभव है, लेकिन स्थानिक संकल्प का एक नुकसान के लिए में कारोबार किया जा चुका है।

इस FMMD तकनीक पर आधारित है, हम एमपीआई detec की एक विशेष प्रकार पेशटो तलीय नमूने के लिए, तथाकथित "तलीय आवृत्ति चुंबकीय का पता लगाने के मिश्रण" (पी-FMMD) स्कैनर। सिद्धांत हाल ही में प्रकाशित किया गया है। ¹⁷ इस काम में, हम तकनीक और वर्तमान प्रोटोकॉल की कार्यप्रणाली पर ध्यान केंद्रित कैसे इस तरह के एक स्कैनर और कैसे स्कैन प्रदर्शन करने के लिए स्थापित करने के लिए। यह दिखाया गया है कि इस तरह के हृदय एमपीआई या कैंसर इमेजिंग के रूप में चिकित्सा नैदानिक ​​प्रयोजनों के लिए लागू किया जा सकता है। ^{16, 18, ​​19} इसलिए हम मानते हैं कि नए एमपीआई स्कैनर, संभावित अनुप्रयोगों, जैसे की एक व्यापक श्रेणी के लिए इस्तेमाल किया जा सकता चुंबकीय कण को मापने के लिए ऊतक स्लाइस में वितरण।

Protocol

1. डिजाइन एक तलीय FMMD मापन प्रमुख माप सिर के लिए एक तार योजना का चयन करें। दो (+) कॉयल के बीच केंद्र में बैठे नमूने के साथ, अनुक्रम चित्रा 1 के अनुसार एक विन्यास का चयन एक नमूना नीचे से ऊपर और दो ​​दो प…

Representative Results

चित्रा 5 ए नमूना विमान में निर्देशांक एक्स एक समारोह और y के रूप में आंतरिक डबल अंतर का पता लगाने का तार की गणना की संवेदनशीलता वितरण से पता चलता। यह एक उलटा दृष्टिकोण में सभ?…

Discussion

माप तकनीक superparamagnetic कणों के आकर्षण संस्कार वक्र के nonlinearity का इस्तेमाल करता है। दो-तरफा माप सिर एक साथ चुंबकीय संतृप्ति में कणों और एक उच्च आवृत्ति (एफ ₁₎ जांच के क्षेत्र nonlinear चुंबकीय प्रतिक्रिया को माप?…

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