Frequência mistura Scanner Detecção magnética for Imaging Partículas Magnéticas em amostras Planar

Summary

Um scanner para imagiologia de partículas magnéticas nas amostras planas foi desenvolvido utilizando a frequência plana mistura técnica de detecção magnética. A resposta magnética produto de intermodulação da magnetização nonhysteretic não linear das partículas é gravada em cima de uma excitação de dois frequência. Ele pode ser usado para captar imagens 2D de amostras biológicas finas.

Abstract

A configuração de um Frequency planar mistura do scanner Magnetic Detection (p-FMMD) para a realização de Magnetic Particles Imagem (MPI) de amostras planas é apresentado. É constituída de duas cabeças magnéticas de medição em ambos os lados da amostra montada sobre as pernas de um suporte em forma de U. A amostra é localmente exposto a um campo magnético de excitação consiste em duas frequências distintas, um componente mais forte a cerca de 77 kHz e um campo mais fraca a 61 Hz. As características de magnetização não-lineares de partículas superparamagnéticas dar origem à geração de produtos de intermodulação. Um componente soma-frequência seleccionada do incidente de alta e baixa frequência de campo magnético sobre as partículas magneticamente não-lineares é registrado por um demodulação eletrônicos. Em contraste com um scanner MPI convencional, p-FMMD não exige a aplicação de um campo magnético forte para a totalidade da amostra porque a mistura das duas frequências ocorre localmente. Assim, as dimensões laterais da amostra são apenaslimitada pela gama de varrimento e os suportes. No entanto, a altura da amostra determina a resolução espacial. Na configuração de corrente é limitado a 2 mm. Como exemplos, apresentamos duas 20 mm × 25 mm imagens p-FMMD adquiridos a partir de amostras com 1 mm de diâmetro partículas maguemita na matriz silanol e com partículas de magnetite 50 nm de matriz aminossilano. Os resultados mostram que o novo scanner de IPM pode ser aplicado para a análise de amostras biológicas finas e para fins de diagnóstico médico.

Introduction

As nanopartículas magnéticas (MNP) têm encontrado aplicações generalizadas na biologia molecular e em medicina, por exemplo, para a manipulação de biomoléculas e células individuais ^1, para etiquetar selectivamente entidades alvo para a detecção, ^{2, 3} para a modulação da cromatina, ⁴ e para isolamento de ARNm e o tratamento do cancro ^5. Devido às suas propriedades superparamagnéticas, eles são especialmente úteis para a imagiologia médica. Eles podem servir, por exemplo, como agentes de contraste ou traçadores da Imagem por Ressonância Magnética (MRI) ou para a imagem latente susceptibilidade usando detectores Superconducting Quantum Interference dispositivo (SQUID). ^{2, 6} As nanopartículas superparamagnéticas deu um bom contraste com os diferentes tecidos do ser humano corpo que são dia- ou paramagnética. ⁷ Assim, as partículas podem ser convenientemente utilizado para a aquisição de imagens médicas de partes do corpo humano com relativamente boa resolução espacial e sensibilidade. ⁸

tenda "> A imagem da partícula magnética (MPI), técnica introduzida por Gleich e Weizenecker ⁹ faz uso da não-linearidade da magnetização da partícula. No zero ou viés campo magnético fraco, a resposta do MNP para uma excitação ac de frequência f é forte devido ao a sua grande susceptibilidade. Em particular, a magnetização não linear da partícula dá origem à geração de harmónicas n · F, com n = 2, 3, 4 … na polarização de campo magnético elevado, a resposta harmónica torna-se fraca porque as partículas são magneticamente saturado. Em a técnica de MPI, a amostra é completamente magnetizado excepto para uma linha de campo livre (FFL) ou um ponto livre de campo (FFP). Somente as partículas situado próximo a esta linha ou ponto irá contribuir para a resposta não linear da amostra. com o movimento de um FFP e do emprego de bobinas receptoras adequadas, Gleich e Weizenecker imagens adquiridas MPI com uma resolução espacial de 1 mm.

A fim deobter informações sobre a distribuição espacial de MNP, dois métodos são habitualmente utilizados, o movimento mecânico do sensor em relação à amostra, ou o movimento do FFL / FFP por meio de electromagnetos. ^{2, 3} Neste último caso, as técnicas de reconstrução da imagem como harmônica espaço MPI ³ ou X-espaço MPI ^{10, 11, 12} são obrigatórios. A resolução espacial de MPI é determinada pelas propriedades de convolução de excitação e detecção de bobinas, bem como pelas características do gradiente do campo magnético. Isto permite que os algoritmos de reconstrução de imagem para obter uma resolução melhorada através da resolução nativa, que é determinada pela dimensão e a distância das bobinas de captação, bem como por a distribuição do campo magnético governado pelas equações de Maxwell.

Um scanner MPI é geralmente composto de um íman forte para magnetizar toda a amostra, um sistema de bobina controlável para dirigir um FFL ou FFP toda a amostra, um excitatio alta frequênciasistema de bobina n, e um sistema de bobina de detecção para recolher a resposta não-linear a partir da amostra. O FFL / FFP é movida continuamente através do volume da amostra, enquanto a resposta harmónica a partir desta região insaturado amostra é registada. A fim de evitar o problema de montagem do espécime para o scanner, um scanner de MPI single-sided foi demonstrada por Grafe et al. ^13, no entanto à custa de redução do desempenho. Os melhores resultados são obtidos se a amostra está cercada pelos magnetos e bobinas. Porque a amostra tem de ser plenamente magnetizado com exceção da região FFL / FFP, a técnica requer ímãs relativamente grandes e fortes com refrigeração a água, levando a um sistema MPI bastante volumoso e pesado.

A nossa abordagem é baseada na frequência de mistura na curva de magnetização não-linear de partículas superparamagnéticas. ¹⁴ Quando super-paramagnets são expostos a campos magnéticos em duas frequências distintas (F ₁ e F </ em> _2), freqüências soma representando uma combinação linear m · f ₁ + n · f ₂ (com números inteiros m, n) são gerados. Mostrou-se que o aparecimento desses componentes é altamente específica para a não linearidade da curva de magnetização das partículas. ¹⁵ Em outras palavras, quando a amostra MNP é exposto simultaneamente a um campo magnético de condução na frequência f ₂ e um campo de sondagem à frequência f _1, as partículas de gerar um campo de resposta à frequência f ₁ + 2 · F _2. Esta frequência soma não seria existente sem a amostra magneticamente não-linear, portanto, a especificidade é extremamente elevado. Chamamos este método "frequência de mistura de detecção magnética" (FMMD). Foi experimentalmente verificado que a técnica produz uma gama dinâmica de mais de quatro ordens de grandeza em concentração de partículas ^14.

<p class = "jove_content"> Em contraste com a instrumentação típica MPI, a frequência planar misturando abordagem de detecção magnética (p-FMMD) não requer para magnetizar a amostra perto da saturação, porque a geração de soma de frequência componente f ₁ + 2 · f ₂ é máximo no campo de polarização estática zero. ¹⁴ por isso, a necessidade de ímãs fortes e volumosos é aliviada. Na verdade, as dimensões exteriores da cabeça de medição são apenas 77 mm x 68 milímetros x 29 milímetros. Para comparação, configurações MPI são tipicamente medidor de tamanho. ⁷ A desvantagem, no entanto, é que a técnica está limitada a amostras planas com uma espessura máxima de 2 mm na configuração corrente. A amostra tem de ser digitalizada relativamente à cabeça de medição de dois lados. A re-construção que permite amostras mais espessas é possível, mas tem que ser trocados por uma perda de resolução espacial.

Com base nesta técnica FMMD, apresentamos um tipo especial de MPI detecTor para amostras planas, o chamado "planar frequência de detecção magnética de mistura" (p-FMMD) do scanner. O princípio foi recentemente publicado. ¹⁷ Neste trabalho, nós nos concentramos na metodologia da técnica e protocolos atuais como configurar como um scanner e como realizar varreduras. Tem sido demonstrado que o IPM pode ser aplicado para fins de diagnóstico médicos, tais como a imagiologia cardiovascular ou cancro. ^{16, 18, ​​19} Portanto, cremos que o novo scanner de IPM pode ser utilizado para uma larga gama de potenciais aplicações, por exemplo, para a medição de partículas magnéticas distribuição em fatias de tecido.

Protocol

1. Projeto de Medição Cabeça Planar FMMD Escolha um esquema de bobina para a cabeça de medição. Seleccionar uma configuração de acordo com a Figura 1, que consiste em duas bobinas de captação de cima e duas abaixo da amostra num (-, +, +, -) sequência, com a amostra sentado no centro, entre as duas bobinas (+). O sinal indica a direcção de enrolamento, isto é, (+) para a direita e (-) para a esquerda. Assim, a sensibilidade das bobinas de captação se torna quase homog…

Representative Results

A Figura 5a mostra a distribuição calculado sensibilidade da bobina interior de detecção dupla diferencial, como uma função das coordenadas x e y do plano da amostra. Foi calculado em uma abordagem inversa, determinando a superposição dos campos magnéticos em todos os pontos (x, y) no plano central gerados por todas as quatro bobinas de detecção. Em sentido inverso, isto determina a sensibilidade da bobina de detecção a um…

Discussion

A técnica de medição utiliza a não linearidade da curva de magnetização das partículas superparamagnéticas. A cabeça de medição de dois lados se aplica simultaneamente dois campos de excitação magnético de frequência diferente para a amostra, uma baixa frequência (f ₂₎ componente para dirigir as partículas em saturação magnética e uma alta frequência (f ₁₎ campo sonda para medir a resposta magnética não linear . Em particular, ambos os harmônicos dos campos…

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