Frekvens Blandning Magnet Detection Scanner för Imaging magnetiska partiklar i Planar Prover
Summary
En scanner för avbildning magnetiska partiklar i plana prover har utvecklats med den plana frekvensblandnings magnetisk detekteringsteknik. Den magnetiska intermodulation produkten svar från den icke-linjära nonhysteretic magnetiseringen av partiklarna är inspelad på en två-frekvensexcitering. Det kan användas för att ta 2D-bilder av tunna biologiska prover.
Abstract
Installationen av ett plant frekvensblandnings Magnetic Detection (p-FMMD) skanner för att utföra magnetiska partiklar Imaging (MPI) av platta prover presenteras. Den består av två magnetiska mäthuvuden på båda sidor av provet monterat på benen av en U-format stöd. Provet lokalt utsätts för ett magnetiskt exciteringsfält bestående av två distinkta frekvenser, en starkare komponent vid ca 77 kHz och en svagare fält på 61 Hz. De icke-linjära magnetiseringskurvor egenskaper hos superparamagnetiska partiklar ger upphov till genereringen av intermodulationsprodukter. En utvald summafrekvenskomponenten i hög- och lågfrekventa magnetfält som infaller på de magnetiskt icke-linjära partiklarna registreras av ett demodulationsdatablock elektronik. I motsats till en konventionell MPI scanner, inte p-FMMD inte kräver tillämpningen av ett starkt magnetfält för hela provet eftersom blandning av de två frekvenser sker lokalt. Således, sido dimensioner provet är barabegränsad av avsökningsområde och stöden. Emellertid bestämmer provhöjd den rumsliga upplösningen. I den aktuella konfigurationen är begränsad till 2 mm. Som exempel presenterar vi två 20 mm x 25 mm p-FMMD bilder som förvärvats från prover med 1 pm maghemit diameter partiklar i silanol matris och med 50 nm magnetitpartiklar i aminosilan matris. Resultaten visar att den nya MPI scanner kan användas för analys av tunna biologiska prover och för medicinska diagnostiska ändamål.
Introduction
Magnetiska nanopartiklar (MNP) har funnit omfattande applikationer i molekylärbiologi och inom medicinen, dvs. om den för manipulering av biomolekyler och enskilda celler 1, för att selektivt märka målgrupp enheter för upptäckt, 2, 3 för kromatin modulering, 4 och för mRNA-isolering och cancerbehandling . 5 grund av deras super egenskaper, de är särskilt användbara för medicinsk avbildning. De kan tjäna, till exempel, som kontrastmedel eller spårämnen för magnetisk resonanstomografi (MRT) eller känslighet avbildning med supraledande Quantum Interference Device (SQUID) detektorer. 2, 6 supernanopartiklar ger en bra kontrast till de olika vävnader i människo organ som är dia- eller para. 7 Sålunda kan partiklarna lämpligen användas för att förvärva medicinska bilder av mänskliga kroppsdelar med relativt god rumslig upplösning och känslighet. 8
tält "> The Magnetic Particle Imaging (MPI) teknik introducerades av Gleich och Weizenecker 9 gör användning av icke-linearitet av partikelns magnetisering. Vid noll eller svagt magnetfält bias, är svaret från MNP till en ac excitation av frekvensen f stark till följd av deras stora känslighet. i synnerhet ger partikelns olinjära magnetisering upphov till genereringen av övertoner n · f, med n = 2, 3, 4 … Vid höga magnetfält bias, blir den harmoniska svar svag eftersom partiklarna är magnetiskt mättad. i MPI tekniken provet helt magnetiseras med undantag för en fält fri linje (FFL) eller en fält fri punkt (FFP). endast partiklar som ligger nära denna linje eller punkt kommer att bidra till den ickelinjära svaret från provet. med förflyttning av en FFP och anställning av lämpliga mottagarspolarna, Gleich och Weizenecker förvärvade MPI bilder med en rumslig upplösning på 1 mm.För attfå information om den geografiska fördelningen av MNP, två metoder som vanligen används, den mekaniska rörelsen av sensorn i förhållande till provet, eller förflyttning av FFL / FFP genom elektromagneter. 2, 3 I det senare fallet, tekniker bildrekonstruktions som harmonisk rymden MPI 3 eller X-space MPI 10, 11, är 12 krävs. Den rumsliga upplösningen i MPI bestäms av faltningen egenskaperna hos excitations- och detektionsspolar samt av egenskaperna hos det magnetiska fältgradienten. Detta medger bildrekonstruktionsalgoritmer för att erhålla en förbättrad upplösning över den ursprungliga upplösningen, vilket bestäms av storlek och avstånd av upptagningspolarna samt genom den magnetiska fältfördelningen styrs av Maxwells ekvationer.
En MPI scanner vanligtvis består av en stark magnet för magnetisering hela provet, en kontrollerbar spelsystem för att styra en FFL eller FFP över provet, en högfrekvent excitation spolsystem och en upptäckt spolsystem för att plocka upp den ickelinjära svaret från provet. Den FFL / FFP kontinuerligt förflyttas genom provvolymen medan den harmoniska svar från denna omättade provområdet registreras. För att undvika problemet med att passa in provet i skannern har en enkelsidig MPI scanner visats av et al. Grafe 13, men på bekostnad av minskad prestanda. De bästa resultaten erhålles om provet är omgiven av magneterna och spolarna. Eftersom urvalet måste vara fullständigt magnetiserade utom för FFL / FFP regionen kräver tekniken relativt stora och starka magneter med vattenkylning, vilket leder till en ganska skrymmande och tunga MPI-system.
Vår strategi är baserad på frekvens blandning vid den icke-linjära magnetiseringskurva av superparamagnetiska partiklar. 14 När super paramagnets utsätts för magnetfält vid två distinkta frekvenser (f 1 och f </ em> 2), summafrekvenser som representerar en linjär kombination m · f 1 + n · f2 (med heltal m, n) genereras. Det visades att utseendet på dessa komponenter är i hög grad specifik för olinjäritet magnetiseringskurvan av partiklarna. 15 Med andra ord, när MNP provet samtidigt exponeras för ett drivande magnetiskt fält vid frekvensen f2 och en sonderings fält vid frekvensen f 1, partiklarna generera ett svarsfält vid frekvensen f 1 + 2 · f 2. Denna summa frekvens skulle inte vara existerande utan magnetiskt olinjära provet, därför specificiteten är extremt hög. Vi kallade denna metod "frekvensblandnings magnetisk detection" (FMMD). Det har experimentellt verifierat att tekniken ger ett dynamiskt omfång på mer än fyra storleksordningar i partikelkoncentration. 14
<p class = "jove_content"> I motsats till typiska MPI instrumentering, tar den plana frekvensblandnings magnetisk detektion (p-FMMD) tillvägagångssätt kräver inte att magnetisera provet nära mättnad eftersom genereringen av summan frekvenskomponenten f 1 + 2 · f 2 är maximum vid noll statiskt förspänningsfält. 14 Därför är behovet av starka och skrymmande magneter lindras. I själva verket, de yttre dimensionerna hos mäthuvudet är endast 77 mm x 68 mm x 29 mm. Som jämförelse, MPI inställningar är vanligtvis meter storlek. 7 Nackdelen är dock att tekniken är begränsad till plana prover med en maximal tjocklek på 2 mm i den aktuella installationen. Provet har som ska skannas relativt till den dubbelsidiga mäthuvud. En ombyggnad möjliggör tjockare prover är möjligt, men måste bytas in mot en förlust av rumslig upplösning.Baserat på denna FMMD teknik, presenterar vi en speciell typ av MPI DETECtor för plana prov, det så kallade "plana frekvensblandnings magnetisk detektering" (p-FMMD) scanner. Principen har nyligen publicerats. 17 I detta arbete fokuserar vi på metoder för tekniken och nuvarande protokollen hur man inrätta en sådan scanner och hur man utför genomsökningar. Det har visat sig att MPI kan användas för medicinska diagnostiska ändamål såsom hjärt- eller cancer avbildning. 16, 18, 19 Därför tror vi att den nya MPI scanner kan användas för ett brett spektrum av potentiella tillämpningar, t ex för att mäta magnetisk partikel fördelning i vävnadsskivor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vilken mätteknik som utnyttjar den olinjäritet magnetiseringskurvan av de superparamagnetiska partiklar. Den dubbelsidiga mäthuvud gäller samtidigt två magnetiska exciteringsfält av olika frekvens till provet, en låg frekvens (f2) komponent för att driva partiklar in magnetisk mättnad och en hög frekvens (f 1) sond fält för att mäta olinjära magnetiska svar . Enligt bägge övertoner av de infallande fält, m · f 1 och N · …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av IKT FoU program MSIP / IITP, Sydkorea (Grant No: B0132-15-1001, utvecklingen av nästa 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).
