تردد خلط الماسح الكشف المغناطيسي لتصوير الجزيئات المغناطيسية في عينات مستو
Summary
وقد تم وضع الماسح الضوئي لتصوير الجزيئات المغناطيسية في عينات مستو باستخدام تردد مستو خلط تقنية الكشف المغناطيسي. يتم تسجيل استجابة المنتج البيني المغناطيسية من مغنطة nonhysteretic غير الخطية من الجسيمات بناء على الإثارة التردد اثنين. ويمكن استخدامه لالتقاط صور 2D من العينات البيولوجية رقيقة.
Abstract
ويرد الإعداد من التردد مستو خلط المغناطيسي كشف (ف FMMD) الماسح الضوئي لأداء المغناطيسي الجسيمات تصوير (MPI) من عينات مسطحة. وهي تتألف من اثنين من رؤساء القياس المغناطيسي على كلا الجانبين من العينة التي شنت على الساقين من الدعم على شكل حرف U. تتعرض العينة محليا إلى حقل مغناطيسي الإثارة تتكون من اثنين من ترددات مختلفة، وعنصر أقوى بحوالي 77 كيلو هرتز وحقل الأضعف في 61 هرتز. الخصائص المغناطيسية غير الخطية من الجسيمات مغنطيسية مسايرة فائقة superparamagnetic تؤدي إلى توليد منتجات البيني. يتم تسجيل مكون مبلغ التردد مختارة من الحادث تردد المجال المغناطيسي العالية والمنخفضة على جسيمات غير الخطية مغناطيسيا من قبل الإستخلاص الالكترونيات. وعلى النقيض من ماسح ضوئي MPI التقليدية، لا ف FMMD لا تتطلب تطبيق حقل مغناطيسي قوي لمجمل العينة لخلط اثنين من ترددات يحدث محليا. وهكذا، فإن أبعاد الجانبية للعينة هي فقطمحدودة من قبل مجموعة المسح والدعم. ومع ذلك، يحدد ارتفاع عينة الاستبانة المكانية. في الإعداد الحالي يقتصر على 2 ملم. كأمثلة، نقدم اثنين 20 مم × 25 مم الصور ف FMMD تم الحصول عليها من العينات مع 1 ميكرومتر جزيئات قطرها maghemite في مصفوفة silanol ومع جزيئات أكسيد الحديد الأسود 50 نانومتر في مصفوفة aminosilane. وأظهرت النتائج أن MPI الماسح الضوئي رواية يمكن تطبيقها لتحليل العينات البيولوجية رقيقة ولأغراض التشخيص الطبي.
Introduction
وقد وجدت النانوية المغناطيسية (MNP) تطبيقات على نطاق واسع في علم الأحياء الجزيئي والطب، أي للتلاعب من الجزيئات الحيوية والخلايا واحدة 1، لوصفها بشكل انتقائي الكيانات المستهدفة للكشف، 2، 3 لتعديل الكروماتين، 4 ولعزل مرنا وعلاج السرطان 5 نظرا لخصائصها مغنطيسية مسايرة فائقة superparamagnetic، فهي مفيدة بشكل خاص للتصوير الطبي. ويمكن أن تستخدم، على سبيل المثال، وعوامل التباين أو استشفاف التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) أو التصوير قابلية استخدام فائق التوصيل الكم تدخل الجهاز (الحبار) للكشف عن 2 و 6 النانوية مغنطيسية مسايرة فائقة superparamagnetic العائد على النقيض من جيد إلى الأنسجة المختلفة للإنسان الهيئة التي هي عبر؛ بطريق أو متوازي المغنطيسية. 7 وهكذا، فإن الجسيمات يمكن بسهولة أن تستخدم للحصول على الصور الطبية من أجزاء جسم الإنسان مع القرار المكانية جيد نسبيا وحساسية. 8
خيمة "> والتصوير الجسيمات المغناطيسية (MPI) تقنية عرضته GLEICH وWeizenecker 9 يستفيد من استقامة من مغنطة الجسيم. وفي الصفر أو ضعف التحيز المجال المغناطيسي، واستجابة لحركة الأشخاص الطبيعيين إلى الإثارة المتردد التردد و قوية نظرا ل قابليتها الكبيرة على وجه الخصوص، مغنطة غير الخطية الجسيم يثير توليد التوافقيات ن · و، مع ن = 2، 3، 4 … في ارتفاع التحيز المجال المغناطيسي، واستجابة التوافقية تصبح ضعيفة لأن الجزيئات المشبعة مغناطيسيا. وفي تقنية MPI، وممغنط العينة تماما باستثناء خط خالية من الميدان (FFL) أو نقطة خالية من الميدان (برنامج المسافر المتميز). جسيمات فقط تقع بالقرب من هذا الخط أو نقطة ستساهم في استجابة غير خطية من العينة. ومع حركة لبرنامج المسافر المتميز والعمل لفائف استقبال مناسبة، GLEICH وWeizenecker الحصول على الصور MPI مع القرار المكانية من 1 ملم.لكيالحصول على معلومات عن التوزيع المكاني لحركة الأشخاص الطبيعيين، واستخدمت طريقتين عادة، والحركة الميكانيكية للاستشعار فيما يتعلق عينة، أو حركة FFL / برنامج المسافر المتميز عن طريق الكهربائي. 2، 3 وفي الحالة الأخيرة، وتقنيات الصورة اعادة الاعمار مثل التوافقي الفضاء MPI 3 أو X-الفضاء MPI 10، 11، 12 مطلوبة. يتم تحديد القرار المكانية من معهد ماكس بلانك من خصائص الإلتواء من الإثارة والكشف عن ملفات فضلا عن خصائص التدرج المجال المغناطيسي. وهذا يسمح خوارزميات صورة إعادة الإعمار للحصول على تحسين القرار على القرار الأصلي، والتي يتم تحديدها حسب الحجم والمسافة بين لفائف صغيرة فضلا عن توزيع المجال المغناطيسي تحكمها معادلات ماكسويل.
وعادة ما تتألف ماسحة MPI من مغناطيس قوي لمغنطة العينة كلها، وهو نظام لفائف السيطرة عليها لتوجيه وFFL أو برنامج المسافر المتميز عبر العينة، وexcitatio عالية الترددنظام لفائف ن، ونظام لفائف الكشف عن التقاط استجابة غير خطية من العينة. تم نقل FFL / برنامج المسافر المتميز بشكل مستمر من خلال حجم العينة في حين يتم تسجيل استجابة التوافقية من هذه المنطقة عينة غير المشبعة. من أجل تجنب مشكلة تركيب العينة إلى الماسح الضوئي، وقد ثبت ماسح ضوئي MPI من جانب واحد من قبل Gräfe وآخرون. 13، ولكن على حساب الأداء المنخفض. ويتم الحصول على أفضل النتائج إذا حاصرت عينة من المغناطيس وملفات. لأن عينة لابد من ممغنطة تماما باستثناء المنطقة FFL / برنامج المسافر المتميز، والأسلوب يتطلب المغناطيس كبيرة نسبيا وقوية مع مياه التبريد، مما يؤدي إلى نظام MPI ضخمة نوعا ما، والثقيلة.
ويستند نهجنا على تردد خلط في منحنى مغنطة غير الخطية من الجسيمات مغنطيسية مسايرة فائقة superparamagnetic 14 عندما يتعرضون-paramagnets فائقة للمجالات المغناطيسية في ترددين متميزة (و 1 و f </ م> 2)، الترددات المبلغ يمثل تركيبة خطية م · و 1 + ن · و 2 (مع أرقام صحيحة م، ن) يتم إنشاؤها. وقد تبين أن ظهور هذه المكونات هي محددة للغاية للاستقامة من منحنى مغنطة من الجسيمات. 15 وبعبارة أخرى، عندما يتعرض عينة حركة الأشخاص الطبيعيين في وقت واحد إلى حقل مغناطيسي القيادة في التردد و 2 وحقل التحقيق في التردد و 1، وجزيئات تولد حقلا ردا على التردد و 1 + 2 · و 2. ان هذا التردد المبلغ لن تكون موجودة بدون عينة غير الخطية مغناطيسيا، وبالتالي فإن خصوصية عالية للغاية. نحن استدعاء هذا الأسلوب "تردد خلط الكشف المغناطيسي" (FMMD). يتم التحقق من التجربة أن تقنية الغلة مجموعة ديناميكية من أكثر من أربعة أوامر من حجم في تركيز الجسيمات (14).
<ص الطبقة = "jove_content"> وعلى النقيض من الأجهزة MPI نموذجي، وتواتر مستو خلط نهج الكشف المغناطيسي (ف FMMD) لا يحتاج إلى جذب العينة قريبة من التشبع لأن جيل من مجموع تردد عنصر و 1 + 2 · و 2 هو الحد الأقصى عند مستوى الصفر الحقل التحيز ثابت. 14 لذلك، والتخفيف من الحاجة إلى مغناطيس قوي وضخمة. في الواقع، فإن الأبعاد الخارجية للرئيس القياس فقط 77 مم × 68 مم × 29 مم. وعلى سبيل المقارنة، الاجهزة MPI وعادة ما تكون متر الحجم 7 العيب، ومع ذلك، هو أن هذه التقنية يقتصر على عينات مستو مع سمك الحد الأقصى من 2 ملم في الإعداد الحالي. لابد من فحصها نسبيا في الرأس قياس ذات وجهين العينة. وإعادة البناء والسماح للعينات سمكا هو ممكن، ولكن لابد من التعامل بها لفقدان القرار المكانية.وبناء على هذه التقنية FMMD، نقدم نوع خاص من معهد ماكس بلانك DETECتور للعينات مستو، ما يسمى ب "تردد مستو خلط الكشف المغناطيسي" (ص-FMMD) الماسح الضوئي. مبدأ تم نشره مؤخرا. 17 في هذا العمل، ونحن نركز على منهجية تقنية والبروتوكولات الحالية كيفية إعداد مثل هذا الماسح الضوئي وكيفية القيام بمسح. وقد تبين أن MPI يمكن تطبيقها للأغراض الطبية التشخيصية مثل التصوير القلب والأوعية الدموية أو السرطان. 16، 18، 19 لذلك فإننا نعتقد أن الماسح الضوئي MPI جديدة يمكن استخدامها لمجموعة واسعة من التطبيقات المحتملة، على سبيل المثال، لقياس الجسيمات المغناطيسية توزيع في شرائح الأنسجة.
Protocol
Representative Results
Discussion
تقنية قياس تستخدم للاستقامة من منحنى مغنطة من الجسيمات مغنطيسية مسايرة فائقة superparamagnetic. رئيس القياس على الوجهين وينطبق نفس الوقت حقلين الإثارة المغناطيسية للتردد مختلف للعينة، التردد المنخفض (و 2) المكون لدفع الجسيمات إلى التشبع المغناطيسي وارتفاع وتيرة …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل R تكنولوجيا المعلومات والاتصالات وبرنامج D من MSIP / IITP، جمهورية كوريا (منحة رقم: B0132-15-1001، تطوير نظام التصوير التالي).
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 |
Referências
- 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).
