Frequenza di miscelazione Scanner rilevamento magnetico per l'imaging particelle magnetiche in Planar Campioni
Summary
Uno scanner per l'imaging particelle magnetiche nei campioni planari è stato sviluppato utilizzando la frequenza planare miscelazione tecnica di rilevamento magnetico. La risposta del prodotto di intermodulazione magnetico dal magnetizzazione nonhysteretic non lineare delle particelle viene registrato su una eccitazione a due frequenze. Può essere usato per prendere immagini 2D di campioni biologici sottili.
Abstract
La messa a punto di una frequenza di miscelazione planare scanner magnetico Detection (p-FMMD) per l'esecuzione magnetica particelle Imaging (MPI) di campioni piatti è presentato. Si compone di due teste di misura magnetici su entrambi i lati del campione montato sulle gambe di un supporto a forma di u. Il campione è localmente esposto ad un campo magnetico di eccitazione costituito da due frequenze distinte, una componente forte a circa 77 kHz e un campo più debole a 61 Hz. Le caratteristiche di magnetizzazione non lineare di particelle superparamagnetiche danno luogo alla generazione di prodotti di intermodulazione. Un componente somma frequenza selezionata dell'incidente alta e bassa frequenza del campo magnetico sulle particelle magneticamente non lineari viene registrata da una elettronica di demodulazione. In contrasto con uno scanner MPI convenzionale, p-FMMD non richiede l'applicazione di un forte campo magnetico per l'intero campione in quanto la miscelazione delle due frequenze avviene localmente. Pertanto, le dimensioni laterali del campione sono sololimitata dalla portata di scansione ed i supporti. Tuttavia, l'altezza del campione determina la risoluzione spaziale. Nella configurazione attuale è limitata a 2 mm. A titolo di esempio, vi presentiamo due 20 mm × 25 mm immagini p-FMMD acquisiti da campioni con 1 micron le particelle di diametro maghemite nella matrice silanolo e con particelle di magnetite 50 nm a matrice aminosilane. I risultati mostrano che lo scanner MPI romanzo può essere applicata per l'analisi di campioni biologici sottili e per scopi diagnostici medici.
Introduction
Nanoparticelle magnetiche (MNP) hanno trovato applicazioni diffuse in biologia molecolare e della medicina, ad esempio, per la manipolazione di biomolecole e cellule singole 1, per l'etichettatura selettivamente le entità di destinazione per il rilevamento, 2, 3 per la modulazione della cromatina, 4 e per l'isolamento di mRNA e il trattamento del cancro . 5 Grazie alle loro proprietà superparamagnetiche, essi sono particolarmente utili per l'imaging medico. Possono servire, ad esempio, come agenti di contrasto o traccianti per risonanza magnetica (MRI) o per l'imaging suscettibilità usano rivelatori Superconducting Quantum dispositivo Interference (SQUID). 2, 6 Le nanoparticelle superparamagnetiche producono un buon contrasto per i diversi tessuti umani corpo che sono di dialogo o paramagnetica. 7 Così, le particelle possono convenientemente essere utilizzati per acquisire immagini mediche di parti del corpo umano con relativamente buona risoluzione spaziale e sensibilità. 8
tenda "> Il Imaging particelle magnetiche (MPI) tecnica introdotta da Gleich e Weizenecker 9 fa uso della non linearità della magnetizzazione della particella. A zero o debole polarizzazione del campo magnetico, la risposta di MNP ad una eccitazione alternata di frequenza f è forte dovuto loro grande sensibilità. In particolare, la magnetizzazione non lineare della particella dà luogo alla generazione di armoniche n · f, con n = 2, 3, 4 … At alta polarizzazione del campo magnetico, la risposta armonica diventa debole perché le particelle sono magneticamente saturi. In la tecnica MPI, il campione è completamente magnetizzato eccezione di una linea di campo libero (FFL) o un punto free-field (FFP). solo particelle situato vicino a questa linea o punto contribuirà alla risposta non lineare del campione. Con la movimento di un FFP e dell'occupazione di bobine ricevitore adeguato, Gleich e Weizenecker immagini acquisite MPI con una risoluzione spaziale di 1 mm.In modo daottenere informazioni sulla distribuzione spaziale di MNP, due metodi sono generalmente impiegati, il movimento meccanico del sensore rispetto al campione, o movimento del FFL / FFP mediante elettromagneti. 2, 3 In quest'ultimo caso, le tecniche di ricostruzione dell'immagine come armonica-space MPI 3 o X-spazio MPI 10, 11, 12 sono necessari. La risoluzione spaziale MPI è determinata dalle proprietà di convoluzione di bobine di eccitazione e rilevamento nonché dalle caratteristiche del gradiente di campo magnetico. Questo permette algoritmi di ricostruzione dell'immagine per ottenere una risoluzione migliorata rispetto alla risoluzione nativa, che è determinata dalla dimensione e distanza delle bobine di captazione e dalla distribuzione del campo magnetico governato dalle equazioni di Maxwell.
Uno scanner MPI è di solito composto da un forte magnete per magnetizzazione l'intero campione, un sistema di bobine controllabile per la guida di un FFL o FFP attraverso il campione, un excitatio ad alta frequenzan sistema di bobine, e un sistema di bobina di rivelazione per prelevare la risposta non lineare dal campione. Il FFL / FFP viene spostato in modo continuo attraverso il volume del campione mentre la risposta armonica da questa regione campione insaturo viene registrato. Per evitare il problema di montare il campione nello scanner, un solo lato scanner MPI è stata dimostrata da Gräfe et al. 13, ma a scapito delle prestazioni ridotte. I migliori risultati si ottengono se il campione è circondato dai magneti e bobine. Poiché il campione deve essere pienamente magnetizzato eccezione della zona FFL / FFP, la tecnica richiede magneti relativamente grandi e forti con raffreddamento ad acqua, portando ad un sistema MPI piuttosto ingombranti e pesanti.
Il nostro approccio si basa sulla frequenza di miscelazione a curva di magnetizzazione non lineare di particelle superparamagnetiche. 14 Quando super-paramagneti sono esposti a campi magnetici a due frequenze distinte (f 1 e f </ em> 2), le frequenze somma che rappresentano una combinazione lineare m · f 1 + n · f 2 (con numeri interi m, n) sono generati. È stato dimostrato che la comparsa di questi componenti è altamente specifico per la non linearità della curva di magnetizzazione delle particelle. 15 In altre parole, quando il campione MNP è simultaneamente esposto ad un campo magnetico di guida a frequenza f 2 ed un campo sondaggio alla frequenza f 1, le particelle generano un campo risposta alla frequenza f 1 + 2 · f 2. Questa frequenza somma non sarebbe inesistente in assenza del campione magneticamente non lineare, quindi la specificità è estremamente elevata. Abbiamo chiamato questo metodo "frequenza di miscelazione di rilevamento magnetico" (FMMD). È stato sperimentalmente verificato che la tecnica produce una gamma dinamica di oltre quattro ordini di grandezza in concentrazione di particelle. 14
<p class = "jove_content"> In contrasto tipica strumentazione MPI, la frequenza planare miscelazione approccio rilevamento magnetico (p-FMMD) non richiede per magnetizzare campione vicini alla saturazione perché la generazione della somma della frequenza componente f 1 + 2 · f 2 è massimo a campo di polarizzazione zero statico. 14 Pertanto, la necessità di forti magneti e ingombranti viene alleviata. In effetti, le dimensioni esterne della testa di misura sono solo il 77 mm x 68 mm x 29 mm. Per confronto, impostazioni MPI sono tipicamente meter dimensioni. 7 Lo svantaggio, tuttavia, è che la tecnica è limitata ai campioni planari con uno spessore massimo di 2 mm nella configurazione attuale. Il campione deve essere sottoposto a scansione relativamente alla testa di misura su due lati. Una ricostruzione che permette per i campioni più spessi è possibile, ma deve essere negoziate in una perdita di risoluzione spaziale.Sulla base di questa tecnica FMMD, presentiamo un tipo speciale di MPI DATECtor per campioni planari, la cosiddetta "frequenza planare miscelazione rilevazione magnetica" (p-FMMD) scanner. Il principio è stato recentemente pubblicato. 17 In questo lavoro, ci concentriamo sulla metodologia della tecnica e protocolli attuali come impostare ad esempio uno scanner e come eseguire scansioni. E 'stato dimostrato che MPI può essere applicato per scopi diagnostici medici come imaging cardiovascolare o il cancro. 16, 18, 19 Pertanto riteniamo che il nuovo scanner MPI può essere utilizzato per una vasta gamma di possibili applicazioni, ad esempio, per la misurazione di particelle magnetiche distribuzione in fette di tessuto.
Protocol
Representative Results
Discussion
La tecnica di misura utilizza la non linearità della curva di magnetizzazione delle particelle superparamagnetiche. La testa di misura a due facciate applica simultaneamente due campi di eccitazione magnetici di diversa frequenza al campione, una bassa frequenza (f 2) componente per guidare le particelle in saturazione magnetica e alta frequenza (f 1) campo sonda per misurare la risposta magnetica non lineare . In particolare, entrambe le armoniche dei campi incidenti, m…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dal programma D di MSIP / IITP, Repubblica di Corea (Grant No: B0132-15-1001, sviluppo di Next Imaging System) R & ICT.
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
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