Frekvens Blanding Magnetic Detection Scanner for Imaging magnetiske partikler i Planar Samples
Summary
En skanner for avbildning magnetiske partikler i planar prøvene ble utviklet ved hjelp av planar frekvens blande magnetiske gjenkjenning teknikk. Den magnetiske intermodulasjon produkt respons fra det ikke-lineære nonhysteretic magnetiseringen av partiklene blir registrert på en to-frekvens eksitasjon. Den kan brukes til å ta bilder av 2D tynne biologiske prøver.
Abstract
Oppsettet av en plan Frequency Blandings Magnetic Detection (p-FMMD) skanner for å utføre magnetiske partikler Imaging (MPI) på flate prøver blir presentert. Den består av to magnetiske målehoder på begge sider av prøven montert på benene av en U-formet støtte. Prøven er lokalt utsettes for et magnetisk felt eksitasjon som består av to distinkte frekvenser, en sterkere komponent på omtrent 77 kHz og et svakere felt ved 61 Hz. Ikke-lineære magnetiseringskurve egenskapene til superparamagnetiske partikler som gir opphav til generering av intermodulasjonsprodukter. En valgt sum-frekvenskomponent av frekvensen magnetfelt innfallende høy og lav på de magnetisk ikke-lineære partiklene blir registrert av en demodulerte elektronikk. I motsetning til en vanlig skanner MPI, betyr p-FMMD ikke krever anvendelse av et sterkt magnetisk felt for hele prøven på grunn blanding av de to frekvensene opptrer lokalt. Således, de laterale dimensjoner av prøven er barebegrenset av skanneområdet og støttene. Imidlertid bestemmer prøvehøyden romlig oppløsning. I dagens oppsett er det begrenset til 2 mm. Som eksempler, presenterer vi to 20 mm x 25 mm p-FMMD bilder ervervet fra prøver med 1 mikrometer diameter maghemite partikler i silanol matrise og med 50 nm magnetittpartikler i aminosilan matrise. Resultatene viser at de nye MPI skanneren kan anvendes for analyse av tynne biologiske prøver og for medisinske diagnoseformål.
Introduction
Magnetiske nanopartikler (MNP) har funnet utbredt applikasjoner i molekylærbiologi og i medisin, dvs. for manipulering av biomolekyler og enkeltceller en, for selektiv merking målet enheter for deteksjon, 2, 3 for kromatin modulasjon, 4 og for mRNA isolert og kreftbehandling . 5 på grunn av de superparamagnetiske egenskaper, de er spesielt nyttige for medisinsk avbildning. De kan tjene, for eksempel, som kontrastmidler eller tracere for Magnetic Resonance Imaging (MRI) eller for mottakelighet avbildning ved hjelp Superledende Quantum Interference Device (Squid) detektorer. 2, 6 Den superparamagnetiske nanopartikler gir en god kontrast til de forskjellige vev i menneske organ som er dia- eller paramagnetisk. 7 Dermed kan partiklene beleilig brukes for å skaffe medisinske bilder av menneskelige kroppsdeler med relativt god romlig oppløsning og følsomhet. 8
telt "> The Magnetic Particle Imaging (MPI) teknikk innføres ved Gleich og Weizenecker 9 gjør bruk av ulineariteten av partikkelens magnetiseringen. Ved null eller svake magnetfeltet, responsen av MNP til en ac eksitasjon av frekvensen f er sterk på grunn deres store følsomhet. spesielt partikkelens ikke-lineære magnetisering gir opphav til generering av harmoniske nm f, med n = 2, 3, 4 … Ved høye magnetfeltet, blir den harmoniske respons svak fordi partiklene er magnetisk mettet. i MPI teknikk, blir prøven helt magnetisert med unntak av en felt-fri linje (ffl) eller et felt-fritt punkt (FFP). Bare partikler ligger i nærheten av denne linje eller punkt vil bidra til den ikke-lineære respons av prøven. med bevegelse av en FFP og ansettelse av egnede mottakerspoler, Gleich og Weizenecker ervervet MPI bilder med en romlig oppløsning på 1 mm.For åinnhente informasjon om den romlige fordeling av MNP, to fremgangsmåter er vanligvis anvendes, den mekaniske bevegelse av sensoren i forhold til prøven, eller bevegelse av FFL / FFP ved hjelp av elektromagneter. 2, 3 I sistnevnte tilfelle, bilderekonstruksjonsteknikk som harmonisk plass MPI 3 eller X-space MPI 10, 11, er 12 nødvendig. Den romlige oppløsning av MPI bestemmes av konvolusjon egenskapene til eksitasjon og deteksjon spoler, så vel som av egenskapene til den magnetiske feltgradient. Dette gjør at bildet gjenoppbygging algoritmer for å oppnå en bedre oppløsning enn native oppløsning, som bestemmes av størrelse og avstand til pickup spoler samt av den magnetiske feltfordeling styres av Maxwells ligninger.
En MPI skanner består vanligvis av en sterk magnet for å magnetisere hele prøven, en styrbar spolesystem for å styre en FFL eller FFP på tvers av prøven, en høy frekvens excitation spolesystemet, og en detektorspole system for å plukke opp den ikke-lineære responsen fra prøven. FFL / FFP beveges kontinuerlig gjennom prøvevolumet mens den harmoniske svar fra umettet eksempelområdet er registrert. For å unngå problemet med montering av prøven inn i skanneren, har en ensidig MPI scanner blitt demonstrert av Grafe et al. 13, men på bekostning av redusert ytelse. De beste resultater oppnås dersom prøven er omgitt av magneter og spoler. Fordi prøven må være fullt magnetisert med unntak av FFL / FFP region, krever teknikken forholdsvis store og sterke magneter med vannkjøling, som fører til en heller voluminøs og tung MPI system.
Vår fremgangsmåte er basert på frekvens blanding ved den ikke-lineære magnetiseringskurve av superparamagnetiske partikler. 14 Når super paramagnets er utsatt for magnetiske felt ved to forskjellige frekvenser (f 1 og f </ em> 2), sum frekvenser som representerer en lineær kombinasjon m · f 1 + n · f 2 (med heltall m, n) er generert. Det ble vist at forekomsten av disse komponentene er sterkt avhengige av ulineariteten av magnetiseringskurven av partiklene. 15 Med andre ord, når den MNP prøven blir samtidig utsatt for en driv magnetisk felt ved frekvens f 2 og sentret felt ved frekvensen f 1, partiklene generere en respons felt ved frekvens f 1 + 2 · f 2. Denne summen frekvens ville ikke være eksisterer uten den magnetisk ikke-lineære prøven, og derfor spesifisiteten er ekstremt høy. Vi kalte denne metoden "frekvens blande magnetiske gjenkjenning" (FMMD). Det er blitt eksperimentelt bekreftet at teknikken gir et dynamisk område på mer enn fire størrelsesordener i partikkelkonsentrasjonen. 14
<p class = "jove_content"> I motsetning til typiske MPI instrumentering, gjør den plane frekvensblande magnetiske deteksjons (p-FMMD) tilnærming ikke trenger å magnetisere prøven i nærheten av metning fordi genereringen av summen frekvenskomponenten f 1 + 2 · f 2 er maksimum ved null forspenning statisk felt. 14 Derfor er det behov for sterke og store magneter lindres. Faktisk er de ytre dimensjoner av målehodet er bare 77 mm x 68 mm x 29 mm. Til sammenligning MPI oppsett er typisk meter størrelse. 7 Ulempen er imidlertid at teknikken er begrenset til plane prøver med en maksimal tykkelse på 2 mm i det aktuelle oppsettet. Prøven må være skannes relativt til det tosidige målehode. En re-konstruksjon som åpner for tykkere prøver er mulig, men må omsettes i et tap av romlig oppløsning.Basert på denne FMMD teknikk presenterer vi en spesiell type MPI Detector for planar prøver, den såkalte "planar frekvens blande magnetiske gjenkjenning" (p-FMMD) skanner. Prinsippet har nylig blitt publisert. 17 I dette arbeidet har vi fokus på metodikken i teknikk og presentere protokoller hvordan du setter opp en slik skanner og hvordan du utfører skanninger. Det har vist seg at MPI kan brukes til medisinske diagnostiske formål som hjerte eller kreft imaging. 16, 18, 19 Derfor tror vi at den nye MPI skanneren kan brukes til et bredt spekter av potensielle bruksområder, for eksempel, for å måle magnetiske partikler distribusjon i vev skiver.
Protocol
Representative Results
Discussion
Måleteknikken utnytter ulineariteten av magnetiseringskurven av de superparamagnetiske partikler. De to-sidig målehode gjelder samtidig to magnetiske eksitasjon felt av forskjellig frekvens til prøven, en lav frekvens (f 2) komponent for å drive partiklene i magnetisk metning og en høy frekvens (f 1) probe feltet for å måle ikke-lineær magnetisk respons . Spesielt begge harmoniske av hendelsen felt, m · f 1 og n · f 2,<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av IKT-FoU-programmet for MSIP / IITP, Republikken Korea (Grant No: B0132-15-1001, Utvikling av Neste 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).
