Name: frequency mixing magnetic detection scanner for imaging magnetic particles in planar samples
Uploaded: 2016-06-09T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 1 s
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（：次イメージングシステムのB0132-15-1001、開発グラントなし）この作品は、MSIP / IITP、韓国のICTのR＆Dプログラムによってサポートされていました。

1.デザイン平面FMMD測定ヘッド<ol><li>測定ヘッドのためのコイル方式を選択します。サンプルは2（+）コイル間の中央に座っていると、シーケンス（ - - 、+、+、）でサンプルの下に上記と2つの2ピックアップコイルからなる、 図1に係る構成を選択します。 （ - ）反時計回りの符号は時計回りとのために、すなわち 、巻線の方向、（+）です。従って、ピックアップコイルの感度は、試料の厚さにわたってほぼ均一になります。 <ol><li>ピックアップコイルで直接誘導された信号は、プリアンプの飽和を防止し、試料に最大感度を達成するために相殺するように、励磁コイルを配置します。これらの基本的な設計ルールを満たす他の構成を考案することができます。 </li></ol></li><li>最大試料の厚さを指定します。ここでは、2ミリメートルを使用します。 <ol><li>最大サンプルトンに似たピックアップコイルの直径と長さを選択します。hickness。ここでは、2mmの内径1.7 [mm]の巻線の高さは3.7 mmで平均直径をもたらすれ、選択されまし​​た。コイルの幅は4mmです。 </li><li>線径、すべてピックアップコイルの全インピーダンスは、約プリアンプの入力インピーダンスに一致するようにピックアップコイルの巻線数を選択します。この条件は、検出頻度に制限を課しています。 1100Ωの最適な入力インピーダンスのオペアンプの場合は、すべての4つのピックアップコイルは、0.08ミリメートルの直径の600の巻線を有しています。 95.3Ωの合計オーミック直列抵抗と919Ωのインピーダンスを与える1.9 mHの、の合計インダクタンスを得たエナメル銅線、。 </li></ol></li><li>高周波励磁コイルを準備する17サンプルの位置での磁場は、理想的には約0.5 MTに達するようにします。例えば、コイルの内側の半径は3.8ミリメートル、幅が8.5ミリメートル、風ワット直径0.1mmの476の巻線である場合<html>怒り。ここでは、0.4ミリテスラのフィールドがf 1 = 76550 Hzで達成されました。 </li><li>調製試料の位置での磁場は約5ミリテスラであることが、低周波励磁コイル17は、このような。コイルの内径が5mmであり、場合例えば、幅8.5ミリメートル、風0.12ミリメートルの直径のワイヤの2,000巻です。セットアップがf 2 = 61 Hzで5ミリテスラを得ました。 </li></ol><img alt="図1" src="/files/ftp_upload/53869/53869fig1.jpg" /> P-FMMDのセットアップの図1概略図。二つの測定ヘッドは、電子的に互いに接続されています。サンプルは、ヘッド間の空間に配置されます。検出コイル（+）、サンプル信号を測定逆巻き検出コイル（ - ）は、高周波励磁コイルから直接フィールドを相殺するための基準としての役割を果たす。アンプ - プリアンプ、X - ミキサー、LPF - ローパスフィルター、DAQ - データ収集。ターゲット= &quot;_空白&quot;&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 2.測定ヘッドを構築<ol><li>励起および検出コイルを2組の試料の上下に取り付けられているように、p型FMMDを構築します。コイルの各セットは、低周波駆動コイル、高周波励磁コイル、軸勾配計の構成における2つの反対に巻かれたピックアップコイルを備える差動検出コイルから成ります。 <ol><li>検出コイルに高周波励起の直接誘導を相殺することができるようにするために差動検出コイルの少なくとも1つの励起コイルの相対的な調節を可能にします。例えば、検出コイル対励磁コイルの相対的な移動を可能にするスレッド上の励磁コイルをマウントします。 P-FMMDの概略図を図1に示されている。 図2は、製図及びセットアップの写真を示しています。詳しいですコイルのパラメータを表1に記載されています。 </li></ol></li><li> 図1と図 2を参照して 、同軸向きで、剛性支持上のサンプルの上下にコイルセットをマウントします。 2つのコイルセットは、互いに対して振動しないことを確認します。 </li><li>など、各励磁コイルセットに高周波励磁電流を印加し、それらの間の相対的な位置を変化させると同時に、検出コイル組にこの周波数で検出された信号を測定装置を用いて測定ヘッドの高周波バランスを調整しますオシロスコープまたはロックインアンプ。 <ol><li>数ミリボルト程度の低い直接誘導電圧を調整し、直接誘導のすなわち 、1,000以上の倍の抑制。励磁電流と検出電圧との間の位相シフトを観察することによって調節の限界を決定します。比較として最低でも、誘起電圧は90°位相シフトであります直接誘導するD。 </li></ol></li></ol><img alt="図2" src="/files/ftp_upload/53869/53869fig2.jpg" /> 図2.技術的な描画とp FMMDヘッドの写真。垂直面に沿ってクロスセクション（左上）と水平面（左下）は、コイル巻線の前に開かれた測定ヘッドの写真と同様に示されています。 1 - アルミニウム支持体、2から3、検出コイル用のコイル巻 - サンプル支持板、5 - - アルミ蓋、6 - サンプルストッパーのサポート、7回転、4によって/上下に移動することができ励磁コイル用のコイル巻のねじ - Y方向のストッパー- x方向、8でストッパー。 6から8は、走査のために削除されます。 p型FMMDヘッドの大きさは29ミリメートル×77ミリメートル×68ミリメートルである。 <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53869/53869fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> 3.セットアップの測定エレクトロニクス<ol><li> EXCIを設定低周波駆動コイルと高周波励磁コイルの両方のために2つの発振器及び電力増幅器からなるテーションセクション。 <ol><li>発振器と低い周波数f 2のための電力増幅器を含む、低周波駆動部を設定します。それはドライバコイルに約5ミリテスラのフィールドを生成するのに必要な電流を供給するように、アンプのパワーを計算します。ここでは、プログラマブル発振器としてダイレクト・デジタル・シンセサイザ（DDS）チップを使用します。電力増幅器などの高速バッファを用います。 </li><li>発振器と高周波数f 1のためのパワーアンプを含む、高周波励磁区間を設定します。これは励磁コイルに約0.5ミリテスラのフィールドを生成するために必要な電流を供給するように電力増幅器を設定します。それぞれ、発振器及び電力増幅器としてDDSチップと、高速バッファを使用します。 </li></ol></li><li> preamplifieからなる、検出部を構成しますR、f 2の高周波数f 1、中間アンプやフィルタ、二回低周波2から復調する第2のミキサ・、および最終フィルタと出力ドライバから復調するための第1のミキサ。また、検出電子回路を実装するために2つのロックイン増幅器を使用しています。 <ol><li>プリアンプ段を設定します。検出コイルと利得帯域幅積のインピーダンスを考慮し、入力オペアンプ（OP）を選択します。文献で説明したように、アカウントに指定された電圧ノイズとOPの電流ノイズを取って、ノイズの最適化手順を実行します。 10.第一段階では約100の増幅と高速低ノイズのオペアンプを選択します。後段は重要ではないが、出力信号が原因でオーバーロードに歪んでいない、すなわち 、電圧範囲で残っていることを確認してください。ここでは、4.3倍の増幅と低雑音JFET入力オペアンプを使用します。 </li><li> Fを設定しますf 1の高周波を用いて増幅された信号を乗算IRST復調ステージ。アナログ乗算器のチップを使用し、復調のための調整可能な位相を実現するために、第2の別個のDDSチップからそれを参照。また、プリアンプ（3.2.1）では、第1の復調器（3.2.2）と高周波発生器（3.1.2）のように、ロックインアンプを使用しています。 </li><li>中間増幅およびフィルタリングステージを設定します。 2・f 2のパスにおける信号周波数が乱さF 1,1 F 2・におけるスプリアス高周波成分を効果的に抑制しつつ、このようなことを、ローパスフィルタを実装します。約100の合計増幅と2つの汎用オペアンプを選択することで、インスタンスに適した中間増幅を、選択してください。 </li><li> 2 F・回低周波2で濾過し、増幅された信号を乗算し、第2の復調段階を設定します。つかいますアナログ乗算器チップは、復調のための調整可能な位相を実現するために、第四の別個のDDSチップからそれを参照し。また、中間アンプ（3.2.3）、（3.2.4）第二高調波における第二の復調器、低周波発生器（3.1.1）などの第二高調波の復調が可能なロックインアンプを使用しています。 </li><li>最終増幅およびフィルタリングステージを設定します。 4におけるスプリアス高周波成分は、・F 2を効率的に抑制しつつ、走査周波数の信号周波数が乱さ通過するように、ローパスフィルタを実装します。所望の出力電圧範囲を考慮して、適切な最終的な増幅を選択します。約10の合計増幅と2つの汎用オペアンプを使用してください。 </li></ol></li></ol> 4. 2Dスキャナを設定します<ol><li>運動面がコイルの軸に対して垂直になるように2次元スキャナをマウントします。 </li><li> 2Dスキャナを制御し、同期acquiriプログラミング言語Pythonで書かれた自家製のスクリプトを使用して、平面状試料のFMMD信号の2次元画像を得るために、測定用電子機器からの出力電圧をngの。 </li></ol> 5.サンプルを準備<ol><li>濃度が25.0 mg / mlであるそのうちの1ミクロンの直径50 nmおよび100 nmおよびマグヘマイト粒子の粒径を有するマグネタイト粒子を使用してください。 、水の中に磁性粒子を溶解させる磁石を用いてそれらを分離し、水を捨てることによって溶液を洗浄します。手順を3回繰り返します。蒸留水で1/10の磁性粒子溶液を希釈します。 </li><li>生検パンチを使用して、吸収性の吸い取り紙の部分を打ち抜いて直径2.0mmと紙ペレットサンプルを準備します。 30秒間、異なる濃度の磁気ビーズ溶液でそれらを浸し、空気中でそれらを乾燥させてください。ここでは、100ナノメートルサイズの粒子の0.04、0.2、1、5、および25 mg / mlでの濃度を使用します。 </li><li> nitrocellulosを使用してサンプルを準備します18.0ミリメートル×サイズ2.0ミリメートルの電子膜。希釈していない直径1μmの粒子溶液で膜を浸します。 1均等に膜を浸漬することにより、サンプル、および濃度勾配を作ることにより、別のものを準備します。濃度勾配（ 図5）、その結果、異なる濃度のビーズ溶液中の膜の端部を浸漬することによりこれを行います。 </li><li> 10μlの容積の毛細管中の試料、外径400μmの、長さ40ミリメートルを準備します。希釈していない50 nmの直径の粒子溶液でキャピラリーチューブを埋めます。 20倍希釈液（水1.9ミリリットルとの原液100μlのミックス）を有する第2のマイクロチューブを準備します。 </li></ol> 6. 2D FMMDスキャンを実行します<ol><li>サンプルのB×平面寸法に応じてスキャン領域を選択します。スキャンソフトウェアに値を入力します。 </li><li>ステップ方向を選択します。通常、2つの平面の寸法の短い、私たちは、Bと呼ぶことにしましょう</EM&gt;、すなわち、以下のステップ、したがってあまり加速及び減速段階を必要とするので、方向をステッピングとして選択されます。 </li><li>低域通過フィルタリング信号の減少を考慮して、走査速度vを選択し 、説明を参照してください。 1と7ミリメートル/秒の間の値に速度を調整します。スキャンソフトウェアに値を入力します。 </li><li>選択ステッピング距離Δbの、それははるかに達成可能な空間分解能よりも小さく、かつ少なくともトン = A / Vとなり、総スキャン時間tである必要はないことを考慮に入れてA・B /ΔB 1）。ソフトウェアでステッピング距離を入力します。 </li><li> 2Dスキャナにサンプルをマウントします。粘着テープを使用したプラスチック板上に固定してください。 </li></ol><img alt="図3" src="/files/ftp_upload/53869/53869fig3.jpg" /> P-FMMD測定セットアップを図3の写真。サンプルは、モータによって移動さプラスチック担体上に接着テープで固定されていますステージ（左）。次いで、試料は、p-FMMDヘッド（右）に走査される。 <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53869/53869fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <ol start="6"><li>スタートボタンを押してスキャンを実行します。 25.0ミリ（y軸）領域、× 図5および図6カバー20.0ミリメートル（X軸）のスキャン、すなわち 、6長さ25mmのトレースは、ステージ速度で、X方向4.0ミリメートルのステップを、y軸に沿って走査しました。 1.0ミリメートル/秒の。これは、約2分の走査時間に相当します。 </li></ol><img alt="図4" src="/files/ftp_upload/53869/53869fig4.jpg" /> スキャンソフトウェアの図4.グラフィカルユーザインタフェース。スキャンパラメータは、ここで入力されます。測定は、赤いボタンを押すことによって開始されます。 7.画像処理<ol><li> homemadを使用して、マトリックス状に生データを変換しますpythonの電子スクリプト。 2列のカンマ区切り値（CSV）形式のファイル内の余分な値と一緒に全体スキャンの生データをログに記録します。余分な列は、踏み込み動作時に対応するデータを取り込む示しています。スクリプトセグメント余分な列の値の各変更での生データ列と運動ステッピング時のデータセグメントを削除します。また、行列の行または列に残りの連続した​​セグメントを置くことによって、得られたマトリックスを構築し、CSV形式ファイルに行列を書き込みます。 注：この試験のp FMMD画像は、Pythonスクリプトを使用して生成されます。 pyplot.contour機能とPython用matplotlibのライブラリからpyplot.imshow関数が累積それぞれ、輪郭と背景色の調製のために使用されます。 </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

測定技術は、超常磁性粒子の磁化曲線の非線形性を利用します。両面の測定ヘッドが同時に磁気飽和に粒子と高周波数（F 1）プローブフィールドは、非線形の磁気応答を測定するために駆動する部品（2 f）のサンプル、低周波数の異なる周波数の二つの磁気励起場を印加します。具体的には、入射フィールドの両方の高調波、2、および和周波数F <...

<html>磁性ナノ粒子（MNP）が選択的にクロマチン変調、4のためおよびmRNA単離および癌治療のための検出、2、3のターゲット・エンティティを標識するため、生体分子の操作および単セル1のために、 すなわち 、分子生物学および医学で広く応用されています5それらの超常磁性特性のために、彼らは、医療用イメージングに特に有用です。これらは、超伝導量子干渉素子（SQUID）検出器を用いた磁気共鳴イメージング（MRI）または感受性イメージング用のコントラスト剤またはトレーサーとして、例えば、機能することができる。2、6超常磁性ナノ粒子は、ヒトの様々な組織への良好なコントラストを得ますダイアまたは常磁性である本体7したがって、粒子は好都合に比較的良好な空間分解能と感度の人体部分の医用画像を取得するために使用することができる。8 GleichとWeizenecker 9によって導入10トン&quot;&gt;磁性粒子イメージング（MPI）技術が、粒子の磁化の非線形性を利用する。ゼロまたは弱い磁場バイアスで、周波数fのAC励起にMNPの応答は強いによるその大きな感受性、特に、粒子の非線形磁化が高磁場バイアスにおいて...、高調波N・Fの生成を生じると、N = 2、3、4粒子を磁気的に飽和されているので、高調波応答は弱くなる。にMPI技術、サンプルは完全に無電界ライン（FFL）または無磁界ポイント（FFP）を除いて磁化されている。この線や点の近くに位置のみ粒子が試料の非線形応答に貢献していきます。と適切な受信コイルのFFPと雇用の動きは、GleichとWeizeneckerは1ミリメートルの空間分解能とMPIの画像を取得しました。 のためにMNPの空間分布に関する情報を得る2つの方法は、通常、電磁石を用いて試料に対して、またはFFL / FFPの移動に伴って、センサの機械的な動きを採用している。2、後者の場合には図3に示すように 、画像再構成手法高調波空間MPI 3またはX-スペースMPI 10、11のように、12が必要とされています。 MPIの空間分解能は、励起及び検出コイルの畳み込み特性によってだけでなく、傾斜磁場の特性によって決定されます。これは、画像再構成アルゴリズムは、ピックアップコイルの大きさや間隔によって、ならびにマクスウェル方程式によって支配される磁場分布によって決定されるネイティブ解像度よりも改善された分解能を得ることができます。 MPIスキャナは、通常、試料全体を磁化するための強力な磁石、サンプル全体でFFLまたはFFPを操舵するための制御可能なコイルシステム、高周波excitatioから構成されていますn個のコイルシステム、及び試料からの非線形応答をピックアップするための検出コイルシステム。この飽和サンプル領域からの高調波応答を記録しながら、FFL / FFPは、連続的に試料容量を通って移動されます。スキャナに試料をフィッティングの問題を回避するために、片面MPIスキャナグレーフェらによって実証されている。13、しかしながら、性能低下を犠牲にして。サンプルは磁石とコイルによって囲まれている場合、最良の結果が得られます。サンプルが完全にFFL / FFPの地域を除いて着磁する必要があるため、技術はかなり大きくて重いMPIシステムにつながる、水冷と比較的大きく、強力な磁石を必要とします。 我々のアプローチは、超常磁性粒子の非線形磁化曲線で混合周波数に基づいている。14超paramagnetsは二つの異なる周波数（F 1及びF &lt;における磁場に露出されている場合/ EM&gt; 2）、fは線形結合M・を表す和周波数1 + N・2（整数mを用いて、n）が生成されるfを 。これは、これらのコンポーネントの外観が粒子の磁化曲線の非線形性に対して非常に特異的であることが示された。換言すれば15、MNPの試料を同時に周波数f 2との周波数でプロービングフィールドでの駆動磁界にさらされたときF 1は 、粒子は、周波数fで応答フィールドを生成する1 + 2・F 2。この和周波は、したがって、特異性が非常に高い、磁気的非線形サンプルせずに存在しないであろう。私たちは、「磁気検出周波数混合」（FMMD）このメソッドを呼び出しました。実験的手法は、粒子濃度の大きさ以上の4桁のダイナミックレンジが得られることが確認された。14 &lt;典型的なMPIの計測器とは対照的に、Pクラス= &quot;jove_content&quot;&gt;、磁気検出（P-FMMD）アプローチを混合平面周波数は1 + f 2の和周波成分の発生ため、飽和に近いサンプルを磁化する必要はありません・F 図2は、ゼロ静的バイアス磁界で最大であるため、強力かつかさばる磁石の必要性が軽減されている14。実際には、測定ヘッドの外形寸法は68ミリメートル×29ミリメートル×77ミリメートルのみです。比較のために、MPIのセットアップは通常、メートルサイズです。7欠点は、しかし、技術は現在の設定で2ミリメートルの最大厚さを有する平面サンプルに制限されていることです。サンプルは、両面測定ヘッドに対して相対的に走査する必要があります。厚いサンプルを可能に再構成が可能であるが、空間分解能の損失をで取引されなければなりません。 このFMMD技術に基づいて、我々はMPI detecの特殊なタイプを提示します平面サンプル、いわゆる「磁気検出を混合平面周波数」（P-FMMD）スキャナ用の器。原理は、最近出版されました。この作品では17を 、我々はそのようなスキャナをセットアップする方法と、スキャンを実行する方法を技術と現在のプロトコルの方法論に焦点を当てています。したがって、我々は新しいMPIスキャナは、磁性粒子を測定するために、 例えば 、潜在的なアプリケーションの広い範囲で使用することができると考えている19、18、16 MPIは、心血管または癌イメージングなどの医療診断目的のために適用され得ることが示されています組織切片での配布。

<table><tbody><tr><td>Magnetic particles &quot;SiMAG Silanol&quot;</td><td>Chemicell (http://www.chemicell.com)</td><td>1101-5</td><td>Aqueous dispersion of magnetic silica particles, Maghemite, dia. 1&amp;nbsp;&amp;micro;m</td></tr><tr><td>Magnetic nanoparticles &quot;fluidMAG-Amine&quot;</td><td>Chemicell (http://www.chemicell.com)</td><td>4121-5</td><td>Aqueous dispersion of magnetic nanoparticles, Magnetite, dia. 50&amp;nbsp;nm</td></tr><tr><td>Microtube 10 &amp;micro;l</td><td>Hirschmann Laborger&amp;auml;te (http://www.hirschmann-laborgeraete.de/?sc_lang=en)</td><td></td><td>volume 10 &amp;micro;l, outer diameter 400&amp;nbsp;&amp;micro;m, length 40 mm</td></tr><tr><td>Nitrocellulose Membrane Biodyne B</td><td>Thermo Scientific (http://www.thermoscientific.com)</td><td>77016</td><td>Biodyne B Nylon Membrane, 0.45&amp;nbsp;&amp;micro;m, 8&amp;nbsp;cm x 12 cm</td></tr><tr><td>DDS chip AD9834</td><td>Analog Devices (http://www.analog.com)</td><td>AD9834</td><td>20 mW Power, 2.3 V to 5.5 V, 75&amp;nbsp;MHz Complete DDS</td></tr><tr><td>Operational Amplifier AD829</td><td>Analog Devices (http://www.analog.com)</td><td>AD829</td><td>High Speed, Low Noise Video Op Amp</td></tr><tr><td>Analog Multiplier MPY634</td><td>Texas Instruments (http://www.ti.com)</td><td>MPY634</td><td>Wide Bandwidth Precision Analog Multiplier</td></tr><tr><td>High-Speed Buffer BUF634</td><td>Texas Instruments (http://www.ti.com)</td><td>BUF634</td><td>250&amp;nbsp;mA High-Speed Buffer</td></tr><tr><td>Operational Amplifier OPA627</td><td>Texas Instruments (http://www.ti.com)</td><td>OPA627</td><td>Precision High-Speed Difet(R) Operational Amplifiers</td></tr><tr><td>Operational Amplifier TL072</td><td>Texas Instruments (http://www.ti.com)</td><td>TL072</td><td>Dual Low-Noise JFET-Input General-Purpose Operational Amplifier</td></tr><tr><td>Lock-In Amplifier SR830</td><td>Stanford Instruments (http://www.thinksrs.com)</td><td>SR830</td><td>100 kHz DSP lock-in amplifier</td></tr><tr><td>XYZ motorized stage</td><td>Sciencetown, Incheon, Korea (http://mkmsll.en.ec21.com/)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cleanroom wiper</td><td>Seoul Semitech Co (http://www.seoulsemi.com)</td><td>CF-909</td><td>dimension 2.0 mm &amp;times; 18&amp;nbsp;mm</td></tr></tbody></table>

frequency mixing magnetic detection scanner for imaging magnetic particles in planar samples

磁気検出ミキシング平面周波数の設定フラットサンプルの磁性粒子イメージング（MPI）を行う（P-FMMD）スキャナが提供されます。これは、U字形支持体の脚に取り付けられた試料の両側に二つの磁気測定ヘッドから成ります。サンプルは、局所的に61 Hzで約77 kHzで二つの異なる周波数、強い成分からなる励起磁場と弱い電界にさらされます。超常磁性粒子の非線形磁化特性は、相互変調積の生成を生じます。磁気非線形粒子の高および低周波磁界の入射の選択された和周波成分が復調電子機器によって記録されます。 2つの周波数の混合が局所的に発生するため、従来のMPIスキャナとは対照的に、P-FMMDは試料全体に強い磁場の印加を必要としません。このように、サンプルの横方向の寸法は、単にあります走査範囲とサポートによって制限されます。しかし、試料の高さは、空間分解能を決定します。現在の設定では、2ミリメートルに制限されています。例として、我々はシラノールマトリックス中とアミノシランマトリックス中の50 nmのマグネタイト粒子と直径1μmのマグヘマイト粒子を含む試料から取得した25ミリメートルのp FMMD画像×2 20ミリメートルを提示します。結果は、新規MPIスキャナが薄い生体サンプルの分析のために、医療診断目的のために適用することができることを示しています。

図5aは、試料面内の座標xとyの関数としての内部二重差動検出コイルの計算された感度分布を示しています。これは、すべての4つの検出コイルによって生成された中心面におけるすべての点（x、y）に磁場の重ね合わせを決定することによって、逆の手法で算出しました。逆に、これは、これらの点の各々における磁気モーメン...

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Frequency Mixing Magnetic Detection Scanner for Imaging Magnetic Particles in Planar Samples

平面試料中の磁性粒子を撮像するためのスキャナは、磁気検出技術を混合平坦な周波数を使用して開発されました。粒子の非線形nonhysteretic磁化からの磁気相互変調積応答は、2周波励磁に記録されています。薄い生体サンプルの2次元画像を撮影するために使用することができます。

平面サンプル中の磁性粒子を撮像する磁気検出スキャナ周波数混合

The setup of a planar Frequency Mixing Magnetic Detection (p-FMMD) scanner for performing Magnetic Particles Imaging (MPI) of flat samples is presented. ...

frequency-mixing-magnetic-detection-scanner-for-imaging-magnetic

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

9.5K ビュー.  Electronics & Telecommunication Research Institute (ETRI). 平面試料中の磁性粒子を撮像するためのスキャナは、磁気検出技術を混合平坦な周波数を使用して開発されました。粒子の非線形nonhysteretic磁化からの磁気相互変調積応答は、2周波励磁に記録されています。薄い生体サンプルの2次元画像を撮影するために使用することができます。 

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Registered Bioimaging of Nanomaterials for Diagnostic and Therapeutic Monitoring 

Nanomedications can be carried by blood borne monocyte-macrophages into the reticuloendothelial system (RES; spleen, liver, lymph nodes) and to end organs. The latter include the lung, RES, and brain and are operative during human immunodeficiency virus type one (HIV-1) infection. Macrophage entry into tissues is notable in areas of active HIV-1 replication and sites of inflammation. In order to assess the potential of macrophages as nanocarriers, superparamagnetic iron-oxide and/or drug laden particles coated with surfactants were parenterally injected into HIV-1 encephalitic mice. This was done to quantitatively assess particle and drug biodistribution. Magnetic resonance imaging (MRI) test results were validated by histological coregistration and enhanced image processing. End organ disease as typified by altered brain histology were assessed by MRI. The demonstration of robust migration of nanoformulations into areas of focal encephalitis provides '"proof of concept" for the use of advanced bioimaging techniques to monitor macrophage migration. Importantly, histopathological aberrations in brain correlate with bioimaging parameters making the general utility of MRI in studies of cell distribution in disease feasible. We posit that using such methods can provide a real time index of disease burden and therapeutic efficacy with translational potential to humans.

Registered Bioimaging of Nanomaterials for Diagnostic and Therapeutic Monitoring

Bioimaging methods used to assess cell biodistribution of nanoparticles are applicable for therapeutic and diagnostic monitoring of nanoformulated compounds. The methods described herein are sensitive and specific when assessed by histological coregistration. The methodologies provide a translational pathway from rodent to human applications.

診断と治療モニタリングのためのナノ材料の登録バイオイメージング

Nanomedications can be carried by blood borne monocyte-macrophages into the reticuloendothelial system (RES; spleen, liver, lymph nodes) and to end ...

生物工学

Remote Magnetic Actuation of Micrometric Probes for in situ 3D Mapping of Bacterial Biofilm Physical Properties

Bacterial adhesion and growth on interfaces lead to the formation of three-dimensional heterogeneous structures so-called biofilms. The cells dwelling in these structures are held together by physical interactions mediated by a network of extracellular polymeric substances. Bacterial biofilms impact many human activities and the understanding of their properties is crucial for a better control of their development &#8212; maintenance or eradication &#8212; depending on their adverse or beneficial outcome. This paper describes a novel methodology aiming to measure in situ the local physical properties of the biofilm that had been, until now, examined only from a macroscopic and homogeneous material perspective. The experiment described here&#160;involves introducing magnetic particles into a growing biofilm to seed local probes that can be remotely actuated without disturbing the structural properties of the biofilm. Dedicated magnetic tweezers were developed to exert a defined force on each particle embedded in the biofilm. The setup is mounted on the stage of a microscope to enable the&#160;recording of time-lapse images of the particle-pulling period. The particle trajectories are then extracted from the pulling sequence and the local viscoelastic parameters are derived from each particle displacement curve, thereby providing the 3D-spatial distribution of the parameters. Gaining insights into the biofilm mechanical profile is essential from an engineer&#39;s point of view for biofilm control purposes but also from a fundamental perspective to clarify the relationship between the architectural properties and the specific biology of these structures.

Remote Magnetic Actuation of Micrometric Probes for in situ 3D Mapping of Bacterial Biofilm Physical Properties

This paper shows an original methodology based on the remote actuation of magnetic particles seeded in a bacterial biofilm and the development of dedicated magnetic tweezers to measure in situ the local mechanical properties of the complex living material built by micro-organisms at interfaces.

のためのマイクロメトリックプローブの遠隔磁気作動<em&gt;その場での</em細菌バイオフィルム物性&gt; 3Dマッピング

Bacterial adhesion and growth on interfaces lead to the formation of three-dimensional heterogeneous structures so-called biofilms. The cells dwelling in ...

Magnetic Field Mapping using Off-Axis Electron Holography in the Transmission Electron Microscope

Off-axis electron holography is a powerful technique that involves the formation of an interference pattern in a transmission electron microscope (TEM) by overlapping two parts of an electron wave, one of which has passed through a region of interest on a specimen and the other is a reference wave. The resulting off-axis electron hologram can be analyzed digitally to recover the phase difference between the two parts of the electron wave, which can then be interpreted to provide quantitative information about local variations in electrostatic potential and magnetic induction within and around the specimen. Off-axis electron holograms can be recorded while a specimen is subjected to external stimuli such as elevated or reduced temperature, voltage, or light. The protocol that is presented here describes the practical steps that are required to record, analyze, and interpret off-axis electron holograms, with a primary focus on the measurement of magnetic fields within and around nanoscale materials and devices. Presented here are the steps involved in the recording, analysis, and processing of off-axis electron holograms, as well as the reconstruction and interpretation of phase images and visualization of the results. Also discussed are the need for optimization of the specimen geometry, the electron optical configuration of the microscope, and the electron hologram acquisition parameters, as well as the need for the use of information from multiple holograms to extract the desired magnetic contributions from the recorded signal. The steps are illustrated through a study of specimens of B20-type FeGe, which contain magnetic skyrmions and were prepared with focused ion beams (FIBs). Prospects for the future development of the technique are discussed.

Guidelines are presented for recording and interpreting off-axis electron holograms to provide quantitative images of magnetic fields in nanoscale materials and devices in the transmission electron microscope.

Off-axis electron holography is a powerful technique that involves the formation of an interference pattern in a transmission electron microscope (TEM) by ...

工学

High-Temperature and High-Pressure In situ Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy represents an important technique to understand the structure and bonding environments of molecules. There exists a drive to characterize materials under conditions relevant to the chemical process of interest. To address this, in situ high-temperature, high-pressure MAS NMR methods have been developed to enable the observation of chemical interactions over a range of pressures (vacuum to several hundred bar) and temperatures (well below 0 &#176;C to 250 &#176;C). Further, the chemical identity of the samples can be comprised of solids, liquids, and gases or mixtures of the three. The method incorporates all-zirconia NMR rotors (sample holder for MAS NMR) which can be sealed using a threaded cap to compress an O-ring. This rotor exhibits great chemical resistance, temperature compatibility, low NMR background, and can withstand high pressures. These combined factors enable it to be utilized in a wide range of system combinations, which in turn permit its use in diverse fields as carbon sequestration, catalysis, material science, geochemistry, and biology. The flexibility of this technique makes it an attractive option for scientists from numerous disciplines.

The molecular structures and dynamics of solids, liquids, gases, and mixtures are of critical interest to diverse scientific fields. High-temperature, high-pressure in situ MAS NMR enables detection of the chemical environment of constituents in mixed phase systems under tightly controlled chemical environments.

高温高圧 in situ マジックアングル回転核磁気共鳴分光法

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy represents an important technique to understand the structure and bonding environments of molecules. There ...

化学

Magnetic Levitation Coupled with Portable Imaging and Analysis for Disease Diagnostics

Currently, many clinical diagnostic procedures are complex, costly, inefficient, and inaccessible to a large population in the world. The requirements for specialized equipment and trained personnel require that many diagnostic tests be performed at remote, centralized clinical laboratories. Magnetic levitation is a simple yet powerful technique and can be applied to levitate cells, which are suspended in a paramagnetic solution and placed in a magnetic field, at a position determined by equilibrium between a magnetic force and a buoyancy force. Here, we present a versatile platform technology designed for point-of-care diagnostics which uses magnetic levitation coupled to microscopic imaging and automated analysis to determine the density distribution of a patient's cells as a useful diagnostic indicator. We present two platforms operating on this principle: (i) a smartphone-compatible version of the technology, where the built-in smartphone camera is used to image cells in the magnetic field and a smartphone application processes the images and to measures the density distribution of the cells and (ii) a self-contained version where a camera board is used to capture images and an embedded processing unit with attached thin-film-transistor (TFT) screen measures and displays the results. Demonstrated applications include: (i) measuring the altered distribution of a cell population with a disease phenotype compared to a healthy phenotype, which is applied to sickle cell disease diagnosis, and (ii) separation of different cell types based on their characteristic densities, which is applied to separate white blood cells from red blood cells for white blood cell cytometry. These applications, as well as future extensions of the essential density-based measurements enabled by this portable, user-friendly platform technology, will significantly enhance disease diagnostic capabilities at the point of care.

We present a magnetic levitation technique coupled with automated imaging and analysis in both a smartphone-compatible device and a device with embedded imaging and processing. This is applied to measure the density distribution of cells with two demonstrated biomedical applications: sickle cell disease diagnosis and separating white and red blood cells.

病の診断のためのポータブルイメージングおよび分析と相まって磁気浮上

Currently, many clinical diagnostic procedures are complex, costly, inefficient, and inaccessible to a large population in the world. The requirements for ...

Rapid Homogeneous Detection of Biological Assays Using Magnetic Modulation Biosensing System

A magnetic modulation biosensing system (MMB) [1,2] rapidly and homogeneously detected biological targets at low concentrations without any washing or separation step. When the IL-8 target was present, a 'sandwich'-based assay attached magnetic beads with IL-8 capture antibody to streptavidin coupled fluorescent protein via the IL-8 target and a biotinylated IL-8 antibody. The magnetic beads are maneuvered into oscillatory motion by applying an alternating magnetic field gradient through two electromagnetic poles. The fluorescent proteins, which are attached to the magnetic beads are condensed into the detection area and their movement in and out of an orthogonal laser beam produces a periodic fluorescent signal that is demodulated using synchronous detection. The magnetic modulation biosensing system was previously used to detect the coding sequences of the non-structural Ibaraki virus protein 3 (NS3) complementary DNA (cDNA) [2]. The techniques that are demonstrated in this work for external manipulation and condensation of particles may be used for other applications, e.g. delivery of magnetically-coupled drugs in-vivo or enhancing the contrast for in-vivo imaging applications.

Magnetic modulation biosensing system is utilized to rapidly, sensitively and simply detect biological assays, such as DNA molecules and proteins.

磁気変調バイオセンシングシステムを用いた生物学的アッセイの迅速な均質な検出

A magnetic modulation biosensing system (MMB) [1,2] rapidly and homogeneously detected biological targets at low concentrations without any washing or ...

生物学

Optimizing Magnetic Force Microscopy Resolution and Sensitivity to Visualize Nanoscale Magnetic Domains

Magnetic force microscopy (MFM) enables mapping local magnetic fields across a sample surface with nanoscale resolution. To perform MFM, an atomic force microscopy (AFM) probe whose tip has been magnetized vertically (i.e., perpendicular to the probe cantilever) is oscillated at a fixed height above the sample surface. The resultant shifts in the oscillation phase or frequency, which are proportional to the magnitude and sign of the vertical magnetic force gradient at each pixel location, are then tracked and mapped. Although the spatial resolution and sensitivity of the technique increases with decreasing lift height above the surface, this seemingly straightforward path to improved MFM images is complicated by considerations such as minimizing topographical artifacts due to shorter range van der Waals forces, increasing the oscillation amplitude to further improve sensitivity, and the presence of surface contaminants (in particular water due to humidity under ambient conditions). In addition, due to the orientation of the probe's magnetic dipole moment, MFM is intrinsically more sensitive to samples with an out-of-plane magnetization vector. Here, high-resolution topographical and magnetic phase images of single and bicomponent nanomagnet artificial spin-ice (ASI) arrays obtained in an inert (argon) atmosphere glovebox with &lt;0.1 ppm O2 and H2O are reported. Optimization of lift height and drive amplitude for high resolution and sensitivity while simultaneously avoiding the introduction of topographical artifacts is discussed, and detection of the stray magnetic fields emanating from either end of the nanoscale bar magnets (~250 nm long and &lt;100 nm wide) aligned in the plane of the ASI sample surface is shown. Likewise, using the example of a Ni-Mn-Ga magnetic shape memory alloy (MSMA), MFM is demonstrated in an inert atmosphere with magnetic phase sensitivity capable of resolving a series of adjacent magnetic domains each ~200 nm wide.

Magnetic force microscopy (MFM) employs a vertically magnetized atomic force microscopy probe to measure sample topography and local magnetic field strength with nanoscale resolution. Optimizing MFM spatial resolution and sensitivity requires balancing decreasing lift height against increasing drive (oscillation) amplitude, and benefits from operating in an inert atmosphere glovebox.

ナノスケールの磁区を可視化するための磁気力顕微鏡の分解能と感度の最適化

Magnetic force microscopy (MFM) enables mapping local magnetic fields across a sample surface with nanoscale resolution. To perform MFM, an atomic force ...

Quantifying Mixing using Magnetic Resonance Imaging

Mixing is a unit operation that combines two or more components into a homogeneous mixture. This work involves mixing two viscous liquid streams using an in-line static mixer. The mixer is a split-and-recombine design that employs shear and extensional flow to increase the interfacial contact between the components. A prototype split-and-recombine (SAR) mixer was constructed by aligning a series of thin laser-cut Poly (methyl methacrylate) (PMMA) plates held in place in a PVC pipe. Mixing in this device is illustrated in the photograph in Fig. 1. Red dye was added to a portion of the test fluid and used as the minor component being mixed into the major (undyed) component. At the inlet of the mixer, the injected layer of tracer fluid is split into two layers as it flows through the mixing section. On each subsequent mixing section, the number of horizontal layers is duplicated. Ultimately, the single stream of dye is uniformly dispersed throughout the cross section of the device.
 Using a non-Newtonian test fluid of 0.2% Carbopol and a doped tracer fluid of similar composition, mixing in the unit is visualized using magnetic resonance imaging (MRI). MRI is a very powerful experimental probe of molecular chemical and physical environment as well as sample structure on the length scales from microns to centimeters. This sensitivity has resulted in broad application of these techniques to characterize physical, chemical and/or biological properties of materials ranging from humans to foods to porous media 1, 2. The equipment and conditions used here are suitable for imaging liquids containing substantial amounts of NMR mobile 1H such as ordinary water and organic liquids including oils. Traditionally MRI has utilized super conducting magnets which are not suitable for industrial environments and not portable within a laboratory (Fig. 2). Recent advances in magnet technology have permitted the construction of large volume industrially compatible magnets suitable for imaging process flows. Here, MRI provides spatially resolved component concentrations at different axial locations during the mixing process. This work documents real-time mixing of highly viscous fluids via distributive mixing with an application to personal care products.

Magnetic resonance imaging (MRI) provides a powerful tool to evaluate the effectiveness of process equipment during operation. We discuss the use of MRI to visualize mixing in a static mixer. The application is relevant to personal care products, but can be applied to a broad range of food, chemical, biomass and biological fluids.

磁気共鳴イメージングを使用してミキシング定量化

Mixing is a unit operation that combines two or more components into a homogeneous mixture.  This work involves mixing two viscous liquid streams using an ...

Fabrication of Magnetic Platforms for Micron-Scale Organization of Interconnected Neurons

The ability to direct neurons into organized neural networks has great implications for regenerative medicine, tissue engineering, and bio-interfacing. Many studies have aimed at directing neurons using chemical and topographical cues. However, reports of organizational control on a micron-scale over large areas are scarce. Here, an effective method has been described for placing neurons in preset sites and guiding neuronal outgrowth with micron-scale resolution, using magnetic platforms embedded with micro-patterned, magnetic elements. It has been demonstrated that loading neurons with magnetic nanoparticles (MNPs) converts them into sensitive magnetic units that can be influenced by magnetic gradients. Following this approach, a unique magnetic platform has been fabricated on which PC12 cells, a common neuron-like model, were plated and loaded with superparamagnetic nanoparticles. Thin films of ferromagnetic (FM) multilayers with stable perpendicular magnetization were deposited to provide effective attraction forces toward the magnetic patterns. These MNP-loaded PC12 cells, plated and differentiated atop the magnetic platforms, were preferentially attached to the magnetic patterns, and the neurite outgrowth was well aligned with the pattern shape, forming oriented networks. Quantitative characterization methods of the magnetic properties, cellular MNP uptake, cell viability, and statistical analysis of the results are presented. This approach enables the control of neural network formation and improves neuron-to-electrode interface through the manipulation of magnetic forces, which can be an effective tool for in vitro studies of networks and may offer novel therapeutic biointerfacing directions.

This work presents a bottom-up approach to the engineering of local magnetic forces for control of neuronal organization. Neuron-like cells loaded with magnetic nanoparticles (MNPs) are plated atop and controlled by a micro-patterned platform with perpendicular magnetization. Also described are magnetic characterization, MNP cellular uptake, cell viability, and statistical analysis.

相互接続ニューロンのミクロン規模組織のための磁気プラットフォームの作製

The ability to direct neurons into organized neural networks has great implications for regenerative medicine, tissue engineering, and bio-interfacing. ...

A Magnetic Nanoparticle-Based Immunoassay Using a Microfluidic Device

Source: Hern&#225;ndez-Ortiz, J. A., et al. <a href="https://app-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/v/63899">Computer Numerical Control Micromilling of a Microfluidic Acrylic Device with a Staggered Restriction for Magnetic Nanoparticle-Based Immunoassays.</a> J. Vis. Exp. (2022).
This video demonstrates a microfluidic system for a magnetic nanoparticle-based immunoassay. The detection system utilizes a microfluidic device incorporating a magnetic trap within its channels. Pre-formed immunocomplexes, comprised of antigen-coated magnetic nanoparticles bound to primary and peroxidase-conjugated secondary antibodies, are introduced into the channels. The immunocomplexes become captured in the porous magnetic trap upon applying an external magnetic field. Using a fluorogenic substrate emitting fluorescence upon catalysis by the peroxidases, the captured immunocomplexes are detected under a microscope.

マイクロ流体デバイスを用いた磁性ナノ粒子を用いたイムノアッセイ

1. Device preparation

	Fill the channels with distilled water using a syringe. Make sure there are no leaks or resistance to flow. Immerse the device in ...