（：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/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/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 &#34;SiMAG Silanol&#34;</td>
			<td>Chemicell (http://www.chemicell.com)</td>
			<td>1101-5</td>
			<td>Aqueous dispersion of magnetic silica particles, Maghemite, dia. 1 &#181;m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic nanoparticles &#34;fluidMAG-Amine&#34;</td>
			<td>Chemicell (http://www.chemicell.com)</td>
			<td>4121-5</td>
			<td>Aqueous dispersion of magnetic nanoparticles, Magnetite, dia. 50 nm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microtube 10 &#181;l</td>
			<td>Hirschmann Laborger&#228;te (http://www.hirschmann-laborgeraete.de/?sc_lang=en)</td>
			<td></td>
			<td>volume 10 &#181;l, outer diameter 400 &#181;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 &#181;m, 8 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 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>250mA 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 &#215; 18 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

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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Measurement of Coherence Decay in GaMnAs Using Femtosecond Four-wave Mixing

The application of femtosecond four-wave mixing to the study of fundamental properties of diluted magnetic semiconductors ((s,p)-d hybridization, spin-flip scattering) is described, using experiments on GaMnAs as a prototype III-Mn-V system.&#160; Spectrally-resolved and time-resolved experimental configurations are described, including the use of zero-background autocorrelation techniques for pulse optimization.&#160; The etching process used to prepare GaMnAs samples for four-wave mixing experiments is also highlighted.&#160; The high temporal resolution of this technique, afforded by the use of short (20 fsec) optical pulses, permits the rapid spin-flip scattering process in this system to be studied directly in the time domain, providing new insight into the strong exchange coupling responsible for carrier-mediated ferromagnetism.&#160; We also show that spectral resolution of the four-wave mixing signal allows one to extract clear signatures of (s,p)-d hybridization in this system, unlike linear spectroscopy techniques.&#160;&#160; This increased sensitivity is due to the nonlinearity of the technique, which suppresses defect-related contributions to the optical response. This method may be used to measure the time scale for coherence decay (tied to the fastest scattering processes) in a wide variety of semiconductor systems of interest for next generation electronics and optoelectronics.

The technique of femtosecond four-wave mixing is described, including spectrally-resolved and time-resolved configurations. We illustrate the utility of this technique for the investigation of crucial physical properties in the III-V diluted magnetic semiconductors, afforded by its nonlinearity and high temporal resolution.

フェムト秒四光波混合を用いてのGaMnAsコヒーレンス崩壊の測定

The application of femtosecond four-wave mixing to the study of fundamental properties of diluted magnetic semiconductors ((s,p)-d hybridization, ...

工学

Phase Diagram Characterization Using Magnetic Beads as Liquid Carriers

Magnetic beads with ~1.9 &#181;m average diameter were used to transport microliter volumes of liquids between contiguous liquid segments with a tube for the purpose of investigating phase change of those liquid segments. The magnetic beads were externally controlled using a magnet, allowing for the beads to bridge the air valve between the adjacent liquid segments. A hydrophobic coating was applied to the inner surface of the tube to enhance the separation between two liquid segments. The applied magnetic field formed an aggregate cluster of magnetic beads, capturing a certain liquid amount within the cluster that is referred to as carry-over volume. A fluorescent dye was added to one liquid segment, followed by a series of liquid transfers, which then changed the fluorescence intensity in the neighboring liquid segment. Based on the numerical analysis of the measured fluorescence intensity change, the carry-over volume per mass of magnetic beads has been found to be ~2 to 3 &#181;l/mg. This small amount of liquid allowed for the use of comparatively small liquid segments of a couple hundred microliters, enhancing the feasibility of the device for a lab-in-tube approach. This technique of applying small compositional variation in a liquid volume was applied to analyzing the binary phase diagram between water and the surfactant C12E5 (pentaethylene glycol monododecyl ether), leading to quicker analysis with smaller sample volumes than conventional methods.

Here, we present a protocol to investigate multi-component phase diagrams using externally controlled magnetic beads as liquid carriers in a lab-in-tube approach. This approach can aid in applications that seek to gather further information on phase change in complex liquid systems.

相図の特徴付け液体担体として磁気ビーズを使用しました

Magnetic beads with ~1.9 &#181;m average diameter were used to transport microliter volumes of liquids between contiguous liquid segments with a tube for ...

Detection and Recovery of Palladium, Gold and Cobalt Metals from the Urban Mine Using Novel Sensors/Adsorbents Designated with Nanoscale Wagon-wheel-shaped Pores

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in industrialized countries. Here, the development of optical mesosensors/adsorbents (MSAs) for efficient recognition and selective recovery of Pd(II), Au(III), and Co(II) from urban mine was achieved. A simple, general method for preparing MSAs based on using high-order mesoporous monolithic scaffolds was described. Hierarchical cubic Ia3d wagon-wheel-shaped MSAs were fabricated by anchoring chelating agents (colorants) into three-dimensional pores and micrometric particle surfaces of the mesoporous monolithic scaffolds. Findings show, for the first time, evidence of controlled optical recognition of Pd(II), Au(III), and Co(II) ions and a highly selective system for recovery of Pd(II) ions (up to ~95%) in ores and industrial wastes. Furthermore, the controlled assessment processes described herein involve evaluation of intrinsic properties (e.g., visual signal change, long-term stability, adsorption efficiency, extraordinary sensitivity, selectivity, and reusability); thus, expensive, sophisticated instruments are not required. Results show evidence that MSAs will attract worldwide attention as a promising technological means of recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals.

Because of the importance and extensive use of palladium, gold and cobalt metals in high-technology equipment, their recovery and recycling constitute an important industrial challenge. The metal recovery system described herein is a simple, low-cost means for the effective detection, removal, and recovery of these metals from the urban mine.

検出とパラジウムの回収は、都市鉱山からの金やコバルト金属は、ナノスケールワゴンホイール形の細孔を有する指定小説センサ/吸着剤を使用しました

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in ...

Use of a Multi-compartment Dynamic Single Enzyme Phantom for Studies of Hyperpolarized Magnetic Resonance Agents

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due to fundamental constraints imposed by the hyperpolarized state, exotic imaging and reconstruction techniques are commonly used. A practical system for characterization of dynamic, multi-spectral imaging methods is critically needed. Such a system must reproducibly recapitulate the relevant chemical dynamics of normal and pathological tissues. The most widely utilized substrate to date is hyperpolarized [1-13C]-pyruvate for assessment of cancer metabolism. We describe an enzyme-based phantom system that mediates the conversion of pyruvate to lactate. The reaction is initiated by injection of the hyperpolarized agent into multiple chambers within the phantom, each of which contains varying concentrations of reagents that control the reaction rate. Multiple compartments are necessary to ensure that imaging sequences faithfully capture the spatial and metabolic heterogeneity of tissue. This system will aid the development and validation of advanced imaging strategies by providing chemical dynamics that are not available from conventional phantoms, as well as control and reproducibility that is not possible in vivo.

A multi-compartment dynamic phantom is used to simulate some biology of interest for metabolic studies using hyperpolarized magnet resonance agents.

過分極磁気共鳴剤の研究のための多区画動的単一酵素ファントムの使用

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due ...

Resonance Fluorescence of an InGaAs Quantum Dot in a Planar Cavity Using Orthogonal Excitation and Detection

The ability to perform simultaneous resonant excitation and fluorescence detection is important for quantum optical measurements of quantum dots (QDs). Resonant excitation without fluorescence detection &#8211; for example, a differential transmission measurement &#8211; can determine some properties of the emitting system, but does not allow applications or measurements based on the emitted photons. For example, the measurement of photon correlations, observation of the Mollow triplet, and realization of single photon sources all require collection of the fluorescence. Incoherent excitation with fluorescence detection &#8211; for example, above band-gap excitation &#8211; can be used to create single photon sources, but the disturbance of the environment due to the excitation reduces the indistinguishability of the photons. Single photon sources based on QDs will have to be resonantly excited to have high photon indistinguishability, and simultaneous collection of the photons will be necessary to make use of them. We demonstrate a method to resonantly excite a single QD embedded in a planar cavity by coupling the excitation beam into this cavity from the cleaved face of the sample while collecting the fluorescence along the sample&#39;s surface normal direction. By carefully matching the excitation beam to the waveguide mode of the cavity, the excitation light can couple into the cavity and interact with the QD. The scattered photons can couple to the Fabry-Perot mode of the cavity and escape in the surface normal direction. This method allows complete freedom in the detection polarization, but the excitation polarization is restricted by the propagation direction of the excitation beam. The fluorescence from the wetting layer provides a guide to align the collection path with respect to the excitation beam. The orthogonality of the excitation and detection modes enables resonant excitation of a single QD with negligible laser scattering background.

Resonant excitation of a single self-assembled quantum dot can be achieved using an excitation mode orthogonal to the fluorescence collection mode. We demonstrate a method using the waveguide and Fabry-Perot modes of a planar microcavity surrounding the quantum dots. The method allows complete freedom in the detection polarization.

直交の励起と検出を用いた平面キャビティ内 InGaAs 量子ドットの共鳴蛍光

The ability to perform simultaneous resonant excitation and fluorescence detection is important for quantum optical measurements of quantum dots (QDs). ...

Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere

A technique to measure the temperature of water and non-turbid aqueous media surrounding an induction-heated small magnetic sphere is presented. This technique utilizes wavelengths of 1150 and 1412 nm, at which the absorption coefficient of water is dependent on temperature. Water or a non-turbid aqueous gel containing a 2.0-mm- or 0.5-mm-diameter magnetic sphere is irradiated with 1150 nm or 1412 nm incident light, as selected using a narrow bandpass filter; additionally, two-dimensional absorbance images, which are the transverse projections of the absorption coefficient, are acquired via a near-infrared camera. When the three-dimensional distributions of temperature can be assumed to be spherically symmetric, they are estimated by applying inverse Abel transforms to the absorbance profiles. The temperatures were observed to consistently change according to time and the induction heating power.

A technique utilizing wavelengths of 1150 and 1412 nm to measure the temperature of water surrounding an induction-heated small magnetic sphere is presented.

誘導加熱の小さな磁気圏を取り巻く水の近赤外温度計測

A technique to measure the temperature of water and non-turbid aqueous media surrounding an induction-heated small magnetic sphere is presented. This ...

Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared on transparent membranes which are very fragile and difficult to manipulate. We present processes for the fabrication of samples with magnetic micro- and nanostructures with spin configurations forming magnetic vortices suitable for Lorentz transmission electron microscopy and magnetic transmission x-ray microscopy studies. The samples are prepared on silicon nitride membranes and the fabrication consists of a spin coating, UV and electron-beam lithography, the chemical development of the resist, and the evaporation of the magnetic material followed by a lift-off process forming the final magnetic structures. The samples for the Lorentz transmission electron microscopy consist of magnetic nanodiscs prepared in a single lithography step. The samples for the magnetic x-ray transmission microscopy are used for time-resolved magnetization dynamic experiments, and magnetic nanodiscs are placed on a waveguide which is used for the generation of repeatable magnetic field pulses by passing an electric current through the waveguide. The waveguide is created in an extra lithography step.

A protocol for the fabrication of magnetic micro- and nanostructures with spin configurations forming magnetic vortices suitable for transmission electron microscopy (TEM) and magnetic transmission x-ray microscopy (MTXM) studies is presented.

磁気渦の研究伝達顕微鏡検査の技術を使用してシリコン窒化膜の磁性ナノ構造の作製

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared ...

A Random-displacement Measurement by Combining a Magnetic Scale and Two Fiber Bragg Gratings

Long-distance displacement measurements using optical fibers have always been a challenge in both basic research and industrial production. We developed and characterized a temperature-independent fiber Bragg grating (FBG)-based random-displacement sensor that adopts a magnetic scale as a novel transferring mechanism. By detecting shifts of two FBG center wavelengths, a full-range measurement can be obtained with a magnetic scale. For identification of the clockwise and counterclockwise rotation direction of the motor (in fact, the direction of movement of the object to be tested), there is a sinusoidal relationship between the displacement and the center wavelength shift of the FBG; as the anticlockwise rotation alternates, the center wavelength shift of the second FBG detector shows a leading phase difference of around 90&#176; (+90&#176;). As the clockwise rotation alternates, the center wavelength shift of the second FBG displays a lagging phase difference of around 90&#176; (-90&#176;). At the same time, the two FBG-based sensors are temperature independent. If there is some need for a remote monitor without any electromagnetic interference, this striking approach makes them a useful tool for determining the random displacement. This methodology is appropriate for industrial production. As the structure of the whole system is relatively simple, this displacement sensor can be used in commercial production. In addition to it being a displacement sensor, it can be used to measure other parameters, such as velocity and acceleration.

A protocol to create a full-range linear displacement sensor, combining two packaged fiber Bragg grating detectors with a magnetic scale, is presented.

磁気スケールと2つのファイバーブラッググレーティングを組み合わせたランダム変位測定

Long-distance displacement measurements using optical fibers have always been a challenge in both basic research and industrial production. We developed ...

Enrich and Expand Rare Antigen-specific T Cells with Magnetic Nanoparticles

We have developed a tool to both enrich and expand antigen-specific T cells. This can be helpful in cases such as to A) detect the existence of antigen-specific T cells, B) probe the dynamics of antigen-specific responses, C) understand how antigen-specific responses affect disease state such as autoimmunity, D) demystify heterogeneous responses for antigen-specific T cells, or E) utilize antigen-specific cells for therapy. The tool is based on a magnetic particle that we conjugate antigen-specific and T cell co-stimulatory signals, and that we term as artificial antigen presenting cells (aAPCs). Consequently, since the technology is simple to produce, it can easily be adopted by other laboratories; thus, our purpose here is to describe in detail the fabrication and subsequent use of the aAPCs. We explain how to attach antigen-specific and co-stimulatory signals to the aAPCs, how to utilize them to enrich for antigen-specific T cells, and how to expand antigen-specific T cells. Furthermore, we will highlight engineering design considerations based on experimental and biological information of our experience with characterizing antigen-specific T cells.

Antigen-specific T cells are difficult to characterize or utilize in therapies due to their extremely low frequency. Herein, we provide a protocol to develop a magnetic particle which can bind to antigen-specific T cells to enrich these cells and then to expand them several hundred-fold for both characterization and therapy.

豊かにし、磁性ナノ粒子でまれな抗原特異的 T 細胞を展開

We have developed a tool to both enrich and expand antigen-specific T cells. This can be helpful in cases such as to A) detect the existence of ...

Infrared Degenerate Four-wave Mixing with Upconversion Detection for Quantitative Gas Sensing

We present a protocol for performing gas spectroscopy using infrared degenerated four-wave mixing (IR-DFWM), for the quantitative detection of gas species in the ppm-to-single-percent range. The main purpose of the method is the spatially resolved detection of low-concentration species, which have no transitions in the visible or near-IR spectral range that could be used for detection. IR-DFWM is a nonintrusive method, which is a great advantage in combustion research, as inserting a probe into a flame can change it drastically. The IR-DFWM is combined with upconversion detection. This detection scheme uses sum-frequency generation to move the IR-DFWM signal from the mid-IR to the near-IR region, to take advantage of the superior noise characteristics of silicon-based detectors. This process also rejects most of the thermal background radiation. The focus of the protocol presented here is on the proper alignment of the IR-DFWM optics and on how to align an intracavity upconversion detection system.

Here, we present a protocol to perform sensitive, spatially resolved gas spectroscopy in the mid-infrared region, using degenerate four-wave mixing combined with upconversion detection.

定量のガスを検知用アップコン バージョン検知赤外線縮退四光波混合

We present a protocol for performing gas spectroscopy using infrared degenerated four-wave mixing (IR-DFWM), for the quantitative detection of gas species ...