基于磁纳米粒子的波谱超顺磁位移研究

作     者：陈璞贇 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘文中

授予年度：2020年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：磁纳米粒子 超顺磁性 顺磁位移 蒙特卡罗仿真 磁共振波谱 

摘      要：磁纳米粒子(MNP)由于独特的纳米尺度超顺磁性质而在生物医学领域得到广泛的关注与应用。研究单个MNP对整体磁场的影响,对MNP测温精度的提高和温度、浓度成像分辨率的提升具有重要的意义。与传统的以宏观上磁化率为基础不同,本文以微观的单个磁偶极子磁场分布为基础进行研究,将MATLAB仿真实验与磁共振波谱实验相结合,研究分析了均匀磁场中MNP的磁场分布及其整体统计规律,为MNP的磁学性质探究提供了一种从微观到宏观的崭新思路。具体工作如下:(1)仿真研究了MNP形貌参数对局部磁场分布的影响,为其磁共振波谱研究奠定基础。基于超顺磁性和磁偶极子观点,从微观上对均匀磁场中单个粒子的球内外磁场分布进行了推导计算;以此为基础建立了单个MNP的磁场分布仿真模型,从而探索出MNP粒径、浓度、粒子间距等对磁场分布的影响。仿真发现,MNP将显著展宽局部磁场,分布场半高宽、附加磁场偏移与浓度一一对应。(2)实现了磁纳米粒子胶体溶液系统的热力学仿真。根据布朗运动相关原理,采用随机游走的方法进行蒙特卡罗模拟,构建出粒子布朗运动的仿真模型,并与粒子磁场分布的仿真模型结合,实现了均匀磁场中加入布朗运动的磁纳米粒子后磁场分布的MATLAB仿真模拟。对均匀磁场中磁纳米粒子一维、二维、三维分布时的磁场分布进行仿真,发现磁纳米粒子的加入会造成磁共振波谱偏离氢核的理论值,且粒子浓度与磁共振超顺磁位移、波谱半高宽线性正相关。(3)基于以上结论,设计并完成了磁纳米粒子浓度与磁场关系的验证实验。利用控制变量法设计实验,通过选用不同粒径的FeO 纳米粒子,以及水和牛血清蛋白溶液两种不同的溶剂,进行多组对照实验,发现对于加入磁纳米粒子的均匀磁场,其谱图会发生明显的偏移,粒子浓度与磁共振超顺磁位移和波谱半高宽基本成正相关,与仿真结果高度吻合。