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基于非线性动态模型的磁纳米粒子测温方法及系统

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基于非线性动态模型的磁纳米粒子测温方法及系统

作者：张芝慧华中科技大学

学位级别：硕士

精确实时的非侵入式温度测量方法研究对于生物医学等领域至关重要。磁纳米测温方法基于粒子的磁-温转换特性,被认为是实现这一目标的有效手段。针对测温方法在磁热疗和生物体内的迫切应用需求,目前磁纳米测温方法仍面临着高频高场磁场... 详细信息

精确实时的非侵入式温度测量方法研究对于生物医学等领域至关重要。磁纳米测温方法基于粒子的磁-温转换特性,被认为是实现这一目标的有效手段。针对测温方法在磁热疗和生物体内的迫切应用需求,目前磁纳米测温方法仍面临着高频高场磁场、抗磁性物质及生理内环境的影响与干扰。本文提出了一种基于磁纳米粒子非线性动态磁化响应的温度测量方法及系统,探索研究了载牛血清白蛋白磁流体环境下的磁纳米温度测量模型,完成了试管环境与模拟生理环境下的精确非侵入式温度测量,具体研究了粒子布朗弛豫时间的温度敏感特性,从而实现了温度测量。首先,为使得测温方法适用于磁热疗高频高场环境,并避免生物体内抗磁物性质的干扰,本文建立了基于磁纳米粒子的非线性动态测温模型。依据粒子的非线性动态响应特性,推导出三次磁化率相位同布朗弛豫时间之间的关系式,并结合具有场强补偿项的布朗弛豫时间表达式,构建了交变磁场激励下的磁纳米测温模型。随后,仿真分析了交变激励磁场强度和粒子水动力学直径对模型测温精度的影响,得到系统信噪比需达到80 d B以获取0.1 K的测温精度。其次,为证明所提出的测温方法的可行性,并使其适用于生物医学环境中粒子的温度测量,本文设计并搭建了磁纳米粒子温度测量系统,提出了载牛血清白蛋白磁流体环境下的修正测温模型,实现了模拟生理环境下动态温度的精确测量。试管环境下的实验结果表明:激励磁场强度的增加有利于降低模型测温误差。交变激励磁场为120 Oe时,多种磁纳米粒子样品在308～319 K的温度变化范围内的测温标准差均小于0.08 K。同时,在载牛血清白蛋白磁流体环境下,利用修正测温模型得到的多种磁纳米粒子样品的测温标准差均小于0.2 K。

关键词：温度测量磁纳米粒子弱信号检测磁测量非线性动态测温模型

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基于磁纳米粒子的铁磁共振测温方法研究

基于磁纳米粒子的铁磁共振测温方法研究

作者：王亚斌郑州轻工业大学

学位级别：硕士

温度是反映物质状态的关键物理参数之一,对温度进行实时精确地测量尤为重要。随着科技的进步,在很多应用领域对温度信息的获取提出了更高的要求,特别是对非透明物质内部的测温需求越来越多。相比于传统的热电偶等测温方法,磁学测温具有... 详细信息

温度是反映物质状态的关键物理参数之一,对温度进行实时精确地测量尤为重要。随着科技的进步,在很多应用领域对温度信息的获取提出了更高的要求,特别是对非透明物质内部的测温需求越来越多。相比于传统的热电偶等测温方法,磁学测温具有无创伤或微创、信噪比相对较大等特点,因此逐渐成为当前的研究热点。目前,利用氢核的磁共振进行温度信息获取的方法和利用磁纳米粒子进行温度信息获取的方法不时见诸报端,但通过电子自旋的铁磁共振温度信息获取方法却很鲜见。因此,笔者尝试将磁纳米粒子与铁磁共振相结合,在铁磁共振条件下,对磁纳米粒子测温方法进行了研究。首先,从磁纳米粒子自旋系统的能量角度,在外加静磁场和微波激励共同作用下,建立了铁磁共振频率温度依赖性模型;该模型给出了频率,温度以及磁化强度之间的定量关系。其次,由于磁化强度的测量有一定的复杂性,论文从共振条件和磁纳米粒子磁化时的本构条件,推导出磁化强度与共振频率和磁场的关系,并将其代入铁磁共振频率温度依赖性模型,得到扫频法测温模型及测量方法。然后将微波激励的频率近似为共振频率,根据共振条件进一步分析,建立了基于扫场法的外加静磁场与温度的关系模型并给出测量方法。论文中对所建立的两个模型及测量方法均进行了仿真实验验证,实验结果表明两个测量模型均可以实现温度的测量,具有测温的可行性和准确性。论文还对模型的抗噪性能进行了分析,明确了模型的适用条件。最后,针对模型的不足,利用朗之万函数对模型进一步改进,分析了电子磁矩与原子磁矩的关系,说明了利用朗之万函数求解磁化强度的合理性。论文利用朗之万函数对模型中磁化强度进行计算,为了计算简化,对朗之万函数作了线性近似,建立了基于朗之万函数线性近似的频率温度依赖性改进模型。对该模型进行的仿真实验结果表明,尽管对朗之万函数进行了线性近似,但相较于直接求解,测量精度却得到了提升。本文所提方法在实验条件下可以测出非透明物质内部的温度信息并具有一定的合理性,本文工作可为以后的铁磁共振测温的研究提供思路。

关键词：磁纳米粒子铁磁共振扫场法扫频法朗之万函数

由有机和无机金属前躯体自蔓延高温合成碳包覆磁纳米粒子(英文)

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新型炭材料 2010年第2期25卷 81-88页

作者： M. Bystrzejewski M. Szala W. Kicinski W. Kaszuwara M.H. Rummeli T. Gemming A. Huczko Dept of Chemistry Warsaw UniversityPasteur 1 str. 02-093 Warsaw Poland IFW Dresden Helmholtzstr. 20 01069 Dresden Germany Military University of Technology Kaliskiego 2 00-908 Warsaw Poland Warsaw University of Technology Woloska 141 02-507 Warsaw Poland

介绍了一项由自蔓延高温合成(SHS)碳包覆磁纳米粒子的系统研究。采用还原剂NaN3和三种不同氧化剂-聚四氟乙烯、六氯乙烷和六氯苯,实施了SHS制备。研究了金属前躯体(Fe(CO)5或K3[Fe(CN)6])对产物的得率、反应热、形貌、结构和磁性能的影... 详细信息

介绍了一项由自蔓延高温合成(SHS)碳包覆磁纳米粒子的系统研究。采用还原剂NaN3和三种不同氧化剂-聚四氟乙烯、六氯乙烷和六氯苯,实施了SHS制备。研究了金属前躯体(Fe(CO)5或K3[Fe(CN)6])对产物的得率、反应热、形貌、结构和磁性能的影响。结果表明:有机铁前躯体和C2Cl6氧化剂反应体系可获得磁性最佳、得率最高的产物。

关键词：自蔓延高温合成(SHS) 燃烧合成磁纳米粒子碳纳米结构

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二维磁场激励下磁纳米粒子磁化谐波信息分布

华中科技大学学报（自然科学版） 2021年第6期49卷 19-25页

作者：杜中州王丹丹孙毅崔艳英郑州轻工业大学计算机与通信工程学院河南郑州450001

提出了二维磁场激励下磁纳米粒子(MNPs)的谐波分布模型,分析了特征参数对磁化响应谐波分布的影响.首先,基于郎之万顺磁定理构建了二维磁场激励下的MNPs非线性磁化响应谐波分布模型;然后系统研究了平行/垂直磁场激励下的磁化响应谐波信... 详细信息

提出了二维磁场激励下磁纳米粒子(MNPs)的谐波分布模型,分析了特征参数对磁化响应谐波分布的影响.首先,基于郎之万顺磁定理构建了二维磁场激励下的MNPs非线性磁化响应谐波分布模型;然后系统研究了平行/垂直磁场激励下的磁化响应谐波信息分布特征,以及MNPs物理特征参数和系统参数对谐波信息分布的影响.结果表明:二维磁场激励下,x轴和y轴上的磁化响应奇次谐波和偶次谐波自然分离,直流磁场对磁化谐波幅值具有调控作用,且存在最值点,可为磁纳米温度计中的高精度谐波提取和优化设计提供依据.

关键词：肿瘤热疗二维激励磁场磁纳米粒子朗之万顺磁定理谐波幅值分布

两水亲性嵌段共聚物修饰Fe_3O_4磁纳米粒子的一步合成及性能表征

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功能材料 2014年第6期45卷 122-125页

作者：袁金芳齐印高青雨河南大学精细化学与工程研究所河南开封475001

采用可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合,合成了两水亲性嵌段共聚物聚（4乙烯基吡啶）-b-聚（甲基丙烯酸聚乙二醇酯）（P4VP-b-PMAPEG）和聚（丙烯酸）-b-聚（甲基丙烯酸聚乙二醇酯）（PAA-b-PMAPEG）,通过多元醇还原法制备了两水亲性嵌... 详细信息

采用可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合,合成了两水亲性嵌段共聚物聚（4乙烯基吡啶）-b-聚（甲基丙烯酸聚乙二醇酯）（P4VP-b-PMAPEG）和聚（丙烯酸）-b-聚（甲基丙烯酸聚乙二醇酯）（PAA-b-PMAPEG）,通过多元醇还原法制备了两水亲性嵌段共聚物修饰的Fe3O4 磁纳米粒子.并利用红外光谱（FT-IR）、X射线粉末衍射（XRD）、透射电镜（TEM）对磁纳米粒子进行表征.结果表明,嵌段共聚物修饰的Fe3O4 磁纳米粒子为大小均匀的球状颗粒,其粒径在10~20nm.振动样品磁强计测试结果显示,在室温、外加磁场下,经PAA-b-PMAPEG 及P4VP-b-PMAPEG修饰的Fe3O4 磁纳米粒子的饱和磁化强度分别为63.1A·m2/kg和50.2A·m2/kg,该磁纳米粒子均呈现超顺磁性.

关键词：两水亲性嵌段共聚物 Fe3O4 磁纳米粒子超顺磁性

磁纳米粒子介导的磁致振动超声成像研究现状及展望

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应用声学 2021年第1期40卷 60-67页

作者：齐亭亭丁格陈铁梅胡雨阳陈冕林浩铭陈昕陈思平医学超声关键技术国家地方联合工程实验室广东省生物医学信息检测和超声成像重点实验室深圳大学医学部生物医学工程学院深圳518055 西安交通大学生命科学与技术学院西安710000

超声成像作为临床上常用的影像检测方法,在疾病诊断、术中导航和术后评估等方面发挥重要作用。随着纳米技术的快速发展,不同的微纳米材料或成像探针的构建,为超声成像提供新的发展动力。其中,磁纳米粒子介导的磁致振动超声成像是近年来... 详细信息

超声成像作为临床上常用的影像检测方法,在疾病诊断、术中导航和术后评估等方面发挥重要作用。随着纳米技术的快速发展,不同的微纳米材料或成像探针的构建,为超声成像提供新的发展动力。其中,磁纳米粒子介导的磁致振动超声成像是近年来发展的一种新兴的成像技术。其主要原理是基于磁纳米粒子在变化磁场作用下产生磁致振动,利用超声波探测粒子的振动信息即可获得该粒子的空间分布信息。由于磁纳米粒子作为构建分子成像探针的重要组成部分,该成像方法有望为超声分子成像提供新的思路,具有较大的研究价值和应用前景。基于此,该文将围绕磁纳米粒子介导的磁致振动超声成像技术的原理和研究现状展开介绍,并对该技术的发展趋势进行展望。

关键词：磁致振动超声成像磁纳米粒子分子成像弹性成像多模态成像

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磁纳米粒子介导的靶向剪切波弹性成像

应用声学 2021年第1期40卷 68-73页

作者：刘强陈铁梅林浩铭齐亭亭丁格陈冕陈昕陈思平医学超声关键技术国家地方联合工程实验室广东省生物医学信息检测和超声成像重点实验室深圳大学医学部生物医学工程学院深圳518055

组织力学特性与其生理病理变化过程密切相关。因此,对组织力学特性的分析有望为疾病诊断提供重要依据。超声弹性成像可以定量分析组织的剪切模量,但在检测的特异性和灵敏度等方面仍存在局限性。针对这一问题,该文发展一种磁纳米粒子介... 详细信息

组织力学特性与其生理病理变化过程密切相关。因此,对组织力学特性的分析有望为疾病诊断提供重要依据。超声弹性成像可以定量分析组织的剪切模量,但在检测的特异性和灵敏度等方面仍存在局限性。针对这一问题,该文发展一种磁纳米粒子介导的靶向剪切波弹性成像新方法。该方法是基于磁纳米粒子在脉冲磁场作用下产生磁致振动,从而导致周围组织的剪切波传播,通过超声探测粒子振动及剪切波传播即可获得磁纳米粒子的分布及周围组织的弹性信息。基于该方法,该文在仿体水平实现对直径约3 mm的磁纳米粒子标记区域的振动检测及其周围组织的弹性信息获取。该研究有望为疾病的精准诊断提供新的思路。

关键词：超声弹性成像磁纳米粒子靶向识别磁致振动

磁纳米粒子耦合SPR传感器检测溴氰菊酯的研究

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磁纳米粒子耦合SPR传感器检测溴氰菊酯的研究

作者：李蕾湖南农业大学

学位级别：硕士

本文使用双通道SPR传感器,采用免疫磁纳米粒子高效富集溴氰菊酯并耦合SPR传感器对溴氰菊酯进行直接检测,建立了一种快速、高灵敏、高准确度检测溴氰菊酯的SPR新方法。同时分别采用SPR直接法和气相色谱法(GB/T5009.146-2008)检测溴氰菊酯... 详细信息

本文使用双通道SPR传感器,采用免疫磁纳米粒子高效富集溴氰菊酯并耦合SPR传感器对溴氰菊酯进行直接检测,建立了一种快速、高灵敏、高准确度检测溴氰菊酯的SPR新方法。同时分别采用SPR直接法和气相色谱法(GB/T5009.146-2008)检测溴氰菊酯,并与磁纳米粒子增强SPR方法在检测灵敏度、重现性和准确度等方面进行比较。主要研究内容与结果如下：(1)以富里酸为羧基供体,采用化学共沉淀法成功制备了表面羧基化的磁纳米粒子,并利用磁纳米粒子表面的羧基,采用氨基偶联的方法将溴氰菊酯的单克隆抗体固定在磁纳米粒子表面,优化其固定条件(0.45mg/mLMNPs充分结合溴氰菊酯单克隆抗体的质量浓度为0.27mg/mL),成功制备对溴氰菊酯具有特异性选择的免疫磁纳米粒子。(2)磁纳米粒子增强SPR检测溴氰菊酯是通过经富集分离溴氰菊酯的免疫磁纳米粒子复合物通入至壳聚糖静电自组装修饰的SPR传感膜表面引起SPR响应信号检测溴氰菊酯。该方法的线性回归方程为Y=24.08+270.08X,R2为0.9852,相对标准偏差(Relative Standard Deviation, RSD)范围为1.69%-8.09%,最低检测浓度可达0.01ng/mL,最低检测限为2.55pg/mL (S/N=3)。实际样品回收率范围为96.94%-104.4%。三个浓度样品的RSD范围为2.18%～13.72%。(3)SPR直接法检测溴氰菊酯是通过将溴氰菊酯单克隆抗体结合至巯基丙酸静电自组装修饰的SPR传感膜上,再与通入其中的溴氰菊酯结合引起8PR响应信号检测溴氰菊酯。该方法的线性回归方程为Y=25.31+0.21X,R2为0.9844,RSD范围为3.22%-9.69%,最低检测浓度可达50ng/mL,最低检测限为27.3ng/mL(S/N=3)。实际样品回收率范围为76.6%-92.7%。三个浓度样品的RSD范围为3.99%-6.7%。(4)依据国家标准(GB/T5009.146-2008),采用双柱双电子捕获检测器气相色谱法检测溴氰菊酯,该方法的线性回归方程为Y=3.46X+112.02,R2为0.9893,最低检测浓度为100ng/mL。实际样品回收率范围为82.89%～88.74%,三个浓度样品的RSD范围为5.13%-9.65%。与SPR直接法和气相色谱法相比,应用磁纳米粒子标记检测溴氰菊酯的SPR响应信号远高于二者,其最低检测浓度也分别由50ng/mL、100ng/mL降低至0.01ng/mL,最低检测浓度降低了四个数量级。

关键词：表面等离子体子共振传感器磁纳米粒子溴氰菊酯壳聚糖农药残留检测

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磁纳米粒子免疫检测系统研制

磁纳米粒子免疫检测系统研制

作者：杜中州华中科技大学

学位级别：硕士

本文利用郎之万数学模型中体现的磁纳米粒子磁化强度与浓度之间的线性关系对磁纳米粒子在免疫检定领域中的应用进行深入的研究。初步设计一套简单的测量系统，主要是用实验来验证这种测量浓度的方法的可行性。该测量方法在很多领域中有... 详细信息

本文利用郎之万数学模型中体现的磁纳米粒子磁化强度与浓度之间的线性关系对磁纳米粒子在免疫检定领域中的应用进行深入的研究。初步设计一套简单的测量系统，主要是用实验来验证这种测量浓度的方法的可行性。该测量方法在很多领域中有非常大的应用前景，尤其在生物医学领域比如癌症肿瘤热疗法和纳米温度成像等，具有非常重要的意义。基于郎之万理论推导出的磁纳米粒子磁化强度与浓度线性关系，利用BernhardGleich和Jurgen Weizennecker的图像重建模型，进行图形处理。本文详细的阐述测量原理。由于磁纳米粒子的浓度信息对于温度因素非常的敏感，不同的环境温度下测到的浓度信息不同，这点在第二章中有详细的理论推导。因此在设计本套测量系统的时候考虑了样品的恒温过程。通过对理论的仔细研究，综合各种弱磁测量方式，最终选择一种较优的测量方式。通过锁定放大器7280来进行实验，初步论证了这种测量方式的可行性。设计出一套基于磁纳米粒子的免疫检定测量系统。利用数据采集卡自制一套信号检测系统。利用西门子公司的温度变送器和铂电阻传感器自行设计出控温精度在正负0.1开尔文的恒温系统。

关键词：磁纳米粒子免疫检定数字相敏检波恒温控制探测线圈