ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2023, № 1 · БИОМЕДИЦИНСКАЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

Лабораторный стенд на основе СКВИД-магнитометров для исследования магнитных свойств наноматериалов

Ю.В. Масленников1,2,3, В.Ю. Слободчиков2, В.А. Крымов2, А.Д. Суходровский2,4

1 ИЗМИРАН им. Н.В. Пушкова, Москва, Россия
2 ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Москва, Россия
3 ООО «НПО КРИОТОН», Москва, Россия
4 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2023.1.7 УДК 621.317.445 EDN NNSONR

Аннотация

Лабораторный стенд на основе сквид-градиентометра был создан и испытан для экспериментальных исследований магнитных наночастиц, применяемых в медицине. В магнитометрической системе стенда были апробированы два варианта криогенного зонда, первый из которых включал в свой состав дополнительный трехкомпонентный сквид-магнитометр для «электронной» балансировки приемного градиентометра в однородном магнитном поле. Второй зонд содержал в своей конструкции подвижные триммеры со сверхпроводниковыми пластинками, расположенными в области приемных витков градиентометра, для его механической балансировки. Оба криогенных зонда обеспечивали устойчивую работу сквид-градиентометра в обычных лабораторных условиях без дополнительной магнитной экранировки. С использованием стенда исследовалась намагниченность образцов водных суспензий наночастиц магнетита различной концентрации, которая индуцировалась с помощью переменного однородного магнитного поля амплитудой до 15 миллиТесла, создаваемого специальной системой катушек Гельмгольца на частоте 4-12 Герц в вертикальном и горизонтальном направлениях. Также в качестве объектов исследования использовались образцы сухих экстрактов печени малых животных, полученные после экспериментов с магнитными наночастицами. Магнитные сигналы наночастиц регистрировались с помощью подключенного к входным терминалам сквид-датчика аксиального градиентометра второго порядка в конфигурации «2:4:2» с диаметром приемных петель 8 мм и величиной базы 29 мм. Проведенные экспериментальные исследования намагниченности водных суспензий наночастиц магнетита имели своей целью оценку предельного разрешения сквид-градиентометра по количеству детектируемых магнитных наночастиц. Была продемонстрирована возможность регистрации магнитного сигнала от порядка 6×10-9 наночастиц магнетита размером 6 нм в объеме 1 мл с расстояния порядка 20 мм от приемных витков градиентометра. Определены направления совершенствования используемых в стенде инструментальных элементов и методик проведения магнитных измерений для дальнейшего повышения чувствительности сквид-градиентометра по детектированию намагниченности МНЧ.

  • сквид
  • градиентометр
  • магнитные наночастицы
  • диагностика онкологических заболеваний
Abstract (in English)

Laboratory stand based on SQUID-magnetometers for studying the magnetic properties of nanomaterials

The laboratory stand with the squid-based gradiometer was developed and tested in experimental studies of magnetic nanoparticles used in medicine. Two versions of the cryogenic probe were tested in investigations, the first of which included an additional XYZ squid-based magnetometer for "electronic" balancing of the input signal gradiometer in a uniform magnetic field. The second probe contained in its design movable trimmers with superconducting plates located in the area of the input loops of the gradiometer for its mechanical balancing. Both cryogenic probes demonstrated stable operation of the squid-based gradiometer at usual laboratory conditions without additional magnetic shielding. The stand was used to study the magnetization of aqueous suspensions of magnetite nanoparticles in various concentrations, which was induced using an uniform magnetic field with an amplitude of up to 15 milliTesla, created by a special system of Helmholtz coils at a frequency range of 4-12 Hz in the vertical and horizontal directions. The magnetic signals of nanoparticles were recorded using a second-order axial gradiometer in a «2:4:2» configuration with an input loop diameter of 8 mm and a base length of 29 mm. The experimental studies of the magnetization of aqueous suspensions of magnetite nanoparticles were aimed at estimating the limiting resolution of the SQUID gradiometer by the number of detected magnetic nanoparticles. The possibility of registering a magnetic signal from about 6 × 109 MNPs of magnetite 6 nm in size in a volume of 1 ml from a distance of about 20 mm from the receiving coils of the gradiometer was demonstrated. Dry liver extracts of small animals containing MNPs were also used as objects of study. Directions of further improvement the used instrumental elements and methods of magnetic measurements for increasing the sensitivity of squid-based gradiometers in experiments with MNPs are determined.

Для цитирования

Масленников Ю.В., Слободчиков В.Ю., Крымов В.А., Суходровский А.Д. Лабораторный стенд на основе СКВИД-магнитометров для исследования магнитных свойств наноматериалов // Журнал радиоэлектроники. – 2023. – № 1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.1.7

Литература

  1. Pankhurst Q.A., Thanh N.K.T., Jones S.K., Dobson J. Progress in applications of magnetic nanoparticles in biomedicine. Journal of Physics D: Applied Physics. 2009. V.42. №22. P.224001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/42/22/224001
  2. Гареев К.Г., Мошников В.А. Применение суперпарамагнитных контрастирующих агентов в магниторезонансной томографии. Биотехносфера. 2016. №3-4(45-46). С.26-34.
  3. Weissleder R., Nahrendorf M., Pittet M.J. Imaging Macrophages with Nano-particles. Nature Materials. 2014. №13. Р.125-138. http://doi.org/10.1038/nmat3780
  4. Tudisco C., et al. Multifunctional magnetic nanoparticles for enhanced intracellular drug transport. Journal of Materials Chemistry B. 2015. V.3. P.4134-4145. https://doi.org/10.1039/c5tb00547g
  5. Enpuku K., Tsujita Y., Nakamura K., Sasayama T., Yoshida T. Biosensing utilizing magnetic markers and superconducting quantum interference devices. Superconductor Science and Technology. 2017. V.30. P.053002. https://doi.org/10.1088/1361-6668/aa5fce
  6. Johnson C., Adolphi N.L., Butler K.L., Lovato D.M., Larson R., Schwindt P.D.D., Flynn E.R. Magnetic relaxometry with anatomic magnetometer and SQUID sensors on targeted cancer cells. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2012. V.324. P.2613-2619. http://doi.org/10.1016/j.jmmm.2012.03.015.
  7. Hincapie Ladino E.A., Zufelato N., Bakuzis A.F., Oliveira Carneiro A.A., Covas D.T., Baffa O. Detection of magnetic nanoparticles with a large scale AC superconducting susceptometer. Superconductor Science and Technology. 2017. V.30. P.084007. https://doi.org/10.1088/1361-6668/aa7666
  8. Maslennikov Yu.V., Slobodchikov V.Yu., Krymov V.A., Sukhodrovsky A.D., Gulyaev Yu.V. Magnetometric Systems and Precise Magnetic Measurements for Biomedical Applications. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2020. V.84. P.1354-1358. http://doi.org/10.3103/S1062873820110180
  9. Current sensors model 2001-2016 [web]. Supracon - SQUID and Microfabrication technologies. Дата обращения: 01.10.2022. URL: http://www.supracon.com/en/current_sensors_model_20012016.html
  10. Petrov V.N., Ustinov A.B. Magnetic Properties of Fe3O4 Surface. Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2010. V.4. №3. P.395-400.