[論文レビュー] MPS and ACS with an atomic magnetometer

Simone Colombo, Victor Lebedev+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2015

Characterization and Applications of Magnetic Nanoparticles被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、遮音環境下にない条件下で、1つの原子磁力計が液体に分散した磁性ナノ粒子に対して高感度な磁気粒子スペクトロスコピー（MPS）および交流磁化率測定（ACS）を実現できることを示している。周波数変調スペクトロスコピーを用いて磁化の微分（dM/dH）を検出することで、1µg未満の鉄検出限界を達成し、低周波数（≤1 Hz）におけるM(H)およびdM/dHの直接的・定量的測定が可能となる。これにより、従来の誘導コイルに代わる原子磁力計を用いた低周波・高感度X空間MPIスキャナの実現が可能になる。

ABSTRACT

We show that a single atomic magnetometer in a magnetically unshielded environment can be used to perform magnetic particle spectroscopy (MPS) and AC susceptometry (ACS) on liquid-suspended magnetic nanoparticles. We demonstrate methods allowing a simultaneous recording of M(H) and dM/dH(H) dependences of samples containing down to 1 $μ$g of iron. Our results pave the way towards an atomic magnetometer based MPI scanner.

研究の動機と目的

• 従来の誘導コイルに代わる原子磁力計を用いた低周波・高感度MPIの代替手法を開発すること。
• 遮音環境下でも磁化（M(H)）およびその微分（dM/dH）の定量的測定を可能とすること。
• 磁性ナノ粒子分散液における鉄含有量の検出限界を1µg未満に達成すること。
• 原子磁力計を将来的なX空間MPIスキャナのコアセンサとして使用する可能性を検討すること。
• 医療応用におけるSARの懸念や高周波数駆動磁場の要件といった、従来MPIの限界を克服すること。

提案手法

• 光学励起された原子磁力計（OPM）が、27 µTのバイアス磁場下でスピン偏光したセシウム原子のラーミアープレセッションを用いて、磁性ナノ粒子（MNPs）からの磁場変化を検出する。
• OPMは位相ロックループ（PLL）構成で動作し、共鳴を維持する。磁場変化が周波数シフト（δf NP ∝ δB⋅B̂₀）に変換される。
• リッジインアンプラーが信号を抽出し、サイドバンドデモジュレーションにより、同じ測定からM(H)とdM/dH(H)を同時に取得可能となる。
• 周波数変調（FM）スペクトロスコピーの原理を用いてdM/dH応答を分離し、バイアス磁場の低周波数ドリフトに対して不感となる。
• MNP試料にゆっくりとした正弦波スキャン磁場（f_scan = 600 mHz）を印加し、OPMがそれに伴う時間的磁場変調を記録する。
• OPM信号のフーリエ変換により、校正式 δf NP = γF δB⋅B̂₀ を用いて、磁化曲線M(H)および微分dM/dHの両方を抽出可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遮音環境下にない条件下でも、原子磁力計が磁性ナノ粒子に対して定量的MPSおよびACSを実施可能か？
• RQ2 このOPMベースのMPS/ACS法で、鉄含有量の最小検出限界はどの程度か？
• RQ3 FMスペクトロスコピー法は、直接M(H)記録と比較して、dM/dH測定の安定性およびSNRをどのように向上させるか？
• RQ4 OPMベースの手法は、通常のMPIで消失する可能性があるMNPの1次高調波応答を検出可能か？
• RQ5 原子磁力計を将来的なX空間MPIスキャナの主要センサとして使用することは現実的か？

主な発見

• 50秒間の記録で約700 ngの鉄を検出可能であり、1µg未満の鉄感度を達成した。
• OPMはM(H)とdM/dH(H)を高精度で同時に記録でき、磁化およびその微分の直接的・定量的解析が可能となった。
• FMスペクトロスコピーに基づくdM/dH測定は、バイアス磁場の低周波数ノイズやドリフトに対して頑健であるのに対し、直接M(H)記録はその影響を受けやすい。
• dM/dHのフーリエスペクトルには主に奇数高調波が顕著に現れるが、M(H)スペクトルは低周波数ノイズの影響を受けることが確認され、微分測定の優れた安定性が裏付けられた。
• 本手法は、通常の25 kHz MPIシステムでは測定不能な低周波数（≤1 Hz）における大きな水動的ブロッキング粒子の磁化応答を成功裏に測定した。
• 原子磁力計がX空間MPIにおいて、従来の誘導コイルに代わる低周波・高感度の代替手段として実現可能であることが実証された。