CN111504884B - 基于钻石nv色心的微观电阻抗成像装置及方法 - Google Patents
基于钻石nv色心的微观电阻抗成像装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111504884B CN111504884B CN202010434012.0A CN202010434012A CN111504884B CN 111504884 B CN111504884 B CN 111504884B CN 202010434012 A CN202010434012 A CN 202010434012A CN 111504884 B CN111504884 B CN 111504884B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- diamond
- electrical impedance
- magnetic field
- color center
- distribution
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 68
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 40
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 23
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 23
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 claims abstract description 15
- RJVIHTRUFYZOGY-UHFFFAOYSA-N [Ir].[Ir]=O Chemical compound [Ir].[Ir]=O RJVIHTRUFYZOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 64
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 17
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 13
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 13
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims description 7
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 6
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 6
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 5
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 5
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 5
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 2
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 claims description 2
- 239000012472 biological sample Substances 0.000 abstract description 3
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 41
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 28
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 19
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 6
- HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N dioxoiridium Chemical compound O=[Ir]=O HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 5
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910000457 iridium oxide Inorganic materials 0.000 description 5
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 4
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000008055 phosphate buffer solution Substances 0.000 description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000001208 nuclear magnetic resonance pulse sequence Methods 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 210000004895 subcellular structure Anatomy 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 210000000805 cytoplasm Anatomy 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 description 1
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 210000005260 human cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 238000001646 magnetic resonance method Methods 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000001575 pathological effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000035790 physiological processes and functions Effects 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/10—Investigating individual particles
- G01N15/1031—Investigating individual particles by measuring electrical or magnetic effects
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
一种基于钻石NV色心的微观电阻抗成像装置，包括：磁场成像模块，采用金刚石系综NV作为弱磁场探测器；微波辐射结构模块，采用Ω形状的辐射结构作为微波天线向金刚石NV色心辐射微波磁场；微电极模块，采用十字形的有两对电极臂的铱‑氧化铱金属电极给缓冲溶液注入交流电流。本发明拓展了已有的磁共振电阻抗成像的空间分辨率，将电阻抗成像的空间分辨率提升到微米至亚微米尺度，从而实现了一种微观尺度上的电阻抗成像方法，适用于细胞生物样品的电导率成像。
Description
技术领域
本发明涉及生物细胞参数测量技术领域，尤其涉及一种基于钻石NV色心的微观电阻抗成像装置及方法。
背景技术
细胞膜不导电，细胞质和细胞所处液体环境含电解质溶液，是导电的。细胞的生理和病理状态会使细胞膜的通透性发生改变，引起细胞的电阻抗(在低频近似下退化为电导率)及其分布的改变。细胞或生物组织的电阻抗反映了细胞的生理状态，对生物组织的电阻抗成像在医学诊断和生物医药研究中有着重要的应用价值。特别是在对癌症的诊断中，对生物样本电导率的成像能够提供额外的诊断信息。研究表明，癌细胞组织由于代谢增快，含水量较正常细胞较高，其电导率为正常细胞组织的2～5倍。
传统的磁共振电阻抗成像(MREIT)的研究对象是器官和组织，文献报道的成像分辨率接近1.4mm。其基本方法是，在被检测的生物体上加电极，通入电流，产生磁场。电流与磁场分布取决于生物组织电导率的分布。利用磁共振扫描仪(MRI scanner)对生物组织某一切面或多个切面进行磁场成像得到该切面上的磁场分布图像。再结合基于麦克斯韦方程组发展的反问题求解算法，由生物组织中特定平面上的磁场分布反解电导率分布，从而实现对被测样品体内多个切面的电导率分布成像。
传统的MREIT适用于对器官和组织等宏观物体的成像，其成像的空间分辨率受到磁共振扫描仪空间分辨率和求解算法性能的限制，目前可达毫米量级。而传统的MRI受原理所限，空间分辨率有限，最高可达亚毫米量级。人体细胞的平均大小为10～20um，可见传统的MREIT的成像方法无法满足对单个细胞乃至亚细胞结构的电阻抗分布成像。
如图1所示的是一种磁共振电阻抗成像方法。给待测组织或器官接入外接电极，在待测组织中产生mA量级的电流。在电流频率＜1kHz时，利用低频近似，待测组织中的电流密度分布J与组织的电导率分布σ之间的关系为
电流产生的磁场B满足
因此磁场包含了组织的电导率分布信息。通过MRI扫描仪测量出被测组织在某一确定切面z＝z0处的磁场分布，利用基于Maxwell方程组发展来的多种算法，例如Harmonic Bz算法，在二维近似的条件下，可以从被测平面的磁场分布反解出该平面内被测组织或器官的电导率分布。
该装置的优点是：可以用于活体原位生物组织或器官的电导率测量，对一般的生物组织几乎无损伤。由于被测磁场是由外加电极在组织中主动注入的电流产生的，因此这种电导率成像方法不需要额外的磁标记，对被测组织样品无选择性，适用于对大多数器官组织的电导率成像。采用磁共振扫描仪进行磁场测量，可以直接测量生物组织内部的磁场分布，从而可以得到生物组织内部的电导率分布信息，与需要外接多组电极，根据测得的电极电势反解体内电导率分布的EIT方法比较，这种方法所求得的电导率分布具有唯一解，而EIT方法中所须求解的反问题不具有适定性，这导致EIT对体内的电导率分布，尤其是远离体表电极处的成像结果不佳，重复性不好。其次，该方法的图像重建程序算法采用了有限元网格计算的技术，使得它适用于形状组成复杂的待测样品。配合求解软件程序，这种电导率成像方法可直接应用在具备磁共振扫描仪的医疗机构，普及应用方便。
缺点是：这种电导率成像方法的空间分辨率通常为几个毫米，适用于组织器官宏观尺度的电导率成像，对于细胞水平或亚细胞水平的微观电导率成像就不再适用。这限制了电导率成像在疾病诊断、生物医药研究方面的进一步应用。另外，目前从文献中实测的结果来看，该算法重建出的图像误差较大，在电导率分布跳变处容易出现模糊和伪影，求解算法的精确性和稳定性存在不足。由于该算法所用的有限元网格计算技术需要人工调整网格边界，在边界设定上有随机性，其结果的可重复性存在不足。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于钻石NV色心的微观电阻抗成像装置及方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种基于钻石NV色心的微观电阻抗成像装置，包括：
磁场成像模块，采用金刚石系综NV作为弱磁场探测器；
微波辐射结构模块，采用Ω形状的辐射结构作为微波天线向金刚石NV色心辐射微波磁场；
微电极模块，采用十字形的有两对电极臂的铱-氧化铱金属电极给缓冲溶液注入交流电流。
其中，所述装置还包括软件程序模块，由测量得到的磁场分布信息先利用毕奥萨伐尔定律反问题求解方法反解出电流密度分布信息，再将两者代入Harmonic-Bz算法的核心方程，从而计算出电导率分布图像。
其中，所述软件程序模块使用的自编电导率求解程序结合了Harmonic-Bz算法和二维电流密度成像问题中的毕奥-萨伐尔定律反问题求解方法。
其中，利用系综NV色心锁相方式的宽场磁场成像方法测量所述细胞中注入交流电流时产生的磁场幅度大小分布。
其中，所述微电极模块使用圆柱形阵列与微流道和蠕动泵控制和固定细胞位置，防止液体蒸干，维持细胞所处的位置与液体环境。
其中，使用PCB板集成了宽带微波辐射结构与连接十字形微电极装置所需的外接电极阵列。
其中，所述微波辐射结构的设计参数经过优化后，使得其可在2-6GHz的宽频段内具有高效的辐射效率。
作为本发明的另一方面，提供了一种基于钻石NV色心的微观电阻抗成像方法，包括以下步骤：
A将包含细胞样品的PBS缓冲溶液滴入铱-氧化铱电极装置的中心凹槽内，将系综NV传感器嵌入微电极表面PDMS覆膜的中心凹槽处，盖在含有待测细胞的溶液上方。钻石NV传感器的一面紧贴待测细胞样品；将载有微电极的PCB板固定在样品架上；将细管连接在微电极装置的微流道末端与蠕动泵连通形成环流；
B调节外磁铁位移台，控制其位置使磁铁产生的外磁场方向沿NV色心晶格轴向；
C以宽场的方式测量相机视野内各个像素点处的NV色心CW谱；对测量得到的CW做拟合；定出CW谱峰半高宽处的平均微波频率；
D在一对铱-氧化铱电极中通入交流源激励，在溶液中形成mA量级的方向周期变化大小稳定的电流，在固定微波频率条件下，以锁相的方式测量交流源振荡等间隔特定相位处的宽场荧光分布图；
E通过对比交流源振荡幅值为0的相位点和幅值为最大值的相位点处的宽场荧光分布图，计算出钻石NV传感器所探测到的磁感应强度幅度大小分布，得到系综NV色心宽场磁场成像图；
F将电源接入另一对铱-氧化铱电极，依次重复D与E的步骤，得到另一对独立电极通电时所产生的磁感应强度幅度分布图像；
G将两组电极所对应的磁感应强度分布图像导入电阻抗求解程序，在平面二维近似下，反解出钻石NV色心传感器探测区域内被测样品的电阻抗分布图像。从而反映出探测区域内待测细胞的电阻抗分布信息。得到具有微观尺度分辨率的电阻抗成像图像。
基于上述技术方案可知，本发明的基于钻石NV色心的微观电阻抗成像装置及方法相对于现有技术至少具有如下有益效果的一部分：
本发明利用基于钻石NV色心的微观尺度宽场磁场成像方法，拓展了已有的磁共振电阻抗成像的空间分辨率，将电阻抗成像的空间分辨率提升到微米至亚微米尺度，从而实现了一种微观尺度上的电阻抗成像方法，适用于细胞生物样品的电导率成像。为医学诊断提供了额外的电导率信息，特别是对于癌细胞检测提供了一种单细胞水平上的以电导率为表征量的新的检测方法。
附图说明
图1是现有技术中的一种磁共振电阻抗成像方法及装置；其中，图1(a)为给待测组织器官加电极通入电流，图1(b)为通过MRI扫描仪测量电流产生的磁场分布，图1(c)为通过电导率求解算法重建待测组织或者器官的电导率；
图2是本发明微观电阻抗成像装置结构示意图；其中，图2(a)为装置的中心切面图，图2(b)为装置的俯视图；
图3是本发明微观电阻抗成像方法序列的示意图；其中，图3(a)为NV色心连续波谱(CW谱)序列，图3(b)为锁相方式的微观电阻抗成像序列，图3(c)为相机视野内其中一个像素处测量得到的NV色心连续波谱。
图4是本发明十字形电极装置示意图；
图5是本发明十字形电极装置的凹槽侧壁细节示意图；其中，图5(a)为该细节的3D图，图5(b)为该细节的侧视图；
图6是本发明微电极中心凹槽内圆柱形阵列排布图纸；其中，图6(a)为圆柱形阵列排布方式，箭头为液体流动方向，图6(b)为圆柱形阵列排布整体图纸；
图7是与微电极装置配套的PCB板设计图；
图8是PCB板上微波辐射结构散射矩阵元S(2，1)曲线的结果，其中，图8(a)中较粗线为模拟计算结果，图8(b)为成品实测结果。
具体实施方式
本发明实现一种快速稳定、误差可控，具有微米尺度空间分辨率的，适用于细胞及亚细胞结构的微观电阻抗成像方法。结合NV色心高灵敏度高空间分辨率磁场测量技术，将电阻抗成像的空间分辨率提高至微观尺度；设计和制造了专用于细胞的微电极装置，可用于对细胞样品的电导率成像；设计和制造了可连接引线，加载电压源，具有宽带微波辐射结构的PCB板，用于金刚石中NV色心量子态的操控，与微电极装置配套使用，可以完成引入微波辐射，在细胞样品上加载电压通入电流的功能；设计和制造了配套微电极装置使用的微流道芯片，用于给微电极供给电解质溶液，防止溶液蒸干；改善了反问题求解算法，使得求解电导率分布的计算程序能够快速、稳定、准确地测量细胞样品的电导率值。
NV色心是金刚石中带负电荷的氮-空位缺陷，它具有独特的自旋性质和能级结构，可以作为单自旋量子比特，并能够利用激光进行态的初始化，通过探测荧光强度来实现量子态的读出，利用微波来实现态的操控。基于NV色心的光探测磁共振方法可以实现高灵敏度，高空间分辨率的磁场测量，并且具有工作条件温和，对样品无损伤的优点。结合NV色心测磁方法和MREIT方法，可以实现更高空间分辨率的电导率成像，有望实现微米乃至亚微米尺度的电导率分布成像。将电导率成像的研究对象由器官和组织的宏观尺度推向细胞和亚细胞的微观尺度。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图2所示为微观电阻抗成像装置图，其中，图2(a)为装置的中心切面图，图2(b)为装置的俯视图。其主要包括：PCB板，微电极装置，系综NV金刚石，物镜，sCMOS相机，激光光路部分，电压源，任意序列发生器(AWG)，蠕动泵，磁铁和微波发生器，脉冲序列发生器。其中PCB板上具有微波辐射结构和电极阵列。用于操控NV色心量子态的微波由微波发生器产生，并通过同轴导线与SMA接头导入辐射结构中，由此引到系综NV金刚石处。电极阵列用作连接微电极装置与外加电压源的媒介。微电极装置上镀有十字形微电极电路，中心刻有凹槽，凹槽中盛入被测细胞样品与细胞缓冲溶液。在凹槽两侧的基底上刻有与凹槽液体连通的微流道，用于在测量过程中控制和补充缓冲溶液。微电极装置可以实现对细胞通入电流产生磁场信号的功能，同时保持细胞所处环境的稳定性，其详细设计见下文说明。金刚石样品采用高密度系综NV色心块材样品，激光光路通过的两侧面磨成斜面。NV色心样品固定在微电极装置的中心凹槽之上，用作高灵敏度高空间分辨率宽场磁场成像的测磁计。物镜用于收集NV色心产生的荧光，收集的荧光信息由高性能sCMOS相机记录转化为数字信号记录到计算机中。激光光路部分包含激光器和其他光学元件，用于产生激发NV色心所需的532nm激光，并将其以一定角度照射到金刚石的侧面。控制激光入射角度，使得激光折射入金刚石体内后，在金刚石底面产生全内反射，并从另一侧面射出金刚石。电压源用于产生低频交流源，并控制通入到溶液中的电流大小。任意序列发生器的两个通道分别连接sCMOS相机和电压源，用于触发交流源与相机拍摄记录数据，并控制交流源与相机拍摄的时序。蠕动泵与微电极装置上的微流道相连接，用于提供动力，从而给微流道注入和补充缓冲溶液。永磁铁提供外磁场，用于控制NV色心基态能级的劈裂，选取特定方向的NV色心系综。微波发生器与脉冲序列发生器用于控制产生微波脉冲序列。
调节永磁铁的位置，使外磁场沿NV色心其中一个轴向。扫描微波频率，测量得到NV色心的CW谱。定出CW谱峰半高宽处的微波频率，将微波频率固定为这个值。给微电极加交流源，通过AWG将电极交流源和sCMOS相机同步起来，使得相机在交流源每个周期的特定相位点等时间间隔地曝光较短的时间。其具体序列如图3(b)所示。在交流源产生的磁场的作用下，各个像素点的CW谱峰会发生周期性振荡的偏移，CW谱峰偏移的振荡幅度与该像素点处的局域磁场振荡幅度成正比。由于相机在交流源振荡时每个周期内等时间间隔处拍摄并记录荧光分布，并与交流源振荡同步，因此在每个周期交流源振荡的相同相位点处，每次拍摄时的电流幅值大小，磁场幅值大小与CW谱峰偏移量是不变的。通过多次测量积累相机拍摄的宽场荧光分布图像，将交流源幅值为0的相位点处积累的荧光分布图像S0(x，y)与交流源幅值为最大值的相位点处积累的荧光分布图像S1(x，y)做对比，可以计算出每个像素点处的NV色心的CW谱偏移幅值Δf。从而计算出每个像素点位置处的磁场幅值大小B(x，y)，得到微电极中心凹槽范围内电流产生的宽场磁场分布图像。如图3(c)所示，CW谱分布符合洛伦兹函数S＝Lorentz(f)。当电压源振荡幅值为0时，特定像素点处的荧光信号为S0，当电流源振荡幅值为最大值时，该像素点处的荧光信号为S1。S0＝Lorentz(f0)，S1＝Lorentz(f1)，Δf＝Lorentz-1(S1)-Lorentz-1(S0)，
计算每个像素点处NV色心测量的磁场大小得到磁场分布图像。依据此图像，结合磁共振电阻抗成像的反问题求解算法，重构出微电极中心凹槽中，相机视野内被测样品的电导率分布图像，获得被测细胞样品的电导率分布信息。
如图4所示，为盛放细胞样品和细胞缓冲溶液的十字形微电极装置。其基底为300um厚度的正方形石英片，边长为2cm。石英基底上镀有铱金属电极，十字形电极末端方形区域用于焊接引线。石英基底中心处刻蚀有8um深的凹槽，用于承载缓冲溶液与被测细胞。石英基底上还刻蚀有0.1mm厚度的微流道，用于注入和补充缓冲溶液。微电极上表面除中心凹槽以外区域使用PDMS薄膜贴附，使得微流道封密封。微流道末端可接微管与蠕动泵连通形成液体环流。
微电极上的铱金属电极，在缓冲液环境中通入交流电流时，其表层的铱金属被氧化形成氧化铱薄层。氧化铱材料具有高电荷注入能力(charge injection capacity，指在不破坏电极的条件下，单位面积的电极在一个脉冲激励下所能注入的最大电荷数)，将氧化铱电极在PBS缓冲溶液中通入电流，会发生束缚在氧化铱薄层内的可逆的氧化还原反应，使得铱在+3与+4价态之间可逆地发生变化，从而产生赝电容效应，提供了除了法拉第双电层效应外的额外电荷注入能力。因此氧化铱材料常用作生物体内可植入的用于注入激励电流的微电极，可以承载和注入较高的电流密度。
如图5所示是微电极装置的中心凹槽的细节示意图；其中，图5(a)为该细节的3D图，图5(b)为该细节的侧视图；为了保证细胞缓冲溶液与电极充分接触，在刻蚀凹槽时，在边沿处形成有一定斜角的侧壁。在沉积铱金属时，使镀金属区域向凹槽内部延伸20um，形成如图5(a)和图5(b)所示的镀有铱的侧壁。
为了控制细胞样品在测量过程中位置的稳定性，在刻蚀微电极中心凹槽时，同时通过刻蚀形成间距相隔7um，直径为10um的圆柱形阵列，其排列方式图6(a)和图6(b)所示。当细胞在微流道流体的冲刷带动下，随着流体一起运动，最终沉积在圆柱形阵列的间隙中，从而保持位置固定不变。再加上流道始终密封，并在通电流测量磁场时间歇性地补充缓冲溶液，使得细胞始终控制在固定位置处，并处于液体环境中，防止了溶液在激光照射，微波辐射条件下因发热而导致的蒸干。为测量宽场磁场分布提供了稳定的环境条件。
如图7所示，中间镀金属部分为Ω形辐射结构，上下部分分布有用于连接引出导线和外接电压源的电极阵列。PCB基板材料、PCB板厚度、Ω形辐射结构芯线尺寸，Ω形辐射结构芯线与地线间距，铜金属厚度等参数经过设计优化，使得辐射结构和50欧姆SMA接头形成阻抗匹配，能够在2～6GHz的宽频段内低损耗地辐射微波。如图8(a)和图8(b)所示，设计模拟和成品实测结果都显示，此辐射结构的散射矩阵分量S(2，1)在2870MHz附近较宽频段内都接近于0(单位：dB)。
本发明装置配套自编写的数据后处理电导率求解程序，其算法的理论依据为Maxwell方程组。其基本思路受MREIT中的Harmonic-Bz算法启发，不同的是，在求解过程中结合了毕奥萨伐尔定律求反方法，将迭代计算过程变为一步计算过程，在误差可控的范围内，加快了计算时间。
首先，将微电极装置中的十字形电极分为相对的两组，记为电极组1，电级组2。对两组独立的电极分别加电压，测出对应的磁场分布信息Bz，1，Bz，2。此算法的核心方程为
假设电导率分布在z方向上是均匀的，忽略电导率σ在z方向上的变化，可将核心方程展开为矩阵形式：
其中A矩阵包含电流密度信息。对测量得到的被测样品中电流产生的磁场分布Bz，1，Bz，2，通过求解毕奥萨伐尔定律反问题，可以推导出两组电极情况下，样品中的电流密度分布Jx，1，Jy，1，Jy，1，Jy，2。再将磁场与电流密度分布代入上式就可以计算出电导率的对数值在x和y方向上的导数。测量被测样品所在溶液的电导率，将其作为边界条件，通过数值积分就可以计算出电导率的分布图像。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于钻石NV色心的微观电阻抗成像装置，其特征在于，包括：
磁场成像模块，采用金刚石系综钻石NV传感器作为弱磁场探测器；包括sCMOS相机；
微波辐射结构模块，采用Ω形状的辐射结构作为微波天线向金刚石NV色心辐射微波磁场；
微电极模块，采用十字形的有两对电极臂的铱-氧化铱金属电极给缓冲溶液注入交流电流；
所述微观电阻抗成像装置还包括微管、磁铁和磁铁位移台；
利用系综NV色心锁相方式的宽场磁场成像方法测量细胞中注入交流电流时产生的磁场幅度大小分布。
2.如权利要求1所述的基于钻石NV色心的微观电阻抗成像装置，其特征在于，所述装置还包括软件程序模块，由测量得到的磁场分布信息先利用毕奥萨伐尔定律反问题求解方法反解出电流密度分布信息，再将磁场分布与电流密度代入Harmonic-Bz算法的核心方程，从而计算出电导率分布图像。
3.如权利要求2所述的基于钻石NV色心的微观电阻抗成像装置，其特征在于，所述软件程序模块使用的自编电阻抗求解程序结合了Harmonic-Bz算法和二维电流密度成像问题中的毕奥-萨伐尔定律反问题求解方法。
4.如权利要求1所述的基于钻石NV色心的微观电阻抗成像装置，其特征在于，所述微电极模块使用圆柱形阵列与微流道和蠕动泵控制和固定细胞位置，防止液体蒸干，维持细胞所处的位置与液体环境。
5.如权利要求1所述的基于钻石NV色心的微观电阻抗成像装置，其特征在于，使用PCB板集成了宽带微波辐射结构与连接十字形微电极装置所需的外接电极阵列。
6.如权利要求1所述的基于钻石NV色心的微观电阻抗成像装置，其特征在于，所述微波辐射结构的设计参数经过优化后，使得其可在2-6GHz的宽频段内具有高效的辐射效率。
7.一种基于钻石NV色心的微观电阻抗成像方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一所述的基于钻石NV色心的微观电阻抗成像装置，包括以下步骤：
A将包含细胞样品的PBS缓冲溶液滴入铱-氧化铱电极装置的中心凹槽内，将钻石NV传感器嵌入微电极表面PDMS覆膜的中心凹槽处，盖在含有待测细胞的溶液上方；钻石NV传感器的一面紧贴待测细胞样品；将载有微电极的PCB板固定在样品架上；将微管连接在微电极装置的微流道末端与蠕动泵连通形成环流；
B调节磁铁位移台，控制其位置使磁铁产生的外磁场方向沿NV色心晶格轴向；
C以宽场的方式测量sCMOS相机视野内各个像素点处的NV色心CW谱；对测量得到的CW做拟合；定出CW谱峰半高宽处的平均微波频率；
D在一对铱-氧化铱电极中通入交流源激励，在溶液中形成mA量级的方向周期变化大小稳定的电流，在固定微波频率条件下，以锁相的方式测量交流源振荡等间隔特定相位处的宽场荧光分布图；
E通过对比交流源振荡幅值为0的相位点和幅值为最大值的相位点处的宽场荧光分布图，计算出钻石NV传感器所探测到的磁感应强度幅度大小分布，得到系综NV色心宽场磁场成像图；
F将电源接入另一对铱-氧化铱电极，依次重复D与E的步骤，得到另一对独立电极通电时所产生的磁感应强度幅度分布图像；
G将两组电极所对应的磁感应强度分布图像导入电阻抗求解程序，在平面二维近似下，反解出钻石NV传感器探测区域内被测样品的电阻抗分布图像；从而反映出探测区域内待测细胞的电阻抗分布信息；得到具有微观尺度分辨率的电阻抗成像图像。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010434012.0A CN111504884B (zh) | 2020-05-19 | 2020-05-19 | 基于钻石nv色心的微观电阻抗成像装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010434012.0A CN111504884B (zh) | 2020-05-19 | 2020-05-19 | 基于钻石nv色心的微观电阻抗成像装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111504884A CN111504884A (zh) | 2020-08-07 |
| CN111504884B true CN111504884B (zh) | 2021-07-09 |
Family
ID=71872334
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010434012.0A Active CN111504884B (zh) | 2020-05-19 | 2020-05-19 | 基于钻石nv色心的微观电阻抗成像装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111504884B (zh) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112617797B (zh) * | 2020-12-30 | 2023-08-08 | 上海联影医疗科技股份有限公司 | 应用于磁共振成像的生理信号检测方法以及电子装置 |
| CN113064106B (zh) * | 2021-03-18 | 2023-02-21 | 北京卫星环境工程研究所 | 一种应用于nv色心系综磁强计荧光收集装置的微波天线 |
| CN113281683A (zh) * | 2021-05-11 | 2021-08-20 | 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 | 用于金刚石薄膜磁成像装置的微波天线及制作方法 |
| CN113081261B (zh) * | 2021-05-25 | 2023-11-21 | 天津市环湖医院 | 血肿穿刺导航探头装置及脑部磁探测电阻抗成像系统 |
| CN113834963A (zh) * | 2021-09-06 | 2021-12-24 | 国仪量子(合肥)技术有限公司 | 基于nv色心传感器的电流检测装置、方法和存储介质 |
| CN116930594B (zh) * | 2023-09-13 | 2023-12-15 | 北京智芯微电子科技有限公司 | 半导体器件原位微区电流分布检测方法及系统 |
| CN117147004B (zh) * | 2023-10-30 | 2024-03-26 | 之江实验室 | 一种用于弱磁场环境下的高精度温度与磁场信号测量装置 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1261259A (zh) * | 1997-05-23 | 2000-07-26 | 卡罗莱纳心脏研究所 | 电子成像和治疗系统 |
| CN1635391A (zh) * | 2003-12-29 | 2005-07-06 | 中国科学院电工研究所 | 一种阻抗成像方法及装置 |
| CN1985759A (zh) * | 2005-12-23 | 2007-06-27 | 中国科学院电工研究所 | 磁共振电阻抗断层成像方法 |
| CN103513201A (zh) * | 2012-06-21 | 2014-01-15 | 西门子公司 | 用于磁共振成像系统的局部线圈和磁共振成像系统 |
| CN104771165A (zh) * | 2015-04-15 | 2015-07-15 | 重庆博恩富克医疗设备有限公司 | 一种成像方法及装置 |
| CN105823994A (zh) * | 2016-03-10 | 2016-08-03 | 中国科学技术大学 | 一种基于金刚石nv色心的微波磁场测量系统 |
| JP6278462B2 (ja) * | 2014-07-17 | 2018-02-14 | 日本電信電話株式会社 | 磁場検出方法 |
| CN107970033A (zh) * | 2016-10-25 | 2018-05-01 | 天津工业大学 | 一种脑部磁探测电阻抗成像系统 |
| WO2018081577A1 (en) * | 2016-10-28 | 2018-05-03 | Stc.Unm | High throughput characterization of individual magnetic nanoparticles |
| CN109540858A (zh) * | 2018-11-26 | 2019-03-29 | 中国科学技术大学 | 载流子浓度的测量方法及系统 |
| CN109975727A (zh) * | 2019-03-04 | 2019-07-05 | 中国科学技术大学 | 纳米级磁共振扫描成像设备以及方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9664767B2 (en) * | 2013-05-17 | 2017-05-30 | Massachusetts Institute Of Technology | Time-resolved magnetic sensing with electronic spins in diamond |
| US10845449B2 (en) * | 2016-10-20 | 2020-11-24 | Quantum Diamond Technologies Inc. | Methods and apparatus for magnetic particle analysis using diamond magnetic imaging |
-
2020
- 2020-05-19 CN CN202010434012.0A patent/CN111504884B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1261259A (zh) * | 1997-05-23 | 2000-07-26 | 卡罗莱纳心脏研究所 | 电子成像和治疗系统 |
| CN1635391A (zh) * | 2003-12-29 | 2005-07-06 | 中国科学院电工研究所 | 一种阻抗成像方法及装置 |
| CN1985759A (zh) * | 2005-12-23 | 2007-06-27 | 中国科学院电工研究所 | 磁共振电阻抗断层成像方法 |
| CN103513201A (zh) * | 2012-06-21 | 2014-01-15 | 西门子公司 | 用于磁共振成像系统的局部线圈和磁共振成像系统 |
| JP6278462B2 (ja) * | 2014-07-17 | 2018-02-14 | 日本電信電話株式会社 | 磁場検出方法 |
| CN104771165A (zh) * | 2015-04-15 | 2015-07-15 | 重庆博恩富克医疗设备有限公司 | 一种成像方法及装置 |
| CN105823994A (zh) * | 2016-03-10 | 2016-08-03 | 中国科学技术大学 | 一种基于金刚石nv色心的微波磁场测量系统 |
| CN107970033A (zh) * | 2016-10-25 | 2018-05-01 | 天津工业大学 | 一种脑部磁探测电阻抗成像系统 |
| WO2018081577A1 (en) * | 2016-10-28 | 2018-05-03 | Stc.Unm | High throughput characterization of individual magnetic nanoparticles |
| CN109540858A (zh) * | 2018-11-26 | 2019-03-29 | 中国科学技术大学 | 载流子浓度的测量方法及系统 |
| CN109975727A (zh) * | 2019-03-04 | 2019-07-05 | 中国科学技术大学 | 纳米级磁共振扫描成像设备以及方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 基于金刚石NV色心的纳米尺度磁场测量和成像技术;王成杰等;《物理学报》;20180622;第130701-1-130701-9页 * |
| 用于金刚石NV色心实验的辐射结构的设计与实现;周飞飞等;《量子光学学报》;20190404(第2期);第197-203页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111504884A (zh) | 2020-08-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111504884B (zh) | 基于钻石nv色心的微观电阻抗成像装置及方法 | |
| US6490471B2 (en) | Electromagnetical imaging and therapeutic (EMIT) systems | |
| Papadacci et al. | Imaging the dynamics of cardiac fiber orientation in vivo using 3D Ultrasound Backscatter Tensor Imaging | |
| Gilmore et al. | A wideband microwave tomography system with a novel frequency selection procedure | |
| Zhang et al. | Three-dimensional nonlinear image reconstruction for microwave biomedical imaging | |
| Semenov et al. | Three-dimensional microwave tomography: Initial experimental imaging of animals | |
| EP2062032B1 (en) | Dual-modality imaging | |
| Semenov et al. | Three-dimensional microwave tomography: Experimental imaging of phantoms and biological objects | |
| Vavilov et al. | Thermal (infrared) tomography: terminology, principal procedures, and application to nondestructive testing of composite materials | |
| US20120083690A1 (en) | System and method for electromagnetic imaging and therapeutics using specialized nanoparticles | |
| Jacobsen et al. | Multifrequency radiometric determination of temperature profiles in a lossy homogeneous phantom using a dual-mode antenna with integral water bolus | |
| CN107669270A (zh) | 一种电磁聚焦超声激励的磁声电成像方法与装置 | |
| CN105796056A (zh) | 一种基于超材料的太赫兹医学成像仪及其制作方法 | |
| JP5033307B2 (ja) | 異質部分を含む実質的に均一な対象の電気的特性画像を作成する方法および装置 | |
| Rezaeieh et al. | Body-matched gradient index lens antenna for electromagnetic torso scanner | |
| WO2019090299A1 (en) | Stationary in-vivo grating-enabled micro-ct architecture (sigma) | |
| CN113456032B (zh) | 一种基于超声激励的扇形扫描磁声电成像装置与方法 | |
| Yang et al. | A 3-D reconstruction solution to current density imaging based on acoustoelectric effect by deconvolution: a simulation study | |
| Kawashima et al. | Non-invasive imaging of ion concentration distribution around cell spheroids by electrical impedance tomographic sensor printed on circuit board under temporal compensation by ion transport impedance model | |
| Onal et al. | A bim-based algorithm for quantitative monitoring of temperature distribution during breast hyperthermia treatments | |
| RU2662079C1 (ru) | Способ микроволновой томографии сверхвысокого разрешения | |
| Tseytlin et al. | A combined positron emission tomography (PET)-electron paramagnetic resonance imaging (EPRI) system: initial evaluation of a prototype scanner | |
| Diaz-Bolado et al. | Towards a planar Microwave Tomography system for early stage breast cancer detection | |
| Stuker | Hybrid imaging: combining fluorescence molecular tomography with magnetic resonance imaging | |
| Basu et al. | A hypothetical analysis to study the variations of complex dielectric permittivity for detection of various stages of cancer of a biological target using microwave tomography |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |