CN1774204A - 物理、化学和/或生物学特性或状态变量的空间分辨测定方法 - Google Patents

物理、化学和/或生物学特性或状态变量的空间分辨测定方法 Download PDF

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Abstract

用于空间分辨测定在受检对象的被检测区域中的物理、化学和/或生物学特性或者状态变量，和/或其改变量的方法，其通过测定磁性颗粒的空间分布和/或迁移性的变化，作为物理、化学和/或生物影响变量对至少局部区域作用的函数，通过以下步骤：a)将包裹和/或涂覆了至少一层固态、粘性和/或液态外壳或涂层的磁性颗粒引入至少部分检测区域中，b)产生具有低磁场强度的第一局部区域和高磁场强度的第二局部区域的磁场，c)改变检测区域中这两个局部区域的空间位置，或者改变第一局部区域中的磁场强度使得颗粒的磁化强度发生局部变化，d)检测取决于受到该变化影响的检测区域中磁化强度的信号，以及e)评价信号值从而获得有关检测区域中磁性颗粒的空间分布和/或迁移性变化量的信息。本发明还涉及功能化磁性颗粒组合物以及适于用在上述方法中的磁性颗粒组合物。本发明另外还涉及一种用于测量检测区域中状态变量的设备。

Description

物理、化学和/或生物学特性或状态变量的空间分辨测定方法
本发明涉及一种空间分辨测定方法，用于测定在受检对象的检测区域中物理、化学和/或生物学特性或者状态变量和/或其变化。另外，本发明还涉及用在根据本发明的方法中的功能化磁性颗粒组合物。本发明另外还涉及一种测量检测区域中的状态变量的设备。
为了测定各种物理、化学和生物学状态变量，根据预期的目标和被检测对象，本领域技术人员已知大量的直接和间接测量方法。通常特别受到关注的是那些能够用来测定介质中不能直接用测量仪器或测量探针获得的状态参数的测量方法。间接参数测定的合适例子包括监测反应参数，例如通过光学方法在化学制备方法中监测温度和反应进程，或者检测材料部件的质量，例如通过超声波检测是否存在裂纹。特别是在检测活体组织时，通常需要采用间接测量方法来测定，例如温度、pH值或者特定物质的浓度。然而，这些间接测量方法常常较为复杂并且比直接测定方法引入的测量误差大。因此，对于许多制备方法或产物来说，愈加迫切需要一些方法，能够以非破坏性和间接的方式非常精确地测定被测参数。特别有意义的是那些能用来以靶向方式测定局部靠近受检对象分隔区域的信息的方法。
非侵入式地测定动物或者人体内的化学和物理状态的方法在例如EP 095124 A中有所记载。根据所述文献，检测区域中选定体积片段内的温度和pH值可以通过利用均匀恒定磁场和高频磁场的磁共振波谱技术所测量的核共振波谱参数来确定或获得。
在根据EP 095124 A的方法的一个改进方式中，除了均匀恒定的磁场之外，还产生了在时间上非同步调节的三个正交运转梯度场，结果只有在梯度场的三个平面交叉点处可检测到局部磁共振信号。该实施方案在文献中被描述成“敏感点”方法(参见Hinshaw，J.Appl.Phys.47(1976)，3709-3721页)。根据EP 095124 A，通过在均匀磁场上叠加梯度场，使得被检测的测量点区域中只有被狭窄分隔的体积中具有高度的均匀性，而所有周围的区域相当不均匀，可以进一步获得关于活体对象中的温度和pH值的信息。该方法在文献中被称为“FONAR”方法(参见Damadian，Physiol.Chem.Phys.8(1976)，61-65页)。EP 095124中提出的该测量方法的一个缺点在于其不能方便地移动该局部分隔的检测区域，或者挪动它以便例如能获得有关较大相关检测区域的可靠信息，或者以便能同时监测受检对象局部的变化。尽管近年来通过改进磁共振成像(MRI)方法可以较大地提高测量速度，但是参数例如温度、压力和pH值的测定仍然太慢并且对许多应用来说不准确。
DE 3751918 T2描述了一种借助核旋共振技术来获得动物或人类器官或组织的体内图像的方法，其中使用了图像改进剂量的核磁旋断层成像对比剂，该对比剂的形式是以特殊方式制备的超顺磁流体的形式。受检组织的磁性特性据说受到该磁性对比剂的影响，使得受辐射质子呈现出较高的弛豫特征。通过减小T2超顺磁性和铁磁性物质可以使磁共振图像显得颜色较深。不过适合核旋断层成像的的对比剂常常需要极其稳定的溶液以便能够有效地提高核共振测量的灵敏度。然而合适的超顺磁性铁氧化物水基流体的稳定性通常会受到相当的限制，这是因为颗粒之间有磁性引力作用而会聚集在一起。DE 3751918 T2提出了一种用二价和三价的金属盐来制备稳定的超顺磁性流体的四步骤方法。该方法十分耗时并且成本大，因而必然不能用于标准检测。尽管用该方法获得的磁性颗粒可以有助于提高解剖和生理对比度，但其通常不适合于获得那些用MRI技术可更精确而迅速地检测的参数如温度和pH值。此外，核旋断层成像技术需要使用十分强的高度均匀磁场。为此，通常会利用由液体氦冷却的超导线圈。因此该核旋断层成像方法总是与高花费的设备相联系。
核旋共振测量，如Perez等人(J.Am.Chem.Soc.，2002，124(12)，2856和2867页)所述，同样用于检测DNA的相互作用。这里利用的是与磁性颗粒连接的DNA或寡核苷酸序列能与互补DNA杂交的原理。如果互补DNA也连接着磁性颗粒，就会导致形成稳定的簇集团，结果使接近氢核的水分子的T2驰豫时间减少。这种变化可通过核旋断层技术看见。
因此本发明的一个目的是提供一种测定检测区域中特殊局部分隔的状态变量的方法，其中采用了简单的设备因而成本经济，还可重复进行而且精确，该方法还不再具有现有技术的测量方法中的缺点。此外，本发明的目的还在于提供一种局部分隔测定物理、化学或者生物学的状态变量或者状态变量中的变化的方法，其可用于原位测定这些状态变量并且允许检测材料及活体物质。
据此，我们找到一种方法，用于空间分辨测定在受检对象的被检测区域中物理、化学和/或生物学特性或者状态变量，特别是物质浓度、温度、pH值和/或物理场，和/或这些物理、化学和/或生物学特性或状态变量的变化量，其是通过测定该检测区域或其部分中磁性颗粒的空间分布和/或迁移性，尤其是旋转迁移性的变化量，作为物理、化学和/或生物影响变量对至少局部区域作用的函数，和/或在物理、化学和/或生物条件下在检测区域的至少局部区域中作用的函数，通过以下步骤：
a)将至少部分包裹和/或涂覆了至少一层固态、粘性和/或液态外壳或涂层的磁性颗粒引入至少部分检测区域中，和/或将磁性颗粒引入至少部分检测区域中和/或将检测区域中的至少一些这些颗粒包裹和/或涂覆，
b)产生具有空间型磁场强度的磁场，使得检测区域中产生具有低磁场强度的第一局部区域和具有较高磁场强度的第二局部区域，
c)改变检测区域中这两个局部区域的，尤其是相对的，空间位置，或者改变第一局部区域中的磁场强度使得颗粒的磁化发生局部变化，
d)检测取决于受到该变化影响的检测区域的磁化强度的信号，以及
e)评价信号从而获得有关检测区域中磁性颗粒的空间分布和/或迁移性变化量的信息。
在优选实施方案中，步骤b)在步骤a之前进行或者步骤a)和b)基本同时进行和/或步骤c)至e)至少重复一次。
原则上，根据本发明的方法可以检测任何需要的目标物，无论其组成、稠度、形状或大小，只要能够引入颗粒并且环境允许。通过实施例的方式，根据本发明的方法可以容易地分析液态、粘性和固态受检对象。
根据本发明方法的优选改进方式，可以设定受检对象为聚合物材料，尤其是热塑性聚合物或者共混聚合物，聚合物熔融物、微生物、植物、植物部分、活体或者部分的活体。
可以提供对检测区域内磁性颗粒的迁移性程度的连续或者间隔测定，并且与检测区域的状态变量或性质，尤其是温度、浓度和/或粘性相关联。外壳内磁性颗粒的迁移性可能受到限制，例如在这些颗粒进行(布朗)旋转能力方面。施加磁场后通过旋转的方式使磁性颗粒对齐的能力通常依赖于覆盖层或者覆盖层的粘性和/或外壳的分辨或成像程度。测定磁性颗粒的旋转迁移性从而可以使其能够得出有关该磁性颗粒周围环境或者有关检测区域中状态条件的结论。
根据本发明方法的一种改进方式，同样提供了对成型或固化的聚合物熔融物中的磁性颗粒迁移性程度的连续或者间隔测定，并且与聚合物材料，尤其是热塑性聚合物的固化程度或者熔化程度相关联。
当至少一些磁性颗粒具有各向异性的特性时，所获的效果特别好。
根据本发明的方法利用了不饱和磁性颗粒会受到外部磁场影响，并且其对外部磁场的反应可以检测到的原理。这样，就可以得出有关磁性颗粒所存在环境的结论。在特殊的各向异性的磁性颗粒情况下，当该颗粒没有受到外部的，例如机械的，影响而被阻碍与外部磁场的磁力线方向对齐时，特别容易与所施加的外部磁场发生反应或者相互作用，即反磁化作用。由于检测区域中磁性颗粒的状态在相当程度上依赖于其当前的环境，因而可以精确地测定出，例如该磁性颗粒何时改变其状态或者迁移性提高或降低。根据本发明的方法，通过涂层或覆盖层的方式可以使磁性颗粒固定。这些通常避免了颗粒的反磁化作用，只要其至少部分没有降解或溶解掉。
根据本发明的方法实质上利用了在号为10151778.5的未公开德国专利申请中所述的设置。因此在该设置的优选实施方案方面还参考了该前述专利申请。
通过根据本发明所使用的设置方式在检测区域产生空间不均匀磁场。在第一局部区域中，磁场很弱使得颗粒的磁化强度与外部磁场多少有所不同，即未饱和。该第一局部区域优选为空间相关的区域；其可以是点状区域或者为线性或平面区域。在第二局部区域中(即第一部分外部的其它检测区域)，磁场足够强以使颗粒处于饱和状态。当实际上所有颗粒都大致对齐了外部磁场方向时，磁化强度达到饱和，这样当进一步增强磁场时其中的磁化强度增量大大小于相应增强磁场的第一局部区域中的增量。
通过改变检测区域中这两个局部区域的位置，检测区域中的(总)磁化强度发生改变。因此，如果由此来测量检测区域中受到影响的磁化强度或者物理参数，就能够随后从中得出有关检测区域中磁性颗粒的空间分布的信息。
为了改变检测区域中这两个局部区域的空间位置或者改变第一局部区域中的磁场强度，例如，可以产生一个能够局部改变和/或瞬时产生的磁场。还可以接收并计算通过瞬时改变检测区域中磁化强度而在至少一个线圈中引发的信号值，以便获得有关检测区域中磁性颗粒空间分布的信息。通过尽可能快地改变这两个局部区域的位置就可获得尽可能强烈的信号。用于在检测区域中产生磁场的线圈可以用来检测信号。然而，优选有至少一个特殊线圈用于接收信号。
该局部区域的空间位置改变还可以通过，例如瞬时地改变磁场来进行。在这种情况下，线圈中引发了一个相同的周期性信号。然而，该信号可能不易接收到，因为在检测区域和瞬时改变的磁场中产生的信号会同时起作用；因而不容易区分由磁场引发的信号和通过检测区域中磁化强度改变而产生的信号。然而，通过瞬时改变磁场在第一频率波段对检测区域的作用以及，通过线圈中接收到的信号，计算含有比第一频率波段高的频率成分的第二频率的波段从而获得有关磁性颗粒的空间分布信息，可以避免该缺点。这是利用原理：第二频率波段的频率成分只根据检测区域中磁化强度的变化而产生，以作为非线性磁化强度特征的结果。如果瞬时改变的磁场具有正弦曲线的周期性特征，则第一频率波段仅由单个的频率成分——正弦曲线基波成分构成。对比之下，除了该基波成分之外，第二频率波段还含有高于该正弦曲线基波成分的谐波(称为高次谐波)，其可用于计算过程。
根据本发明该方法的一个优选设置特征在于，用于产生磁场的装置包括梯度线圈设置用以产生梯度磁场，其在检测区域的第一局部区域反向并具有零交叉点。该磁场——如果该梯度线圈设置包括例如两个相同的绕组设置在检测区域的两边但通过相反的电流(Maxwell线圈)的话——在绕组轴向上的位点处为零并且在该位点相对极的两边发生实质上线性的增加。只有在颗粒处于该磁场零点周围区域的情况下磁化强度才不会饱和。当颗粒在该区域以外时，磁化强度处于饱和状态。
一种设置是提供产生瞬时变化磁场叠加于梯度磁场上的装置，以便在检测区域中移动两个局部区域。通过瞬时变化的磁场，由梯度线圈设置产生的该区域在此情况下围绕检测区域中的磁场零点，即第一局部区域移动。如果该磁场有适当的瞬时特征和方向，磁场零点就可以以这种方式穿过整个检测区域。
可以通过适当的线圈设置来接收所述与磁场零点移动相关的磁化强度变化量。用于接收检测区域中产生的信号的线圈可以是已经用来在检测区域产生磁场的线圈。然而，利用至少一个特殊线圈来接收也有好处，因为这样可以与产生瞬时变化磁场的线圈设置去耦。而且，用一个线圈可以获得较高的信噪比——然而许多线圈的情况更是这样。
线圈设置中产生信号的振幅越大，检测区域中磁场零点的位置改变越快，也就是说叠加在梯度磁场上的瞬时变化磁场的变化越快。然而，一方面技术上很难产生这样瞬时变化的磁场，其振幅足以将磁场零点移动到检测区域的位点并且改变速度足够快以产生足够振幅信号。特别适合于此的那些设置具有产生第一和至少第二磁场以叠加在梯度磁场上的装置，其中第一磁场随时间变化慢并且振幅大，而第二磁场随时间变化快并且振幅小。产生以不同速率和不同振幅改变的两个磁场——优选通过两个线圈设置产生。另一个优点是该磁场改变如此之快(例如＞20kHz)以至于其大于人类的可听见度极限。同样可以提供两个在检测区域内基本上彼此垂直的磁场。这使得无磁场位点可以在二维区域内移动。通过具有与这两个磁场垂直的成分的另一个磁场，可以获得在三位区域上的扩展。具有连接着线圈设置下游的过滤器的设置同样也有好处，所述过滤器抑制线圈设置中产生信号中的第一频率波段信号成分，允许通过具有频率成分高于第一频率成分的第二频率波段信号成分。这是利用在磁化强度从不饱和状态过渡到饱和状态的区域中该磁化强度特性为非线性的原理。该非线性特征意味着磁场，例如在非线性范围内频率为f、随时间变化以正弦曲线方式运行的磁场引起了频率为f(基波成分)以及频率f的整数倍(高次谐波)的瞬时变化感应。计算该高次谐波的优点在于，在移动无磁场位点的同时起作用的磁场基波成分对计算没有任何影响。
在十分小型磁场的情况下能够变得饱和的那些磁性颗粒是合适的磁性颗粒。为此，一个必要的前提是磁性颗粒具有最小化的尺寸或者最小化的偶极矩。
合适的磁性颗粒优选尺寸小到和立体象素具有可比性，其磁化强度根据本发明的方法测定。此外，该颗粒的磁化强度优选在磁场的磁场强度尽可能低的情况下达到饱和。为此在分辨率保持相同的各种情况下，需要的磁场强度越低，则空间分辨能力越高而在检测区域产生的(外部)磁场越弱。而且，磁性颗粒应当具有尽可能高的偶极矩和高饱和感应，以便磁场强度的变化使得输出信号尽可能的强烈。当将该方法用于体格检查时，颗粒的无毒性也很重要。
有利的是，磁性颗粒具有各向异性，其足以使颗粒的饱和磁化强度也能通过几何(布朗)旋转实现。特别优选那些同时通过几何旋转和通过Neel旋转发生反磁化作用的磁性颗粒。在这种情况下，已经证明特别有利的是内部各向异性场为至少0.1mT，或优选为至少0.5mT。根据本发明方法的优选改进方式，建议磁性颗粒为各向异性的单畴(monodomain)颗粒。还可以使用具有各向同性和各向异性颗粒的颗粒混合物。
合适的磁性单畴颗粒的优选尺寸是使得其中只形成单个磁畴(单畴)并且不会出现大量白色区域。根据本发明一个特别优选的变形方式，合适的颗粒大小在20nm至大约800nm的范围内，其上限还依赖于所使用的材料。至于单畴颗粒，优选采用磁铁矿(Fe3O4)、磁赤铁矿(γ-Fe2O3)和/或非化学剂量比的磁性铁氧化物。
一般来说，优选该单畴颗粒具有高度有效的各向异性。术语有效的各向异性在此情况下应理解意味着该各向异性是其形式各向异性和平均晶体各向异性的结果。在上述情况下，改变磁化强度方向需要颗粒旋转，也就是说在施加外部磁场基础上的反磁化作用是通过布朗旋转或几何旋转发生的。
根据本发明方法的一个可选择实施方案，可以设定该磁性颗粒为硬或软磁性，特别是硬磁性多畴颗粒。这些多畴颗粒通常为较大的磁性颗粒，其可以形成大量磁畴。这些多畴颗粒优选具有低饱和感应。
硬磁性多畴颗粒基本上具有相同于高度有效的各向异性单畴颗粒的磁性特征。低饱和磁化强度的软磁性多畴颗粒如果具有不对称的外形则特别适用。
适合的硬磁性颗粒包括例如，Al-Ni，Al-Ni-Co，和Fe-Co-V合金还有钡铁氧体(BaO6xFe2O3)。
根据本发明，设定磁性颗粒在施加了外部磁场后变得饱和，尤其是在强度大约为100mT或以下的外部磁场下。当然，更高的饱和磁场强度也适用于根据本发明的方法。
对于许多应用来说，合适的磁场强度甚至在大约10mT或以下。该强度甚至对许多组织或器官检测来说也是足够的。然而，磁场强度在1mT或以下或大约0.1mT或以下的范围内也可以获得很好的测量结果。通过实施例的方式，在大约10mT或以下、大约1mT或以下以及大约0.1mT或以下的磁场强度下，可以高精确度和清晰度地测定浓度、温度或pH值。
在本发明的文中，磁性颗粒在其中为饱和或者变得饱和的外部磁场的用语含义应理解为能达到大约一半饱和磁化强度的磁场。
根据本发明方法的一种优选改进方式的特征在于，所使用的磁性颗粒覆盖层或涂层的材料可以通过电磁辐射或超声和/或机械方式被热、化学、生化地降解或溶解掉。
可以设定用于覆盖层或涂层的材料包括多糖、淀粉，尤其是糊精或环糊精、蜡、油、脂、甘油、凝胶或塑料，尤其是热塑性聚合物或其共混聚合物。
还可进一步设定至少一些磁性颗粒具有由至少一种蛋白质、多肽、抗体和/或有机硅烷构成的涂层或覆盖层。
具有生物降解材料，例如糊精和蛋白质，的磁性颗粒涂层在DE3751918 T2中有所描述。包括有机聚合物的颗粒涂层还在Shen等人，J.Magn.Magn.Mater.1999，194，37页及以后以及Del Gratta等人，Phys.Med.Biol.1995，40，671页及以后中有所描述。磁性颗粒的涂层同样可在EP 186616 A1中找到。
特别适用的方法的特征在于通过以下步骤计算值：
a)在检测区域内为具有低磁场强度的第一局部区域选择移动路径，
b)利用至少第一接收线圈在至少两个，特别是多个外部参数的情况下，通过对照样品记录参照数据，所述对照样品在沿着根据a)的路径的至少一个部位上，特别是多个部位上，
c)就步骤b)中未记录的位点和外部参数对b)中记录的参照数据进行内插和/或外插，
d)测量检测区域内的路径，其顺序与根据步骤b)由至少第一和/或第二接收线圈记录对照样品的数据所使用的顺序相同，以及
e)将根据d)所获得的数据与根据b)和/或c)的参照数据相比较，特别是通过最小方差法。
在此情况下，同样有利的是步骤c)后接着步骤c’)：将步骤b)和/或c)中获得的参照数据转化成用于步骤d)中测量的至少第二接收线圈的特征值。
该方法进一步改进的特征在于还具有步骤f)：将通过步骤e)的比较获得的数据指定为像素的灰度值以给出图像，其相对像素强度表示所测外部参数的度数。
还可进一步具有步骤g)：将步骤f)中获得的图像显示成合成图像。
同样可以将步骤d)和e)的顺序重复至少一次。
在穿过检测区域的梯度场中的弱磁场或无磁场局部区域中，其空间改变量限定了路径。因此称为零点路径。可以通过，例如两个方向不同但频率相同的交变磁场来限定合适的路径，并且可以形成环形路径。或者，这些场的频率比可以为整数倍并使得结构叠加。当(零点)路径形成Lissajous图形时，可以获得特别密集的取样，并因而还可获得检测区域的参照。在检测区域中各个位置上测定的参照数据是在至少两个已知的外部参数例如在检测区域的不同温度或pH值情况下测定的并用于作为参考。对照样品表明了已知磁性状态(例如，颗粒种类、浓度和分布)的检测区域中的区域性质。在实际检测对象和(体外的)对照样品上都可以进行参照或校准，只要该检测区域中的测量条件能够可靠地调节。
如果参考检测区中的磁性颗粒性能和状态已经充分得知并且可以由该检测区域磁性质的一个记录计算出所有需要的参照数据，就可以省略参考数据的记录。
本发明还涉及一种设备，用于空间分辨测定在受检对象的检测区域中物理、化学和/或生物学性质或状态变量，和/或物理、化学和/或生物学性质或状态变量的改变量，包括：
a)产生磁场的装置，其中磁场强度的空间分布使得该检测区域由较低磁场强度的第一子区域和较高磁场强度的第二子区域构成，
b)改变检测区域中两个子区域的空间位置的装置，使得颗粒的磁化强度发生局部改变，
c)用于获得信号的装置，所述信号依赖于检测区域中受到该改变影响的磁化强度，
d)计算所述信号从而获得有关检测区域中信号空间分布信息的装置，以及
e)优选根据上述方法进行校准测量的装置，包括记录对照样品的参照数据的装置，以及将步骤c和/或d中获得的信号与参照数据相比较的装置，用以计算检测区域中有关原位、物理、化学和/或生物学特性或状态变量的空间分辨信息。
本发明进一步涉及一种功能化磁性颗粒组合物，用于利用磁性颗粒成像技术对检测区域中的理化参数成像，包括涂覆了功能性涂层材料的磁性颗粒，所述功能性涂层材料在暴露于检测区域中主要的条件下时理化性质会发生改变，使得检测区域中的该磁性颗粒的迁移性和/或旋转自由度根据和/或一定程度上根据理化条件而改变。术语理化具有十分广泛的含义，并且还包括例如生物、生化、微生物、地质、形态、遗传、加工技术等等。
根本原理是，在迁移性、特别是旋转迁移性上受到限制的磁性颗粒在磁性颗粒成像技术中对所施加的外部磁场的反应不同于没有受到限制的磁性颗粒。在检测区域可以去除掉功能性涂层以减小对迁移性的限制。相反，功能性涂层可以具有所述功能以确保在检测区域中形成对迁移性的限制。磁性颗粒上的功能性涂层材料可根据检测区域中所要检测的特定理化特性来选择。在功能性涂层材料与检测区域中的特定条件反应、并且磁性颗粒的迁移性发生变化的检测区域部分中，与较少或没有变化的检测区域的那些部分相比，成像技术中的对比度可以得到。以这种方式，功能性涂层可用于区别和成像不同的物理化学环境，如根据本发明的功能化磁性颗粒组合物的各种实施方案中所述。
在优选的实施方案中，改变、特别是至少部分去除掉颗粒涂层的改变会导致磁性颗粒的旋转自由度增加。在这种情况下，在进入检测区域之前，该磁性颗粒的几何旋转受到阻碍，而在改变功能性涂层之后，该磁性颗粒的几何旋转自由度提高。由于该磁性颗粒优选为具有各向异性的单畴颗粒，因而通过几何旋转至少部分磁化强度反向。功能化磁性颗粒组合物优选包括作为单畴颗粒的磁性颗粒，其具有至少0.1mT，优选至少0.5mT的内部各向异性场，和/或其中组合物在至少0.1mT，优选至少0.5mT的磁化曲线的滞后回线中具有开口。例如当组合物中的大多数颗粒的易磁化轴与外部磁场的方向对齐时，存在滞后回线开口。还必须足够迅速地测量该滞后回线以避免颗粒的几何旋转。
功能化磁性颗粒组合物的另一个实施方案是用于对检测区域中的温度成像，其中该功能性涂层具有依赖于检测区域中目标温度范围内温度的粘性。对于活体物质的体内检测来说，目标温度窗口在30至50摄氏度之间。在该实施方案下，磁性颗粒具有较高的旋转迁移性，因而在不同的温度下对外部磁场表现出不同的响应。特别是在粘度随温度降低的情况下，检测区域中的高温部分对外部磁场会表现出较高的响应。
在根据本发明用于检测区域温度成像的功能化磁性颗粒组合物的选择性实施方案中，该功能性涂层为熔化温度在检测区域的目标温度窗口内的材料。更优选的是，该颗粒组合物包括至少两个不同部分的混合物，这两个部分具有不同熔化温度的不同功能性涂层。在该实施方案中，当检测区域中的温度升高到该功能性涂层的熔化温度以上并且涂层的粘性急剧降低时，磁性颗粒恢复了较高的旋转迁移性。
该技术可以十分准确地测量检测区域的温度。原则上，可以以高达大约0.1摄氏度的精确度测量温差。根据检测的特定对象，功能化磁性颗粒组合物的组成可以这样选择，使其包括特定的目标温度范围。温差在五甚至于两或一摄氏度范围内都可以利用根据本发明的功能化磁性颗粒组合物的成像技术看到。优选在实际测量之前，进行校准以使该成像技术获得的相关信号和已知温度建立关系。
对于活有机体内的温度研究来说，一种或多种不同的功能性涂层材料的熔化温度优选在30至50℃之间。为达到此目的，适当的涂层材料例如有石蜡、糖或者低分子量的脂肪族羧酸。通过采用多种不同的纯化合物、或者以不同百分比采用两种或多种不同化合物的混合物可形成熔化温度差。例如，以不同百分比混合两种不同分子量的石蜡可以形成不同的熔化温度范围。
在另一个实施方案中，提供了一种对检测区域中的pH值成像的功能化磁性颗粒组合物，其中功能性涂层包括以依赖于检测区域内周围介质pH值的速率溶解或降解的材料。各种不同的功能性涂层材料可拟用于该目的。例如，该功能性涂层包括能以依赖于水溶液介质pH值的速率水解在水溶液介质中的可水解涂层材料，例如氨基酸。
还有另一个实施方案中，提供了一种功能化磁性颗粒组合物，其中磁性颗粒涂覆着的材料含有能与检测区域中特异性目标分子反应的官能团，其中该磁性颗粒在连接到目标分子之后迁移性降低，尤其是旋转迁移性降低，以至于在含有和不含特异性目标分子的区域之间的磁性颗粒图像上产生对比度。这就在临床诊断和治疗中开辟了广泛的可应用范围。在该实施方案中，磁性颗粒的迁移性，尤其是旋转迁移性在该磁性颗粒的官能团与检测区域中的目标分子连接之后受到了限制，因而与那些磁性颗粒未与所述目标分子连接的检测区域部分形成了对比度。
所述官能团可以是，例如特异性氨基酸，目标分子为酶。在另一个实施方案中，官能团为DNA或RNA链或者互补序列和/或能够与目标DNA或RNA结合。而在另一个实施方案中目标分子为抗体。
在本发明的另一个实施方案中，提供了用于检测在检测区域中的酶活性的功能化磁性颗粒组合物，其中所述磁性颗粒涂覆了能被目标酶酶促降解的材料，尤其是蛋白质。
一般来说，在磁性颗粒辅助组合物中的磁性颗粒应如此选择，使得在给定的梯度场中可以获得良好的磁性颗粒图像，尤其是良好的分辨率。在号为10151778.5的未公开德国专利申请中，描述了一种磁性颗粒成像的方法。其中主要描述了可以将尺寸在20至800纳米之间的磁性单畴颗粒或者涂覆有磁性涂层的玻璃珠用在该方法中。然而，为了在较弱的梯度磁场中达到良好的磁性成像对比度和分辨率，非常需要改良磁性颗粒组合物。发明者已经发现具有改良磁性颗粒成像特性的磁性颗粒。
优选地，在该磁性颗粒辅助组合物中的磁性颗粒具有步阶变化的磁化曲线，该步阶变化的特征在于，如在水溶液悬浮液中所测得，在所述步阶变化的拐点附近幅值Δ的第一场强窗口中的磁化改变量至少是比第一场强窗口低和/或高的幅值Δ场强窗口中的磁化改变量的3倍高，其中Δ小于2000微特斯拉(microtesla)，优选小于1000微特斯拉，并且其中磁化步阶变化在第一Δ窗口中完成的时间小于0.01秒，优选小于0.005秒，更优选小于0.001，最优选小于0.0005秒。已经发现这种磁性颗粒尤其适用于磁性颗粒成像，特别是用于获得良好的图像分辨率。进一步优选的是，在该磁性颗粒组合物所具有的磁化曲线中，在1特斯拉的外部磁场下测得的步阶变化量为颗粒组合物总磁化强度的至少10％，优选至少为20％，更优选为至少30％，最优选为50％。进一步优选的是，在所述步阶变化的拐点附近幅值Δ的第一场强窗口中的磁化强度改变量至少是比第一场强窗口低或高的幅值Δ场强窗口中的磁化强度改变量的4倍高，优选至少5倍高。
该磁性颗粒组合物特别适用于磁性颗粒成像技术。该颗粒在相对较弱的梯度场强中表现出良好的空间分辨率。而且，该磁性颗粒组合物允许用较高的扫描速度检测较大的检测区域。例如，对于医疗磁性颗粒成像的应用来说，在步阶变化优选出现在1000微特斯拉以下的Δ值处，梯度磁场强度在10至0.1T/m之间时，该颗粒组合物具有高于0.1至10mm之间的分辨率值。利用根据本发明的磁性颗粒组合物的磁性颗粒成像技术，可以获得极好的分辨率，例如在可达到十分强磁场梯度的应用中，如显微技术中，可达0.1至10微米范围。值得注意的是，严格来讲，磁场强度是以H(A/m)表示。然而在本申请中，当涉及磁场强度时，指的是B场(B-field)。2000μT如上所述的磁场B相当于2mT/μ0＝1.6kA/m的H场，即在真空中可产生2mT的B场的等价H场。
优选地，根据本发明的功能化磁性颗粒组合物以及根据本发明如上所述的方法包括，能满足根据本发明如上所述的磁性颗粒组合物的特定步阶变化所需的磁性颗粒。
用于测量磁化曲线以及所需步阶变化量的方法如下。将磁性颗粒组合物样品悬浮在水中，可选择性地借助于简单的洗涤剂。为防止该磁性颗粒聚集和/或使其解聚，可以使用可能的超声处理。磁性颗粒组合物的浓度小于0.01gr核心质量每升溶剂。核心质量的意思是磁性颗粒组合物中磁性材料的质量。将该悬浮液引入快速磁强仪中。(即一种在施加了外部场时测量样品磁化强度的装置)。合适的快速磁强仪对专业人员是已知的。该磁强仪装备有可以在样品位置处以至少两个正交方向同时产生外部场的装置，即其可以产生低于给定的最大幅值和给定的最大变化速度的任何磁场。磁化强度也可以在同一平面内的至少两个正交方向上测量。
首先测量饱和磁化强度。为此，在一个方向上施加大约一特斯拉的磁场，并在至少10秒后测量磁化强度值。然后开始测定步阶变化量的测量过程。在该过程开始时选择外部场幅值在20mT以下的场矢量。该场最多施加100秒。然后选择第二方向。该方向限定了场H以及磁化强度M的标量值。该场迅速地改变着，优选小于1毫秒，使其当前处于-H方向，一些幅值小于20mT。然后将该场从-H变为+H，例如以线性方式改变，记录(当前标量的，即投影的)磁化强度。在小于0.01s但多于1μs的时间内记录磁化曲线。在磁化曲线表示步阶变化量之处，将尺寸Δ的第一窗口设置于磁化步阶变化的拐点中央。类似地，将尺寸Δ的窗口设置在第一窗口以下或以上，并通过测定每个窗口中的磁化强度变化来计算所需的步阶变化值。
无论是否给定的磁性颗粒组合物具有所需的步阶变化量，都以复杂的方式取决于许多变量，例如颗粒大小，颗粒大小分布，颗粒形状，Neel旋转的阻尼常数，磁性材料的种类，磁性材料组合物的结晶度和化学计量。我们发现尤其重要的是颗粒组合物的颗粒大小分布范围要窄。优选的是，根据本发明的磁性颗粒组合物具有较窄的颗粒大小分布范围，其中至少50％重量的颗粒的颗粒尺寸在平均颗粒尺寸的正负50％之间，优选25％之间，更优选10％之间。优选地，在特定窗口内的颗粒数量占至少70wt％，优选至少80wt％，最优选至少90wt％。采用具有较低的磁各向异性的单畴颗粒，以及用于引起基本低于10mT，优选低于5mT，更优选低于2mT的Neel旋转所需的场可获得特别好的效果。优选地，该磁性颗粒为平均颗粒尺寸在20至80纳米之间，更优选在25至70纳米之间，最优选在30至60纳米之间的单畴颗粒，其中至少50，优选至少60，更优选至少70重量％的颗粒的颗粒尺寸在平均颗粒尺寸的正负10纳米之间。
在根据本发明的磁性颗粒组合物的可选择实施方案中，磁性颗粒为退磁因子小于0.001、大致呈针状的多畴颗粒。这种磁性颗粒组合物特别适用于针状外形不再在缺点的非医疗应用中。在另一个可选择实施方案中，根据本发明的磁性颗粒组合物包括含有覆盖了磁性涂层材料的非磁性核心的磁性颗粒，其中该涂层的厚度在5至80纳米之间，而其中退磁因子小于0.01，直径小于300μm。同样，在这些可选择实施方案中，优选具有小颗粒尺寸分布，如所上述。这些实施方案中的磁性颗粒的物理参数优选能满足如上所述的步阶变化量的需要，以便达到良好的成像性能。
根据本发明的磁性颗粒组合物可以由第一成型磁性颗粒制成，例如通过沉淀过程，例如通过将含有亚铁和铁离子的溶液与含有氢氧化钠的溶液接触，如上所述。原则上，可以采用已知的沉淀方法。还可以从大块材料研磨出颗粒，例如采用高速球磨机。获得良好磁性颗粒组合物的下一个必要步骤是选择和分离颗粒。第一步是通过过滤和/或离心方法进行尺寸选择过程。下一步是进行基于颗粒的磁性特性的选择过程，例如利用振荡梯度磁场。
本发明是基于布朗(Brown’s)的时间常数的惊人理论，即检测区域中磁性颗粒的几何、旋转可以被精确的测定，并且还以局部分隔的方式，结果使通过简单的设备就能获得有关检测区域中物理、化学和/或生物学参数的可靠信息。为此，足以将预先涂覆的磁性颗粒引入检测区域，并监测该磁性颗粒的涂层或覆盖层如何降解或溶解和/或该涂层或覆盖层降解或溶解的影响变量。而且，可以确定是否以及在何种条件下涂层或覆盖层膨胀或尺寸增大，并因而改变所包裹的磁性颗粒的迁移性。其进一步的有利之处在于可以实时检测在检测区域中的磁性颗粒的迁移性。最后，根据本发明的方法的优点是可以以很高的空间分辨率获得有关检测区域或其部分中的物理、化学和/或生物学信息。这既涉及生物对象检测又涉及非生物对象检测。
在上述说明书以及权利要求中所公开的本发明的特征对于单独地或者以任何预期组合的形式实现本发明的各种实施方案可能是必要的。

Claims (35)

1.一种方法，用于空间分辨测定在受检对象的被检测区域中物理、化学和/或生物学特性或者状态变量，特别是物质浓度、温度、pH值和/或物理场，和/或这些物理、化学和/或生物学特性或状态变量的变化，其是通过测定该检测区域或其部分中磁性颗粒的空间分布和/或迁移性，尤其是旋转迁移性的变化量，作为物理、化学和/或生物影响变量对至少局部区域作用的函数，和/或在物理、化学和/或生物条件下在检测区域的至少局部区域中作用的函数，通过以下步骤：
a)将至少部分包裹和/或涂覆了至少一层固态、粘性和/或液态外壳或涂层的磁性颗粒引入至少部分检测区域中，和/或将磁性颗粒引入至少部分检测区域中以及包裹和/或涂覆检测区域中的至少一些这些颗粒，
b)产生具有空间型磁场强度的磁场，使得检测区域中产生具有低磁场强度的第一局部区域和具有较高磁场强度的第二局部区域，
c)改变检测区域中这两个局部区域的，尤其是相对的，空间位置，或者改变第一局部区域中的磁场强度使得颗粒的磁化强度发生局部变化，
d)检测取决于受到该变化影响的检测区域磁化强度的信号，以及
e)评价信号从而获得有关检测区域中磁性颗粒的空间分布和/或迁移性变化量的信息。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b)在步骤a之前进行或者步骤a)和b)基本同时进行和/或步骤c)至e)至少重复一次。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述受检对象为聚合物材料，尤其是热塑性聚合物或者共混聚合物，聚合物熔融物、微生物、植物、植物部分、活体或者部分的活体。
4.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于对所述检测区域内磁性颗粒的迁移性程度连续地或者间隔地测定，并且与检测区域的状态变量或性质，尤其是温度、浓度和/或粘性相关联。
5.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于对成型或固化的聚合物熔融物中的磁性颗粒迁移性程度连续地或者间隔地测定，并且与聚合物材料，尤其是热塑性聚合物的固化程度或者熔化程度相关联。
6.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于至少一些磁性颗粒具有各向异性的特性。
7.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于所述磁性颗粒的有效各向异性足够大，足以使颗粒通过几何旋转(布朗)和通过Neel旋转发生反磁化作用。
8.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于所述磁性颗粒为单畴颗粒，其通过布朗旋转和Neel旋转的方式发生反磁化作用。
9.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于所述磁性颗粒为硬或软磁性多畴颗粒。
10.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于所述磁性颗粒包括硬磁性材料。
11.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于所述硬磁性材料包括Al-Ni，Al-Ni-Co，和Fe-Co-V合金还有钡铁氧体(BaO6xFe2O3)。
12.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于用于覆盖层或涂层的材料可以通过电磁辐射或超声和/或机械方式被热、化学、生化地降解或溶解掉。
13.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于用于覆盖层或涂层的材料包括多糖、淀粉，尤其是糊精或环糊精、蜡、油、脂、甘油、凝胶或塑料，尤其是热塑性聚合物或其共混聚合物。
14.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于至少一些磁性颗粒具有由至少一种蛋白质、多肽、抗体和/或有机硅烷构成的涂层或覆盖层。
15.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于所述计算过程通过以下步骤进行：
a)在检测区域内为具有低磁场强度的第一局部区域选择移动路径，
b)利用至少第一接收线圈在至少两个，特别是多个外部参数的情况下，通过对照样品记录参照数据，所述对照样品在沿着根据a)的路径的至少一个部位上，特别是多个部位上，
c)就步骤b)中未记录的位点和外部参数对b)中记录的参照数据进行内插和/或外插，
d)测量检测区域内的路径，其顺序与根据步骤b)由至少第一和/或第二接收线圈记录对照样品的数据所使用的顺序相同，以及
e)将根据d)所获得的数据与根据b)和/或c)的参照数据相比较，特别是通过最小方差法。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于步骤c)后接着步骤c’)：将步骤b)和/或c)中获得的参照数据转化成用于步骤d)中测量的至少第二接收线圈的特征。
17.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于还具有步骤f)：将通过步骤e)的比较获得的数据指定为像素的灰度值以给出图像，其相对像素强度表示所测外部参数的度数。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于进一步具有步骤g)：将步骤f)中获得的图像显示成合成图像。
19.如权利要求15至18任一项所述的方法，其特征在于将步骤d)和e)的顺序重复至少一次。
20.功能化磁性颗粒组合物，用于利用磁性颗粒成像技术对检测区域中的理化参数成像，包括涂覆了功能性涂层材料的磁性颗粒，所述功能性涂层材料在暴露于检测区域中主要的条件下时理化性质会发生改变，使得检测区域中的该磁性颗粒的迁移性和/或旋转自由度根据和/或一定程度上根据理化条件而改变。
21.根据权利要求20所述的功能化磁性颗粒组合物，其中所述磁性颗粒为具有各向异性的单畴颗粒，其由于几何旋转至少部分发生反磁化作用。
22.根据权利要求21所述的功能化磁性颗粒组合物，其中所述磁性颗粒为单畴颗粒，具有至少0.1mT，优选至少0.5mT的内部各向异性场，和/或其中所述组合物在至少0.1mT，优选在至少0.5mT条件下的磁化曲线的滞后回线中具有开口。
23.根据权利要求20至22所述的功能化磁性颗粒组合物，用于对检测区域中的温度成像，其中所述功能性涂层具有依赖于检测区域中目标温度范围内温度的粘性
24.根据权利要求20至22所述的功能化磁性颗粒组合物，用于检测区域内温度成像，其中所述功能性涂层为熔化温度在检测区域的目标温度窗口内的材料。
25.根据权利要求24所述的功能化磁性颗粒组合物，用于检测区域内温度成像，其中所述颗粒组合物包括至少两个不同部分的混合物，这两个部分具有不同熔化温度的不同功能性涂层。
26.根据权利要求24至25所述的功能化磁性颗粒组合物，其中所述检测区域为活有机体，所述功能性涂层材料的熔化温度优选在30至50℃之间。
27.根据权利要求20至22所述的功能化磁性颗粒组合物，用于对检测区域中的pH值成像，其中所述功能性涂层包括能以依赖于水基介质pH值的速率水解在水基介质中的可水解涂层材料，例如氨基酸。
28.根据权利要求20至22所述的功能化磁性颗粒组合物，其中所述磁性颗粒涂覆着的材料含有能与检测区域中特异性目标分子反应的官能团，其中该磁性颗粒在连接到目标分子之后旋转迁移性降低，以至于在含有和不含特异性目标分子的区域之间的磁性颗粒图像上产生对比度。
29.根据权利要求28所述的功能化磁性颗粒组合物，其中所述官能团为特异性氨基酸，所述目标分子为酶。
30.根据权利要求28所述的功能化磁性颗粒组合物，其中所述官能团为DNA或RNA链或者互补序列和/或能够与目标DNA或RNA结合。
31.根据权利要求28所述的功能化磁性颗粒组合物，其中所述目标分子为抗体。
32.根据权利要求20至23所述的功能化磁性颗粒组合物，用于检测在检测区域中的酶活性，其中所述磁性颗粒涂覆了能被目标酶酶促降解的材料，尤其是蛋白质。
33.具有步阶变化的磁化曲线的磁性颗粒组合物，所述步阶变化的特征在于，如在水基悬浮液中所测得，在所述步阶变化的拐点附近幅值Δ的第一场强窗口中的磁化改变量至少是比第一场强窗口低和/或高的幅值Δ场强窗口中的磁化改变量的3倍高，其中Δ小于2000微特斯拉，并且其中磁化步阶变化在第一Δ窗口中完成的时间小于0.01秒。
34.根据权利要求20至33所述的功能化磁性颗粒组合物，所述磁性颗粒是根据权利要求33的磁性颗粒组合物。
35.一种设备，用于空间分辨测定在受检对象的检测区域中物理、化学和/或生物学性质或状态变量，和/或物理、化学和/或生物学性质或状态变量的改变量，包括：
a)产生磁场的装置，其中磁场强度的空间分布使得该检测区域由较低磁场强度的第一子区域和较高磁场强度的第二子区域构成，
b)改变检测区域中两个子区域的空间位置的装置，使得颗粒的磁化强度发生局部改变，
c)用于获得信号的装置，所述信号依赖于检测区域中受到该改变影响的磁化强度，
d)计算所述信号从而获得有关检测区域中信号空间分布信息的装置，以及
e)如方法权利要求15至19进行校准测量的装置，包括记录对照样品的参照数据的装置，以及将步骤c和/或d中获得的信号与参照数据相比较的装置，用以计算检测区域中有关原位、物理、化学和/或生物学特性或状态变量的空间分辨信息。
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