DE102010011936B4

DE102010011936B4 - Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung von geometrischen, magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften magnetischer, dielektrischer und/oder elektrisch leitfähiger Partikel in einer Probe

Info

Publication number: DE102010011936B4
Application number: DE102010011936.9A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Schilling Meinhard; Dr. Ludwig Frank; Dipl.-Ing. Wawrzik Thilo
Original assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Current assignee: TECHNISCHE UNIVERSITAET BRAUNSCHWEIG, DE
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2030-03-19
Also published as: DE102010011936A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung von geometrischen, magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften magnetischer, dielektrischer und/oder elektrisch leitfähiger Partikel in einer Probe (3) mit den Schritten: a) Durchführen einer ersten Messung mit a1) Einkoppeln eines elektrischen und/oder magnetischen Wechselfelds (20) mit einer ersten Frequenz in die Probe (3), a2) Empfangen des von der Probe (3) abgestrahlten elektrischen und/oder magnetischen Wechselfelds (22) als erstes Empfangssignal, b) Durchführen einer zweiten Messung nach der ersten Messung mit b1) Einkoppeln eines elektrischen und/oder magnetischen Wechselfelds (20) mit einer zweiten Frequenz in die Probe (3), wobei die zweite Frequenz ungleich der ersten Frequenz ist, nach Beendigung des Einkoppelns des Wechselfelds mit der ersten Frequenz, b2) Empfangen des von der Probe (3) abgestrahlten elektrischen und/oder magnetischen Wechselfelds (22) als zweites Empfangssignal, c) Bestimmen eines ersten Frequenzspektrums (24) aus dem ersten Empfangssignal und eines zweiten Frequenzspektrums aus dem zweiten Empfangssignal, d) Bestimmen von geometrischen, magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften der magnetischen, dielektrischen und/oder elektrisch leitfähigen Partikel in der Probe (3) aus dem ersten und dem zweiten Frequenzspektrum (24) durch vergleichende Auswertung dieser Frequenzspektren (24).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von geometrischen, magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften magnetischer, dielektrischer und/oder elektrisch leitfähiger Partikel in einer Probe gemäß dem Anspruch 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Einrichtung zur Ausführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Anspruch 8.
Die Erfindung betrifft generell die Verwendung magnetischer, dielektrischer und/oder elektrisch leitfähiger Partikel, insbesondere Nanopartikel, für Untersuchungsverfahren verschiedenster Art. Bei verschiedenen bekannten Verfahren wird z. B. die Verwendung magnetischer Nanopartikel vorgeschlagen. Die nachfolgend beschriebene Erfindung ist jedoch auch für die Verwendung dielektrischer und/oder elektrisch leitfähiger Partikel oder Mischungen aus solchen Partikeln geeignet.
Magnetische Nanopartikel (MNP), insbesondere superparamagnetische Eisenoxyd-Nanopartikel, werden üblicherweise als Kontrastmittel für die Kernspintomografie verwendet. Vor kurzem wurde eine neue bildgebende Methode eingeführt, die in der Lage ist, Echtzeit-Schnappschüsse einer räumlichen Verteilung magnetischer Nanopartikel zu messen [Gleich B, Weizenecker J (2005) Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles. Nature 435: 1214–1217]. Diese so genannte Magnetic Particle Imaging (MPI) Methode beruht auf der nichtlinearen Magnetisierungskurve der Partikel, was zum Entstehen von Harmonischen bei einem sinusförmigen Anregungsfeld führt. Ein Magnetisches Partikel-Spektrometer (MPS) nutzt den gleichen Ansatz aus, d. h. die Charakterierung der MNP-Probe basiert auf der Analyse der Harmonischen, die durch die MNP-Probe entstehen. Es ist demonstriert worden [Biederer S, et. al. (2009) Magnetization response spectroscopy of superparamagnetic nanoparticles for magnetic particle imaging. JAP D 42], dass ein solches Messsystem zur Messung der Generation von Harmonischen eingesetzt werden kann. Durch Anwendung eines mathematischen Modells, das die Signalkette und das Magnetisierungsverhalten der Partikel beschreibt, ist es möglich, die Größenverteilung der Partikel durch Anpassung des Modells an das gemessenen Signalspektrum zu bestimmen.
So ist beispielsweise aus der WO 2006/064405 A1 oder der DE 10 2007 009 210 A1 ein bildgebendes tomografisches Verfahren bekannt. Dort wird vorgeschlagen, eine Probe mit einem magnetischen Wechselfeld zu beaufschlagen, wobei das magnetische Wechselfeld gleichzeitig mit zwei benachbarten Frequenzen moduliert ist.
Aus der Veröffentlichung „Viscous effects on nanoparticle magnetization harmonics”, Adam M. Rauwerding, John B. Weaver, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 322 (2010), 609–613, gehen Untersuchungen über den Einfluss der Viskosität von Medien, die magnetische Nanopartikel umgeben, hervor.
Aus der Veröffentlichung „Opitmization of nanoparticle core size for magnetic particle imaging”, R. Matthew Ferguson, Kevin R. Minard, Kannan M. Krishnan, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 321 (2009), 1548–1551, gehen Untersuchungen und mathematische Modellierungen hervor, um die Größe magnetischer Nanopartikel für Zwecke der Bildgebung zu optimieren.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Differenzierung von Eigenschaften magnetischer, dielektrischer und/oder elektrisch leitfähiger Partikel in einer Probe zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 8 angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die hinsichtlich ihrer Eigenschaften zu bestimmenden Partikel in einer Probe auf Veränderungen der auf sie einwirkenden Parameter je nach Partikelart und -größe unterschiedlich reagieren. So können beispielsweise größere magnetische Partikel einer Umkehrung des Magnetfelds weniger schnell folgen als kleine magnetisierbare Partikel. Bei Anlegen eines magnetischen Wechselfelds mit einer geringen Frequenz können daher bei entsprechender Frequenzwahl alle magnetischen Partikel in einer Probe dem Polaritätswechsel des Wechselfelds folgen. Bei einer Erhöhung der Frequenz können größere Partikel nicht mehr vollständig folgen, die kleineren können jedoch weiterhin folgen. Gemäß der Erfindung wird daher ein Messvorgang mit wenigstens zwei nacheinander folgenden Messungen vorgeschlagen. In einer ersten Messung wird ein Wechselfeld mit einer ersten Frequenz in die Probe eingekoppelt und ein abgestrahltes Wechselfeld empfangen. Danach wird ein Wechselfeld mit einer zweiten, anderen Frequenz in die Probe eingekoppelt und das hieraus resultierende, abgestrahlte Wechselfeld empfangen. Die empfangenen Signale werden als Frequenzspektren ausgewertet, z. B. durch Umwandlung der Empfangssignale mittels Fouriertransformation in den Frequenzbereich. Bei der Auswertung der Frequenzspektren ist es möglich, z. B. zwischen kleineren und größeren magnetischen Partikeln zu differenzieren, da diese unterschiedliche Reaktionsgeschwindigkeiten auf Ummagnetisierungen haben, was sich in Veränderungen der Amplituden der harmonischen Oberwellen in charakteristischer Weise zeigt.
Insgesamt wird hiermit ein dynamisches Modell zur Bestimmung der Eigenschaften der Partikel vorgeschlagen.
Im Vergleich zum Stand der Technik werden somit wenigstens zwei unterschiedliche Frequenzen derart verwendet, dass die resultierenden, d. h. die von der Probe abgestrahlten, Oberwellenspektren sich betraglich und/oder in der Phase signifikant unterscheiden.
Als Probe sei in diesem Zusammenhang jedes Objekt verstanden, das untersuchbare magnetische, dielektrische und/oder elektrisch leitfähige Partikel aufweist.
Neben den geometrischen Eigenschaften, wie z. B. Größe der Partikel, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch zwischen weiteren Eigenschaften differenziert werden, wie z. B. die Relaxationszeit bei der Ummagnetisierung, die Aggregation von Partikeln mit anderen Stoffen in der Umgebung, wie z. B. die Aggregation magnetischer Partikel mit biologischen Zellen im Rahmen biologischer Untersuchungen.
Als Anregung wird z. B. ein sinusförmiges Anregungsfeld mit hoher Linearität erzeugt, welches z. B. durch Aufbau eines Resonanzkreises erzeugt werden kann. Die Erfindung kann aber mit Wechselfeldern von grundsätzlich beliebiger Kurvenform realisiert werden. Das eingekoppelte Wechselfeld kann beispielsweise einen rein sinusförmigen Zeitverlauf der Amplitude aufweisen. Vorteilhaft kann auch ein Dreieck- oder Rechtecksignal als Wechselfeld in die Probe eingekoppelt werden. Hierbei bezieht sich die anspruchsgemäße erste oder zweite Frequenz bzw. die weiteren Frequenzen auf die Grundfrequenz des Wechselfelds, d. h. auf die erste Harmonische. Typische Grundfrequenzen liegen im Bereich von einigen Kilohertz.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich vorteilhaft auch mit Intermodulationsverfahren, wie z. B. aus der DE 10 2007 009 210 A1 , kombinieren. Vorteilhaft wird dabei der Abstand zwischen der gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten ersten Frequenz und der zweiten Frequenz deutlich größer gewählt als der Abstand zweier möglicher Intermodulationsfrequenzen.
Die Dynamik, d. h. das zeitliche Magnetisierungsverhalten der Partikel, wird durch ein Gradientenfeld, wie es beim Magnetic Particle Imaging verwendet wird, beeinflusst. Die Erfindung kann daher besonders vorteilhaft mit dem Magnetic Particle Imaging kombiniert werden. Gemäß der Erfindung unterscheiden sich insbesondere die Zeitkonstanten in der Nähe des feldfreien Punktes (FFP) und der Peripherie. Das Empfangssignal von der Probe umfasst eine Überlagerung der Feldgeometrie und der Größenverteilung der magnetischen Partikel.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die erste Frequenz, die zweite Frequenz und/oder die weiteren Frequenzen in der Nähe oder oberhalb der charakteristischen Zeitkonstanten der Partikel gewählt. Insbesondere bei vielen Brown-Partikeln sind typische charakteristische Zeitkonstanten vorhanden. Hiermit lässt sich neben einem Betragskontrast auch ein aus einer verzögerten Antwort im Empfangssignal resultierender Phasenkontrast ermitteln.
MPS wird für die Analyse der Kerneigenschaften, inkl. der Kerngrößenverteilung, einer magnetischen Probe verwendet. MPS ist jedoch auch für die Charakterisierung der hydrodynamischen Eigenschaften von MNPs einsetzbar. Zu diesem Zweck wird ein erweiterter MPS-Aufbau vorgeschlagen, der die parameterabhängige Messung von Harmonischen, abhängig von Amplitude und Frequenz des Anregungsfelds sowie Amplitude eines statischen Hintergrundfelds, erlaubt.
Bisher ist ein Magnetisierungsmodell für die Anpassung an die Messergebnisse verwendet worden, das auf der Langevin-Funktion basiert. Dieses Basismodell schließt die Amplitude des Anregungsfelds und das statische Hintergrundfeld ein. Für den erweiterten MPS-Aufbau wird ein erweitertes Modell vorgeschlagen, das die Magnetisierungsdynamik mit einschließt, was es erlaubt, die Frequenzabhängigkeit der Generierung von Harmonischen als zusätzlichen Parameter zu verwenden. Auf diesem Modell basierend kann eine multivariate Anpassroutine, auf dem Levenberg-Marquardt beruhend, eingesetzt werden, um die Eigenschaften der magnetischen Kerne sowie die hydrodynamischen Eigenschaften zu beschreiben. Die zusätzlichen Parameter in den Messungen und im damit verbundenen Modell liefern eine höhere Stabilität der Anpassergebnisse und im Vergleich mit dem einfachen MPS-System mehr Eigenschaften der MNPs.
Ein Modell zur Beschreibung der dynamischen Magnetisierung umfasst

(a) die nichtlineare Magnetisierungskennlinie M(H) bzw. das Sättigungsverhalten sowie
(b) das Zeit- bzw. Frequenzverhalten M(ω) der Probe.

In guter Näherung kann das Sättigungsverhalten dabei durch die Langevin-Funktion für superparamagnetische Partikel beschrieben werden. Das dynamische Verhalten der Partikel wird mit Hilfe der Debye-Theorie linear genähert. Im einfachen Fall einer frequenzerweiterten Langevin-Funktion kann das Modell z. B. wie folgt formuliert werden:
Für reale Proben ist dabei außerdem die Größenverteilung der Partikel zu berücksichtigen. Dafür kann eine logarithmische Normalverteilung angenommen werden. Die Magnetisierung kann dann durch Integration des Modells über Kernvolumen und hydrodynamisches Volumen beschrieben werden.
Formelzeichen

Verdünnung der Probe ϕ
Sättigungsmagnetisierung M_S
Anregungsfrequenz ω = 2πf
Magn. Moment der Probe m
Vakuum-Permeabilität μ₀
Magnetfeld H = H_AC + H_DC (Gleich- und Wechselfeld)
Effektive Zeitkonstante
Brown Zeitkonstante
Neel Zeitkonstante
Viskosität η
Boltzmann-Konstante k_B
Temperatur T
Anisotropiekonstante K
Volumen des magn. Kerns V_K
Hydrodynamisches Volumen V_H

Die Erfindung erlaubt somit eine besser differenzierte Untersuchung magnetischer Nanopartikel. Die Partikel besitzen nichtlineare (makroskopische) magnetische Eigenschaften. Die Magnetisierungskennlinie M(H) ist z. B. beschreibbar durch die Langevin-Funktion. Das dynamische Verhalten der Partikel lässt sich durch Brown- und Neel-Relaxation mit deren charakteristischen Zeitkonstanten beschreiben. Die Nichtlinearität der M(H)-Kennlinie führt bei hinreichend großer Anregungsamplitude zur Ausbildung von Harmonischen. Die Harmonischen werden in Abhängigkeit von Anregungsfrequenz und ggf. weiteren Parameter wie Anregungsfeldstärke, Stärke des statischen Magnetfelds, Stärke des statischen elektrischen Felds und der Temperatur gemessen. Die Detektion erfolgt z. B. durch Induktionsspulen oder Magnetfeldsensoren und liefert Betrag und Phase bezüglich des Anregungssignals.
Das z. B. durch Fourier-Transformation gewonnene Frequenzspektrum des resultierenden Signals enthält Informationen über:

– räumliche Verteilung der Partikel
– Größenverteilung der magnetischen Kerne
– Hydrodynamische Größenverteilung (umfasst neben dem Kern des Partikels auch dessen Hülle)
– Bindungszustand, -verhalten bzw. die Viskosität des umgebenden Mediums (geht in die hydrodynamische Größenverteilung mit ein bzw. verändert die magnetisch gemessene hydrodynamische Verteilung)
– Kolloidale Stabilität (z. B. Aggregation und -verhalten)

Die Erfindung kann als Mehrfrequenzverfahren realisiert werden und erlaubt eine Bestimmung der Frequenzabhängigkeit des Oberwellengehaltes (sog. AC Suszeptibilität). Die Erfindung erlaubt eine Messung von Variationen im Betrag (für Brown- und Neel-Proben) und/oder eine Messung von Variationen in der Phase (besonders für Brown-Proben) der Empfangssignale.
Mögliche Anwendungen der Erfindung:

• Charakterisierung von magnetischen Nanopartikeln, insbesondere für Magnetic Particle Imaging
• Qualitätskontrolle, -sicherung während/nach der Herstellung und vor der Anwendung.
• Messung der räumlichen Größenverteilung von magnetischen Nanopartikeln
• Bildgebung von räumlichen und zeitlichen Partikelmustern
• Realisierung von Bindungsassays (ortsaufgelöst und integrierend), besonders auch als mehrdimensionales, räumliches Nachweisverfahren, z. B. mit verschiedenen Partikeln bzw. Partikelverteilungen.
• Charakterisierung von Proben, die sich hinsichtlich ihrer Magnetisierungsdynamik unterscheiden, z. B. in einem Magnetic Particle Spectrometer, auch für Stabilitätsuntersuchungen, z. B. Aggregation, etc.
• Bei der Bildgebung an magnetischen Nanopartikeln mittels Magnetic Particle Imaging können neben der räumlichen Verteilung der Partikel auch die Größenverteilung bzw. ortsaufgelöste Größenverteilung der Partikel bestimmt werden.
• Zur Detektion von räumlichen und zeitlichen Mustern, d. h. für Proben, bei denen die Magnetisierungsdynamik räumlich bzw. zeitlich variiert, z. B. räumliche Immunoassays, auch Muster aus verschiedenartigen Partikeln.
• Das beschriebene Verfahren der Mehrfrequenzanregung zur Untersuchung des Oberwellengehaltes bei verschiedenen Frequenzen lässt sich auch auf die Dynamik dielektrischer und elektrisch leitfähiger Partikel anwenden. In diesem Fall werden elektrische Felder für die Anregung und Detektion der dielektrischen und elektrischen Eigenschaften der Partikel verwendet.

Das Verfahren kann insbesondere auch vorteilhaft für eine gezielte magnetische Kodierung von unterschiedlichsten Gegenständen, wie z. B. Lebensmitteln, Verpackungen oder Geldscheinen verwendet werden. Mittels der Erfindung kann die magnetische Kodierung dann ausgelesen werden und auf Korrektheit mit einem vorgegebenen Muster verglichen werden. Hierdurch kann eine Maßnahme gegen Fälschungen realisiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt die erste Frequenz, die zweite Frequenz und/oder die weiteren Frequenzen im Bereich bis 100 kHz, z. B. bei 1 kHz.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die genannten Schritte gemäß Anspruch 1 mit der ersten und der zweiten Messung auf weitere Messungen erweitert. Hierbei werden die Schritte b1) und b2) gemäß Anspruch 1 für eine Mehrzahl weiterer Frequenzen in einem vorgegebenen Frequenzbereich ausgeführt. Aus den hierbei gewonnenen Empfangssignalen werden weitere Frequenzspektren bestimmt, woraus dann die geometrischen, magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften der magnetischen, dielektrischen und/oder elektrisch leitfähigen Partikel in der Probe bestimmt werden. Hierdurch kann die Differenzierung der Eigenschaften der magnetischen, dielektrischen und/oder elektrisch leitfähigen Partikel in der Probe weiter verfeinert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird zwischen den Messungen wenigstens einer der folgenden auf die Probe einwirkenden Parameter verändert:

a) Feldstärke eines statischen Magnetfelds oder Gradientenfelds,
b) Feldstärke eines statisches elektrischen Felds oder Gradientenfelds,
c) Temperatur,
d) Relativbewegung zwischen der Probe und dem Ort des Einkoppelns des elektrischen und/oder magnetischen Wechselfelds,
e) Amplitude des magnetischen Wechselfelds,
f) Amplitude des elektrischen Wechselfelds.

Hierdurch können Messreihen mit Variationen weiterer Parameter durchgeführt werden, so dass im Ergebnis eine Vielzahl von Messergebnissen zur Verfügung steht, die eine weiter verfeinerte Differenzierung der Eigenschaften der magnetischen, dielektrischen und/oder elektrisch leitfähigen Partikel erlaubt. So kann insbesondere auch eine Unterscheidung hinsichtlich der magnetischen Relaxation erfolgen, derart, dass zwischen Brown- und Neel-Relaxation unterschieden werden kann. Die Relativbewegung zwischen der Probe und dem Ort des Einkoppelns des elektrischen und/oder magnetischen Wechselfelds kann durch eine Relativbewegung zwischen dem Messsystem und der Probe realisiert werden. Als Gradientenfeld wird ein Feld mit räumlich inhomogener Feldstärke verstanden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die Empfangssignale an unterschiedlichen Orten der Probe aufgenommen. Die Eigenschaften der magnetischen, dielektrischen und/oder elektrisch leitfähigen Partikel in der Probe werden mit Bezug zu dem Ort der Aufnahme des Empfangssignals bestimmt. Hierdurch ist eine ortsaufgelöste Messung durchführbar, sowohl eindimensional ortsaufgelöst als auch zweidimensional oder dreidimensional. Dies erlaubt eine ortsaufgelöste Unterscheidung verschiedenartiger Partikel in der Probe.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die Eigenschaften der magnetischen, dielektrischen und/oder elektrisch leitfähigen Partikel in der Probe ortsaufgelöst bildlich dargestellt. Die Darstellung kann beispielsweise auf einem Computerbildschirm erfolgen. Hierbei werden die Eigenschaften mit örtlichem Bezug zur Position der Aufnahme des Empfangssignals dargestellt, so dass eine direkte Zuordnung zu Positionen in der Probe möglich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Größe von magnetischen, dielektrischen und/oder elektrisch leitfähigen Partikeln in der Probe bestimmt. Die Größe einzelner Partikel kann direkt als Größenangabe in einer üblichen Einheit, z. B. Nanometer, bestimmt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Größenverteilung von magnetischen, dielektrischen und/oder elektrisch leitfähigen Partikeln in der Probe bestimmt. Als Größenverteilung wird hierbei die statistische Verteilung der Größe von Partikeln verstanden. So kann beispielsweise eine Aussage darüber getroffen werden, in welchen Bereichen der Probe überwiegend größere und in welchen Bereichen der Probe überwiegend kleinere Partikel auftreten.
Eine vorteilhafte Einrichtung zur Ausführung eines Verfahrens der vorbeschriebenen Art weist eine steuerbare Feldsendeeinrichtung, eine Feldempfangseinrichtung und eine elektronische Steuereinrichtung auf. Hierbei ist die Feldsendeeinrichtung und die Feldempfangseinrichtung mit der elektronischen Steuereinrichtung gekoppelt. Die elektronische Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, die Feldsendeeinrichtung und die Feldempfangseinrichtung zur Ausführung eines Verfahrens der vorbeschriebenen Art zu steuern. Die Steuerung kann beispielsweise in Form einer geeigneten Steuersoftware in der Steuereinrichtung vorgesehen sein. Vorteilhaft sind die Feldsendeeinrichtung und die Feldempfangseinrichtung auf die Probe ausgerichtet. Im Fall einer Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds kann die Feldsendeeinrichtung eine elektrische Spule aufweisen, mit der ein Magnetfeld erzeugt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
1 – einen Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens in schematischer Darstellung und
2 – den Ablauf einer Messung und
3 – ein Frequenzspektrum einer Messung und
4 und 5 – Frequenzspektren verschiedener Partikel und
6 – Frequenzspektren von Partikeln unterschiedlicher magnetischer Relaxation und
7 – die magnetische Relaxation unterschiedlicher Partikel über die verwendete Grundfrequenz des angekoppelten Wechselfelds und
8 – zeigt die Harmonischen der Anregungsfrequenz in Abhängigkeit der Amplitude eines statischen Magnetfeldes und
9 – einen Aufbau eines Spektrometers.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
Die 1 zeigt eine Einrichtung mit einer Sendespule 1 und einer Empfangsspule 2. Zwischen der Sendespule 1 und der Empfangsspule 2 ist eine zu untersuchende Probe 3 mit darin befindlichen magnetischen Partikeln angeordnet. Über die Sendespule 1 wird ein magnetisches Wechselfeld in die Probe 3 eingekoppelt. Über die Empfangsspule 2 wird ein hieraus resultierendes magnetisches Wechselfeld als Empfangssignal aufgenommen.
Die Sendespule 1 ist über einen Digital/Analog-Wandler 4, einen Tiefpass 5 sowie einen Ausgangsverstärker 6 mit einer elektronischen Steuereinrichtung 7 verbunden. Die elektronische Steuereinrichtung 7 kann beispielsweise als Computer ausgebildet sein.
Die Empfangsspule 2 ist über einen Bandpass 8, einen Eingangsverstärker 9 sowie einen Analog/Digital-Wandler 10 mit der elektronischen Steuereinrichtung 7 verbunden.
Die Sendespule 1, der Digital/Analog-Wandler 4, der Tiefpass 5 sowie der Ausgangsverstärker 6 sind Teile einer steuerbaren Feldsendeeinrichtung. Die Empfangsspule 2, der Bandpass 8, der Eingangsverstärker 9 sowie der Analog/Digital-Wandler 10 sind Teile einer Feldempfangseinrichtung.
Die elektronische Steuereinrichtung 7 ist durch entsprechende Programmierung dazu eingerichtet, ein digitales zeitveränderliches Wechselsignal auf den Digital/Analog-Wandler 4 auszugeben. Über den Digital/Analog-Wandler 4, den Tiefpass 5 und den Ausgangsverstärker 6 wird eine Wechselspannung an der Sendespule 1 erzeugt. Hierdurch gibt die Sendespule 1 ein magnetisches Wechselfeld ab.
Die Empfangsspule 2 nimmt ein von der Probe abgestrahltes magnetisches Wechselfeld auf und gibt eine entsprechende Wechselspannung an den Bandpass 8 ab. Das von der Empfangsspule 2 aufgenommene Empfangssignal wird entsprechend über den Bandpass 8, den Eingangsverstärker 9 und den Analog/Digital-Wandler 10 in Form eines Digitalsignals wieder in die Steuereinrichtung 7 eingespeist.
Die 2 zeigt die Signalerzeugung von dem von der Sendespule 1 abgegebenen Signal bis zu dem in der Steuereinrichtung 7 erzeugten Frequenzspektrum. Das links unten in der 2 dargestellte, von der Sendespule 1 abgestrahlte und in die Probe 3 eingekoppelte magnetische Wechselfeld 20 wird durch die den magnetischen Partikeln in der Probe inhärente magnetische Übertragungsfunktion, die so genannte Langevin-Funktion 21, in ein von der Probe abgestrahltes magnetisches Wechselfeld 22 gewandelt. Die Amplitude des eingekoppelten magnetischen Wechselfelds 20 ist dabei so groß gewählt, dass nichtlineare Bereiche der Langevin-Funktion 21 überstrichen werden. In Folge dessen werden in dem von der Probe abgestrahlten magnetischen Wechselfeld 22 Oberwellen erzeugt. Bei Einkoppeln eines sinusförmigen Wechselfelds 20 entsteht beispielsweise das dargestellte näherungsweise rechteckförmige Empfangssignal 22. Das Empfangssignal 22 wird dann in einem Schritt 23 beispielsweise durch Fourier-Transformation in der Steuereinrichtung 7 in ein Frequenzspektrum 24 gewandelt. In dem Frequenzspektrum 24 sind die Amplituden der Harmonischen der Grundwelle des Wechselfelds 20 enthalten.
Die 3 zeigt mit logarithmischer Amplitudendarstellung ein bei einer realen Untersuchung einer Probe aufgenommenes Frequenzspektrum. Aus den einzelnen Spektrallinien der gradzahligen und der ungradzahligen Harmonischen können Eigenschaften der Partikel in der Probe abgeleitet werden. So können z. B. bei mit unterschiedlichen Frequenzen eingekoppelten Wechselfeldern die sich ergebenden unterschiedlichen Abklingkurven der Spektrallinien zu höheren Harmonischen hin für eine Differenzierung zwischen den Eigenschaften von Partikeln ausgewertet werden. Auch kann aus dem Verhältnis den zwischen Spektralwerten der gradzahligen und der ungradzahligen Harmonischen zwischen Eigenschaften der Partikel unterschieden werden.
Die 4 zeigt in schematisierter Darstellung verschiedene Signalspektren einer ersten Sorte von magnetischen Partikeln bei Beaufschlagung mit unterschiedlichen Frequenzen des eingekoppelten magnetischen Wechselfelds. Hierbei ist das Spektrum 40 mit den größten Spektralwerten bei einer Frequenz von 2 kHz aufgenommen. Das Spektrum 41 mit den nächst kleineren Spektralwerten ist bei einer Frequenz von 4 kHz aufgenommen. Das Spektrum 42 mit den nächst kleineren Spektralwerten ist bei einer Frequenz von 6 kHz aufgenommen. Das Spektrum 43 mit den nächst kleineren Spektralwerten ist bei einer Frequenz von 8 kHz aufgenommen. Das Spektrum 44 mit den kleinsten Spektralwerten ist bei einer Frequenz von 10 kHz aufgenommen. Generell ist zu erkennen, dass bei Einkopplung eines magnetischen Wechselfelds mit höherer Frequenz die Spektralwerte kleiner werden. Insbesondere nehmen auch die Spektralwerte der weiteren Oberwellen zu höheren Harmonischen hin ab. Insgesamt ergibt sich aus dem Spektralbild gemäß 4 eine Art „Fingerabdruck” der ersten Sorte von Partikel, der für diese Partikel charakteristisch ist.
Die 5 zeigt eine vergleichbare Messung wie 4, jedoch durchgeführt an Partikeln einer zweiten, anderen Sorte. Die Beaufschlagungsfrequenzen sind bei der Untersuchung gemäß 5 die gleichen wie bei 4. Das Spektrum 50 entspricht einer Frequenz von 2 kHz, das Spektrum 51 einer Frequenz von 4 kHz, das Spektrum 52 einer Frequenz von 6 kHz, das Spektrum 53 einer Frequenz von 8 kHz und das Spektrum 54 einer Frequenz von 10 kHz. Wie erkennbar ist, ist das charakteristische Spektralbild deutlich anders als in 4, so dass eindeutig zwischen den verschiedenen Sorten der magnetischen Partikel unterschieden werden kann.
Die 6 zeigt einen Vergleich von Spektren mit Proben unterschiedlicher Relaxationsarten. Das mit durchgezogenen Linien dargestellte Spektrum ist charakteristisch für Partikel mit einer Brown-Relaxation, das mit gepunkteten Linien dargestellte Frequenzspektrum ist charakteristisch für Partikel mit einer Neel-Relaxation. Werden Messungen gemäß 6 mit einer Mehrzahl unterschiedlicher Frequenzen des in die Probe eingekoppelten magnetischen Wechselfelds durchgeführt, kann eine Messreihe gemäß 7 aufgenommen werden. In 7 ist die Magnetisierung M der Partikel differenziert nach der magnetische Feldstärke H dargestellt, und zwar in Abhängigkeit der Frequenz des eingekoppelten magnetischen Wechselfelds. Die Frequenzachse ist dabei logarithmisch dargestellt. Wie erkennbar ist, zeigen Partikel mit einer Neel-Relaxation (gestrichelte Linie) ein charakteristisch anderes Verhalten als Partikel mit einer Brown-Relaxation (durchgezogene Linie).
Die 8 zeigt die Harmonischen der Anregungsfrequenz in Abhängigkeit der Amplitude eines statischen Magnetfelds. Zu diesem Zweck wurde ein erweiterter MPS-Aufbau realisiert, der die parameterabhängige Messung von Harmonischen, abhängig von Amplitude und Frequenz des Anregungsfelds sowie Amplitude eines statischen magnetischen Hintergrundfelds, erlaubt. Als Parameter ist somit die Feldstärke des statischen Magnetfelds variiert worden. Der entsprechende MPS-Aufbau ist in der 9 dargestellt.
Die 9 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines Spektrometers. Erkennbar ist eine Sendespule 1 in Form einer spiralförmig gewundenen Leiterschleife. Innerhalb der Sendespule 1 ist die Empfangsspule 2 angeordnet. Oberhalb der Empfangsspule 2 ist die Probe 3 angeordnet. Die Empfangsspule 2 bildet zusammen mit einer ebenfalls in der Sendespule 1 angeordneten Referenzspule 80 eine Gradiometer-Anordnung. Die Gradiometer-Anordnung erlaubt eine erhöhte Messgenauigkeit des Spektrometers. Links und rechts der Sendespule 1 ist jeweils eine Helmholtz-Spule 81 angeordnet. Über die Helmholtz-Spulen 81 kann die Probe 3 zusätzlich mit einem statischen Magnetfeld beaufschlagt werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung von geometrischen, magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften magnetischer, dielektrischer und/oder elektrisch leitfähiger Partikel in einer Probe (3) mit den Schritten: a) Durchführen einer ersten Messung mit a1) Einkoppeln eines elektrischen und/oder magnetischen Wechselfelds (20) mit einer ersten Frequenz in die Probe (3), a2) Empfangen des von der Probe (3) abgestrahlten elektrischen und/oder magnetischen Wechselfelds (22) als erstes Empfangssignal, b) Durchführen einer zweiten Messung nach der ersten Messung mit b1) Einkoppeln eines elektrischen und/oder magnetischen Wechselfelds (20) mit einer zweiten Frequenz in die Probe (3), wobei die zweite Frequenz ungleich der ersten Frequenz ist, nach Beendigung des Einkoppelns des Wechselfelds mit der ersten Frequenz, b2) Empfangen des von der Probe (3) abgestrahlten elektrischen und/oder magnetischen Wechselfelds (22) als zweites Empfangssignal, c) Bestimmen eines ersten Frequenzspektrums (24) aus dem ersten Empfangssignal und eines zweiten Frequenzspektrums aus dem zweiten Empfangssignal, d) Bestimmen von geometrischen, magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften der magnetischen, dielektrischen und/oder elektrisch leitfähigen Partikel in der Probe (3) aus dem ersten und dem zweiten Frequenzspektrum (24) durch vergleichende Auswertung dieser Frequenzspektren (24).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte b1) und b2) gemäß Anspruch 1 für eine Mehrzahl weiterer Frequenzen in einem vorgegebenen Frequenzbereich ausgeführt werden, aus den hierbei gewonnenen Empfangssignalen weitere Frequenzspektren bestimmt werden und die geometrischen, magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften der magnetischen, dielektrischen und/oder elektrisch leitfähigen Partikel in der Probe (3) aus den ermittelten Frequenzspektren bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Messungen wenigstens einer der folgenden auf die Probe (3) einwirkenden Parameter verändert wird: a) Feldstärke eines statischen Magnetfelds oder Gradientenfelds, b) Feldstärke eines statisches elektrischen Felds oder Gradientenfelds, c) Temperatur, d) Relativbewegung zwischen der Probe (3) und dem Ort des Einkop pelns des elektrischen und/oder magnetischen Wechselfelds (20), e) Amplitude des magnetischen Wechselfelds, f) Amplitude des elektrischen Wechselfelds.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangssignale (22) an unterschiedlichen Orten der Probe (3) aufgenommen werden und die Eigenschaften der magnetischen, dielektrischen und/oder elektrisch leitfähigen Partikel in der Probe (3) mit Bezug zu dem Ort der Aufnahme des Empfangssignals (22) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften der magnetischen, dielektrischen und/oder elektrisch leitfähigen Partikel in der Probe (3) ortsaufgelöst bildlich dargestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe von magnetischen, dielektrischen und/oder elektrisch leitfähigen Partikeln in der Probe (3) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größenverteilung von magnetischen, dielektrischen und/oder elektrisch leitfähigen Partikeln in der Probe (3) bestimmt wird.
Einrichtung zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer steuerbaren Feldsendeeinrichtung (1, 4, 5, 6), einer Feldempfangseinrichtung (2, 8, 9, 10) und einer elektronischen Steuereinrichtung, wobei die Feldsendeeinrichtung (1, 4, 5, 6) und die Feldempfangseinrichtung (2, 8, 9, 10) mit der elektronischen Steuereinrichtung (7) gekoppelt sind, wobei die elektronische Steuereinrichtung (7) dazu eingerichtet ist, die Feldsendeeinrichtung (1, 4, 5, 6) und die Feldempfangseinrichtung (2, 8, 9, 10) zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu steuern.
Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldsendeeinrichtung eine elektrische Spule (1) zur Erzeugung eines Magnetfeldes aufweist.