一种基于电子顺磁共振的磁纳米粒子温度测量方法
阅读说明：本技术 一种基于电子顺磁共振的磁纳米粒子温度测量方法 (Magnetic nanoparticle temperature measurement method based on electron paramagnetic resonance ) 是由 刘文中 王帅 杜中州 于 2020-11-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于电子顺磁共振的磁纳米粒子温度测量方法,属于纳米材料测试技术领域。本发明利用电子顺磁共振设备,通过测量磁纳米粒子共振波谱g因子变化来进行温度测量；具体地,磁纳米粒子具有超顺磁性,其电子顺磁共振波谱形状与粒子粒径、温度以及浓度有关。在粒子粒径已知的情况下,电子顺磁共振波谱的中心共振磁场,即g因子的变化只与温度有关,而与浓度无明显联系。利用这一特性可以迅速准确地探知活体器官、组织甚至细胞内部的温度,大大拓宽了磁纳米测温应用场景,并且相对于磁共振测温,测温精度得到了有效提高。(The invention discloses a magnetic nanoparticle temperature measurement method based on electron paramagnetic resonance, and belongs to the technical field of nano material testing. The invention utilizes electron paramagnetic resonance equipment to measure the temperature by measuring the change of g factor of the resonance spectrum of the magnetic nanoparticles; specifically, magnetic nanoparticles have superparamagnetism, and the electron paramagnetic resonance spectrum shape of the magnetic nanoparticles is related to particle size, temperature and concentration. In the case of particles of known particle size, the change in the central resonance magnetic field, i.e., the g-factor, of the electron paramagnetic resonance spectrum is only temperature dependent and not significantly related to concentration. By utilizing the characteristic, the temperature of organs, tissues and even the inside of cells of a living body can be rapidly and accurately detected, the application scene of magnetic nanometer temperature measurement is greatly widened, and the temperature measurement precision is effectively improved compared with the magnetic resonance temperature measurement.)
技术领域
本发明属于纳米材料测试技术领域，更具体地，涉及一种基于电子顺磁共振的磁纳米粒子温度测量方法。
背景技术
温度是生命活动的重要表征。在生命科学领域，活体细胞的温度分布成像对于科学家来说是一种重要挑战。在细胞水平上感知“热事件”有助于掌握细胞代谢过程中的能量变化，这对于药物靶向、肿瘤热疗都具有重要意义。然而，由于生命体的“封闭性”，如何无创、精确的感知测量这些“热事件”成为生命医学的前沿课题与关键挑战。
近年来，磁学温度测量方法由于其良好的穿透性被认为是活体温度成像领域最具前景的方法之一。而磁性纳米颗粒(MNP)，例如氧化铁纳米颗粒由于其优异的磁-温特性而极具发展潜力。2009年，Weaver等人利用磁纳米粒子交流磁化强度五次与三次谐波幅值的比值，使得温度测量误差达到0.3K。从2011年开始，刘文中教授团队系统地对磁纳米粒子温度测量的机理进行了研究，包括磁场的激励方式以及测温模型的构建，最终实现了多场景下的温度测量，并且使得温度测量精度最高达到0.1K。这已证明利用磁纳米粒子作为温度探针可以达到很高的测温精度。然而上述测温技术进行体内测温的一个重要挑战是如何设计一个大规模的测量系统，并且粒子在体内的准确定位也是需要解决的问题。
目前已经有许多氧化铁纳米颗粒定位的方法。2005年，Gleich,B.等人利用直流梯度磁场进行空间编码，通过检测氧化铁纳米颗粒在零磁场点处的磁化相应信号，成功实现了磁纳米粒子浓度成像。借助荧光标记可以解决纳米颗粒在细胞或组织中的定位问题，间接定量铁含量。分光光度法和电感耦合等离子体质谱法也是评估活体内氧化铁纳米粒子含量的技术。然而上述方法均难以拓展到温度测量领域。
磁共振技术是目前广泛使用的医学影像技术。磁共振测温法使用了与温度相关的质子共振频率、弛豫时间和水质子扩散系数来测量温度。然而水质子的磁共振参数容易受到组织结构、运动伪影和磁场不均匀度的影响，从而降低了温度测量精度。利用造影剂可以提高温度测量的精度。造影剂可以缩短弛豫时间，改变信号强度，增加造影对比度。但是受制于质子共振信号强度的大小，虽然可以实现活体内部温度测量，其测温精度仅仅可以达到1℃。
电子顺磁共振的信号强度要远远大于核磁共振，可以将活体内部内源性铁与外源氧化铁纳米颗粒区分开来，大大提高了氧化铁纳米颗粒浓度检测的灵敏度。因此，如何利用磁性纳米颗粒优异的磁温特性，实现高精度的电子顺磁共振温度测量，对在体温度成像的实现有极大的推动作用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于电子顺磁共振的磁纳米粒子温度测量方法，其目的在于利用磁性纳米颗粒的磁温特性，实现高精度的电子顺磁共振温度测量。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于电子顺磁共振的磁纳米粒子温度测量方法，包括：
S1.挑选并配制测温所需的磁纳米粒子样品；
S2.多次调整磁纳米粒子样品的温度，测量对应温度下电子顺磁共振波谱的中心共振磁场，并根据中心共振磁场计算g因子；
S3.根据多组温度与对应的g因子，构建温度测量模型；所述温度测量模型表征g因子与温度T之间关系；
S4.对于导入待测位置的磁纳米粒子样品，测量当前温度下电子顺磁共振波谱的中心共振磁场，根据中心共振磁场计算g因子，再根据构建的温度测量模型计算得到温度信息。
进一步地，测温所需的磁纳米粒子样品粒径范围为5-25nm。
进一步地，磁纳米粒子样品的浓度范围0.005mg/mL-5mg/mL。
进一步地，步骤S2中磁纳米粒子样品的温度调整范围为10-50℃。
进一步地，步骤S3中温度测量模型表达式为：
其中，a、b、c为常数。
进一步地，步骤S2和S4中根据中心共振磁场计算g因子，具体为，已知中心共振磁场B，利用公式计算g因子；其中，v为微波频率。
进一步地，待测位置导入磁纳米粒子样品的导入量与所采用的电子顺磁共振设备样品腔匹配。
进一步地，所述电子顺磁共振设备的微波功率选择在磁纳米粒子未饱和的线形工作区域。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
本发明利用电子顺磁共振设备，通过测量磁纳米粒子共振波谱g因子变化来进行温度测量；具体地，磁纳米粒子具有超顺磁性，其电子顺磁共振波谱形状与粒子粒径、温度以及浓度有关。在粒子粒径已知的情况下，电子顺磁共振波谱的中心共振磁场，即g因子的变化只与温度有关，而与浓度无明显联系。利用这一特性可以迅速准确地探知活体器官、组织甚至细胞内部的温度，大大拓宽了磁纳米测温应用场景，并且相对于磁共振测温，测温精度得到了有效提高。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为粒径为10nm的磁纳米颗粒的电子顺磁共振仿真波谱图；
图3为不同浓度的磁纳米粒子样品在室温下的电子顺磁共振波谱；
图4为温度分别在10℃、20℃、30℃、40℃和50℃时，0.05mg/mL的磁纳米样品的电子顺磁共振波谱；
图5为共振磁场随温度的变化关系；
图6为g因子随温度的变化关系及其拟合曲线；
图7为实验数据反演得到的温度误差图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种基于电子顺磁共振的磁纳米粒子温度测量方法，包括如下步骤：
步骤S1.配制测温所需的磁纳米粒子样品；
磁纳米粒子的粒径不同时，其g因子的温度敏感性也会不同。粒径低于5nm的磁纳米颗粒呈现超顺磁性，其g因子在2附近，并且随温度变化不大；而粒径高于25nm时，磁纳米颗粒会出现多畴结构，g因子变化会变得复杂，本发明实施例选用粒径为10nm的磁纳米颗粒作为测试样品。然后，对于选定的样品，其浓度的配制也很有讲究：浓度过低会导致信号信噪比太差，影响测量；浓度过高则会导致信号饱和；本发明可选地浓度范围为0.005mg/mL-5mg/mL，本发明实施例在该范围内配制一系列浓度的10nm样品，经过测试选定的样品浓度为0.05mg/mL。
为了构建温度测量模型，本发明实施例利用毛细作用将配制好的样品吸入毛细管中；在X波段水的介电常数比较大，水的电偶极子和微波电场发生相互作用，会引起强烈的非磁共振吸收，增加介质损耗，故本发明实施例使用石英毛细样品管，内径为1mm，吸入毛细管中的样品量不宜过多，1.5cm高即可，样品量过多会干扰测试，然后用橡皮泥封口。
步骤S2.设置合适的参数，多次调整磁纳米粒子样品的温度，并测量对应温度下电子顺磁共振波谱的中心共振磁场；
电子顺磁共振信号的强度强烈的依赖于样品上的微波功率，由于磁纳米粒子的信号较强，为了避免饱和失真，微波功率的大小应选择在未饱和的线性工作区域；同时由于磁纳米颗粒电子顺磁共振的信号强度远强于有机自由基信号，微波功率过高时会使信号出现饱和，而较低时会导致信号信噪比较低，故微波功率的设置要在保证信号不饱和的情况下尽可能地大。
随着样品温度或者浓度的变化，信号的强度会有很大的变化，为了便于后续的信号处理与比较，选择温度和浓度最大的样品来调试微波功率，并且在后续的实验中保持微波功率不变。
本发明实施例在10-50℃的温度范围内，以10℃为间隔，测量磁纳米粒子样品的电子顺磁共振波谱。
步骤S3.根据多组温度与对应的中心共振磁场，构建温度测量模型；温度测量模型表征g因子与温度T之间关系；
g因子的计算公式为：
其中h为普朗克常数，v为微波频率，βe为玻尔磁子，B为共振磁场，故在微波频率一定的情况下，共振磁场与g因子为一一对应的关系，即：
构建的温度测量模型，即g因子与温度T关系式为：
a、b、c为待定系数，利用参数估计优化算法得到他们的最优解。
S4.对于导入待测位置的磁纳米粒子样品，测量当前温度下电子顺磁共振波谱的中心共振磁场，根据中心共振磁场计算g因子，再根据构建的温度测量模型计算得到温度信息
通过温度测量模型可知：只要得知磁纳米样品的g因子，就可以很轻易地求解出当前温度。
仿真实例：
1.仿真模型与测试说明：
为了研究基于电子顺磁共振的磁纳米粒子温度测量方法的可行性，本实例对磁纳米颗粒的电子顺磁共振信号进行了仿真。仿真参数为：粒径D＝10nm，自旋量子数S＝5/2，核自旋量子数I＝1/2，主磁场扫描范围为145-445mT，微波频率v＝9.141GHz，仿真温度10℃。
2.仿真试验结果：
图2反映了粒径为10nm的磁纳米颗粒的电子顺磁共振波谱图。图中可以看出该波谱只有一个大包络峰，g因子为2.2316。
实验实例：
1.实验步骤与实验说明：
为了验证基于电子顺磁共振的磁纳米粒子的温度测量的可行性，配置了粒径为10nm，浓度分别为：0.005mg/mL，0.05mg/mL，0.5mg/mL，1mg/mL，5mg/mL的磁纳米样品。实验所用的电子顺磁共振设备为日本电子制造的JES-FA200。实验中微波频率为9.141GHz，微波功率为3mW，磁场扫描范围为145-445mT。在室温下分别测量各个浓度样品的波谱信号。
观察比较不同浓度样品的测试结果，选择合适的浓度(这里选择0.05mg/mL)进行温度实验。调节样品腔内温度分别为10℃、20℃、30℃、40℃以及50℃，测量各温度下的电子顺磁共振波谱。根据g因子与温度的关系进行曲线拟合，这里采用Levenberg-Marquardt进行参数估计。
2.测温实验结果：
图3为不同浓度下的磁纳米样品在室温下的电子顺磁共振波谱；图4为浓度0.05mg/mL的磁纳米样品在不同温度下的电子顺磁共振波谱；图5为共振磁场随温度的变化关系曲线；图6为g因子随温度的变化关系及其拟合曲线；图7为温度误差曲线。从实验结果可以看出，使用该方法进行测量，温度误差可以达到0.7K。
因此，这种基于电子顺磁共振的磁纳米粒子温度测量方法确实可以在顺磁共振的基础上实现对于温度的非接触式测量，拓宽了磁纳米粒子温度测量的应用范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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