可溫控磁粒子頻譜儀之架設與特性研究

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(1)國立臺灣師範大學科技與工程學院光電工程研究所碩士論文 Graduate Institute of Electro-Optical Engineering College of Technology and Engineering National Taiwan Normal University Master’s Thesis. 可溫控磁粒子頻譜儀之架設與特性研究 Erect and Characteristics of Temperature-controllable magnetic nanoparticles Spectrometer. 王遠瑞 Wang, Yuan-Jui. 指導教授﹕廖書賢博士. 中華民國. 一百零九年八月 August 2020.

(2) 謝誌兩年時間瞬眼即逝，才剛畢業不久沒想到現在已經在寫碩士論文了，這也表示我的求學生涯即將結束，我要特別感謝我的指導教授，在理論與實驗的每個環節都給予我極大的幫助，以及感謝每個開設課程的老師，讓我在碩士兩年獲益良多。在研究所期間，要感謝博士班穗生學長有他在儀器及電路的問題總會被解決，以及謝謝偉文學長和宇庭學姊帶領我們操作薄膜實驗，再來要感謝我的直屬學姊芸萱，即將畢業的學姊還是很認真且耐心地指導我實驗的原理及操作步驟，讓剛進實驗室對自己研究領域完全不懂的我，如今能夠自己完成碩士論文。研究所期間，還要感謝跟我共同努力的同學們:皓偉、雄一、筆升和俞任，以及學弟們，有了你們的陪伴，讓我的碩士生活更加豐富。這一生最感謝我的家人，不管遇到甚麼困難總是無條件的為我付出，養育我到現在這個年紀，當作我最堅強的後盾，我的學生生涯即將結束，換我做您們最堅強的後盾。最後，謝謝自己這兩年的努力，遇到挫折也沒有想過要放棄，期許自己未來能像研究所期間那樣滿懷熱忱，對任何事物都抱持期待。.

(3) 摘要本論文利用磁粒子頻譜儀進行對於磁性奈米粒子的實驗量測，控制外加磁場大小、不同粒徑及在不同的環境溫度下等不同變因，使用磁粒子頻譜分析系統(Magnetic Particle Spectrum Analyzer,MPS)，可以測得磁性奈米粒子的在不同變因下的磁化頻譜以進行分析。本研究加入溫度控制系統結合磁粒子頻譜儀，溫控系統由溫度控制器、陶瓷加熱片、溫度感測線、風扇、保溫箱所組成，可以使環境溫度在 25℃至 50℃變化並監控箱內溫度，且升溫速度快可以在 20 分鐘將環境溫度升至 50℃。溫控系統可以使磁粒子頻譜儀在不同實驗環境下獲得磁性奈米粒子具溫度依賴性的諧波訊號，並利用 5th/3rd harmonic 強度比值觀察當溫度上升時的諧波變化，透過強度的下降值及下降率顯示當溫度上升時無論外加磁場大小，強度的下降幅度大致相同。透過磁化頻譜來分析磁性奈米粒子的特性變化，以 3rd/1st harmonic 及 2nd/1st harmonic 來觀察外加磁場、磁性粒子粒徑、環境溫度等變因對於磁化強度的影響，實驗結果顯示，當外加磁場增加或粒徑增加時，獲得的磁化強度也會變大，若外加 DC offset，隨 DC 訊號增加磁化強度則會到一最大值後漸漸下降，再透過磁化曲線利用程式模擬磁化頻譜以驗證實驗結果。. 關鍵字：磁粒子頻譜儀、溫度控制系統、磁化頻譜。 III.

(4) Abstract This paper uses magnetic nanoparticle Spectrometer to carry out the experimental measurement of magnetic nanoparticles, controlling the size of the applied magnetic field, different particle diameters and under different environmental temperatures, using a magnetic particle spectrum analyzer (MPS), the magnetization spectrum of magnetic nanoparticles under different variables can be measured for analysis. In this study, a temperature control system combined with magnetic nanoparticle Spectrometer. The temperature control system is composed of a temperature controller, a ceramic heater, a temperature sensing line, a fan, and an incubator, which can change the ambient temperature from 25°C to 50°C and monitor the internal temperature in the box and has fast heating speed can raise the ambient temperature to 50°C in 20 minutes. The temperature control system can enable the magnetic nanoparticle Spectrometer to obtain temperature-dependent harmonic signals of magnetic nanoparticles under different experimental environments, and use the 5th/3rd harmonic ratio to observe the changes in the harmonic intensity when the temperature rises, and use the decay value and decay rate of the intensity show that when the temperature rises, regardless of the size of the applied magnetic field, the decay in intensity is approximately the same. The magnetization spectrum was used to analyze the characteristic changes of magnetic nanoparticles, and the 3rd/1st harmonic and 2nd/1st harmonic ratio were used to observe the influence of applied magnetic field magnetic particle size, environmental temperature on the magnetization. Experimental results show that when the apply field or particle size increases, the obtained magnetization will also become larger. If the DC offset is applied, the magnetization will increase with the DC signal. The intensity will gradually decrease after reaching a maximum value, and then use the program to simulate the magnetization spectrum through MH Curve to verify the experimental results.. Keywords: Magnetic nanoparticle spectrometer, Temperature control system, Magnetization spectrum IV.

(5) 目錄謝誌 ................................................................................................. I 摘要 .............................................................................................. III Abstract ......................................................................................... IV 目錄 ................................................................................................V 表目錄 ......................................................................................... VII 圖目錄 ........................................................................................ VIII 第一章緒論 ................................................................................... 1 第二章實驗原理 ........................................................................... 3 2.1 磁性奈米粒子 .................................................................... 3 2.2 磁化強度與磁化曲線 ........................................................ 4 2.3 磁化強度對溫度與粒徑之關係......................................... 6 2.4 磁性奈米粒子諧波訊號 .................................................... 9 第三章實驗方法 ......................................................................... 10 3.1 系統架構.......................................................................... 10 3.1.1 量測系統 ..................................................................... 10 3.1.2 激發磁場產生線圈 ..................................................... 11 3.1.3 訊號接收線圈 ............................................................. 12. 3.2 溫度控制系統 .................................................................. 13 3.3 實驗流程.......................................................................... 15 V.

(6) 3.3.1 樣品進出方式 ............................................................... 15 3.3.2 數據蒐集與分析 ........................................................... 16. 第四章實驗結果 ......................................................................... 18 4.1 磁性奈米粒子磁化曲線 .................................................. 18 4.2 磁性奈米粒子頻譜特性分析 .......................................... 20 4.2.1 不同磁場振幅之磁化頻譜 ............................................ 20 4.2.2 不同粒徑之磁化頻譜 .................................................... 23 4.2.3 不同溫度之磁化頻譜 .................................................... 25. 4.3 模擬磁性樣品特性與諧波關係....................................... 29 第五章結論 ................................................................................. 41 參考文獻 ....................................................................................... 42. VI.

(7) 表目錄表 3-1 激發線圈參數 .................................................................... 11 表 3-2 接收線圈參數 .................................................................... 12. VII.

(8) 圖目錄圖 2-1 (a)具磁滯磁化曲線與(b)超順磁磁化曲線比較 ................... 3 圖 2-2 M-H Curve 線性區域........................................................... 4 圖 2-3 M-H Curve 非線性區域 ....................................................... 5 圖 2-4 不同溫度 M-H curve 模擬 .................................................... 7 圖 2-5 不同粒徑 M-H Curve 模擬(a)原始數值(b)數值歸一化 ....... 8 圖 2-6 MPS 運作原理 ...................................................................... 9 圖 3-1 MPS 系統架構 .................................................................... 10 圖 3-2 匝數 2060 激發線圈 ........................................................... 12 圖 3-3 匝數 223 接收線圈 ............................................................. 12 圖 3-4 溫控系統架構圖 ................................................................. 14 圖 3-5 保溫箱內部配置與溫度升溫時間關係圖 .......................... 14 圖 3-6 微量進樣器......................................................................... 15 圖 3-7 樣品進入方式 ..................................................................... 15 圖 3-8 外加磁場與線圈量測訊號 ................................................. 17 圖 3-9 綜合訊號、背景訊號與磁性樣品訊號之磁化頻譜 ........... 17 圖 4-1 D=38+11.4 & 58.3±16.1 nm 磁性粒子 M-H Curve ........... 18 圖 4-2 D=70.3±18.5 & 103.3+24.3 nm 磁性粒子 M-H Curve ....... 19 圖 4-3 MagQu 磁性粒子 M-H Curve ............................................. 19 圖 4-4 施加不同磁場之磁粒子頻譜.............................................. 21 圖 4-5 施加不同磁場之 3rd/1st、5th/3rd Harmonic 強度比值分析 .. 21 圖 4-6 外加直流訊號之磁粒子頻譜分析 ...................................... 22 圖 4-7 施加磁場 AC=200 Oe 之不同粒徑磁化強度比較 ............. 23 圖 4-8 施加磁場 AC=100Oe DC=150Oe 之不同粒徑強度 ........... 24 圖 4-9 不同溫度磁場之磁粒子 5th/3rd harmonic 強度比值分析 ... 25 VIII.

(9) 圖 4-10 不同樣品磁化頻譜分析 .............................................. ….26 圖 4-11 不同場強之強度下降值與下降率比較 ....................... ….28 圖 4-12 5th/3rd harmonic 強度下降值與下降率比較 ................. ….28 圖 4-13 (a)強度平均前 M-H Curve (b)強度平均後 M-H Curve .... 30 圖 4-14 磁化曲線(a)朗之萬函數(b)多項式 fitting Curve .............. 30 圖 4-15 D=38±11.4 nm 磁粒子頻譜分析 ..................................... 31 圖 4-16 D=58.3±16.1 nm 磁粒子頻譜分析 .................................. 32 圖 4-17 D=70.3±18.5 nm 磁粒子頻譜分析 .................................. 32 圖 4-18 D=103.3±24.3 nm 磁粒子頻譜分析................................. 33 圖 4-19 磁性粒子 3rd/1st harmonic 實驗模擬比較 ......................... 34 圖 4-20 D=38±11.4 nm 直流訊號磁粒子頻譜分析 ...................... 35 圖 4-21 D=58.3±16.1 nm 直流訊號磁粒子頻譜分析 .................... 36 圖 4-22 D=70.3±18.5 nm 直流訊號磁粒子頻譜分析 .................. 36 圖 4-23 D=103.3±24.3 nm 直流訊號磁粒子頻譜分析 ................ 37 圖 4-24 磁性粒子 2nd/1st harmonic 實驗模擬比較 ......................... 38 圖 4-25 磁粒子 D=38±11.4 & 58.3±16.1 nm 2nd / 1st harmonic 強度分析.................................................................................... 40 圖 4-26 磁粒子 D=70.3±18.5 & 103.3±24.3 nm 2nd / 1st harmonic 強度分析 ................................................................................ 40. IX.

(10) 第一章緒論磁性奈米粒子應用領域廣泛，包括生物造影、熱治療、磁性分離等，其磁特性對其應用至關重要，於上述例子中影響磁粒子造影（Magnetic Particle Imaging, MPI）對磁粒子空間分布與成像之靈敏度 [1][2][3]，以及決定了熱治療效用[4][5]。磁粒子熱治療是種癌症治療技術，主要透過磁性奈米粒子注入到人體內，再由置於體外的交流磁場系統激發人體內部之磁性奈米粒子，利用癌症細胞與一般細胞具有不同的溫度耐受性，藉由受到激發的磁性奈米粒子產生高溫殺死癌症細胞的一種治療技術，因此在治療過程中監控磁性奈米粒子因激發而升高的溫度成為一個重要的環節，由於磁性奈米粒子注入體內後，受磁場激發的磁性奈米粒子加熱而升高的環境溫度是未知的，因此若不能有效控制環境溫度反而會使多數的正常細胞面臨死亡[6]。為此，本研究開發磁粒子頻譜儀[7]，由激發線圈和一對相反方向的接收線圈組成，將磁性樣品填充至毛細管當中，可達到 0.6 µL 的樣品消耗量，同時也提高了系統靈敏度，並加入磁粒子頻譜分析系統（Magnetic Particle Spectrum Analyzer, MPS）及溫度控制系統，來量測磁性奈米粒子的特性變化，利用激發線圈產生交流磁場，以及由溫控系統來控制環境溫度的變化及穩定，使用磁粒子頻譜分析系統，獲 1.

(11) 得磁性奈米粒子的磁化頻譜，以分析磁性粒子的溫度依賴性諧波訊號，來驗證磁性奈米磁性粒子熱治療溫度監控的可行性。而磁性樣品的選擇中，奈米磁性粒子熱治療都是注射液態的磁性流體而不是乾燥的磁性粒子，原因是在進行熱治療時所需要的磁性粒子數量是龐大的，需要透過較多的粒子數來釋放熱量使患部進行加熱，因此本研究選擇使用液態的磁性流體來進行實驗，以利實驗數據可供磁性粒子熱治療進行參考。進一步擴展研究領域，MPI 成像原理是透過磁性奈米粒子對外加磁場 H 所產生的非線性磁化強度響應 M（H）[8][9][10]，但由於基頻訊號會受到生物反磁性影響，造成基頻訊號不佳，因此透過函數產生器給予線圈交流磁場並給予 DC offset，可獲得偶次諧波訊號，利用 MPS 系統進行磁性奈米粒子頻譜分析，再透過 2nd/1st harmonic 強度來進行分析，以預測磁性奈米粒子對 MPI 分析的適用性，而本系統可提供磁性奈米粒子非線性響應及粒徑變化所導致磁特性變化的訊息，給予 MPI 成像進行磁粒子強度模擬[11]。. 2.

(12) 第二章實驗原理. 2.1 磁性奈米粒子磁性材料依照施加磁場之特性，可將磁性材料分為鐵磁性、反磁性及順磁性材料；鐵磁性與反磁性材料之特性剛好相反，鐵磁性材料會產生與施加磁場相同方向的磁化量，而反磁性材料則是與施加磁場相反方向的磁化量，順磁性材料則會產生與施加磁場相同方向的磁化量，順磁性與鐵磁性材料不同的地方在於當施加磁場移除後，鐵磁性材料會保留磁性順磁性材料則會慢慢失去磁性。鐵磁性材料又可細分出超順磁性材料，超順磁特性描述具有磁性的粒子小於特定尺寸時，施加磁場後會呈現與順磁性相同的特性，但在移除外加磁場後，由於具磁性粒子太小而受熱擾動干擾，而又回歸於零磁性，而磁性奈米粒子就具有超順磁特性。. (a). (b). 圖 2-1 (a)具磁滯磁化曲線與(b)超順磁磁化曲線比較 3.

(13) 2.2 磁化強度與磁化曲線順磁性材料由許多微小的磁矩所組成，磁矩之間互相獨立，當磁性材料受外部磁場影響，部分磁矩會朝向磁場方向排列，外加磁場愈強，就會使愈多磁矩朝磁場方向排列，此現象會使磁性材料產生非線性的磁化響應，而磁化響應就是磁化強度（Magnetization, M），當外加磁場增加，磁化強度會漸漸達到飽和，此時磁化強度將不再呈線性增加，如圖 2-2 所示當磁化強度還未漸漸飽和時磁化強度與外加磁場的關係呈線性，而在飽和前此磁化強度 M 與外加磁場 H 關係式，可表示為： 𝑀 = 𝜒𝐻. （式 2.2.1）. 𝜒為磁性材料的磁化率，意指磁性材料被磁化的難易程度[12]。. 圖 2-2 M-H Curve 線性區域 4.

(14) 仰賴於磁性材料的特性，當外加磁場增強到某一程度時不再與磁化強度呈線性關係，隨磁場增加磁化強度的增加值會漸漸趨緩直至到達飽和，如圖 2-3 所示，並且可以用以下關係式來說明： 𝐿(𝑥 ) = 𝑐𝑜𝑡ℎ(𝑥 ) − 1⁄𝑥 M = 𝑀234 L(𝑥 ). （式 2.2.2）（式 2.2.3）. 其中 M 為磁化強度，MSat 為飽和磁化強度，L(𝑥)為 Langevin function，L(𝑥)之值介於 -1～1 之間，由此可知磁化強度會因外加磁場 H 的變化而改變，且最大值正是 MSat。. 圖 2-3 M-H Curve 非線性區域. 5.

(15) 2.3 磁化強度對溫度與粒徑之關係磁粒子熱治療可以有效殺死癌症細胞，但無法在治療同時監測患部的環境溫度，導致加熱過高會損害健康細胞，因此治療同時監測患部溫度是必須的，透過溫度與磁化強度的關係式來驗證磁粒子熱治療溫度監控的可行性，對應關係如下函式： 𝑀(𝐻 ) = 𝑁𝑚𝐿 8. 9:. ;< =. 𝜋 6. 𝑚 = 𝑀𝑠𝑎𝑡 8 > ∗ 𝑑. >. 3. （式 2.3.1）（式 2.3.2）. 其中 N 為單位體積原子數，L 為朗之萬函數，d 為磁粒子粒徑， H 為外加磁場，Msat 為飽和磁化強度，T 為絕對溫度。透過上述函式，利用程式進行模擬，假設 N=1,m=1,Kb=1, H=1，可以得到下列函式： H. 𝑀(𝑇) = 𝐿 8 > =. （式 2.3.3）. 再假設有三種不同的環境溫度分別為 T1=100 K、T2=200 K、T3= 300 K，由上述式子可以得到三種不同溫度的磁化曲線如圖 2-4，我們可以從磁化曲線得知，在較低的環境溫度下之磁粒子會比在較高的環境溫度之磁粒子更快達到飽和，因此可以利用此關係建立具溫度依賴性的磁化頻譜，來驗證磁粒子熱治療溫度監控的可行性。. 6.

(16) 圖 2-4 不同溫度 M-H curve 模擬. 再透過式 2.3.1，假設 N=1,T=1,Kb=1, H=1，可以得到磁化強度與 m 的關係式如下列函式： 𝑀(𝑚) = 𝑚𝐿(𝑚). （式 2.3.4）. 再假設三種不同粒徑的磁粒子粒徑分別為 d1,d2,d3 關係式如下： 𝑑I > 𝑑H > 𝑑K 𝑚I = 1.5𝑚H = 𝑀N (𝜋⁄6) × 𝑑IK 𝑚K = 0.5𝑚H = 𝑀N (𝜋⁄6) × 𝑑KK 由上面三式可以得到此三種粒徑的磁化曲線，如圖 2-5(a)所示再將三種粒徑所得到的曲線做歸一化，我們可以從歸一化後的曲線得知，飽和磁場相同但不同粒徑的磁流體，當中粒徑較大的磁粒子在較低的. 7.

(17) 磁場就會達到飽和，相反的粒徑較小的磁粒子需要較大的外加磁場下才化達到飽和，如圖 2-5(b)所示。. (a). (b). 圖 2-5 不同粒徑 M-H Curve 模擬(a)原始數值(b)數值歸一化. 由上述兩種假設中可以得到一關係，磁性粒子在相同條件的磁場下，環境溫度較低或磁粒子粒徑較大的情況，與環境溫度較高與磁粒徑較小的情況相比，環境溫度較低或磁粒子粒徑較大的情況會獲得更大的磁化強度響應。. 8.

(18) 2.4 磁性奈米粒子諧波訊號本研究運作原理，如圖 2-6 所示，給予一隨時間變化之交流磁場 H（t），使磁性奈米粒子產生具時變的磁化響應 M（t），當外加磁場夠大時，能夠使磁化強度到達飽和，所測量到之磁化強度波形將不會與交流磁場相似，而是相似於方波的圖形，而方波進行傅立葉轉換則會獲得諧波中奇數倍頻的訊號，且訊號會依倍頻增加而減小，然而本系統是透過接收線圈接收來自磁性奈米粒子的訊號，因此會得到如 s（t）的訊號，此訊號正比於 dM（t）⁄ dt，並將 s（t）訊號進行傅立葉轉換可獲得信號頻譜 Sp，當中包含了磁性粒子之基頻 f0 的高次諧波，並從 2.3 節得知溫度與磁粒徑對磁化強度的關係，因此我們假設了磁性粒子的兩種條件，來觀察對磁粒子諧波訊號的影響，圖中可得知在溫度較低或磁粒徑較大的情況下會獲得更大的磁化訊號及頻譜。. 圖 2-6 MPS 運作原理 9.

(19) 第三章實驗方法. 3.1 系統架構 3.1.1 量測系統本研究的系統架構分為兩個部分，一為蒐集磁性奈米粒子訊號的量測系統，另一為控制環境溫度的溫控系統。本小節講述量測系統磁粒子頻譜分析系統(Magnetic Particle Spectrum Analyzer,MPS)如圖 3-1，使用函數產生器產生一交流電壓經功率放大器放大後，給予激發線圈並產生足夠大的交流磁場，此交流磁場會磁化放置於毛細管中的樣品，再由接收線圈接收樣品磁化訊號，經由濾波器將所需頻段放大濾出後，透過訊號擷取卡將樣品的磁化訊號傳送至電腦進行分析。. 圖 3-1 MPS 系統架構 10.

(20) 3.1.2 激發磁場產生線圈本實驗中，為了得到穩定的外加磁場，建構了一組體積微小的激發磁場產生模組，此激發線圈如圖 3-2 所示，使用線徑 0.12 mm 自融性漆包銅線繞製，總匝數為 2060 匝，線圈詳細參數如表 3-1 所示，激發線圈產生了振幅隨時間變化的交流磁場，並串聯一電阻，以測量電阻端之電壓值來計算線圈電流大小，並利用螺線管線圈公式計算線圈所產生的磁場大小。公式如下： T. 𝐵 = 𝜇S 𝐼 U. (式 3.1.2.1). 𝐵為磁場，𝜇S 是真空磁導率，𝑁為線圈總匝數，𝐿為線圈幅寬，𝐼 為電流。表 3-1 激發線圈參數激發線圈線徑. 0.12 mm. 匝數. 2060 turns. 幅寬. 14.3 mm. 內徑. 2 mm. 外徑. 8 mm. 電阻. 48.76 Ω. 14.3 mm. 圖 3-2 匝數 2060 激發線圈 11.

(21) 3.1.3 訊號接收線圈接收線圈（Pick-up coil）如圖 3-3，由兩個方向相反的線圈組成梯度線圈，用來抵銷背景磁場以提高訊雜比（Signal-to-noise ratio, SNR），線圈以線徑 0.04mm 自融性漆包銅線纏繞在外徑 0.5mm 的毛細管，匝數則為 223 匝，線圈參數如表 3-2 所示。磁性樣品訊號由激發線圈所產生之正弦磁場使毛細管內的樣品磁化，並產生感應電動勢使接收線圈接收到磁通量變化訊號，經由濾波器（Model-SR650, Standford Research System）做濾波放大後，再由 DAQ 訊號擷取卡將訊號傳至電腦分析，完成磁性樣品磁化訊號接收。. 表 3-2 接收線圈參數 Gradient. Gradient. coil1. coil2. 線徑. 0.04 mm. 0.04 mm. 匝數. 223 turns. 223 turns. 幅寬. 2.5 mm. 2.5 mm. 內徑. 0.5 mm. 0.5 mm. 外徑. 1.5 mm. 1.5 mm. 電感. 7.19 µH. 8.23 µH. 4.2 mm. 圖 3-3 匝數 223 接收線圈 12.

(22) 3.2 溫度控制系統溫度控制系統由溫度控制器、陶瓷加熱片、溫度感測線(NTC)、風扇、保溫箱所組成，如下頁圖 3-4 所示，箱內配置圖如下頁圖 3-5，利用溫度控制器控制風扇及陶瓷加熱片運轉，並且當箱內溫度高於控制器設定值時會自動切掉風扇及陶瓷加熱片的電源，直至溫度降到設定值以下 1℃時會再供電給風扇及陶瓷加熱片進行加熱，透過溫度感測線監測保溫箱內的溫度並顯示於溫度控制器上，使用風扇吹向加熱片使加熱片能夠更快將熱能導入空氣中，並且風扇可使箱內空氣對流讓箱中溫度均衡，利用溫度控制系統可以控制環境溫度在 25℃~50℃ 之間，而環境升溫速度如下頁圖 3-5 所示，以起始溫度 25℃開始每 0.5℃紀錄一次時間直至 50℃所繪製成溫度對時間關係圖，並且模擬 4.2.3 節中實驗之流程，在 30℃、35℃、40℃、45℃、50℃時進行一次實驗量測，量測結束後會重新開始升溫，由圖可知溫控系統可以進行快速升溫，並且利用 MPS 系統結合溫控系統可以在實驗量測時獲得磁性粒子的溫度依賴性諧波訊號。. 13.

(23) 圖 3-4 溫控系統架構圖. Spectrometer. Heater. NTC. Fan. 圖 3-5 保溫箱內部配置與溫度升溫時間關係圖. 14.

(24) 3.3 實驗流程 3.3.1 樣品進出方式由於本研究進行量測實驗中，將樣品置於毛細管一側而微量進樣器如圖 3-6 置於毛細管另一側；利用微量進樣器將樣品吸引至接收線圈處以進行量測實驗，如圖 3-7，待實驗完成後再用微量進樣器將樣品推出至衛生紙上，並以純水將毛細管洗清，完成一次樣品進出流程。. 圖 3-6 微量進樣器. 圖 3-7 樣品進入方式. 15.

(25) 3.3.2 數據蒐集與分析本研究透過函數產生器產生交流弦波訊號，並給予激發線圈產生交流磁場如圖 3-8，用來磁化置於毛細管中的磁性樣品，並產生感應電動勢使接收線圈接收到磁通量變化訊號，經由濾波器做濾波放大後，再由訊號擷取卡將訊號傳至電腦分析，進行量測時利用 DAQ 卡進行訊號蒐集並透過 Labview 軟體進行分析，且我們需要蒐集兩種訊號，一是樣品還未推到線圈位置時的背景訊號，另一是樣品在線圈位置時的綜合訊號，綜合訊號包含了背景訊號及樣品訊號，蒐集完成後再透過 Labview 程式可以將兩種訊號相減獲得純樣品的訊號如圖 3-8 所示，由圖中可發現綜合訊號與背景訊號之相位相差 180∘這是因為儀器在接收訊號時，利用兩個方向相反的線圈進行訊號接收以抵銷背景雜訊，但因雜訊不會被完全濾除，所以當正向線圈接收到的訊號較大時，則背景與綜合訊號之相位將會相同，反之當反向線圈接收到的訊號較大時，背景與綜合訊號之相位則會相差 180∘，訊號接收完成後，再將訊號經傅立葉轉換可以得到個別的磁化頻譜如圖 3-9，並利用純樣品磁化頻譜取出基頻的倍數頻率之磁化強度進行後續分析。. 16.

(26) 圖 3-8 外加磁場與線圈量測訊號. 圖 3-9 綜合訊號、背景訊號與磁性樣品訊號之磁化頻譜. 17.

(27) 第四章實驗結果. 4.1 磁性奈米粒子磁化曲線本研究使用的磁性樣品由中興大學物理系陳坤麟教授研究團隊合成以及從磁量生技股份有限公司(MagQu)購買，兩者皆是由外層包覆葡聚醣的 Fe3O4 磁性粒子組成，分散於 PH7.4 的磷酸鹽緩衝生理鹽水 (Phosphate buffered saline,PBS) 的溶液中，並利用動態光散射儀 (Dynamic Light Scattering)測定磁性奈米粒子直徑，中興樣品分別為 38 ±11.4 nm、58.3±16.1 nm、70.3±18.5 nm、103.3±24.3 nm 磁量生技樣品則為 52.5±10.2 nm，再利用台大貴儀超導量子干涉磁量儀 (Magnetic Property Measurement System,MPMS)量測磁化數據，在 5000 Oe 下之中興樣品磁化強度分別為 0.32 emu/g、0.62 emu/g、0.37 emu/g、 0.55 emu/g 磁量生技樣品則為 0.23 emu/g，如圖 4-1~3 所示。. 圖 4-1 D=38±11.4 & 58.3±16.1nm 磁性粒子 M-H Curve 18.

(28) 圖 4-2 D=70.3±18.5 & 103.3±24.3nm 磁性粒子 M-H Curve. 圖 4-3 MagQu 磁性粒子 M-H Curve. 19.

(29) 4.2 磁性奈米粒子頻譜特性分析 4.2.1 不同磁場振幅之磁化頻譜在本小節當中，使用磁粒子頻譜分析系統(MPS)來檢測磁性奈米粒子的磁化訊號，描述了給予激發線圈基頻為 f0 = 6 kHz 的純交流及交流加直流兩種訊號，探討激發磁場 H 與磁化強度 M(H)之間關係。純交流訊號使用基頻 fo=6 kHz 加入 Hpeak 從 50 Oe 開始每隔 25 Oe 量測一次直至 200 Oe，施加在中興粒徑為 103.3±24.3 nm 之磁粒子樣品，以場強 50、125、200 Oe 為例，為了消除磁性樣品本身濃度差異所造成的強度影響，歸一化將磁性粒子諧波訊號除以各自的第一諧波訊號繪製成第一至第十二次諧波強度圖形，如圖 4-4 所示，可以看到當外加磁場愈大所獲得的奇次諧波強度也會愈強。我們再利用兩種諧波強度比值進行分析，利用 3rd/1st Harmonic 強度比值進行分析以提供 MPI 系統作為磁粒子磁化強度的參考依據，和利用 5th/3rd Harmonic 強度比值進行分析，因為在 4.2.3 節中在不同環境溫度下我們以 5th/3rd 強度比值進行分析，如圖 4-5，得到 Hpeak: 50、 75、100、125、150、175、200Oe 其 3rd/1st 強度比值分別為 0.0153、 0.0283、0.0434、0.0591、0.0741、0.0893、0.103，5th/3rd 強度比值分別為 0.112、0.146、0.166、0.183、0.204、0.222、0.234，實驗結果顯示當施加磁場愈大獲得的磁化強度也會跟著變大，此現象原因為從磁性粒子非線性磁化響應可以看出當外加磁場變大可以獲得更大的磁化強度。 20.

(30) 圖 4-4 施加不同磁場之磁粒子頻譜. 圖 4-5 施加不同磁場之 3rd/1st、5th/3rd Harmonic 強度比值分析. 21.

(31) 交流加直流訊號以基頻 fo = 6 kHz 加入 100 Oe 交流訊號激發磁場以提高整體訊號大小，並利用 DC offset 加入直流訊號以每間隔 10 Oe 量測一次，由於受限於系統本身能夠給予之最大磁場影響，因此外加直流訊號只加到 200 Oe，量測中興粒徑為 103.3±24.3 nm 之磁粒子樣品，將量測到的訊號經傅立葉轉換得到磁化頻譜進行分析，由於每次取樣之樣品濃度可能出現些微差異，歸一化將二次諧波訊號除以各自的一次諧波訊號，針對 2nd / 1st harmonic 比較其強度差異，如圖 4-6 所示，隨直流訊號增強可獲得更大的訊號強度，但並沒有明顯的最大值產生，推測是因為 DC offset 加得不夠大導致。. 圖 4-6 外加直流訊號之磁粒子頻譜分析. 22.

(32) 4.2.2 不同粒徑之磁化頻譜在本節當中，針對不同粒徑之磁性樣品進行頻譜分析，驗證粒徑大小對於諧波訊號之間的關係，以基頻 f0 = 6 kHz 場強 Hpeak = 200 Oe 及場強 Hpeak = 100 Oe 加上 DC offset 150 Oe 量測粒徑 38±11.4 nm、 58.3±16.1 nm、70.3±18.5 nm 及 103.3±24.3 nm 之磁性奈米粒子進行比較。以基頻 f0 = 6 kHz 場強 Hpeak = 200 Oe 將頻譜分析結果進行歸一化除以各自的第一諧波訊號，並進行比較如圖 4-7，顯示當磁性粒子粒徑愈大時所獲得的磁化強度也會愈高，此現象依賴於朗之萬函式，磁性奈米粒子粒徑越大，磁化曲線上升斜率越大，在相同磁場下獲得之磁化強度也會越大。. MPS. 3rd/1st Intensity ratio. 0.11 0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 38. 58.3. 70.3. 103.3. Mean Diameter (nm) 圖 4-7 施加磁場 AC=200 Oe 之不同粒徑磁化強度比較 23.

(33) 再以基頻 f0 = 6 kHz 場強 Hpeak = 100 Oe 加上 DC offset 150 Oe 利用頻譜分析 2nd Harmonic 強度結果，並進行規一化除以各自的第一諧波訊號以消除每次取樣之樣品濃度可能出現些微差異之實驗誤差，進行比較如圖 4-8，顯示當粒徑愈大所量測到的訊號 2nd/1st Harmonic 強度比值大小也愈大，此現象依賴於朗之萬函式，磁性奈米粒子粒徑越大，磁化曲線上升斜率越大，對於磁場非線性響應也越明顯。. 圖 4-8 施加磁場 AC=100Oe DC=150Oe 之不同粒徑強度比較. 24.

(34) 4.2.3 不同溫度之磁化頻譜本系統加入了溫控系統，以控制實驗的環境溫度，利用溫控系統可使環境溫度控制在 25 °C 到 50 °C 之間，並且透過 MPS 系統可獲得磁性奈米粒子溫度依賴性的諧波訊號，驗證磁性奈米粒子熱治療溫度監控的可行性，使用基頻 f0 = 6 kHz 激發場強 Hpeak：100 Oe (黑色)、 125 Oe (紅色) 、150 Oe (藍色)、175Oe (綠色)、200Oe (橘色)施加在中興粒徑為 70.3±18.5 nm 之磁粒子樣品以及磁量生技粒徑為 52± 10.2 nm 之磁性樣品，並且環境溫度從 25 °C 每 5°C 量測一次磁化數據直至 50°C，再以 5th/3rd harmonic 強度比值進行分析，如圖 4-9 所示。. 圖 4-9 不同溫度磁場之磁粒子 5th/3rd harmonic 強度比值分析. 25.

(35) 從圖 4-9 中可以看出，中興與磁量生技之磁粒子樣品在改變環境溫度時，在 5th/3rd harmonic 強度比值趨勢具明顯差異，從 2.3 節中我們得到當溫度上升時磁化強度應會下降，但在中興磁性樣品卻無類似的趨勢，而在磁量生技之磁性樣品中，可以看到當溫度上升時 5th/3rd harmonic 強度比值也跟著往下降，我們試著探討造成兩種磁性樣品一個無明顯趨勢另一個卻有趨勢的原因，以基頻 f0 = 6 kHz 激發場強 Hpeak：200 Oe 及環境溫度 50°C 為例觀察其頻譜上的差異，如圖 4-10 所示，磁量生技之磁性樣品明顯比中興之磁性樣品的磁化強度更大，並且計算兩者的五次諧波強度訊雜比(SNR)得到中興樣品為 145.2 而磁量生技樣品為 643.8，因此我們推測可能是因為中興樣品之 SNR 值較小，且當溫度上升時造成背景雜訊浮動較大，因此量測之磁化強度數據較不規則。. 圖 4-10 不同樣品磁化頻譜分析 26.

(36) 因此我們將磁量生技之磁性樣品進一步分析，利用磁化強度量測結果分成兩種分析方式分別為 5th/3rd harmonic 強度下降值比較與 5th/3rd harmonic 強度下降率比較進行分析，兩種分析方式都以線性 Fitting 方程式所計算之人體溫度 37 °C 5th/3rd harmonic 強度比值做為基準計算下降值與下降率，如下頁圖 4-11 所示，在強度下降率當中除了場強 100 Oe 和 125 Oe 之下降率較為相近其餘場強皆較為分散，而從強度下降值當中可以觀察到場強 150、175 及 200 Oe 的下降值是比較接近的，因此在不同的外加磁場條件下利用兩種分析方法，在場強 150 Oe 以上利用強度下降值進行分析，而場強 150 Oe 以下則利用強度下降率進行分析，如下頁圖 4-12 所示，在不同磁場強度的情況下，得到下降值及下降率受到磁場強度影響較小，因此當在外加磁場較不均勻的情況下，仍可以透過下降值或下降率來推測當時溫度。. 27.

(37) 圖 4-11 不同場強之強度下降值與下降率比較. 圖 4-12 5th/3rd harmonic 強度下降值與下降率比較. 28.

(38) 4.3 模擬磁性樣品特性與諧波關係磁性奈米粒子訊號會產生除基頻以外的多次諧波的訊號，並提供許多特性相關訊息，為驗證 4.2 節中粒徑與非線性磁化響應之關係，本章節以程式模擬磁化曲線 fitting Curve，藉由模擬中興四組相異粒徑磁性樣品於外加磁場下的磁化強度響應，觀察其諧波訊號變化，驗證實驗結果對於粒徑及磁場強度對磁化強度的關係。本實驗使用中興粒徑 38±11.4 nm、58.3±16.1 nm、70.3±18.5 nm、 103.3±24.3 nm，5000 Oe 下之磁化強度分別為 0.32 emu/g、0.62 emu/g、 0.37 emu/g、0.55 emu/g 的磁性試劑 Fe3O4 測得的磁化曲線進行分析模擬，但由於磁性粒子磁化曲線存在磁滯現象，以粒徑 38±11.4 nm 之磁性樣品為例，因此將相同磁場強度對應之磁化強度進行平均如圖 413，並擷取磁場強度 -500 Oe 至 +500 Oe 之數值利用程式模擬出± 500 Oe 磁化曲線 fitting curve，原先使用朗之萬函數進行模擬，因模擬之磁化曲線無法與原始數值吻合，最後選擇使用多項式進行模擬，如圖 4-14 為兩種模擬方法的比較，(a)為利用朗之萬函數模擬出之 fitting curve (b)為利用多項式模擬出之 fitting curve，可以看出利用多項式模擬之磁化曲線與原始數值較吻合，因此其餘粒徑皆依照多項式模擬出各粒徑的磁化曲線 fitting curve。. 29.

(39) (a). (b). 圖 4-13 (a)強度平均前 M-H Curve (b)強度平均後 M-H Curve. (a). (b). 圖 4-14 磁化曲線(a)朗之萬函數(b)多項式 fitting Curve. 30.

(40) 將四組粒徑模擬之磁化曲線依 4.2.2 節量測條件：磁場振幅 200 Oe、頻率 6 kHz 模擬其檢測結果，如圖 4-15 至圖 4-18，(a)部分為磁粒子磁場響應，其中紅色實線為樣品受磁化訊號 M（H）之波型、黑色實線為感應電動勢由線圈接收之訊號波型；(b)部分為線圈接收到的訊號進行傅立葉轉換之頻譜分析，將各次諧波訊號除以第一諧波訊號，並針對 3rd/1st harmonic 比較其強度差異。. (a). (b) 圖 4-15 D=38±11.4 nm 磁粒子頻譜分析. 31.

(41) (a). (b) 圖 4-16 D=58.3±16.1 nm 磁粒子頻譜分析. (a). (b) 圖 4-17 D=70.3±18.5 nm 磁粒子頻譜分析. 32.

(42) (a). (b) 圖 4-18 D=103.3±24.3 nm 磁粒子頻譜分析. 33.

(43) 將中興粒徑 38 ~ 103.3 nm 之磁性粒子 3rd/ 1st harmonic 模擬強度與實驗值比較，如圖 4-19，(a)部分為各粒徑 3rd/ 1st harmonic 模擬值比較；(b)部分為各粒徑 3rd/ 1st harmonic 模擬值與實驗值比較，由(a) 可得知當奈米粒子的粒徑變大時，所得到的磁化響應也會變大，原因是當磁粒子粒徑增加時磁化率也會相應提高，因此會獲得更高的磁化響應，而從(b)部分可得知實驗與模擬值在強度上具有差異，問題推測有兩種原因其一是樣品本身具磁滯現象因此再加入時變交流訊號後，隨時間推移在相同磁場下之磁化強度值並不固定，而模擬值是將磁化曲線平均後模擬獲得的，減少磁滯現象影響造成模擬值比實驗值大的情形，另一原因是我們利用乾燥後的磁性粒子進行磁化曲線的量測，因此與本實驗使用之液態磁流體可能具有差異，且受外加磁場影響液態磁流體會有磁粒子相互聚集的情形，因此發生實驗值與模擬值大小不一的情況，但粒徑變大磁化響應跟著變大的趨勢仍與實驗值相同。. (a). (b) 圖 4-19 磁性粒子 3rd/1st harmonic 實驗模擬比較 34.

(44) 再將四組粒徑模擬之磁化曲線依量測條件：磁場振幅 100 Oe、頻率 6 kHz 加入 DC offset 150 Oe 模擬其檢測結果，如圖 4-20 至圖 423，(a)部分為磁粒子磁場響應，其中紅色實線為樣品受磁化訊號 M （H）之波型、黑色實線為感應電動勢由線圈接收之訊號波型；(b)部分為線圈接收之訊號進行傅立葉轉換之頻譜分析，將各次諧波訊號除以於第一諧波訊號進行歸一化，並針對 2nd/1st harmonic 比較其強度差異。. (a). (b). 圖 4-20 D=38±11.4 nm 直流訊號磁粒子頻譜分析. 35.

(45) (a). (b). 圖 4-21 D=58.3±16.1 nm 直流訊號磁粒子頻譜分析. (a). (b). 圖 4-22 D=70.3±18.5 nm 直流訊號磁粒子頻譜分析. 36.

(46) (a). (b). 圖 4-23 D=103.3±24.3 nm 直流訊號磁粒子頻譜分析. 37.

(47) 將粒徑 38 ~ 103.3 nm 之磁性粒子 2nd/ 1st harmonic 模擬強度與實驗值比較，如圖 4-24，(a)部分為各粒徑 2nd/ 1st harmonic 模擬值比較；(b)部分為各粒徑 2nd/ 1st harmonic 模擬值與實驗值比較，由(a)可得知當奈米粒子的粒徑變大時，所得到的磁化響應也會變大，原因是當磁粒子粒徑增加時磁化率也會相應提高，因此會獲得更高的磁化響應，而從(b)部分可得知實驗與模擬值在強度上具有差異，問題推測有兩種原因其一是樣品本身具磁滯現象因此再加入時變交流訊號後，隨時間推移在相同磁場下之磁化強度值並不固定，而模擬值是將 M-H curve 平均後模擬獲得的，減少磁滯現象影響造成模擬值比實驗值大的情形，另一原因是量測之磁化曲線本身是利用乾燥後的磁性粒子進行量測，因此與液態磁流體可能具有差異，且液態磁流體會受外加磁場影響造成磁粒子相互聚集，造成實驗值與模擬值大小不一的情形發生，但粒徑變大磁化響應跟著變大的趨勢仍與實驗值相同。. (a). (b) 圖 4-24 磁性粒子 2nd/1st harmonic 實驗模擬比較 38.

(48) 依 4.2.1 節中交直流訊號量測條件：磁場振幅 100 Oe、頻率 6 kHz 再加入 DC offset 從 0 Oe 每間隔 10 Oe 模擬一次數據直到 200 Oe，使用中興粒徑 38±11.4 nm、58.3±16.1 nm、70.3±18.5 nm、103.3± 24.3 nm 磁性粒子之磁化曲線方程式模擬磁化訊號，並進行傅立葉轉換獲得磁化頻譜進行分析，將各次諧波訊號除以第一諧波訊號，針對 2nd / 1st harmonic 比較其強度差異，並將模擬值與實驗值整理於圖 425~26 進行比較，從模擬值可以看出當 DC 訊號增加時 2nd / 1st harmonic 訊號強度會產生一最大值再漸漸變小，原因為在 M-H Curve 曲折處會使非線性磁化響應產生類似於半波訊號的波形會產生二倍頻訊號，且隨半波訊號愈明顯二倍頻訊號也會愈大，但當 DC 訊號漸漸增加，磁化響應會慢慢趨於飽和的狀態，此時二倍頻訊號就會慢慢減小；從模擬與實驗值可以看出其強度具有差異及部分粒徑無產生較明顯之最大值，問題推測有兩種原因其一是樣品本身具磁滯現象因此在相同磁場下之磁化強度值並不固定，而模擬值是將磁化曲線平均後模擬獲得的，減少磁滯現象影響造成模擬值比實驗值大的情形，另一原因推測是量測之磁化曲線是利用磁流體乾燥後的磁性粒子進行量測，因此與液態磁流體可能具有特性差異，且液態磁流體會受外加磁場影響造成磁粒子相互聚集也可能影響馳豫時間，造成實驗值與模擬值強度無法吻合。 39.

(49) 圖 4-25 磁粒子 D=38±11.4 & 58.3±16.1 nm 2nd / 1st harmonic 強度分析. 圖 4-26 磁粒子 D=70.3±18.5 & 103.3±24.3 nm 2nd / 1st harmonic 強度分析. 40.

(50) 第五章結論統整，本研究完成可溫控磁粒子頻譜儀的架設，實現磁性奈米粒子溫度依賴性磁化頻譜檢測，以磁化響應 5th/ 3rd harmonic 分量進行分析。實驗透過不同磁場、粒徑及溫度來檢測各變因對磁化強度的影響，實驗結果表明，利用 3rd/ 1st harmonic 強度比值分析在相同磁性粒徑不同磁場強度的情況下，愈高磁場下之磁化強度較大，以及相同磁場不同粒徑下，粒徑較大的磁性粒子也會獲得更大的磁化強度，此結果符合 Langevin function，於函數中粒徑愈大所需之飽和磁場強度愈少，而在改變環境溫度時，驗證 5th/ 3rd harmonic 強度比值會往下降，且利用強度下降值與下降率兩種分析方式，在不同磁場強度的情況下，得到下降值及下降率受到磁場強度影響較小，因此當在外加磁場較不均勻的情況下，仍可以透過下降值或下降率來推測當時溫度。本研究利用函數產生器給予交流及直流訊號透過磁粒子頻譜分析，可以檢測磁性奈米粒子的磁化頻譜，並利用 2nd/ 1st harmonic 及 3rd/ 1st harmonic 強度比值並進行分析，給予 MPI 系統進行磁粒子強度模擬。透過實驗結果我們可以利用溫度與磁化強度比值的關係做為參考，來驗證磁粒子熱治療溫度監控的可行性，使治療中之正常細胞的死亡率下降，也利用磁化頻譜給予 MPI 系統進行磁粒子強度分析。 41.

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