用于分离磁性粒子的方法和布置、磁性粒子以及磁性粒子的用途的制作方法

专利名称：用于分离磁性粒子的方法和布置、磁性粒子以及磁性粒子的用途的制作方法
用于分离磁性粒子的方法和布置、磁性粒子以及磁性粒子的用途
本发明涉及用于分离磁性粒子的方法。此外，本发明涉及用于分离磁 性粒子的布置、磁性粒子以及磁性粒子的用途。
从德国专利申请DE 101 51 778 Al已知一种磁性粒子成像的方法。在 该公开中描述的方法的情况下，首先生成具有磁场强度的空间分布的磁场， 从而在检查区中形成具有相对低的磁场强度的第一子区和具有相对高的磁 场强度的第二子区。然后移动子区在检査区中的空间位置，从而使得检査 区中粒子的磁化强度局部变化。记录取决于检査区中已经受到子区空间位 置移动的影响的磁化强度的信号，并且从这些信号中提取与检查区中磁性 粒子的空间分布相关的信息，从而可以形成检査区的图像。这种布置和这 种方法具有以下优点，即它可用于以无损方式检查任意检査对象一"~例如 人体——而不会造成任何损伤，并且在靠近检査对象表面处和远离检査对 象表面处均具有高的空间分辨率。
这种已知布置的性能强烈地取决于示踪剂材料(即磁性粒子的材料) 的性能。总是需要增大已知布置的信噪比以便提高分辨率并将这种方法应 用于更多的应用。
因此本发明的目标是提供一种方法从而产生改进的磁性粒子，尤其应 用于磁性粒子成像。
上述目标通过一种用于分离磁性粒子的方法而实现，其中磁性粒子包 括粒子易磁化方向，所述方法包括以下步骤使磁性粒子受到第一磁场的 作用，从而使得粒子易磁化方向被定向为平行于第一磁场的磁场矢量，此 外，使磁性粒子受到第二磁场的作用，第二磁场具有相对于第一磁场的磁 场矢量旋转一角度的取向，并且此外，对磁性粒子施加分离力。
这种方法的优点在于，有可能获得具有比较明显的其磁化强度的各向 异性强度分布的磁性粒子，由此在用于磁性粒子成像技术的背景中时增大信噪比。在本发明的背景中，术语"磁性粒子的磁化强度的各向异性强度" 表示为了明显改变一个或多个磁性粒子的磁化强度所必需的外部磁场(相 对于所述一个或多个磁性粒子的外部)。这一解释与涉及术语"磁性粒子的 各向异性"或"场的各向异性"的其他定义强烈相关，例如用多个各向异 性常数来表达与不同空间方向有关的不同能量(能量面)。在本发明的背景 中，术语"磁性粒子的磁化强度的各向异性强度"与可量化的参数有关。 对于术语"平行于第一磁场的磁场矢量的粒子易磁化方向的取向"，应该理 解，在玻尔兹曼分布的意义上，多个磁性粒子的易磁化方向优选被定向为 平行于第一磁场的磁场矢量。
根据本发明的优选实施例，第二磁场包括用于对磁性粒子施加分离力 的磁场梯度。由此，有可能实现一种根据其磁化强度的各向异性强度来有 效分离磁性粒子的比较简单的方法。在这一实施例中，还优选提供第一磁 场为均匀磁场。由此，有可能获得平行于第一磁场的磁场矢量的粒子易磁 化方向的非常良好定义的取向，而不在不必要的或随机的方向上施加力。
根据本发明的另一优选实施例，通过包括磁场梯度的第三磁场来对磁 性粒子施加分离力。由此，优选有可能以均匀磁性的形式提供第二磁场并 通过第三磁场来分离磁性粒子，由此，相对于第二磁场包括磁场梯度并施 加分离力的情况增加本发明的方法的分离能力。
根据本发明的另一优选实施例，磁性粒子是根据其磁化强度的各向异 性强度而被分离的。这允许生成具有良好定义的其磁化强度的各向异性强 度的磁性粒子，即具有这一特性的比较明显的定界分布。
根据本发明的又一优选实施例，磁性粒子是单畴磁性粒子，也被称为 单一畴磁性粒子。
根据本发明的一实施例，优选第二磁场或第三磁场被提供为由在单根 电线中流过的电流产生的磁场。由此，有可能以相对简单的方式产生梯度 磁场。
此外，根据本发明的一个实施例，优选当启用第二磁场时停用第一磁 场，反之亦然。由此，有利的是有可能选择性影响具有所定义的其磁化强 度的各向异性强度的磁性粒子，从而使得它们可以被有效分离。
此外，根据本发明的又一实施例，优选第一和第二磁场的启用和停用的频率被包括在大约1kHz至大约100MHz的范围内，优选在大约200kHz 至大约5MHz的范围内。由此，有利的是有可能使本发明的方法适于多个 不同的磁性粒子，例如不同尺寸的和/或不同环境的磁性粒子。
本发明还涉及用于分离磁性粒子的布置，该布置包括流体管道、用于 生成第一磁场的第一磁场生成装置以及用于生成第二磁场的第二磁场生成 装置，其中第二磁场被提供为具有相对于第一磁场的磁场矢量旋转一角度
的取向。
通过本发明的布置，有利的是有可能根据其磁化强度的各向异性强度 来提供对磁性粒子的简单有效的分离。
本发明还涉及具有指定的其磁化强度的各向异性强度的磁性粒子以及 这种磁性粒子的用途。优选磁化强度的各向异性强度被提供为处于大约 lmT至大约lOmT范围内，其中其磁化强度的各向异性强度的标准偏差小 于lmT，优选小于0.5mT,最优选小于0.25mT。利用这种粒子，只要粒子 受到的外部磁场被定向为相对于磁性粒子的易磁化方向(易轴)在特定角 度范围内，就有可能增强磁性粒子成像应用中的信噪比。 一般地，在磁性 粒子成像的背景下，优选使用更大的粒子，因为这种更大的磁性粒子潜在 地具有更大可能的磁化强度，其进而可能导致在探测阶段的更高的信噪比。 尽管如此，磁性粒子的尺寸受到限制，因为更大的粒子由于其磁矩而彼此 吸引并形成磁性粒子团，对磁性粒子成像方法来说几乎是不可见的。在有 可能精确分离具有所定义的其磁化强度的各向异性强度的磁性粒子的情况 下，有可能使用比较小的粒子来产生仍然比较高的信噪比。
在本发明的背景下提到的磁场强度也可以被指定为以特斯拉为单位。 这并不正确，因为特斯拉是磁通密度的单位。为了获得特定的磁场强度， 在每种情况中指定的值还必须除以磁场常数^。
通过结合附图进行的以下详细描述，本发明的这些和其他特性、特征 和优点将变得明显，附图以示例的方式图示说明本发明的原理。该描述仅 是为示例的目的而给出，并不限制本发明的范围。以下引用的参考图指的 是附图。


图1图示说明处于作用区域中的磁性粒子的放大视图；图2和图3图示说明三种不同形状的磁性粒子的相对信号强度和磁滞 行为的图表；
图4示意性图示说明用于分离磁性粒子的布置的截面视图； 图5图示说明在时域中的第一和第二磁场。
下面将通过特定的实施例并参考某些附图来描述本发明，但是本发明 并不局限于此，而是仅受权利要求限制。所描述的附图仅是示意性的，而 不是限制性的。在附图中，为了图示说明的目的， 一些元件的尺寸被放大， 而不是按比例画出。
当提及单数名词而使用不定冠词或定冠词如"一"、"一个"、"该"时， 除非有特别声明，这也包括多个该名词。
此外，说明书和权利要求书中的术语"第一"、"第二"、"第三"等用 于区分类似的元件，而不必用于描述相继次序或时间次序。应该理解，在 适当情况下这样使用的术语是可以互换的，且本文所述的本发明的实施例 能够以与本文所述的或所说明的不同的其他顺序来操作。
另外，说明书和权利要求书中的术语"顶部"、"底部"、"上方"、"下 方"等用于描述性目的，而不必用于描述相对位置。应该理解，在适当情 况下这样使用的术语是可以互换的，且本文所述的本发明的实施例能够以 与本文所述的或所说明的不同的其他取向来操作。
应该注意到，在本说明书和权利要求书中使用的术语"包括"不应解 读为受限于其后列出的手段；它并不排除其他元件或步骤。因此，表述"包 括装置A和B的设备"的范围不应限于仅由部件A和B构成的设备。它意 味着对于本发明，该设备的最相关的部件为A和B。
图1示出与本发明的布置10 —起使用的一类磁性粒子100的示例。它 包括例如单畴磁性材料101，例如铁磁类型的磁性材料。这一磁性材料101 可以被例如涂层103覆盖，涂层103保护粒子100免受化学和/或物理侵蚀 环境(例如酸)的影响。用于饱和这种粒子100的磁化强度所需的外部磁 场的磁场强度取决于各种参数，例如粒子100的直径、所用的磁性材料101 和其他参数。根据本发明，磁性粒子100是磁各向异性的，即它们具有其 磁化强度的各向异性。例如，可以通过形状各向异性和/或通过晶体各向异性和/或通过感生各向异性和/或通过表面各向异性来提供这种各向异性。磁
性粒子100包括易磁化方向，也被称为易轴105。
在与磁性粒子成像相关的布置和方法中(例如从DE 101 51 778己知， 其全部内容以引用的方式并入本文)，所谓的磁驱动场产生与磁性粒子100 受到的外部磁场的方向相对应的磁驱动矢量225。如果具有其磁化强度的各 向异性的单畴磁性粒子暴露于外部磁场，则磁性粒子的响应取决于场方向 与易磁化方向(易轴)的关系。如果外部磁场垂直于易轴，则响应信号是 比较低的。如果外部磁场平行于易轴，则响应信号要大得多。令人惊奇的 是，如果磁性粒子100受到的外部磁场被定向为相对于磁性粒子100的易 轴成一特定角度，则该信号是最优的。根据本发明，应该以相对高的可能 性将磁驱动矢量225定向为相对于磁性粒子100的易磁化方向105成一特 殊角度125。由此，增强了磁性粒子成像布置中的磁性粒子100的磁化强度 信号。
在图1所示的示例中，通过形状各向异性来提供磁性粒子100的各向 异性。磁性粒子100是准球形的，只是在其最长延伸的方向(也被称为z 方向；在图1中为上下方向)上比在与该最长延伸垂直的平面的两个方向 (也被称为x方向和y方向)上长。例如，磁性粒子100的最长延伸量是 31nm，且磁性粒子100在其他两个方向(x方向禾By方向)上的延伸量是 30nm。在本发明的背景下，磁性粒子100的给定尺寸对应于磁性粒子100 的磁性材料101的尺寸。
根据本发明，优选使用磁性粒子100的良好定义的磁化强度的各向异 性强度，该强度为大约lmT至大约lOmT，优选为大约3mT至大约5mT。 在给出的示例中，如果形状各向异性被增强到使粒子长度(沿其最长方向) 为32nm而仍保持其他方向(x方向和y方向)上的直径为30nm，则这一 各向异性可能被超越。这也表示在图2和图3中。
图2表示三种不同形状的磁性粒子100的相对信号强度140的图表。 针对不同阶的若干谐波150示出相对信号强度140。针对所有三种粒子，当 谐波的阶数增大时，信号强度140下降。尽管如此，由曲线A表示的磁性 粒子100的信号强度140的下降比由曲线B和C表示的磁性粒子100更小。 曲线A对应于由于其在x、 y、 z方向的延伸量分别为30nm、 30nm和31nm而具有形状各向异性的磁性粒子100。曲线B对应于由于其在x、 y、 z方向 的延伸量分别为30nm、30nm和30nrn而具有形状各向异性的磁性粒子100。 曲线C对应于由于其在x、 y、 z方向的延伸量分别为30nm、 30nm和32nm 而具有形状各向异性的磁性粒子100。因此最佳相对信号强度140由对应于 曲线A的磁性粒子实现。
图3表示上面提到的三种粒子A、 B和C的磁滞行为的图表。磁化强 度的相对强度141 (以任意单位)被示出为取决于以特斯拉为单位的外部磁 场的强度151。可以看出，粒子A的磁滞行为是这样的以致反转磁化强度 所需的能量是存在的但是比较低，从而使得单畴磁性粒子100的磁化强度 变化(或反转)(N6d旋转)可以很快地实现。
在图4中，示意性示出根据本发明的布置10的实施例，其中流体导管 300含有包括磁性粒子100的流体(未示出)。在该示例中，流体导管300 垂直于图平面延伸。第一磁场350用箭头表示。该第一磁场350尤其被定 向为垂直于流体导管300的延伸，例如竖直地。第二磁场360也用箭头表 示。在给定的示例中，第二磁场360被提供为具有磁场梯度并且是通过有 电流流过的单根电线361生成的。由此，第二磁场360至少局部被定向为 相对于第一磁场350的(原)取向成一角度365，并且因此也相对于粒子 100的易磁化方向105的优选取向成一角度。将第一磁场350与第二磁场 360之间的角度365根据本发明定义为由第一和第二磁场350、 360的方向 所包含的锐角(不管这些磁场的取向如何)。尽管如此，为了提供磁性粒子 100的磁化强度反转，第一磁场350的取向与第二磁场360的取向之间的角 度必须超过90度。
在图5中，示出第一磁场350和第二磁场360的演变的时间图表。可 以看出，第一和第二磁场350、 360交替出5见，从而使得当停用第二磁场360 时启用第一磁场350，并且当停用第一磁场350时启用第二磁场360，由此 执行启用和停用的循环320。在第一和第二磁场350、 360的每个这种启用 和停用的循环320中，磁性粒子100被第一磁场350定向为平行于第一磁 场350的磁场强度矢量(如图4所示)。第二磁场360至少局部被定向为相 对于第一磁场350的原取向成一角度365。可以不同于图4所示的矩形脉冲 而提供第一和第二磁场350、 360的时间变化，例如以正弦半波、三角形等。在这一配置中，由于这种磁性粒子100的磁化强度的更快或更慢的重 新定向取决于其磁化强度的各向异性强度，可以实现磁性粒子100的分离。 多个磁性粒子100中的在存在第二磁场360的磁场梯度时显示出其磁化强 度的更快重新定向的磁性粒子被吸引(例如，在朝向单根电线361的方向 上，即在更强的第二磁场360的方向上)，而显示出其磁化强度的更慢重新 定向的磁性粒子需要更长的时间来反转其磁化强度。在这一时间间隔内(尚 未反转其磁化强度)，这些磁性粒子被第二磁场360的磁场梯度排斥。通过 选择正确的角度365，可以增强分离这两种行为的可能性。
例如，可以通过色谱方法来执行分离，例如使得在流体管道中以交替 方式提供含有磁性粒子100的液体和不含磁性粒子100的液体，从而使得 通过不含磁性粒子100的液体将含有不同量的磁性粒子100的液体彼此分 离。在存在交替的磁场350、 360的情况下，当这种含有一定量的磁性粒子 100的液体沿流体管道300流动时，具有所定义的其磁化强度的各向异性强 度的磁性粒子100被例如吸引朝向流体导管300的一个壁，由此比其余磁 性粒子100更缓慢地流动。通过在沿流体导管300流动时流体含有磁性粒 子100的量的这种分歧，可以根据其磁化强度的各向异性强度来实现磁性 粒子100的空间分离。所期望的磁性粒子100因此可以容易地与剩余的磁 性粒子100分离。这一类利用色谱原理的很多不同分离方法是已知的。
因此，不需要在此进一步阐述相应分离设备的构造。
在根据本发明的方法的进一步实施例(未示出)中，第一磁场、第二 磁场和第三磁场交替出现(类似于图5的实施例的交替的第一和第二磁场)。 在该进一步实施例中，第一磁场和第二磁场优选是均匀的并且被定向为使 得第二磁场相对于第一磁场旋转角度365，并因此能够反转磁性粒子的磁化 强度。在该进一步实施例中，第三磁场包括磁场梯度并因此对应于图5的 实施例中的第二磁场。在施加第一磁场一段时间后，接着施加第二磁场一 段时间，存在很大的可能性将具有所定义的其磁化强度的各向异性强度的 这种磁性粒子100定向为反平行于第一磁场的(原)方向。然后可以施加 第三磁场，从而使得磁场梯度被定向为平行于第一磁场的原方向，由此相 对于图5的实施例增大分离能力(对梯度磁场中的磁性粒子的作用力)。
根据所描述的根据本发明的方法的两个实施例，有可能使多个磁性粒子100重复经过流体管道并由此获得磁性粒子100的磁化强度的各向异性
强度的更好(更明显)的分布。因此，有可能获得所获得的磁性粒子的磁 化强度的各向异性强度分布的标准偏差的特定值。
权利要求
1、一种用于分离磁性粒子(100)的方法，其中，所述磁性粒子(100)包括粒子易磁化方向(105)，所述方法包括以下步骤-使所述磁性粒子(100)受到第一磁场(350)的作用，从而使得所述粒子易磁化方向(105)被定向为平行于所述第一磁场(350)的磁场矢量，-使所述磁性粒子(100)受到第二磁场(360)的作用，所述第二磁场(360)具有相对于所述第一磁场(350)的磁场矢量旋转一角度(365)的取向，-对所述磁性粒子(100)施加分离力。
2、 如权利要求1所述的方法，其中，所述第二磁场(360)包括用于 对所述磁性粒子(100)施加所述分离力的磁场梯度。
3、 如权利要求l所述的方法，其中，通过包括磁场梯度的第三磁场对 所述磁性粒子(100)施加所述分离力。
4、 如权利要求1所述的方法，其中，根据所述磁性粒子(100)的磁 化强度的各向异性强度来分离所述磁性粒子(100)。
5、 如权利要求1所述的方法，其中，所述磁性粒子(100)是单畴磁 性粒子(100)。
6、 如权利要求2所述的方法，其中，所述第一磁场(350)是均匀磁场。
7、 如权利要求3所述的方法，其中，所述第一磁场(350)和所述第 二磁场(360)是均匀磁场。
8、 如权利要求1所述的方法，其中，所述第二磁场(360)或所述第三磁场被提供为由在单根电线(361)中流过的电流产生的磁场。
9、 如权利要求1所述的方法，其中，当启用所述第二磁场(360)时 停用所述第一磁场(350)，反之亦然。
10、 如权利要求1所述的方法，其中，所述第一和第二磁场(350， 360) 的启用和停用的频率被包括在大约lkHz至大约100MHz的范围内，优选在 大约200kHz至大约5MHz的范围内。
11、 一种用于分离磁性粒子(100)的布置(10)，所述布置(10)包 括流体管道(300)、用于生成第一磁场(350)的第一磁场生成装置以及用 于生成第二磁场(360)的第二磁场生成装置(361)，其中，所述第二磁场(360)被提供为具有相对于所述第一磁场(350)的磁场矢量旋转一角度 (365)的取向。
12、 一种磁性粒子(100)，其具有指定的处于大约lmT至大约10mT 范围内的其磁化强度的各向异性强度，其中，所述磁化强度的各向异性强 度的标准偏差小于lmT，优选小于0.5mT，最优选小于0.25mT。
13、 如权利要求12所述的磁性粒子(100)用于磁性粒子成像的用途。
全文摘要
公开了用于分离磁性粒子的方法和布置、磁性粒子以及磁性粒子的用途，其中所述方法包括以下步骤-使磁性粒子受到第一磁场的作用，从而使得粒子易磁化方向被定向为平行于第一磁场的磁场矢量，-使磁性粒子受到第二磁场的作用，第二磁场具有相对于第一磁场的磁场矢量旋转一角度的取向，-对磁性粒子施加分离力。
文档编号B03C1/01GK101563164SQ200780046761
公开日2009年10月21日 申请日期2007年12月18日 优先权日2006年12月20日
发明者B·格莱希, J·魏岑埃克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司