磁性ナノ粒子の保磁力とサイズの同時測定

Simultaneous Coercivity and Size Determination of Magnetic Nanoparticles.

• Annelies Coene
• Jonathan Leliaert

抄録

磁性ナノ粒子は、病気の検出や腫瘍治療などの生物医学的用途での採用が増えています。これらのアプリケーションの安全かつ効率的な運用を確保するためには、粒子の非侵襲的かつ正確な特性評価が必要である。本研究では、粒子を特定のパルスの時間変化する磁場で励起する磁気特性評価技術を提示している。この方法では、特定のサイズのナノ粒子を選択的に励起することができ、結果として得られる測定は、先験的な仮定や測定信号を分解するための複雑な後処理手順を必要とせずに、サイズ分布に関する直接的な情報を提供することができます。これは、最先端の磁気特性評価技術とは対照的です。特定の粒子タイプを選択的に励起することができるため、1つのサンプル内で異なる粒子タイプを独立してイメージングする必要がある「マルチカラー」粒子イメージングの可能性が広がります。さらに、この方法では、粒子のサイズに依存した保磁力を同時に測定することができます。これは、基礎的な観点からの貴重な構造-物性関係であるだけでなく、磁性粒子の超温熱のようなアプリケーションの最適化にも実用的に関連しています。本研究では、この新しい特性評価技術が、いくつかの粒子サイズ分布を正確に再構成し、粒子の保磁力-サイズ関係を取得できることを数値的に実証した。開発された技術は、現在の磁性ナノ粒子の特性評価の可能性を前進させ、バイオメディカルアプリケーションや粒子イメージング手順のためのエキサイティングな道を切り開く。

Magnetic nanoparticles are increasingly employed in biomedical applications such as disease detection and tumor treatment. To ensure a safe and efficient operation of these applications, a noninvasive and accurate characterization of the particles is required. In this work, a magnetic characterization technique is presented in which the particles are excited by specific pulsed time-varying magnetic fields. This way, we can selectively excite nanoparticles of a given size so that the resulting measurement gives direct information on the size distribution without the need for any a priori assumptions or complex postprocessing procedures to decompose the measurement signal. This contrasts state-of-the-art magnetic characterization techniques. The possibility to selectively excite certain particle types opens up perspectives in "multicolor" particle imaging, where different particle types need to be imaged independently within one sample. Moreover, the presented methodology allows one to simultaneously determine the size-dependent coercivity of the particles. This is not only a valuable structure-property relation from a fundamental point of view, it is also practically relevant to optimize applications like magnetic particle hyperthermia. We numerically demonstrate that the novel characterization technique can accurately reconstruct several particle size distributions and is able to retrieve the coercivity-size relation of the particles. The developed technique advances current magnetic nanoparticle characterization possibilities and opens up exciting pathways for biomedical applications and particle imaging procedures.