基于图像测定磁性纳米材料磁矩参数的研究

摘要

近年来，磁性纳米材料以其磁学性质广泛应用于生物医学研究中，磁性纳米粒子可以作为药物载体，通过外加梯度磁场，将药物输送至肿瘤部位，起到靶向治疗的作用。磁性纳米粒子还可以用于磁热疗，将磁性微粒输送至病灶区域，在外加交变磁场的作用下，磁性微粒产生磁热效应从而杀死病变细胞。磁性纳米粒子还可以用作MRI造影剂，如超顺磁性的氧化铁纳米粒子具有较高的弛豫率和低廉的价格，并且有良好的耐受性、生物相容性及稳定性。了解磁性纳米粒子的磁学性质对其应用具有重要的意义，磁矩是磁性材料最基本的磁学参数，很多磁强计测量原理就是先测出样品的磁矩，再转换为其他参数。测量磁性纳米材料磁矩的磁强计可按照测量样品的尺寸分为三类，在第一章中分别介绍了针对单个磁性纳米颗粒磁矩测量方法:磁力显微镜、洛伦兹显微术;针对微尺度磁性纳米聚集体磁矩测量方法:超导量子干涉仪、巨磁电阻传感器、磁光克尔效应仪;针对大量磁性颗粒聚集体磁矩测量方法:振动样品磁强计、磁天平、电子顺磁共振仪。简述了各个方法的原理及发展现状。
　　本论文主要研究的内容和结果如下:
　　第二章分析了磁矩的测量对于研究磁性材料磁学性质具有重要的意义，而磁性粒子间的相互作用会影响其磁化强度，从而改变其磁矩大小。考虑到磁性纳米颗粒胶体中粒子间的相互作用力，我们提出了一种基于动力学与数字图像处理技术的测量磁性纳米颗粒胶体液滴磁矩的新方法。将微量的水相磁性纳米颗粒胶体(2uL)置于与其密度相同的有机液体中，磁性胶体液滴会在水张力的作用下形成圆球形并悬浮在有机液中。然后外加梯度磁场，胶体液滴会在磁力的作用下沿着磁场增大的方向运动。对胶体液滴水平方向进行受力分析，得到关于液滴速度、加速度、粘滞阻力以及磁力的方程式，即可以通过测量液滴的速度、加速度，得到液滴所受磁力，从而推算出液滴的磁矩。在第二章中，进行了计算机数值模拟实验，证明了此方法的可行性。并且对影响测量的灵敏度的因素进行了分析，得出结论图像采集装置的采集速度越快，磁矩测量的灵敏度越高。
　　第三章中介绍了实验装置，使用Ansoft软件对装置中的”C”型电磁体的磁场分布进行了模拟，并使用特斯拉计测量了外磁场强度，对测量值与距离的关系进行四阶多项式拟合，再对多项式求导得到磁场梯度与距离之间的函数关系。配置与磁性纳米溶液浓度相当的有机液，观察到磁性纳米粒子团形成球形并悬浮于有机相中，外加梯度磁场，液滴在运动的过程中始终保持均匀的球形。所以，我们可以将磁性纳米颗粒胶体液滴看作整体进行分析。
　　第四章和第五章是本文的核心，第四章中测量了不同尺寸的磁性纳米颗粒胶体液滴的磁矩大小，证明了当磁场方向与液滴运动方向相同时，磁性粒子间的磁偶和作用会增强其磁化强度。实验中，分别测量了不同尺寸的γ-Fe2O3与DMSA@Fe2O3磁性纳米胶体液滴的磁矩，两种材料均是由水动力尺寸为82nmγ-Fe2O3磁性纳米颗粒胶体制备而成。结果得出水动力尺寸为598nm的γ-Fe2O3磁性纳米胶体液滴总磁矩大于水动力尺寸为83nm的DMSA@Fe2O3。并且磁热效应强度也与水动力尺寸成正相关。另外，从不同尺寸的Fe3O4磁性纳米胶体液滴磁矩的测量结果中可以看出，水动力尺寸接近的磁性纳米颗粒胶体液滴磁矩大小接近。水动力尺寸较大的液滴在磁场作用下，运动的过程中会出现明显的团聚现象，整个液滴呈固液分离的状态。磁矩明显大于水动力尺寸较小的磁性颗粒液滴。通过测量数据验证了本方法能够定量测量不同水动力尺寸的磁性纳米颗粒胶体液滴的磁矩。在第五章中，我们取浓度分别为6mg/ml，3mg/ml，1.5mg/ml，0.75mg/ml的DMSA@Fe2O3磁性纳米胶体，也使用本文提出的新方法测量了这四种浓度胶体液滴的磁矩，同时使用振动样品磁强计与磁天平对材料的饱和磁化强度与磁化率进行了测量。并且测量了这四种材料在5分钟内的磁热升温值，分别计算了磁热效应与本方法所测磁矩、振动样品磁强计所测饱和磁化强度以及磁天平所测磁化率之间的线性相关系数，线性相关性分别为0.986、0.844、0.945。说明本方法所测磁矩可以定量的反映材料的磁热效应。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 磁性纳米颗粒在生物医学中的应用概述

1．1．1 磁性纳米粒子作为药物载体

1．1．2 磁性纳米粒子用以磁热疗

1．1．3 磁性纳米粒子作为造影剂

1．2 单个磁性纳米颗粒磁矩的测量

1．2．1 磁力显微镜测磁矩

1．2．2 洛伦兹显微术测磁矩

1．3 微尺度磁性纳米颗粒聚集体的磁矩测量

1．3．1 超导量子干涉仪澍磁矩

1．3．2 巨磁电阻传感器测磁矩

1．3．3 磁光克尔效应测磁矩

1．4 大量磁性纳米颗粒集体磁矩的测量

1．4．1 振动样品磁强计测磁矩

1．4．2 磁天平测磁矩

1．4．3 电子顺磁共振仪测磁矩

1．5 本论文的主要研究内容

参考文献

第二章 基于动态图像测量磁性纳米材料磁矩的数值模拟

2．1 测量磁性纳米颗粒胶体液滴磁矩对于研究其磁学性质的意义

2．1．1 测量材料的磁矩对于研究其磁学性质的意义

2．1．2 磁性纳米颗粒胶体液滴磁矩与材料磁矩的关系

2．2 磁性纳米粒子团的运动模型

2．2．1 磁性纳米颗粒胶体液滴的运动分析

2．2．2 磁性纳米颗粒胶体液滴磁矩测量方法

2．3 测量方法可行性证明

2．4 测量方法灵敏度分析

2．5 本章小结

参考文献

第三章 基于动态图像进行磁性颗粒磁矩测量的装置

3．1 引言

3．2 “C”型电磁铁磁场分布模拟

3．2．1 磁路计算原理

3．2．2 电磁铁设计与磁场分布模拟

3．3 电磁铁磁场分布测量及梯度计算

3．4 测量的原型装置

3．5 本章小结

第四章 不同尺寸的磁性纳米颗粒胶体液滴的磁矩测量

4．1 偶极作用对磁性纳米颗粒集体磁性的影响

4．2 制备不同尺寸的磁性纳米颗粒胶体

4．2．1 不同尺寸的γ-Fe2O3与DMSA@FeO3磁性纳米颗粒胶体的配制

4．2．2 不同尺寸的Fe2O3磁性纳米颗粒胶体的配制

4．3 VSM测量磁性纳米材料的磁滞回线

4．3．1 不同尺寸的γ-Fe2O3与DMSA@FeO3磁性纳米胶体VSM结果

4．3．2 不同尺寸的Fe3O4磁性纳米颗粒胶体VSM结果

4．4 不同尺寸磁性纳米颗粒胶体液滴磁矩的测量与分析

4．4．1 录像数据处理过程

4．4．2 不同尺寸的γ-Fe2O3与DMsA@Fe2O3磁性纳米颗粒胶体液滴磁矩结果

4．4．3 不同尺寸的Fe3O4磁性纳米颗粒胶体液滴磁矩结果

4．5 本章小结

参考文献

第五章 不同浓度的磁性纳米颗粒胶体液滴的磁矩测量

5．1 引言

5．2 配置不同浓度的磁性纳米颗粒胶体

5．2．1 邻二氮菲比色法

5．2．2 配置四种不同浓度的DMSA@Fe2O3磁性纳米颗粒胶体

5．3 现有磁强计测量不同浓度DMSA@Fe2O3磁性纳米颗粒胶体磁学性质

5．3．1 DMSA@Fe2O3磁性纳米颗粒胶体VSM结果

5．3．2 DMSA@Fe2O3磁性纳米颗粒胶体磁天平结果

5．4 不同浓度DMSA@Fe2O3磁性纳米颗粒胶体液滴磁矩的测量与分析

5．4．1 不同浓度DMSA@Fe2O3磁性纳米颗粒胶体液滴磁矩结果

5．4．2 不同浓度DMSA@Fe2O3磁性纳米颗粒胶体磁热效应

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

致谢

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