奈米檢測技術期末報告

1. 奈米檢測技術期末報告 班級:奈米四乙 學號:49914904 姓名:楊 傑

2. 磁共振力顯微鏡(MRFM)

3. 原理 • MRFM結合了磁共振技術的自旋敏感性與三維 分辨能力和掃描探針技術的高空間分辨率，利用高靈敏度懸臂梁來測量具有高梯度磁場的微磁體與樣品自旋之間的磁矩－磁場梯度相互作用力，即磁共振力，具有極高的探測靈敏度和測量SNR，可滿足單核自旋的測量要求。在勻強磁場的作用下，自旋粒子將繞恆定外磁場Bz（縱向磁場）做拉莫進動。拉莫旋進的頻率稱為拉莫頻率，可表示為ωres=γBz，γ為旋磁比。拉莫頻率通常在射頻範圍。當磁場中的自旋粒子受到垂直於恆定外磁場Bz的頻率為ωrf=ωres的射頻場Bl（橫向磁場）作用時將發生磁共振現象，自旋粒子的自旋將發生反轉

4. MRFM原理示意圖

5. 在MRFM中樣品所感受到的總磁場強度B是恆定外磁場Bz與微磁體磁場Bt之和，即B=Bz+Bt；實現磁共振所需的射頻磁場是通過一個距離樣品非常近的射頻線圈提供。由於微磁體距離樣品非常近，它能在樣品處產生有很高磁場梯度的梯度磁場，所以滿足磁共振條件B=ωrf/γ的區域實際非常小。通常將滿足磁共振條件這一微小區域稱為共振切片， MRFM所測量的磁共振信號是共振切片內的所有自旋貢獻的卷積。 當微磁體所產生的磁場梯度足夠大時，即使樣品中只有少量自旋發生反轉也可與微磁體產生較強的作用， 使懸臂梁在磁共振力作用下產生微小形變。利用光纖干涉儀可準確地測量到懸臂樑的這種微小形變，從而實現磁共振力的測量。由於MRFM只對共振切片內的自旋信息敏感， 因而可通過調節恆定外磁場或調節懸臂樑與樣品的間距等方法來改變共振切片的深度，從而探測樣品內部的自旋信息實現三維高分辨成像

6. MRFM三維成像 • MRFM與傳統的磁共振研究手段相比，其最大 的優勢在於這種方法有很高的探測靈敏度，可以實現高分辨率的三維實空間成像。自首台MRFM於1992年在IBMAlmaden實驗室問世以來，MRFM的測量靈敏度一直保持以每年提高約一個數量級的速度在高速發展。

7. 2007年日本JOEL的研究人員利用MRFM實現了對懸臂梁端頭固定的DPPH顆粒的電子自旋共振成像 。結合圖像的重構技術，他們成功實現了 ～2μm三維空間分辨率。在經過12年的不懈努力後， IBM的研究人員終於在2004完成了MRFM發展上具有里程碑意義的工作—實現了單電子自旋的探測 。並於2007年利用MRFM進行核磁​​共振 成像取得了重大突破，獲得了～90nm分辨率的二維19F核磁共振圖像。通過將納米磁體直接固定在微帶線上，並對磁體週圍磁場分布的深入研究，IBM的研究人員於2008年成功實現了對懸臂梁端頭上的煙草花葉病毒～4nm分辨率的三維實空 間1H核磁共振成像， 如圖12所示［1］。隨著MRFM分辨率的進一步提高，相信實現生物大分子的三維結構測定這一MRFM研制的初衷會最終實現。

8. 協議原理

9. 三維煙草花葉病毒核磁共振圖像

10. 結論 • 磁共振影像技術是一項快速發展中的新科技，它除了不具造成輻射傷害的優點外，其產生的影像更有良好的對比並可以提供生物活體三度空間之訊息。加上現今臨床上可提供組織器官功能性障礙或代謝性障礙的臨床診斷，用來研究生理或生化的反應。使得 MRI 除了有良好的影像對比外，也同時具備組織功能性之訊息。