高分辨率磁粒子成像中超铁磁性的物理化学必要与充分条件研究及其在精准医疗中的应用前景

本综述系统阐述了高浓度超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIOs）在链式结构中通过强偶极-偶极相互作用实现超铁磁性（Superferromagnetism）的物理化学机制。研究通过正反馈模型成功预测了磁滞现象，揭示了纳米颗粒核心尺寸、氧化态和涂层厚度对磁粒子成像（MPI）分辨率提升的关键作用，为开发新一代高分辨率MPI示踪剂提供了理论指导和实验验证。

　　

1 引言

磁粒子成像（MPI）是一种新型示踪剂成像技术，通过利用超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIOs）对磁场的非线性响应来绘制其空间分布。MPI图像分辨率主要受MPI梯度场强度以及纳米颗粒示踪剂的物理和磁学性质影响。虽然MPI具有卓越的灵敏度、对比度和穿透深度，但其空间分辨率仍然有限，特别是在临床系统中由于梯度场强度的安全限制。因此，提高分辨率的努力集中在开发具有增强磁分辨率的MPI定制示踪剂上。

2 理论

2.1 相同纳米颗粒链

研究考虑了由N个超顺磁性单域球形纳米颗粒组成的线性链，每个颗粒具有磁芯半径r_k和溶剂化壳厚度δ_k。通过简化问题，假设颗粒具有相同的磁芯半径r和中心到中心距离Δ=2(r+δ)，可以得到均匀极化的情况。研究使用正反馈模型分析了强偶极-偶极耦合的影响，展示了随着反馈项β的变化，系统磁化曲线和MPI点扩散函数（PSF）的相应变化。

2.2 磁滞条件

2.2.1 “无限长”链

对于“无限长”的相同颗粒链，研究得出了观察超铁磁行为所需的最小磁芯半径条件。对于具有M_s=447 kA m^-1（块体磁铁矿）的颗粒，在环境温度（298K）下，最小半径约为16.3 nm。在考虑壳厚度δ的情况下，磁滞观察的条件得到了进一步推导。

2.2.2 二聚体

在二聚体的情况下，研究解决了单变量的超越方程，描述了在表现出超铁磁行为的材料中观察到的最小矫顽力。这定义了观察超铁磁行为的颗粒半径的“充分条件”。

3 实验部分

3.1 氧化铁纳米颗粒的合成

通过热分解乙酰丙酮铁（Fe(acac)₃）在油酸（OA）和1-十八烯存在下，利用LaMer机制合成了油酸封端的氧化铁纳米颗粒。通过控制试剂OA:Fe的比例实现了纳米颗粒磁芯尺寸的精确控制。

3.2 材料表征

通过透射电子显微镜（TEM）和动态光散射（DLS）对纳米颗粒样品进行了表征，确定了核心直径分布和流体动力学直径分布。

3.3 比色铁测定

使用1,10-菲啰啉按照ASTM标准测试进行了铁定量，确定了总铁含量和[Fe³⁺]/[Fe²⁺]比率。

3.4 磁化表征的脉冲序列

使用伯克利任意波弛豫计/光谱仪（AWR）进行了磁化曲线表征和MPI一维PSF测定，通过分析慢线性斜坡和正弦激励波形获得的信号来确定样品的矫顽力和磁分辨率。

4 结果

4.1 线性链的数值模拟

数值求解描述磁偶极-偶极相互作用的超越方程，产生了相应系统的磁化曲线（MH曲线）。研究发现链长度N对矫顽力有显著影响，二聚体（N=2）导致非零矫顽力，超过一定长度（N≈14）后矫顽力显示渐近行为。

4.2 氧化铁纳米颗粒的表征

热分解合成产生了深棕黑色的油酸封端氧化铁纳米颗粒，TEM表征显示平均颗粒直径在所需值的1 nm以内，颗粒大多呈球形。

4.3 氧化态和有效M_s

通过1,10-菲啰啉测定确定了[Fe³⁺]:[Fe²⁺]比率，发现所有氧化时间下该比率都超过2，表明核心中含有一定比例的Fe₂O₃。通过MPI PSF确定了有效饱和磁化强度M_s在150至230 kA m^-1之间。

4.4 链矫顽力

链矫顽力随颗粒核心直径的增加而增加，所有观察到的矫顽力都落在无限长链的理论范围内，与理论预测有良好的一致性。

4.5 平行和垂直于链轴的SFMIOs激励

研究发现链轴线与施加场方向平行对于确保磁化反转至关重要，当链轴线旋转到垂直于施加场方向时，信号显著减弱。

5 讨论

5.1 对磁粒子成像的影响

生物安全限制和实际工程限制对MPI中使用的磁场梯度强度有严格限制。超铁磁示踪剂满足了这些要求，但必须满足关键约束条件以保持临床可行性。

5.2 纳米颗粒合成过程中的氧化

纳米颗粒表征中的一个关键观察是颗粒核心中主要形成Fe₂O₃。研究发现即使在这种降低的M_s下，仍然实验观察到了足够强度的磁偶极相互作用以产生磁滞和改进的分辨率。

5.3 相互作用示踪剂的临床转化

虽然成功在有机溶剂系统中合成了高分辨率超铁磁示踪剂，但临床转化仍需使用生物相容的水相，这仍然是一个开放的挑战。

6 结论

本研究提出了MPI中对高分辨率示踪剂的需求，并提出了相互作用的超铁磁性氧化铁作为潜在解决方案。通过经典反馈分析开发了一个简单而预测性的理论，用于线性相互作用示踪剂链的磁性质。成功合成了具有窄尺寸多分散性的氧化铁纳米颗粒，与使用先验参数获得的理论值比较显示出良好的一致性。