利用時間分辨鑽石磁顯微鏡研究超順磁性氧化鐵奈米粒子的磁性

核心概念

本文利用基於鑽石中氮空位中心的磁顯微鏡技術，對超順磁性氧化鐵奈米粒子進行了單粒子尺度的磁性成像和分析，揭示了其磁性異質性，並展示了該技術在奈米磁性材料表徵方面的潛力。

摘要

論文概述
本研究論文發表於 2024 年 11 月 21 日，旨在利用時間分辨鑽石磁顯微鏡技術，對超順磁性氧化鐵奈米粒子（SPIONs）進行單粒子尺度的磁性表徵。
研究背景
超順磁性氧化鐵奈米粒子由於其良好的生物相容性、可控的磁性和在生物醫學領域的廣泛應用前景而備受關注。然而，現有的表徵方法難以準確測量 SPIONs 的磁性異質性，這限制了其在生物醫學領域的進一步應用。
研究方法
本研究採用基於鑽石中氮空位中心的磁顯微鏡技術，對數百個孤立的約 30 奈米 SPIONs 產生的雜散磁場進行了寬場成像。通過分析 SPIONs 在不同外加磁場下的磁場分佈，研究人員觀察到顯著的場依賴性橫向磁化分量，而這些分量通常在傳統的整體表徵方法中被掩蓋。
主要發現

幾乎所有 SPIONs 的三個磁化分量均表現出可忽略的磁滯現象。
大多數 SPIONs 的 mx 分量（平行於外加磁場方向）呈現出陡峭的朗之萬飽和曲線，並通過特徵極化外加磁場 Bc 進行量化。
Bc 分佈高度不對稱，標準差（σc = 1.4 mT）大於中值（0.6 mT）。
利用時間分辨磁顯微鏡，研究人員直接記錄了 SPIONs 在關閉 31 mT 外加磁場後的 Néel 弛豫過程，時間分辨率約為 60 毫秒。
在較小的偏置磁場（|Bhold| = 1.5-3.5 mT）下，觀察到 SPIONs 的 Néel 弛豫時間範圍很廣，從毫秒到秒不等，並且與 Bhold 呈指數關係。
研究結論
本研究表明，時間分辨鑽石磁顯微鏡技術可以揭示 SPIONs 樣品的豐富異質性，並可用於其他奈米磁性的基礎研究。

統計資料

研究人員分析了超過 100 個單個 SPIONs 的場依賴性磁化強度和時域 Néel 弛豫。
SPIONs 的平均飽和磁矩為 0.44 A·nm2，標準差為 0.12 A·nm2。
特徵極化外加磁場 Bc 的分佈高度不對稱，中值為 0.6 mT，標準差為 1.4 mT。
在 |Bhold| = 2.0 mT 時，SPIONs 的 Néel 弛豫時間分佈在大約 0.06 秒到 20 秒之間。

從以下內容提煉的關鍵洞見

Time-resolved diamond magnetic microscopy of superparamagnetic iron-oxide nanoparticles

by B. A. Richar... 於 arxiv.org 11-21-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.13087.pdf

深入探究

如何利用時間分辨鑽石磁顯微鏡技術研究 SPIONs 在生物體內的行為和應用？

時間分辨鑽石磁顯微鏡技術為研究 SPIONs 在生物體內的行為和應用提供了一個獨特的視角，它能夠在細胞和組織等複雜環境中以高靈敏度和高空間解析度對單個 SPIONs 進行成像和追踪。以下是一些具體的研究方向：

SPIONs 的靶向递送和細胞攝取： 通過將 SPIONs 與特定抗體或配體偶聯，可以實現對腫瘤細胞等目標細胞的特異性靶向。時間分辨鑽石磁顯微鏡可以實時追踪 SPIONs 的递送過程，例如觀察 SPIONs 如何與細胞膜相互作用、進入細胞內部，以及在細胞器中的分佈情況。
SPIONs mediated 的藥物釋放和治療效果評估： SPIONs 可以作為藥物載體，將藥物遞送到目標部位並通過外部磁場控制藥物釋放。時間分辨鑽石磁顯微鏡可以監測藥物釋放的動力學過程，並通過觀察細胞形態和功能的變化來評估治療效果。
SPIONs 引发的細胞磁操控和生物效應研究： SPIONs 在外部磁場的作用下可以產生機械力或熱效應，從而實現對細胞的磁操控，例如細胞分離、細胞遷移和細胞凋亡。時間分辨鑽石磁顯微鏡可以觀察 SPIONs 對細胞形態和功能的影響，並研究其潜在的生物效應。
總之，時間分辨鑽石磁顯微鏡技術為研究 SPIONs 在生物醫學领域的應用提供了強大的工具，可以幫助我們更好地理解 SPIONs 在生物體內的行為，並推動其在疾病診斷和治療方面的應用。

是否存在其他奈米材料的磁性表徵方法可以與鑽石磁顯微鏡技術相結合，以提供更全面的信息？

是的，除了鑽石磁顯微鏡技術，還有許多其他的奈米材料磁性表徵方法可以與之結合，提供更全面的信息。以下列舉幾種常見的技術：

透射電子顯微鏡 (TEM)： TEM 可以提供奈米材料的形貌、尺寸、晶體結構等信息，並通過洛倫茲顯微術觀察磁疇結構。將 TEM 與鑽石磁顯微鏡技術相結合，可以將磁性信息與結構信息關聯起來，更深入地理解奈米材料的磁性起源。
X射線磁圓二色性譜 (XMCD)： XMCD 是一種基於同步輻射光源的技術，可以提供奈米材料的元素特異性磁性信息，例如不同元素的磁矩和自旋狀態。將 XMCD 與鑽石磁顯微鏡技術相結合，可以研究奈米材料中不同元素對磁性的貢獻，以及元素之間的磁性耦合作用。
磁力顯微鏡 (MFM)： MFM 是一種基於原子力顯微鏡的技術，可以探測奈米材料表面的磁場分佈。將 MFM 與鑽石磁顯微鏡技術相結合，可以獲得奈米材料表面和内部磁性的互補信息，例如磁疇壁的形貌和動力學特性。
超導量子干涉儀 (SQUID)： SQUID 是一種高靈敏度的磁性測量儀器，可以測量奈米材料的宏觀磁性，例如磁化強度、磁滯回線和磁阻。將 SQUID 測量與鑽石磁顯微鏡技術相結合，可以將單個奈米粒子的磁性與整體樣品的磁性關聯起來，並研究奈米粒子之間的磁性相互作用。
通過將鑽石磁顯微鏡技術與其他表徵手段相結合，可以更全面地了解奈米材料的磁性，包括其磁畴結構、磁性起源、磁性相互作用等，從而為設計和開發新型磁性奈米材料提供重要的實驗依據。

如果將 SPIONs 的尺寸縮小到單個磁疇的尺度，其磁性會發生怎樣的變化？

當 SPIONs 的尺寸縮小到單個磁疇的尺度（通常為幾納米到幾十納米），其磁性會發生顯著變化，主要體現在以下幾個方面：

超順磁性： 單疇 SPIONs 在室溫下會表現出超順磁性。由於尺寸減小，SPIONs 的磁晶各向異性能降低到與熱能相當的程度，導致磁矩在不同易磁化方向之間的翻轉變得容易。此時，SPIONs 的磁矩在外磁場作用下可以像順磁性材料一樣被磁化，但在去除外磁場後，由於熱擾動，磁矩會變得隨機排列，宏觀上不再表現出剩磁。
更高的磁化率： 與多疇 SPIONs 相比，單疇 SPIONs 具有更高的磁化率。這是因為單疇 SPIONs 的所有磁矩都沿著同一方向排列，在外磁場作用下更容易被磁化。
更短的磁弛豫時間： 單疇 SPIONs 的磁弛豫時間（Néel 弛豫時間）比多疇 SPIONs 更短。這是因為單疇 SPIONs 的磁矩翻轉只需要克服較小的能壘，因此翻轉速度更快。
總之，將 SPIONs 的尺寸縮小到單個磁疇的尺度會導致其磁性發生顯著變化，表現出超順磁性、更高的磁化率和更短的磁弛豫時間。這些特性使得單疇 SPIONs 在生物醫學領域具有更廣泛的應用前景，例如高靈敏度的磁共振成像造影劑、靶向藥物遞送載體和磁熱療藥物等。