磁纳米粒子谱仪（Magnetic Particle Spectroscopy，MPS）是一种可以表征和优化磁纳米粒子成像（Magnetic Particle Imaging，MPI）中所使用磁纳米粒子特性的新型仪器。MPS对磁纳米粒子样品施加交变磁场激励后，获取磁纳米粒子样品的非线性磁化响应信号，通过对信号的分析计算可以对磁纳米粒子分子探针及其所处生理微环境进行高灵敏和定量检测。
中国科学院分子影像重点实验室针对磁纳米粒子成像MPI中的磁纳米粒子特性的高灵敏和定量检测的需求，研发了磁纳米粒子谱仪MPS平台。基于该平台，实验室成员近期通过自主研发的高灵敏MPS设备、多参数磁粒子谱分析方法和快速定量传感测量技术，实现MPS定量准确性提升到90%以上，检测速度达到0.2s，能够对多种磁纳米粒子混合的分子探针实现实时准确定量。相关工作分别发表于医学物理学领域权威期刊Medical Physics、IEEE Trans系列电磁学期刊IEEE Transactions on Magnetics和仪器测量领域期刊IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement。
场扫描MPS硬件系统
实验室团队针对国际上现有的MPS存在系统鲁棒性不佳、结构设计单一等问题，借鉴光谱技术中的L型光路设计，研发了一种全新的正交式场扫描磁粒子谱仪（FS-MPS），通过几何解耦的方式有效解决了信号馈通问题，打破了传统磁粒子谱仪对高精度差分线圈的依赖，拓展了MPS的硬件结构设计思路，此外，团队还在该系统中加入了可调偏置磁场模块，通过偏置场扫描谱线对粒子的动态磁化特性进行表征，实现了混合物中多种粒子的定量检测，对于多种磁纳米粒子混合物的同时定量准确性超过90%，为多目标、高通量磁粒子传感测量提供了重要的技术手段。
图1. 正交式场扫描磁粒子谱仪（FS-MPS）硬件系统。A. 系统结构图；B. 正交式激励-接收电磁线圈结构图；C. 正交式激励-接收电磁线圈实物图。
该工作以Field-Swept Magnetic Particle Spectroscopy: A Single-Harmonic Method for Simultaneous Determination of Magnetic Nanoparticle Types and Quantities为题发表于IEEE Transactions on Magnetics （2023, vol. 59, no. 7, pp. 1-9）杂志，博士生刘晏君为本文的第一作者。
MPS多指数弛豫谱分析方法
针对MPS中如何精确解耦布朗和尼尔弛豫特性问题，实验室团队提出了一种多指数弛豫谱分析方法，通过脉冲方波代替传统的正弦磁场对磁粒子进行激励，并对时域信号进行拉普拉斯逆变换求解，实现了布朗和尼尔弛豫的分解和定量。这一分析方法不仅有助于实现多参数磁粒子传感测量，也为多色磁粒子成像提供了重要的信号分析手段。相关成果以Relaxation spectral analysis in multi-contrast vascular magnetic particle imaging为题发表于Medical Physics杂志（2023; 50: 4651– 4663），实验室冯欣副研究员为本文的第一作者。
图2. A. 脉冲方波（绿色虚线）激励下synomag-D磁粒子的动态磁化响应信号（蓝色实线）和磁化曲线（红色实线）；B. 拉普拉斯逆变换对布朗和弛豫组分分解；C. 血管数字仿体及其磁粒子成像图像，通过弛豫分解能够对图像中血管、支架和血管内斑块进行区分，展示该技术在多色磁粒子成像中的潜在应用。
MPS测量应用创新
针对MPS中难以直接通过磁粒子磁化响应信号对样本粘度进行准确求解的问题，实验室团队研制了任意频率磁粒子谱仪并提出了一种变频式的粘度测量方法，通过在一定频率范围内连续施加变化磁场并记录磁粒子的磁化响应信号，实现了样品粘度的快速求解，能够在0.2s内准确测量样品粘度。团队将该技术应用于动物血液粘度测量，证实该方法能够高灵敏检测健康兔与高脂饮食喂养兔的血液粘度差异，为磁粒子谱仪技术用于生理微环境测量奠定了基础。相关成果以Rapid Viscosity Measurement Using Arbitrary Frequency Magnetic Particle Spectrometer为题发表于IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement期刊(2023; 72: 1-10)，博士生张浩然为本文的第一作者。
图3. A.任意频率磁粒子谱仪系统结构与实物图；B.标准样品粘度测量结果；C.健康兔与高脂喂养兔血浆粘度测量结果。
上述系列研究工作得到了基金委国家重大科研仪器研制项目（部门推荐）和北京市自然科学基金等项目的资助。