Zn2?和Mn2?掺杂对Fe?O?基磁性纳米粒子自旋动力学的影响：实现高效MRI造影剂的一条可能途径

《Physical Review Applied》：Z n 2 + and M n 2 + doping effect on spin dynamics of F e 3 ? O 4 -based magnetic nanoparticles: A possible path to efficient MRI contrast agents

　　基于氧化铁的磁性纳米颗粒（MNPs）在磁共振成像（MRI）中作为造影剂发挥着重要作用。在它们的晶格中引入Zn2?和Mn2?离子会改变系统的磁各向异性和自旋动力学性质，这反过来又影响了驱动MRI造影增强的核松弛机制。本研究探讨了两组掺杂磁铁矿MNPs（化学式Zn?Mn?Fe?????O?），其核心直径分别为约4纳米或15纳米，这些颗粒是通过快速且可重复的微波辅助合成方法制备的，并使用了不同的溶剂，如水或多元醇。直径约4纳米的MNPs被Zn2?掺杂，掺杂比例从x=0到0.9；对于Zn2?=0.5的情况，Mn2?在y=0.2和y=0.4时被引入。直径约15纳米的MNPs被Zn2?掺杂，掺杂比例从x=0到0.4，而对于Zn2?=0.3和Zn2?=0.4的情况，Mn2?分别在y=0.1和y=0.3时被引入。这两组颗粒都涂覆了羧甲基葡聚糖或聚丙烯酸，以确保即使在高磁场下也能保持胶体稳定性。我们通过宽频率范围内的1H-NMR扩散谱分析以及超顺磁松弛启发式模型的应用，强调了颗粒大小和Zn2?/Mn2?掺杂对静态和动态磁性质的影响。与较小的颗粒相比，较大的颗粒显示出更高的核松弛效率和各向异性，始终优于商业造影剂。另一方面，大约4纳米的MNPs在Zn2?含量为x=0.1时，以及大约15纳米的MNPs在Zn2?含量为x=0.4时，其磁响应和核弛豫率得到增强，而Mn2?的引入也产生了轻微的增强效果。因此，适当的大小和掺杂组合提供了一种有吸引力的方式来修改MNPs的静态和动态磁性质，通过作用于特定频率区间内主导的自旋-自旋相关时间，从而实现适合磁共振成像的图像对比度的精细调节。

**I. 引言**
基于氧化铁的磁性纳米颗粒（MNPs）在纳米医学中广泛用于诊断目的[1-4]。MRI技术使我们能够观察人体的内部结构，相关的图像取决于不同组织和分子的质子密度、纵向（T1）和横向（T2）松弛时间[5]。引入造影剂（CAs）可以缩短周围氢核的松弛时间，根据其生物分布产生黑色和/或白色斑点[6-8]，从而增强图像对比度。因此，理解磁各向异性和电子自旋动力学（即电子自旋波动的谱密度）如何影响核松弛至关重要，这些是由CA的磁中心引导的。总体而言，MNPs的磁性在局部磁场中引起不均匀性，相应的超精细场波动增强了核自旋-自旋相互作用，使它们成为有效的造影剂[9]。涉及的相关时间来源于内部和外部球层机制（后者在MNPs中占主导地位），这些机制考虑了电子松弛、协调的体相水交换、颗粒的旋转运动以及氢核的相对扩散[10,11]。因此，MNPs的松弛特性强烈依赖于其形态结构特性和磁性特征。形状[12-14]、大小[15-17]、涂层[18-21]和磁核组成[13,22-25]的作用非常关键，对颗粒的自旋动力学有显著影响[26,27]。在此背景下，纳米颗粒的形态结构特征也被探索用于超出造影增强的高级功能，例如作为MRI的温度传感器[28-30]、通过磁流体热疗进行肿瘤治疗的热释放器[31-34]，以及通过磁粒子成像（MPI）技术进行定量成像[35]。在之前的工作中，我们的团队研究了磁赤铁矿纳米颗粒的大小对MRI造影效率（即核弛豫率）的影响[19]：一组4.4纳米的颗粒与一组8.9纳米的颗粒进行了比较。最小尺寸组的最大核纵向弛豫率比最大尺寸组低30%。8.9纳米颗粒的核横向弛豫率在10 MHz时达到最大值，而4.4纳米颗粒的核横向弛豫率在超过100 MHz时达到最大值。

关于离子种类，Bordonali等人[36]研究了钴引入对磁铁矿MNPs结构的影响，揭示了它如何显著增强系统的各向异性：随着钴含量从0增加到0.4，各向异性增加。由于各向异性与MNPs体积之间的比例关系，作者使用了广泛的尺寸和掺杂量组合来绘制能量障碍的宽范围图，从而研究自旋动力学。尽管钴显著增强了MNPs的性质，但其潜在的毒性限制了其在医学中的应用。

Vuong等人[37]开发了一个模型来预测最大横向弛豫率，该模型基于对颗粒大小和相应体积下饱和磁化的了解。由于磁性质受元素组成的变化影响，作者分析了掺杂颗粒的情况，并表明Zn-Mn掺杂颗粒在超过15纳米时可以达到较高的弛豫率值。Baricic等人[38]研究了用锌或镍替代钴离子在钴铁氧体中的效果，发现当48%的钴被锌取代时，系统的各向异性和磁响应得到了改善，饱和磁化强度增加了40%。作者强调了掺杂元素的变化如何影响超交换相互作用、子晶格之间的耦合以及自旋-轨道相互作用。这些变化，加上离子在晶体结构中的排列，影响了系统的磁响应。

Jang等人[39]研究了Zn和Mn掺杂元素对15纳米MNPs磁性质的影响，掺杂比例分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.8。结果显示，当掺杂比例为0.4时，饱和磁化强度达到最大值，超过了体相值23%。因此，当磁场强度为4.7 T时，横向弛豫率提高了2.5倍，比未掺杂的15纳米样品有效2.5倍。当引入Mn（x=0.3）时，饱和磁化强度增加到相应值，而4.7 T时的横向弛豫率是类似大小未掺杂颗粒的2.5倍。值得注意的是，这项弛豫率研究仅限于一个场（即频率）值，无法探究引起核松弛的物理机制。因此，大多数关于Zn/Mn掺杂系统之前的研究仅报告了在单一固定场下通过MRI测量得到的静态磁性质和弛豫率值，而没有考虑负责MRI造影的动态松弛过程。总体而言，关于松弛机制的系统研究主要限于一个场和钴掺杂系统，而Zn和Mn掺杂在控制自旋松弛动力学中的作用仍大部分未被探索。

在这项工作中，我们研究了Zn/Mn掺杂系统的1H-NMR核纵向和横向弛豫率以及静态平均磁性质（M vs H曲线）。我们展示了非相互作用或弱相互作用的颗粒的自旋动力学在MRI图像对比度中起着关键作用。这一结论是通过研究掺杂了Zn和/或Mn离子的基于氧化铁的MNPs的大小和组成如何影响它们的自旋动力学，从而影响了它们作为MRI造影剂的效率得出的。为此，我们关注了两组不同尺寸的MNPs。第一组由八批涂覆了羧甲基葡聚糖（CM-D）的MNPs组成，平均直径分别为约……；第二组由五批涂覆了聚丙烯酸（PAA）的MNPs组成，平均直径分别为……。研究了锌和锰对MNPs的磁性质和松弛特性的贡献；自旋动力学由……和电子自旋波动的谱密度主导。

**II. 方法**
**A. MNPs合成**
小尺寸4纳米的MNPs是通过微波辅助合成方法在水介质中合成的，使用了肼和三氯化铁（III）/氯化锌（II）/二氯化锰，总摩尔量为0.28 mmol[40]，以及不同比例的这些物质，以及100 mg的羧甲基葡聚糖钠盐CM-D（分子量：10,000–20,000 g/mol）。合成在Monowave300反应器（Anton Paar GmbH）中进行。样品被迅速加热到……℃，保持该温度10分钟，然后冷却至室温。最终产品通过凝胶过滤柱（PD-10）纯化，最后通过孔径过滤器过滤。该方法产生了涂有亲水性CM-D层的颗粒。

大尺寸15纳米的MNPs是通过微波辅助合成方法在多元醇介质（二乙二醇DEG）中合成的，DEG既用作溶剂也用作表面活性剂，同时还使用了醋酸酯前体。对于所有样品，醋酸酯前体的总摩尔量保持在1.73 mmol[41,42]，并改变它们的比例。合成在Monowave300反应器（Anton Paar GmbH）中进行，将样品加热到……℃，保持该温度30分钟，然后冷却至……℃[41]。所得到的MNPs被一层亲水性的DEG层包裹。

为了提高颗粒的胶体稳定性，它们还被涂覆了聚丙烯酸（PAA）（分子量……），这是一种生物相容性聚合物。关于材料、合成过程和涂层过程的更多细节可以在补充材料[43]中找到。

**B. 表征技术**
1. **电感耦合等离子体-光学发射光谱（ICP-OES）**
通过电感耦合等离子体-光学发射光谱（ICP-OES）分析评估了它们的元素组成，使用的是PerkinElmer OPTIME 2100DV仪器，在酸消化后进行。因此评估了掺杂元素的存在及其比例。

2. **透射电子显微镜（TEM）**
透射电子显微镜（TEM）图像是在将少量MNPs分散液滴在200目碳涂层铜网格上制备的样品上获得的，然后空气干燥。对于较小尺寸的颗粒（……），使用了配备Gatan Orius 200 SC数字相机的100 keV JEOL-JEM 1010显微镜进行采集；对于较大尺寸的颗粒（……），则覆盖了一层薄的DEG。为了确保统计代表性，从网格的不同区域收集了数十张TEM图像，并且对每个样品的约150个纳米颗粒手动测量了直径。在分析过程中，只考虑了具有清晰边界的分离颗粒，而排除了重叠颗粒和聚集区域，以避免高估颗粒大小。所得到的尺寸分布被认为是所分析的纳米颗粒群体的代表性代表。分析使用ImageJ软件[44]进行。然后使用对数正态分布拟合从图像中评估的直径，其中……分别是平均半径及其标准差；误差为……[45]。

3. **X射线衍射（XRD）**
较大颗粒的XRD样品是由压在硅晶体样品架上的细粉组成的，而小颗粒的XRD样品是由一些在相同硅晶体样品架上完全空气干燥的分散液滴组成的。XRD图案的采集使用Bruker D8 Advance粉末衍射仪进行，使用Cu射线，能量分辨率为[10°; 70°]，角度步长为0.04°。我们使用Scherrer方程准确评估了峰的位置和宽度，以评估MNPs的晶体尺寸，同时考虑了仪器引起的展宽。

4. **振动样品磁强计（VSM）**
样品是一个装有涂覆MNPs的水分散液的胶囊。在外加磁场下的磁化强度是在振动样品磁强计ADE系统EV7 KLA-Tenco中获得的，范围是从……到1.8 T，室温下进行。核磁共振（NMR）和弛豫率：通过在不同温度下获取含有MNPs（即CA）时氢核的纵向和横向核弛豫时间来评估MNPs的弛豫效率。这些测量在不同的拉莫频率（即外部静态磁场）下进行。考虑的拉莫频率范围为...根据频率范围，使用了两种不同的仪器。对于...，使用的是Fast-Field-Cycling NMR SMARTracer Relaxometer（Stelar s.r.l.，意大利Mede）。对于...，使用的是Saturation Recovery序列脉冲；对于...，使用的是Spin-Echo序列脉冲。在3.7 MHz以下进行采集时，为了提高信噪比，采用了预极化技术。对于...，使用了Bruker公司的经典电磁体MAGNET B-E 25（美国马萨诸塞州Billerica）以及Tecmag（美国德克萨斯州休斯顿）的Apollo傅里叶变换NMR光谱仪。对于...，使用的是Saturation Recovery序列脉冲；对于...，使用的是Carr-Purcell-Meiboom-Gill序列脉冲。

NMR样品由分散在水中的MNPs组成，其浓度从mmol级别开始，最小组的浓度为...，最大组的浓度为...

弛豫效率是通过纵向（...）和横向（...）核弛豫时间的弛豫率来评估的：(1) 在此表达式中，...表示顺磁离子的浓度（通常以mmol为单位），...表示在MNPs存在下的弛豫速率，...表示仅分散剂的弛豫速率（抗磁的，diamagnetic，dia）。NMR-d曲线表示弛豫率与拉莫频率的关系。

**结果与讨论**：所研究样品的元素组成列在表I中，其示意图显示在图1中。

**图1.** 研究的两组样品的示意图。

**表1.** 小型（...）和大型（...）MNPs组的形态结构特征：元素组成、通过TEM分析得到的核心直径以及通过X射线衍射计算出的晶体尺寸。

**样品1** 的元素组成（nm） **样品2** 的元素组成（nm）
4.0 (0.6) 6.5 (1)
15 (2) 20.1 (3)
4.6 (0.7) 5.6 (1)
14 (3) 29.6 (4)
4.5 (0.6) 5.4 (1)
14 (3) 18.1 (3)
4.6 (0.5) 5.6 (1)
15 (3) 16.0 (3)
4.0 (0.4) 4.8 (1)
12 (3) 12.9 (2)
4.0 (0.5) 4.5 (1)
4.1 (0.5) 4.5 (1)
3.8 (0.5) 4.5 (1)

**A. 形态结构特性**：通过TEM图像评估的MNPs的平均直径在第一组中为3.8至4.6纳米，在第二组中为12至15纳米。每组的TEM图像显示在图2中，其平均直径列在表I中。流体动力学尺寸是通过动态光散射（DLS）测量获得的（见补充材料[43]）。

**图2.** 两组样品的TEM图像示例：(a) 大约...组；(b) 大约...组。

**XRD图案**显示在图3中，证实了立方尖晶石结构。最小颗粒的XRD图案显示出宽的衍射峰（高噪声），如图3(a)所示。最大颗粒的XRD图案显示出更尖锐的峰[图3(b)]。晶体尺寸是通过分析(3 1 1)平面得到的，并列在表I中。

**图3.** 最小CM-D涂层颗粒组（a）和涂有薄DEG层的最大颗粒组（b）的XRD图案。含M二价阳离子的铁氧体呈现立方反尖晶石结构，分为两个子晶格：八面体（...）和四面体（...）。系统的磁性由这些位点内的金属离子分布决定，将在下一节中讨论。

**B. 磁性特性**：磁场作用下样品的磁化行为如图4所示；饱和磁化值是通过用朗之万函数（Langevin function）的近似级数展开拟合磁化曲线的高场区域来外推的，并与每个样品的矫顽场一起列在表II中。所有后续值都以磁核的emu/g为单位报告。

**表2.** 在室温下水分散液上获取的样品的饱和磁化（H）和矫顽场（K）值。

对于小型（4 nm）颗粒组，未掺杂样品的饱和磁化为49 emu/g，加入一定量的Zn后饱和磁化增强，达到... [图4(a)]。相比之下，Zn的最大添加量分别为0.8和0.9时，饱和磁化降低。关于Mn的作用，当Zn固定在0.5时，加入0.2量的Mn可以增强样品的饱和磁化，而增加Mn的量则会降低它。对于大型（15 nm）颗粒组，添加适量Zn可以增强所有样品的磁响应，达到... [图4(b)]，这与文献[39]一致。在掺锌的MNPs中引入Mn可以增强某些样品的饱和磁化值，而对于其他样品则显著降低。

不同大小的未掺杂样品的饱和磁化值分别为49 emu/g和68 emu/g，通过关注含有...的样品，可以发现小颗粒中的饱和磁化导致了与体积是...的样品相当的磁响应。掺杂离子的引入还通过改变阳离子分布、磁性各向异性和表面自旋配置来影响有效各向异性。这些变化可以反映在矫顽场（Coercive field）上，它大约与有效各向异性相关。

对于4 nm的颗粒组，Zn和Zn-Mn的引入导致矫顽场逐渐增加，从0.5 Oe增加到344 Oe。相反，15 nm的颗粒组的矫顽场值低于0.4 Oe，与室温下的超顺磁行为一致。有效各向异性可以表示为...

图5显示了随着掺杂量增加的H值及其对应的误差条，这些误差条是通过考虑电子链、根据ICP-OES确定的磁含量进行归一化以及后处理校正（抗磁背景减除和漂移校正）来估算的。样品的H值是通过用Roch-Müller-Gillis（RMG）启发式模型拟合NMR数据得到的（详见第III-C节）。

**图5.** H值与Zn掺杂量的关系。浅紫色实心五边形代表...组的值，而浅粉色实心菱形代表...组的值。当Zn量固定时，Mn的引入用深紫色空心五边形和深粉色空心菱形表示。...和...样品的H值是根据RMG拟合估算的，并以磁核的emu/g为单位报告。

八面体（...）和四面体（...）子晶格以相反的方向排列，构成了...的反尖晶石结构，其中...是二价阳离子。在磁铁矿（...）中，...离子占据...位点，而...离子分布在两个子晶格中。相反方向排列的铁离子的自旋平衡决定了净磁矩。引入抗磁...预计会增加总磁矩，因为...倾向于占据...位点，使...位点不平衡。Jang等人报告称，增强15 nm大小MNPs的磁性特性的最佳Zn量为0.4 [39]，这与我们的结果一致；更高的Zn含量可能在饱和...位点后填充...位点。当考虑...时，其磁矩大于...的磁矩，表明它可以替代...位点的二价铁离子，从而改变磁响应。用...替代...和...会改变铁氧体的磁矩和各向异性，这是根据子晶格内的离子分布确定的[7,39]。

除了掺杂离子的选择外，还必须考虑它们对结构相互作用的影响。引入抗磁...会破坏氧介导的超交换作用，从而减少...和...位点之间的磁耦合，限制...的增加[38]。虽然磁性...会增强磁矩，因为它倾向于占据...位点[46,47]，但由于自旋轨道耦合较弱，会降低单晶各向异性[48]。

总结来说，磁曲线显示饱和磁化依赖于锌的引入，对于两组颗粒（小型和大型）都是如此。对于含有...的MNPs，0.1量的Zn会增加...，而更高的Zn量会降低它。考虑到通过RMG模型评估的...值（见下一段），我们可以推测...优化了磁响应。较大的颗粒（...）显示出...的增加趋势，这与文献[39]的发现一致，该文献也显示超过该量的Zn含量会导致...减少。从这些结果来看，我们可以假设MNPs晶体结构中的...位点主要被...离子占据，导致...的磁响应与体积是...的50倍的...相当。

对于最小颗粒组，当Zn固定在0.5时，引入...大约使...翻倍，而最高量的Zn则将其降低到...以下。在最大颗粒组中，额外添加的...使...增加了大约...，而...则将其降低了约37%。

我们的结果表明，只有在减少的量下，额外引入Mn才能增强Zn掺杂MNPs的...。最高峰值强度，即最高的弛豫效率，出现在锌含量最低（0.1）的样品中。随着锌含量的增加，粒子的弛豫效率逐渐降低。磁测量结果与这一趋势一致；实际上，它们突出显示了样品在某个特定锌含量下的峰值，并且在更高锌含量时磁响应减弱。关于横向弛豫率[图6(b)]，所有样品仍在接近63.86 MHz的平台值，这一平台值似乎因掺杂的不同而有所差异。未掺杂的参考样品的效率略高于掺杂样品，而较高的Zn/Mn掺杂量会降低横向弛豫效率，并延缓弛豫轮廓的增长。在Zn含量固定为0.2时，引入锰可以增强最高场下的横向弛豫率；而当Zn含量为0.4时，这种增强效果减弱。尽管尺寸减小，但在高强度下，该样品的效率仍略高于商用对比剂Endorem（目前已停产，但在图6中用灰色星号标记，用于对比剂弛豫效率研究作为参考）。当锌含量为0.1时，磁性和弛豫性质得到增强；而当锌含量增加时，这些性质会减弱。研究表明，对于这种小尺寸的粒子，最大化这些性质的最佳锌含量可能是某个特定值。对于15纳米大小的磁性纳米颗粒（MNPs），文献[39]中推荐的优选锌含量为0.4，但在小尺寸下，这一结论可能不再成立。

Roch-Müller-Gillis启发式模型——该模型被应用于实验数据，以推断关于这些研究对象的微观信息。在该模型中，使用以下表达式来描述粒子行为：（2）其中涉及铁离子浓度、单个粒子的磁矩、质子的旋磁比、MNPs在水介质中的扩散系数以及最小接近距离等因素。模型还考虑了其他因素，如Langevin函数、Freed光谱密度函数和Ayangt光谱密度函数，以及用于表示低场下扩散的项。需要指出的是，在方程（2）中，粒子间相互作用被忽略，并假设其在核弛豫机制中的贡献可以忽略不计。这种近似对于此处报告的粒子尺寸来说是足够准确的。该启发式模型描述了纳米粒子系统在中等各向异性区域内的弛豫响应，通过权重参数将代表低和高各向异性的Freed和Ayangt光谱密度结合起来。在这个框架内，模型在以扩散和Néel弛豫为主导的两种区域之间进行插值。NMRD曲线中观察到的拐点可以解释为过渡区域，在这些区域中，由纳米粒子动态引起的局部偶极场波动的特征相关扩散时间与拉莫尔角频率的倒数相当，标志着不同自旋弛豫区域之间的转变。通过拟合参数的解释，我们可以获取粒子的微观性质信息。平均核半径是从中等场区域的弛豫行为确定的。由于特定条件，特征最小接近距离可以直接从拐点推断出来。特定磁化强度是根据高场弛豫峰的幅度估算的，因此反映了纳米粒子平均饱和磁矩的强度。各向异性能量控制了低场行为：低场下分散性的存在与否直接表明了各向异性障碍的强度及其相关的Néel动力学。最后，Néel弛豫时间决定了低场极限下的弛豫速率，从而提供了关于晶体内部磁化反转动态的信息。

模型对实验数据的适配取决于饱和磁化强度、核半径、Néel弛豫时间、最小接近距离、溶剂的扩散系数、相关参数以及温度等众多参数。通过将这些参数中的一些固定在实验/理论值上，并引入现实约束条件来管理这些参数。总体而言，通过拟合程序，我们确定了饱和磁化强度、核半径、Néel弛豫时间和最小接近距离等参数。关于物理量的初始化：（i）饱和磁化的初始值是根据室温下液体分散体上的磁测量结果设定的，其中显著的抗磁贡献导致我们考虑磁矩的实验误差为25%；但对于某些样品，这是一个自由参数，首次拟合结果分别为45 emu/g和32 emu/g，这与锌掺杂值函数的磁响应相符。（ii）首次拟合后，将某个参数固定为获得的值，以减少后续最终拟合过程中的自由参数数量；（iii）核半径是一个自由参数；（iv）Néel弛豫时间的初始值设定为1 ns；（v）最小接近距离的范围介于某个区间内，这是基于化学特性估计的。图7显示了拟合曲线，表III总结了从拟合中获得的参数。该模型准确地再现了在低频和高频下的频率行为，其中Néel弛豫和居里弛豫分别占主导。

图7. 涂覆有CM-D的小型MNPs组的纵向弛豫率曲线（符号），用RMG模型（连续线）进行拟合。表III. 从拟合中估计的参数：饱和磁化强度、根据拟合得到的核半径以及TEM分析的结果、Néel弛豫时间和最小接近距离。样品的参数值如下：（单位：emu/g、nm、ns等）。

关于物理量的初始化：（i）饱和磁化的初始值是根据室温下液体分散体上的磁测量结果设定的，由于显著的抗磁贡献，我们认为磁矩的实验误差为25%；但对于某些样品，这是一个自由参数，首次拟合结果分别为45 emu/g和32 emu/g，这与锌掺杂值的磁响应一致。（ii）首次拟合后，将某个参数固定为获得的值，以减少后续最终拟合过程中的自由参数数量；（iii）核半径是一个自由参数；（iv）Néel弛豫时间的初始值设定为1 ns；（v）最小接近距离的范围介于某个区间内，这是基于化学特性估计的。图7显示了拟合曲线，表III总结了从拟合中获得的参数。该模型准确再现了在低频和高频下的频率行为，其中Néel弛豫和居里弛豫分别占主导。

图8. 涂覆有PAA的大型MNPs组的纵向（a）和横向（b）核弛豫率，作为频率的函数。误差条预先确定为15%。灰色星号指的是商用对比剂Endorem的参数值。图8(a)中的纵向曲线没有超小颗粒（如某些样品）典型的峰值形状，并且在最低频率处的值有所增加，除了某样品外。缺乏“分散”现象以及低频下的增加表明了高各向异性。特别是当锌含量增加到0.4时，该值增强，意味着更高的各向异性。另一方面，当引入锰时，观察到各向异性降低。此外，在某些样品中，曲线呈峰值形状，但需要考虑到这些样品的尺寸略小（大约为某个值），这可能促进了峰值形状和降低的各向异性。图8(b)显示了各值。低于5 MHz的值未显示，因为低频采集对聚集过程非常敏感，而平均直径约为某个值的颗粒容易形成小簇。样品显示出电子自旋动力学超过氢核弛豫率，暗示了动力学贡献的显著性。在高频范围内，所有掺杂样品的效率都高于未掺杂的参考样品。我们将我们的结果与商用对比剂Endorem进行了比较（图8中的灰色星号），其弛豫效率在所有情况下都被超越。特别是在63.86 MHz时，效率超过了Endorem的约2.5倍，在7.2 MHz时超过了约5倍。这些发现表明在MRI诊断检查中可以减少注入患者体内的MNPs数量。

同样，对于较大的样品，也使用Roch-Müller-Gillis启发式模型进行了拟合。图9显示了拟合曲线，表IV列出了拟合得到的参数。图9. 涂覆有PAA的大型MNPs组的纵向弛豫率曲线（符号），用RMG模型（连续线）进行拟合。表IV. 从拟合中估计的参数：饱和磁化强度、根据拟合得到的核半径以及TEM分析的结果、最小接近距离。关于拟合过程中涉及的物理量的初始化：（i）饱和磁化强度是根据室温下液体分散体上的磁测量结果设定的，考虑了10%的误差；（ii）然后将某个参数固定为首次拟合得到的值，以减少自由参数的数量；（iii）Néel弛豫时间的初始值设定为1 ns，并限制其不大于某个值；（iv）最小接近距离的范围介于1到3.5 nm之间。关于拟合得到的参数值，我们可以看到，作为掺杂函数的饱和磁化强度与实验磁数据遵循相同的趋势。核半径的估计与TEM分析得到的核半径在实验误差范围内相当。Néel弛豫时间和最小接近距离饱和到最高限，表明存在约2-5 nm的厚不可渗透涂层层，除了某个样品外。该结果与以下观察结果一致：PAA是一种高度亲水的聚电解质聚合物，在纳米颗粒周围形成水合的界面层；热重分析（TGA）结果显示大约40%–50%的有机物，这与厚度估计相符。根据阿伦尼乌斯（Arrhenius）或沃格尔-富尔彻（Vogel-Fulcher）定律，较大的体积和/或各向异性常数会导致奈尔弛豫时间（Néel relaxation time）变长，这是由于各向异性能垒的增加。弛豫时间表明这些纳米颗粒已不再处于快速超顺磁波动状态，这可能是由于较大的磁体积、增强的有效各向异性以及可能的颗粒间磁相互作用的综合效应所致。对自旋动力学状态的评估显示，这些纳米系统属于运动平均状态（motional averaging regime，MAR）。在7.2和63.86 MHz频率下的弛豫性也得到了研究。我们研究了在临床实践中常用的两种MRI频率（7.2和63.86 MHz，即0.17和1.5 T）下，掺杂对弛豫性的影响。

关于小尺寸颗粒（图10），在7.2 MHz时纵向弛豫性更有效，而在最高频率（63.86 MHz）时横向弛豫性更有效。理论模拟曲线也与我们的发现一致。值得注意的是，锌的引入在较低掺量（0.1）下就能改善纵向和横向弛豫性，在7.2 MHz时提高了约70%。另一方面，添加锰会导致弛豫性降低，但当Zn的量为0.5且Mn的量为0.2时，横向弛豫性有所增强。

关于大尺寸颗粒（图11），研究显示锌的引入会增加纵向和横向弛豫性，这一现象在Zn掺量为0.4时尤为明显，与文献[39]的结果一致，在63.86 MHz时增幅约为70%。

通过比较两组颗粒的数据，我们观察到理想的锌掺量对MRI对比度增强的效果与颗粒大小有关。然而，由于多个参数影响弛豫过程，很难单独分离出掺杂的贡献。在这种情况下，我们首先假设用于生产小尺寸和大尺寸颗粒的合成过程对最终产品没有显著影响。其次，在它们相互线性依赖的极限情况下，浓度预计不会影响弛豫性。在两组颗粒中，我们都强调了锰对弛豫行为的重要贡献，因为磁矩会在局部磁场中引起不均匀性，从而促进自旋退相，加速横向弛豫（非平衡状态）时间。这种减少也是由于非平衡动态过程，主要由扩散相关时间和奈尔弛豫时间所主导。

另一个影响弛豫性的因素是颗粒大小分布（例如也由于聚集作用），这与磁矩的分布相关，并可能影响相关时间和自旋相互作用动力学。在这方面，我们观察到RMG模型正确地再现了实验数据，尽管它没有包含大小和自旋-自旋相互作用的分布。另一方面，包含这些量需要大量的理论工作。此外，值得注意的是，涂层可能在磁性纳米颗粒（MNPs）的弛豫响应中起作用：在我们之前的研究[19,21]中，我们观察到对于直径约为14 nm的颗粒，涂层似乎不影响弛豫性；而在直径为4 nm的颗粒中，表面/体积比增加，涂层的影响尤为明显。然而，由于每组颗粒的涂层相同（4 nm时使用CM-D涂层，15 nm时使用PAA涂层），我们假设每组颗粒的涂层效应可以忽略不计。

从应用角度来看，尽管所提出的纳米颗粒显示出改善的弛豫性能，但它们的生物医学相关性最终还取决于其他生物学和临床转化因素。颗粒的细胞毒性受组成、表面涂层和胶体稳定性的影响[51]。锌和锰是生物相容性元素，它们以二价阳离子的形式结合到尖晶石铁氧体结构中[42, 43]，在晶体中得到稳定。此外，由于这些离子参与多种生理过程，它们的潜在生物影响与其自由二价离子形式有关，可能会引起氧化应激或调节细胞通路[52–54]。另一方面，对铁氧体纳米颗粒的生物反应受到实验条件的强烈影响，包括细胞模型和表面功能化，这些因素控制着纳米颗粒的吸收、胶体稳定性和与生物介质的相互作用[55]。在这种情况下，据报道，在生理条件下锌/锰掺杂的铁氧体降解过程相对缓慢，在相关暴露水平下离子释放的不良反应可以忽略不计[56]。值得注意的是，选择如PAA和CM-D这样的生物相容性涂层在提高胶体稳定性和降低细胞毒性方面起着关键作用，正如之前对类似涂层的Zn-Mn铁氧体的研究所示，这些铁氧体在癌症细胞和正常细胞模型中都显示出高细胞活性[57,58]。

最后，可以观察到所研究的纳米颗粒被用作血液池MRI造影剂，它们的性能主要受胶体稳定性和循环时间的影响，而不是广泛的细胞内化。在这种情况下，在成像时间窗口内保持稳定性对于确保信号增强至关重要，以避免显著的清除或组织吸收过程。

**结论**我们探讨了不同尺寸纳米颗粒中掺杂对磁静态（M vs H）和自旋动力学（-NMR）弛豫特性的影响，目的是为MRI应用调整这些特性。最小的颗粒组平均直径约为XX nm，由CM-D涂层颗粒组成，掺杂量分别为：(i) Zn: 0, 0.1, 0.4, 0.5, 0.8, 0.9; (ii) Mn: 0.5, Fe: 0.2。最大的颗粒组平均直径约为YY nm，由PAA涂层颗粒组成，掺杂量分别为：(i) Zn: 0, 0.3, 0.4; (ii) Mn: 0.3, Fe: 0.1, Zn: 0.4, Fe: 0.3。

就磁性质而言，研究了锌和锰对MNPs的M vs H行为的影响，包括饱和磁化的相应变化。结果表明，对于较小的颗粒（Mn: 0.1, Fe: 0.2），Zn的掺量优化了磁化饱和度；而对于较大的颗粒（Mn: 0.3, Fe: 0.4），随着Zn含量的增加，饱和度有所下降，这与文献[39]的结果一致，其中也观察到了较高Zn含量时饱和度的降低。这是由于铁氧体晶体子晶格中的自旋平衡所致，我们假设增强磁响应的最佳Zn含量取决于颗粒大小。考虑到Mn在锌掺杂颗粒中的作用，发现在较低Zn含量时仅对较小颗粒的磁响应有增强作用，当Mn: Zn比为2:1和3:1时，磁响应增加了一倍；而当Mn: Zn比为1:1和2:1时，磁响应提高了约23%。

在自旋动力学方面，弛豫效率大致遵循先前的研究趋势，并且在最大尺寸颗粒组中达到最大值。为了更详细地了解自旋动力学，使用启发式RMG模型拟合了纵向-1H-NMRD曲线，结果如下：(i) 得出的饱和磁化与两组实验数据具有相同的趋势；(ii) 4 nm颗粒的弛豫时间约为XX ms，而15 nm颗粒的弛豫时间要长得多；(iii) 最小接近距离表明4 nm颗粒具有1-1.5 nm的不透水覆盖层，而15 nm颗粒具有约2-5 nm的较厚覆盖层。

总结来说，我们的实验结果强调：(i) 如先前文献所知，颗粒大小强烈影响纵向和横向核弛豫效率以及系统的各向异性；(ii) 由掺杂引起的磁响应、各向异性和弛豫效率的增强与颗粒大小有关，最佳掺杂量随颗粒大小而变化；(iii) 锌的引入在最低离子含量下增强了磁响应和弛豫效率，并降低了最大尺寸颗粒组的各向异性；(iv) 最大尺寸组的所有样品的造影效果都优于商业产品Endorem，在1.5 T时效率提高了约2.5倍，在7.2 MHz时提高了约5倍。总体而言，这项工作强调了在广泛频率范围内研究自旋弛豫动力学的重要性，以揭示涉及的物理机制，特别是自旋-自旋相关时间，这里是奈尔弛豫时间和扩散弛豫时间。因此，通过适当调整涂层的Zn/Mn掺量和颗粒大小，可以优化MRI图像的对比度和灵敏度。