Magnetisch basierte Systeme zur Manipulation und Detektion von magnetischen Partikeln

Abstract

Magnetische Nanopartikel (MNP) spielen eine wichtige Rolle im Bereich der Lebenswissenschaften und werden dort in zahlreichen Anwendungen eingesetzt. Neben der Möglichkeit, MNP zur Kontrastverstärkung in der NMR-Diagnostik einzusetzen, finden NMP ebenfalls Anwendung im Bereich der Hyperthermie zur lokalen Behandlung von tumorhaftem Gewebe. Zusätzlich zu in-vivo Applikationen sind in den letzten Jahren vermehrt in-vitro basierte Anwendungen basierend auf magnetischen Partikeln entwickelt worden. Hierbei können MNP zur Aufkonzentration von Bioanalyten wie Proteinen oder Nukleinsäuren (DNA) eingesetzt werden. Der Nachweis der Analyten erfolgt anschließend entweder mittels herkömmlicher optischer Fluoreszenzmessung oder auf mittels magnetisch-basierter Detektion. Für solche möglichst miniaturisierten, „Lab-On-Chip“-genannten Systeme spielt sowohl die kontrollierte Manipulation als auch die integrierte Detektion von MNP eine wichtige Rolle. Obwohl die Manipulation von einzelnen magnetischen Partikel als auch der integrierte, magnetisch-basierte Nachweis seit Jahren etabliert sind, existieren nur wenige ganzheitliche Konzepte, die beide Methoden auf „Lab-On-Chip“ Skala vereinen. Im Rahmen dieser Fragestellung war es das Ziel der vorliegenden Arbeit, eine Technik zur reproduzierbaren und exakten Positionierung von einzelnen magnetischen Partikeln zu entwickeln, die sich mit zum Nachweis der Partikel geeigneten mikro-strukturierten GMR Sensoren in einem System kombinieren lässt. Der erste Teil der Arbeit thematisiert den Entwurf, die Herstellung und die mikro-magnetische Modellierung der zur Detektion der Partikel verwendeten GMR-Sensoreinheit. Hierbei wird insbesondere auf die Eignung eines speziellen Prozesses zur Nano-Strukturierung, dem gezielten Abtrag mittels fokussiertem Ionenstrahl (Focused Ion Beam, FIB), eingegangen. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass die nach der Nanostrukturierung mittels Ionenstrahls verbleibende aktive Sensorfläche durch aus dem Strahl gestreute Ionen irreversibel geschädigt wird. Durch eine zusätzlich aufgebrachte Schutzschicht aus 50 nm SiO2 kann dieser Effekt deutlich reduziert werden. Dies ermöglicht die Herstellung von Nanostrukturen ohne wesentliche Schädigung bis zu Strukturgrößen von 300 nm. Der durch die Nanostrukturierung experimentell beobachtete Einfluss der reduzierten Sensorbreite auf das magneto-resistive Verhalten wird im Anschluss mikro-magnetisch mit guter Übereinstimmung zu den experimentellen Daten modelliert. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Fragestellung adressiert, wie und mit welcher Präzision einzelne superparamagnetische Partikel auf „Lab-On-Chip“ Ebene in flüssiger Umgebung positioniert werden können. Hierzu wird ein System basierend auf mikro-strukturierten, stromdurchflossenen Leiterbahnen zur Erzeugung eines starken und lokalisierten Magnetfeldgradienten verwendet. Diese Technik wird um den Einfluss eines zusätzlich angelegten homogenen Magnetfeldes erweitert. Basierend auf diesem Prinzip wird eine mikro-strukturierte, magnetische Ringfalle vorgestellt, die es erlaubt, einzelne Partikel nahe des Energieminimums in die Mitte der Falle zu transportieren. Aus der Berechnung der dreidimensionalen Energie- und Kräftelandschaft lassen sich quantitative Vorhersagen zur Langzeitstabilität der magnetischen Partikel treffen, die durch experimentelle Daten bestätigt werden. Basierend auf der Auswertung der Partikelfluktuation können sowohl Aussagen zur Wechselwirkung des Partikels mit seiner Umgebung (Viskosität und elektro-statische Wechselwirkung) getroffen als auch des magnetischen Moments der verwendeten Partikel mit einer Genauigkeit von 10% bestimmt werden. Weiterhin wird eine alternative Methode zur Bestimmung des magnetischen Moments mit Hilfe der magnetischen Falle vorgestellt. Hierbei kann durch Betrachtung der durch Dipol-Dipol-Wechselwirkung gekoppelten Fluktuation eines in der Falle gefangenen Partikelpaars das magnetische Moment aus dem Gleichgewichtsabstand der Partikel bestimmt werden. In abschließenden Experimenten wird die prinzipielle Kombinierbarkeit der entwickelten Positioniereinheiten mit den zuvor entwickelten, mikro-skaligen Sensoreinheiten demonstriert. Durch den gezielten Transport einzelner magnetischer Partikel zur aktiven Sensorfläche kann eine magnetische Kraft-Wechselwirkung zwischen den Partikeln und den ferromagnetischen Schichten der Sensorstruktur nachgewiesen werden. Diese wird qualitativ durch Berechnung der magnetischen Energielandschaft in direkter Nähe zum Sensor in gutem Einklang zu den experimentell beobachteten Ergebnissen bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wechselwirkung im Nahfeld des Sensors durch dessen Geometrie beeinflusst wird, woraus sich eine für die Lab-On-Chip Anwendung optimale Sensorgeometrie ableiten lässt. Mit Hilfe der Kombination beider Systeme können einzelne magnetische Partikel auf der aktiven Fläche des Sensors positioniert werden. Die zusätzliche Anregung des Partikels mit einem periodischen externen Magnetfeld führt in Kombination mit der Partikel-Sensor-Wechselwirkung zu einer oszillierenden Bewegung des Partikels über die aktive Sensorfläche. Dies resultiert in einer periodischen Sensorantwort bei Anwesenheit des Partikels in Sensornähe. Daraus lässt sich sowohl das magnetische Moment des Partikels als auch qualitativ die Dynamik des Partikels in Sensornähe basierend auf magneto-resistiver Messung bestimmen.