Analysis of near-substrate magnetic particle transport for Lab-on-a-chip applications: stray field modulations, influence of particle properties and three-dimensional trajectories

Die Entwicklung schneller und zuverlässiger Diagnostik ist ein wichtiges Ziel für die Früherkennung von Krankheiten. Standardisierte Labormethoden sind heutzutage meist langsam und mit hohen Kosten verbunden. Innerhalb der Lab-on-a-chip (LOC)-Technologie kann der Nachweis eines pathogenen Organismus auf die Größe eines kleinen Chips miniaturisiert werden, indem magnetische Partikel als Fängerobjekte integriert werden. Die Kombination einer statischen Magnetfeldlandschaft (MFL) mit zeitlich variierenden externen Magnetfeldern hat sich als robuste Methode für den kontrollierten Transport von superparamagnetischen Partikeln (SPP) in einer mikrofluidischen Umgebung erwiesen. Obwohl die Vielseitigkeit des Ansatzes in der Literatur unterstrichen wird, gibt es kaum detailliertere Untersuchungen zu den Auswirkungen der Partikel-Substrat-Wechselwirkungen auf die Bewegungsdynamik, insbesondere im Hinblick auf die dreidimensionale (3D) Bewegung. Außerdem sind Bemühungen, den Anwendungsbereich durch die Einbeziehung asymmetrisch gestalteter magnetischer Partikel zu erweitern, begrenzt. Daher widmet sich diese Dissertation der Erlangung eines gründlichen Verständnisses der Transporteigenschaften von magnetischen Partikeln mit verschiedenen Eigenschaften unter Verwendung dynamisch transformierter MFLs. Exchange Bias (EB) Dünnschichtsysteme mit mikrometergroßen magnetischen Streifendomänen wurden hier als prototypische Transportsubstrate verwendet. Durch graduelle Modulation der entstehenden MFL als Funktion der Probenposition wurden Möglichkeiten zur räumlichen Konzentration und Trennung von SPP aufgezeigt. Darüber hinaus wurde der Einfluss elektrostatischer Wechselwirkungen untersucht, indem der Transport von SPP mit unterschiedlichen chemischen Oberflächengruppen in wässrigen Lösungen mit verschiedenen pH-Werten ausgewertet wurde. Mit dem Ziel, kontrollierte Rotationsbewegungen zu induzieren, die der Transportbewegung überlagert sind, wurden die Dynamiken von EB funktionalisierten Janus Partikeln untersucht. Ergänzt wird die Arbeit durch die Vorstellung einer Machbarkeitsstudie zur Identifizierung der vertikalen Position von SPP unter Zuhilfenahme von optischer Mikroskopie. Unter Verwendung defokussierter SPP-Bilder und einem geeigneten Kalibrierungsverfahren wurde eine erste experimentelle Abschätzung von 3D-Trajektorien erreicht, die durch theoretische Überlegungen unterstützt wurde. Insgesamt sollen die im Rahmen dieser Doktorarbeit gewonnenen Ergebnisse für die Implementierung neuer und die Optimierung bereits bestehender LOC-Strategien im Zusammenhang mit der Aktuierung magnetischer Partikel eingesetzt werden.