Analysis of near-substrate magnetic particle transport for Lab-on-a-chip applications: stray field modulations, influence of particle properties and three-dimensional trajectories
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Mathematik und Naturwissenschaften, Institut für Physik | |
| dc.contributor.referee | Ehresmann, Arno (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Hütten, Andreas (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Giesen, Thomas (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Buhmann, Stefan Y. (Prof. Dr.) | |
| dc.date.accessioned | 2022-08-11T15:40:47Z | |
| dc.date.available | 2022-08-11T15:40:47Z | |
| dc.date.issued | 2022 | |
| dc.description | Deutscher Titel: Analyse des substratnahen Transports magnetischer Partikel für Lab-on-a-Chip Anwendungen: Modulationen des Streufeldes, Einfluss der Partikeleigenschaften und dreidimensionale Trajektorien | ger |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-202208106606 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/14050 | |
| dc.language.iso | eng | eng |
| dc.rights | Namensnennung - Nicht-kommerziell - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International | * |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ | * |
| dc.subject | Lab-on-a-Chip | ger |
| dc.subject | Magnetische Feldlandschaften | ger |
| dc.subject | Dünnschichtsysteme | ger |
| dc.subject | Janus Partikel | ger |
| dc.subject | Superparamagnetische Partikel | ger |
| dc.subject | Ionenbeschuss induzierte magnetische Strukturierung | ger |
| dc.subject | Exchange Bias | ger |
| dc.subject | Dreidimensionales Partikeltracking | ger |
| dc.subject | Mikrofluidik | ger |
| dc.subject | Partikeltransport | ger |
| dc.subject.ddc | 530 | |
| dc.subject.swd | Lab on a Chip | ger |
| dc.subject.swd | Dünne Schicht | ger |
| dc.subject.swd | Magnetfeld | ger |
| dc.subject.swd | Teilchen | ger |
| dc.subject.swd | Superparamagnetismus | ger |
| dc.subject.swd | Transporteigenschaft | ger |
| dc.subject.swd | Magnetische Anisotropie | ger |
| dc.subject.swd | Mikrofluidik | ger |
| dc.title | Analysis of near-substrate magnetic particle transport for Lab-on-a-chip applications: stray field modulations, influence of particle properties and three-dimensional trajectories | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dc.type.version | publishedVersion | |
| dcterms.abstract | 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. | ger |
| dcterms.abstract | The development of fast and reliable point-of-care diagnostics is a key objective for the early detection of diseases in patients. Standard laboratory methods are nowadays mostly slow and cost-intensive. Isolation and detection of a pathogenic organism can be miniaturized onto the size of a small chip, typically referred to as Lab-on-a-chip (LOC) technology, by integrating magnetic particles as catcher objects. Combining a static magnetic field landscape (MFL) with time-varying external magnetic fields was demonstrated to be a robust technique for controllably transporting magnetic particles within a microfluidic environment. Many works focused thereby on the controlled translational motion of superparamagnetic beads (SPBs) above various kinds of magnetic substrates. Although underlining the versatility of the approach, more detailed investigations regarding the impact of particle-substrate interactions on the motion dynamics, especially for the three-dimensional (3D) movement, are scarce. Plus, efforts to augment the scope by including asymmetrically designed magnetic particles are limited. Therefore, this dissertation is dedicated to achieving a thorough understanding of the transport characteristics of magnetic particles with various properties using dynamically transformed MFLs in order to facilitate integration into potential LOC devices. Exchange biased thin films with micrometer-sized magnetic stripe domains were herein used as prototypical transport substrates. By gradually modulating the emerging MFL as a function of sample position, opportunities for spatially concentrating and separating SPBs were qualitatively revealed and quantitatively analyzed. In addition, the influence of electrostatic interactions between particle and substrate surfaces was investigated by evaluating the transport of SPBs with differing chemical surface groups in aqueous solutions of varying pH-values. Aiming to induce controlled rotational movements superposed on the transport motion, the dynamics of exchange bias capped magnetic Janus particles in a dynamically transformed, prototypical MFL was examined. The work is complemented by introducing a proof-of-concept experiment that employs optical bright-field microscopy to identify the vertical position of SPBs above a magnetically stripe patterned substrate. With the help of defocused SPB images and a suitable calibration procedure, a first experimental estimation of 3D trajectories within a dynamically modified MFL was achieved, corroborated by theoretical considerations. Altogether, the results acquired in the framework of this PhD thesis aspire to be helpful for the implementation of new and the optimization of already existing LOC strategies related to the actuation of magnetic particles. | eng |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Huhnstock, Rico | |
| dcterms.dateAccepted | 2022-07-26 | |
| dcterms.extent | v, 200 Seiten | |
| kup.iskup | false | |
| ubks.epflicht | true |