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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 10 / Mathematik und Naturwissenschaften  → Institut für Physik  → Experimentalphysik IV - Dünne Schichten und Synchrotronstrahlung  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2016032150052

Title: Transport magnetischer Partikel durch maßgeschneiderte magnetische Feldlandschaften zur Anwendung in mikrofluidischen Mischprozessen
Authors: Holzinger, Dennis
???metadata.dc.subject.swd???: IonenbestrahlungStreufeldMikrofluidikTeilchenTransportprozess
???metadata.dc.subject.ddc???: 500 - Naturwissenschaften (Natural sciences and mathematics)530 - Physik (Physics)
Issue Date: 21-Mar-2016
Abstract: Die Miniaturisierung von konventioneller Labor- und Analysetechnik nimmt eine zentrale Rolle im Bereich der allgemeinen Lebenswissenschaften und medizinischen Diagnostik ein. Neuartige und preiswerte Technologieplattformen wie Lab-on-a-Chip (LOC) oder Mikrototalanalysesysteme (µTAS) versprechen insbesondere im Bereich der Individualmedizin einen hohen gesellschaftlichen Nutzen zur frühzeitigen und nichtinvasiven Diagnose krankheitsspezifischer Indikatoren. Durch den patientennahen Einsatz preiswerter und verlässlicher Mikrochips auf Basis hoher Qualitätsstandards entfallen kostspielige und zeitintensive Zentrallaboranalysen, was gleichzeitig Chancen für den globalen Einsatz - speziell in Schwellen- und Entwicklungsländern - bietet. Die technischen Herausforderungen bei der Realisierung moderner LOC-Systeme sind in der kontrollierten und verlässlichen Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen sowie deren diagnostischem Nachweis begründet. In diesem Kontext wird der erfolgreichen Integration eines fernsteuerbaren Transports von biokompatiblen, magnetischen Mikro- und Nanopartikeln eine Schlüsselrolle zugesprochen. Die Ursache hierfür liegt in der vielfältigen Einsetzbarkeit, die durch die einzigartigen Materialeigenschaften begründet sind. Diese reichen von der beschleunigten, aktiven Durchmischung mikrofluidischer Substanzvolumina über die Steigerung der molekularen Interaktionsrate in Biosensoren bis hin zur Isolation und Aufreinigung von krankheitsspezifischen Indikatoren. In der Literatur beschriebene Ansätze basieren auf der dynamischen Transformation eines makroskopischen, zeitabhängigen externen Magnetfelds in eine mikroskopisch veränderliche potentielle Energielandschaft oberhalb magnetisch strukturierter Substrate, woraus eine gerichtete und fernsteuerbare Partikelbewegung resultiert. Zentrale Kriterien, wie die theoretische Modellierung und experimentelle Charakterisierung der magnetischen Feldlandschaft in räumlicher Nähe zur Oberfläche der strukturierten Substrate sowie die theoretische Beschreibung der Durchmischungseffekte, wurden jedoch bislang nicht näher beleuchtet, obwohl diese essentiell für ein detailliertes Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen und folglich für einen Markteintritt zukünftiger Geräte sind. Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wurde daher ein neuartiger Ansatz zur erfolgreichen Integration eines Konzepts zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel zur Anwendung in modernen LOC-Systemen unter Verwendung von magnetisch strukturierten Exchange-Bias (EB) Dünnschichtsystemen verfolgt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verfahren der ionenbe-schussinduzierten magnetischen Strukturierung (IBMP) von EB-Systemen zur Herstellung von maßgeschneiderten magnetischen Feldlandschaften (MFL) oberhalb der Substratoberfläche, deren Stärke und räumlicher Verlauf auf Nano- und Mikrometerlängenskalen gezielt über die Veränderung der Materialparameter des EB-Systems via IBMP eingestellt werden kann, eignet. Im Zuge dessen wurden erstmals moderne, experimentelle Verfahrenstechniken (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie und rastermagnetoresistive Mikroskopie) in Kombination mit einem eigens entwickelten theoretischen Modell eingesetzt, um eine Abbildung der MFL in unterschiedlichen Abstandsbereichen zur Substratoberfläche zu realisieren. Basierend auf der quantitativen Kenntnis der MFL wurde ein neuartiges Konzept zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel entwickelt, bei dem Partikelgeschwindigkeiten im Bereich von 100 µm/s unter Verwendung von externen Magnetfeldstärken im Bereich weniger Millitesla erzielt werden können, ohne den magnetischen Zustand des Substrats zu modifizieren. Wie aus den Untersuchungen hervorgeht, können zudem die Stärke des externen Magnetfelds, die Stärke und der Gradient der MFL, das magnetfeldinduzierte magnetische Moment der Partikel sowie die Größe und der künstlich veränderliche Abstand der Partikel zur Substratoberfläche als zentrale Einflussgrößen zur quantitativen Modifikation der Partikelgeschwindigkeit genutzt werden. Abschließend wurde erfolgreich ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das die quantitative Studie der aktiven Durchmischung auf Basis des vorgestellten Partikeltransportkonzepts von theoretischer Seite ermöglicht, um so gezielt die geometrischen Gegebenheiten der mikrofluidischen Kanalstrukturen auf einem LOC-System für spezifische Anwendungen anzupassen.The miniaturization of conventional laboratory and analysis technique plays a key role within the scope of life sciences and medical diagnostics. Novel and inexpensive technology platforms, such as lab-on-a-chip (LOC) or micro total analysis systems (µTAS), promise to be of high societal benefit, particularly in the field of individual medicine, where such devices can be used for early and noninvasive diagnosis of disease-specific indicators. Through the use of inexpensive and reliable microchips for point-of-care testing at a high quality level, time-consuming central laboratory analysis no longer applies, which simultaneously offers opportunities for the global deployment, especially in emerging and developing countries. The technical challenges attributed to the realization of modern LOC systems consist of the controlled, reliable handling of smallest amounts of fluids as well as their diagnostic detection. In this context, the successful integration of a remotely controllable transport of biocompatible magnetic micro- and nanoparticles is said to play an important role due to the manifold of application possibilities on account of the particles’ unique material properties. These range from the accelerated active mixing of microfluidic substance volumes through the enhancement of molecular interaction rates in biosensors up to the isolation and purification of disease-specific indicators. Well-known approaches are based on the dynamic transformation of a macroscopic, time-dependent external magnetic field into a microscopically varying potential energy landscape above magnetically structured substrates, which leads to a directed and remotely controllable particle movement. However, key criteria such as the theoretical modelling and experimental characterization of the magnetic field landscape in close proximity to the structured substrate surface as well as the theoretical description of the mixing process were not yet examined, although their knowledge is essential for a detailed understanding of the underlying mechanisms and therefore the market entry of future devices. Hence, within the scope of the present work, a novel concept for the successful integration of a remotely controllable transport of magnetic particles for the application in modern LOC systems based on the use of magnetically structured exchange bias (EB) thin film systems was developed. The results demonstrate that the process of ion bombardment induced magnetic patterning (IBMP) of EB systems is suitable for the preparation of tailored magnetic field landscapes (MFL) above the substrate surface, where the MFL’s strength and spatial distribution can be specifically set via the alteration of the EB system’s material parameters. In this respect, modern experimental techniques (scanning Hall probe microscopy, scanning magnetoresistive microscopy) were for the first time employed in combination with a specifically developed theoretical approach for a quantitative mapping of the MFL as a function of distance to the substrate surface. Based on the quantitative knowledge of the MFL, a novel concept for the remotely controllable transport of magnetic particles was developed, where particle velocities in the range of 100 µm/s can be achieved by the application of external magnetic field strengths on the millitesla scale without affecting the substrate’s magnetic state. According to the performed examinations, the particle velocity can be furthermore quantitatively modified by the strength of the external magnetic field, both the strength and gradient of the substrate’s MFL, respectively, the magnetic field induced magnetic moment of the particles’ as well as by the particle size and the artificially variable particle to substrate distance. Finally, a quantitative numerical simulation platform was developed to theoretically study the process of active mixing induced by the presently described particle transport concept in order to specifically tailor the geometrical boundaries of the microfluidic channel structure within a LOC system for application purposes.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2016032150052
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