Dreidimensionale Trajektorien von substratnah-bewegten, magnetischen Mikropartikeln in dynamisch modifizierten magnetischen Feldlandschaften

Die dreidimensionale Bewegung superparamagnetischer Partikel oberhalb eines magnetisch strukturierten Substrats in wässriger Flüssigkeit konnte unter Verwendung eines Standard-Lichtmikroskops mit hoher zeitlicher Auflösung quantitativ bestimmt werden. Dies ermöglicht ein besseres Verständnis der Partikel-Transportdynamiken zur gezielten Anwendung in zukünftigen Westentaschenlaboren (Lab-on-a-chip).

Zur Realisierung sogenannter Westentaschenlabore (engl. Lab-on-a-chip), die ein schnelles und kostengünstiges Nachweisverfahren für beispielsweise Krankheitserreger ermöglichen sollen, wird die Verwendung von magnetischen Partikeln im Nano-/Mikrometer-Größenbereich als vielversprechend angesehen. Für gewöhnlich werden dabei die Partikel gezielt über eine topographisch flache Substratoberfläche geleitet, was zur Folge hat, dass die Wechselwirkungen zwischen Partikel und darunterliegendem Substrat eine große Rolle für das Bewegungsverhalten der Partikel spielen. Zusätzlich ist zu erwarten, dass bei Bindung eines Analyten (z.B. Krankheits-Marker) an die Partikel- bzw. Substratoberfläche aufgrund der nun modifizierten Wechselwirkungs-Situation ein veränderter Partikel-Substrat-Abstand vorliegt, welcher dementsprechend zum Nachweis des Analyten herangezogen werden kann.

Um einem grundlegenden Verständnis der sowohl magnetischen als auch elektrostatischen Partikel-Substrat-Interaktionen näher zu kommen, wurde in dieser Arbeit das dreidimensionale Bewegungsverhalten von gerichtet transportierten, superparamagnetischen Partikeln oberhalb eines flachen Substrates in wässriger Umgebung untersucht.

Oben: Um die vertikale Bewegung magnetischer Partikel oberhalb eines Substrates mit entgegengesetzt magnetisierten Streifendomänen mittels Hellfeldmikroskopie quantifizieren zu können, wurde ein entsprechendes Kalibrierungsverfahren angewandt. In diesem wurde die Schärfe eines aufgenommenen Partikel-Bildes relativ zur Fokusebene des verwendeten Mikroskops (oberhalb, unterhalb und in der Fokusebene) charakterisiert. Unten: Angewandt auf die Partikel-Bilder, die während eines Transportexperiments aufgenommen wurden, konnte zusätzlich zur leicht feststellbaren Bewegung in x- und y-Richtung die vertikale Trajektorie der Partikel in z-Richtung quantitativ analysiert werden.

Das Substrat beinhaltete hierbei ein prototypisches magnetisches Streifendomänenmuster, mit abwechselnd entgegengesetzten Magnetisierungen der Streifen. Hieraus ergibt sich eine maßgeschneiderte magnetische Streufeldlandschaft über dem Substrat, welche in Kombination mit externen Magnetfeldpulsen zur Initialisierung eines schrittweisen Transports der Partikel führt. Über ein entsprechendes Kalibrierungsverfahren für die vertikale z-Position der Partikel konnte zum Einen der theoretisch erwartbare Sprung während eines Transportschritts nachgewiesen werden. Zum Anderen konnten maximale Sprunghöhen der Partikel quantifiziert und mit einem theoretischen Modell für den dynamisch variierenden Partikel-Substrat-Abstand abgeglichen werden. Zukünftige Experimente sollen nun das entwickelte dreidimensionale Tracking-Verfahren zur Messung von absoluten Partikel-Substrat-Abständen anwenden.


 

R. Huhnstock et al.,
Scientific Reports  12 20890 (2022)
DOI: 10.1038/s41598-022-25391-z

Dr. Rico Huhnstock
AGE – Funktionale dünne Schichten