Magnetophoretischer Weitsprung magnetischer Mikropartikel in einer künstlich erzeugten magnetischen Streufeldlandschaft für hochlokalisierte und durchsatzstarke Fraktionierung auf einem Chip
Polydisperse Chargen magnetischer Mikropartikel stellen ein Hindernis für die Realisierung effizienter und zuverlässiger diagnostischer Lab-on-a-Chip-Systeme dar. Wir haben eine Methode entwickelt, mit der magnetische Partikel anhand ihrer magnetophoretischen Eigenschaften in einem schnellen, einstufigen Verfahren räumlich sortiert werden können.
Die Nachfrage nach sensitiven Schnelltests steigt weltweit aufgrund der Erfahrungen mit der jüngsten COVID-Pandemie und einem erhöhten Risiko für zukünftige Ausbrüche. Sensorgeräte auf Basis magnetischer Partikel (oft als Lab-on-a-Chip-Systeme bezeichnet) könnten in dieser Hinsicht eine mögliche Lösung darstellen. Magnetische Partikel bieten den Vorteil, dass sie mit fast jeder chemischen Verbindung an der Oberfläche funktionalisiert werden können, wodurch krankheitsspezifische biologische Einheiten aus einer Patientenprobe isoliert werden können. Zweitens kann ihre Bewegung auf dem Chip durch eine Kombination aus künstlich erzeugten magnetischen Streufeldlandschaften im Mikrometerbereich und homogenen makroskopischen Feldern sehr präzise ferngesteuert werden. Seit rund 20 Jahren wird auf diesem Gebiet geforscht, doch marktfähige Geräte sind noch in weiter Ferne.
Eine komplexe Herausforderung ist die Frage, wie mit der inhärenten Polydispersität häufig verwendeter superparamagnetischer Partikel zu verfahren ist, d. h. Partikel, deren Größe, magnetische Eigenschaften und Oberflächenmerkmale um einen Mittelwert variieren. Diese Schwankungen verringern in der Regel die Zuverlässigkeit einer Biodetektionsanalyse. Eine vorab durchgeführte Sortierung, bei der Partikel mit gleichen Eigenschaften in einzeln adressierbare Fraktionen getrennt werden, ist daher ein wünschenswerter Vorverarbeitungsschritt.
Wir haben eine Methode entwickelt, um diese Chip-basierte Fraktionierung superparamagnetischer Partikel auf der Grundlage einer speziell entwickelten magnetischen Streufeldlandschaft zu realisieren, und unsere Ergebnisse kürzlich in der Fachzeitschrift Lab on a Chip veröffentlicht. Die Feldlandschaft wird durch die Anwendung von Ionenbeschuss-induzierter magnetischer Strukturierung (IBMP) realisiert, um in der Ebene magnetisierte Streifendomänen mit zunehmender Streifenbreite und einer abwechselnden Head-to-Head/Tail-to-Tail-Magnetisierungskonfiguration herzustellen (siehe oberes Diagramm im Bild). Durch das Einfangen kommerziell erhältlicher Dynabeads innerhalb der Feldlandschaft konnten wir erfolgreich eine schnelle Auftrennung unterschiedlich großer Partikel an verschiedenen Stellen auf dem magnetisch strukturierten Chip-Substrat (siehe untere Aufnahme im Bild) durch Anlegen einer kurzen Sequenz (≈ 3 Sekunden) externer Magnetfeldpulse demonstrieren. Der physikalische Mechanismus dieser Beobachtung wurde mithilfe von Hochgeschwindigkeits-Mikroskopaufnahmen und Feldlandschaftssimulationen genauer analysiert.
Für die Zukunft streben wir an, das Design der Feldlandschaft zu verfeinern und magnetische Partikel gleicher Größe, aber unterschiedlicher Oberflächenfunktionalisierung zu untersuchen, um einen großen Schritt in Richtung eines robusten Sortierverfahrens zu machen, das potenziell als eigenständige Lab-on-a-Chip-basierte Biodetektionstechnik eingesetzt werden könnte.
R. Huhnstock et al., Lab on a chip 26, 494-506 (2026)
DOI: 10.1039/D5LC01000D
Dr. Rico Huhnstock, AGE – Funktionale dünne Schichten