Zweidimensionale Scanning-Magnetrelaxometrie mit Fluxgate-Sensoren

Rühmer, Dennis Patrick

Die Magnetrelaxometrie misst Relaxationszeitkonstanten von superparamagnetischen Nanopartikeln. Diese sind in der Biomedizintechnologie verbreitet und zur spezifischen Bindung funktionalisierbar. In einem bestimmten Größenbereich ist ihre Relaxationszeitkonstante abhängig vom Bindungszustand. Zur Messung werden die magnetischen Momente in einem Magnetfeld ausgerichtet und ihre Relaxation nach dessen Abschaltung . In dieser Arbeit wird ein Magnetrelaxometrie-Scanner zur ortsaufgelösten Messung und grafischen Darstellung von zweidimensionalen Verteilungen magnetischer Nanopartikel präsentiert. Hiermit konnten Nanopartikel, die an beschichteten Kunststofffolien durch spezifische Bindung immobilisiert wurden, und deren Messsignal von Signalen ungebundener Partikel überlagert wurde, detektiert und grafisch separat dargestellt werden. Der Scanner verwendet einen kommerziellen Verschiebetisch zur Probenpositionierung, eine Zylinderspule zur Ausrichtung der magnetischen Momente der Nanopartikel und Fluxgate-Magnetfeldsensoren zur Detektion ihres Magnetfelds. Dieses Magnetfeld entsteht durch Überlagerung der einzelnen Dipolfelder der Nanopartikel und ist stark inhomogen. Fluxgate-Sensoren, die zu den empfindlichsten Raumtemperatur-Magnetfeldsensoren gehören, sind im Regelfall auf die Detektion von homogenen Feldern optimiert. In dieser Arbeit wurden drahtgewickelte Fluxgate-Sensoren mit Racetrack-Kerngeometrie auf die Messsituation in Dipolfeldern optimiert. Hierzu wurden Finite-Elemente-Simulationen der Feldverteilung durchgeführt und daraus abgeleitet die Größe und die Position der Detektionsspule sowie die Kerngröße der Sensoren angepasst, so dass sowohl die Orts- als auch die Feldauflösung gesteigert werden konnten. Weiterhin wird eine auflösungsverbessernde Schirmung der Sensoren diskutiert. Insgesamt konnten Signal-zu-Rauschverhältnis in Dipolfeldern vervierfacht und die der Punktspreizfunktion um 40% reduziert werden.

Magnetorelaxometry measures the relaxation time constant of superparamagnetic nanoparticles which are being widely employed in biomedicine technology. They can specifically bind to targets due to functionalization. If a proper size is provided, their relaxation time depends on their binding state. For a magnetic relaxation measurement the magnetic moments are aligned in an external magnetic field the relaxation is detected after switching off the external field. This thesis deals with a magnetorelaxometry-scanner which can be used for spatially resolved measurements and for the graphical display of two-dimensional distributions of magnetic nanoparticles. It has shown its ability to detect and display magnetic nanoparticles which were immobilized by specific binding to plastic foils. Bound and unbound particles located in the same sample volume could be separated for imaging. The setup includes a commercially available translation table for sample positioning, a cylindrical coil for alignment of the magnetic moments and fluxgate sensors for the detection of the relaxing magnetic field. It arises from the superposition of single magnetic dipole fields and is strongly inhomogeneous. Fluxgate sensors offer low noise values while operating at room temperature, but commonly they have been optimized for the detection of homogeneous fields. In this thesis, wire wound fluxgate sensors with racetrack-shaped core were optimized to detect magnetic dipole fields. Therefore, finite element simulations of the magnetic flux distribution were made and used for the optimization of the geometry of the sensor's core and size and position of its detection coil. As a result, both spatial and resolution were improved. A further improvement by incorporating shielding layers is discussed. In total, the signal-to-noise ratio in dipole fields was improved by a factor of 4 and the full width at half maximum value of the sensors point spread function was lowered by 40%.

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Rühmer, Dennis: Zweidimensionale Scanning-Magnetrelaxometrie mit Fluxgate-Sensoren. 2012.

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