Magnetic Nanoparticles in Rotating Magnetic Fields

Dieckhoff, Jan Henrik

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Dynamik suspendierter magnetischer Nanopartikel (MNP) in rotierenden Magnetfeldern (RMF) für die Entwicklung eines homogenen Bioassays welches die direkte quantitative Detektion von Proteinen in einer Lösung ermöglicht. Das entwickelte Messsystem detektiert mit Hilfe von Fluxgate-Magnetometern das Streufeld der durch das Magnetfeld induzierten Magnetisierung einer MNP-Probe. Die gradiometrische Sensoranordnung ermöglicht eine störungsfreie und empfindliche Detektion von verschiedenen MNP-Typen. Zur Analyse der Rotationsdynamik wird der Phasenwinkel zwischen dem rotierenden Magnetfeld und der Magnetisierung der MNP-Proben bestimmt, welcher in dem untersuchten Konzentrationsbereich eine von der Partikelkonzentration unabhängige Charakterisierung der MNP ermöglicht, wie die Bestimmung der hydrodynamischen Partikelgröße. Numerische Lösungen der Fokker-Planck Gleichung sowie ein abgeleitetes empirisches Modell wurden zur Evaluierung der RMF-Messergebnisse sowie des Bioassays verwendet. Das Bioassaykonzept beruht auf einer Änderung des gemessenen Phasenwinkels, die durch die spezifische Anbindung der zu quantifizierenden Proteine an die Partikel hervorgerufen wird. Messungen mit verschieden geformten Nanopartikeln, bestehend aus Einzel- und Verbundkernen, lieferten eine sehr gute Übereinstimmung mit den Simulationen. Die Ergebnisse wurden zusätzlich durch unabhängige Charakterisierungsmethoden bestätigt, wie der dynamische Lichtstreuung. Experimente mit sphärischen Nanopartikeln, die aus Einzelkernen bestehen, durch den Brown'schen Relaxationsprozess dominiert werden und mit Protein G funktionalisiert sind, konnten eine quantitativen Proteindetektion mit dem RMF-Bioassaykonzept demonstrieren. Für diesen Partikeltyp wurde ein Kerndurchmesser von 30 nm als Optimum ermittelt, da die Partikeldynamik noch signifikant durch kleine, an die Partikeloberfläche anbindende Proteine beeinflusst wird sowie eine Dominanz der Brown'schen Relaxation sichergestellt ist. Die Anwendung von MNP mit Verbundkernen mit größeren hydrodynamischen Abmessungen sowie einer teilweisen Dominanz der Néel'schen Relaxation war weniger geeignet zur direkten Detektion von Proteinen, solange keine Quervernetzungseffekte ausgenutzt wurden. Schließlich konnte mit Streptavidin-funktionalisierten MNP die prinzipielle quantitative Analyse von Proben, die den medizinisch relevanten Biomarker HER2 enthalten, demonstriert werden.

In this work, the rotational dynamics of magnetic nanoparticles (MNPs) was investigated with respect to its application in rotating magnetic field-based homogeneous bioassays. This concept enables the direct quantitative detection of proteins in solution, which is a promising technique owing to the increasing need for patient-side laboratory diagnostics. A fluxgate-based measurement system was developed, which detects the stray field of the MNP sample magnetization induced by a rotating magnetic field (RMF). The gradiometric sensor arrangement facilitates a robust magnetic detection of various MNP types. For the analysis of the rotational dynamics, the phase lag between the rotating magnetic field and the MNP sample magnetization was calculated, which enables in the investigated concentration range a particle concentration-independent characterization of the dissolved MNPs, for example the determination of the hydrodynamic size. Numerical solutions of the Fokker-Planck equation adapted to the RMF and an empirical model derived from these results were analyzed for the evaluation of the RMF measurements and bioassay concept, which relies on the change of the phase lag caused by proteins specifically bound to the particles. Measurements on various spherical and rod-shaped MNPs with single- and multi-cores matched perfectly with simulations based on these theories and were supported by additional characterization techniques, for example photon correlation spectroscopy. Experiments with spherical single-core iron oxide nanoparticles dominated by the Brownian relaxation and conjugated with protein G demonstrated the feasibility of the quantitative protein detection based on the RMF concept. For this MNP type a core diameter of 30 nm was found to be optimal since its dynamics is significantly affected by small proteins bound to the surface but it is still clearly dominated by the Brownian relaxation. Multi-core particles with larger hydrodynamic sizes and partly dominated by the Néel relaxation process were less suitable for the direct detection of proteins in solution when avoiding cross-linking effects. Measurements on streptavidin functionalized single-core particles demonstrated the principle quantitative analysis of samples containing the biomedical relevant biomarker HER2.

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Dieckhoff, Jan: Magnetic Nanoparticles in Rotating Magnetic Fields. 2015.

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