Oberflächen-Partikel-Wechselwirkungen durch Flüssigkeiten bei der oberflächennahen Bewegung superparamagnetischer Partikel und magnetischer Janus-Mikropartikel in ruhenden Flüssigkeiten

• Antragsteller: Professor Dr. Arno Ehresmann
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514858524

Eine präzise kontrollierte Aktuierung kleiner magnetischer Partikel (MP) eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung neuer Analytnachweis- und Diagnosestrategien, z.B. für Krankheitsmarker oder Viren. MP sind hier vielversprechend, da es derzeit keine Hinweise darauf gibt, dass die zur Aktuierung nötigen Magnetfelder biologisches Material verändern. Seit den frühen 2000er Jahren wurden dazu zeitabhängige externe Magnetfelder mit statischen magnetischen Feldlandschaften überlagert, die aus Anordnungen magnetischer Ladungen (aus Domänen, Mikromagneten oder stromdurchflossenen Mikroleiterbahnen) erzeugt wurden. Es wurde gezeigt, dass ein MP-Transport, Mischkonzepte für Flüssigkeiten, MP-Separation und sogar der Nachweis biologisch funktionalisierter Partikel z.B. über Riesenmagnetowiderstandselemente oder Hall-Effekt-Sensoren realisiert werden können. Ein wesentliches Charakteristikum dieser Feldlandschaften ist das Auftreten großer Feldgradienten über kleine Distanzen in der Nähe der zur Erzeugung der Feldlandschaften nötigen Oberflächen. Bei den allermeisten der einschlägigen Arbeiten wurden dabei die über die magnetischen Wechselwirkungen hinausgehenden Oberflächen-MP-Wechselwirkungen, vermittelt durch die umgebende Flüssigkeit, vernachlässigt und es wurden hauptsächlich superparamagnetische Partikel (SPP) verwendet. Mit diesem Vorhaben wollen wir das Wissen über diese Mikrosysteme daher um zwei Aspekte erweitern: Wir wollen (1) systematisch den Einfluss von Wechselwirkungen zwischen MP und Oberfläche, vermittelt durch die umgebende Flüssigkeit, auf die Bewegung der MP untersuchen und (2) erforschen wie sich magnetische Januspartikel (hier: unmagnetische sphärische Mikropartikel, die durch Kappen mit magnetischen Schichtsystemen definierter Eigenschaften bedeckt sind) in den dynamischen Feldlandschaften bewegen. Diese speziellen Partikel besitzen im Vergleich zu SPP deutlich höhere magnetische Momente und können nicht nur transversal bewegt, sondern auch ausgerichtet und rotiert werden. Speziell soll eine Technik etabliert werden, die ein dreidimensionales Tracking der MP in Flüssigkeit ermöglicht, sowie eine Quantifizierung der Januspartikelorientierung während der Bewegung. Es soll untersucht werden, ob experimentell bestimmte Änderungen im Gleichgewichtsabstand (durch 3D-tracking) zwischen MP und Oberfläche zum Nachweis von an die Partikel gebundene Analyten genutzt werden können. In einem proof-of-concept-Experiment soll am Ende die prinzipielle Möglichkeit des Nachweises eines Virus durch veränderte Partikel-Oberflächen Abstände gezeigt werden, in dem der Virus durch ein oberflächenfunktionalisiertes Nanopartikel ersetzt wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen