Transport magnetischer Partikel durch maßgeschneiderte magnetische Feldlandschaften zur Anwendung in mikrofluidischen Mischprozessen

Die Miniaturisierung von konventioneller Labor- und Analysetechnik nimmt eine zentrale Rolle im Bereich der allgemeinen Lebenswissenschaften und medizinischen Diagnostik ein. Neuartige und preiswerte Technologieplattformen wie Lab-on-a-Chip (LOC) oder Mikrototalanalysesysteme (µTAS) versprechen insbesondere im Bereich der Individualmedizin einen hohen gesellschaftlichen Nutzen zur frühzeitigen und nichtinvasiven Diagnose krankheitsspezifischer Indikatoren. Durch den patientennahen Einsatz preiswerter und verlässlicher Mikrochips auf Basis hoher Qualitätsstandards entfallen kostspielige und zeitintensive Zentrallaboranalysen, was gleichzeitig Chancen für den globalen Einsatz - speziell in Schwellen- und Entwicklungsländern - bietet. Die technischen Herausforderungen bei der Realisierung moderner LOC-Systeme sind in der kontrollierten und verlässlichen Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen sowie deren diagnostischem Nachweis begründet. In diesem Kontext wird der erfolgreichen Integration eines fernsteuerbaren Transports von biokompatiblen, magnetischen Mikro- und Nanopartikeln eine Schlüsselrolle zugesprochen. Die Ursache hierfür liegt in der vielfältigen Einsetzbarkeit, die durch die einzigartigen Materialeigenschaften begründet sind. Diese reichen von der beschleunigten, aktiven Durchmischung mikrofluidischer Substanzvolumina über die Steigerung der molekularen Interaktionsrate in Biosensoren bis hin zur Isolation und Aufreinigung von krankheitsspezifischen Indikatoren. In der Literatur beschriebene Ansätze basieren auf der dynamischen Transformation eines makroskopischen, zeitabhängigen externen Magnetfelds in eine mikroskopisch veränderliche potentielle Energielandschaft oberhalb magnetisch strukturierter Substrate, woraus eine gerichtete und fernsteuerbare Partikelbewegung resultiert. Zentrale Kriterien, wie die theoretische Modellierung und experimentelle Charakterisierung der magnetischen Feldlandschaft in räumlicher Nähe zur Oberfläche der strukturierten Substrate sowie die theoretische Beschreibung der Durchmischungseffekte, wurden jedoch bislang nicht näher beleuchtet, obwohl diese essentiell für ein detailliertes Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen und folglich für einen Markteintritt zukünftiger Geräte sind. Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wurde daher ein neuartiger Ansatz zur erfolgreichen Integration eines Konzepts zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel zur Anwendung in modernen LOC-Systemen unter Verwendung von magnetisch strukturierten Exchange-Bias (EB) Dünnschichtsystemen verfolgt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verfahren der ionenbe-schussinduzierten magnetischen Strukturierung (IBMP) von EB-Systemen zur Herstellung von maßgeschneiderten magnetischen Feldlandschaften (MFL) oberhalb der Substratoberfläche, deren Stärke und räumlicher Verlauf auf Nano- und Mikrometerlängenskalen gezielt über die Veränderung der Materialparameter des EB-Systems via IBMP eingestellt werden kann, eignet. Im Zuge dessen wurden erstmals moderne, experimentelle Verfahrenstechniken (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie und rastermagnetoresistive Mikroskopie) in Kombination mit einem eigens entwickelten theoretischen Modell eingesetzt, um eine Abbildung der MFL in unterschiedlichen Abstandsbereichen zur Substratoberfläche zu realisieren. Basierend auf der quantitativen Kenntnis der MFL wurde ein neuartiges Konzept zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel entwickelt, bei dem Partikelgeschwindigkeiten im Bereich von 100 µm/s unter Verwendung von externen Magnetfeldstärken im Bereich weniger Millitesla erzielt werden können, ohne den magnetischen Zustand des Substrats zu modifizieren. Wie aus den Untersuchungen hervorgeht, können zudem die Stärke des externen Magnetfelds, die Stärke und der Gradient der MFL, das magnetfeldinduzierte magnetische Moment der Partikel sowie die Größe und der künstlich veränderliche Abstand der Partikel zur Substratoberfläche als zentrale Einflussgrößen zur quantitativen Modifikation der Partikelgeschwindigkeit genutzt werden. Abschließend wurde erfolgreich ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das die quantitative Studie der aktiven Durchmischung auf Basis des vorgestellten Partikeltransportkonzepts von theoretischer Seite ermöglicht, um so gezielt die geometrischen Gegebenheiten der mikrofluidischen Kanalstrukturen auf einem LOC-System für spezifische Anwendungen anzupassen.

Review of bio-particle manipulation using dielectrophoresis

During the last decade, large and costly instruments are being replaced by system based on microfluidic devices. Microfluidic devices hold the promise of combining a small analytical laboratory onto a chip-sized substrate to identify, immobilize, separate, and purify cells, bio-molecules, toxins, and other chemical and biological materials. Compared to conventional instruments, microfluidic devices would perform these tasks faster with higher sensitivity and efficiency, and greater affordability. Dielectrophoresis is one of the enabling technologies for these devices. It exploits the differences in particle dielectric properties to allow manipulation and characterization of particles suspended in a fluidic medium. Particles can be trapped or moved between regions of high or low electric fields due to the polarization effects in non-uniform electric fields. By varying the applied electric field frequency, the magnitude and direction of the dielectrophoretic force on the particle can be controlled. Dielectrophoresis has been successfully demonstrated in the separation, transportation, trapping, and sorting of various biological particles.

Java Applets for teaching quantum mechanics: Particle in a box

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Java Applets for teaching quantum mechanics: Particle in a 2D box

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Java Applets for teaching quantum mechanics: Particle in a well

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AS/A Level Science & Art Competition: Particle Physics

A video made by physics for the AS/A Level Science & Art Competition

The particle model of matter.

Los cimientos de la materia son los átomos formados por minúsculas partículas llamadas protones, neutrones y electrones; según varíe esta estructura se constituyen diferentes tipos de elementos: hidrógeno, sodio, potasio, etc. También se explican los tres estados de la materia ya conocidos, más un cuarto, el plasma, que de forma natural solamente se encuentra en las estrellas. Este conocimiento interno de la materia produce aplicaciones en la tecnología. Está adaptado a alumnos de once a catorce años, que cursan la etapa 3 (Key Stage 3) del curriculo nacional inglés.

Theory and observations of ice particle evolution in cirrus using Doppler radar: evidence for aggregation

Vertically pointing Doppler radar has been used to study the evolution of ice particles as they sediment through a cirrus cloud. The measured Doppler fall speeds, together with radar-derived estimates for the altitude of cloud top, are used to estimate a characteristic fall time tc for the `average' ice particle. The change in radar reflectivity Z is studied as a function of tc, and is found to increase exponentially with fall time. We use the idea of dynamically scaling particle size distributions to show that this behaviour implies exponential growth of the average particle size, and argue that this exponential growth is a signature of ice crystal aggregation.