Charakterisierung

Die Messung der Wechselfeld- (oder ac-) Suszeptibilität stellt eine seit Jahren etablierte Methode zur Charakterisierung von magnetischen Nanopartikeln als auch zur Realisierung homogenerBindungsassays dar. Eine meist zylinderförmige Spule erzeugt ein sinusförmiges Anregungsmagnetfeld, dessen Amplitude klein genug ist, so dass man sich im linearen Bereich der Magnetisierungskennlinie der magnetischen Nanopartikel befindet. In dieser befinden sich zwei antiseriell verschaltete Detektionsspulen, deren Signal mit einem Lock-in-Verstärker gemessen wird. Befindet sich in keiner der beiden Detektionsspulen eine Probe und ist der Aufbau perfekt abgeglichen, so kompensieren sich die in den beiden Detektionsspulen induzierten Signale, so dass das resultierende Signal Null ist. Positioniert man in einer der beiden Detektionsspulen eine Probe mit magnetischen Nanopartikeln, so misst man eine resultierende Spannung, die mit dem Lock-in-Verstärker in einen Beitrag U_x, der in Phase mit dem Anregungsmagnetfeld ist, sowie in einen um 90° phasenverschobenen Anteil U_y aufgeteilt werden kann. Aus diesen kann man wiederum den Real- χ' und den Imaginärteil χ'' der ac-Suszeptibilität bestimmen.

Zur Charakterisierung von magnetischen Nanopartikeln als auch zur Realisierung von Bindungsassays wird im Allgemeinen ein Frequenz-Sweep bei konstanter Amplitude des Anregungsfeldes durchgeführt. Die Interpretation der Spektren des Real- und Imaginärteils erfolgt generell im Rahmen des Debye-Modells. Abbildung 2 zeigt die Abhängigkeit von der Frequenz. Der Imaginärteil besitzt sein Maximum bei ωt = 1, so dass aus der Position des Maximums direkt die mittlere Zeitkonstante der Nanopartikel bestimmt werden kann.

Am Institut stehen ACS-Aufbauten mit folgenden Parametern zur Verfügung:

NF-ACS: 10 Hz – 10 kHz, ac-Feldamplitude: 560 µT

HF-ACS: 200 Hz – 1 MHz, ac-Feldamplitude: 95 µT

Fluxgate-basiertes ACS: 0,1 Hz – 9 kHz, ac-Feldamplituden: bis zu 9 mT, zusätzlich können dc-Magnetfeldern bis zu 9 mT parallel bzw. senkrecht zum ac-Feld angelegt werden.

Alle ACS-Systeme wurden mit Dy₂O₃-Pulverproben kalibriert, so dass die Suszeptibilität absolut gemessen werden kann.

Der prinzipielle Ablauf einer MRX-Messung ist im Bild rechts dargestellt. Ohne ein externes Magnetfeld zeigen die superparamagnetischen Nanoteilchen kein messbares magnetisches Signal. Legt man ein externes Magnetfeld H_mag an, so richten sich die magnetischen Nanopartikel aus, und die Probe weist ein messbares magnetisches Signal auf. Schaltet man das Magnetfeld wieder ab, so klingt das magnetische Signal der Nanoteilchen wieder auf null ab. Diese sogenannte Relaxation des magnetischen Signals hängt von der Größe der Nanoteilchen ab. Befindet sich das Nanoteilchen in einer Flüssigkeit, so kann es sich als Ganzes drehen. Dieser Vorgang wird als Brown-Relaxation bezeichnet und ist durch die Brown-Zeitkonstante t_B gekennzeichnet. Große Nanoteilchen drehen sich langsam, kleine dagegen schnell. Kann sich das Nanopartikel jedoch nicht drehen, z.B. durch Einbetten in eine Zuckermatrix oder durch Anbinden an eine Oberfläche bzw. ein großes Target, so kann die interne Magnetisierung superparamagnetischer Partikel hin und her klappen. Dieser Vorgang wird Néel-Relaxation genannt. Die dazugehörige Zeitkonstante t_N hängt exponentiell vom Volumen des magnetischen Partikelkerns ab. Sind beide Mechanismen möglich, dominiert der mit der kürzeren Zeitkonstante. Der zugängliche Bereich von Zeitkonstanten ist durch die Abschaltzeit des Magnetisierungsfeldes sowie die Bandbreite der Sensoren begrenzt.

Messparameter: Zeitfenster: 300 µs – mehrere Sekunden, Pulsamplituden: bis zu 2 mT

Im Rahmen eines vom BMBF geförderten Verbundprojektes haben wir einen auf dem Magnetrelaxometrie-Prinzip basierten, kompakten Magnetic Nanoparticle Analyzer entwickelt (Bild unten).

Das rotierende Magnetfeld stellt neben dem geschalteten und dem wechselnden Magnetfeld eine weitere Möglichkeit zur magnetischen Manipulation magnetischer Nanopartikel (MNP) dar, die in einem wässrigen Medium gelöst sind und nach Brown relaxieren. Hierbei verursacht das magnetische Drehmoment zwischen dem rotierenden Magnetfeld und der Magnetisierung der magnetischen Nanopartikel eine Rotationsbewegung der Partikel, die die Frequenz des rotierenden Magnetfeldes besitzt. Die Rotationsbewegung der MNP bzw. des magnetischen Moments besitzt eine Phasendifferenz φ zum rotierenden Magnetfeld (Abbildung 1), die größtenteils durch die rotatorische Reibung zwischen der Partikelhülle und dem Medium bedingt wird. Hierbei hängt der absolute Phasenwinkel φ ebenfalls von der Frequenz und Feldstärke des rotierenden Magnetfeldes sowie von den Parametern (Temperatur, Viskosität, Ladung) des Mediums ab. Somit kann über die Bestimmung des Phasenwinkels zwischen dem rotierenden Magnetfeld und der Magnetisierung der magnetischen Nanopartikel eine Aussage über das Verhältnis von magnetischem Kern zu Partikelhülle getroffen werden, wenn die Temperatur und Viskosität des Mediums konstant gehalten werden. Das rotierende Magnetfeld wird im Gegensatz zum alternierenden Magnetfeld mit Hilfe eines 2-achsigen Helmholtz-Spulensystems generiert (Abbildung 1).

Die prinzipielle Abhängigkeit des Phasenwinkels φ von der Frequenz und Feldstärke des rotierenden Magnetfeldes ist in Abbildung 2 am Beispiel einer wässrigen Suspension von Eisenoxidpartikeln mit einem hydrodynamischen Durchmesser (Partikel inklusive Hülle) von 120 nm veranschaulicht. Hierbei ist deutlich zu erkennen, dass eine steigende Frequenz eine Zunahme des Phasenwinkels verursacht, hingegen eine größere Feldstärke den Phasenwinkel verringert. Im Falle des alternierenden Magnetfeldes kann analog zum rotierenden Magnetfeld ein Phasenwinkel für die Grundfrequenz des manipulierenden Magnetfeldes bestimmt werden, der im Vergleich eine deutlich geringere Abhängigkeit von der Feldstärke besitzt. Dieses wird durch die geringere Aufspreizung der blauen Kurven (ACF) in Abbildung 2 deutlich.

Messparameter: Frequenz: 0,1 Hz – 9 kHz, Feldamplitude: bis zu 9 mT, Temperaturen: Raumtemperatur bis zu 70°C