Manipulation of Superparamagnetic Microbeads on Soft Magnetic Microchips

Sajjad, Umer

Labeling of biological analytes (e.g. protein, DNA) with superparamagnetic microbeads (SPM-MBs) serves as a handling tool in microfluidic lab-on-chip applications. Using an externally applied magnetic field, the separation of bio-labeled MBs on magnetic structures (MSs) of a chip is an emerging trend in biomedical research and to realize the future diagnostic tools. However, a high separation efficiency of mixed MBs populations together with a high throughput is a bottleneck, limiting the adaptability of these devices. This thesis presents manipulation techniques of MBs on soft magnetic microchips in a flow-less aqueous medium. The experimentally acquired motion patterns of MBs are phenomenologically explained by micromagnetic simulations, magnetic force microscopy measurements and magneto-optical imaging. 2-D periodic distribution of triangular MSs enables a free motion of MBs to a chosen location along the trisymmetric pathways on a chip. Selective transport of mixed populations of MBs is achievable with a separating efficiency of more than 97 %. Circular MSs in the hexasymmetric 2-D arrangement enable the driving of a single MB and its population by means of an elliptically rotating magnetic field in the chip plane. Adjusting the strength and orientation of the field can steer the moving MBs in multiple directions on the magnetic surface. Finally, to confirm the functionality of these magnetic surfaces, an example of a MB inside a Dictyostelium amoeba is shown for a selectable directed movement on triangular MSs.

Ein aufkommender Trend zur Realisierung zukünftiger Diagnoseinstrumente in der biomedizinischen Forschung besteht darin, durch SPM-MBs markierte Analyte anhand von Magnetfeldern auf funktionalisierten Oberflächen gezielt zu trennen. Eine Herausforderung, die den Einsatz gegenwärtig erschwert, besteht darin, einen hohen Analytendurchsatz mit gleichzeitig hoher Trenneffizienz zu realisieren. Die Kontrolle von einzelnen frei beweglichen MBs kann z.B. dazu genutzt werden, um eine größenabhängige Trennung der Beads zu erreichen. In dieser Dissertation werden Methoden zur kontrollierten Bewegung von MBs auf weichmagnetischen strukturierten Oberflächen untersucht. Die experimentell bestimmten Bewegungsmuster werden phänomenologisch und durch mikromagnetische Simulationen, magnetische Rasterkraftmikroskopie und magneto-optische Mikroskopie erklärt. Magnetische Dreieckstrukturen auf periodisch strukturierten Oberflächen ermöglichen die gezielte Bewegung von MBs entlang der Strukturkanten der Elemente. Die gleichzeitige Bewegung unterschiedlich großer MBs in entgegengesetzten Richtungen ermöglicht die effiziente Trennung von markierten Substanzen, wie z.B. von biologischen Zellen, von Proteinen oder von DNA. Hierdurch ist die Trennung in Gruppen gleichgroßer MBs mit einer Genauigkeit von 97 % erreicht worden. Kreisrunde Strukturen in einer hexagonalen periodischen Anordnung ermöglichen die gerichtete Bewegung sowohl eines einzelnen MBs, als auch ganzer Gruppen mit Hilfe elliptisch rotierender Magnetfelder. Durch Anpassung der Feldstärke und Richtung des externen Magnetfeldes kann eine kontrollierte Bewegung der MBs entlang unterschiedlicher Richtungen auf der Chipoberfläche erreicht werden. Schlussendlich wird, zur Bestätigung der Anwendbarkeit der entwickelten Methoden am Beispiel einer mit einem MB markierten Dictyostelium Amöbe, die gezielte und gerichtete Bewegung auf magnetischen Strukturen demonstriert.

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Sajjad, Umer: Manipulation of Superparamagnetic Microbeads on Soft Magnetic Microchips.

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