Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5721
Main Title: Construction and initialization of a temperature dependent magnetorelaxometry measurement system for the quantitative detection of magnetic nanoparticles in biological samples
Translated Title: Konstruktion und Inbetriebnahme eines temperaturabhängigen Magnetrelaxometrie-Messsystems für die quantitative Detektion von magnetischen Nanopartikeln in biologischen Proben
Author(s): Knopke, Christian
Advisor(s): Wiekhorst, Frank
Referee(s): Kraft, Marc
Baumgarten, Daniel
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The unique physical properties of magnetic nanoparticles (MNPs) have attracted increasing interest from researchers around the world. In particular, biomedical applications of MNPs are currently a growing research topic in medical science. However, all biomedical applications of MNPs crucially depend on reliable quantification methods that determine the concentration of MNPs in biological tissues. While well-established photometric iron quantification methods exist, they generally do not differentiate between iron originating from MNPs and other natural iron deposits in the body. In contrast, magnetorelaxometry (MRX), an analysis method based on the detection of the specific magnetic signals originating from MNPs, is capable of determining the particle content in biological tissues. However, MRX quantification is limited to MNPs with a magnetic core diameter of approximately 15nm to 25nm. The relaxation times for MNPs with smaller core diameters are too short to be determined at room temperature. In the course of this thesis,MRX measurements were performed at various temperatures well below room temperature to investigate MNPs with core diameters <15nm. This analysis of the relaxation amplitude as a function of temperature is referredto as temperature dependent magnetorelaxometry (TMRX). In addition to quantification of MNPs, TMRX analyses can be performed to investigate changes in the relaxation signal of the particles, which can be caused by in vivo concentration effects, dipole–dipole interactions between the particles, and interactions of the MNPs with the surrounding media. This thesis was aimed to establish TMRX as an in vitro quantification method for MNPs in biologicaltissuesamples. Todoso,anexistingmeasurementdevice(MPMS-XL,QuantumDesign) was employed to perform TMRX analyses. With this device, the influence of the core size and size distribution of particles on their TMRX signals was investigated, and a quantification method for particles with diameters <15nm was developed. In addition, TMRX analyses were performed to investigate dipole–dipole interactions between the particles. However, TMRX analyses with this device were very time consuming and a single relaxation measurement took up to 40min, which in turn limited the sampling rate of the measured TMRX spectra. Therefore, only particularly long relaxations could be detected in this so-called long time regime of the Magnetic Property Measurement System (MPMS). To perform TMRX analyses in the short time regime of only a few seconds, a custom instrument was designed. For this purpose, an existing, magnetically shielded MRX system was extended using a helium flow cryostat as a temperature-controlled sample holder and magnetizing unit. The highly sensitive magnetic sensors of this system required only non-magnetic and non-metallic materials for its construction. In addition, a magnetizing coil had to be designed and characterized for magnetizing the tissue samples. Therefore, the construction and initialization of this temperature controlled sample holder with a magnetizing unit was one of the key aspects of this thesis. To conclude, the in vitro quantification of MNPs in biological tissues was established using TMRX analyses in the long and short time regime. In addition, dipole–dipole interaction was investigated using TMRX analyses, which led to the development of a novel empirical model describing the interaction energy in MNP samples. Therefore, the performed analyses exhibited the strong potential of TMRX as an investigation method to quantify and characterize MNP in biological tissues.
Die einzigartigen physikalischen Eigenschaften magnetischer Nanopartikel (MNP) haben in den vergangenen Jahren das Interesse von Wissenschaftlern aus aller Welt geweckt. Insbesondere die biomedizinischen Anwendungsmöglichkeiten der MNP sind aktuell ein wachsendes Forschungsfeld. Allerdings hängen die biomedizinischen Anwendungen der MNP entscheidend von verlässlichen Quantifizierungsmethoden ab,welche die MNP-Konzentration in biologischen Geweben bestimmen können. Die etablierten photometrischen Eisenquantifizierungsmethoden können nicht zwischen Eisen, welches von Nanopartikeln stammt, und körpereigenem Eisen unterscheiden. Im Gegensatz zu diesen Methoden kann die Magnetrelaxometrie (MRX) die Menge an MNP in biologischen Geweben bestimmen, basierend auf dem spezifischen magnetischen Signal der MNP. Dennoch ist die MRX-Quantifizierung nur für MNP mit Kerndurchmesssern von 15nm bis 25nm möglich, da die Relaxationszeiten kleinerer MNP zu kurz sind, um bei Raumtemperatur detektiert zu werden. Im Zuge dieser Arbeit wurden MRX-Messungen bei verschiedenen Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur durchgeführt,um MNP mit Kerndurchmessern von<15nm zu untersuchen. Diese Untersuchung der Relaxationsamplitude als Funktion der Temperatur wird auch als temperaturabhängige Magnetrelaxometrie (TMRX) bezeichnet. Zusätzlich zur Quantifizierung der MNP kann die TMRX auch genutzt werden, um Änderungen im Relaxationssignal der Partikel zu untersuchen. Diese Änderungen können dabei von invivo Konzentrationseffekten, der Dipol–Dipol Wechselwirkung zwischen den MNP und von Wechselwirkungen der MNP mit dem umgebenden Medien stammen. Das Ziel dieser Arbeit war es, TMRX als in vitro Quantifizierungsmethode für MNP in biologischen Gewebeproben zu etablieren. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde zunächst ein existierendes Messgerät (MPMS-XL, Quantum Design) für TMRX-Messungen verwendet. Mit diesem Messgerät konnte der Einfluss der Kerngröße und Größenverteilung der Nanopartikel auf das TMRX Signal untersucht, sowie eine Quantifizierungsmethode für MNP <15nm entwickelt werden. Zusätzlich wurde dasTMRX-Messverfahren genutzt, um die Dipol–Dipol-Wechselwirkung zwischen Partikeln zu untersuchen. Die TMRX-Messungen mit diesem Messgerät sind sehr zeitaufwendig, da schon eine einzelne Relaxationsmessung bis zu 40min braucht. Die lange Messzeit senkt zusätzlich die Auflösung der TMRX-Spektren. Mit dem Magnetic Property Measurement System (MPMS) können daher nur besonders lange Relaxationen gemessen werden im sogenannten langen Zeitregime. Um TMRX Messungen im kurzen Zeitregime mit einer Messzeit von wenigen Sekunden durchzuführen, wurde daher ein eigenes Messinstrument konstruiert. Zu diesem Zweck wurde ein bereits vorhandenes, magnetisch-geschirmtes MRX-System mit Hilfe eines Helium-Durchfluss Kryostanten um einen temperierbaren Probenhalter und eine Magnetisierungseinheit erweitert. Die hochsensiblen magnetischen Sensoren des Systems erlaubten dabei nur unmagnetische und nichtmetalische Werkstoffe als Konstruktionsmaterial. Zusätzlich wurde eine Magnetisierungsspule für die Charakterisierung und Magnetisierung der Gewebeproben entworfen. Die Konstruktion und Inbetriebnahme des temperierbaren Probenhalters mit Magnetisierungseinheit stellt daher ein Schwerpunkt dieser Dissertation dar. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in vitro Quantifizierung von MNP in biologischem Gewebe mittels TMRX im kurzen und langen Zeitregime erfolgreich etabliert wurde. Zusätzlich wurde dieDipol–Dipol-Wechselwirkung mit Hilfe derTMRX untersucht und ein neues empirisches Model zur Beschreibung der Wechselwirkungsenergie in MNP-Proben entwickelt. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen daher das starke Potential der TMRX als Untersuchungsmethode zur Quantifizierung und Charakterisierung von MNP in biologischem Gewebe.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6156
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5721
Exam Date: 21-Dec-2016
Issue Date: 2017
Date Available: 13-Feb-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::621 Angewandte Physik
Subject(s): nanoparticles
TMRX
magnetorelaxometry
quantification
magnetic
Nanopartikel
Quantifizierung
magnetisch
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
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