Biosensing based on magnetically induced motion of magnetic microparticles

Abstract

In dieser Diplomarbeit wird ein mikrofluidischer Biosensor-Chip zur Detektierung von Bioanalyten (Biomoleküle, Zellen oder Viren) vorgestellt der sich die Bewegung von magnetischen Partikeln (MPs) innerhalb eines mikrofluidschen Kanals zu Nutze macht. Die MPs werden dabei durch stromführende Leiter bewegt. MPs können funktionalisiert werden indem man deren Oberfläche so verändert, dass sie chemisch einen bestimmten (nicht-magnetischen) Analyten binden. Dabei entstehen neue Körper, sogenannte loaded MPs oder LMPs, die zwar dasselbe magnetische Volumen aber ein größeres Gesamtvolumen haben. Es ist möglich MPs innerhalb eines mikrofluidischen Kanals mittels Magnetfelder zu manipulieren. Dadurch ist es auch möglich einen nicht-magnetischen Analyten indirekt zu manipulieren sofern er Teil eines LMPs ist. Wenn MPs und LMPs vom selben magnetischen Feld beschleunigt werden, erreichen die größeren LMPs nicht die Geschwindigkeit der MPs sondern bleiben langsamer. Dieser Geschwindigkeitsunterschied kann dazu benutzt werden um zwischen MPs und LMPs zu unterscheiden; LMPs brauchen länger um dieselbe Distanz zurückzulegen als MPs. Wenn also die MPs in einer zu untersuchenden Probe für eine bestimmte Distanz länger brauchen als MPs in einer Referenzprobe, dann handelt es sich bei den MPs in der zu untersuchenden Probe in Wahrheit um LMPs. Womit die Anwesenheit von Analyt in der Probe bewiesen ist. Es wurden Berechnungen betreffend der Geschwindigkeitsänderungen der MPs und des von den stromführenden Leitern erzeugten Magnetfeldes ausgeführt. Für verschiedene Leitergeometrien und verschiedene MPs wurden Simulationen mit einer Finite Elemente Analyse Software durchgeführt. Mehrere Chips wurden produziert und Experimente mit unterschiedlichen MPs und LMPs durchgeführt.

In this thesis a microfluidic biosensing device for detecting a bioanalyte (biomolecules, cells or viruses) utilizing the motion of magnetic particles (MPs) suspended in a microfluidic channel is presented. Current carrying conductors are used to move the MPs. MPs can be functionalized by modifying their surface, thus enabling them to chemically bind to a specific (non-magnetic) analyte. These newly formed compounds are then called loaded MPs or LMPs and have a bigger overall volume than the MPs but still the same magnetic volume. MPs can be manipulated inside a microfluidic channel by exposing them to a magnetic field. Therefore it is also possible to indirectly manipulate a specific non-magnetic analyte if it is part of an LMP. If both, MPs and LMPs, are moved by the same magnetic field, the bigger LMPs are going to be slower than the MPs. This difference in velocity is used to discriminate between MPs and LMPs as LMPs will need more time to travel the same distance in comparison to MPs. Thus, when a sample liquid is analyzed and the MPs need longer to travel a distinct distance than MPs in a reference sample, the MPs in the sample under investigation must be in fact LMPs. Hence the presence of bioanalyte is proven. Calculations concerning the velocity change of MPs, and concerning the magnetic field generated by the current carrying conductors were carried out. Simulations of various geometries for the conductors and various MPs were performed using a finite element analysis software. Several chips were fabricated and experiments with different MPs and LMPs were conducted as a proof of concept.