Construction and initialization of a temperature dependent
magnetorelaxometry measurement system for the quantitative
detection of magnetic nanoparticles in biological samples
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Christian Knopke
aus Meerane
von der Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
- Dr.-Ing. -
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. phil. Dietrich Manzey
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Marc Kraft
Gutachter: Jun.-Prof. Dr.-Ing. Daniel Baumgarten
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 21. Dezember 2016
Berlin, 2017
D 83
Eidesstattliche Erklärung
Der Autor versichert, dass er über die urheberrechtlichen Nutzungsrechte an allen Teilen des
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der Veröffentlichung nicht verletzt werden.
Hiermit versichert der Autor, dass der Autor die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst und keine
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anderen veröffentlichten oder nicht veröffentlichten Schriften wörtlich oder sinngemäß entnommen
wurden, wurden kenntlich gemacht.
Die Arbeit hat in gleicher oder ähnlicher Fassung noch keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegen.
Ort, Datum Unterschrift
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
15 nm
to
25 nm
. 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 <
15 nm
. This analysis of the relaxation
amplitude as a function of temperature is referred to 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
biological tissue samples. To do so, an existing measurement device (MPMS-XL, Quantum Design)
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 <
15 nm
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
40 min
, 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.
Zusammenfassung
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
15 nm
bis
25 nm
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 <
15 nm
zu untersuchen. Diese
Untersuchung der Relaxationsamplitude als Funktion der Temperatur wird auch als temperat-
urabhängige 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 in vivo 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 Qantifizierungsmethode für MNP in biologischen
Gewebeproben zu etablieren. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde zunächst ein existierendes Mess-
gerät (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 <
15 nm
entwickelt werden. Zusätzlich
wurde das TMRX-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
40 min
braucht. Die lange Messzeit senkt zusätzlich die
Auflösung der TMRX-Spektren. Mit dem Magnetic Property Measurement System (MPMS) kön-
nen daher nur besonders lange Relaxationen gemessen werden im sogenannten langen Zeitregime.
Um TMRX Messungen im kurzen Zeitregime mit einer Messzeit von wenigen Sekunden durch-
zuführen, 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 hoch-sensiblen 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 die Dipol–Dipol-Wechselwirkung mit Hilfe der TMRX untersucht und ein neues empirisches
Model zur Beschreibung der Wechselwirkungsenergie in MNP-Proben entwickelt. Die durchge-
führten Untersuchungen zeigen daher das starke Potential der TMRX als Untersuchungsmethode
zur Quantifizierung und Charakterisierung von MNP in biologischem Gewebe.
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