Spectroscopy and imaging of magnetic nanoparticles

Diese Arbeit umfasst eine multiparametrische Analyse von Partikel-Matrix-Wechselwirkungen unter der Verwendung der Methode Magnetic Particle Spectroscopy (MPS) und der Bildgebungsmodalität Magnetic Particle Imaging (MPI). Zur Untersuchung wird die dynamische Magnetisierungsantwort magnetischer Nanopartikel auf externe magnetische Wechselfelder ausgewertet. Aufgrund der nichtlinearen Magnetisierungskennlinie der magnetischen Nanopartikel dienen insbesondere die aus der periodischen Anregung resultierenden höheren Harmonischen der Magnetisierung als Informationsquelle. Die vorgestellten Messungen wurden mit einem im Rahmen der Arbeit umgesetzten temperaturgeregelten MPS-Aufbau realisiert. Für die multiparametrischen Untersuchungen wurden Messparameter wie die magnetische Feldstärke des extern angelegten Feldes, die Anregungsfrequenz, die Probentemperatur, die dynamische Viskosität des die Partikel umgebenden Mediums oder Partikeleigenschaften, bzw. -systeme variiert. Anhand der Ergebnisse werden Rückschlüsse auf physikalische Zusammenhänge getätigt und die Quantifizierbarkeit von Messergebnissen sowie deren Übertragbarkeit auf das Bildgebungsverfahren MPI diskutiert.
Es wird gezeigt, dass Partikel-Matrix-Wechselwirkungen im MPS im Millisekundenbereich aufgelöst werden können. Temperaturabhängige Messergebnisse werden auf den dominierenden Relaxationsmechanismus des vorliegenden Partikelsystems zurückgeführt. Unter Zuhilfenahme von Fokker-Planck -Simulationen wird aus einer auf CoFe2O4 -Partikeln basierenden Viskositätsserie der strukturelle Aufbau von Multikernpartikeln aufgeklärt und der Einfluss der dynamischen Viskosität auf die Messdaten diskutiert. Aus den Messdaten rekonstruierte Magnetisierungskurven dienen der Analyse von thermischen Interaktionen mit dem Trägermedium. Die spektrale Zerlegung der Magnetisierungsharmonischen wird eingeführt und angewendet, um temperatur- und viskositätsabhängige Abbildungsfunktionen abzuleiten. Aufgrund des Verwandschaftsgrades der Messprinzipien können die Erkenntnisse aus experimentellen MPS-Daten auf das Bildgebungsverfahren MPI übertragen werden, um die Quantifizierbarkeit der Methode zu beurteilen und zu validieren. Verdünnungsserien von Partikelsuspensionen dienen der Charakterisierung beider Systeme, der des MPS-Aufbaus und der des am Institut gefertigten Zwei-Frequenz-MPIScanners. Abschließend werden im Rahmen der Arbeit realisierte 2D und 3D MPI-Messergebnisse gezeigt und Zwei-Frequenz-mobility-MPI-Daten von Viskositätsstufen vorgestellt.