@phdthesis{Achtsnicht2020,
  author    = {Achtsnicht, Stefan},
  title     = {Multiplex-Magnetdetektion von superparamagnetischen Beads zur Identifizierung von Trinkwasserkontaminationen},
  doi       = {10.18154/RWTH-2020-12052},
  pages     = {144 Seiten},
  year      = {2020},
  abstract  = {Die qualitative und quantitative Detektion von Zielsubstanzen innerhalb einer w{\"a}ssrigen Probe ist f{\"u}r viele Fragestellungen von Interesse, etwa bei der Detektion von Kontaminationen in Trinkwasser in Krisensituationen. Hierbei ist es nicht nur wichtig, dass Pathogene m{\"o}glichst sensitiv detektiert werden k{\"o}nnen, sondern auch, dass die Analyse schnell erfolgt, um Betroffenen im Katastrophenfall z{\"u}gig sicheres Trinkwasser zu Verf{\"u}gung stellen zu k{\"o}nnen. Da bei einem solchen Szenario nicht von einer in der N{\"a}he befindlichen funktionierenden Laborinfrastruktur ausgegangen werden kann, ist es wichtig, dass die Messung direkt vor Ort erfolgen kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob eine derartige Schnellanalytik mithilfe von superparamagnetischen Beads (MBs) und der magnetischen Frequenzmischtechnik m{\"o}glich ist. Dabei werden die MBs mit Hilfe von prim{\"a}ren Antik{\"o}rpern an die Zielsubstanz gebunden und mit sekund{\"a}ren Antik{\"o}rpern an die Poren-Oberfl{\"a}che eines Polyethylen-Filters fixiert (Sandwich-Immunoassay). So kann die Quantifizierung der Zielsubstanz auf eine magnetische Messung der immobilisierten MB-Marker zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Die magnetische Frequenzmischtechnik basiert auf der Anregung der Probe mit Magnetfeldern zweier verschiedener Frequenzen. Die durch die nichtlineare Magnetisierungsform der superparamagnetischen MBs entstehenden Mischfrequenzen werden typischerweise mithilfe einer zweistufigen Lock-in-Detektion analysiert (analoge Demodulation), die in einem Magnetreader als Handheldger{\"a}t realisiert wurde. Zus{\"a}tzlich zu dieser Technik wurde das Prinzip der direkten Digitalisierung des gesamten Antwortsignals mit anschließender Fourier-Analyse der erzeugten Mischfrequenzen experimentell umgesetzt, um die Amplituden und Phasen mehrerer Mischfrequenzen simultan zu erfassen. Eine M{\"o}glichkeit zur Sensitivit{\"a}tssteigerung ist die magnetische Aufkonzentration, indem vor der magnetischen Analyse eine Separation der MBs aus einem gr{\"o}ßeren Probenvolumen mittels magnetischem Feldgradienten durchgef{\"u}hrt wird. Zur Charakterisierung verschiedener kommerzieller MBs hinsichtlich ihrer magnetischen Separierbarkeit wurde ein Aufbau zur Messung ihrer magnetophoretischen Beweglichkeiten realisiert und ihre Geschwindigkeiten im Gradientenfeld mikroskopisch gemessen.Da eine Probe oftmals nicht nur auf eine einzige Zielsubstanz, sondern simultan auf mehrere verschiedene Pathogene hin untersucht werden soll, wurden verschiedene Ans{\"a}tze entwickelt und getestet, die einen solchen multiparametrischen magnetischen Immunoassay erm{\"o}glichen. Einerseits wurde eine r{\"a}umliche Separation der Bindungsbereiche f{\"u}r verschiedene Zielsubstanzen realisiert, die sequentiell ausgewertet werden k{\"o}nnen. Andererseits wurde die Unterscheidung von verschiedenen Zielsubstanzen anhand der Charakteristika der an sie gebundenen, verschieden funktionalisierten MB-Typen untersucht. F{\"u}r eine solche Unterscheidung wurde zum einen die Anregefrequenz der magnetischen Frequenzmischtechnik w{\"a}hrend einer Messung variiert. Damit konnte gezeigt werden, dass sich verschiedene MB-Sorten anhand der Phase ihrer Frequenzmischsignale voneinander unterscheiden lassen. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich der Signalverlauf einer bin{\"a}ren Mischung zweier verschiedener MB-Typen als gradueller {\"U}bergang der Verl{\"a}ufe der beiden reinen MB-L{\"o}sungen ergibt. Eine weitere Analysemethode f{\"u}r einen multiparametrischen Immunoassay besteht darin, ein zus{\"a}tzliches einstellbares statisches magnetisches Offsetfeld zu verwenden. Hierf{\"u}r wurden mehrere Aufbauten auf Basis von Permanent- und Elektromagneten simuliert, konstruiert und charakterisiert. Mithilfe von Simulationen konnte gezeigt werden, dass eine auf diesem Verfahren beruhende Unterscheidung f{\"u}r MBs mit unterschiedlichen magnetischen Partikelmomenten m{\"o}glich ist. Als direkte Anwendung des hier entwickelten Magnetreaders in Zusammenspiel mit der digitalen Demodulation wurde ein magnetischer Assay gegen die B-Untereinheit des Choleratoxins in Trinkwasser mit einem niedrigen Detektionslimit von 0,2 ng/ml demonstriert.},
  language  = {de}
}
@inproceedings{ArinkinDigel2009,
  author    = {Arinkin, Vladimir and Digel, Ilya},
  title     = {Water bridge phenomenon : [abstract]},
  year      = {2009},
  abstract  = {One of interesting but not well known water properties is related to appearance of highly ordered structures in response to strong electrical field. In 1893 Sir William Armstrong placed a cotton thread between two wine glasses filled with chemically pure water. When high DC voltage was applied between the glasses, a connection consisting of water formed, producing a "water bridge"},
  subject      = {Hydrodynamik},
  language  = {en}
}
@misc{Gebhardt2005,
  author    = {Gebhardt, Andreas},
  title     = {Lasermesstechnik 1},
  year      = {2005},
  abstract  = {Strahlquelle, Verfahren, Triangulation, Interferometrie, Laufzeit, Lidar, Holographie, Speckle, Applikationen, Laseroptische Str{\"o}mungsmessung, Laser Doppler Velocimetry, Particle Image Velocimetry},
  language  = {de}
}
@misc{Gebhardt2005,
  author    = {Gebhardt, Andreas},
  title     = {Lasermesstechnik 2},
  year      = {2005},
  abstract  = {Laser-Doppler-Velozimetrie: Grundlagen, Referenzstrahlverfahren, Kreuzstrahlverfahren, Signalauswertung, Richtungserkennung, Mehrkomponentensysteme, Anwendungen},
  language  = {de}
}
@misc{Kaster2009,
  author    = {Kaster, Jan Mathis},
  title     = {Untersuchungen zur Specklereduktion bei der Infrarot-Laser gest{\"u}tzten Ferndetektion von TNT-Oberfl{\"a}chenkontaminationen},
  year      = {2009},
  abstract  = {Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Specklereduktion bei der Infrarotlaser-gest{\"u}tzten abbildenden Ferndetektion von TNT-Oberfl{\"a}chenkontaminationen. F{\"u}r die Detektion wird die Probenoberfl{\"a}che mit einem abstimmbaren Quantenkaskadenlaser bei verschiedenen Wellenzahlen im Spektralbereich von 1340cm-1 bis 1380cm-1 bestrahlt, w{\"a}hrend eine Infrarot-Kamera Bilder der bestrahlten Fl{\"a}che aufzeichnet. Diese Bilder werden dann so verarbeitet, dass im Ausgabebild die chemisch spezifische TNT-Absorption durch eine {\"A}nderung der Helligkeit {\"o}rtlich aufgel{\"o}st erkennbar werden. Da koh{\"a}rente Strahlung, welche beispielsweise an optisch rauen Oberfl{\"a}chen reflektiert wird, aufgrund der stochastischen Verteilung der Oberfl{\"a}chenrautiefe mit der einfallenden Strahlung lateral unterschiedlich interferiert, entsteht ein „Rauschen" in der aufgezeichneten Strahlungsleistungsverteilung, das sog. Speckle-Ph{\"a}nomen. Die Empfindlichkeit der oben skizzierten Lasergest{\"u}tzten Messtechnik wird im Wesentlichen durch diesen Effekt limitiert. Um die durch Laserspeckles verursachten Rauschanteile zu reduzieren, gibt es verschiedene M{\"o}glichkeiten. Durch Reduktion von zeitlicher und r{\"a}umlicher Koh{\"a}renz der Strahlung wird deren Interferenzf{\"a}higkeit reduziert und durch Variieren des Specklemusters w{\"a}hrend einer Bildaufzeichnung f{\"u}hren Mittelungen unkorrelierter Rauschanteile zu einer Specklekontrastreduktion. Letztere M{\"o}glichkeit resultiert daraus, dass Laserspeckles statistisch durch die Familie der Gammaverteilungen beschrieben werden k{\"o}nnen. Demnach verbessert sich das Signal-zu-Rausch-Verh{\"a}ltnis mit der Anzahl gemittelter, unkorrelierter Rauschmuster proportional zur Wurzel dieser Anzahl. Ein im MIR-Spektralbereich umsetzbarer Ansatz, der all diese M{\"o}glichkeiten ber{\"u}cksichtigt, wurde bereits 1971 von Lowenthal und Joyeaux vorgeschlagen und im Rahmen der vorliegenden Arbeit f{\"u}r den infraroten Spektralbereich adaptiert. Dazu wird die Strahlung mit zwei CVD-Diamant-Wafern moduliert; ein Wafer ist dabei station{\"a}r und der andere rotiert mit ca. 70Hz. In der vorliegenden Arbeit konnte mit diesem Ansatz eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verh{\"a}ltnisses in der betrachteten Strahlungsleistungs¬verteilung von urspr{\"u}nglich 3 auf etwa 45 erzielt werden. So konnten erstmals TNT-Kontaminationen von bis zu 10µg/cm² in einem Abstand von 5m abbildend nachgewiesen werden. Dies entspricht der Kontamination durch einen mit TNT leicht verunreinigten Fingerabdruck.},
  subject      = {Speckle},
  language  = {de}
}
@misc{Samm2003,
  author    = {Samm, Doris},
  title     = {Horizontal schwingende Feder (Simulation in Java)},
  year      = {2003},
  abstract  = {Die Anwender k{\"o}nnen die Federkonstante, die Amplitude und die Masse einstellen. Es werden die {\"A}nderung der kinetischen und potentiellen Energie angezeigt und die Auslenkung als Funktion der Zeit dargestellt.},
  subject      = {Feder},
  language  = {de}
}
@misc{Samm2003,
  author    = {Samm, Doris},
  title     = {Vertikal schwingende Feder (Simulation in Java)},
  year      = {2003},
  abstract  = {Die Anwender k{\"o}nnen die Federkonstante, die Amplitude und die Masse einstellen. Die {\"A}nderung der kinetischen und potentiellen Energie werden angezeigt und die Auslenkung als Funktion der Zeit dargestellt.},
  subject      = {Feder},
  language  = {de}
}
@misc{Samm2003,
  author    = {Samm, Doris},
  title     = {Mathematisches Pendel (Simulation in Java)},
  year      = {2003},
  abstract  = {Die Anwender k{\"o}nnen die L{\"a}nge des Pendels und die Auslenkung einstellen. Es werden die {\"A}nderung der potentiellen und kinetischen Energie sowie des Auslenkwinkels als Funktion der Zeit dargestellt.},
  subject      = {Pendel},
  language  = {de}
}
@misc{SammMeurer2003,
  author    = {Samm, Doris and Meurer, Marcel},
  title     = {Die elektrische Leitung und Supraleitung},
  year      = {2003},
  abstract  = {Die Lerneinheit stellt in anschaulicher Weise die verschiedenen Modelle der elektrischen Leitung dar und f{\"u}hrt {\"u}ber diese zur Erkl{\"a}rung der Supraleitung. Effekte und Anwendungen der Supraleitung werden in Animationen und Bildern vorgef{\"u}hrt. Ein umfangreiches Glossar erl{\"a}utert wichtige Begriffe.},
  subject      = {Elektrische Leitung},
  language  = {de}
}
@misc{SammPerteck2003,
  author    = {Samm, Doris and Perteck, Patrik},
  title     = {Der Helium-Neon-Laser},
  year      = {2003},
  abstract  = {In der Lerneinheit werden zun{\"a}chst anschaulich die Eigenschaften verschiedener Lichtquellen sowie wichtige Begriffe erl{\"a}utert. Anschließen wird das physikalische Prinzip des HeNe-Lasers erkl{\"a}rt. Die Lerneinheit endet mit der Beschreibung des technischen Aufbaus eines HeNe-Lasers.},
  subject      = {Helium-Neon-Laser},
  language  = {de}
}