Integration von optischen Magnetometern und Mikrofluidik für die Messung der magnetischen Momente einzelner Mikropartikel (Mikromagnetische Momente)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt hatte die Entwicklung eines Messsystems, mit dem einzelne Partikel oder Objekte mit mikromagnetischen Momenten detektiert werden können, zum Inhalt. Das Messsystem sollte insbesondere so ausgelegt werden, dass die Detektion einzelner magnetotaktischer Bakterien innerhalb eines Ensembles (z.B. einer Gewässerprobe) möglich wird, gemessen über das Magnetfeld ihrer Magnetosome im Inneren der Bakterien. Diese Messung ist nur machbar, wenn mit hoher Magnetfeldauflösung in möglichst geringer Entfernung vom Magnetpartikel oder Bakterium gemessen wird. Außerdem war eine Möglichkeit zu schaffen, das Ensemble von Messobjekten definiert am Magnetometer vorbeifließen zu lassen. Um diese Aufgabe zu lösen, wurden verschiedene am Leibniz-IPHT Jena vorhandene Technologien und Expertisen zusammengefasst und auf einem Detektorchip mikrosystemtechnisch integriert. Zur Magnetfelddetektion wird ein optisch gepumptes Magnetometer verwendet. Dessen Herzstück ist eine Kavität in einem Siliziumblock, abgeschlossen mit anodisch gebondeten Glasplatten. Optisch gepumpte Atome von Cäsiumdampf in der Kavität dienen der eigentlichen Magnetfelddetektion. Diese bei integrierten optisch gepumpten Magnetometern übliche Konfiguration war an mehreren Stellen deutlich zu ändern oder ergänzen. Um möglichst geringen Abstand zwischen Magnetpartikel und Magnetometer zu erreichen, wurde in eine der Glasplatten ein Mikrofluidik-Kanal integriert, durch den die Partikel oder Bakterien gepumpt werden. Dieser Kanal und der Cäsiumdampf sind nur durch eine 1 µm dicke Membran aus Siliziumnitrid getrennt, die aus der Technologieentwicklung hochsensitiver Infrarotdetektoren stammt. Das optisch gepumpte Magnetometer darf nur in unmittelbarer Nähe zum Mikrofluidik-Kanal messen, in anderen Bereichen des Cäsiumdampfes muss es unempfindlich gegenüber Magnetfeldern sein, um kein zusätzliches Rauschen zu erzeugen. Diese Aufgabe wurde gelöst, indem zwei getrennte Strahlen für Pumpen und Detektieren („pump-probe“) verwendet werden, wodurch der magnetfeldempfindliche Bereich auf den kleinen Kreuzungspunkt nahe dem Kanal begrenzt wird. Um den weiteren Aufbau möglichst einfach zu gestalten, wurde ein neuer Operationsmodus für das optisch gepumpte Magnetometer entwickelt. Der Pumpstrahl wird amplitudenmoduliert und beim Probestrahl wird der zirkulare Dichroismus ausgelesen. Bei diesem Modus kann mit einem einzelnen Laser für Pump und Probe gearbeitet werden. Ein zusätzliches B1-Feld ist nicht nötig. Die Erprobung mit einer üblichen separaten Cäsiumzelle mit niedrigem Puffergasdruck lieferte gleich gute Magnetfeldauflösungen wie etablierte Verfahren. Bei den im Projekt entwickelten Magnetometern mit Mikrofluidik musste viel mehr Cäsium-Azid als üblich zersetzt werden, um hinreichend viel Cäsium-Atome zur Verfügung zu haben. Dadurch herrscht ein größerer Stickstoff-Puffergas-Druck als üblich und höhere Arbeitstemperaturen sind nötig. Beides schlug sich letztendlich in etwa zwei Größenordnungen schlechterer Magnetfeldauflösung nieder. Die Machbarkeit der Detektion magnetotaktischer Bakterien wurde somit zwar gezeigt, aber die eigentliche Detektion war deshalb im Rahmen des Projektes nicht mehr möglich. Das Zusammenspiel von mikrofluidischem Pumpen von Nanopartikeln und Magnetfeldmessung bei Vorbeifluss der Partikel konnte hingegen nachgewiesen werden. Um die notwendige Verbesserung der Magnetfeldauflösung des mit der Mikrofluidik integrierten optischen Magnetometers erreichen zu können, sind weitere technologische Entwicklungen geplant, die aber Arbeiten nach Anschluss des Projektes vorbehalten bleiben müssen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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An optically pumped magnetometer for counting magnetotactic bacteria, Workshop on Optically-Pumped Magnetometers (WOPM), Mainz 2019
T. Fremberg, V. Schultze, F. Wittkämper, M. Kielpinski, T. Henkel, R. Stolz
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An optically pumped magnetometer to count magnetotactic bacteria, Heraeus Seminar - Quantum Sensing & Magnetometry, Bad Honnef 2019
T. Fremberg, V. Schultze, F. Wittkämper, M. Kielpinski, T. Henkel, and R. Stolz
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Challenges and solutions of fabricating fully integrated alkali vapour cells, Workshop on Optically-Pumped Magnetometers (WOPM), Mainz 2019
F. Wittkämper, C. B. Schmidt, G. Oelsner, R. IJsselsteijn, V. Schultze, R. Stolz
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An optically pumped magnetometer based on a pump-probe scheme with amplitude modulated light, Hot Vapor Workshop, Stuttgart 2021
T. Fremberg, V. Schultze, F. Wittkämper, M. Kielpinski, T. Scholtes, R. Stolz
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Towards detection of individual magnetotactic bacteria using optically pumped magnetometers, Workshop on Optically-Pumped Magnetometers (WOPM), Strathclyde 2021
T. Fremberg, V. Schultze, F. Wittkämper, M. Kielpinski, A. Ihring, G. Mayer, T. Scholtes, R. Stolz
