Temperature influences on frequency mixing magnetic detection for mobile drinking water analysis in crisis areas

Jessing, Max; Fitter, Jörg; Offenhäusser, Andreas

doi:10.18154/RWTH-2026-03788

Temperature influences on frequency mixing magnetic detection for mobile drinking water analysis in crisis areas = Temperatureinflüsse auf Frequenzmischungs-Magnetdetektion für die mobile Trinkwasseranalyse in Krisengebieten

Jessing, Max^RWTH*

2026

VerantwortlichkeitsangabeMax Jessing

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-95806-902-2

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Information = Information ; 125

Dissertation, RWTH Aachen University, 2026

Druckausgabe: 2026. - Onlineausgabe: 2026. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Offenhäusser, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Fitter, Jörg (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-02-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-03788
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1032794/files/1032794.pdf

Einrichtungen

Projekte

Verbundprojekt: Nanosonden basierte Schnellanalytik von Trinkwasser in Krisensituationen (NANObeST) - Teilvorhaben: Magnetische Detektion (13N15253) (13N15253)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
FMMD (frei) ; biomarker detection (frei) ; magnetic nanoparticles (frei) ; thermal analysis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Im Forschungsfeld der Biomarker-Detektion ist man ständig auf der Suche nach neuartigen Methoden zur Verkürzung der Detektionszeit, Verbesserungen der Messgenauigkeit, niedrigerer Nachweisgrenzen, höherer Spezifität und besserer Anwendbarkeit in mobilen Umgebungen, ohne dass geschultes Personal erforderlich ist. Die meisten vorhandenen Verfahren wie mikrobiologischeAnalyse, Zellkultivierung, aber auch neuartigere Techniken mit elektrischer Signalerfassung haben den Nachteil langsamer Detektionszeit, sind teuer oder erfordern gut ausgebildetes Personal. Besonders schnelle Lateral-Flow-Assays hingegen können aufgrund mangelnder Spezifität falsch negative Ergebnisse liefern. Darüber hinaus kann eine Vielzahl von z.B. Fluoreszenzbasierten Verfahren nicht bei trüben Proben wie Abwasser oder Blut eingesetzt werden, ohne dass eine Probenvorbehandlung notwendig ist. Die globale Covid-Pandemie und die Überschwemmung im deutschen Ahrtal im Jahr 2021 sind nur einige anschauliche Beispiele für sich schnell entwickelnde Pandemien und Katastrophenunserer Zeit. Solche Krisenszenarien haben uns immer wieder gelehrt, dass schnelles, sicheres und mobiles Point of Care Testing (PoCT) benötigt wird. Für die Biomarker-Detektion bietet die Frequenzmischungs-Magnetdetektion (FMMD)-Technologiemit ihrer sehr hohen Spezifität, schnellen Detektionszeiten und mobilen Anwendbarkeit eine nützliche Kombination von Vorteilen. FMMD beruht auf der Verwendung von magnetischen Nanopartikeln (MNPs) als Marker, die an den Analyten gebunden sind, was außerdem eine hochselektive Signalerfassung ermöglicht. Die Auslesung des magnetischen Teilchensignals in diesem magnetischen Immunoassay (MIA) bei Anwendung zweier unterschiedlicher magnetischer Anregungsfelder bietet Potenzial für die Erfassung von multiplex Signalen. Die Anforderungen in tatsächlichen Katastrophensituationen gehen jedoch über den 'potenziellen Nutzen' einer Technologie hinaus. Anwendbarkeit und Genauigkeit trotz rauer Bedingungenaußerhalb des Labors, sehr geringe Fehleranfälligkeit für ungeschulte Nutzer und geringe Falsch-Negativ-Raten sind wichtig für die Entscheidungsfindung vor Ort und die schnelle Detektion z.B. eines Pathogens. FMMD reagiert empfindlich auf Temperaturänderungen aufgrund der Signalabhängigkeit von einer biologischen Reaktion, des Magnetisierungsverhaltens der magnetischen Marker und des Widerstands der miniaturisierten Induktionsspulenumgebung. Folglich ahmen wir anwendungsnahe anstelle Labor-basierter Bedingungen nach, um die thermischen Abhängigkeiten verschiedener Aspekte der FMMD-Signalerfassung zu untersuchen. Wir fanden Hinweise auf sich ändernde Signalschwankungen in Abhängigkeit von konstanten Umgebungstemperaturniveaus. Um optimale Eingangs- bzw. Anregungssignale für thermische Stabilität und Signalinvariabilität zu finden, schlagen wir daher außerdem eine Methodik vor, um Eingangs- und Umgebungseinflüsse rechnerisch zu testen. Unser zeitabhängiges 3-Parameter-Modell nutzt nicht ganzzahlige Padé-Annäherungen, um der thermischen Dynamik der FMMD-Sensoreinheit zu folgen. Die Einbeziehung der Rückkopplung von Joule-Erwärmung unterstützt die physikalische Bedeutung des Modells. Eine Kreuzidentifikation mit Finite Elemente Analyse (FEA) in COMSOL verspricht Potenzial für die Analyse thermischer und elektromagnetischer Eigenschaften, sowie die Möglichkeit zum Sensordesign im Computer. Darüber hinaus ist es möglich, niederfrequente Eingangsschemata für die Anregungsfelder von FMMD zu finden, welche die Genauigkeit bei der Messung biologischer Sonden verbessern und gleichzeitig die Messdauer minimal halten. Die Fehleranfälligkeit für den Nutzer des magnetischen Messgeräts in Bezug auf die Probenhandhabung in PoCT kann verringert werden und die Funktionalität in Bezug auf die Probenvorbereitung im Messkopf (engl. measurement head(MH)), kann verbessert werden.

The field of biomarker detection is constantly in search of novel methods to improve speed of detection, measurement accuracy, lower detection limits, specificity and applicability in mobile settings without the need for trained personnel. Most existent techniques like microbiological analysis, cell culturing, but also more novel techniques with electrical readouts suffer from either slow response time, are expensive or need well-trained operators. Very fast response lateral flow assays on the other hand, often show false negative results due to a lack of specificity. Furthermore, a plethora of, e.g., fluorescence-based techniques cannot be used in turbid samples like waste water or blood and require excessive sample pre-treatment. The global covid pandemic and the German Ahrtal flooding in 2021 are just some vivid examples of quickly evolving outbreaks and disasters of our time. Such crisis scenarios have taught us once and again that quick, safe and mobile Point of Care Testing (PoCT) is needed. For biomarker detection, the Frequency Mixing Magnetic Detection (FMMD) technology provides a useful combination of advantages with its very high specificity, fast response times and mobile applicability. FMMD relies on the utilization of magnetic nanoparticles (MNPs) bound to the analyte of interest as magnetic markers which further provides highly selective signal acquisition. The readout of the magnetic particle signal in this magnetic immunoassay (MIA)upon application of two distinct magnetic excitation fields others potential for multiplexed signal acquisition. However, the requirements in actual disaster situations go further than the 'potential benefits' of a technology. Applicability and accuracy despite harsh conditions outside the lab, very low susceptibility to errors by untrained users and low false negatives rates are crucial for on-site decision making and rapid detection of for example a pathogen. FMMD is sensitive to changes in temperature due to the signal-dependency on a biological reaction, the magnetization behavior of the magnetic markers and the ohmic resistance of the miniaturized induction coil environment. Consequently, we mimic in-field rather than lab-based conditions to investigate the thermal dependencies of different aspects of the FMMD signal acquisition. We found indication of diverse signal variation depending on constant ambient temperature level. Therefore, aiming at finding optimal input excitation signals for thermal stability and signal-invariability, we further propose a methodology to test these input and ambient influences computationally. Our 3-parametertransient model utilizes non-integer order Padé approximations to follow the thermal dynamics of the FMMD sensor unit. The incorporation of Joule heating feedback emphasizes physical significance of the model. A cross-identification with Finite Element Analysis (FEA) in COMSOL promises potential for thermal and electromagnetic property analysis and sensor design. Furthermore, it is possible to find low-frequency input schemes for the excitation fields of FMMD, that improve the accuracy of measuring biological probes while minimizing the measurement time. It also promises to reduce the error susceptibility for the magnetic reader user in terms of sample handling in PoCT and improves functionality in terms of sample preparation in the Measurement Head (MH).

OpenAccess:
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