DE102019204483A1 - Verfahren zur Detektion und/oder Identifikation magnetischer Suprapartikel mittels Magnet-Partikel-Spektroskopie oder Magnet-Partikel-Bildgebung - Google Patents

Verfahren zur Detektion und/oder Identifikation magnetischer Suprapartikel mittels Magnet-Partikel-Spektroskopie oder Magnet-Partikel-Bildgebung Download PDF

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Universitaet Wuerzburg Chemische Technologie Der Materialsynthese
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion und/oder Identifikation magnetischer Suprapartikel mittels Magnet-Partikel-Spektroskopie (MPS) oder Magnet-Partikel-Bildgebung (MPI), bei welchem magnetische Suprapartikel bereitgestellt werden, die jeweils eine Vielzahl magnetischer Nanopartikel enthalten und eine bestimmte Zusammensetzung und/oder Struktur aufweisen, die magnetischen Suprapartikel mindestens einem Magnetfeld ausgesetzt werden, wodurch abhängig vom magnetischen Moment der magnetischen Suprapartikel mindestens eine Spannung und/oder ein Spannungsverlauf induziert wird, wobei die mindesten eine Spannung und/oder der Spannungsverlauf als mindestens ein Messsignal detektiert wird, aus dem mindestens einen Messsignal mindestens ein Spektrum generiert wird, welches Oberschwingungen enthält, die jeweils eine Amplitude und eine Phase aufweisen, und die magnetischen Suprapartikel anhand des mindestens einen generierten Spektrums (eindeutig) detektiert und/oder identifiziert werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion und/oder Identifikation magnetischer Suprapartikel mittels Magnet-Partikel-Spektroskopie (MPS) oder Magnet-Partikel-Bildgebung (MPI), bei welchem magnetische Suprapartikel bereitgestellt werden, die jeweils eine Vielzahl magnetischer Nanopartikel enthalten und eine bestimmte Zusammensetzung und/oder Struktur aufweisen, die magnetischen Suprapartikel mindestens einem Magnetfeld ausgesetzt werden, wodurch abhängig vom magnetischen Moment der magnetischen Suprapartikel mindestens eine Spannung und/oder ein Spannungsverlauf induziert wird, wobei die mindesten eine Spannung und/oder der Spannungsverlauf als mindestens ein Messsignal detektiert wird, aus dem mindestens einen Messsignal mindestens ein Spektrum generiert wird, welches Oberschwingungen enthält, die jeweils eine Amplitude und eine Phase aufweisen, und die magnetischen Suprapartikel anhand des mindestens einen generierten Spektrums (eindeutig) detektiert und/oder identifiziert werden.
  • Zudem betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion und/oder Identifikation von Objekten.
  • Nahezu alle Produkte sind heutzutage hinsichtlich ihrer Fertigungslogistik von enormer Komplexität geprägt. Globale Bezugsquellen für Rohstoffe, Halbfertigprodukte und Komponenten sind die Regel und gelten für fast alle Güter, von Haushaltsgeräten und Bekleidung bis hin zu „High-End“-Elektrogeräten, Fahrzeugen oder Pharmaprodukten.
  • Die Gewährleistungspflicht des Endherstellers verlangt einen lückenlosen Nachweis der Ausgangsstoffe und Zwischenprodukte in der Zulieferkette, sei es aus technischen, rechtlichen oder (geo-)politischen Gründen. Zudem müssen Originalkomponenten unverwechselbar gekennzeichnet sein, um Produktpiraterie zu unterbinden. So beträgt der Schaden durch Fälschungen allein in Deutschland über 50 Mrd. € jährlich. Gerade im Pharmabereich können gefälschte Produkte lebensbedrohlich sein. Eine EU-Verordnung sieht daher vor, dass bis 2019 Arzneimittel sicher gekennzeichnet werden müssen.
  • Neben dem passiven Herkunftsnachweis wird es immer wichtiger, jedem Objekt eine aktive, kommunikationsfähige Kennung zuzuordnen, um die Digitalisierung und Automatisierung in den Fertigungsabläufen (Industrie 4.0) zu unterstützen.
  • Im Sinne der Nachhaltigkeit ist zudem über das eigentliche Produktleben hinaus der Secondlife-Bereich bis zur Wiederverwertung von Komponenten und sekundären Rohstoffen zu betrachten. Zur Schließung des Kreislaufs („cradleto-cradle“) ist daher eine gleichermaßen unverwüstliche und eindeutige Kennzeichnung notwendig.
  • Aus den genannten Gründen ist es von höchstem Interesse, preisgünstige und zuverlässige Techniken zur Kennzeichnung von Objekten zu entwickeln, die all diesen Ansprüchen genügen. Die bisher existierenden Lösungsansätze sind hinsichtlich ihrer Miniaturisierbarkeit und universellen Applizierbarkeit in beliebige Material- oder Produktkomponenten eingeschränkt.
  • Physikalische Effekte der Nanoskaligkeit ermöglichen jedoch eine partikelbasierte Objektkennzeichnung um die „4N“ (Nachvollziehbarkeit, Nachverfolgbarkeit, Nachhaltigkeit, Nachahmungsschutz) zu adressieren und die vielfältigen Anforderungen erfüllen zu können.
  • In der modernen Medizin sind Kontrastmittel für die verbesserte Bildgebung u.a. bei der Computertomographie (CT) oder der Magnetresonanztomographie (MRT) von besonderer Bedeutung. Intensiv wird hier an multimodalen Kontrastmitteln geforscht, welche oft nanopartikelbasiert sind. Aus diesem Forschungsfeld sind Arbeiten zu komplexen Teilchen, aufgebaut aus Nanopartikeln mit unterschiedlichem physikalischem Signalgebungsverhalten bzw. Signalbeeinflussungsverhalten, bekannt.
  • Mit Fokus auf Plagiat-/Fälschungsschutz wurden in den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl an Kennzeichnungsmerkmalen entwickelt, beispielsweise Wasserzeichen, Hologrammtechniken, IR-Schutzfarben, metallische Sicherheitsstreifen oder in jüngster Zeit die RFID-Technologie. Letztere ist auch im Sinne der Industrie 4.0 von großer Bedeutung. Der große Nachteil aller bisher existierender Sender ist jedoch, dass sie typischerweise Größen im Millimeterbereich aufweisen und in der Regel nur oberflächlich angebracht werden können, so dass hier nicht von einer echten Integration des Markers / einer „direkten“ Kennzeichnung eines Objekts gesprochen werden kann. Gleiches gilt für nahezu alle etablierten Marker. Wenn Marker groß sind und nur oberflächlich appliziert werden können, sind sie jedoch leicht entfernbar oder zerstörbar.
  • Die Idee, Partikel als Produktmarker einzusetzen, wurde in einigen Forschungsarbeiten bereits verfolgt. In Arbeiten aus den letzten 15 Jahren wurde der Fokus auf graphische bzw. optische Merkmale gelegt. Bei graphischen Merkmalen wird räumlich eine Abfolge von Strukturen visualisiert, beispielsweise eingefärbte Polymerschichten oder in Streifen unterteilte Metall-Nanodrähte. Bei optischen Merkmalen werden meist organische Farbstoffe in Partikel, die als Träger fungieren, eingeschlossen. Weiter wurde der Ansatz verfolgt, fluoreszierende Quantum-Dots (QDots, z.B. CdSe) in Polystyrolpartikel einzubetten und durch Mischungen unterschiedlicher Partikel charakteristische optische Spektren zu erhalten. Dabei ist es gelungen, Kompositpartikel (Sekundärstruktur aus unterschiedlichen (Nano-Bausteinen) mit eindeutigen, optischen Codes zu erzeugen. Nachteilig ist die potentielle Toxizität der QDots.
  • Aus dem Stand der Technik ist bereits der Ansatz bekannt, mit lumineszierenden Teilchensystemen, wie beispielsweise QDots, dotierten Nanodiamanten oder plasmonisch-aktiven Teilchen Objekte zu markieren (siehe z.B. US 8,021,517 B2 ). Zudem finden sich magnetische Teilchen mit Multifunktionalität, welche in der Regel durch Kombination mit fluoreszierenden Partikeln erzielt wird, in Zusammenhang mit biomedizinischen Anwendungen (siehe z.B. US 2012/0319030 A1 ).
  • Aus dem Bereich der biomedizinischen Bildgebung ist auch die Magnet-Partikel-Bildgebung („Magnetic Particle Imaging“, MPI) bekannt. In diesem Zusammenhang wird in der WO 2012/001579 A1 die Herstellung von magnetischen Nanopartikeln zum Einsatz als bildgebende Marker bzw. Tracer, detektierbar mittels MPI, beschrieben. Teilweise wird hierbei auch auf die Messung mittels MPS verwiesen, da dies die 0-dimensionale spektroskopische Methode des MPI und somit eng mit diesem verwandt ist. In der WO 2012/001579 A1 werden jedoch ausschließlich einfache Nanopartikel eingesetzt.
  • Weiterhin sind Ansätze bekannt, bei welchen magnetische Partikel auf unterschiedliche Arten (beispielsweise als Tinte) auf Objekte, insbesondere wertvolle Papiere, aufgebracht werden. Eine Markierung findet dann entweder durch die schlichte Detektion dieses magnetischen Signals statt (siehe z.B. CN 103774502 A ) oder dadurch dass das magnetische Material in einer definierten Anordnung aufgetragen wird (siehe z.B. CN 103468056 A ), sodass dadurch zusätzlich eine graphische Markierung resultiert. Das Aufbringen des magnetischen Materials in einem bestimmten Muster wird teilweise noch durch eine Variation der magnetischen Eigenschaften, beispielsweise hartmagnetisch oder weichmagnetisch, ferromagnetisch oder nicht ferromagnetisch, o.ä., erweitert, wie in US 2018/293411 A beschrieben.
  • Zudem sind aus dem Stand der Technik verschiedene Systeme, wie lumineszierende Zinkoxid-Partikel als photostimulierbare Nanopartikel-Marker, sowie multifunktionale Nanopartikeltinten mit charakteristischen magnetischen, optischen und elektrischen Marker-Features bekannt.
  • Zudem ist aus der DE 10 2012 201 774 A1 , der DE 10 2015 109 637 A1 und der DE 2015 118 816 A1 die Assemblierung von Nanopartikeln zu Kompositpartikeln, wie z.B. magnetischen Kompositpartikeln, magnetischen Kompositpartikeln mit lumineszierenden, degradierbaren metal-organicframework Verbindungen oder magneto-optischen Stäbchen bekannt. Eine Verwendung dieser Partikel als Kodierobjekte in einem Identifikations- oder Detektionsverfahren wird jedoch nicht vorgeschlagen.
  • Die DE 10 2015 108 749 A1 , WO 2012/034696 A1 und DE 10 2014 110 573 beschäftigen sich schließlich mit Partikeln mit charakteristischen Signalen, einsetzbar als Marker. Bei den dort verwendeten Partikeln handelt es sich jedoch ausschließlich um einfache Nanopartikel. Zudem wird nicht die Verwendung der Magnet-Partikel-Spektroskopie vorgeschlagen.
  • Ausgehend hiervon war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren für eine einfache und genaue Detektion und/oder Identifikation von Partikeln anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In Patentanspruch 19 werden Verwendungsmöglichkeiten des Verfahrens angegeben. Die abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
  • Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren zur Detektion und/oder Identifikation magnetischer Suprapartikel mittels Magnet-Partikel-Spektroskopie oder Magnet-Partikel-Bildgebung angegeben, bei welchem
    1. a) magnetische Suprapartikel bereitgestellt werden, die jeweils eine Vielzahl magnetischer Nanopartikel enthalten und eine bestimmte Zusammensetzung und/oder Struktur aufweisen,
    2. b) die magnetischen Suprapartikel mindestens einem Magnetfeld ausgesetzt werden, wodurch abhängig vom magnetischen Moment der magnetischen Suprapartikel mindestens eine Spannung und/oder ein Spannungsverlauf induziert wird, wobei die mindesten eine Spannung und/oder der Spannungsverlauf als mindestens ein Messsignal detektiert wird,
    3. c) aus dem mindestens einen Messsignal mindestens ein Spektrum generiert wird, welches Oberschwingungen enthält, die jeweils eine Amplitude und eine Phase aufweisen, und
    4. d) die magnetischen Suprapartikel anhand des mindestens einen generierten Spektrums detektiert und/oder identifiziert werden.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren wird somit die Magnet-Partikel-Spektroskopie (MPS) oder die Magnet-Partikel-Bildgebung (MPI) verwendet, um magnetische Suprapartikel eindeutig zu detektieren und/oder identifizieren. Die magnetischen Suprapartikel können dabei in Objekte integriert sein. Durch Detektion/Identifikation der in die Objekte integrierten magnetischen Suprapartikel können somit auch die Objekte selbst detektiert bzw. identifiziert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit für die Detektion und/oder Identifikation von Objekten verwendet werden.
  • In Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zunächst magnetische Suprapartikel bereitgestellt, die jeweils eine Vielzahl magnetischer Nanopartikel enthalten und eine bestimmte Zusammensetzung und/oder Struktur aufweisen. Unter Suprapartikeln werden dabei allgemein Partikel verstanden, die jeweils aus kleineren Partikeln aufgebaut sind. Beispielsweise kann es sich bei den Suprapartikeln um Mikropartikel handeln, die jeweils aus Nanopartikeln aufgebaut sind. Erfindungsgemäß enthalten die in Schritt a) bereitgestellten Suprapartikel eine Vielzahl magnetischer Nanopartikel. In der Folge handelt es sich bei den Suprapartikeln um magnetische Suprapartikel. Die magnetischen Suprapartikel weisen ein magnetisches Moment auf. Zudem weisen die magnetischen Suprapartikel eine bestimmte (d.h. eine vorbestimmte bzw. definierte bzw. bekannte) Zusammensetzung und/oder Struktur auf. Dabei ist die verwendete Zusammensetzung und/oder Struktur der Suprapartikel letztlich beliebig wählbar. Entscheidend jedoch ist, dass es eine klar definierte und somit bekannte Zusammensetzung und/oder Struktur ist. Unter Zusammensetzung wird dabei vorzugsweise auch ein definiertes Mengenverhältnis der Nanopartikel verstanden, aus denen die Suprapartikel aufgebaut sind. Unter der Struktur der magnetischen Suprapartikel wird dabei die strukturelle Anordnung der Komponenten der Zusammensetzung der magnetischen Suprapartikel verstanden. Die Zusammensetzung und Struktur der magnetischen Suprapartikel beeinflussen deren magnetische Eigenschaften, d.h. auch deren magnetisches Moment und ihr Magnetisierungsverhalten. Magnetische Suprapartikel mit einer bestimmten Zusammensetzung und/oder Struktur haben somit charakteristische magnetische Eigenschaften, die mithilfe geeigneter Bestimmungsmethoden, wie z.B. der Magnet-Partikel-Spektroskopie oder der Magnet-Partikel-Bildgebung, bestimmt werden können.
  • In Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die in Schritt a) bereitgestellten magnetischen Suprapartikel mindestens einem Magnetfeld ausgesetzt. Durch Aussetzen gegenüber dem mindestens einen Magnetfeld wird abhängig vom magnetischen Moment der magnetischen Suprapartikel mindestens eine Spannung und/oder ein Spannungsverlauf induziert. Diese mindestens eine induzierte Spannung und/oder dieser mindestens eine induzierte Spannungsverlauf wird dann als mindestens ein Messsignal detektiert. Durch die bestimmte Zusammensetzung und/oder Struktur der magnetischen Suprapartikel weisen diese ein charakteristisches magnetisches Moment auf, weswegen in Schritt b) eine für die verwendeten magnetischen Suprapartikel charakteristische Spannung bzw. ein für die verwendeten magnetischen Suprapartikel charakteristischer Spannungsverlauf induziert wird und somit auch ein für die verwendeten magnetischen Suprapartikel charakteristisches Messsignal erzeugt und detektiert wird. In Schritt können die magnetischen Suprapartikel verschiedenen Magnetfeldern ausgesetzt werden, wobei es sich bei diesen beispielsweise um verschiedene statische und/oder zeitabhängige Magnetfelder handeln kann.
  • Beispielsweise werden in Schritt b) die magnetischen Suprapartikel einem Magnetfeld ausgesetzt, wodurch abhängig vom magnetischen Moment der magnetischen Suprapartikel eine Spannung induziert wird, die als Messsignal detektiert wird.
  • In Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus dem mindestens einen in Schritt b) detektierten Messsignal mindestens ein Spektrum generiert. Dieses mindestens eine Spektrum enthält Oberschwingungen, die eine Amplitude und eine Phase aufweisen. Vorzugsweise erfolgt das Generieren des mindestens einen Spektrums mittels Fourier-Transformation. Das in Schritt b) detektierte für die verwendeten magnetischen Suprapartikel charakteristische mindestens eine Messsignal wird somit innerhalb von Schritt c) in mindestens ein für die verwendeten magnetischen Suprapartikel charakteristisches Spektrum umgewandelt. Dieses mindestens eine Spektrum enthält Oberschwingungen, welche für die verwendeten magnetischen Suprapartikel charakteristisch sind.
  • Die Schritte b) und c) können auch einmal oder mehrmals wiederholt werden, wobei in den verschiedenen Schritten b) die magnetischen Suprapartikel jeweils einem anderen Magnetfeld ausgesetzt werden können. In der Folge wird für jeden einzelnen der durchgeführten Schritte b) ein eigenes Messsignal erhalten, aus welchem dann im jeweiligen Schritt c) jeweils ein eigenes Spektrum generiert wird. Bei den in den verschiedenen Schritten b) verwendeten Magnetfelder kann es sich beispielsweise um verschiedene statische und/oder zeitabhängige Magnetfelder handeln.
  • In Schritt d) werden schließlich die magnetischen Suprapartikel anhand des in Schritt c) generierten mindestens einen Spektrums (bzw. der in mehreren Schritten c) generierten Spektren) detektiert und/oder identifiziert. Aufgrund der für die verwendeten magnetischen Suprapartikel charakteristischen Oberschwingungen des Spektrums kann auf die in Schritt a) verwendeten speziellen magnetischen Suprapartikel rückgeschlossen werden. Mit anderen Worten können die eingesetzten magnetischen Suprapartikel zum Beispiel anhand der für diese Partikel charakteristischen Oberschwingungen im Spektrum detektiert und/oder identifiziert werden.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren wird sich somit zunutze gemacht, dass magnetische Suprapartikel mit einer bestimmten Zusammensetzung und/oder Struktur charakteristische magnetische Eigenschaften aufweisen, die zum Beispiel zu charakteristischen Oberschwingungen in einem mittels Magnet-Partikel-Spektroskopie (MPS) oder mittels Magnet-Partikel-Bildgebung (MPI) gemessenen Spektrum führen, anhand derer die eingesetzten magnetischen Suprapartikel detektiert und/oder identifiziert werden können. Wesentlich ist für das erfindungsgemäße Verfahren somit, dass die in Schritt a) bereitgestellten magnetischen Suprapartikel eine bestimmte, bekannte Zusammensetzung und/oder Struktur aufweisen. Das magnetische Suprapartikel kann beispielsweise mehrere verschiedene Typen von Nanopartikeln umfassen, die sich in ihrer Form und/oder Größe voneinander unterscheiden. Diese Nanopartikel-Typen können in einem bestimmten Mengenverhältnis zueinander vorliegen, sodass sich eine bestimmte Zusammensetzung des Suprapartikels ergibt, und können in einer bestimmten strukturellen Anordnung zueinander vorliegen, so dass sich eine bestimmte Struktur des Suprapartikels ergibt. Auf diese Weise kann die Zusammensetzung und/oder Struktur der magnetischen Suprapartikel so festgelegt werden, dass mittels Magnet-Partikel-Spektroskopie oder Magnet-Partikel-Bildgebung ein bestimmtes charakteristisches Spektrum oder eine Reihe bestimmter charakteristischer Spektren erhalten werden. Mit anderen Worten kann durch Festlegen der Zusammensetzung und/oder Struktur eine Art „Fingerprint“ oder „ID“ oder (einzigartiger) „Code“ für die Suprapartikel eingestellt werden, wobei dieser „Fingerprint“ bzw. diese „ID“ bzw. dieser (einzigartige) „Code“ durch die Messung mittels Magnet-Partikel-Spektroskopie oder Magnet-Partikel-Bildgebung bzw. anhand der Oberschwingungen des mindestens einen dort erhaltenen Spektrums detektiert und/oder identifiziert werden kann. Es kann somit anhand des mindestens einen erhaltenen Spektrums auf die festgelegte Zusammensetzung und/oder Struktur rückgeschlossen werden, wodurch eine Detektion und/oder Identifikation der eingesetzten magnetischen Suprapartikel ermöglicht wird. Der „Fingerprint“ bzw. die „ID“ bzw. der „Code“ des magnetischen Suprapartikels kann beispielsweise in einer Datenbank oder einer Code-Tabelle abgespeichert sein, so dass eine leichtere Detektion und/oder Identifizierung der bestimmten magnetischen Suprapartikel durch einen Abgleich des gemessenen „Fingerprints“ bzw. der gemessenen „ID“ bzw. des gemessenen „Codes“ mit den „Fingerprints“ bzw. „IDs“ bzw. „Codes“ aus der Datenbank oder der Code-Tabelle ermöglicht wird.
  • Vorzugsweise können die Zusammensetzung bzw. Struktur der Partikel so festgelegt werden, dass eine Vielzahl an unterschiedlichen „Fingerprints“ bzw. „IDs“ bzw. „Codes“ für die Partikel eingestellt werden können, welche dann mittels MPS oder MPI eindeutig identifizierbar sind. Mit anderen Worten können verschiedene Arten von Suprapartikeln verwendet werden, die jeweils eine eigene bestimmte Zusammensetzung und/oder Struktur aufweisen und damit jeweils einen eigenen „Fingerprint“ bzw. eine eigene „ID“ bzw. einen eigenen „Code“ aufweisen. Diese „Fingerprints“ bzw. „IDs“ bzw. „Codes“ können in einer Datenbank oder einer Code-Tabelle abgespeichert sein, so dass zur Detektion und/oder Identifikation der bestimmten magnetischen Suprapartikel der gemessene der gemessene „Fingerprint“ bzw. die gemessene „ID“ bzw. der gemessene „Code“ nur mit den verschiedenen „Fingerprints“ bzw. „IDs“ bzw. „Codes“ aus der Datenbank oder der Code-Tabelle abgeglichen werden muss.
  • Bei der vorliegenden Erfindung werden spezielle magnetische Partikel, durch ihre Zusammensetzung bzw. Struktur mittels der Technik der Magnet-Partikel-Spektroskopie oder der Magnet-Partikel-Bildgebung eindeutig identifiziert. Die Magnet-Partikel-Spektroskopie ist auch unter den Bezeichnungen „Magnetization Response Spectroscopy“ (siehe S. Biederer, T. Knopp, T. Sattel, K. Lüdtke-Buzug, B. Gleich, J. Weizenecker, J. Borgert, T. Buzug, J. Phys. D: Appl. Phys., 2009, 42, 205007), „Magnetic Particle Spectrometry“ (MPS) (siehe K. Lüdtke-Buzug, D. Rapoport, D. Schneider: „Characterization of Iron-Oxide Loaded Adult Stem Cells for Magnetic Particle Imaging in Targeted Cancer Therapy", AIP conf Proc, 2010, 1311, 244-248) und „Magnetic Particle Spectroscopy“ (MPS) (siehe T. Wawrzik, F. Ludwig, M. Schilling: „Multivariate Magnetic Particle Spectroscopy for Magnetic Nanoparticle Characterization, 8th international conference on the scientific and clinical applications of magnetic carriers, 2010, 1311, 267-270) bekannt.
  • Die Magnet-Partikel-Bildgebung („Magnetic Particle Imaging“, MPI) ist eng mit der Magnet-Partikel-Spektroskopie verwandt. Bei der MPI wird im Vergleich zur MPS zusätzlich eine Ortsinformation des gemessenen Signals bestimmt und somit die bei der MPS erhaltene „spektrale“ Information jeweils einem bestimmten Ort zugeordnet.
  • Die MPS bzw. die MPI ist ein Ansatz, der die passende Analysetechnik bereithält, um erstmals komplexe Teilchen mit einer magnetischen ID detektieren zu können. Die Technologie der MPS bzw. der MPI ist in der Lage, aus dem integralen Zusammenspiel aus Nanomagnetkomponenten und ihrer strukturellen Anordnung ein charakteristisches Spektrum zu erfassen. Dies geschieht berührungslos, tiefenwirksam und innerhalb von wenigen Millisekunden.
  • Das Messprinzip von MPS bzw. MPI basiert darauf, dass eine magnetische Probe einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird und die diesem Wechselfeld folgende Magnetisierung der Probe aufgezeichnet wird. Die bei superpara- und ferro- /ferrimagnetischen Teilchen resultierende Magnetisierung und das daraus resultierende Signal ist nichtlinear zum Verlauf des angelegten Feldes. Durch Fouriertransformation des Messsignals (Magnetisierungsantwort) erhält man ein Spektrum, welches charakteristische Oberschwingungen zeigt.
  • Das prinzipielle Messprinzip der verwendeten Messmethodik der Magnet-Partikel-Spektroskopie bzw. der Magnet-Partikel-Bildgebung wird im Folgenden erläutert:
    • Eine Probe wird einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt, wobei das magnetische Moment der Probe dem äußeren Wechselfeld folgt. Durch diese Änderung des magnetischen Flusses wird eine Spannung induziert, welche durch einen geeigneten Messaufbau detektiert werden kann. Da das Magnetisierungsverhalten von superparamagnetischen, ferromagnetischen und ferrimagnetischen Materialien nicht-linear zum äußeren Feld ist, wird bei Fourier-Transformation des Messsignals ein Spektrum generiert, welches höhere harmonische Schwingungen (Oberschwingungen) enthält. Die Oberschwingungen besitzen eine Amplitude und eine Phase. Sowohl die Amplitude als auch die Phase einer oder mehrerer Oberschwingungen können als charakteristisches Signal verwendet werden. Die Signalerzeugung kann durch beliebiges Einstellen von Messparametern erfolgen. So lassen sich beispielsweise die Frequenz des angelegten Magnetfeldes, die Magnetfeldstärke, die Messdauer oder die Anzahl der Messungen am Messgerät variieren. Somit sind auch mehrere Messungen mit variablen Messparametern zur Signaldetektion denkbar und vorzugsweise vorgesehen.
  • Werden geeignete Partikel verwendet, lassen sich die Signale sowohl über Messparameter als auch über physikalische oder chemische Partikelparameter beeinflussen und einstellen, sodass die Messsignale als „Code“ bzw. als „ID“ verwendet werden können. Im erfindungsgemäßen Verfahren kann die Code-Auslesung vorzugsweise mit der relativen Amplitudenintensität, nicht mit den absoluten Messwerten, erfolgen. Dies kann durch charakteristischen Verlauf der Amplitudenintensität in Abhängigkeit der höheren Harmonischen geschehen. Hierbei können ein, zwei oder mehrere Amplitudenintensitäten unterschiedlicher Oberschwingungen ins Verhältnis gesetzt werden, sodass der Abfall bzw. Anstieg der Kurven beschrieben wird. Durch eine geschickte mathematische Vorgehensweise kann dadurch ein Graph-Verlauf exakt beschrieben werden. Durch Einbeziehung von Fehlern und vorzugsweise dem Abgleich z.B. mit einer Datenbank oder einer Code-Tabelle, in welcher die Code-Signale gespeichert sind, können Code-Partikel identifiziert werden. Zusätzlich oder alternativ können Absolutwerte oder Relativwerte der Phase einer oder mehrerer Oberschwingungen verwendet werden. Es ist denkbar, dass bei verschiedenen Proben ein im Rahmen des Fehlers identischer Amplitudenverlauf in Abhängigkeit der Oberschwingungen auftritt, sich die Phase in Abhängigkeit der Harmonischen jedoch unterscheidet oder vice versa. Die Amplitudenintensität und Phase, welche mittels MPS oder MPI gemessen werden, sind von einem komplexen Zusammenspiel unterschiedlicher Materialeigenschaften abhängig.
  • Magnetische Partikel haben die Eigenschaft, dass sie weit unterhalb des sichtbaren Bereichs des elektromagnetischen Spektrums detektierbar sind. Dies hat den großen Vorteil, dass es damit möglich ist, die Partikel aus der Bulkmatrix eines optisch nicht transparenten Materials auslesen zu können. Das heißt, die Partikel können in ein Material integriert werden und müssen nicht oberflächlich appliziert werden, was zum einen bedeutet, dass die Partikel vor Zerstörung geschützt sind, nicht ohne weiteres entfernt werden können, und echte, versteckte Merkmale sind, die von außen nicht offensichtlich (visuell) erkennbar sind.
  • Durch die Verwendung magnetischer Suprapartikel, welche magnetische Nanopartikel enthalten und eine bestimmte Zusammensetzung und/oder Struktur aufweisen, sowie der Verwendung der Magnet-Partikel-Spektroskopie oder Magnet-Partikel-Bildgebung wird somit ein Verfahren zur einfachen und genauen Detektion und/oder Identifikation von Partikeln erhalten, welches für eine einfache und genaue Detektion und/oder Identifikation von Objekten verwendet werden kann.
  • Die Herstellung der in Schritt a) bereitgestellten magnetischen Suprapartikel kann vorzugsweise mittels Sprühtrocknung erfolgen. Hierbei werden die magnetischen Nanopartikel zu den magnetischen Suprapartikeln assembliert. Beispielsweise können die magnetischen Nanopartikel in Dispersion mittels einer Zerstäuberdüse als feine (1 um bis 10 µm) Tröpfchen in eine Kammer, in der eine erhöhte Temperatur herrscht, gesprüht werden, woraufhin das Lösemittel (vorzugsweise Wasser) verdampft und die magnetischen Nanopartikel zu den magnetischen Suprapartikel agglomerieren.
  • Neben diesem bevorzugten Herstellungsverfahren können die magnetischen Nanopartikel jedoch gemäß einem anderen, dem Fachmann bekannten, Verfahren hergestellt werden, beispielsweise gemäß einem Verfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Emulsionsmethoden, Sol-Gel-Methoden, Mikrofluidik-Methoden, Dry-self-assembly-Methoden, Wet-self-assembly-Methoden, Self-limited-self-assembly-Methoden und Kombinationen hiervon.
  • Eine Erläuterung der wichtigsten Verfahren zur Herstellung der magnetischen Suprapartikel findet sich in S. Wintzheimer, T. Granath, M. Oppmann, T. Kister, T. Thai, T. Kraus, N. Vogel, K. Mandel, „Supraparticles: Functionality from Uniform Structural Motifs“, ACS Nano, 2018, 12, 6, 5093-5120.
  • Unter Nanopartikeln werden erfindungsgemäß Partikel mit einer Partikelgröße von 0,1 nm bis 1000 nm, vorzugsweise von 1 nm bis 100 nm, verstanden.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei den magnetischen Suprapartikeln um magnetische Mikropartikel und/oder magnetische Nanopartikel. Unter einem Mikropartikel wird dabei ein Partikel mit einer Partikelgröße von 0,1 µm bis 1000 µm, vorzugsweise von 1 µm bis 100 µm, verstanden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann die Partikelgröße der magnetischen Suprapartikel und/oder der in den magnetischen Suprapartikeln enthaltenen Nanopartikel beispielsweise gemäß Lichtmikroskopie, Elektronenmikroskopie, Dynamischer Lichtstreuung oder Fraunhofer-Beugung bestimmt werden.
  • Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Detektion und/oder Identifikation der magnetischen Suprapartikel in Schritt d) anhand des Verlaufs der Phasen der Oberschwingungen des mindestens einen Spektrums und/oder anhand relativer Verhältnisse von Intensitäten der Amplituden der Oberschwingungen des mindestens einen Spektrums erfolgt. Die magnetische Suprapartikel, die eine Vielzahl magnetischer Nanopartikel enthalten, weisen ein Magnetisierungsverhalten im angelegten Wechselfeld bzw. Magnetfeld auf, das aufgrund des Zusammenspiels der Komponenten bzw. ihrer strukturellen Ausrichtung zu einem charakteristischen Kurvenverlauf der Amplitudenintensitäten und/oder der Phase der „höheren harmonischen Ordnungen“ / Oberschwingungen des magnetischen Spektrums, gemessen mittels MPS oder MPI, führt. Dabei ist von Vorteil, dass der Verlauf der Phase und die relativen Amplituden-Intensitätsverhältnisse bestimmter Oberschwingungen zueinander charakteristisch für die eingesetzten magnetischen Suprapartikeln mit ihrer bestimmten Zusammensetzung und/oder Struktur sind und dieses Verhältnis der Intensitäten somit eindeutig den eingesetzten spezifischen Suprapartikeln zugeordnet werden kann. Dabei ist zu beachten, dass durch die Betrachtung der Relativverhältnisse der Intensitäten das System nahezu unabhängig von Umgebungseffekten ist, die die Absolutintensität des magnetischen Signals des Partikels ggf. beeinflusst.
  • Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass
    • - die magnetischen Suprapartikel jeweils eine Partikelgröße von 50 nm bis 150 µm, bevorzugt von 1 µm bis 10 µm, aufweisen, und/oder
    • - die magnetischen Nanopartikel der Vielzahl an magnetischen Nanopartikeln jeweils eine Partikelgröße von 1 nm bis 100 nm aufweisen.
  • Die Nanopartikel der Vielzahl magnetischer Nanopartikel können alle (im Wesentlichen) die gleiche Partikelgröße aufweisen. Vorzugsweise weisen die Nanopartikel jedoch verschiedene Partikelgrößen, beispielsweise mindestens zwei verschiedene Partikelgrößen oder mindestens drei verschiedene Partikelgrößen oder mindestens vier verschiedene Partikelgrößen, auf. Die Partikelgröße der Nanopartikel beeinflusst die magnetischen Eigenschaften bzw. das magnetische Moment der Suprapartikel. Je mehr verschiedene Partikelgrößen die Nanopartikel besitzen, aus denen die Suprapartikel aufgebaut sind, desto mehr charakteristische, unterscheidbare Spektren können generiert werden, was die Anzahl an verfügbaren „Codes“ erhöht.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die magnetischen Nanopartikel der Vielzahl magnetischer Nanopartikel jeweils eine Grundform auf, welche ausgewählt ist aus einer sphärischen Grundform, einer oktaedrischen Grundform, einer ellipsoidischen Grundform, einer stäbchenförmigen Grundform, einer zylindrischen Grundform und einer kubischen Grundform. Die Nanopartikel der Vielzahl magnetischer Nanopartikel können alle die gleiche Grundform aufweisen. Vorzugsweise weisen die Nanopartikel jedoch verschiedene Grundformen, beispielsweise mindestens zwei verschiedene Grundformen oder mindestens drei verschiedene Grundformen oder mindestens vier verschiedene Grundformen, auf. Die Grundform der Nanopartikel beeinflusst die magnetischen Eigenschaften bzw. das magnetische Moment der Suprapartikel. Je mehr verschiedene Grundformen die Nanopartikel besitzen, aus denen die Suprapartikel aufgebaut sind, desto mehr charakteristische, unterscheidbare Spektren können generiert werden, was die Anzahl an verfügbaren „Codes“ erhöht.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Nanopartikel der Vielzahl magnetischer Nanopartikel jeweils ein Material enthalten oder aus diesem bestehen, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus ferromagnetischen Materialien, ferrimagnetischen Materialien, superparamagnetischen Materialien und Mischungen hiervon. Besonders bevorzugt ist das Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eisenoxiden, Ferriten und Mischungen hiervon. Diese sind vorteilhafterweise besonders kostengünstig und umweltverträglich und haben zudem nur eine geringe Toxizität.
  • Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Vielzahl magnetischer Nanopartikel mehrere Arten, bevorzugt mindestens drei Arten, besonders bevorzugt mindestens vier Arten, magnetischer Nanopartikel umfasst,
    • - die sich zumindest in ihrer Partikelgröße voneinander unterscheiden, und/oder
    • - die sich zumindest in ihrer Grundform voneinander unterscheiden, wobei die Grundform vorzugsweise ausgewählt ist aus einer sphärischen Grundform, einer oktaedrischen Grundform, einer ellipsoidischen Grundform, einer stäbchenförmigen Grundform, einer zylindrischen Grundform und einer kubischen Grundform, und/oder
    • - die sich zumindest in ihrem Material voneinander unterscheiden.
  • Weisen die Nanopartikel verschiedene Partikelgrößen und/oder Grundformen und/oder Materialien auf, können mehr charakteristische, unterscheidbare Spektren können generiert werden, was die Anzahl an verfügbaren „Codes“ erhöht.
  • Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass es sich bei den magnetischen Suprapartikeln oder zumindest bei einem Teil der magnetischen Suprapartikel um Hohlkugeln handelt. Unter Hohlkugeln wird dabei eine spezielle Struktur der Suprapartikel verstanden, bei welcher die Suprapartikel lediglich eine hohle Schale jedoch keinen innerhalb dieser Schale angeordneten Kern umfassen. Die Schale hat dabei vorzugsweise eine Dicke von 0,25 µm bis 2 µm. Der innerhalb der Schale angeordnete Hohlbereich hat vorzugsweise einen Durchmesser von 5 µm bis 100 µm. Die verwendeten Hohlkugeln haben den Vorteil, dass zum Beispiel durch mechanischen Druck oder Scherkräfte auf die Hohlkugeln, diese leicht in ihrer Struktur verändert werden können. Da die Struktur der Hohlkugeln allerdings einen direkten Einfluss auf das aufgenommene Messsignal der MPS- oder MPI-Messungen hat, kann damit aus dem aufgenommenen Messsignal direkt auf den zum Beispiel mechanischen Einfluss auf die Hohlkugeln geschlossen werden. Die Hohlkugeln wirken also als Detektor für zum Beispiel mechanische Einflüsse. Außerdem ergibt sich aus der irreversiblen Veränderung der Struktur der Hohlkugel zudem ein „Speichereffekt“, d.h. auch mechanische Einwirkungen oder Scherkräfte, die vor der eigentlichen MPS- oder MPI-Messung auf die Hohlkugeln eingewirkt und dabei deren Struktur verändert haben, werden bei den späteren Messungen detektiert und ausgelesen.
  • Zudem können zum Beispiel durch Einstellen der Wandstärke und Festigkeit der Schale oder Variation der eingesetzten Nanopartikel, die mechanischen Eigenschaften der Hohlkugeln genau und sehr fein abgestimmt werden. Damit ist es möglich einen jeweils auf die zu erwartenden mechanischen Einflüsse angepassten Detektor herzustellen, der zum Beispiel erst ab einer gewissen Kraftwirkung deformiert wird und kleinere Erschütterungen, zum Beispiel während des Transports, nicht detektiert. Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl magnetischer Nanopartikel mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, Arten magnetischer Nanopartikel umfasst, die sich zumindest in ihrer Sättigungsmagnetisierung voneinander unterscheiden, und dass innerhalb von Schritt b) zusätzlich ein statisches oder zeitlich veränderliches Offsetfeld angelegt wird.
  • Diese bevorzugte Variante - im Folgenden als Messansatz 2 bezeichnet - stellt eine Ergänzung des grundlegenden Messansatzes - im Folgenden als Messansatz 1 bezeichnet - des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Auf diese Weise kann eine noch genauere Detektion bzw. Identifikation der magnetischen Suprapartikel erreicht werden. Werden beispielsweise drei Magnetteilchentypen X, Y und Z, die sich in ihrer Sättigungsmagnetisierung deutlich unterscheiden, in einem magnetischen Suprateilchen vergesellschaftet, so steht ein System zur Verfügung, dessen Zusammensetzung X-Y-Z detektierbar ist. Dazu wird bei der Messung des X-Y-Z-komponentigen Teilchens die Stärke des angelegten magnetischen Wechselfeldes so variiert, dass bei einer ersten Messung das Feld als Offset immer wenigstens so stark ist, dass Teilchentyp X dauerhaft seine magnetische Sättigung erreicht. In einer zweiten Messung wird die Feldstärke so gewählt, dass Typ X und nun auch Typ Y in Sättigung sind. In einer dritten Messung ist die Feldstärke so schwach, dass keiner der drei Magnetteilchentypen in Sättigung ist. Die Komponente, die jeweils gesättigt ist, folgt dem magnetischen Wechselfeld nicht mehr und ist damit als Signalgeber ausgeschaltet. In den drei Messungen wird somit ein Kombinationssignal von erst Y + Z dann nur Z und dann X + Y + Z erhalten. Die jeweiligen Signalspektren korrelieren mit den jeweiligen (mengenmäßigen) Anteilen der Komponenten X, Y und Z, welche frei eingestellt werden können. Damit lässt sich eine eindeutige ID für die mehrkomponentigen Teilchen generieren. Prinzipiell ist dabei jede beliebige Anzahl an Magnetteilchentypen zum Aufbau der mehrkomponentigen Teilchen mit unterschiedlich komplexen IDs möglich. Dieses Offsetfeld kann entweder zwischen aufeinanderfolgenden Messungen variiert werden oder kontinuierlich während einer Messung, z.B. durch ein lineares Erhöhen dieses Offsetfeldes.
  • Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl magnetischer Nanopartikel mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, Arten magnetischer Nanopartikel umfasst, die sich zumindest in ihrem (nichtlinearen) Magnetisierungsverhalten in einem angelegten Magnetfeld und/oder in ihrer Sättigungsmagnetisierung voneinander unterscheiden, und dass innerhalb von Schritt b) die magnetische Feldstärke des Magnetfelds und/oder die Frequenz des Magnetfelds variiert wird.
  • Diese bevorzugte Variante - im Folgenden als Messansatz 3 bezeichnet - stellt eine weitere Ergänzung des grundlegenden Messansatzes (d.h. Messansatz 1) des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Werden zum Beispiel drei Magnetteilchentypen X, Y und Z, die sich entweder in ihrer Sättigungsmagnetisierung und/oder in ihrem (nichtlinearen) Magnetisierungsverhalten bezogen auf das angelegte Magnetfeld, zu einem magnetischen Suprapartikel vergesellschaftet, so kann analog zum zuvor beschriebenen Messansatz 2 die Zusammensetzung des so entstandenen Systems durch eine Variation des zur Messung verwendeten magnetischen Wechselfeldes verwendet werden. Diese Variation besteht aus der Änderung der Stärke dieses Feldes, ebenso möglich ist eine Veränderung der Frequenz oder eine Kombination aus beidem. Diese Variationen können entweder in aufeinanderfolgenden Messungen oder in einem sich kontinuierlich ändernden magnetischen Feld als Messsignal abgefragt werden.
  • Zeigt zum Beispiel das Teilchen X, analog zu Messansatz 2, eine niedrige Sättigungsmagnetisierung, und damit ein nichtlineares Verhalten vor allem bei niedrigen magnetischen Feldstärken, so kann das Messsignal durch darüber hinaus Erhöhen der Feldstärke nur wenig variiert werden. Die Änderungen bei höheren Feldern werden dominant eben von solchen Partikeln beeinflusst, die auch in dem erhöhten Bereich nichtlineares Verhalten zeigen, beispielsweise ein Partikel Y. Bei z.B. drei unterschiedlichen in ihrem Feldstärke-bezogenen nichtlinearen Verhalten bzw. Sättigungsverhalten Partikeln X, Y und Z kann so aus den Messungen bei verschiedenen Feldstärken ein Rückschluss auf die mengenmäßige Zusammensetzung und eine Zuordnung zu einer eindeutigen ID gezogen werden.
  • Eine solche Messung kann als einfachstes Beispiel durch Messsignal-Aufnahme während eines in der Amplitude linear ansteigenden sinusförmigen magnetischen Feldes erfolgen. Andere Rampenfunktionen sind ebenso möglich, ebenso wie andere Feldfunktionen, die sich von einem Sinus unterscheiden. Eine Variation der Frequenz analog zur Variation der magnetischen Feldstärke kann zur Erzeugung einer eindeutigen ID ebenso verwendet werden. Grundsätzlich unterscheidet sich die nichtlineare magnetische Antwort von Partikeln mit geeigneter Variation physikalischer Parameter, wie Durchmesser, Materialzusammensetzung etc., in ihrem Amplituden- und Phasenverlauf bei Anregung mit unterschiedlichen Frequenzen. Kombiniert man beispielsweise unterschiedliche Partikel X, Y und Z zu einem System, so kann man diese Kombination derart ausgestalten, das das Messsignal bei unterschiedlichen Frequenzen unterschiedlich stark gewichtet von den einzelnen Partikeln bestimmt wird und so Rückschlüsse auf die Zusammensetzung gezogen werden können und eine eindeutige ID zugeordnet werden kann. Die Variation der Frequenz kann entweder in aufeinander folgenden Messungen erfolgen oder kontinuierlich während einer Messung verändert werden. Es ist möglich die Zuordnung einer eindeutigen ID aus einer Kombination von Frequenz- und Amplitudenvariation zu gewinnen. Hierbei wird Amplitude und Frequenz gleichzeitig verändert, entweder in aufeinanderfolgenden Messungen oder kontinuierlich während einer Messung. Aus dem Messsignal wird eine Zuordnung zu einer eindeutigen ID gewonnen.
  • Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Vielzahl magnetischer Nanopartikel mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, Arten magnetischer Nanopartikel umfasst, die sich zumindest in ihrem (nichtlinearen) Magnetisierungsverhalten in einem angelegten Magnetfeld und/oder in ihrer Sättigungsmagnetisierung voneinander unterscheiden, dass innerhalb von Schritt b) zusätzlich ein statisches oder zeitlich veränderliches Offsetfeld angelegt wird und dass innerhalb von Schritt b) die magnetische Feldstärke des Magnetfelds und/oder die Frequenz des Magnetfelds variiert wird.
  • Hierbei handelt es sich um eine Kombination der zuvor genannten Messansätze 1, 2 und 3. So kann während der Amplituden- und/oder Frequenzvariation des magnetischen Feldes ein Offsetfeld in geeigneter Weise geschaltet werden. Werden unterschiedliche Frequenzmessungen zeitgleich kombiniert, so fungieren die Partikel aufgrund ihres nichtlinearen Verhaltens in einem magnetischen Feld als Frequenzmischer. In diesem Falle können auch diejenigen Frequenzanteile des Messsignals auf den Mischfrequenzen, die sich idealerweise durch geeignete Wahl der Frequenzen von den höheren Harmonischen der einzelnen Partikel unterscheiden, zusätzlich zur Generierung der eindeutigen ID herangezogen werden.
  • Vorzugsweise können die verwendeten magnetischen Suprapartikel neben ihren speziellen magnetischen Eigenschaften auch weitere, mit unterschiedlichen Methoden detektierbare Eigenschaften besitzen, z.B. optische Eigenschaften wie z.B. Fluoreszenz. Zur Generierung einer eindeutigen ID kann somit auch eine Kombination mehrerer dieser „multimodalen“ Eigenschaften verwendet werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zumindest ein Teil der Nanopartikel der Vielzahl an magnetischen Nanopartikeln jeweils mit chemischen Gruppen oberflächenmodifiziert. Die chemischen Gruppen sind dabei vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus organischen Säuren, insbesondere Citronensäure; Silanen, insbesondere Octyltriethoxysilan; Polycarboxylatethern und Mischungen hiervon.
  • Die Oberflächenmodifikation der Nanopartikel beeinflusst die magnetischen Eigenschaften bzw. das magnetische Moment der Suprapartikel. Durch die Oberflächenmodifikation zumindest eines Teils der Nanopartikel der Vielzahl magnetischer Nanopartikel kommt es zu veränderten Abständen der Nanopartikel zueinander, wenn diese zu einem Suprapartikel vergesellschaftet werden. Daraus resultieren unterschiedliche, von der Modifikation abhängige Wechselwirkungen, welche in einer Modifikation der charakteristischen Signale resultieren. Auf diese Weise kann die Anzahl an charakteristischen, unterscheidbaren Spektren und damit an „Codes“ weiter erhöht werden.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Vielzahl magnetischer Nanopartikel mehrere Arten magnetischer Nanopartikel umfasst, die sich in ihrer Oberflächenmodifikation voneinander unterscheiden. Auf diese Weise kann die Anzahl an charakteristischen, unterscheidbaren Spektren und damit an „Codes“ weiter erhöht werden.
  • Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Teil (d.h. zumindest eine Mehrzahl) der Nanopartikel der Vielzahl magnetischer Nanopartikel jeweils einen Kern und eine den Kern umgebende Schale umfassen. Vorzugsweise besteht dabei die Schale aus einem anderen Material als der Kern besteht. Besonders bevorzugt besteht die Schale aus einem Material, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siliciumdioxid; Polymeren, beispielsweise Polymethylmethacrylat, Polystyrol, Polyethylenglycol; Metalloxiden, beispielsweise Titandioxid; und Mischungen hiervon. Die Schale kann eine variable Dicke aufweisen.
  • Die Struktur der Nanopartikel beeinflusst die magnetischen Eigenschaften bzw. das magnetische Moment der Suprapartikel. Durch die Verwendung von Nanopartikel mit der genannten Kern-Schale-Struktur kann somit die Anzahl an charakteristischen, unterscheidbaren Spektren und damit an „Codes“ weiter erhöht werden.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Vielzahl magnetischer Nanopartikel mehrere Arten magnetischer Nanopartikel umfasst, die jeweils einen Kern und eine den Kern umgebende Schale umfassen und die sich zumindest bezüglich des Materials der Schale voneinander unterscheiden. Auf diese Weise kann die Anzahl an charakteristischen, unterscheidbaren Spektren und damit an „Codes“ weiter erhöht werden.
  • Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil, bevorzugt alle, der Nanopartikel der Vielzahl magnetischer Nanopartikel zu hierarchischen Substrukturen innerhalb des magnetischen Suprapartikels assembliert sind. Die hierarchischen Substrukturen sind dabei vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Clustern, Kugeln, Stäbchen sowie Mischungen und Kombinationen hiervon. Beispielsweise können die magnetischen Nanopartikel zunächst zu Clustern/Stäbchen assembliert werden. Diese sind bereits Suprapartikel, welche zur ID-Generierung verwendet werden könnten, werden dann jedoch noch zu größeren Suprapartikeln agglomeriert. Die (sub)strukturelle Anordung, d.h. die Verwendung von Nanopartikeln mit hierarchischen Substrukturen, führt ebenfalls dazu, dass die Anzahl an charakteristischen, unterscheidbaren Spektren und damit an „Codes“ weiter erhöht werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens enthalten die magnetischen Suprapartikel zusätzlich zu der Vielzahl magnetischer Nanopartikel weitere Nanopartikel, bevorzugt diamagnetische Nanopartikel und/oder paramagnetische Nanopartikel. Bei den weiteren Nanopartikeln handelt es sich um nicht-magnetische Nanopartikel. Hierbei werden diamagnetische Nanopartikel und paramagnetische Nanopartikel als nicht-magnetische Nanopartikel verstanden. Die magnetischen Suprapartikel können aus der Vielzahl magnetischer Nanopartikel und den weiteren Nanopartikeln bestehen. Alternativ können die magnetischen Suprapartikel auch aus der Vielzahl magnetischer Nanopartikel bestehen.
  • Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die magnetischen Suprapartikel jeweils eine Schale aufweisen, welche das magnetische Suprapartikel umgibt, wobei die Schale vorzugsweise
    • - eine Dicke von 1 nm bis 10 µm aufweist, und/oder
    • - ein Material enthält oder aus diesem besteht, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siliciumdioxid; Polymeren, beispielsweise Polymethylmethacrylat, Polystyrol, Polyethylenglycol; Metalloxiden, beispielsweise Titandioxid; und Mischungen hiervon, und/oder
    • - als Beschichtung ausgeführt ist.
  • Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Suprapartikel jeweils Poren mit einer Porengröße von 1 nm bis 60 nm, bevorzugt mit einer Porengröße zwischen 7 nm und 12 nm, aufweisen, wobei die Poren mit einem Polymer infiltriert sind. Die Porengröße kann beispielsweise bestimmt werden mittels Gasadsorption, insbesondere mittels Stickstoffadsorption.
  • Im Hinblick auf das Einbringen der magnetischen Suprapartikel in ein beliebiges Objekt bzw. in eine Matrix eines solchen Objekts, beispielsweise ein Polymer (z.B. bei der Markierung von Kunststoffobjekten, Klebern, etc.), ist es vorteilhaft, Matrix-Effekte ausschließen zu können. Es wurde festgestellt, dass ein Eindringen des Matrixmaterials in das Suprapartikel-Gefüge gegebenenfalls bei einer MPS-Messung signalverändernde Effekte hervorruft. Um solche signalverändernden Effekte zu vermeiden, können die magnetischen Suprapartikel modifiziert werden, beispielsweise durch Versehen (z.B. Coating) der magnetischen Suprapartikel mit einer Schale (z.B. mit einer Dicke von 1 nm bis 10 µm und/oder aus Silica oder Polymer) und/oder durch Infiltration bzw. Auffüllen der Porenräume des Partikel mit einem Polymer. Auf diese Weise kann das beschriebene Eindringen des Matrixmaterials verhindert werden. Die modifizierten Partikel sind somit inert und indifferent bezüglich Einbettmatrizes von Objekten, in denen die magnetischen Suprapartikel zum Einsatz kommen sollen.
  • Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die magnetischen Suprapartikel im Anschluss an Schritt d) mindestens einem mechanischen Einfluss, vorzugsweise einem mechanischen Druck und/oder einer Scherung, ausgesetzt werden, durch welche das magnetische Moment der magnetischen Suprapartikel verändert wird, danach die Schritte b) und c) wiederholt werden, und im Anschluss hieran die Änderung des magnetischen Moments der magnetischen Suprapartikel anhand des Vergleichs zwischen den im ersten Schritt c) und im zweiten Schritt c) generierten Spektren detektiert wird.
  • Gemäß dieser bevorzugten Variante des Verfahrens können die magnetischen Suprapartikel als mechanische Sensoren zur Detektion von mechanischen Umgebungseinflüssen eingesetzt werden. Zunächst werden hierbei die magnetischen Suprapartikel gemäß den Schritten a) bis d) des erfindungsgemäßen Verfahrens vermessen, sodass ein Ausgangswert erhalten wird, bei dem keine mechanischen Umgebungseinflüsse vorliegen. Wirken nun danach gewisse mechanische Umgebungseinflüsse, wie z.B. mechanischer Druck oder Scherung, auf die magnetischen Suprapartikel ein, die auch zu einer kompletten oder teilweisen Zerstörung und/oder Veränderung der Zusammensetzung und/oder Struktur der magnetischen Suprapartikel führen können, führt dies zu einer Änderung der magnetischen Eigenschaften und damit des magnetischen Moments der magnetischen Suprapartikel. Durch die mechanischen Umgebungseinflüsse ändern sich somit auch das mittels MPS gemessene Signal sowie das erhaltene Spektrum. Werden somit nach dem Einwirken der mechanischen Umgebungseinflüsse die Schritte b) und c) wiederholt, wird ein Spektrum erhalten, welches sich von dem Spektrum unterscheidet, dass bei der ersten Durchführung des Schritts c) erhalten wurde. Durch diesen Unterschied kann auf das Vorliegen eines mechanischen Umgebungseinflusses rückgeschlossen werden. Mit anderen Worten werden somit durch das Verfahren mechanische Umgebungseinflüsse detektiert, wobei die magnetischen Suprapartikel dabei als Sensor fungieren. Auf diese Weise kann beispielsweise auch eine Abnutzung, Beschädigung oder unsachgemäße Behandlung von mit den magnetischen Suprapartikeln versehenen Objekten detektiert bzw. nachgewiesen werden.
  • Vorzugsweise werden bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens Hohlkugeln als die magnetischen Suprapartikel oder zumindest als ein Teil der magnetischen Suprapartikel verwendet. Dies hat den Vorteil, dass zum Beispiel durch mechanischen Druck oder Scherkräfte auf die Hohlkugeln, diese leicht in ihrer Struktur verändert werden können. Diese Strukturveränderungen bei den Hohlkugeln wirken sich direkt auf das aufgenommene Messsignal der MPS- oder MPI-Messungen aus. Somit kann damit aus dem aufgenommenen Messsignal und seinen Veränderungen direkt auf den zum Beispiel mechanischen Einfluss auf die Hohlkugeln geschlossen werden. Die Hohlkugeln wirken also als Detektor für zum Beispiel mechanische Einflüsse. Aus den irreversiblen Veränderungen der Struktur der Hohlkugel ergibt sich außerdem ein „Speichereffekt“, d.h. auch mechanische Einwirkungen oder Scherkräfte, die vor der eigentlichen MPS- oder MPI-Messung auf die Hohlkugeln eingewirkt und dabei deren Struktur verändert haben, werden bei den späteren Messungen detektiert und ausgelesen. Auch können die mechanischen Eigenschaften der Hohlkugeln genau und sehr fein abgestimmt werden, zum Beispiel durch Einstellen der Wandstärke und Festigkeit der Schale. Somit können jeweils auf die zu erwartenden mechanischen Einflüsse angepasste Detektoren hergestellt werden.
  • Darüber hinaus können auch die oben beschriebenen signalverändernden Effekte bei einer MPS-Messung, die durch das Eindringen von Matrixmaterial in das Suprapartikel-Gefüge hervorgerufen werden, dazu genutzt werden, um das Eindringen z.B. von Flüssigkeiten, Gasen oder anderen Materialien in die mit Suprapartikeln markierten Bereiche eines Objekts zu detektieren und somit den Nachweis auf weitere Umwelteinflüsse auf das Objekt zu liefern
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die magnetischen Suprapartikel in Schritt a) dadurch bereitgestellt, dass mindestens ein Objekt bereitgestellt wird, welches die magnetischen Suprapartikel enthält, wobei das mindestens eine Objekt vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kunststoffobjekten, Metallobjekten, Keramikobjekten, Glasobjekten sowie Mischungen und Kombinationen hiervon, wobei das mindestens eine Objekt besonders bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Haushaltsgeräten, Bekleidung, Elektrogeräten, Fahrzeugen, Pharmaprodukten sowie Mischungen und Kombinationen hiervon. In der Folge kann somit durch die Detektion und/oder Identifikation der magnetischen Suprapartikel auch das mindestens eine Objekt detektiert und/oder identifiziert werden. Es ergibt sich somit ein Verfahren zur Detektion und/oder Identifikation von Objekten. Die magnetischen Suprapartikel dienen somit als eine Art Marker, mit dem ein Objekt markiert werden kann, um es später anhand des Markers wieder detektieren und/oder identifizieren zu können.
  • Eine besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die magnetischen Suprapartikel in das Material des mindestens einen Objekts integriert werden. Mit anderen Worten werden die magnetischen Suprapartikel nicht nur oberflächlich auf das mindestens eine Objekt appliziert, sondern in die Matrix des mindestens einen Objekts eingebracht. Auf diese Weise können die Suprapartikel nicht mehr ohne Weiteres vom Objekt entfernt oder zerstört werden. Im Gegensatz hierzu sind oberflächlich auf dem Objekt aufgebracht Marker leicht entfernbar oder zerstörbar.
  • Beispielsweise können die magnetischen Suprapartikel in einer bestimmten Konzentration, z.B. 0,00001 Gew.-% bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 0,0001 Gew.-% bis 1 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,001 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 0,001 Gew.-% bis 0,01 Gew.-%, in das Objekt bzw. die Matrix des Objekts eingearbeitet werden. Hierbei sind alle Einarbeitungsprozesse denkbar, welche Partikel in eine umgebende Matrix einbetten, beispielsweise das Einarbeiten mittels Spritzgießen, Rühren, Schütteln, Mischer und/oder Extruder.
  • In einer besonders bevorzugten Variante ist das erfindungsgemäße Verfahren ein Verfahren zur Detektion und/oder Identifikation von magnetische Suprapartikel enthaltenden Objekten mittels Magnet-Partikel-Spektroskopie oder Magnet-Partikel-Bildgebung, wobei in Schritt a) mindestens ein Objekt bereitgestellt wird, welches die magnetischen Suprapartikel enthält. Hierbei ist das mindestens eine Objekt vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kunststoffobjekten, Metallobjekten, Keramikobjekten, Glasobjekten sowie Mischungen und Kombinationen hiervon, wobei das mindestens eine Objekt besonders bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Haushaltsgeräten, Bekleidung, Elektrogeräten, Fahrzeugen, Pharmaprodukten sowie Mischungen und Kombinationen hiervon. Besonders bevorzugt ist es, dass die magnetischen Suprapartikel in das Material des mindestens einen Objekts integriert werden. Mit anderen Worten werden die magnetischen Suprapartikel hierbei nicht nur oberflächlich auf das mindestens eine Objekt appliziert, sondern in die Matrix des mindestens einen Objekts eingebracht.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion und/oder Identifikation von Objekten. Hierbei sind die Objekte vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kunststoffobjekten, Metallobjekten, Keramikobjekten, Glasobjekten sowie Mischungen und Kombinationen hiervon, wobei die Objekte besonders bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Haushaltsgeräten, Bekleidung, Elektrogeräten, Fahrzeugen, Pharmaprodukten sowie Mischungen und Kombinationen hiervon. Hierbei ist es besonders bevorzugt, dass die magnetischen Suprapartikel in das Material der Objekte integriert werden. Mit anderen Worten werden die magnetischen Suprapartikel nicht nur oberflächlich auf die Objekte appliziert, sondern in die Matrix der Objekte eingebracht.
  • Anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele soll die vorliegende Erfindung näher erläutert werden, ohne diese auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen und Parameter zu beschränken.
  • In 1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften magnetischen Suprapartikels gezeigt, wie es im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann. Das magnetische Suprapartikel enthält eine Vielzahl magnetischer Nanopartikel mit unterschiedlichen Größen und unterschiedlichen Formen. Diese magnetischen Nanopartikel sind zum magnetischen Suprapartikel assembliert, der in der Folge eine bestimmte Zusammensetzung und Struktur aufweist.
  • In 2 ist eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften magnetischen Suprapartikels gezeigt, wie es im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann. Hierbei sind die magnetischen Nanopartikel, welche im magnetischen Suprapartikel enthalten sind, mit chemischen Gruppen oberflächenmodifiziert. Die magnetischen Nanopartikel sind in 2 in schwarz dargestellt, wohingegen die Oberflächenmodifikation als weiße gestrichelte Linie dargestellt ist. Auch das magnetische Suprapartikel selbst kann eine Oberflächenmodifikation aufweisen.
  • In 3 ist einer schematische Darstellung der Assemblierung zwei weiterer beispielhafter Suprapartikel gezeigt, wie sie im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können. Hierbei werden zunächst in erstem Schritt einzelne magnetische Nanopartikel 1 zu einer Überstruktur 2 assembliert. In dem im oberen Teil der Figur gezeigten Beispiel wird eine sphärische Überstruktur erhalten, wohingegen in dem im unteren Teil der Figur gezeigten Beispiel eine stäbchenförmige Überstruktur erhalten wird. In einem zweiten Schritt erfolgt dann die Agglomeration der jeweiligen Überstruktur 2 zum magnetischen Suprapartikel 3. Letztlich ist somit die Vielzahl magnetischer Nanopartikel zu hierarchischen Substrukturen innerhalb des magnetischen Suprapartikels assembliert. Eigentlich handelt es sich bei den jeweiligen Überstrukturen 2 bzw. Substrukturen bereits um Suprapartikel, welche zur ID-Generierung verwendet werden können. Jedoch kann durch die Agglomeration mehrere (unterschiedlicher) Überstrukturen ein noch größeres Suprapartikel generiert und dadurch ein noch charakteristischeres Signal generiert werden.
  • In 4 ist eine mögliche Herstellung der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Suprapartikel mittels Sprühtrocknung schematisch dargestellt. Hierbei werden magnetische Nanopartikel 1 zu den magnetischen Suprapartikeln 3 assembliert. Dazu werden die magnetischen Nanopartikel 1 in Dispersion als feine (1 µm bis 10 µm) Tröpfchen aus einer Zerstäuberdüse 4 in eine Probenkammer gesprüht. Durch eine erhöhte Temperatur in der Probenkammer verdampft das Lösungsmittel, z.B. Wasser, sukzessive und die einzelnen magnetischen Nanopartikel 1 agglomerieren zu magnetischen Suprapartikeln 3.
  • In 5 sind schematische Darstellungen zwei weiterer beispielhafter magnetischer Suprapartikel gezeigt, wie sie im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können. Im linken Teil der Figur weist das magnetische Suprapartikel eine Schale 5 auf, welche das magnetische Suprapartikel umgibt. Durch die Schale wird das Eindringen eines anderen Matrixmaterials, z.B. das Material eines Objekts, in welchem die magnetischen Suprapartikel enthalten sind, verhindert. Die Schale 5 kann eine Dicke von 1 nm bis 10 µm aufweisen, und/oder ein Material enthalten oder aus diesem bestehen, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siliciumdioxid; Polymeren, beispielsweise Polymethylmethacrylat, Polystyrol, Polyethylenglycol; Metalloxiden, beispielsweise Titandioxid; und Mischungen hiervon, und/oder kann als Beschichtung ausgeführt sein. Im rechten Teil der Figur weist das magnetische Suprapartikel Poren (z.B. mit einer Porengröße von 1 nm bis 60 nm oder mit einer Porengröße zwischen 7 nm und 12 nm) auf, wobei die Poren mit einem Polymer 6 infiltriert bzw. aufgefüllt sind. Durch das Infiltrieren bzw. Auffüllen der Poren wird das Eindringen eines anderen Matrixmaterials, z.B. das Material eines Objekts, in welchem die magnetischen Suprapartikel enthalten sind, verhindert.
  • Ausführungsbeispiele
  • Nachfolgend werden verschiedene Möglichkeiten zur Erstellung eines charakteristischen Signals erklärt und exemplarische Signalverläufe dargestellt.
  • Assemblierung zu Sub-Strukturen und Signalverlauf-Bestimmung
  • Wie bereits in 3 dargelegt, lässt sich ein besonders charakteristisches Signal durch die Assemblierung zu einer Überstruktur bzw. Substruktur erzielen.
  • Dies ist in 6 und 7 veranschaulicht, in denen mittels MPS ermittelte Amplituden-Spektren und Phasen-Spektren vier verschiedener Proben gezeigt sind. In den in 6 dargestellten Amplituden-Spektren ist die relative Amplitudenintensität gegen die höheren Harmonischen aufgetragen. In den in 7 dargestellten Phasen-Spektren ist die Phase gegen die höheren Harmonischen aufgetragen.
  • Der mit der gepunkteten Linie und den Raute-Symbolen gekennzeichnete Graph in 6 und 7 zeigt das jeweilige Spektrum magnetischer Nanopartikel, die in einer Dispersion vorliegen. Der mit der durchgezogenen Linie und den Quadrat-Symbolen gekennzeichnete Graph in 6 und 7 zeigt das jeweilige Spektrum der gleichen magnetischen Nanopartikel, die jedoch mittels Sprühtrocknung zu magnetischen Suprapartikeln assembliert wurden, wie sie auch im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können. Der mit der gestrichelten Linien und den Kreis-Symbolen gekennzeichnete Graph in 6 und 7 zeigt wiederum das jeweilige Spektrum der gleichen magnetischen Nanopartikel, die jedoch zu stäbchenförmigen Überstrukturen assembliert vorliegen. Bei diesen Überstrukturen handelt es sich im Grunde genommen bereits um magnetische Suprapartikel, wie sie im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können. Der mit der Strich-Punkt-Linie und den Dreieck-Symbolen gekennzeichnete Graph in 6 und 7 zeigt schließlich das jeweilige Spektrum der gleichen magnetischen Nanopartikel, die jedoch diesmal zunächst zu stäbchenförmigen Überstrukturen assembliert wurden, welche anschließend mittels Sprühtrocknung zu magnetischen Suprapartikeln assembliert wurden. Bei diesen magnetischen Suprapartikeln sind somit die magnetischen Nanopartikel zu hierarchischen Substrukturen - in Form von Stäbchen - innerhalb des magnetischen Suprapartikels assembliert.
  • Durch die Assemblierung der individuellen Nanopartikel (gepunktete Linie, Rauten-Symbol) zu stäbchenförmigen Überstrukturen (gestrichelte Linie, Kreis-Symbol) lässt sich der Signalverlauf verändern. Diese Assemblierung ist bereits ein Suprapartikel, welches zur Objekt-Markierung verwendet werden kann. Werden die stäbchenförmigen Überstrukturen zu noch größeren Partikeln kombiniert, beispielsweise mittels Sprühtrocknung (Strich-Punkt-Linie, Dreieck-Symbol) kann das Signal wiederum variiert werden. Das dann resultierende Amplitudenintensitäts-Signal (durgezogene Linie, Rechteck-Symbol) ist nahezu identisch zur Sprühtrocknung der ursprünglichen Nanopartikel. Jedoch unterscheiden sich die beiden Kurven hinsichtlich ihrer Phase in Abhängigkeit der höheren Harmonischen, wie in 7 zu erkennen ist. Diese Unterschiede sind insbesondere bis zur circa 20. Harmonischen signifikant. Danach streuen die Messwerte aufgrund des relativ großen Messfehlers (nicht gezeigt) stärker. In diesem Beispiel wird auch deutlich, dass zur Unterscheidung der Code-Objekte entweder die Amplitudenintensitäts-Verläufe, welche hier bei den letztgenannten Proben identisch sind, oder der Verlauf der Phase verwendet werden können oder eine Kombination der beiden.
  • In 8 sind für zwei der bereits zuvor genannten Proben, nämlich für die zu stäbchenförmigen Überstrukturen assemblierten Nanopartikel (gestrichelte Linie, Kreis-Symbol) sowie für die zunächst zu stäbchenförmigen Überstrukturen assemblierten und anschließend mittels Sprühtrocknung zu magnetischen Suprapartikeln mit einer Substruktur agglomerierten Nanopartikel (Strich-Punkt-Linie, Dreieck-Symbol), Quotienten der Amplitudenintensität unterschiedlicher Harmonischer zueinander graphisch dargestellt. Gezeigt sind dabei exemplarisch die fünffache Anregungsfrequenz (A5) geteilt durch die dreifache Anregungsfrequenz (A3) sowie die elffache Anregungsfrequenz (A11) geteilt durch die dreifache Anregungsfrequenz (A3). Die beiden unterschiedlichen Proben lassen sich mit Hilfe der so errechneten Koeffizienten beschreiben und identifizieren. Hierbei ist zu sehen, dass die beiden genannten Proben unterschiedliche Werte der Verhältnisse aufweisen. Die Fehlerbalken der jeweiligen Koeffizienten sind dargestellt, jedoch so klein, dass sie nicht erkennbar sind. Der Quotient A5/A3 beschreibt hierbei die (negative) Steigung der jeweiligen Messkurven zwischen der dritten und fünften Harmonischen, während A11/A3 die (negative) Steigung der jeweiligen Messkurven zwischen der elften und dritten Harmonischen beschreibt. Durch so berechnete Koeffizienten lassen sich die Verläufe unterschiedlicher Messkurven beschreiben. Für eine exaktere Beschreibung des Kurvenverlaufs, lassen sich mathematische Modelle verwenden und beispielsweise alle Messpunkte zueinander ins Verhältnis setzen. Zusätzlich zu den so gewonnenen Amplituden-Koeffizienten, können die Messwerte der Phase in Abhängigkeit der Harmonischen zur Signaleinstellung und Detektion verwendet werden.
  • Variation der Assemblierungsart
  • Eine Assemblierung der individuellen Nanopartikel zu Suprapartikeln kann durch Trocknung dieser geschehen. Durch das Verdampfen des Lösungsmittels agglomerieren bzw. aggregieren die individuellen Nanopartikel und bilden Suprapartikel. Durch unterschiedliche Trocknungsvariationen der Suspension (Raute, gepunktete Darstellung) wie beispielsweise Ofentrocknung, (Kreis, gestrichelte Darstellung) Sprühtrocknung (Rechteck, Liniendarstellung) oder Gefriertrocknung (Dreieck, Strich-Punkt-Darstellung) lassen sich charakteristische Signale hinsichtlich der Phase (9) oder der Amplitudenintensität (10) generieren. Durch die entstehenden unterschiedlichen Wechselwirkungen kann durch Variation der Assemblierungsart ein variierendes Signal eingestellt werden.
  • Dies wird in 9 und 10 verdeutlicht, in denen mittels MPS ermittelte Amplituden-Spektren und Phasen-Spektren vier verschiedener Proben gezeigt sind. In den in 9 dargestellten Amplituden-Spektren ist die relative Amplitudenintensität gegen die höheren Harmonischen aufgetragen. In den in 10 dargestellten Phasen-Spektren ist die Phase gegen die höheren Harmonischen aufgetragen.
  • Der mit der gepunkteten Linie und den Raute-Symbolen gekennzeichnete Graph in 9 und 10 zeigt das jeweilige Spektrum magnetischer Nanopartikel, die in einer Dispersion vorliegen. Der mit der durchgezogenen Linie und den Quadrat-Symbolen gekennzeichnete Graph in 9 und 10 zeigt das jeweilige Spektrum der gleichen magnetischen Nanopartikel, die jedoch mittels Sprühtrocknung zu magnetischen Suprapartikeln assembliert wurden, wie sie auch im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können. Der mit der gestrichelten Linie und den Kreis-Symbolen gekennzeichnete Graph in 9 und 10 zeigt wiederum das jeweilige Spektrum der gleichen magnetischen Nanopartikel, die jedoch mittels Ofentrocknung zu magnetischen Suprapartikeln assembliert wurden. Auch diese magnetischen Suprapartikel können im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Der mit der Strich-Punkt-Linie und den Dreieck-Symbolen gekennzeichnete Graph in 9 und 10 zeigt schließlich das jeweilige Spektrum der gleichen magnetischen Nanopartikel, die jedoch mittels Gefriertrocknung zu magnetischen Suprapartikeln assembliert wurden. Auch diese magnetischen Suprapartikel können im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden.
  • In 9 und 10 ist zu erkennen, dass durch verschiedene Herstellungsmethoden der magnetischen Suprapartikel, in welchen jeweils unterschiedliche Prozessparameter, hier beispielhaft verschiedene Trocknungsparameter der ursprünglichen Suspension, wie Ofentrocknung, Gefriertrocknung oder Sprühtrocknung verwendet werden, sich verschiedene Kurvenverläufe der relativen Amplitudenintensität und verschiedene Phasenverläufe realisieren lassen.
  • Oberflächenmodifikation der Nanopartikel zur Signalvariation
  • Wie anhand von 2 bereits diskutiert, lässt sich ein besonders charakteristisches Signal generieren, indem die verwendeten Nanopartikel oberflächenmodifiziert werden, bevor sie zu Suprapartikeln kombiniert werden.
  • 11 veranschaulicht dies exemplarisch anhand des Signalverlaufs der relativen Amplitudenintensität in Abhängigkeit der höheren Harmonischen. Nichtoberflächenmodifizierte Eisenoxid-Nanopartikel, welche mittels Sprühtrocknung zu magnetischen Suprapartikeln assembliert worden sind (Rechteck-Symbole, durchgezogene Linie), zeigen hierbei einen anderen Signalverlauf als oberflächenmodifizierte Eisenoxid-Nanopartikel, welche mittels Sprühtrocknung zu magnetischen Suprapartikeln assembliert worden sind (Dreieck-Symbole, gepunktete Linie). Hierbei erfolgte die Oberflächenmodifizierung durch eine Funktionalisierung mit einem Silan. Die Phasenverläufe sind nicht dargestellt, können durch Oberflächenmodifikation der Nanopartikel jedoch auch beeinflusst werden.
  • Signalveränderung der Code-Partikel durch Umgebungseinflüsse
  • Es ist möglich, dass sich das charakteristische Signal der magnetischen Suprapartikel durch deren Umgebung ändert. Dies ist exemplarisch in 12 veranschaulicht, in welcher Signalverläufe der relativen Amplitudenintensität in Abhängigkeit der höheren Harmonischen für drei verschiedene Proben dargestellt sind. Verglichen werden hierbei das Signal einer Probe von im erfindungsgemäßen Verfahren verwendbare magnetischen Suprapartikeln (Ursprungssignal; Quadrat-Symbol, durchgezogene Linie), das Signal einer Probe, in der die gleichen magnetischen Suprapartikel in Polyethylenglycol eingearbeitet sind (Dreieck-Signal, gepunktete Linie) und das Signal einer Probe, in der die gleichen magnetischen Suprapartikel in Paraffinwachs eingearbeitet sind.
  • In 12 ist zu erkennen, dass sich das charakteristische Signal der unbehandelten magnetischen Suprapartikel durch Einarbeitung in Polyethylenglycol verändert, wohingegen das Signal bei Einarbeitung in Paraffinwachs unverändert bleibt. Abhängig von Prozessparametern wie mechanischer Beanspruchung, Wechselwirkung mit der Umgebung, Viskosität der Matrix oder ähnlichem kann die Struktur der Suprapartikel verändert werden, was in einem veränderten magnetischen Signal resultiert. Die Partikel wurden in einer Konzentration von ca. 1 Gew.-% mit einem Vortexer der Firma Heathrow Scientific in die hier dargestellten Matrices mittels Schütteln für 2 min bei 1000 rpm eingearbeitet. Diese Veränderung des Signals kann durch geschickte Probenpräparation verhindert oder auch bewusst zur Veränderung des Codes ausgenutzt werden.
  • Durch die Verwendung der Suprapartikel und deren mehrfacher Messung mittels MPS oder MPI können außerdem Strukturveränderungen detektiert werden. Durch strukturveränderende Einflüsse, wie beispielsweise mechanische Beanspruchung, ändert sich die Struktur der Suprapartikel. Beispielhaft ist diese Strukturänderung für Hohlkugel-Suprapartikel in 13 veranschaulicht. Beispielsweise kann die hohle Struktur (teilweise) verändert werden. Die Strukturveränderung resultiert dann in einer Veränderung des detektierten Signals im MPS oder MPI. Durch mehrfache Messung nach unterschiedlichen Strukturveränderungen, können diese detektiert werden und durch geschicktes Anpassen der Suprapartikel Rückschlüsse auf Umgebungseffekte, wie beispielsweise einwirkende mechanische Beanspruchung geschlossen werden. Diese Signaländerung für verschieden starke Druckkräfte ist exemplarisch in 14 dargestellt. Mit zunehmendem Druck auf die ursprünglich intakten Hohlkugeln fällt die relative Amplitudenintensität über die höheren Harmonischen schneller ab. Eine Änderung der Phase durch die strukturverändernden Einwirkungen ist auch denkbar, hier jedoch nicht gezeigt.
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Claims (19)

  1. Verfahren zur Detektion und/oder Identifikation magnetischer Suprapartikel mittels Magnet-Partikel-Spektroskopie oder Magnet-Partikel-Bildgebung, bei welchem a) magnetische Suprapartikel bereitgestellt werden, die jeweils eine Vielzahl magnetischer Nanopartikel enthalten und eine bestimmte Zusammensetzung und/oder Struktur aufweisen, b) die magnetischen Suprapartikel mindestens einem Magnetfeld ausgesetzt werden, wodurch abhängig vom magnetischen Moment der magnetischen Suprapartikel mindestens eine Spannung und/oder ein Spannungsverlauf induziert wird, wobei die mindestens eine Spannung und/oder der Spannungsverlauf als mindestens ein Messsignal detektiert wird, c) aus dem mindestens einen Messsignal mindestens ein Spektrum generiert wird, welches Oberschwingungen enthält, die jeweils eine Amplitude und eine Phase aufweisen, und d) die magnetischen Suprapartikel anhand des mindestens einen generierten Spektrums detektiert und/oder identifiziert werden.
  2. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion und/oder Identifikation der magnetischen Suprapartikel in Schritt d) anhand des Verlaufs der Phasen der Oberschwingungen des mindestens einen Spektrums und/oder anhand relativer Verhältnisse von Intensitäten der Amplituden der Oberschwingungen des mindestens einen Spektrums erfolgt.
  3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die magnetischen Suprapartikel jeweils eine Partikelgröße von 50 nm bis 150 µm, bevorzugt von 1 µm bis 10 µm, aufweisen, und/oder - die magnetischen Nanopartikel der Vielzahl an magnetischen Nanopartikeln jeweils eine Partikelgröße von 1 nm bis 100 nm aufweisen.
  4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Nanopartikel der Vielzahl magnetischer Nanopartikel jeweils eine Grundform aufweisen, welche ausgewählt ist aus einer sphärischen Grundform, einer oktaedrischen Grundform, einer ellipsoidischen Grundform, einer stäbchenförmigen Grundform, einer zylindrischen Grundform und einer kubischen Grundform.
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel der Vielzahl magnetischer Nanopartikel jeweils ein Material enthalten oder aus diesem bestehen, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus ferromagnetischen Materialien, ferrimagnetischen Materialien, superparamagnetischen Materialien und Mischungen hiervon, wobei das Material vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Eisenoxiden, Ferriten und Mischungen hiervon.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl magnetischer Nanopartikel mehrere Arten magnetischer Nanopartikel umfasst, - die sich zumindest in ihrer Partikelgröße voneinander unterscheiden, und/oder - die sich zumindest in ihrer Grundform voneinander unterscheiden, wobei die Grundform vorzugsweise ausgewählt ist aus einer sphärischen Grundform, einer oktaedrischen Grundform, einer ellipsoidischen Grundform, einer stäbchenförmigen Grundform, einer zylindrischen Grundform und einer kubischen Grundform, und/oder - die sich zumindest in ihrem Material voneinander unterscheiden.
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl magnetischer Nanopartikel mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, Arten magnetischer Nanopartikel umfasst, die sich zumindest in ihrer Sättigungsmagnetisierung voneinander unterscheiden, und dass innerhalb von Schritt b) zusätzlich ein statisches oder zeitlich veränderliches Offsetfeld angelegt wird.
  8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl magnetischer Nanopartikel mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, Arten magnetischer Nanopartikel umfasst, die sich zumindest in ihrem Magnetisierungsverhalten in einem angelegten Magnetfeld und/oder in ihrer Sättigungsmagnetisierung voneinander unterscheiden, und dass innerhalb von Schritt b) die magnetische Feldstärke des mindestens einen Magnetfelds und/oder die Frequenz des mindestens einen Magnetfelds variiert wird.
  9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Nanopartikel der Vielzahl an magnetischen Nanopartikeln jeweils mit chemischen Gruppen oberflächenmodifiziert ist, wobei die chemischen Gruppen vorzugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus organischen Säuren, insbesondere Citronensäure, Silanen, insbesondere Octyltriethoxysilan, Polycarboxylatethern und Mischungen hiervon.
  10. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl magnetischer Nanopartikel mehrere Arten magnetischer Nanopartikel umfasst, die sich in ihrer Oberflächenmodifikation voneinander unterscheiden.
  11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Nanopartikel der Vielzahl magnetischer Nanopartikel jeweils einen Kern und eine den Kern umgebende Schale umfassen, wobei die Schale vorzugsweise aus einem anderen Material als der Kern besteht, wobei die Schale besonders bevorzugt aus einem Material besteht, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siliciumdioxid; Polymeren, beispielsweise Polymethylmethacrylat, Polystyrol, Polyethylenglycol; Metalloxiden, beispielsweise Titandioxid; und Mischungen hiervon.
  12. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl magnetischer Nanopartikel mehrere Arten magnetischer Nanopartikel umfasst, die jeweils einen Kern und eine den Kern umgebende Schale umfassen und die sich zumindest bezüglich des Materials der Schale voneinander unterscheiden.
  13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil, bevorzugt alle, der Nanopartikel der Vielzahl magnetischer Nanopartikel zu hierarchischen Substrukturen innerhalb des magnetischen Suprapartikels assembliert sind, wobei die hierarchischen Substrukturen vorzugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Clustern, Kugeln, Stäbchen sowie Mischungen und Kombinationen hiervon.
  14. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Suprapartikel zusätzlich nicht-magnetische Nanopartikel, bevorzugt diamagnetische Nanopartikel und/oder paramagnetische Nanopartikel, enthalten.
  15. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Suprapartikel jeweils eine Schale aufweisen, welche das magnetische Suprapartikel umgibt, wobei die Schale vorzugsweise - eine Dicke von 1 nm bis 10 µm aufweist, und/oder - ein Material enthält oder aus diesem besteht, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siliciumdioxid; Polymeren, beispielsweise Polymethylmethacrylat, Polystyrol, Polyethylenglycol; Metalloxiden, beispielsweise Titandioxid; und Mischungen hiervon, und/oder - als Beschichtung ausgeführt ist.
  16. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Suprapartikel jeweils Poren mit einer Porengröße von 1 nm bis 60 nm, bevorzugt mit einer Porengröße zwischen 7 nm und 12 nm, aufweisen, wobei die Poren mit einem Polymer infiltriert sind.
  17. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Suprapartikel im Anschluss an Schritt d) mindestens einem mechanischen Einfluss, vorzugsweise einem mechanischen Druck und/oder einer Scherung, ausgesetzt werden, durch welche das magnetische Moment der magnetischen Suprapartikel verändert wird, danach die Schritte b) und c) wiederholt werden, und im Anschluss hieran die Änderung des magnetischen Moments der magnetischen Suprapartikel anhand des Vergleichs zwischen dem jeweils im ersten Schritt c) und im zweiten Schritt c) generierten mindestens einen Spektrum detektiert wird.
  18. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Suprapartikel in Schritt a) dadurch bereitgestellt werden, dass mindestens ein Objekt bereitgestellt wird, welches die magnetischen Suprapartikel enthält, wobei das mindestens eine Objekt vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kunststoffobjekten, Metallobjekten, Keramikobjekten, Glasobjekten sowie Mischungen und Kombinationen hiervon, wobei das mindestens eine Objekt besonders bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Haushaltsgeräten, Bekleidung, Elektrogeräten, Fahrzeugen, Pharmaprodukten sowie Mischungen und Kombinationen hiervon.
  19. Verwendung eines Verfahrens gemäß Anspruch 18 zur Detektion und/oder Identifikation von Objekten, wobei die Objekte vorzugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kunststoffobjekten, Metallobjekten, Keramikobjekten, Glasobjekten sowie Mischungen und Kombinationen hiervon, wobei die Objekte besonders bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Haushaltsgeräten, Bekleidung, Elektrogeräten, Fahrzeugen, Pharmaprodukten sowie Mischungen und Kombinationen hiervon.
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