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Long core SQUID Rock Magnetometer: High-resolution lake studies, assessing efficacy of drug targeting, and the search for magnetic monopoles

English title Long core SQUID Rock Magnetometer: High-resolution lake studies, assessing efficacy of drug targeting, and the search for magnetic monopoles
Applicant Hirt Ann M.
Number 150629
Funding scheme R'EQUIP
Research institution Institut für Geophysik ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Geophysics
Start/End 01.12.2013 - 30.11.2015
Approved amount 302'302.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Geophysics
Particle Physics
Geology
Cancer

Keywords (5)

drug targeting; magnetic nanoparticles; secular variation; SQUID rock magnetometer; magnetic monopoles

Lay Summary (German)

Lead
Supraleitende Quanteninterferenzeinheit Magnetometer können sehrschwache Magnetisierungen von der Ordnung 3 fT/Hz*-½ messen. Das 2GEnterprises Langkern-Magnetometer wird verwendet um unsere Forschung infolgenden Gebieten zu unterstützen: 1) Untersuchung der zeitlichen undräumlichen Änderungen des Erdmagnetfelds; 2) quantitative Beurteilung derVerteilung magnetischer Nanopartikel für gezielte Pharmakotherapie; und 3)Suche nach magnetischen Monopolen in Materialen vom Large Hadron Collider.
Lay summary

 

Das neue Langkern-Magnetometer mit supraleitender Quanteninterferenzeinheit (SQUID) wird uns in den kommenden Jahren in drei Forschungsgebieten unterstützen: 1) Untersuchung von Säkularvariationen des Erdmagnetfelds im Holozän;  2) quantitative Auswertung der Wirksamkeit gezielter Pharmakotherapie mit magnetischen Nanopartikeln (MNP) und ihrer Verteilung in einem Maus-Modell; und 3) Suche nach gefangenen Monopolen in Materialproben aus dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN oder in Gesteinen. Jedes dieser unterschiedlichen Projekte wird von der Flexibilität des Messsystems profitieren, welche das Langkern-Magnetometer bietet. Im ersten Projekt profitieren wir von der Möglichkeit mehrerer Proben miteinander zu entmagnetisieren und zu messen, wodurch wir eine grössere Anzahl von Proben schneller und effizienter auswerten können. Die so gewonnenen Resultate dienen als Basis für Modelle des Erdmagnetfelds in der Vergangenheit. Das Magnetometer wird uns im zweiten Forschungsgebiet erlauben, unser Messprotokoll zu optimieren, damit wir die biologischen Proben effizienter und einfacher handhaben können. Dies ist wichtig, um das Risiko von Kontamination zu reduzieren. In diesem Projekt wird die remanente Sättigungsmagnetisierung verwendet, um die quantitative Verteilung von MNP im Maus-Modell abzuschätzen. Das dritte Projekt verlangt, dass die Magnetisierung einer grossen Menge von Probenmaterial mehrfach gemessen wird, indem man die Proben mehrmals – in nur einer Richtung – durch den SQUID-Sensor führt. Das neue Magnetometer offeriert die geforderte Empfindlichkeit und mechanische Stabilität, um die nötige grosse Anzahl von Stabproben aus dem LHC effizient zu verarbeiten. Innerhalb des breiteren Forschungsrahmens am Labor für natürlichen Magnetismus an der ETH-Zürich, kann das Langkern-Magnetometer für zahlreiche andere Projekte eingesetzt werden. Wir sind Teil der schweizerischen Partnerschaft in EPOS, und anerkannt als eines der leitenden Forschungslabors in diesem Gebiet innerhalb von Europa.

 

Direct link to Lay Summary Last update: 02.12.2013

Lay Summary (English)

Lead
Superconducting quantum interference device (SQUID) magnetometers can measure very weak magnetizations with detection limits on the order of 3 fT Hz-½. The 2G Enterprises long core SQUID rock magnetometer will be used to expand our research in three directions: 1) exploring temporal and spatial change of the Earth’s magnetic field; 2) assessing the concentration of magnetic nanoparticles in drug delivery; and 3) detecting magnetic monopoles in materials obtained from the Large Hadron Collider.
Lay summary

Das neue Langkern-Magnetometer mit supraleitender Quanteninterferenzeinheit (SQUID) wird uns in den kommenden Jahren in drei Forschungsgebieten unterstützen: 1) Untersuchung von Säkularvariationen des Erdmagnetfelds im Holozän;  2) quantitative Auswertung der Wirksamkeit gezielter Pharmakotherapie mit magnetischen Nanopartikeln (MNP) und ihrer Verteilung in einem Maus-Modell; und 3) Suche nach gefangenen Monopolen in Materialproben aus dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN oder in Gesteinen. Jedes dieser unterschiedlichen Projekte wird von der Flexibilität des Messsystems profitieren, welche das Langkern-Magnetometer bietet. Im ersten Projekt profitieren wir von der Möglichkeit mehrere Proben miteinander zu entmagnetisieren und zu messen, wodurch wir eine grössere Anzahl von Proben schneller und effizienter auswerten können. Dies so gewonnenen Resultate dienen als Basis für Modelle des Erdmagnetfelds in der Vergangenheit. Das Magnetometer wird uns im zweiten Forschungsgebiet erlauben, unser Messprotokoll zu optimieren, damit wir die biologischen Proben effizienter und einfacher handhaben können. Dies ist wichtig, um das Risiko von Kontamination zu reduzieren. In diesem Projekt wird die remanente Sättigungsmagnetisierung verwendet, um die quantitative Verteilung von MNP im Maus-Modell abzuschätzen. Das dritte Projekt verlangt, dass die Magnetisierung einer grossen Menge von Probenmaterial mehrfach gemessen wird, indem man die Proben mehrmals – in nur einer Richtung – durch den SQUID-Sensor führt. Das neue Magnetometer offeriert die geforderte Empfindlichkeit und mechanische Stabilität, um die nötige grosse Anzahl von Stabproben aus dem LHC effizient zu verarbeiten. Innerhalb des breiteren Forschungsrahmens am Labor für natürlichen Magnetismus an der ETH-Zürich, kann das Langkern-Magnetometer für zahlreiche andere Projekte eingesetzt werden. Wir sind Teil der schweizerischen Partnerschaft in EPOS, und anerkannt als eines der leitenden Forschungslabors in diesem Gebiet innerhalb von Europa.

 

Direct link to Lay Summary Last update: 02.12.2013

Responsible applicant and co-applicants

Publications

Publication
Development of a magnetometer-based search strategy for stopped monopoles at the Large Hadron Collider
De Roeck A., Haechler H. -P., Hirt A. M., Joergensen M. -D., Katre A., Mermod P., Milstead D., Sloan T. (2013), Development of a magnetometer-based search strategy for stopped monopoles at the Large Hadron Collider, in EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL C, 72(12), 2212.
Search for Magnetic Monopoles in Polar Volcanic Rocks
Bendtz K., Milstead D., Haechler H. -P., Hirt A. M., Mermod P., Michael P., Sloan T., Tegner C., Thorarinsson S. B. (2013), Search for Magnetic Monopoles in Polar Volcanic Rocks, in PHYSICAL REVIEW LETTERS, 110(12), 121803.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
ETHZ Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Members of ATLAS Experiment CERN Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
140560 Eruptive history of the Oldoinyo Lengai volcano: Constraints on the stratigraphic record in northern Tanzania with implications for volcanological and anthropological research 01.01.2013 Project funding
128695 Archeomagnetism: Paleointensity Data from Archeological Artifacts 01.12.2009 R'EQUIP

Abstract

Superconducting quantum interference device (SQUID) magnetometers are capable of measuring very weak magnetizations with detection limits on the order of 3 fT/v Hz. The first SQUID rock magnetometer was developed to measure the magnetization of lunar rocks from the Apollo space missions (Goree and Fuller, 1976). They soon revolutionized paleomagnetism, because it became possible to study rocks whose remanent magnetizations were too weak to be detected with ring fluxgate magnetometers. They have since become the standard instrument to measure the remanent magnetization in rocks and other weakly magnetized materials, such as brain tissue (e.g., Brem et al., 2005). The first long core magnetometers that allowed a long core sample, or u-channel removed from core segments, to be passed through the SQUID detector for high resolution continuous measurements were introduced in the 1980’s to measure marine sediments collected under the ocean drilling program. In this project we are requesting funds to purchase a 2G Enterprises “He-free”, long core SQUID rock magnetometer to expand our research in three directions. The first project involves the study of temporal and spatial change of the Earth’s magnetic field, i.e., secular variation, over the past 15,000 years in lacustrine sediments. Paleomagnetic data, which records temporal and spatial change of the Earth’s magnetic field over millennial time scales, provide a global picture of the evolution of the Earth’ s magnetic field. This information serves as: 1) input in the construction of field models (e.g., Korte et al., 2011), 2) constraints for models of core dynamics (e.g., Dumberry and Finlay, 2007); and estimates for cosmogenic isotope production and geomagnetic shielding (e.g., Lifton et al., 2008). The long core magnetometer will be used to obtain the paleomagnetic data, whereby we will have the capability to measure multiple samples (discrete mode) at a time, allowing for a more rapid demagnetization of samples. Time is an important factor when measuring lacustrine sediments, because storage of the cores even under refrigeration can lead to chemical alteration of the iron mineralogy. The second application involves a new project that uses magnetic parameters to assess the concentration of magnetic nanoparticles in drug delivery. Preliminary results have shown that the intensity of saturation isothermal remanent magnetization can be used to quantify the amount of magnetic nanoparticles that deposit in liver tissue in a rat model, with an accuracy that exceeds present methods of quantification by a factor of at least 100 (Senn, 2012). The pass through instrument will allow us to reduce handling during experiments, which can greatly reduce risk of contamination. The third application involves the detection of magnetic monopoles. In collaboration with members of the ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider (LHC), we plan to investigate material from the LHC. The 2G Enterprises SQUID rock magnetometer has the necessary sensitivity to detect monopoles that are trapped in material (De Roeck et al., 2012a). Critical for possible detection is that the magnetization of the material can be measured in a scanning mode to record magnetization before and after the material has passed through the SQUID sensor. Our present 2G Enterprises SQUID rock magnetometer was not designed as a pass-though magnetometer, and we have designed a provisional holder to make measurements to test the sensitivity of the SQUID. This makeshift holder can only handle small, light samples; it is thus not suitable for handling the large samples from CERN’s LHC. The new pass-through magnetometer has the necessary sensitivity and mechanical ability to make stable, repeated measurement scans. The versatility of the new magnetometer will enable us to diversify future research directions. The Laboratory of Natural Magnetism has been invited to participate in two international laboratory networks, the European Platform Observing System (EPOS) and an American program for Integrative Graduate Education and Research Traineeship Program (IGERT) on Mesoscale Magnetic Biomaterials. Participation in both will increase demand on laboratory use, and an additional magnetometer will help us meet these needs and remain competitive.
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