Tunable resistive pulse sensing (TRPS) experiments have been used to quantitatively study the motion of 1 μm superparamagnetic beads in a variable magnetic field. Closed-form theory has been developed to interpret the experiments, incorporating six particle transport mechanisms which depend on particle position in and near a conical pore. For our experiments, calculations indicate that pressure-driven flow dominates electrophoresis and magnetism by a factor of ∼100 in the narrowest part of the pore, but that magnetic force should dominate further than ∼1 mm from the membrane. As expected, the observed resistive pulse rate falls as the magnet is moved closer to the pore, while the increase in pulse duration suggests that trajectories in the half space adjacent to the pore opening are important. Aggregation was not observed, consistent with the high hydrodynamic shear near the pore constriction and the high magnetization of aggregates. The theoretical approach is also used to calculate the relative importance of transport mechanisms over a range of geometries and experimental conditions extending well beyond our own experiments. TRPS is emerging as a versatile form of resistive pulse sensing, while magnetic beads are widely used in biotechnology and sensing applications.

1.
I.
Koh
and
L.
Josephson
,
Sensors
9
,
8130
(
2009
).
2.
J. B.
Haun
,
T. J.
Yoon
,
H.
Lee
, and
R.
Weissleder
,
Nanomed. Nanobiotechnol.
2
,
291
(
2010
).
3.
Q. A.
Pankhurst
,
J.
Connolly
,
S. K.
Jones
, and
J.
Dobson
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
36
,
R167
(
2003
).
4.
M. A. M.
Gijs
,
Microfluid. Nanofluid.
1
,
22
(
2004
).
5.
G. R.
Willmott
,
M.
Platt
, and
G. U.
Lee
,
Biomicrofluidics
6
,
014103
(
2012
).
6.
M.
Platt
,
G. R.
Willmott
, and
G. U.
Lee
,
Small
8
,
2436
(
2012
).
7.
R. B.
Schoch
,
J.
Han
, and
P.
Renaud
,
Rev. Mod. Phys.
80
,
839
(
2008
).
8.
G. R.
Willmott
,
R.
Vogel
,
S. S. C.
Yu
,
L. G.
Groenewegen
,
G. S.
Roberts
,
D.
Kozak
,
W.
Anderson
, and
M.
Trau
,
J. Phys.: Condens. Matter
22
,
454116
(
2010
).
9.
G. R.
Willmott
and
B. E. T.
Parry
,
J. Appl. Phys.
109
,
094307
(
2011
).
10.
J. A.
Somerville
,
G. R.
Willmott
,
J.
Eldridge
,
M.
Griffiths
, and
K. M.
McGrath
,
J. Colloid Interface Sci.
394
,
243
(
2013
).
11.
R.
Vogel
,
W.
Anderson
,
J.
Eldridge
,
B.
Glossop
, and
G. R.
Willmott
,
Anal. Chem.
84
,
3125
(
2012
).
12.
G. R.
Willmott
and
B. G.
Smith
, “Modelling of resistive pulse sensing: Flexible methods for submicron particles,”
ANZIAM Journal
(to be published).
13.
G.
Stober
,
L. J.
Steinbock
, and
U. F.
Keyser
,
J. Appl. Phys.
105
,
084702
(
2009
).
14.
E. A.
Heins
,
Z. S.
Siwy
,
L. A.
Baker
, and
C. R.
Martin
,
Nano Lett.
5
,
1824
(
2005
).
15.
W. J.
Lan
,
D. A.
Holden
,
B.
Zhang
, and
H. S.
White
,
Anal. Chem.
83
,
3840
(
2011
).
16.
W. J.
Lan
,
D. A.
Holden
,
J.
Liu
, and
H. S.
White
,
J. Phys. Chem. C
115
,
18445
(
2011
).
17.
L. T.
Sexton
,
L. P.
Horne
, and
C. R.
Martin
,
Mol. Biosyst.
3
,
667
(
2007
).
18.
S.
Wu
,
S. R.
Park
, and
X. S.
Ling
,
Nano Lett.
6
,
2571
(
2006
).
19.
R.
An
,
J. D.
Uram
,
E. C.
Yusko
,
K.
Ke
,
M.
Mayer
, and
A. J.
Hunt
,
Opt. Lett.
33
,
1153
(
2008
).
20.
S.
Park
,
J.
Lim
,
Y. E.
Pak
,
S.
Moon
, and
Y.
Song
,
Sensors
13
,
6900
(
2013
).
21.
C.
Dekker
,
Nat. Nanotechnol.
2
,
209
(
2007
).
22.
B. M.
Venkatesan
and
R.
Bashir
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
615
(
2011
).
23.
S.
Howorka
and
Z.
Siwy
,
Chem. Soc. Rev.
38
,
2360
(
2009
).
24.
V.
Kurz
,
E. M.
Nelson
,
J.
Shim
, and
G.
Timp
,
ACS Nano
7
,
4057
(
2013
).
25.
S. R.
German
,
L.
Luo
,
H. S.
White
, and
T. L.
Mega
,
J. Phys. Chem. C
117
,
703
(
2013
).
26.
D.
Kozak
,
W.
Anderson
,
R.
Vogel
, and
M.
Trau
,
Nanotoday
6
,
531
(
2011
).
27.
J.
Eldridge
,
A.
Colby
,
G. R.
Willmott
,
S.
Yu
, and
M.
Grinstaff
, “
Use of tunable pores for accurate characterization of micro- and nanoparticle systems in nanomedicine
,” in Selected Topics in Nanomedicine, edited by
T. M. S.
Chang
(
World Scientific
,
Singapore
,
2013
), Chap. 10, pp.
219
255
.
28.
W. J.
Lan
and
H. S.
White
,
ACS Nano
6
,
1757
(
2012
).
29.
N.
Arjmandi
,
W. V.
Roy
,
L.
Lagae
, and
G.
Borghs
,
Anal. Chem.
84
,
8490
(
2012
).
30.
L.
Bacri
,
A. G.
Oukhaled
,
B.
Schiedt
,
G.
Patriarche
,
E.
Bourhis
,
J.
Gierak
,
J.
Pelta
, and
L.
Auvray
,
J. Phys. Chem. B
115
,
2890
(
2011
).
31.
S. J.
Sowerby
,
M. F.
Broom
, and
G. B.
Petersen
,
Sens. Actuators B
123
,
325
(
2007
).
32.
G. R.
Willmott
,
M. F.
Broom
,
M. L.
Jansen
,
R. M.
Young
, and
W. M.
Arnold
, in
Molecular- and Nano-Tubes
(
Springer
,
Berlin
,
2011
), pp.
209
262
.
33.
G. R.
Willmott
and
P. W.
Moore
,
Nanotechnology
19
,
475504
(
2008
).
34.
G. S.
Roberts
,
D.
Kozak
,
W.
Anderson
,
M. F.
Broom
,
R.
Vogel
, and
M.
Trau
,
Small
6
,
2653
(
2010
).
35.
G.
Willmott
and
R.
Young
,
AIP Conf. Proc.
1151
,
153
(
2009
).
36.
D.
Kozak
,
W.
Anderson
,
M.
Grevett
, and
M.
Trau
,
J. Phys. Chem. C
116
,
8554
(
2012
).
37.
G. R.
Willmott
,
R.
Chaturvedi
,
S. J. W.
Cummins
, and
L. G.
Groenewegen
, “Actuation of tunable elastomeric pores: Resistance measurements and finite element modelling,”
Exp. Mech.
(in press).
38.
M. L.
Jansen
,
G. R.
Willmott
,
I.
Hoek
, and
W. M.
Arnold
,
Measurement
46
,
3560
(
2013
).
39.
G. R.
Willmott
,
S. S. C.
Yu
, and
R.
Vogel
, in
Proceedings of the International Conference on Nanoscience and Nanotechnology (ICONN), 2010
, p.
128
.
40.
G. S.
Roberts
,
S.
Yu
,
Q.
Zeng
,
L. C. L.
Chan
,
W.
Anderson
,
A. H.
Colby
,
M. W.
Grinstaff
,
S.
Reid
, and
R.
Vogel
,
Biosens. Bioelectron.
31
,
17
(
2012
).
41.
R.
Vogel
,
G. R.
Willmott
,
D.
Kozak
,
G. S.
Roberts
,
W.
Anderson
,
L.
Groenewegen
,
B.
Glossop
,
A.
Barnett
,
A.
Turner
, and
M.
Trau
,
Anal. Chem.
83
,
3499
(
2011
).
42.
D.
Kozak
,
W.
Anderson
,
R.
Vogel
,
S.
Chen
,
F.
Antaw
, and
M.
Trau
,
ACS Nano
6
,
6990
(
2012
).
43.
M. A.
Booth
,
R.
Vogel
,
J. M.
Curran
,
S.
Harbison
, and
J.
Travas-Sejdic
,
Biosens. Bioelectron.
45
,
136
(
2013
).
44.
L.
Yang
,
M. F.
Broom
, and
I. G.
Tucker
,
Pharm. Res.
29
,
2578
(
2012
).
45.
J.
Parmentier
,
N.
Thomas
,
A.
Müllertz
,
G.
Frickera
, and
T.
Rades
,
Int. J. Pharm.
437
,
253
(
2012
).
46.
E.
van Bracht
,
R.
Raavé
,
W. P. R.
Verdurmen
,
R. G.
Wismans
,
P. J.
Geutjes
,
R. E.
Brock
,
E.
Oosterwijk
,
T. H.
van Kuppevelt
, and
W. F.
Daamen
,
Int. J. Pharm.
439
,
127
(
2012
).
47.
A. H.
Colby
,
Y. L.
Colson
, and
M. W.
Grinstaff
,
Nanoscale
5
,
3496
(
2013
).
48.
N. C.
Bell
,
C.
Minelli
,
J.
Tompkins
,
M. M.
Stevens
, and
A. G.
Shard
,
Langmuir
28
,
10860
(
2012
).
49.
W.
Anderson
,
D.
Kozak
,
V. A.
Coleman
,
Å. K.
Jämting
, and
M.
Trau
,
J. Colloid Interface Sci.
405
,
322
(
2013
).
50.
D.
Upadhyay
,
S.
Scalia
,
R.
Vogel
,
N.
Wheate
,
R. O.
Salama
,
P. M.
Young
,
D.
Traini
, and
W.
Chrzanowski
,
Pharm. Res.
29
,
2456
(
2012
).
51.
T.
Katsuda
,
R.
Tsuchiya
,
N.
Kosaka
,
Y.
Yoshioka
,
K.
Takagaki
,
K.
Oki
,
F.
Takeshita
,
Y.
Sakai
,
M.
Kuroda
, and
T.
Ochiya
,
Sci. Rep.
3
,
1197
(
2013
).
52.
D.
Gazzola
,
S. C. V.
Sluyter
,
A.
Curioni
,
E. J.
Waters
, and
M.
Marangon
,
J. Agric. Food Chem.
60
,
10666
(
2012
).
53.
L.
Pang
,
U.
Nowostawska
,
L.
Weaver
,
G.
Hoffman
,
A.
Karmacharya
,
A.
Skinner
, and
N.
Karki
,
Environ. Sci. Technol.
46
,
11779
(
2012
).
54.
B.
Buchs
,
M. W. H.
Evangelou
,
L. H. E.
Winkel
, and
M.
Lenz
,
Environ. Sci. Technol.
47
,
2401
(
2013
).
55.
G.
Bennett
,
R.
Rajan
,
C. R.
Bunt
, and
M. A.
Hussain
,
N. Z. Vet. J.
61
,
119
(
2013
).
56.
M.
Low
,
S.
Yu
,
M. Y.
Han
, and
X.
Su
,
Aust. J. Chem.
64
,
1229
(
2011
).
57.
Y. S.
Ang
and
L. Y. L.
Yung
,
ACS Nano
6
,
8815
(
2012
).
58.
A. N.
Böing
,
J.
Stap
,
C. M.
Hau
,
G. B.
Afink
,
C.
Ris-Stalpers
,
E. A.
Reits
,
A.
Sturk
,
C. J. F.
van Noorden
, and
R.
Nieuwland
,
Biochim. Biophys. Acta
1833
,
1844
(
2013
).
59.
J.
de Vrij
,
S. L. N.
Maas
,
M.
van Nispen
,
M.
Sena-Esteves
,
R. W. A.
Limpens
,
A. J.
Koster
,
S.
Leenstra
,
M. L.
Lamfers
, and
M. L. D.
Broekman
,
Nanomedicine
8
,
1443
(
2013
).
60.
Y. H.
Ng
,
S.
Rome
,
A.
Jalabert
,
A.
Forterre
,
H.
Singh
,
C. L.
Hincks
, and
L. A.
Salamonsen
,
PLoS ONE
8
,
e58502
(
2013
).
61.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4833075 for further transport analysis details, including diffusion and dielectrophoresis.
62.
S. S.
Shevkoplyas
,
A. C.
Siegel
,
R. M.
Westervelt
,
M. G.
Prentiss
, and
G. M.
Whitesides
,
Lab Chip
7
,
1294
(
2007
).
63.
J. E.
Hall
,
J. Gen. Physiol.
66
,
531
(
1975
).
64.
Z.
Dagan
,
S.
Weinbaum
, and
R.
Pfeffer
,
J. Fluid Mech.
115
,
505
(
1982
).
65.
S. W.
Kowalczyk
,
A. Y.
Grosberg
,
Y.
Rabin
, and
C.
Dekker
,
Nanotechnology
22
,
315101
(
2011
).
66.
D. R.
Lide
,
CRC Handbook of Chemistry and Physics
(
CRC Press
,
Boca Raton
,
2005
).
67.
S.
Reddy
,
L. R.
Moore
,
L.
Sun
,
M.
Zborowski
, and
J. J.
Chalmers
,
Chem. Eng. Sci.
51
,
947
(
1996
).
68.
C. B.
Fuh
,
J. Z.
Lai
, and
C. M.
Chang
,
J. Chromatogr. A
923
,
263
(
2001
).
69.
J.
Happel
and
H.
Brenner
,
Low Reynolds Number Hydrodynamics
(
Noordhoff International Publishing
,
The Netherlands
,
1973
).
70.
R. G.
Gilbert
,
M.
Hess
,
A. D.
Jenkins
,
R. G.
Jones
,
P.
Kratochvil
, and
R. F. T.
Stepto
,
Pure Appl. Chem.
81
,
351
(
2009
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.