DE602004002136T2

DE602004002136T2 - Method for the controlled transport of magnetic particles and associated device

Info

Publication number: DE602004002136T2
Application number: DE602004002136T
Authority: DE
Inventors: Roel Wirix-Speetjens
Original assignee: Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Current assignee: Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: ATE337852T1; DE602004002136D1

Description

Gebiet der ErfindungTerritory of invention

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von mikroelektronischen Vorrichtungen, welche dafür ausgelegt sind, magnetische Kugeln auf einem Chip zu transportieren und zu manipulieren. Anwendungsgebiete sind Biochips, Biosensoren, Diagnostik, Genetik und Molekularstudien.The The present invention relates to the field of microelectronic Devices, which for it are designed to transport magnetic balls on a chip and manipulate. Areas of application are biochips, biosensors, Diagnostics, genetics and molecular studies.

Beschreibung des Standes der Technik und Hintergrund der Erfindungdescription of the prior art and background of the invention

Im Anschluss an die Veröffentlichung des ersten Entwurfes der menschlichen Genomsequenz besteht die nächst größere Aufgabe darin, die Funktion zu bestimmen, die ein jedes der Gene (d.h. > 35.000) in einem jeden der Gewebe in dem Körper über einen Bereich von Umgebungsbedingungen aufweist. Indem man Reihen von Tausenden von Sonden verwendet, welche für einzelne Gene spezifisch sind, werden Serien von geordneten DNA Mikroproben in der Lage sein das Ausmaß zu bestimmen, bis zu welchem einzelne Gene an- oder abgeschaltet werden. Eine genetische Variation unter den Individuen trägt ebenfalls zu der Variation in der Art und Weise bei, wie Gene sich in ihrer Antwort auf Veränderungen der Umgebung verhalten. Eine gleichzeitige Erfassung einer Variation an Tausenden von Stellen (d.h. einzelne Nucleotid-Polymorphismen oder SNPs = single nucleotide polymorphisms) in dem Genom kann auch durch Verwendung der Technologie der Serien von geordneten DNA Mikroproben erreicht werden. Anwendungen von Serien von geordneten DNA Mikroproben schließen daher das Genexpressionsprofilieren, die Gensequenzierung, die Genentdeckung und die Genotypisierung mit ein, dies für Nutzer im Gesundheitswesen, im akademischen Bereich und in den pharmazeutischen und biotechnologischen Industrien. Gegenwärtig basieren die hauptsächlichen Faktoren, welche die Aufnahme der Technologie der Serien von geordneten DNA Mikroproben begrenzen, auf der geringen Empfindlichkeit, den hohen Kosten der Technologie, der Erfordernis eines spezialisierten Bedienungspersonals und eines gewissen Durchsatzes.in the Following the publication the first draft of the human genome sequence has the next major task in determining the function of each of the genes (i.e.,> 35,000) in each the tissues in the body over one Range of environmental conditions. By taking rows of Used thousands of probes specific for individual genes are series of ordered DNA micro samples will be able the extent too determine to which individual genes to turn on or off. Genetic variation among individuals also contributes to the variation in the way genes interact in theirs Answer to changes Behave the environment. A simultaneous detection of a variation at thousands of sites (i.e., single nucleotide polymorphisms or SNPs = single nucleotide polymorphisms) in the genome can also be detected by Using the technology of the series of ordered DNA micro samples achieved become. Applications of series of ordered DNA micro samples therefore conclude Gene expression profiling, gene sequencing, gene discovery and genotyping, for healthcare users, in the academic field and in the pharmaceutical and biotechnological Industries. Currently are the main ones Factors that the inclusion of the technology of the series of ordered Limiting DNA micro samples, on the low sensitivity, the high cost of technology, the requirement of a specialized Operators and a certain throughput.

Elektronische Biochips besitzen das Potential diese Begrenzungen zu überwinden. Hier erlaubt die Ausnutzung von Entwürfen aus der Mikro- und Nano-Technologie gemäß dem Stand der Technik sowie von Herstellungs- und Kennzeichnungswerkzeugen und -verfahren die Entwicklung von Vorrichtungen und Systemen, welche mit biologischen Reaktionen unmittelbar eine Schnittstelle eingehen können. Eine Möglichkeit impliziert das Kombinieren von auf magnetischen Kugeln beruhenden biologischen Prüfungen mit der magnetischen Sensortechnologie. Von einer biotechnologischen Perspektive aus betrachtet sind superparamagnetische Kugeln (0,05-10,0 μm Durchmesser) im Handel seitens einer Vielzahl von Bezugsquellen erhältlich und zwar mit einem gewissen Bereich von chemischen Oberflächenfunktionalisationen für gut eingeführte Anwendungsgebiete einschließlich der Isolierung und des Transports von Nukleinsäuren, Proteinen und ganzen Zellen. In der Mikroelektronik haben magnetische Sensoren auf GMR-Basis eine Steuerungstechnologie für Speicheranwendungen geliefert. Auf diese Weise liefert die Integration von auf paramagnetischen Kugeln beruhenden Nukleinsäuretests an einer funktionalisierten Biochipoberfläche, in welche magnetische Sensoren eingebaut sind, die Grundlage für einen Bereich von Biochipplattformen.electronic Biochips have the potential to overcome these limitations. Here allows the exploitation of designs from the micro and nano technology according to the state technology as well as manufacturing and marking tools and methods the development of devices and systems which to immediately interface with biological reactions can. A possibility implies the combination of magnetic balls based biological tests with the magnetic sensor technology. From a biotechnological Perspective are superparamagnetic spheres (0.05-10.0 μm in diameter) commercially available from a variety of sources and though with a certain range of chemical surface functionalities for good introduced Application areas including the isolation and transport of nucleic acids, proteins and whole Cells. In microelectronics have magnetic sensors based on GMR a control technology for Storage applications delivered. In this way, the integration delivers of paramagnetic bead based nucleic acid assays on a functionalized biochip surface into which magnetic Sensors are incorporated, the basis for a range of biochip platforms.

Neben dem Nachweis der magnetischen Kugeln, stellen der Transport und das Manipulieren der Kugeln einen begrenzenden Faktor dar, welcher bei den Auslegungen und den Verfahren mit Biochips berücksichtigt werden muss.Next the proof of magnetic balls, put the transport and manipulating the balls is a limiting factor which considered in the design and procedures with biochips must become.

In der Vergangenheit sind Systeme für das Manipulieren von magnetischen Mikrokugeln beschrieben worden, welche auf Permanentmagneten oder auf Elektromagneten mit Dimensionen von > 5mm beruhten, welche keine magnetischen Felder ermöglichten, welche über Mikroskalenbereiche lokalisiert waren. Kommerzielle Vorrichtungen existieren für das Sortieren und das Trennen von magnetischen Mikrokugeln, aber sie verfügen nur über eine begrenzte Fähigkeit komplexe Manipulationen von diesen Kugeln durchzuführen, da sie von Permanentmagneten oder von Elektromagneten Gebrauch machen.In the past are systems for the manipulation of magnetic microspheres has been described which on permanent magnets or on electromagnets with dimensions of> 5mm, which did not allow magnetic fields, which over microscale areas were localized. Commercial devices exist for sorting and the separation of magnetic microspheres, but they have only a limited ability perform complex manipulations of these balls, there they use permanent magnets or electromagnets.

Durch Whitesides et al., sind in „Manipulation of magnetic microbeads in suspension using micromagnetic systems fabricated with soft lithography", Applied Physics Letters [Vol 78, Nr. 12 March 19^th 2001, Seiten 1775-1777] sowie in US 2002/0166800 Systeme beschrieben worden, welche Strom führende Drähte umfassen, welche starke, lokale, magnetische Feldgradienten erzeugen können, welche ihrerseits die Position von magnetischen Mikrokugeln in einer wässrigen Suspension kontrollieren können.Whitesides et al., Are described in "Manipulation of magnetic microbeads in suspension using micromagnetic systems fabricated with soft lithography", Applied Physics Letters [Vol. 78, No. 12 March 19 ^th 2001, pages 1775-1777] and in US 2002/0166800 Systems have been described which include current carrying wires capable of generating strong local magnetic field gradients which, in turn, can control the position of magnetic microspheres in an aqueous suspension.

Ziele der ErfindungObjectives of the invention

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein neues Verfahren und entsprechende Vorrichtungen für das Manipulieren und das Transportieren von magnetischen Kugeln auf einem Chip zu liefern. Die Erfindung ist hauptsächlich ausgerichtet auf die Anwendung in dem Bereich der Biochips und Mikrofelder, welche in diagnostischen, genetischen und molekularen Studien verwendet werden, aber sie können dann zur Anwendung kommen, wenn immer es irgend einen Bedarf gibt, einen Transport im Nanoskalen- oder Mikroskalenbereich durchzuführen.It is an object of the invention, a new method and corresponding Devices for manipulating and transporting magnetic balls to deliver on a chip. The invention is mainly oriented on the application in the field of biochips and micro-fields, which used in diagnostic, genetic and molecular studies but they can then be used whenever there is any need to carry out transport in the nano-scale or micro scale range.

Zusammenfassung der ErfindungSummary the invention

Es wird ein Verfahren für den kontrollierten Transport von magnetischen Kugeln zwischen einer Position X und einer verschiedenen Position Y entlang einem Weg P offenbart, bei welchem die magnetischen Kugeln manipuliert oder transportiert werden durch ein sukzessives Anlegen einer Serie von N lokalen, magnetischen Feldern, welche magnetische Feldgradienten verschieden von 0 in der Umgebung der magnetischen Kugeln aufweisen, so wie in Anspruch 1 definiert.It will be a procedure for the controlled transport of magnetic balls between a position X and a different position Y along a path P, in which the magnetic balls manipulated or transported are created by successively applying a series of N local, magnetic fields, which magnetic field gradients different of 0 in the vicinity of the magnetic balls, as well as defined in claim 1.

Magnetische Kugeln sind von dem Stand der Technik her bekannt und sie können Größen zwischen 50 nm und 10 μm aufweisen. Vorzugsweise weisen die magnetischen Kugeln Größen zwischen 100 nm und 5 μm auf. Vorzugsweise sind die magnetischen Kugeln in einem Fluid suspendiert.magnetic Balls are known in the art and they can be sizes between 50 nm and 10 μm exhibit. Preferably, the magnetic balls have sizes between 100 nm and 5 μm on. Preferably, the magnetic balls are suspended in a fluid.

Für den Zweck dieser Erfindung sollte der Ausdruck 'lokales, magnetisches Feld' verstanden werden als das magnetische Feld, das im Wesentlichen von der magnetischen Kugel gefühlt wird. Technisch andere magnetische Felder können zur gleichen Zeit erzeugt werden, als das lokale, magnetische Feld erzeugt wird, aber dann müssen sie sich in einem ausreichend großen räumlichen Abstand von der Kugel befinden. Möglicherweise kann mindestens eines dieser zeitgleichen Felder später ein lokales, magnetisches Feld in dem kontrollierten Transportverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden.For the purpose This invention should be understood to mean the term 'local magnetic field' as the magnetic field, essentially from the magnetic Ball felt becomes. Technically other magnetic fields can be generated at the same time when the local, magnetic field is generated, but then have to they are in a sufficiently large spatial distance from the ball are located. possibly can enter at least one of these simultaneous fields later local, magnetic field in the controlled transport process according to the present Invention.

Bei bevorzugten Ausführungen, welche auf die Anwendungsgebiete von Biochips, Biotechnologie, Diagnostik, Genetik und molekularen Studien abzielen, sind die magnetischen Kugeln an eine biologische oder chemische Probe gebunden. Möglich ist auch, dass die biologische oder chemische Probe schon ein magnetisches Moment trägt und dass ein Koppeln an eine magnetische Kugel nicht mehr notwendig ist; anders herum betrachtet kann die biologische oder chemische Probe eine integrierte magnetische Kugel aufweisen.at preferred embodiments, which focuses on the application areas of biochips, biotechnology, diagnostics, Genetics and Molecular Studies are the magnetic ones Balls bound to a biological or chemical sample. It is also possible that the biological or chemical sample is already a magnetic Moment carries and that coupling to a magnetic ball is no longer necessary is; The other way around is biological or chemical Sample have an integrated magnetic ball.

Vorzugsweise erstreckt sich das lokale, magnetische Feld im Wesentlichen über ein Gebiet, das Dimensionen in der Größenordnung von 5- bis 50-mal die Größe der Kugel oder der Gruppe von Kugeln aufweist. Noch stärker bevorzugt man es wenn sich das lokale, magnetische Feld im Wesentlichen über ein Gebiet ausgebreitet, welches Dimensionen von der Größenordnung von 10- bis 40-mal die Größe der Kugel oder der Gruppe von Kugeln aufweist. Eine Gruppe von Kugeln, welche an einem Ort von minimaler Energie in einem magnetischen Feld lokalisiert ist, kann verschiedene räumliche Verteilungen aufweisen, induziert durch die Gestalt des Feldes. Ein indikatives, aber nicht notwendigerweise genaues Maß für die Größe einer Gruppe von Kugeln kann die Entfernung zwischen dem Beginn und dem Ende der Gruppe sein, gemessen entlang der Stromrichtung. Eine spezifische Gruppe von Kugeln kann auf diese Weise definiert werden als ein Cluster von Kugeln, bei welchem eine jede Kugel zu einer gegebenen Zeit an denselben, physikalischen Ort von minimaler Energie gezogen wird.Preferably The local magnetic field extends essentially over one Area that measures on the order of 5 to 50 times the size of the ball or the group of balls. Even more preferable if it is the local magnetic field is essentially spread over an area which dimensions of the order of magnitude from 10 to 40 times the size of the ball or the group of balls. A group of bullets, which localized in a place of minimal energy in a magnetic field is, can be different spatial Have distributions induced by the shape of the field. One indicative but not necessarily exact measure of the size of a Group of balls can be the distance between the beginning and the Be the end of the group, measured along the current direction. A specific one Group of balls can be defined this way as one Cluster of spheres, in which each sphere is given a given Time at the same, physical place drawn by minimal energy becomes.

Vorzugsweise ist das Anlegen des lokalen, magnetischen Feldes lang genug, um es der magnetischen Kugel zu ermöglichen, sich zu dem Ort ihrer niedrigsten Energie in dem lokalen, magnetischen Feld (L_E_min) zu bewegen. Ausführungsformen, bei denen die Zeitdauer der Anlegung des lokalen, magnetischen Feldes kürzer ist als die Zeitdauer, die notwendig ist, um es der magnetischen Kugel zu ermöglichen, sich zu dem Ort ihrer niedrigsten Energie in dem lokalen, magnetischen Feld zu bewegen, sind auch möglich, aber in dem Moment des Umschaltens zu dem nächsten lokalen, magnetischen Feld muss die Kugel in einem solchen Fall den Wirkungsbereich des nächsten lokalen, magnetischen Feldes erreicht haben, derart dass sie in die Richtung des Ortes ihrer niedrigsten Energie in diesem nächsten lokalen, magnetischen Feld angezogen wird.Preferably the application of the local, magnetic field is long enough to to allow it the magnetic ball to the place of their lowest energy in the local, magnetic field (L_E_min) to move. Embodiments, at the duration of application of the local, magnetic field shorter is considered the time it takes to make it magnetic To allow ball to the place of their lowest energy in the local, magnetic Moving field are also possible but at the moment of switching to the nearest local, magnetic In this case, the sphere must cover the sphere of influence of the field next have achieved local, magnetic field, so that they are in the direction of the place of their lowest energy in this next local, magnetic field is attracted.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein jedes der lokalen, magnetischen Felder, welche einen Gradienten verschieden von 0 in der Umgebung der besagten magnetischen Kugel aufweisen, durch eine einzelne Strom führende Struktur erzeugt wird. Diese Strom führenden Strukturen können durch ein dem Stand der Standardtechnologie entsprechendes Verfahren der Mikroelektronik erzeugt werden.One Aspect of the present invention is that each the local, magnetic fields, which differ a gradient of 0 in the vicinity of said magnetic sphere, through a single current-carrying structure is produced. This stream leading Structures can by a standard state-of-the-art technology the microelectronics are generated.

Die Serie von N aufeinander folgenden, lokalen, magnetischen Feldern kann durch M Strom führende Strukturen erzeugt werden.The Series of N consecutive, local, magnetic fields can lead through M current Structures are generated.

Eine jede dieser Strom führenden Strukturen weist eine nicht konstante Ladungsstromdichte auf, um einen Gradienten verschieden von 0 in der Umgebung der besagten magnetischen Kugel zu erzielen.A each of these electricity leading Structures has a non-constant charge current density to a gradient other than 0 in the vicinity of said to achieve magnetic ball.

Die nicht konstante Ladungsstromdichte kann erzeugt werden durch ein Variieren der Form des Querschnittes der Strom führenden Struktur.The non-constant charge current density can be generated by Varying the shape of the cross-section of the current-carrying structure.

Die nicht konstante Ladungsstromdichte kann erzeugt werden durch ein Variieren der Querschnittsoberflächenausdehnung der Strom führenden Struktur.The non-constant charge current density can be generated by Varying the cross-sectional surface area the current leading Structure.

Die nicht konstante Ladungsstromdichte kann erzeugt werden durch ein Variieren der Breite der Strom führenden Struktur entlang der Stromrichtung.The non-constant charge current density can be generated by Varying the width of the current leading Structure along the current direction.

Die Serie von N Orten mit niedrigster Energie (L_E_min {i}, mit i zwischen 1 und N) der magnetischen Kugeln, entsprechend den Serien von N lokalen, magnetischen Feldern, definiert einen vorher definierten Weg.The Series of N lowest energy places (L_E_min {i}, with i between 1 and N) of the magnetic balls, corresponding to the series of N local, magnetic fields, defines a previously defined Path.

Bei einer bevorzugten Ausführung ist M gleich 2 und die lokalen, magnetischen Felder werden abwechselnd in einer jeden der Strom leitenden Strukturen erzeugt.at a preferred embodiment M equals 2 and the local magnetic fields become alternating generated in each of the current-conducting structures.

Vorzugsweise weisen die Strom führenden Strukturen eine periodische Gestalt auf, gebildet durch ein Wiederholen eines Basisstrukturelementes.Preferably have the current-carrying structures a periodic shape formed by repeating a Basic structure element.

Vorzugsweise weist dieses Basisstrukturelement keine Spiegelsymmetrie in Bezug auf eine Achse auf, welche orthogonal zu der Stromrichtung verläuft.Preferably this basic structural element does not have any mirror symmetry on an axis which is orthogonal to the current direction.

Vorzugsweise nimmt die Querschnittsoberflächenausdehnung ab, wenn sie von einer Seite des Basisstrukturelementes zu der anderen Seite des Basisstrukturelementes entlang der Stromrichtung geht.Preferably takes the cross-sectional surface area when moving from one side of the base structural element to the other Side of the basic structural element along the current direction goes.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Strom führenden Strukturen isometrisch.at a preferred embodiment are the current leaders Structures isometric.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Strom führenden Strukturen gegenseitig übereinander angeordnet, wobei sie über eine Entfernung verschieden von 0 entlang der Stromrichtung verschoben sind.at a preferred embodiment are the current leaders Structures one above the other arranged, passing over a distance different from 0 is shifted along the current direction are.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Strom führenden Strukturen gegenseitig nebeneinander derart angeordnet, dass ihre jeweiligen Stromrichtungen parallel sind und dabei sind beide Strukturen über eine Entfernung verschieden von 0 entlang der parallelen Richtung verschoben.at another preferred embodiment are the current leaders Structures arranged next to each other in such a way that their respective current directions are parallel and both structures are over one Distance different from 0 shifted along the parallel direction.

In vorteilhafter Weise ist die verschobene Entfernung die Hälfte der Länge des Basisstrukturelementes.In Advantageously, the shifted distance is half of Length of the Basic structure element.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Basisstrukturelement eine haifischflossenähnliche oder eine dreiecksähnliche oder eine sägezahnähnliche Form auf.at a preferred embodiment the basic structural element is a shark-fin-like or a triangular-like or a sawtooth-like Shape up.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden bei Nachweisanordnungen für biologische oder chemische Proben, bei denen der kontrollierte Transport von biologischen oder chemischen Proben wichtig ist. Das Verfahren und die Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung liefern solch einen kontrollierten Transport und solch eine kontrollierte Mobilität von Kugeln und damit Testproben und es liefert folglich einen neuen Bereich von neuen Biochip-Testanordnungen; zum Beispiel können Testproben in Richtung auf und heraus aus der Richtung von vorherbestimmten Testgebieten auf einem Biochip transportiert werden.The Method according to the present invention This invention can be used in biological detection systems or chemical samples for which the controlled transport of biological or chemical samples is important. The procedure and the devices according to the present invention Invention provide such a controlled transport and such a controlled mobility of balls and thus test samples and thus it provides a new one Range of new biochip test arrangements; for example, test samples towards and out of the direction of the predetermined Test areas are transported on a biochip.

Das Verfahren und die entsprechenden Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung können angewendet werden bei einem Cluster oder bei einer Gruppe von magnetischen Kugeln, wobei die Isolation, die Ausrichtung und die Sequenzierung der magnetischen Kugeln auf Grund der begrenzten räumlichen Auflösung des vorherbestimmten Weges im Vergleich zu der Dimension der Kugeln erzielt wird. Diese Eigenschaften können im Laboratorium auf vorteilhafte Weise bei der Auslegung der Chips und bei den Analyseverfahren verwendet werden. Sie erlauben zum Beispiel den Transport von einer Kugel nach der anderen – und demzufolge den auf einer biologischen oder chemischen Testprobe beruhenden Transport oder das darauf beruhende Manipulieren. Eine Demonstration dieses Transportes von einer Kugel nach der anderen wird zum Beispiel in den 3, 4 und 7 gezeigt, wo die einzelnen Kugeln (entsprechend den schwarzen Punkten in den Figuren) klar angezeigt werden können.The method and corresponding devices according to the present invention can be applied to a cluster or a group of magnetic spheres, the isolation, alignment and sequencing of the magnetic spheres due to the limited spatial resolution of the predetermined path compared to the dimension the balls is achieved. These properties can be used advantageously in the laboratory in the design of the chips and in the analysis methods. They allow, for example, the transportation of one ball after the other - and consequently the transport or the manipulation based thereon on a biological or chemical test sample. A demonstration of this transport from one bullet to the other, for example, in the 3 . 4 and 7 shown where the individual balls (corresponding to the black dots in the figures) can be clearly displayed.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich demnach auf ein Verfahren zum kontrollierten Transport einer magnetischen Kugel aus einer Position X in eine verschiedene Position Y entlang einem Weg P, welches die nachfolgenden Schritte umfasst:

• ein Anlegen einer Mehrzahl von nacheinander angeordneten, lokalen, magnetischen Feldern, welche magnetische Feldgradienten verschieden von 0 in der Umgebung der besagten magnetischen Kugel aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den darin bestehenden Schritt umfasst
• nacheinander einen Strom an eine Mehrzahl von nacheinander angeordneten Strom führenden Strukturen anzulegen, wobei eine jede der besagten Strom führenden Strukturen eine nicht konstante Ladungsstromdichte aufweist und wobei der angelegte Strom die besagten lokalen, magnetischen Felder erzeugt.

The present invention accordingly relates to a method for the controlled transport of a magnetic ball from a position X to a different position Y along a path P, which comprises the following steps:

Applying a plurality of successively arranged local magnetic fields having magnetic field gradients different from 0 in the vicinity of said magnetic sphere, characterized in that the method comprises the step therein
Sequentially applying a current to a plurality of current carrying structures, each of said current carrying structures having a non-constant charge current density and wherein the applied current generates said local magnetic fields.

Vorzugsweise wird ein jedes besagtes lokales, magnetisches Feld über eine Fläche angelegt, welche Dimensionen von der Größenordnung von 5- bis 50-mal die Dimension einer Kugel oder einer Gruppe von Kugeln aufweist.Preferably every one of these local, magnetic fields becomes over one area created, which dimensions of the order of 5 to 50 times has the dimension of a sphere or a group of spheres.

Vorzugsweise wird ein jedes besagtes lokales, magnetisches Feld ausreichend lange angelegt, um es der magnetischen Kugel zu ermöglichen, sich zu dem Ort ihrer niedrigsten Energie in dem besagten lokalen, magnetischen Feld zu bewegen (L_E_min).Preferably any given local magnetic field will be sufficiently long created to allow the magnetic ball to move to the location of her lowest energy in said local magnetic field move (L_E_min).

Der Weg P kann definiert werden durch die Serien von N Orten mit niedrigster Energie (L_E_min {i}) der besagten magnetischen Kugeln, entsprechend den besagten Serien von N lokalen, magnetischen Feldern.The path P can be defined by the Series of N lowest energy locations (L_E_min {i}) of said magnetic spheres corresponding to said series of N local magnetic fields.

Die Mehrzahl der nacheinander angeordneten Strom führenden Strukturen besteht aus zwei Strom führenden Strukturen und die besagten lokalen, magnetischen Felder werden abwechselnd in einer jeden der besagten Strom führenden Strukturen erzeugt.The There is a plurality of successively arranged current-carrying structures out of two electricity Structures and said local magnetic fields alternately generated in each of said current-carrying structures.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann weiterhin die Schritte der Isolation, der Ausrichtung und/oder der Sequenzierung einer Gruppe von magnetischen Kugeln umfassen, indem eine begrenzte räumliche Auflösung des besagten, vorherbestimmten Weges im Vergleich zu der Kugelgröße bereitgestellt wird.The Method according to the present invention The invention may further include the steps of isolation, alignment and / or sequencing a group of magnetic spheres include a limited spatial resolution provided the said, predetermined path compared to the ball size becomes.

Bei einer spezifischen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Nachweis einer biologischen oder chemischen Probe offenbart, welche den Transport einer magnetischen Kugel umfasst, welche die besagte biologische oder chemische Probe enthält.at a specific embodiment is a method of detecting a biological or chemical Discloses a sample comprising the transport of a magnetic ball, which contains said biological or chemical sample.

Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung für den kontrollierten Transport von magnetischen Kugeln von einer Position X zu einer verschiedenen Position Y, welche mindestens zwei Strom führende Strukturen mit einer nicht konstanten Ladungsstromdichte umfasst, wenn sie einen Strom führen; wobei die besagten Strom führenden Strukturen elektrisch voneinander isoliert sind.One Another aspect of the present invention relates to a device for the controlled transport of magnetic balls from one position X to a different position Y, which has at least two electricity premier Comprises structures with a non-constant charge current density, when they carry a current; said said current leading Structures are electrically isolated from each other.

Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise ferner eine umschaltbare Stromversorgungseinrichtung auf, welche mit der(n) Strom führenden Struktur(en) verbunden ist, wobei die besagte umschaltbare Stromversorgungseinrichtung die Stromzufuhr zwischen den besagten Strom führenden Strukturen bei Umschaltfrequenz hin und her umschaltet.The Device according to the present invention The invention preferably further comprises a switchable power supply device on which with the (n) current leading Structure (s) is connected, said said switchable power supply device the power supply between said current-carrying structures at switching frequency switches back and forth.

Die Strom führenden Strukturen können durch eine mikroelektronische Verfahrenstechnologie auf einem Substrat angeordnet werden.The Current leading Structures can go through a microelectronic process technology on a substrate to be ordered.

Eine jede der Strom führenden Strukturen kann eine variierende Form ihres Querschnitts aufweisen, wenn sie sich entlang der Stromrichtung bewegt.A each of the electricity leading Structures can have a varying shape of their cross section, when moving along the direction of flow.

Vorzugsweise variiert die Oberflächenausdehnung des Querschnitts der besagten Strom führenden Struktur, wenn sie sich entlang der Stromrichtung bewegt.Preferably the surface area varies of the cross section of said current-carrying structure, if they moves along the flow direction.

Vorzugsweise variiert die Breite der besagten Strom führenden Struktur entlang der Stromrichtung.Preferably the width of said current-carrying structure varies along the Current direction.

Die besagten Strom führenden Strukturen können eine identische Form und Größe aufweisen und linear entlang der Stromrichtung angeordnet sein.The said electricity leading Structures can have an identical shape and size and be arranged linear along the direction of flow.

In vorteilhafter Weise nimmt die Oberflächenausdehnung des Querschnitts einer Strom führenden Struktur ab, wenn man von einer Seite der Strom führenden Struktur zu der anderen Seite der Strom führenden Struktur entlang der Stromrichtung übergeht.In Advantageously, the surface area of the cross-section increases a current leading Structure off, if you are from one side of the current Structure to the other side of the current leading structure along the Current direction passes.

Vorzugsweise sind die besagten Strom führenden Strukturen isometrisch.Preferably are the said electricity leading Structures isometric.

Bei einer bevorzugten Ausführung weisen die Strom führenden Strukturen eine identische Form und Größe auf und sie sind derart angeordnet, dass ihre jeweiligen Stromrichtungen parallel sind und dass die Strukturen über eine von 0 verschiedene Entfernung entlang der parallelen Richtung verschoben sind.at a preferred embodiment have the current leading Structures have an identical shape and size and they are so arranged that their respective current directions are parallel and that the structures over a distance different from 0 along the parallel direction are shifted.

Die Strom führenden Strukturen können abwechselnd auf einer jeden Seite des Weges P angeordnet sein.The Current leading Structures can be arranged alternately on each side of the path P.

Die verschobene Entfernung ist die Hälfte der Länge einer Strom führenden Struktur in einer bevorzugten Ausführungsform.The shifted distance is half the Length of one Current leading Structure in a preferred embodiment.

Die Stromrichtung der Strom führenden Strukturen kann in derselben Richtung oder abwechselnd in der entgegengesetzten Richtung verlaufen.The Current direction of the current-carrying structures may be in the same direction or alternately in the opposite direction Direction.

Vorzugsweise weist die Strom führende Struktur eine haifischflossenähnliche oder eine dreiecksähnliche oder eine sägezahnähnliche Form auf.Preferably has the current-carrying structure a shark-fin-like or a triangle-like one or a sawtooth-like Shape up.

Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer Analyse einer Bioprobe mittels eines Biochips, welches als Schritt das Befestigen der besagten Bioprobe an einer magnetischen Kugel umfasst, und wobei der Transport der besagten Bioprobe zwischen verschiedenen funktionalen Gebieten auf dem besagten Biochip gemäß dem Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird; und welches ferner die nachfolgenden Schritte umfasst:

– ein Transportieren der besagten Bioprobe zu einem spezifischen Ort auf dem besagten Biochip.
– ein Transportieren der besagten Bioprobe weg von dem besagten spezifischen Ort.

Another aspect of the present invention relates to a method for performing an analysis of a bioprobe by means of a biochip, comprising as step of attaching said bioprobe to a magnetic sphere, and wherein the transport of said bioprobe between different functional areas on said biochip according to Method according to the present invention is carried out; and which further comprises the following steps:

- transporting said bioprobe to a specific location on said biochip.
Transporting said bioprobe away from said specific location.

Das Verfahren umfasst vorzugsweise ferner die nachfolgenden Schritte:

– ein Anlegen einer biologischen Sonde an einem spezifischen Ort vor dem Transportieren der Kugel, und
– ein Ermöglichen einer biologischen Erkennungsreaktion zwischen der besagten biologischen Sonde und der Bioprobe, wenn sich die Kugel an dem besagten Ort befindet, wobei die Kugel an dem besagten Ort immobilisiert wird.

The method preferably further comprises the following steps:

- applying a biological probe to a specific place before transporting the ball, and
Allowing a biological recognition reaction between said biological probe and the bioprobe when the ball is at said location, the ball being immobilized at said location.

Die biologische Erkennungsreaktion kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus DNA-DNA, DNA-RNA, RNA-RNA, Protein-Nukleinsäure, Protein-Protein, Rezeptor-Ligand und Antikörper-Antigen Wechselwirkungen.The Biological recognition reaction can be selected from the group consisting from DNA-DNA, DNA-RNA, RNA-RNA, protein-nucleic acid, protein-protein, receptor-ligand and antibody antigen Interactions.

Das Verfahren kann ferner einen darin bestehenden Schritt umfassen, einen biochemischen Analyseschritt an der besagten Bioprobe an dem besagten spezifischen Ort durchzuführen oder zu ermöglichen.The Method may further comprise a step a biochemical analysis step on said bioprobe on the perform or allow said specific location.

Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem Biochip zum Transportieren, Trennen, Ausrichten von Kugeln und einer entsprechenden Bioprobe, wobei der besagte Biochip eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.One Another aspect of the present invention is a biochip for transporting, separating, aligning balls and a corresponding one Bioprobe, said biochip comprising a device according to the present invention Invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of drawings

1a und 1b stellen eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung dar, für welche die Herstellung 2 Metallisierungsschritte umfasst ((1) + (2)). 1c und 1d stellen eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung dar, für welche die Herstellung 1 Metallisierungsschritt umfasst. 1a und 1c sind Draufsichten. 1b und 1d sind Schnittansichten jeweils entlang den Linien B-B' und C-C'. 1a and 1b represent a preferred embodiment of the present invention for which the preparation comprises 2 metallization steps ((1) + (2)). 1c and 1d illustrate a preferred embodiment of the present invention for which the preparation comprises 1 metallization step. 1a and 1c are top views. 1b and 1d are sectional views respectively along the lines BB 'and C-C'.

2b und 2d stellen 2 Strom führende Strukturen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, wobei die 2 Strom führenden Strukturen sich um einen Unterschied in der Länge (A-A', B-B') des Basisstrukturelementes unterscheiden. 2 B and 2d FIG. 2 illustrates current-carrying structures according to an embodiment of the present invention, wherein the two current-carrying structures differ by a difference in the length (A-A ', B-B') of the base structural element.

2a und 2c zeigen die Entwicklung der Stromdichte als Funktion der longitudinalen Position in dem Basisstrukturelement. Die Stromdichten in 2 sind in willkürlichen Einheiten aufgetragen. 2a and 2c show the evolution of the current density as a function of the longitudinal position in the base structural element. The current densities in 2 are applied in arbitrary units.

3 stellt ein Bild einer praktischen Verwirklichung einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung entsprechend der 1a dar. 3 FIG. 4 illustrates an image of a practical implementation of a preferred embodiment of the present invention according to FIG 1a represents.

4 stellt ein Bild einer praktischen Verwirklichung einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung entsprechend der 1c dar. 4 FIG. 4 illustrates an image of a practical implementation of a preferred embodiment of the present invention according to FIG 1c represents.

5 zeigt experimentelle Ergebnisse, welche die Beziehung zwischen der Durchschnittsgeschwindigkeit der Kugel und dem Strom in der Strom führenden Struktur gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt, dies für verschiedene Werte der Breite des Basisstrukturelementes. 5 Figure 12 shows experimental results representing the relationship between the average velocity of the sphere and the current in the current carrying structure according to a preferred embodiment of the present invention, for different values of the width of the basic structural element.

6 zeigt experimentelle Ergebnisse, welche die Beziehung zwischen der Durchschnittsgeschwindigkeit der Kugel und dem Strom in der Strom führenden Struktur gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt, dies für verschiedene Werte der Länge des Basisstrukturelementes. 6 Fig. 12 shows experimental results representing the relationship between the average velocity of the sphere and the current in the current carrying structure according to a preferred embodiment of the present invention, for different values of the length of the basic structural element.

7 zeigt mikroskopische Aufnahmen einer einzelnen Partikelbewegung: (a), (b) und (c) zeigen das stufenweise Moment einer Partikel auf einer dualen Metallisierungsvorrichtung und (x), (y) und (z) stehen für eine einzelne Metallisierungsvorrichtung. 7 shows micrographs of a single particle movement: (a), (b) and (c) show the stepwise momentum of a particle on a dual metallization device and (x), (y) and (z) represent a single metallization device.

Detaillierte Beschreibung der Erfindungdetailed Description of the invention

Die Bewegung von magnetischen Kugeln in einem 1-dimensionalen Weg wird erreicht durch das Ausüben einer magnetischen Kraft: F → = ∇ →(M →·B →) The movement of magnetic balls in a 1-dimensional path is achieved by applying a magnetic force: F → = ∇ → (M → B →)

Solch eine magnetische Kraft kann daher erzeugt werden, durch Magnetisieren der super-paramagnetischen Kugel zusammen mit dem Erzeugen eines magnetischen Feldgradienten. Felderzeugungslinien auf einem Chip können beides hervorbringen. Die 1a–b (können hergestellt werden unter Verwendung von 2 Metallisierungsschritten) und die 1c–d (können hergestellt werden unter Verwendung eines einzelnen Metallisierungsschrittes) zeigen Strukturen, welche in der Lage sind, einen magnetischen Feldgradienten zu erzeugen und folglich sind sie in der Lage, eine magnetische Kugel in Richtung auf die kleinste Breite des Leiters oder der Strom führenden Struktur zu ziehen. Die Bilder der entsprechenden realen Beispiele sind in den 3 und 4 dargestellt. Wie aus den 2a–b (Basiselementarstruktur entsprechend einer Länge von 20 μm und einer Breite von 20 μm) und den 2c–d (Basiselementarstruktur entsprechend einer Länge von 40 μm und einer Breite von 20 μm) abgeleitet werden kann, können die Strukturen so gekennzeichnet werden, dass sie einen magnetischen Feldgradienten verschieden von 0 erzeugen, weil ihre Stromdichte innerhalb eines jeden Basisstrukturelementes nicht konstant ist. Diese Strukturen weisen ein sich periodisch wiederholendes Basisstrukturelement auf. In diesem Fall weist das Basisstrukturelement eine haifischflossenähnliche Form auf, aber diese Form kann auch dreiecksähnlich (doppelte Haifischflosse), sägezahnähnlich sein oder sie kann andere Formen annehmen. Indem man einen zweiten Leiter um eine halbe Periode von dem ersten Leiter verschiebt, können magnetische Kugeln auf eine peristaltische Art und Weise von einer minimalen Breite zu einer anderen bewegt werden. Dies geschieht, indem man abwechselnd Gleichströme (DC-Ströme = direct current-Ströme) durch die Leiter umschaltet. Für die gegebenen Beispiele von Strom führenden Strukturen kann eine magnetische Kugelgröße von der Größenordnung von 2 μm bevorzugt werden.Such a magnetic force can therefore be generated by magnetizing the super-paramagnetic sphere together with generating a magnetic field gradient. Field generation lines on a chip can produce both. The 1a -B (can be made using 2 metallization steps) and the 1c -D (can be fabricated using a single metallization step) show structures capable of generating a magnetic field gradient and, thus, are capable of forming a magnetic sphere towards the smallest width of the conductor or current carrying structure to draw. The pictures of the corresponding real examples are in the 3 and 4 shown. Like from the 2a -B (Basiselementarstruktur corresponding to a length of 20 microns and a width of 20 microns) and the 2c -D (basic elemental structure corresponding to a length of 40 μm and a width of 20 μm), the structures can be characterized as producing a magnetic field gradient other than 0 because their current density within each basic structural element is not constant. These structures have a periodically repeating basic structural element. In this case, the basic structural element has a shark-fin-like shape, but this shape may also be triangular-like (double shark fin), sawtooth-like, or it may take other forms. By having one displaces the second conductor by half a period from the first conductor, magnetic balls can be moved in a peristaltic manner from a minimum width to another. This is done by alternately switching DC currents (DC currents = direct current currents) through the conductors. For the given examples of current carrying structures, a magnetic ball size of the order of 2 microns may be preferred.

Vorzugsweise verhalten sich beide Leiter magnetisch auf eine ähnliche Art und Weise. Um dies zu bewerkstelligen, kann zum Beispiel eine erste Metallisierung [TiW (10 nm)/Au (150 nm)/TiW (10 nm)] auf das Substrat aufgetragen werden, worauf eine Passivierungsschicht aus Si₃N₄ [500 nm] folgen kann. Um mit einer flachen Oberfläche zu starten, glättet ein CMP-Schritt die Topographie, wobei eine bestimmte Dicke der Si₃N₄-Schicht aufrechterhalten wird, um beide Leiter zu isolieren. Die zweite Metallisierung kann auf genau dieselbe Art und Weise aufgetragen werden wie die vorhergehende, wieder gefolgt von einer Passivierungsschicht. Auf diese Art und Weise besitzen beide Leiter die gleiche Stromverteilung und damit dasselbe magnetische Verhalten. Andere Planarisierungsschritte, etwa die Verfahrenstechnologie der Eigendrehung auf Glas (SOG = Spin On Glass) oder die damaszener Technik können den Schritt des chemischen mechanischen Polierens (CMP) ersetzen.Preferably, both conductors behave magnetically in a similar manner. To accomplish this, for example, a first metallization [TiW (10 nm) / Au (150 nm) / TiW (10 nm)] can be applied to the substrate, followed by a passivation layer of Si ₃ N ₄ [500 nm] , To start with a flat surface, a CMP step smooths the topography, maintaining a certain thickness of the Si ₃ N ₄ layer to insulate both conductors. The second metallization can be applied in exactly the same way as the previous one, followed again by a passivation layer. In this way, both conductors have the same current distribution and thus the same magnetic behavior. Other planarization steps, such as the spin on glass (SOG) or damascene technique, can replace the step of chemical mechanical polishing (CMP).

Eine coplanare Transportvorrichtung kann hergestellt werden unter Verwendung von Standardtechniken der Halbleitererzeugung und der Fotolithographie auf Si Substraten mit 300 nm thermischem SiO₂. Die Stromleiter [TiW (10 nm)/Au (150 nm)/TiW (10 nm)] wurden unter Verwendung eines abhebenden Verfahrens bedampft und mit einem Muster versehen. Polyimid wurde dann als eine Passivierungsschicht auf die Substrate gesponnen. Nach dem Spinnen wurde das Polyimid während einer Zeitdauer von 20 Minuten bei 350°C ausgehärtet. Schließlich wurden Kontaktwege zu den Leitern geöffnet und die Vorrichtung wurde auf solche Art und Weise verpackt, dass sie dem magnetischen Partikelfluid ermöglichte, auf die Oberfläche des Chips aufgetragen zu werden.A coplanar transport device can be fabricated using standard techniques of semiconductor fabrication and photolithography on Si substrates with 300 nm thermal SiO ₂ . The current conductors [TiW (10 nm) / Au (150 nm) / TiW (10 nm)] were vapor-deposited and patterned using a lift-off method. Polyimide was then spun onto the substrates as a passivation layer. After spinning, the polyimide was cured at 350 ° C for a period of 20 minutes. Finally, contact paths to the conductors were opened and the device was packaged in such a way as to allow the magnetic particle fluid to be applied to the surface of the chip.

Für die gestapelte Leitervorrichtung (siehe 1A) zieht man es vor, die Oberfläche auf der Oberseite des ersten Leiters vor dem Auftragen des zweiten zu planieren, um zu bewirken, dass sich beide Leiter magnetisch auf die gleiche Art und Weise verhalten. Polyimid wurde für diesen Schritt der Planarisierung verwendet, woraufhin ein zweiter Stromleiter aufgetragen wurde. Schließlich wurde eine zweite Polyimidschicht auf die Substrate gesponnen, um als eine Passivierungsschicht zu wirken und Kontaktwege wurden zu den Leitern geöffnet.For the stacked conductor device (see 1A ), it is preferable to level the surface on top of the first conductor prior to application of the second to cause both conductors to behave magnetically in the same manner. Polyimide was used for this planarization step, after which a second conductor was applied. Finally, a second polyimide layer was spun onto the substrates to act as a passivation layer and contact paths were opened to the conductors.

Ströme bis zu 100 mA sind durch die das magnetische Feld erzeugenden Stromleiter mittels einer Stromquelle angelegt worden und eine Umschaltvorrichtung zum Hin- und Herumschalten der Stromquelle ist zwischen den beiden Leitern angewandt worden.Currents up to 100 mA are through the magnetic field generating conductor by means of a power source and a switching device to toggle the power source is between the two Ladders have been applied.

Ein PC wurde verwendet, um den Stromwert und die Umschaltfrequenz zu steuern. Eine CCD Kamera wurde zur optischen Überwachung der Bewegung der magnetischen Partikel verwendet.One PC was used to increase the current value and the switching frequency Taxes. A CCD camera was used to optically monitor the movement of the camera used magnetic particles.

Es wurden Kugeln mit einer sehr gleichmäßigen Größenverteilung für die Experimente verwendet, welche 15 % Magnetit Fe₂O₄ in einer Dextranmatrix enthielten, um regelmäßig geformte Partikel mit einem Durchmesser von 2 Mikron zu bilden. Diese Partikel können beschichtet werden mit kovalent gebundenen, biologischen Mitteln wie etwa mit DNA und Proteinen, ohne dass sich dadurch das Verhalten der Partikel auf signifikante Weise verändern würde. Die Partikel wurden in Wasser suspendiert (andere Flüssigkeiten sind natürlich möglich) mit einer magnetischen Partikeldichte von etwa 0,0625 mg/ml. Ein Volumen von 3 μl wurde für jedes Experiment verwendet. Sobald die Ströme angelegt werden, magnetisieren sich die magnetischen Kugeln und sie beginnen sich in Richtung auf die Stromlinienkanten zu bewegen, angetrieben von dem Gradienten des magnetischen Feldes.Spheres with a very uniform size distribution were used for the experiments which contained 15% magnetite Fe ₂ O ₄ in a dextran matrix to form regularly shaped particles of 2 microns in diameter. These particles can be coated with covalently bound biological agents, such as DNA and proteins, without significantly changing the behavior of the particles. The particles were suspended in water (other liquids are of course possible) with a magnetic particle density of about 0.0625 mg / ml. A volume of 3 μl was used for each experiment. As the currents are applied, the magnetic spheres magnetize and begin to move toward the streamline edges, driven by the gradient of the magnetic field.

Dadurch dass man einen Strom von 50 mA abwechselnd an die zwei Leiter mit einer Frequenz von 0,10 Hz anlegt, kann/können ein (einzelnes) oder mehrere magnetische Partikel gefangen werden und schrittweise entlang der durch die Leiter definierten magnetischen Spur geführt werden. Die 7 zeigt eine Folge von Bildern, welche die Bewegung einer einzelnen magnetischen Partikel sowohl für ein einzelnes Metallisierungsschema (x, y, z) als auch für eine duale Metallisierung (a, b, c) demonstriert. Die 7a zeigt eine Serie von magnetischen Kugeln, welche an den engen Abschnitten des untersten Leiters angeordnet sind während ein DC-Strom hindurchfließt, während 7b die neue Position der Kugeln für einen nachfolgenden Stromimpuls durch den oberen Leiter zeigt. In 7c fließt der Strom wieder durch den untersten Leiter, danach kann man deutlich sehen, dass sich die magnetischen Kugeln um eine ganze Periode nach vorne bewegt haben.By applying a current of 50 mA alternately to the two conductors at a frequency of 0.10 Hz, one (or more) magnetic particles can be trapped and guided stepwise along the magnetic track defined by the conductors. The 7 Figure 11 shows a sequence of images demonstrating the movement of a single magnetic particle for both a single metallization scheme (x, y, z) and a dual metallization (a, b, c). The 7a shows a series of magnetic balls which are arranged at the narrow portions of the lowermost conductor while a DC current is flowing through 7b shows the new position of the balls for a subsequent current pulse through the upper conductor. In 7c the current flows through the bottom conductor again, after which you can clearly see that the magnetic balls have moved forward by a whole period.

Die 7x, 7y, 7z zeigen eine ähnliche Sequenz für den Fall eines einzelnen Metallisierungsschemas.The 7x . 7y . 7z show a similar sequence in the case of a single metallization scheme.

Um die Wirksamkeit des Transports für verschiedene Strukturen zu vergleichen, kann man die Durchschnittsgeschwindigkeit einer magnetischen Kugel als diejenige Entfernung definieren, über welche die Kugel transportiert wird, geteilt durch die minimale Zeit, die erforderlich ist, um den nächsten minimalen Querschnitt (des anderen Leiters) zu erreichen. Diese Zeit kann abgeleitet werden aus dem Maximum der Umschaltfrequenz. Für jedes Experiment wurde eine einzelne magnetische Kugel transportiert, um Variationen hinsichtlich des magnetischen Momentes zu minimieren. Wie erwartet erhöht ein Anheben des Stromes die Durchschnittsgeschwindigkeit der magnetischen Partikel (dargestellt in 5). Ein Anheben des Stromes vergrößert das erzeugte magnetische Feld und folglich erhöht es die magnetische Kraft, welche in Beziehung zu der Durchschnittsgeschwindigkeit steht.To compare the effectiveness of transport for different structures, one can define the average velocity of a magnetic sphere as the distance over which the sphere is transported, divided by the mi minimum time required to reach the next minimum cross-section (of the other conductor). This time can be derived from the maximum of the switching frequency. For each experiment, a single magnetic ball was transported to minimize variations in the magnetic moment. As expected, increasing the current increases the average velocity of the magnetic particles (shown in FIG 5 ). Raising the current increases the generated magnetic field and thus increases the magnetic force which is related to the average speed.

Die 5 zeigt auch den Einfluss der Skalierung der Breite der Basisdreiecksstruktur: eine Abnahme der Breite führt zu einem Anstieg der Durchschnittsgeschwindigkeit der magnetischen Partikel. Man kann schlussfolgern, dass eine Verminderung der Breite den magnetischen Feldgradienten verringern wird und folglich die magnetische Kraft und die Durchschnittsgeschwindigkeit verkleinern wird. Da jedoch eine Verminderung der Breite zu einer höheren durchschnittlichen Stromdichte führt, wird eine solche Verminderung das erzeugte magnetische Feld auch erhöhen. Es stellt sich heraus, dass das letztere der vorherrschende Faktor darstellt.The 5 also shows the influence of the scaling of the width of the base triangular structure: a decrease in the width leads to an increase in the average velocity of the magnetic particles. It can be concluded that decreasing the width will reduce the magnetic field gradient and consequently reduce the magnetic force and average speed. However, since a reduction of the width results in a higher average current density, such a reduction will also increase the generated magnetic field. It turns out that the latter is the predominant factor.

Die 6 zeigt den Einfluss der Skalierung der Länge der Basisdreiecksstruktur. Auf eine ähnliche Art und Weise führt ein Ansteigen des Stromes zu einer höheren Durchschnittsgeschwindigkeit. In diesem Fall führt ein Ansteigen der Länge zu einer kleineren Durchschnittsgeschwindigkeit. Wieder werden, weil ein Ansteigen der Länge den magnetischen Feldgradienten verringert, die magnetische Kraft und die Durchschnittsgeschwindigkeit verkleinert. Die Stromdichte wird weniger beeinflusst und sie ist in diesem Fall nicht der vorherrschende Faktor.The 6 shows the influence of scaling the length of the base triangle structure. In a similar manner, increasing the current will result in a higher average speed. In this case, increasing the length results in a lower average speed. Again, because increasing the length reduces the magnetic field gradient, the magnetic force and the average speed are reduced. The current density is less affected and is not the predominant factor in this case.

Ein Abnehmen der Länge wird die Kraft erhöhen und somit die Durchschnittsgeschwindigkeit einer jeden der magnetischen Partikel. An irgendeinem Punkt ist es jedoch nicht mehr möglich, die magnetische Kraft weiter zu erhöhen, indem man nur die Länge nach unten skaliert.One Slimming the length will increase the power and thus the average speed of each of the magnetic Particle. At some point, however, it is no longer possible that to further increase magnetic force by only the length scaled down.

In der 2 sind die Ergebnisse dieser Simulation für zwei verschiedene Strukturen dargestellt.In the 2 the results of this simulation are shown for two different structures.

Um die Kraft einer magnetischen Kugel zu steigern, kann man ein Material, das den Fluss leitet, unterhalb des ersten Leiters auftragen. Auf diese Weise können das erzeugte magnetische Feld – und folglich die magnetische Kraft – auf der Oberseite des Leiters verdoppelt werden. Dies kann entweder die magnetische Kraft auf eine magnetische Kugel erhöhen oder den Strom durch den Leiter erniedrigen und auf diese Weise die Wärmewirkung (Joule) verkleinern.Around to increase the power of a magnetic ball, one can use a material which directs the flow, apply below the first conductor. On this way you can the generated magnetic field - and consequently the magnetic force - up the top of the ladder will be doubled. This can either increase the magnetic force on a magnetic ball or reduce the current through the conductor and thus the thermal effect (Joule) zoom out.

Experimentelle Ergebnisse beweisen die Wirksamkeit solch einer Konfiguration.experimental Results prove the effectiveness of such a configuration.

Sowohl der Strom als auch die Form des Leiters werden die Umschaltgeschwindigkeit und damit die Gesamtgeschwindigkeit der (Gruppe der) magnetischen Kugel(n) bestimmen.Either the current as well as the shape of the conductor become the switching speed and hence the overall speed of the (group of) magnetic Determine ball (s).

Die 5 zeigt die experimentellen Ergebnisse, welche die Beziehung zwischen der Durchschnittsgeschwindigkeit der Kugel und dem Strom in der Strom führenden Struktur für verschiedene Werte der Breite des Basisstrukturelementes darstellen. Die Ergebnisse sind grafisch aufgetragen für die Basisstrukturelemente mit Breiten von 20, 30 und 40 μm, für eine Länge von 60 μm und für eine Dicke von 6 μm.The 5 Figure 13 shows the experimental results representing the relationship between the average velocity of the sphere and the current in the current carrying structure for various values of the width of the basic structural element. The results are plotted graphically for the basic structural elements with widths of 20, 30 and 40 μm, for a length of 60 μm and for a thickness of 6 μm.

Die 6 zeigt die experimentellen Ergebnisse, welche die Beziehung zwischen der Durchschnittsgeschwindigkeit der Kugel und dem Strom in der Strom führenden Struktur für verschiedene Werte der jeweiligen Länge des Basisstrukturelementes darstellen. Die Ergebnisse sind grafisch aufgetragen für die Basisstrukturelemente mit Längen von 10, 40, 60 und 100 μm, für eine Breite von 20 μm und für eine Dicke von 6 μm.The 6 Figure 13 shows the experimental results representing the relationship between the average velocity of the sphere and the current in the current carrying structure for different values of the respective length of the basic structural element. The results are graphically plotted for the base features with lengths of 10, 40, 60 and 100 μm, for a width of 20 μm and for a thickness of 6 μm.

Typische Ströme können zwischen 10 und 100 mA liegen, aber höhere oder niedrigere Ströme sind nicht ausgeschlossen.typical streams can between 10 and 100 mA, but higher or lower currents not excluded.

Die 7 zeigt mikroskopische Bildaufnahmen einer einzelnen Partikelbewegung: (a), (b) und (c) zeigen das stufenweise Moment einer Partikel auf einer dualen Metallisierungsvorrichtung und (x), (y) und (z) gelten für eine einzelne Metallisierungsvorrichtung.The 7 shows microscopic images of a single particle movement: (a), (b) and (c) show the stepwise momentum of a particle on a dual metallization device and (x), (y) and (z) apply to a single metallization device.

Claims

A method for the controlled transport of a magnetic ball from a position X to a different position Y along a path P on a substrate, comprising the steps of: • applying a plurality of successively arranged local magnetic fields having magnetic field gradients different from 0 in the Environment of said magnetic ball, characterized in that the method comprises the step of: sequentially applying a current to a plurality of successively arranged current-carrying structures, each of said current-carrying structures having a non-constant charge current density and wherein the applied electricity generates said local magnetic fields.

Method according to claim 1 in which each said local magnetic field is applied over an area is what dimensions of the order of 5 to 50 times the size of a sphere or a group of balls.

Method according to claim 1 or 2 where each local magnetic field is sufficient long is applied to allow the magnetic ball to the place of their lowest energy in said local, move magnetic field (L_E_min).

Process according to claims 1 to 3, in which the path P is defined by the series of N places with lowest energy (L_E_min {i}) of said magnetic Spheres, according to the said series of N local, magnetic Fields.

Process according to claims 1 to 4, wherein the plurality of successively arranged stream leading Structures made up of two electricity Structures exists and in which the said local, magnetic Fields alternately leading in each of said current Structures are generated.

Process according to claims 1 to 5, which continues the steps of isolation, alignment and / or sequencing a group of magnetic balls includes a limited spatial resolution provided the said, predetermined path compared to the ball size becomes.

Method for detecting a biological or chemical A sample comprising the transport of a magnetic ball which containing said biological or chemical sample, as in the method according to any the previous claims 1 to 6.

Device for the controlled transport of magnetic balls from one position X to a different position Y, which has at least two electricity premier Comprises structures with a non-constant charge current density, when they carry a current; said said current leading structures are electrically isolated from each other.

Device according to claim 8, which further comprises a switchable power supply device, which with the (n) current leading Structure (s) is connected, said said switchable power supply device the power supply between said current-carrying structures at a Switching frequency switches back and forth.

Device according to claim 8 or 9, in which the current-carrying structures through a microelectronic Process technology are arranged on a substrate.

Device according to any the claims 8 to 10, in which each of the current-carrying structures has a varying Has shape of its cross-section, when moving along the current direction emotional.

Device according to any the claims 8 to 11, in which the surface area the cross section of said current-carrying structure varies, when moving along the direction of flow.

Device according to any the claims 8 to 12, in which the width of said current leading Structure varies along the direction of flow.

Device according to any the claims 8 to 13, in which said current-carrying structures identical Have shape and size and are arranged linearly along the flow direction.

Device according to any the claims 8 to 14, in which the surface area the cross section of a current leading Structure decreases when viewed from one side of the current-carrying structure to the other side of the current-carrying structure goes along the current direction.

Device according to any the claims 8-15, wherein said current carrying structures are isometric are.

Device according to any the claims 8 to 13, in which the current-carrying structures identical Have shape and size and are arranged such that their respective current directions are parallel and such that the structures are over one of 0 different Distance to be moved along the parallel direction.

Device according to claim 17, in which the current leading Structures alternately arranged on each side of the path P. are.

Device according to claim 17 or 18, where the shifted distance is the same as the half the length a current-carrying structure.

Device according to claim 17 or 18, in which the current direction of the current-carrying structures in the same direction.

Device according to claim 17 or 18, in which the current direction of the current-carrying structures is alternately in the opposite direction.

Device according to any the claims 8-19, where the current-carrying structure is a shark-fin-like structure or a triangle-like one or a sawtooth-like Form has.

Method for performing an analysis of a bioprobe by means of a biochip which, as a step, fixing the said Includes bioprobe on a magnetic ball, and wherein the transport said bioprobe between different functional areas on the said biochip according to the method according to any of the claims 1 to 7 performed becomes; and which further comprises the following steps: - a transport said bioprobe to a specific location on the said Biochip. - one Transporting said bioprobe away from the specific location.

Method according to claim 23, wherein the method further comprises the subsequent steps includes: - one Creating a biological probe at a specific location before the Transporting the ball, and - enabling a biological Recognition reaction between said biological probe and the bioprobe when the ball is in said location, wherein the ball is immobilized at said location.

Method according to claim 24, wherein the biological recognition reaction is selected from the group consisting of DNA-DNA, DNA-RNA, RNA-RNA, protein-nucleic acid, protein-protein, Receptor Ligand and Antibody-Antigen Interactions.

Method according to any the claims 23 to 25, further comprising a step therein a biochemical analysis step on said bioprobe on the perform or allow said specific location.

Biochip for transporting, separating, aligning of balls and the corresponding bioprobe, said biochip a device according to claims 8 to 20 includes.