Manipulación de partículas magnéticas en conductos mediante la propagación de paredes de dominio.

Dispositivo para la manipulación de partículas magnéticas (A) en suspensión que comprende:

un sustrato;

un conducto magnético (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) adecuado para la creación, el movimiento y la destrucción de paredes de dominio (HH, TT), estando situado dicho conducto magnético (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) sobre dicho sustrato;

una suspensión de partículas magnéticas (A) situada en las proximidades de la superficie de dicho conducto magnético (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700);

caracterizado por el hecho de que:

dicho conducto magnético (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) comprende una tira de material magnético de manera que dichas partículas magnéticas (A) pueden ser atrapadas, movidas y liberadas a lo largo de dicha tira como consecuencia de la creación, el movimiento y la destrucción de dichas paredes de dominio lo largo de dicha tira y de la interacción entre dichas paredes de dominio (HH, TT) y dichas partículas magnéticas (A), en el que dicha tira comprende una pluralidad de segmentos adyacentes (202b, 203A1, 203An, 204, 302, 303A1, 303An, 304, 303A2(n-1), 303A2n, 303B1, 303Bn, 402, 403A1, 403An, 404, 602, 603, 604) y la longitud de dichos segmentos es sustancialmente mayor que las dimensiones transversales (anchura y grosor) de dichos segmentos (202, 203A1, 203An, 204, 302, 303A1, 303An, 304, 303A2(n-1), 303A2n, 303B1, 303Bn, 402, 403A1, 403An, 404, 602, 603, 604) de manera que dichas paredes de dominio (HH, TT) son paredes de dominio restringidas situadas transversalmente respecto a dicha tira y mantienen su integridad durante el movimiento.

Manipulación de partículas magnéticas en conductos mediante la propagación de paredes de dominio

CAMPO DE LA PRESENTE INVENCIÓN 5

La presente invención se refiere al campo de la manipulación de partículas magnéticas en suspensión. En particular, la presente invención se refiere al campo de la manipulación de partículas magnéticas por medio de la propagación de paredes de dominio. Todavía más concretamente, la presente invención se refiere al campo de la manipulación de partículas magnéticas por medio de la creación, propagación y destrucción de paredes de dominio dentro de 10 conductos de material magnético correctamente estructurados.

ANTECEDENTES

La manipulación controlada de partículas es uno de los principales objetivos de las nanotecnologías. La capacidad 15 de conducir nanopartículas en suspensión con precisión nanométrica juega un papel principal en varios campos de la ciencia y la ingeniería, tales como la química, la física, la ciencia de los materiales, la biotecnología y la medicina. En particular, en el sector químico, biológico y médico, la posibilidad de realizar dispositivos miniaturizados a escala nanométrica y capaces de realizar análisis químicos y biológicos o de síntesis sobre pequeñas cantidades de muestra introducidas por medio de microfluidos es de interés relevante. En general, este tipo de enfoque se define 20 "lab on a chip", que sugiere la ejecución de operaciones típicas de cualquier laboratorio científico a nivel microscópico, es decir, en un "laboratorio" que tiene las dimensiones de un microchip. Dentro de este sector, uno de los campos más prometedores se refiere a la manipulación controlada de partículas magnéticas en solución. Las partículas magnéticas, de hecho, desempeñan un papel particularmente importante para su empleo en aplicaciones de diagnóstico bioquímicas y médicas. Funcionalizando adecuadamente sus superficies, de hecho, es posible 25 emplear partículas magnéticas como vehículos para el transporte o la separación de entidades biológicas gracias a la acción de las fuerzas magnéticas sobre las partículas o como marcadores moleculares para una detección basada en las propiedades magnéticas de las propias partículas.

Varios sistemas "lab on a chip" para la manipulación de partículas magnéticas se basan en complejos dispositivos 30 que pueden comprender varios tipos de micro-válvulas y micro-bombas para la realización de estructuras para el transporte controlado de fluidos que comprenden partículas magnéticas en solución. Estos sistemas, además de ser complejos, y por lo tanto, costosos de diseñar y realizar, requieren también el empleo de aparatos externos que aumentan significativamente las dimensiones globales del sistema.

Por el contrario, existe la posibilidad de mover directamente las partículas magnéticas de manera independiente a partir del movimiento de los fluidos dentro de los cuales se encuentran dispersadas.

Uno de los enfoques empleados para la manipulación de partículas magnéticas se basa en las interacciones entre dichas partículas y un sustrato magnético, en particular un sustrato magnetizado. 40

La idea de base de este enfoque es operar en la configuración magnética del sustrato modificándolo de modo que las partículas magnéticas reaccionen a esta modificación de manera controlada y predecible, aunque la capacidad de control y la previsibilidad conseguidas hasta ahora son muy limitadas. En general, sin embargo, los sistemas conocidos en la literatura se basan en dispositivos magnéticos basados en imanes permanentes macroscópicos o 45 accionados por campos magnéticos externos y por elevadas corrientes eléctricas que deben ser conducidas por circuitos eléctricos apropiados que generalmente son difíciles de diseñar y realizar. Los sistemas basados en el paso de corrientes eléctricas son difíciles de emplear en entornos de reacción húmedos, en particular en presencia de soluciones, y en consecuencia requieren un cuidado exhaustivo con el fin de aislar los contactos eléctricos de las soluciones de partículas magnéticas. 50

Además, debido a la generación de fenómenos de corrientes de Foucault y, en general, al ruido electrónico, los sistemas basados en el paso de corriente eléctrica no permiten la miniaturización de los dispositivos y la creación de sistemas con una alta densidad de dispositivos y un alto nivel de paralelismo.

Uno de los problemas típicos relativos a los sistemas para la manipulación controlada de partículas magnéticas se refiere, además, a la resolución espacial que puede conseguirse. En particular, los sistemas conocidos en la literatura permiten controlar el movimiento de partículas magnéticas con una precisión del orden de algunas micras, aunque sería deseable que pudieran lograr un control mucho más preciso, idealmente en el intervalo de nanómetros.

Otro problema referente a los dispositivos tal como es conocido en la literatura se refiere a la dificultad de manipular con precisión partículas magnéticas individuales. En general, los dispositivos conocidos en la literatura permiten el movimiento de grupos de partículas, y éstos no permiten gestionar el movimiento de partículas individuales.

En L. E. Helseth, T.M. Fischer, T.H. Johansen: "Paramagnetic Beads surfing on domain walls", Phys. Rev. 67, 042401 (2003) , los autores describen una modalidad de movimiento de partículas magnéticas impulsadas por una amplia pared de dominio Bloch sobre una superficie de una película de granate de gadolinio. Debido a la geometría del sistema, un número muy elevado y no controlado de partículas magnéticas se desplaza siguiendo el 5 desplazamiento de la pared de dominio. En consecuencia, el sistema descrito en L. E. Helseth, T.M. Fischer, T.H. Johansen: "Paramagnetic Beads Surfing on domain walls", Phys. Rev. 67, 042401 (2003) es inadecuado para el desplazamiento controlado de partículas magnéticas individuales.

En L. E. Helseth, T.M. Fischer, T.H. Johansen: "Domain wall tip for manipulation of magnetic particles", Phys. Rev. 10 Letters, 91, 208302 (2003) , se emplea una pared de dominio en forma de punta en una superficie de una película magnética. Al desplazar esta pared de dominio en forma de punta por medio de campos externos, las partículas superparamagnéticas en interacción con el elevado campo que sale de la punta de la pared de dominio son desplazadas. El mecanismo para la creación del dominio magnético en forma de punta descrito en L. E. Helseth, T.M. Fischer, T.H. Johansen: "Domain wall tip for manipulation of magnetic particles", Phys. Rev. Letters, 91, 208302 15 (2003) es extremadamente complejo y la posición exacta donde se forma la punta es difícil de controlar. Por otra parte, los desplazamientos obtenidos son de hasta 100 micras con una precisión del orden de una micra.

En Conroy, Zabow Moreland, Koretsky: "Controlled Transport of magnetic particles using soft magnetic patterns", Appl. Phys. Lett. 93, 203901 (2008) , y en Gunnarsson, Roy y otros, "Programmable motion and separation of single 20 magnetic particles on patterned magnetic surfaces" Adv. Mater. 17, 1730 (2005) , se describe el desplazamiento de partículas magnéticas impulsadas por la acción combinada de campos magnéticos giratorios y estructuras ferromagnéticas. Se dirige un campo magnético externo sobre varios puntos de las estructuras magnéticas litografiadas durante el giro del campo y la forma y disposición especial de las estructuras permiten que las partículas magnéticas sigan estos puntos en un movimiento colectivo de avance a lo largo de una dirección 25 particular. Sin embargo, la escala en la que se consideran los desplazamientos está en el intervalo de algunas micras o algunas decenas de micras a baja resolución. Por otra parte, no es posible obtener un control preciso sobre el movimiento de las partículas, ni en su número, durante el desplazamiento de las mismas. Finalmente, los sistemas descritos en estos documentos implican la presencia de campos magnéticos externos permanentes.

En la solicitud de patente americana nº 2008/0080222 A1 se describe un sistema para el desplazamiento digital de partículas paramagnéticas saltando de una pared de dominio a otra en una película continua de un granate magnético. Se muestran dos configuraciones diferentes: la creación de dominios de franjas alternos con paredes de dominios Bloch y la creación de burbujas magnéticas. El desplazamiento de las partículas magnéticas se activa por medio de campos magnéticos externos que varían la disposición de las paredes de dominio o de las burbujas 35 magnéticas con el fin de crear una dirección de desplazamiento preferente. Los sistemas descritos en la solicitud de patente americana nº... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo para la manipulación de partículas magnéticas (A) en suspensión que comprende:

un sustrato; 5

un conducto magnético (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) adecuado para la creación, el movimiento y la destrucción de paredes de dominio (HH, TT) , estando situado dicho conducto magnético (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) sobre dicho sustrato;

una suspensión de partículas magnéticas (A) situada en las proximidades de la superficie de dicho conducto magnético (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) ;

caracterizado por el hecho de que:

dicho conducto magnético (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) comprende una tira de material magnético de manera que dichas partículas magnéticas (A) pueden ser atrapadas, movidas y liberadas a lo largo de dicha tira como consecuencia de la creación, el movimiento y la destrucción de dichas paredes de dominio lo largo de dicha tira y de la interacción entre dichas paredes de dominio (HH, TT) y dichas partículas magnéticas (A) , en el que dicha tira comprende una pluralidad de segmentos adyacentes (202b, 203A1, 203An, 204, 302, 303A1, 303An, 304, 303A2 (n-20 1) , 303A2n, 303B1, 303Bn, 402, 403A1, 403An, 404, 602, 603, 604) y la longitud de dichos segmentos es sustancialmente mayor que las dimensiones transversales (anchura y grosor) de dichos segmentos (202, 203A1, 203An, 204, 302, 303A1, 303An, 304, 303A2 (n-1) , 303A2n, 303B1, 303Bn, 402, 403A1, 403An, 404, 602, 603, 604) de manera que dichas paredes de dominio (HH, TT) son paredes de dominio restringidas situadas transversalmente respecto a dicha tira y mantienen su integridad durante el movimiento. 25

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1,

caracterizado por el hecho de que:

el grosor de dichos segmentos (202b, 203A1, 203An, 204, 302, 303A1, 303An, 304, 303A2 (n-1) , 303A2n, 303B1, 303Bn, 402, 403A1, 403An, 404, 602, 603, 604) es de 100 nm o menos.

3. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 ó 2, 35

caracterizado por el hecho de que:

la anchura de dichos segmentos (202b, 203A1, 203An, 204, 302, 303A1, 303An, 304, 303A2 (n-1) , 303A2n, 303B1, 303Bn, 402, 403A1, 403An, 404, 602, 603, 604) es 1 m o menos.

4. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3,

caracterizado por el hecho de que:

dicha pluralidad de segmentos (202b, 203A1, 203An, 204, 302, 303A1, 303An, 304, 303A2 (n-1) , 303A2n, 303B1, 45 303Bn, 402, 403A1, 403An, 404, 602, 603, 604) comprende una pluralidad de segmentos rectos (202b, 203A1, 203An, 204, 302, 303A1, 303An, 304, 303A2 (n-1) , 303A2n, 303B1, 303Bn, 402, 403A1, 403An, 404, 602, 604) y/o una pluralidad de segmentos curvos (603) de manera que el movimiento de dichas partículas magnéticas (A) a lo largo de dichos segmentos rectos (202b, 203A1, 203An, 204, 302, 303A1, 303An, 304, 303A2 (n-1) , 303A2n, 303B1, 303Bn, 402, 403A1, 403An, 404, 602, 603, 604) es un movimiento digital entre los puntos extremos de dichos 50 segmentos rectos y el movimiento a lo largo de dichos segmentos curvos (603) es un movimiento continuo.

5. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4,

caracterizado por el hecho de que: 55

dicha pluralidad de segmentos adyacentes forma un anillo cuadrado (100) .

6. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, 60

caracterizado por el hecho de que:

dicha pluralidad de segmentos adyacentes (202, 203A1, 203An, 204) forma una estructura en zigzag (203) de modo que el movimiento de dichas partículas (A) a lo largo de dicha estructura en zigzag (203) es un movimiento digital y por el hecho de que dicha tira comprende, además, un inyector (202) y una terminación de tira (204) .

7. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, 5

caracterizado por el hecho de que:

dicha pluralidad de segmentos adyacentes (302, 303A2 (n-1) , 303A2n, 303B1, 303Bn, 304) forma una estructura en zigzag modificada (303) que comprende pares de segmentos oblicuos (303A (2n-1) , 303A2n) situados de manera 10 que forman un ángulo 2 alternado con segmentos horizontales (303Bn) de manera que el movimiento de dichas partículas (A) a lo largo de dicha estructura en zigzag modificada (303) es un movimiento digital y por el hecho de que dicha tira comprende, además, un inyector (302) y una terminación de tira (304) .

8. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, 15

caracterizado por el hecho de que:

dicha tira comprende un inyector (602) , una estructura curva (603) y una terminación de tira (604) de manera que el movimiento de dichas partículas a lo largo de dicha tira es un movimiento continuo. 20

9. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 6 ó 7,

caracterizado por el hecho de que:

dicha tira comprende por lo menos una bifurcación (701) .

10. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 6, 7 ó 9,

caracterizado por el hecho de que: 30

dicha tira comprende segmentos en el plano definido por dicho sustrato y segmentos situados a lo largo de direcciones que salen de dicho plano definido por dicho sustrato para formar un circuito tridimensional.

11. Dispositivo para la manipulación de partículas magnéticas (A) en suspensión, que comprende, 35

un sustrato;

un conducto magnético (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) adecuado para la creación, el movimiento y la destrucción de paredes de dominio (HH, TT) , estando situado dicho conducto magnético (100, 200, 300, 400, 500, 40 600, 700) sobre dicho sustrato;

una suspensión de partículas magnéticas (A) situada en las proximidades de la superficie de dicho conducto magnético (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) ;

caracterizado por el hecho de que:

dicho conducto magnético (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) comprende una tira de material magnético de manera que dichas partículas magnéticas (A) pueden ser atrapadas, movidas y liberadas a lo largo de dicha tira como consecuencia de la creación, el movimiento y la destrucción de dichas paredes de dominio lo largo de dicha tira y de 50 la interacción entre dichas paredes de dominio (HH, TT) y dichas partículas magnéticas (A) , en el que dicha tira forma un anillo circular (500) de manera que el movimiento de dichas partículas (A) a lo largo de dicha tira es un movimiento continuo y en el que la circunferencia del citado anillo circular es sustancialmente mayor que las dimensiones transversales (anchura y grosor) de dicho anillo circular (500) de manera que dichas paredes de dominio (HH, TT) son paredes de dominio restringidas situadas transversalmente respecto a dicha tira y mantienen 55 su integridad durante el movimiento.

12. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 11,

caracterizado por el hecho de que: 60

dicho dispositivo comprende, además, por lo menos un sensor para la detección de paredes de dominio (HH, TT) y/o partículas magnéticas (A) .

13. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 12,

caracterizado por el hecho de que:

dicho material magnético es un material ferromagnético a temperatura ambiente tal como, por ejemplo, permalloy, cobalto, hierro, níquel, manganitas, Fe3O4 o aleaciones Heussler.

14. Aparato para la manipulación de partículas magnéticas, 10

caracterizado por el hecho de que:

dicho aparato comprende un dispositivo para la manipulación de partículas magnéticas (A) que comprende un conducto magnético (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 13; y por el hecho de que dicho aparato comprende, además, medios para la generación, el movimiento y la destrucción de 15 paredes de dominio (HH, TT) en dicho conducto magnético (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) .

15. Aparato de acuerdo con la reivindicación 14,

caracterizado por el hecho de que: 20

dichos medios para la generación, el movimiento y la destrucción de paredes de dominio (HH, TT) comprenden medios para la creación de campos externos.

16. Aparato de acuerdo con la reivindicación 15, 25

caracterizado por el hecho de que:

dichos campos externos comprenden uno de campo magnético externo o campo electromagnético externo.

17. Aparato de acuerdo con la reivindicación 14,

caracterizado por el hecho de que:

dichos medios para la generación, el movimiento y la destrucción de paredes de dominio (HH, TT) comprenden 35 medios para la generación de corrientes eléctricas que pasan por dicho conducto magnético (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) .

18. Aparato de acuerdo con una de las reivindicaciones 14 a 17, 40

caracterizado por el hecho de que:

dicho aparato comprende, además, medios para depositar dicha suspensión de partículas magnéticas (A) en las proximidades de la superficie de dicho conducto magnético (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) tal como, por ejemplo, pipetas, micro-bombas o micro-válvulas. 45

19. Procedimiento para la manipulación de partículas magnéticas,

caracterizado por el hecho de que:

dicho procedimiento comprende las siguientes etapas:

depositar una suspensión de partículas magnéticas (A) en las proximidades de la superficie de un conducto magnético (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) adecuado para la creación, el movimiento y la destrucción de paredes de dominio (HH, TT) y que comprende una tira de material magnético; 55

atrapar por lo menos una de dichas partículas magnéticas (A) a lo largo de dicha tira mediante la creación de por lo menos una pared de dominio (HH, TT) lo largo de dicha tira,

en el que dicha tira comprende una pluralidad de segmentos adyacentes (202b, 203A1, 203An, 204, 302, 303A1, 60 303An, 304, 303A2 (n-1) , 303A2n, 303B1, 303Bn, 402, 403A1, 403An, 404, 602, 603, 604) y la longitud de dichos segmentos es sustancialmente mayor que las dimensiones transversales (anchura y grosor) de dichos segmentos (202b, 203A1, 203An, 204, 302, 303A1, 303An, 304, 303A2 (n-1) , 303A2n, 303B1, 303Bn, 402, 403A1, 403An, 404, 602, 603, 604) de manera que dicha pared de dominio (HH, TT) es una pared de dominio restringida situada transversalmente respecto a dicha tira y mantiene su integridad durante el movimiento.

20. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 19, 5

caracterizado por el hecho de que:

dicho procedimiento comprende, además, las siguientes etapas:

mover dicha partícula atrapada (A) moviendo dicha pared de dominio restringida (HH, TT) lo largo de dicha tira. 10

21. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 19 ó 20,

caracterizado por el hecho de que dicho procedimiento comprende, además, las siguientes etapas:

liberar dicha partícula magnética (A) atrapada mediante la destrucción de dicha pared de dominio restringida (HH, TT) lo largo de dicha tira.

22. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 19 a 21, 20

caracterizado por el hecho de que:

dicho procedimiento comprende, además, las siguientes etapas:

funcionalización de dicha partícula magnética (A) con sustancias adhesivas o con grupos reactivos de superficie de 25 manera que dicha partícula magnética (A) puede enlazarse a por lo menos una molécula o célula no magnética y la manipulación de dicha partícula magnética (A) permite la manipulación de dicha molécula o célula.