BRPI0607205A2

BRPI0607205A2 - dispositivo sensor para detectar partìculas magnéticas, e, método para um processo de biosensor

Info

Publication number: BRPI0607205A2
Application number: BRPI0607205-4A
Authority: BR
Inventors: Josephus A H M Kahlman; Rachel E Thilwind; Menno W J Prins; Mischa Megens; Reinhold Wimberger-Friedl
Original assignee: Koninkl Philips Electronics Nv
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2006-01-30
Publication date: 2011-07-19
Also published as: EP1846766B1; WO2006079998A1; RU2415433C2; JP2008528998A; CN101111769A; EP1846766A1; RU2007132722A; JP5311445B2; US8828740B2; US20080191688A1

Abstract

DISPOSITIVO SENSOR PARA DETECTAR PARTìCULAS MAGNéTICAS, E, MéTODO PARA UM PROCESSO DE BIOSENSOR. Um dispositivo sensor (15) para detectar partículas magnéticas (13) tem uma superficie de ligação (40) com locais de ligação na mesma e inclui: pelo menos um elemento de sensor (23) para detectar a presença de partículas magnéticas (13), meio para atrair estruturas magnéticas incluindo pelo menos uma partícula magnética (13) para e sobre a superficie de ligação (40) do dispositivo sensor (15), e meio para re-arranjar e tomar aleatória a posição de partículas magnéticas individuais (13) com respeito aos locais de ligação na superficie de ligação (40) para dar a locais de ligação em todas as partículas individuais (13) uma probabilidade significativa de ter um tempo de contato com locais de ligação na superficie de ligação (40). Com tal dispositivo sensor (15), a velocidade de detecção de moléculas visadas em um fluido é aumentada.

Description

"DISPOSITIVO SENSOR PARA DETECTAR PARTÍCULASMAGNÉTICAS, E3 MÉTODO PARA UM PROCESSO DE BIOSENSOR"

A presente invenção relaciona-se a sensores, especialmentebiosensores e mais particularmente a métodos para uma etapa de 'atração' e/ou'ligação' atuada magneticamente em um processo de biosensor usando taisbiosensores.

Diagnóstico médico, ambos no laboratório central e naenfermaria, é caracterizado por uma direção para integração e automatização.

A razão para isto é que testes precisam ser fáceis de executar, de um modoseguro e efetivo em custo, com intervenção humana mínima. Ao mesmotempo, há uma necessidade sempre crescente para sensibilidade mais alta eespecificidade de detecção.

Biochips magnéticos foram propostos como um novo meiopara detectar sensivelmente baixas concentrações de moléculas visadas emfluidos corporais para diagnóstico. Tais biochips magnéticos têmpropriedades promissoras para diagnóstico biomolecular, em termos desensibilidade, especificidade, integração, facilidade de uso e custos. Porexemplo sensores de campo magnético magneto-resistivos sensíveis, taiscomo sensores de campo magnético de GMR, podem ser combinados combioquímica adequada para reter seletivamente contas magnéticas, resultandoem um biosensor miniaturizado que é adequado para detecção em um formatode arranjo. A sensibilidade e especificidade de testes rápidos são providasnormalmente por captura dedicada de moléculas de sonda, por exemplo umacombinação de anticorpo-antígeno de alta afinidade. Em um tal imuno-ensaio,as moléculas visadas se tornam intercaladas entre anticorpos sobre um suportesólido e um rótulo que é detectado pelo sensor. Convencionalmente, esterótulo é um fluoróforo, e um leitor de placa é usado para detecção. Nosensaios mais sensíveis, o teste é executado em portadores de conta magnéticaque podem ser atuados, assim a taxa de reação não é mais limitada pordifusão e o teste é acelerado. Detecção magnética combina naturalmenteatuação e detecção usando as contas magnéticas como ambos rótulo eportador. Além desta integração natural, rotulação magnética tem váriasoutras vantagens: líquidos corporais mostram autofluorescência, mas sãodificilmente magnéticos por natureza, que ajuda a melhorar o limite dedetecção. Detecção magnética de partículas magnéticas não requer nenhumaótica cara, contudo é rápida e sensível, e além disso, é bem adequada parasentir diagnóstico miniaturizado, devido à disponibilidade direta de sinaiseletrônicos e ao tamanho pequeno da instrumentação requerida.

O objetivo de um biosensor é detectar e quantificar a presençade uma molécula biológica em uma amostra, normalmente uma solução.Atributos desejados são alta sensibilidade, alta especificidade, e altavelocidade. Além disso, o biosensor é preferivelmente de baixo custo edeveria ser seguro e fácil de usar.

Por muitas décadas, partículas magnéticas foram usadas embiologia para separação, extração e purificação de materiais biológicos. Emrecentes anos, biosensores baseados no uso de partículas magnéticas paraatuação como também detecção começaram a se desenvolver. Nestes estudos,partículas magnéticas são detectadas por métodos ópticos, meios elétricos,bobinas ou sensores magneto-resistivos. Atuação das partículas é usada paraseveridade, para concentrar as partículas perto da superfície de detecção ouaumentar ligação de partícula a partícula.

Para alta sensibilidade e alta velocidade em um ensaiointercalado, o protocolo seguinte pode ser tentado:

Dispersar: Misturar contas na amostra fluida.

Capturar: Deixar objetivos ligar a contas.

Atrair: Trazer contas para a superfície de ligação dodispositivo sensor.

Ligar: Deixar contas formarem laços biológicos à região deligação ou locais de ligação do sensor.

A superfície de ligação do sensor tem uma porção que épreparada quimicamente e/ou bioquimicamente para habilitar ligação departículas, em particular por laços bioquímicos seletivos. No caso de umformato intercalado, o laço bioquímico envolve pelo menos os elementosseguintes: uma área na superfície de ligação de sensor, uma primeira entidadede ligação, um objetivo, uma segunda entidade de ligação, e a conta.

Severidade (isto é, remoção seletiva): Remover contas nãoligadas e ligadas fracamente da superfície de ligação do dispositivo sensor,tanto magneticamente ou não magneticamente. Determinar forças de ligaçãorelativas.

A etapa de captura pode ser feita muito rápida provendo umaalta relação de superfície para volume, isto é, dispersando muitas partículaspequenas na solução. Porém, isto é só útil quando as outras etapas tambémpodem ser feitas muito rápida. Difusão térmica, porém, só dá transporte lentode contas de sub-micrômetro para a superfície de ligação. O transporte podeser aumentado aplicando gradiente de campo magnético, por exemplo comum imã permanente [como em Perrin, J. Immun. Meth. 224,77 (1999) porexemplo].

Além disso, um biosensor incluindo um arranjo de sensores,por exemplo 100 sensores, baseado na detecção magnética de contasmagnéticas, por exemplo, contas superparamagnéticas, pode ser usado paramedir simultaneamente a concentração de um grande número de moléculasbiológicas diferentes (por exemplo proteínas, DNA) em uma solução (porexemplo, sangue). Isto pode ser alcançado prendendo contas magnéticas àmolécula visada, magnetizando estas contas com um campo magnéticoaplicado e usando um sensor de Magneto-Resistência Gigante (GMR) paradetectar o campo de dispersão das contas magnetizadas, qual campo dedispersão é dependente da concentração. Figura 1 mostra um exemplo deexcitação integrada. Uma corrente fluindo em fio de corrente Ia gera umcampo magnético, que magnetiza uma conta magnética 2, que é presa a umamolécula visada 3. Conseqüentemente, as contas 2 presentes a uma superfíciede ligação 6 do dispositivo sensor, cada uma desenvolve um momentomagnético m indicado pelas linhas de campo 7. O campo de dispersão daconta magnética 2 introduz um componente de magnetização em plano Hextno sensor de GMR 4, que resulta em uma mudança de resistência ARgmr(Hext). Na Figura 1, o componente em plano Hext é indicado por seta 5.

A fim de alcançar um tempo de ensaio curto, as contasmagnéticas 2 têm que ser atuadas magneticamente, isto é, por meio de atuaçãomagnética atraídas à superfície de ligação 6. Depois disso, o processo deligação precisa acontecer tão eficientemente quanto possível. Isto significaque (i) as partículas precisam ser concentradas sobre as zonas de ligação comsensibilidade de detecção mais alta pelos sensores, e (ii) que todas aspartículas precisam ter possibilidades ótimas para formar os laçosbioquímicos desejados à superfície de ligação. Uma desvantagem de atraçãopor um ímã permanente externo grande é que as partículas magnéticasformam agregados grandes e estáticos na superfície, que não dá condições deligação ótimas à superfície de ligação. Além disso, ímãs podem ter grandescampos magnéticos em plano 5, que influenciam a sensibilidade do sensormagnético devido a deslocamento do ponto de operação da característica demudança de resistência não linear R(H) do sensor. Além disso, os grandescampos magnéticos podem desorientar o sensor e introduzir formaçãomagnética no sensor devido a sua característica histerética.

É um objetivo da presente invenção prover aparelho e métodosmelhorados para atuação de biosensor. Uma vantagem de concretizações dapresente invenção pode ser otimização do processo de 'ligação', por exemploaumentando a eficiência de contato (para maximizar a taxa de ligaçãobiológica especifica quando a conta está perto da superfície de ligação) e/ou otempo de contato (o tempo total que contas individuais estão em contato coma superfície de ligação). Uma vantagem de concretizações da presenteinvenção pode ser aumentar a velocidade da detecção de moléculas visadasem um fluido ao usar partículas magnéticas como rótulos em um dispositivosensor tal como por exemplo um dispositivo sensor magnético para a detecçãodas partículas magnéticas. Uma vantagem da presente invenção é um sensoradequado para uso de biosensor de alta taxa. Os métodos e aparelho de acordocom concretizações da presente invenção permitem a detecção de moléculasvisadas tais como por exemplo, proteínas, anticorpos, ácidos nucléicos (porexemplo, ADN, ARN), peptídeos, oligo ou polissacarídeo ou açúcares, emfluidos, por exemplo, fluidos biológicos, tais como saliva, escarro, sangue,plasma de sangue, fluido intersticial ou urina, com alta sensibilidade eespecificidade.

O objetivo anterior é realizado por um método e dispositivo deacordo com a presente invenção.

Aspectos particulares e preferidos da invenção são mostradosnas reivindicações independentes ou dependentes acompanhantes.Características das reivindicações dependentes podem ser combinadas comcaracterísticas das reivindicações independentes e com características deoutras reivindicações dependentes como apropriado e não meramente comomostrado explicitamente nas reivindicações.

Em um primeiro aspecto da presente invenção, um dispositivosensor, por exemplo, um dispositivo sensor magnético, para detectarpartículas magnéticas é provido, o dispositivo sensor tendo uma superfície deligação com locais de ligação na mesma e incluindo:

pelo menos um elemento de sensor para detectar a presença departículas magnéticas;

meio para atrair estruturas magnéticas para e sobre a superfíciede ligação do dispositivo sensor, ditas estruturas magnéticas incluindo pelomenos uma partícula magnética; e

meio para re-arranjar e tornar aleatória a posição de partículasmagnéticas individuais com respeito aos locais de ligação na superfície deligação para dar a locais de ligação em todas as partículas magnéticasindividuais uma probabilidade significativa para ter um tempo de contato comlocais de ligação na superfície de ligação.

Re-arranjando e tornando aleatória a posição de partículasmagnéticas individuais com respeito aos locais de ligação na superfície deligação provê uma ligação melhorada das partículas magnéticas sobre oslocais de ligação. As partículas magnéticas individuais podem ser partículasque fazem parte de uma estrutura magnética de múltiplas partículas.

Um dispositivo sensor de acordo com concretizações dapresente invenção pode além disso incluir meio gerador de campo, emparticular meio gerador de campo magnético, adaptado para formar estruturasmagnéticas de múltiplas partículas tendo um eixo longo substancialmenteparalelo com a superfície de ligação do dispositivo sensor, ditas estruturas demúltiplas partículas incluindo uma pluralidade de partículas magnéticasindividuais.

Formando estruturas de múltiplas partículas tendo um eixolongo substancialmente paralelo com a superfície de ligação do dispositivosensor, uma distância pequena entre a maioria das partículas ou contas emuma estrutura de múltiplas partículas e a superfície de ligação pode seralcançada, porque as estruturas de múltiplas partículas estão alinhadas aolongo da superfície de ligação.

O pelo menos um elemento de sensor preferivelmente pode serum elemento de sensor magnético tal como por exemplo a elemento de sensorde GMR, TMR, AMR ou Hall, mas também pode ser outro elemento desensor tal como, por exemplo, um elemento de sensor óptico.Conseqüentemente, em vez de detecção magnética de partículas, as partículastambém podem ser detectadas opticamente.

Para partículas magnéticas presentes em um volume deamostra, o meio para re-arranjar e tornar aleatória a posição das partículasmagnéticas individuais pode ser adaptado tal que partículas magnéticasindividuais sejam afrouxadas da superfície de ligação tal que 90% daspartículas magnéticas individuais que fazem parte de uma estruturamagnética, por exemplo uma própria partícula individual ou uma estrutura demúltiplas partículas, ficam dentro de 10% ou menos do volume de amostra.

Conseqüentemente, durante re-arranjo e processo de tornar aleatória, aspartículas magnéticas não vão longe da superfície de ligação em uma direçãosubstancialmente perpendicular à superfície de ligação. As partículasmagnéticas preferivelmente ficam dentro de 100 μπι da superfície de ligação emais preferivelmente ficam dentro de 10 μιη da superfície de ligação em umadireção substancialmente perpendicular à superfície de ligação. Processo detornar aleatórias as partículas magnéticas pode ser executado por exemplomudando um gradiente magnético em tempo, em amplitude, em freqüência(dependendo da amplitude e da anisotropia magnética das partículasmagnéticas) ou em direção. Alternativamente, a fim de tornar aleatóriaspartículas magnéticas, elas podem ser excitadas por vibração ou expostas afluxo de fluido.

O sensor pode ser na forma de um cartucho descartável comum leitor de cartucho para prover uma leitura do sensor. O sensor pode serintegrado parcialmente ou completamente sobre um chip de semicondutor. Omeio gerador de campo adaptado para formar estruturas magnéticas demúltiplas partículas pode, de acordo com concretizações da invenção, ser ummeio gerador de campo magnético no chip, por exemplo fios de corrente, ouum meio gerador de campo magnético fora do chip. O meio gerador de campomagnético fora do chip pode ser um meio gerador de campo magnéticopresente no cartucho descartável para o biosensor, mas não no chip, ou podeestar presente no leitor de cartucho.

Preferivelmente o chip e cartucho são feitos de materiais quesão adequados para fabricação em massa de baixo custo, tais como materiaisorgânicos ou inorgânicos, por exemplo silício, vidro, plásticos, compostos,cerâmicas, etc.

De acordo com concretizações da invenção, estruturas demúltiplas partículas podem ser cadeias de partículas magnéticas, anéis departículas magnéticas, agrupamentos de partículas magnéticas ou outrasestruturas de múltiplas partículas conhecidas. Estas estruturas têm um eixolongo se achando essencialmente em plano, isto é, um eixo se achando em umplano. A orientação do eixo longo é dependente da orientação de camposmagnéticos aplicados. O eixo longo pode ser reto ou curvado.

O meio para atrair as estruturas magnéticas, por exemplopartículas individuais ou estruturas de múltiplas partículas, para e sobre asuperfície de ligação do dispositivo sensor pode ser um meio no chip ou forado chip. O meio para atrair ditas estruturas magnéticas, por exemplopartículas individuais ou estruturas de múltiplas partículas, para e sobre asuperfície de ligação do dispositivo sensor pode ser um elemento no chip oufora do chip tendo uma permeabilidade relativa maior que um, isto é, o meiopara atrair ditas estruturas magnéticas, por exemplo partículas individuais ouestruturas de múltiplas partículas, pode incluir um guia de fluxo. O elementono chip ou fora do chip pode ser um tipo de elemento de MEMS (sistemamicroeletromecânico) que pode mudar posição ou forma a fim de variar umgradiente de campo magnético para atrair as estruturas magnéticas, porexemplo partículas individuais ou estruturas de múltiplas partículas, para esobre a superfície de ligação do dispositivo sensor.

Em uma concretização particular da invenção, o meio paraatrair as estruturas magnéticas, por exemplo partículas individuais ouestruturas de múltiplas partículas para e sobre a superfície de ligação dodispositivo sensor pode incluir um primeiro fio de corrente e pelo menos umfio de corrente adicional. Em outra concretização, o meio para atrair asestruturas magnéticas, por exemplo partículas individuais ou estruturas demúltiplas partículas, pode ser um arranjo de fios de corrente.

Em um segundo aspecto, a invenção provê também ummétodo para um processo de biosensor, o processo de biosensor incluindodetecção de partículas magnéticas por meio de um dispositivo sensor tendouma superfície de ligação com locais de ligação nele. O método inclui:

atrair ditas estruturas magnéticas incluindo pelo menos umapartícula magnética para e sobre a superfície de ligação do dispositivo sensor,re-arranjar e tornar aleatória a posição das partículasmagnéticas individuais com respeito aos locais de ligação na superfície deligação para dar a locais de ligação em todas as partículas magnéticasindividuais uma probabilidade significativa de ter um tempo de contato comlocais de ligação na superfície de ligação.

Para partículas magnéticas presentes em um volume deamostra, re-arranjar e tornar aleatória a posição das partículas magnéticasindividuais pode ser adaptada tal que partículas magnéticas individuais sejamafrouxadas da superfície de ligação de tal modo que 90% das partículasmagnéticas individuais que fazem parte de uma estrutura magnética, porexemplo uma própria partícula individual ou uma estrutura de múltiplaspartículas, fique dentro de 10% ou menos do volume de amostra.Conseqüentemente, durante re-arranjo e processo de tornar aleatória, aspartículas magnéticas não vão longe da superfície de ligação em uma direçãosubstancialmente perpendicular à superfície de ligação. As partículasmagnéticas preferivelmente ficam dentro de 100 μιη da superfície de ligação emais preferivelmente ficam dentro de 10 μιη da superfície de ligação em umadireção substancialmente perpendicular à superfície de ligação de sensor.Um método de acordo com concretizações da presenteinvenção pode além disso aplicar um campo magnético adaptado para formarestruturas magnéticas de múltiplas partículas tendo um eixo longo se achandosubstancialmente paralelo com a superfície de ligação do dispositivo sensor,as estruturas magnéticas de múltiplas partículas incluindo uma pluralidade departículas magnéticas individuais.

Aplicar o campo magnético para gerar estruturas de múltiplaspartículas pode ser executado aplicando uma campo magnético formador decadeia para formar cadeias de partículas magnéticas.

De acordo com concretizações da invenção, atrair as estruturasmagnéticas, por exemplo partículas individuais ou estruturas de múltiplaspartículas, para e sobre a superfície de ligação de sensor pode ser executadoaplicando um campo magnético no chip ou fora do chip. Em algumasconcretizações, atrair as estruturas magnéticas, por exemplo partículasindividuais ou estruturas de múltiplas partículas, pode ser executadoaplicando um gradiente de campo magnético em uma direçãosubstancialmente perpendicular à superfície de ligação do dispositivo sensor.

O dispositivo sensor, se for um dispositivo sensor magnético,pode ter pelo menos um elemento de sensor magnético com uma direçãosensível, e atrair as estruturas magnéticas, por exemplo partículas individuaisou estruturas de múltiplas partículas, para e sobre a superfície de ligação podeser executado aplicando um campo magnético na direção sensível doelemento de sensor magnético. Em outras concretizações de acordo com ainvenção, o dispositivo sensor pode incluir pelo menos um primeiro esegundo fios de corrente e atrair as estruturas magnéticas, por exemplopartículas individuais ou estruturas de múltiplas partículas, para e sobre asuperfície de ligação pode ser executado enviando uma primeira corrente peloprimeiro fio de corrente e enviar uma segunda corrente pelo segundo fio decorrente. A primeira e a segunda correntes podem ser iguais em magnitude.Elas podem ter direções opostas. Em concretizações ainda adicionais, atrair asestruturas magnéticas, por exemplo partículas individuais ou estruturas demúltiplas partículas, para e sobre a superfície de ligação pode ser executadopor um arranjo de fios de corrente.

Em outras concretizações da invenção, gerar estrutura demúltiplas partículas tendo um eixo longo essencialmente paralelo à superfíciede ligação pode incluir:

aplicar um primeiro campo magnético para formar estruturasde múltiplas partículas fora de plano, isto é, estruturas de múltiplas partículasnão se achando essencialmente paralelas à superfície de ligação, e

aplicar subseqüentemente um segundo campo magnético paraorientar as estruturas de múltiplas partículas assim para ter seu eixo longoessencialmente em plano substancialmente paralelo com a superfície deligação do dispositivo sensor.

O campo magnético pode ser girado subseqüentemente paraobter contato máximo entre partículas magnéticas individuais e a superfície deligação.

Estas e outras características, particularidades e vantagens dapresente invenção se tornarão aparentes da descrição detalhada seguinte,levada junto com os desenhos acompanhantes, que ilustram, por meio deexemplo, os princípios da invenção. Esta descrição é dada só por causa deexemplo, sem limitar a extensão da invenção. As figuras de referência citadasabaixo se referem aos desenhos anexos.

Figura 1 ilustra um sensor magnético de acordo com a arteanterior.

Figura 2 ilustra interações de conta magnética e formação decadeia na presença de um campo magnético uniforme.

Figura 3 ilustra colunas de conta magnética formadasmagnetizando contas em um campo magnético uniforme.Figura 4 ilustra o efeito de repelir e atrair colunas de contamagnética à superfície de um sensor magnético de acordo com umaconcretização da presente invenção.

Figura 5 é uma vista de topo de um fio de corrente de acordocom uma concretização da presente invenção.

Figura 6 é uma ilustração de uma configuração de sensor deacordo com uma concretização da invenção para atrair contas à superfície deligação de um dispositivo sensor.

Figura 7 é uma seção transversal da configuração de sensor daFigura 6.

Figura 8 mostra a força magnética vertical a uma distância ζ =0,64 μm da superfície de ligação, como uma função da posição das contaspara a configuração de sensor das Figuras 6 e 7.

Figura 9 mostra a força magnética horizontal a uma distância ζ= 0,64 μm da superfície de ligação, como uma função da posição das contaspara a configuração de sensor das Figuras 6 e 7.

Figura 10 mostra a magnitude e fase da força magnética a umadistância ζ = 0,64 μm da superfície de ligação, como uma função da posiçãodas contas para a configuração de sensor das Figuras 6 e 7.

Figura 11 ilustra a altura barométrica local a uma distância ζ =0,64 μm da superfície de ligação, para contas na vizinhança da configuraçãode sensor das Figuras 6 e 7.

Figura 12 ilustra o comprimento barométrico local a umadistância ζ = 0,64 μm da superfície de ligação, para contas na vizinhança daconfiguração de sensor das Figuras 6 e 7.

Figura 13 é uma ilustração de uma configuração de sensor paradetectar contas de acordo com uma concretização da presente invenção.

Figura 14 mostra a força magnética vertical a uma distância ζ= 0,64 μm da superfície de ligação, como uma função da posição das contaspara a configuração de sensor da Figura 13.

Figura 15 mostra a força magnética horizontal a uma distânciaζ = 0,64 μιη da superfície de ligação, como uma função da posição das contaspara a configuração de sensor da Figura 13.

Figura 16 mostra a magnitude e fase da força magnética a umadistância ζ = 0,64 μm da superfície de ligação, como uma função da posiçãodas contas para a configuração de sensor da Figura 13.

Figura 17 ilustra a sensibilidade de modo comum a umadistância ζ = 0,64 μm da superfície de ligação, para a configuração de sensorda Figura 13.

Figura 18 ilustra a altura barométrica local a uma distância ζ =0,64 μm da superfície de ligação, para contas na vizinhança da configuraçãode sensor da Figura 13.

Figuras 19 e 20 são vistas de seção transversal de fios decorrente para gerar uma distribuição de partícula homogênea na superfície deligação de um dispositivo sensor de acordo com concretizações da presenteinvenção.

Figura 21 é uma vista de seção transversal de umaconfiguração de sensor de acordo com uma concretização da invenção.

Figura 22 ilustra "atuação de onda magnética" em plano decolunas de conta por um arranjo de fios de corrente que podem serendereçados seqüencialmente.

Figura 23 é uma vista de seção transversal de umaconfiguração de sensor de acordo com uma concretização da invenção.

Figura 24 é um exemplo de seqüências de excitação como umafunção de tempo de acordo com uma concretização da invenção.

Figura 25 ilustra formação de uma malha ou anel de partículasmagnéticas.

Figura 26 é uma vista ao longo do eixo z, isto é, ao longo doeixo longo das cadeias de conta de acordo com uma concretização dainvenção.

Figura 27 é uma vista de topo ao longo do eixo longo dascadeias de conta de uma configuração incluindo dois fios de corrente com umelemento de sensor magnético no meio.

Figura 28 ilustra um dispositivo sensor com superfície deligação como uma estrutura de multi-canal porosa.

Nas figuras diferentes, os mesmos sinais de referência sereferem aos mesmos elementos ou análogos.

A presente invenção será descrita com respeito aconcretizações particulares e com referência a certos desenhos, mas ainvenção não está limitada a isso, mas só pelas reivindicações. Qualquer sinalde referência nas reivindicações não deverá ser interpretado como limitando aextensão. Os desenhos descritos são só esquemáticos e não são limitantes.

Nos desenhos, o tamanho de alguns dos elementos pode ser exagerado e nãodesenhado em escala para propósitos ilustrativos. Onde o termo "incluindo" éusado na presente descrição e reivindicações, não exclui outros elementos ouetapas. Onde um artigo indefinido ou definido é usado ao se referir a umsubstantivo singular por exemplo "um" ou "uma", "o", isto inclui um pluraldesse substantivo a menos que algo seja declarado especificamente.

Além disso, os termos primeiro, segundo, terceiro e similaresna descrição e nas reivindicações, são usados para distinguir entre elementossemelhantes e não necessariamente para descrever uma ordem seqüencial oucronológica. E para ser entendido que os termos assim usados sãointercambiáveis sob circunstâncias apropriadas e que as concretizações dainvenção descritas aqui são capazes de operação em outras seqüências dasdescritas ou ilustradas aqui.

Além disso, os termos topo, fundo, sobre, debaixo e similaresna descrição e nas reivindicações são usados para propósitos descritivos e nãonecessariamente para descrever posições relativas. E para ser entendido queos termos assim usados são intercambiáveis sob circunstâncias apropriadas eque as concretizações da invenção descritas aqui são capazes de operação emoutras orientações das descritas ou ilustradas aqui.

A presente invenção provê um dispositivo e um método parauso de biosensor. Uma vantagem da presente invenção pode ser melhorar avelocidade de um processo de biosensor executado usando um dispositivosensor, por exemplo, mas não limitado a um dispositivo sensor magnético.Em processos de biosensor usando um dispositivo sensor magnético,partículas ou contas magnéticas são presas diretamente ou indiretamente amoléculas visadas tais como por exemplo proteínas, anticorpos, ácidosnucléicos (por exemplo, DNR, RNA), peptídeos, oligo ou polissacarídeos ouaçúcares, moléculas pequenas, hormônios, drogas, metabólicos, células oufrações de célula, frações de tecido. Estas moléculas são para seremdetectadas em um fluido, que pode ser a amostra original ou pode já ter sidoprocessado antes de inserção no biosensor (por exemplo diluído, digerido,degradado, modificado bioquimicamente, filtrado, dissolvido em uma soluçãotampão). Os fluidos originais podem ser por exemplo, fluidos biológicos, taiscomo saliva, escarro, sangue, plasma de sangue, fluido intersticial ou urina,ou outros fluidos tais como fluidos de beber, fluidos ambientais, ou um fluidoque resulta de pré-tratamento de amostra. O fluido pode por exemplo incluirelementos de material de amostra sólida, por exemplo, de biopsias, fezes,comida, alimento, amostras ambientais.

A superfície do dispositivo sensor pode ser modificadaprendendo moléculas a ela, que são adequadas para ligar as moléculas visadasque estão presentes no fluido. A superfície do sensor pode ser providatambém com organismos (por exemplo, vírus ou células) ou frações deorganismos (por exemplo, frações de tecido, frações de célula, membranas). Asuperfície de ligação biológica pode entrar em contato direto com o chip desensor, mas também pode haver uma abertura entre a superfície de ligação e ochip de sensor. Por exemplo, a superfície de ligação pode ser um material queé separado do chip, por exemplo um material poroso. Tal material pode serum material de fluxo lateral ou fluxo passante, por exemplo consistindo emmicro-canais em silício, vidro, plástico, etc. A superfície de ligação pode serparalela à superfície do chip de sensor. Alternativamente, a superfície deligação pode estar sob um ângulo com respeito, por exemplo, perpendicular àsuperfície do chip de sensor.

Antes que as partículas magnéticas ou a combinação demoléculas visadas/partículas magnéticas possa ser ligada à superfície dodispositivo sensor, elas têm que ser atraídas para aquela superfície.Concretizações da presente invenção provêem agora um método paramelhorar a velocidade de uso de biosensor melhorando a velocidade de pelomenos uma das fases de 'atração' e/ou 'ligação' no protocolo de ensaio comodescrito na seção de fundamento. De acordo com concretizações da presenteinvenção, a fase de atração pode ser acelerada por atuação magnética decombinações de moléculas visadas/partículas magnéticas. O processo de'ligação' pode ser otimizado aumentando a eficiência de contato (paramaximizar a taxa de ligação biológica específica quando a conta está perto dasuperfície de ligação) como também o tempo de contato (o tempo total quecontas individuais entram em contato com a superfície de ligação).

Em um primeiro aspecto, não explicitamente ilustrado nosdesenhos, a presente invenção propõe o uso de meio para re-arranjar e tornaraleatória a posição de partículas magnéticas individuais com respeito aoslocais de ligação na superfície de ligação, a fim de dar a locais de ligação emtodas as partículas individuais uma probabilidade significativa de ter umtempo de contato com locais de ligação na superfície de ligação, e assim a fimde otimizar o processo de ligação. Tem que ser notado que as partículasmagnéticas podem ser usadas em vários tipos de ensaios, por exemplo umensaio de ligação ou sem ligação, ensaio intercalado, ensaio de deslocamento,ensaio de inibição, ou ensaio de competição.

No seguinte, foco será colocado em um ensaio de ligação,mais em particular um ensaio intercalado, mas os métodos descritos não estãolimitados a este tipo de ensaio.

Em um ensaio de biosensor, as fases de 'atração' e 'ligação'precisam ser feitas tão eficientes e tão rápidas quanto possível. Na fase de'atração', as contas estão concentradas do volume do fluido a uma zona pertoda superfície de sensor de ligação. O tempo precisado para atrair as partículaspara a superfície de ligação deveria ser tão baixo quanto possível, mais baixoque 30 minutos, preferivelmente mais baixo que 10 minutos, e mais preferidomais baixo que 1 minuto.

Na fase de 'ligação', o conjunto de contas resultantes é trazidoaté mais perto à superfície de ligação de um modo a otimizar a ocorrência deligação bioquímica desejada à área de captura ou ligação no sensor, isto é, aárea onde há uma alta sensibilidade de detecção pelos sensores, por exemplo,sensores magnéticos, e uma alta especificidade biológica de ligação. Não étrivial otimizar o processo de 'ligação'. Portanto, há uma necessidade paraaumentar a eficiência de contato (maximizar a taxa de ligação biológicaespecífica quando a conta está perto da superfície de ligação) como também otempo de contato (o tempo total que contas individuais entram em contatocom a superfície de ligação).

Primeiro, a eficiência de contato será discutida. Oscompromissos de eficiência de contato com o contato entre a superfície dascontas que estão mais perto do sensor e a superfície da região de ligação nosensor. Idealmente, a distância entre as moléculas biológicas na superfície dascontas e as moléculas biológicas na superfície da região de ligação do sensordeveria ser na ordem do tamanho das moléculas biológicas, por exemplo, umadistância de 0-100 nm.Para uma única conta perto de uma superfície e exposta a umgradiente de campo magnético, a distância de aproximação ξ pode serestimada comparando as flutuações térmicas com a força magnética:

<formula>formula see original document page 19</formula>

Um gradiente de campo magnético VB assim tem que sergerado a fim de atrair as partículas ou contas para a superfície de ligação.Quanto maior o gradiente de campo magnético VB, e assim maior a força Fnas contas, menor a distância de aproximação ξ. Gradientes de campomagnético VB podem ser gerados de modos diferentes. Por exemplo, por ummeio externo (por exemplo um ima externo ou bobina). Uma bobina externapode, por exemplo, gerar um gradiente de campo magnético de 25 T/m.Gradientes de campo magnético também podem ser gerados por pelo menosum fio de corrente no chip. Nesse caso, o gradiente pode ser estimado de:

<formula>formula see original document page 19</formula>

em que I é a corrente pelo fio de corrente e r é a distância entrea conta magnética e o fio de corrente. Como um exemplo, uma corrente de 10 mA a uma distância de 0,5 μπι da conta pode gerar, ao nível da conta, umgradiente de campo de 8. IO3 T/m.

Como outro exemplo, a magnitude do gradiente de campomagnético na vizinhança de material magnético embutido na superfície desensor é calculada. O exemplo é levado que contas magnéticas estãoembutidas no material. A magnitude do gradiente de campo magnético a umadistância r longe do centro de uma conta esférica com momento m éaproximadamente dada por:

<formula>formula see original document page 19</formula>

Para simplicidade, a dependência de ângulo do gradiente, quepode dar diferenças de um fator dois, foi ignorada na equação (8). Porexemplo, uma conta de 300 nm com momento magnético m = IO"16 Am2 podegerar um gradiente de cerca de 2. IO3 T/m a uma distância de 400 nm.

Por exemplo, assumindo um gradiente de campo de IO3 T/m,da equação (6), pode ser calculado que para um momento magnético m,resultando de uma estrutura de conta única (ou de uma estrutura de múltiplas

contas como no segundo aspecto da presente invenção), de 10" Am ou mais,uma distância de aproximação ou atração ξ pode ser alcançada de 4 nm (se m

= 10" Am) ou menos (se m for maior que 10" Am) a temperaturaambiente. Isto significa que distâncias muito pequenas podem ser alcançadasem princípio já usando gradientes de campo magnético práticos, por exemplona gama entre 10 T/m e 10.000 T/m, de forma que ligação biológica eficientepossa acontecer.

Em segundo lugar, o tempo de contato será discutido. Quandoum grande número de contas ou partículas é atraído à superfície de ligação deum dispositivo sensor e a superfície de ligação completa se torna coberta compartículas magnéticas, a estrutura magnética assim formada será muito densa,mas também estática e rígida. Devido a constrangimentos de translação, umagrande fração de partículas não pode alcançar a superfície de ligação e nãoterá uma chance para formar um laço bioquímico específico desejado. Istocausa uma perda de sinal no biosensor e assim uma leitura falsa ou um tempode ensaio desnecessariamente longo.

Percebeu-se que contas individuais têm uma liberdade derotação. Por exemplo, contas superparamagnéticas têm uma anisotropiamagnética muito fraca, assim um acoplamento muito fraco existe entre omomento magnético e a orientação física da partícula. Energia térmica causarotação das contas magnéticas (difusão rotacional) e como resultado, ascontas exporão uma parte significante de sua área de superfície à superfície deligação. A exposição de superfície a superfície permitirá a formação de laçosbioquímicos específicos.

De acordo com a presente invenção, as partículas magnéticaspodem ser feitas aleatórias regularmente ou irregularmente, por exemploremovendo e re-aplicando os campos magnéticos atraindo as partículasmagnéticas individuais à superfície de ligação do dispositivo sensor, ou porexcitação rotacional das contas, ou pela aplicação de movimento de fluido talcomo agitação ou vibrações acústicas. Com tornada aleatória é significadoque partículas magnéticas que são atraídas à superfície de ligação, mas quenão se ligam à superfície de ligação são movidas brevemente longe dasuperfície de ligação, mas nunca ficam muito longe da superfície de ligação,isto é, elas ficam dentro de uma distância curta da superfície de ligação na direção z, isto é, uma direção perpendicular à superfície de ligação.Preferivelmente, elas ficam dentro de 100 μιτι da superfície de ligação e maispreferivelmente elas ficam dentro de 10 μιη da superfície de ligação em umadireção substancialmente perpendicular à superfície de ligação. De acordocom a invenção, as partículas são movidas longe da superfície de ligação tal que 90% das partículas magnéticas que são atraídas à superfície de ligaçãofiquem dentro de 10% ou menos do volume de amostra. Partículas não sedispersam de volta no volume de amostra completo. As atrações erandomizações repetidas asseguram que material biológico acoplado a contasmagnéticas tenha uma alta probabilidade para entrar pelo menos em contato uma vez com os locais de ligação na superfície de ligação do dispositivosensor durante o ensaio total, isto é, que todos os objetivos tenham umaprobabilidade significativa para ter um tempo de contato com locais deligação na superfície de ligação do dispositivo sensor.

As partículas ou contas magnéticas são assim atraídas para esobre a superfície de ligação por meio de um gradiente de campo magnético.

O ensaio deveria ser projetado para alcançar ligação específicamáxima (por atração das contas para a superfície de ligação) e impedimentomínimo de ligação (todas as contas deveriam ter uma probabilidadesignificante para interagir com locais de ligação na superfície de ligação dodispositivo sensor), e não ligação indesejada mínima (devido a forçasrompendo os laços desejados entre contas e superfície de ligação).

Como explicado, rotação de partículas magnéticas pode serusada para otimizar a taxa de exposição e taxa de ligação em um ensaiobioquímico. A rotação pode ser causada por energia térmica, mas tambémpode ser gerada ou aumentada por campos aplicados variados em tempo.Primeiramente, quando partículas magnéticas estão presentes em solução,rotação destas partículas magnéticas pode aumentar a interação e taxa deligação entre o material biológico em solução e a superfície das partículas magnéticas. Isto, por exemplo, se aplica à fase de captação ou captura em umensaio, em que partículas magnéticas são usadas para ligar a materialbiológico específico em uma solução de amostra e/ou para extrair estematerial. Em segundo lugar, quando partículas magnéticas são giradas comrespeito a outro corpo, por exemplo a superfície de um biochip ou a superfície de uma célula, a interação e taxa de ligação entre o rótulo e o outro corpopode ser aumentada. O aumento da taxa de ligação pode ser particularmentede importância quando a área de superfície do rótulo é grande com respeito aotamanho da região de ligação molecular pertinente na partícula magnética.Isto é por exemplo, o caso em ensaios de baixa concentração, quando umaetapa de captura ou captação produz partículas magnéticas com só muitopouco material biológico de interesse na superfície de partícula magnética.Para referência, alguns cálculos no papel de orientação e rotação em cinéticabiomolecular podem ser achados em K. S. Schmitz e J. M. Schurr: "The roleof orientation constraints and rotation diffusion in biomolecular solutionkinetics", J. Phys. Chem., vol. 76, pág. 534 (1972).

A velocidade de rotação ideal é dada por uma taxa de ligaçãoótima a taxa sem ligação aceitável para o laço bioquímico que precisa serformado no dado tempo de ensaio. Em outras palavras, a rotação é otimizadapara sensibilidade como também especificidade. Para evitar remoção dasligações específicas desejadas, as forças aplicadas precisam estar abaixo de 1 nN.

Em um segundo aspecto, a presente invenção além dissopropõe o uso de estruturas magnéticas de múltiplas partículas, tal como porexemplo, mas não limitado a isso, cadeias de colunas de partículas ou contasmagnéticas, por exemplo, para alcançar velocidade aumentada em uso debiosensor. Mais particularmente, de acordo com a invenção, estruturas demúltiplas partículas são usadas para aumentar a velocidade das etapas deprocesso de 'atrair' e/ou 'ligar' em um protocolo de biosensor. Tem que sernotado que partículas magnéticas podem ser usadas em vários tipos deensaios, por exemplo um ensaio de ligação ou sem ligação, ensaio intercalado,ensaio de deslocamento, ensaio de inibição, ou ensaio de competição. Noseguinte, foco será colocado em um ensaio de ligação, mais em particular umensaio intercalado, mas os métodos descritos não estão limitados a este tipode ensaio.

Uma vantagem de usar estruturas de múltiplas partículas é quepartículas individuais dentro das estruturas têm um momento magnético maisalto devido aos campos desmagnetizantes reduzidos. Além disso, osmomentos magnéticos totais de tais estruturas, e portanto também as forçasmagnéticas, são maiores que no caso de partículas individuais. A força quepode ser aplicada a uma estrutura de múltiplas partículas magnéticas é dadapela equação (1):

F = V(m.B)«mVB (1)

em que m é o momento magnético da estrutura de múltiplaspartículas, B o campo magnético aplicado e VB ò gradiente do campomagnético aplicado. Uma cadeia de, por exemplo, 100 partículas podeexperimentar uma força aproximadamente de 100 vezes mais alta que umaúnica partícula ou conta devido ao momento magnético total mais alto m daestrutura de múltiplas partículas. Estruturas de múltiplas partículas de acordocom o segundo aspecto da presente invenção podem incluir uma combinaçãode partículas grandes e pequenas, mas também podem ser estruturas incluindopartículas com tamanho semelhante. Tipicamente, estruturas de múltiplaspartículas podem incluir 5 a várias milhares de partículas ou contasmagnéticas, mas números até mais altos também são possíveis.

Na descrição seguinte, o segundo aspecto da invenção serádescrito por meio de cadeias ou colunas de partículas magnéticas. Porém, temque ser entendido que isto é só para a facilidade de explicação e que isto não élimitante à invenção. Outras estruturas de múltiplas partículas também podemser usadas de acordo com o segundo aspecto da invenção, por exemploagrupamentos de partículas magnéticas, ou malhas simples ou múltiplas, ouanéis de partículas magnéticas.

Assim, um exemplo de uma estrutura de múltiplas partículasque pode ser usada de acordo com o segundo aspecto desta invenção é umacadeia 10 de partículas ou contas magnéticas. E conhecido que partículas oucontas magnéticas formam cadeias 10 quando as forças magnéticas inter-conta excedem o movimento térmico. Magnetizar partículas ou contasmagnéticas em um campo magnético têm o efeito de induzir uma interação dedipolo- dipolo entre contas vizinhas, que, se a energia de interação exceder aenergia térmica das partículas, resulta na formação de cadeias 10 de partículasmagnéticas na direção das linhas de campo magnético. Com o passar dotempo, as cadeias 10 interagem entre si para formar colunas. Em, porexemplo, um campo magnético uniforme sem gradientes de campo, as cadeiase colunas podem se arranjar em padrões regulares devido à repulsão causadapelos momentos de dipolo. Isto é ilustrado na Figura 2, que mostra interaçõesde conta magnéticas e formação de cadeias 10 na presença de um campomagnético uniforme em um tubo capilar quadrado 11 de 50 μηι [Baudry et al.,J. Phys. Cond. Matt. 16, R469 (2004)].

As estruturas de múltiplas partículas que são formadas sãodeterminadas pelo padrão de campo aplicado, pela duração de aplicação decampo, pela freqüência de modulação, pelos tipos de conta que são usados(por exemplo, dependendo do tamanho, susceptibilidade, anisotropiamagnética, forma, propriedades superparamagnéticas ou ferromagnéticas dascontas) e a concentração de contas. Relativo ao padrão de campo, cadeiascurvadas podem ser formadas aplicando campos com uma curvatura, porexemplo. Para formar agrupamentos de partículas, um fio em forma de voltapode ser usado por exemplo. As partículas serão à região de campo mais altono centro da volta de fio. Para obter voltas ou anéis 8 de partículas, um fio decorrente 9 pode ser usado com um segmento que é acessível livremente detodos os lados. Isto é ilustrado na Figura 25. As linhas de campo seguirão aborda do fio de corrente 9 e as partículas se arranjarão para formar um anel ouvolta 8. Partículas tendo um tempo de relaxamento longo ou tendo histeresepermanecerão na forma de volta quando o campo magnético é removido.

Além disso, partículas magnéticas ordenadas inicialmente como cadeiaspodem formar voltas ou anéis quando o campo é removido.

Na descrição seguinte, o segundo aspecto da presente invençãoserá ademais descrito por meio de cadeias 10 de contas. Isto é só para afacilidade de explicação e não é limitante à invenção. No seguinte, a formaçãode cadeias 10 de partículas será discutida. A relação λ de energia de interaçãode dois dipolos paralelos em contato e a energia térmica é dada por:

<formula>formula see original document page 25</formula>

em que U é a energia de interação entre contas magnéticas, k aconstante de Boltzmann 1,38054 IO^j J/K e T a temperatura em Kelvin. Aenergia de interação U também pode ser descrita por:

<formula>formula see original document page 25</formula>

em que μ0 é a permeabilidade de vácuo

(4π.10"7 H/m), m1 e m2

o momento magnético de uma primeira e respectivamente uma segundapartícula ou conta magnética, r a distância de centro a centro das partículas oucontas magnéticas e ? é o vetor de unidade na direção do caminho entre doiscentros de partículas. Isto pode ser alargado para partículas com raiosdissimilares. Por exemplo, no caso de uma mistura de contas grandes commomentos grandes e contas pequenas com momentos pequenos, as contascom momento maior atrairão mais fortemente uma a outra para uma dadadistância de centro a centro. Como uma conseqüência, as partículas grandespodem formar cadeias enquanto as partículas tendo um momento menor secoletarão ao redor ou tão perto quanto possível aos pólos das partículasmaiores. Manipular a cadeia de partícula maior manipula diretamente aspartículas menores. Combinação das equações (2) e (3) com ml = m2 conduza:

<formula>formula see original document page 26</formula>

em que r é a distância de centro a centro entre as partículas, e éigual portanto ao diâmetro de partícula se as partículas estiverem em contatopróximo. No caso de contas magnéticas de diâmetro de 300 nm obteníveis de

Ademtech, com um momento magnético m de 1,5 χ 10" Am em um campode excitação de 0,1 Τ, λ pode ter um valor de cerca de 4 χ 10 . Tal granderelação de energia de interação de dois dipolos paralelos em contato e aenergia térmica implica que a força de interação magnética é muito maior doque a influência térmica nas partículas ou contas magnéticas, resultando naformação de cadeias 10 de partículas magnéticas. Quando a relação λdiminui, a liberdade de movimento das contas na cadeia 10 aumenta e ascadeias 10 mostram flutuações de forma. As cadeias 10 se dissociam quandoa relação se torna menor que a unidade.

A força de interação ou atração Fint entre partículas ou contasmagnéticas em alinhamento atraente (distinto quando pólos da mesmanatureza estão se tocando) pode ser representada pela equação seguinte:<formula>formula see original document page 27</formula>

em que Fint é expressa em N.

Preferivelmente, de acordo com o segundo aspecto da presenteinvenção, partículas ou contas superparamagnéticas podem ser usadas.

Partículas ou contas superparamagnéticas são contas ferromagnéticas tãopequenas que elas perdem rapidamente seu momento magnético na ausênciade um campo magnético externo. Partículas ou contas superparamagnéticassão magnetizadas prontamente a grandes momentos magnéticos, facilitando adetecção, contudo a atração magnética mútua pode ser desativada, prevenindoagregação irreversível. Em geral, partículas ou contas superparamagnéticascom um diâmetro de, por exemplo, cerca de 300 nm podem requerer umcampo só de 4 a 10 mT para formar cadeias 10 de contas. A velocidade deformação de cadeia e o comprimento de cadeia podem ser determinados pelaconcentração de partícula ou conta e pelo momento magnético de partícula ouconta [Zhang, Phys. Rev. E51, 2099 (1995)]. As cadeias 10 de acordo comconcretizações da presente invenção podem, por exemplo, ter umcomprimento na ordem de cerca de 100 partículas.

A superfície das partículas ou contas magnéticas pode serpreparada para permitir agregação reversível, isto é, a formação de estruturasde múltiplas partículas na presença de um campo magnético e a dissociaçãodas estruturas de múltiplas partículas quando os campos magnéticos sãoremovidos subseqüentemente. E mostrado através de experiências queformação de cadeia reversível é possível com por exemplo partículas de 300nm obteníveis de Ademtech. A superfície das contas podem ser preparadaspara evitar adesão e permitir formação de cadeia reversível. Isto pode serfeito, por exemplo, aplicando uma camada de polímero para repulsãoentrópica, por impedimento estérico e/ou aplicando cargas elétricas nasuperfície. A campos muito altos, algum grau de ligação irreversível podeacontecer devido a uma aproximação muito íntima e à adesão não específicaresultante. Nesse caso, os campos aplicados deveriam ser reduzidos.

Como já declarado acima, em um ensaio de biosensor, as fasesde 'atração' e 'ligação' precisam ser feitas tão eficientes e tão rápidas quantopossível. Na fase de 'atração', as contas são concentradas do volume do fluidoa uma zona perto da superfície de ligação de sensor. O tempo precisado paraatrair as partículas para a superfície de ligação deveria ser tão baixo quantopossível, mais baixo que 30 minutos, preferivelmente mais baixo que 10minutos, e mais preferido mais baixo que 1 minuto.

Na fase de 'ligação', o conjunto de conta resultante é trazidoaté mais perto à superfície de ligação de um modo a otimizar a ocorrência deligação bioquímica desejada à área de captura ou ligação no sensor, isto é, aárea onde há uma alta sensibilidade de detecção pelos sensores, por exemplosensores magnéticos, e uma alta especificidade biológica de ligação. Não étrivial otimizar o processo de 'ligação'. Portanto, há uma necessidade paraaumentar a eficiência de contato (maximizar a taxa de ligação biológicaespecífica quando a conta está perto da superfície de ligação) como também otempo de contato (o tempo total que contas individuais entram em contatocom a superfície de ligação).

Eficiência de contato e tempo de contato foram discutidosacima com respeito ao primeiro aspecto da presente invenção.

Com respeito a tempo de contato, quando um grande númerode contas ou partículas é atraído à superfície de ligação de um dispositivosensor e a superfície de ligação completa se torna coberta com partículasmagnéticas, a estrutura de múltiplas partículas será muito densa, mas tambémestática e rígida. Devido a constrangimentos de translação, uma grande fraçãode partículas não pode alcançar a superfície de ligação e não terá uma chancepara formar um laço bioquímico específico desejado. Isto causa uma perda desinal no biosensor e assim uma leitura falsa ou um tempo de ensaiodesnecessariamente longo.A análise anterior conduz à conclusão que estruturas demúltiplas contas geram uma área de contato alto com a superfície de ligação,mas não podem ser usadas vantajosamente em um biosensor magnéticodevido à baixa dinâmica de translação dentro da estrutura de múltiplas contas.

Porém, percebeu-se que há um modo para resolver isto. Portanto, deve serpercebido que dentro das estruturas de múltiplas contas, contas individuaismantêm uma liberdade de rotação. Por exemplo, contas superparamagnéticastêm uma anisotropia magnética muito fraca, assim um acoplamento muitofraco existe entre o momento magnético e a orientação física da partícula.

Energia térmica causa rotação das contas magnéticas (difusão rotacional) ecomo resultado as contas exporão uma parte significante de sua área desuperfície à superfície de ligação. A exposição de superfície a superfíciepermitirá a formação de laços bioquímicos específicos.

Em outras palavras, estruturas de múltiplas contas podem serusadas em um biosensor contanto que, de acordo com a presente invenção, asestruturas sejam tornadas aleatórias regularmente ou irregularmente, porexemplo removendo e reaplicando os campos magnéticos atraindo asestruturas de múltiplas partículas à superfície de ligação do dispositivo sensor,ou por excitação rotacional das contas e estruturas de conta, ou pela aplicaçãode movimento de fluido tal como agitação ou vibrações acústicas. Comtornada aleatória é significado que partículas magnéticas que são atraídas àsuperfície de ligação, mas que não se ligam à superfície de ligação sãomovidas brevemente longe da superfície de ligação, mas nunca ficam muitolonge da superfície de ligação, isto é, elas ficam dentro de uma distância curtada superfície de ligação na direção z. Preferivelmente, elas ficam dentro de100 μm da superfície de ligação e mais preferivelmente elas ficam dentro de10 μm da superfície de ligação em uma direção substancialmenteperpendicular à superfície de ligação. De acordo com a invenção, as partículassão movidas longe da superfície de ligação tal que 90% das partículasmagnéticas que fazem parte de uma estrutura de múltiplas partículas fiquemdentro de 10% ou menos do volume de amostra. Partículas não se dispersamde volta no volume de amostra completo. As atrações e randomizaçõesrepetidas asseguram que material biológico acoplado a contas magnéticastenha uma alta probabilidade para entrar pelo menos uma vez em contato comos locais de ligação na superfície de ligação do dispositivo sensor durante oensaio total, isto é, que todos os objetivos tenham uma probabilidadesignificativa para ter um tempo de contato com locais de ligação na superfíciede ligação do dispositivo sensor.

As partículas ou contas magnéticas são assim atraídas para esobre a superfície de ligação por meio de um gradiente de campo magnético.As contas envolvidas no processo de ligação farão parte de estruturas demúltiplas contas, caracterizado pelo fato de que as contas têm umaprobabilidade maior que 80% de ter a superfície de pelo menos uma outraconta em sua vizinhança, isto é, dentro de uma distância de superfície deconta a superfície de conta de duas vezes o diâmetro de conta.

Em conclusão, o ensaio deveria ser projetado para alcançarligação específica máxima (por atração das contas para a superfície deligação) e impedimento mínimo de ligação (todas as contas deveriam ter umaprobabilidade signifícante para interagir com locais de ligação na superfíciede ligação do dispositivo sensor), e não ligação indesejada mínima (devido aforças rompendo os laços desejados entre contas e superfície de ligação).

Como explicado, rotação de partículas magnéticas e estruturasde múltiplas contas pode ser usada para otimizar a taxa de exposição e taxa deligação em um ensaio bioquímico. A rotação pode ser causada por energiatérmica, mas também pode ser gerada ou aumentada por campos aplicadosvariados em tempo. Primeiramente, quando partículas magnéticas estãopresentes em solução, rotação destas partículas magnéticas pode aumentar ainteração e taxa de ligação entre o material biológico em solução e asuperfície das partículas magnéticas. Isto, por exemplo, se aplica à fase decaptação ou captura em um ensaio, em que partículas magnéticas são usadaspara ligar o material biológico específico em uma solução de amostra e/ouextrair este material. Em segundo lugar, quando partículas magnéticas sãogiradas com respeito a outro corpo, por exemplo a superfície de um biochipou a superfície de uma célula, a interação e taxa de ligação entre o rótulo e ooutro corpo pode ser aumentada. O aumento da taxa de ligação pode serparticularmente de importância quando a área de superfície do rótulo é grandecom respeito ao tamanho da região de ligação molecular pertinente napartícula magnética. Quer dizer, por exemplo, o caso em ensaios de baixaconcentração, quando uma etapa de captação ou captura produz partículasmagnéticas só com muito pouco material biológico de interesse na superfíciede partícula magnética. Para referência, alguns cálculos no papel deorientação e rotação em cinética biomolecular podem ser achados em K. S.Schmitz e J. M. Schurr: "The role of orientation constraints and rotationdiffusion in biomolecular solution kinetics", J. Phys. Chem., vol. 76, pág. 534(1972).

A velocidade de rotação ideal é dada por uma taxa de ligaçãoótima a taxa sem ligação aceitável para o laço bioquímico que precisa serformado no dado tempo de ensaio. Em outras palavras, a rotação é otimizadapara sensibilidade como também especificidade. Para evitar remoção dasligações específicas desejadas, as forças aplicadas precisam estar abaixo de 1nN.

De acordo com uma primeira concretização do segundoaspecto da presente invenção, o uso de campos magnéticos que são orientadosessencialmente perpendicularmente à superfície de sensor 14 do dispositivosensor 15, isto é, de acordo com os eixos de orientação mencionados nosdesenhos, orientados na direção z, é descrito. Isto é ilustrado na Figura 3. Umcampo magnético uniforme, indicado por seta 12, induz a formação decadeias de partículas ou contas 10, incluindo uma pluralidade de partículas oucontas magnéticas 13, como descrito anteriormente. Então, um gradiente decampo magnético pode ser gerado para atrair as cadeias de partículas oucontas magnéticas 10 para a superfície 14 do dispositivo sensor 15. Ogradiente de campo magnético pode ser provido por pelo menos um meiogerador de gradiente de campo magnético 16. No exemplo ilustrado na Figura3, o gradiente de campo magnético é gerado por meio de uma bobina externa16, que está posicionada debaixo do dispositivo sensor 15 e que é usada paragerar forças para e da superfície de sensor 14. Em concretizações da presenteinvenção, o dispositivo sensor 15, que pode ser usado de acordo com apresente invenção, pode incluir pelo menos um elemento de sensor magnéticoou pelo menos um meio gerador de campo magnético para gerar um campomagnético para formar cadeias de contas 10. O elemento de sensor magnéticopreferivelmente pode ser um elemento de sensor magneto-resistivo tal como,por exemplo, um elemento de sensor de GMR, TMR ou AMR. Diagnósticobiomolecular geralmente envolve um sistema de leitor reutilizável e umaunidade descartável na qual amostra é entrada. Bobinas geradoras de campopodem fazer parte do leitor ou da unidade descartável. Na unidadedescartável, a bobina pode ser embutida no material exterior (geralmenteplástico) ou ser integrada sobre um chip que também executa a detecção docampo magnético das contas. De acordo com concretizações alternativas, odispositivo sensor 15 pode incluir pelo menos um elemento de sensor nãomagnético, por exemplo um elemento de sensor óptico.

As cadeias de contas orientadas em ζ podem ser concentradasfacilmente em uma área pequena perto ou até mesmo sobre o sensor aplicandoum pequeno gradiente de campo magnético além de um campo mais uniformecom magnitude maior. Isto está esboçado na Figura 26, que mostra uma vistaao longo do eixo z, isto é, ao longo do eixo longo das cadeias de contas 10que são representadas como círculos abertos.O campo orientado em z gera as cadeias de contas 10. O fio decorrente local gera um gradiente de campo no meio da volta 30. Quando ocampo gerado pela volta 30 tem a mesma orientação como o campo externo, ocampo é maior dentro da volta 30 do que fora da volta. Portanto, as cadeias 10são atraídas no meio da volta 30. Quando a corrente é invertida, o campogerado pela volta 30 se oporá ao campo externo no meio da volta 30, e comouma conseqüência, as cadeias 10 serão empurradas fora da volta 30.Semelhantemente, Figura 27, que é uma vista de topo ao longo do eixo longodas cadeias de contas 10 de uma configuração incluindo dois fios de correntecom um sensor no meio, ilustra como as correntes em fios de corrente podemser usadas para concentrar cadeias de contas 10 sobre uma região de ligaçãode sensor.

Tem que ser notado que a presença de um sensor magnético ououtros materiais magnéticos em um chip pode influenciar os campos perto dosensor, devido às propriedades magnetostáticas ou de orientação de fluxo.Uma vantagem da orientação de cadeia fora de plano é que orientação defluxo é baixo devido à anisotropia de forma em plano de filmes finosmagnéticos. O gradiente de campo magnético pode ser modulado em fasecom a modulação do campo magnético formador de cadeia 12, que resulta ematração de cadeias de contas 10 à superfície de sensor 14. Quando amodulação é aplicada em anti-fase, o gradiente de campo é invertido e comoresultado as cadeias de contas 10 podem ser repelidas da superfície de sensor14. Isto é ilustrado na Figura 4, que mostra o efeito de repelir (número dereferência 17) e atrair (número de referência 18) cadeias de partículas oucontas magnéticas 10 de e à superfície 14 de um dispositivo sensor 15,respectivamente. Repelir as cadeias de contas 10 pode gerar severidade, quepode diferenciar entre contas ou partículas 13 ligadas (fortemente) efracamente na superfície de sensor 14. A resistência de fluxo de cadeias decontas 10 é mais baixa para cadeias 10 viajando ao longo de seu eixo decomprimento do que para cadeias 10 viajando perpendicular ao seu eixolongo. Deste modo, a forma do recipiente da amostra de fluido e a direção depercurso requerida resultante para o sensor pode influenciar a escolha decampos aplicados.

No anterior, ambos o campo magnético para formar asestruturas magnéticas de múltiplas partículas, no exemplo dado cadeias 10, éaplicado em uma direção substancialmente perpendicular à superfície desensor 14, isto é, na direção z. Devido a estes campos aplicadosperpendicularmente à superfície de sensor 14, as cadeias de partículas oucontas 10 são orientadas em uma direção substancialmente perpendicular àsuperfície de sensor 14, como é ilustrado na Figura 3.

No caso que a superfície de ligação 40 é paralela à superfíciede sensor 14, localizada na ou próxima à superfície de sensor 14, aconcretização acima descrita tem a desvantagem que nem todas as partículasmagnéticas 13 podem vir muito perto da superfície de ligação 40 devido àsestruturas de múltiplas partículas 10 terem seu eixo longo em um planoperpendicular ao plano da superfície de ligação 40. Porém, no caso que asuperfície de ligação 40 é um meio poroso com paredes essencialmenteperpendiculares à superfície de sensor 14, as contas 13 na estrutura demúltiplas partículas 10 que estão se achando em um plano substancialmenteparalelo à superfície de ligação 40 podem fazer bom contato à superfície deligação 40. Isto é ilustrado na Figura 28, onde a superfície de ligação 40 éprovida em paredes de uma estrutura de multi-canal poroso, quais paredes sãoorientadas perpendicularmente com respeito à superfície de sensor 40. Oscanais na estrutura de multi-canal podem ser por exemplo tubos ou fendas. Asestruturas de múltiplas partículas 10 podem ser atraídas à superfície deligação 40, por exemplo por meio de um gradiente magnético em uma direçãoperpendicular à superfície de ligação 40, na concretização mostrada paralela àsuperfície de sensor 14. Depois da fase de 'atração', uma fase de 'ligação'acontece, isto é, locais de ligação em partículas 13 nas estruturas de múltiplaspartículas 10 entram em contato e se ligam com locais de ligação nasuperfície de ligação 40. De acordo com a presente invenção, a posição departículas magnéticas individuais 13 nas estruturas de múltiplas partículas 10é feita aleatória com respeito aos locais de ligação na superfície de ligação 40para dar aos locais de ligação nas partículas individuais 13 nas estruturas demúltiplas partículas 10 uma probabilidade significativa de ter um tempo decontato com locais de ligação na superfície de ligação 40. Esta randomizaçãopode ser feita mudando o gradiente de campo magnético em uma direçãoperpendicular à superfície de ligação 40. Depois da fase de ligação, asestruturas de múltiplas partículas 10 não são mais atraídas à superfície deligação 40, as partículas não ligadas 13 são lavadas longe e detecção departículas ligadas sobre a superfície de ligação 40 pode acontecer. Estadetecção pode ser por exemplo uma detecção magnética ou uma detecçãoóptica. Tipicamente em testes biológicos, a concentração de contas estálimitada de forma que uma pluralidade de contas ligadas em um canal sejafreqüentemente não esperada, e assim a presença de uma conta em um micro-canal pode ser detectada opticamente. Se a concentração for esperada ser maisalta, um período de medição pode ser dividido em uma pluralidade deintervalos de tempo. Uma alta concentração visada será detectada muitorapidamente (por exemplo, depois de um intervalo de tempo, por exemplo emalguns segundos) enquanto baixas concentrações visadas podem serdetectadas depois de um tempo de processamento muito mais longo (depoisde uma pluralidade de intervalos de tempo, por exemplo, minutos a horas).

Alternativamente, se uma pluralidade de contas presentes em um micro-canalfor para ser detectada opticamente, os rótulos podem ser feitos fluorescentes.Se luz for incidida nos micro-canais, todas as contas receberão luz, e luzfluorescente será enviada, de forma que a presença de todas as contas nomicro-canal possa ser detectada.Quando a superfície de ligação 40 é essencialmente paralela àsuperfície de sensor 14, em particular a superfície de ligação 40 faz parte dasuperfície de sensor 14, para alcançar uma pequena distância entre a maioriadas partículas ou contas 13 em uma cadeia 10 e a superfície de ligação 40, évantajoso alinhar as cadeias de contas 10 ao longo da superfície de ligação 40,isto é, aplicar campos magnéticos com componentes fortes em plano, isto é,na direção χ ou y. Isto é descrito em uma segunda concretização da presenteinvenção. Campos magnéticos com fortes componentes em plano podem seraplicados por meio gerador de campo fora do chip como também no chip.Geração de campo no chip tem a vantagem forte que a interferênciamagnética inevitável ao elemento sensor magnético, por exemplo um GMR, ébem definida.

Conseqüentemente, de acordo com o segundo aspecto dapresente invenção, um meio gerador de campo magnético é adaptado paraformar estruturas magnéticas de múltiplas partículas 10, que tem um eixolongo se achando paralelo à superfície de ligação 40.

Um campo magnético é aplicado com um forte componenteem plano paralelo com a superfície de ligação 40 do dispositivo sensor 15, porexemplo colocando o dispositivo perto de um imã permanente e/ou umabobina. Estruturas magnéticas de múltiplas partículas, no exemplo dadocadeias 10, são formadas e atraídas para a superfície de ligação 40. De acordocom esta segunda concretização, preferivelmente, pelo menos um fio decorrente 19 pode ser posicionado perto e debaixo da superfície de ligação 40de um dispositivo sensor 15, preferivelmente dentro de 1 mm, maispreferivelmente dentro de 30 mícron e a mais preferido dentro de 3 mícron.As cadeias de partículas ou contas 10 formadas então se orientamsubstancialmente paralelas à superfície 14 do dispositivo sensor, em umadireção substancialmente perpendicular à direção da corrente no pelo menosum fio de corrente 19, e será puxado para a superfície de ligação 40, como éesboçado na Figura 5. Nesta figura, a direção de corrente no fio de corrente 19é indicada por seta 20 e a orientação das cadeias de partículas ou contas 10 éindicada por seta 21.

Tem que ser notado que pode ser vantajoso primeiroconcentrar as contas 13 perto do sensor usando campos essencialmenteperpendiculares à superfície de sensor 14, e então trocar para camposessencialmente em plano para aumentar a eficiência de contato entre asestruturas de múltiplas partículas 10 e a superfície de ligação 40. Esteprocesso pode ser repetido várias vezes a fim de combinar (i) concentraçãoeficiente de contas ou partículas 13 perto da superfície de ligação 40, (ii)contato eficiente entre as contas 13 e superfície de ligação 40, e (iii) rearranjoregular e randomização das contas 13a fim de dar a todas as contas 13 umaprobabilidade significativa para interagir com os locais de ligação nasuperfície de ligação 40. Mudando entre atrair as partículas à superfície deligação 40 e tornar aleatória pode ser controlado por meio de um leitor, oupode ser implementado em um chip que pode fazer parte do dispositivo sensor15 ou que pode ser um chip de processamento de sinal separado nodispositivo sensor 15.

Fios de corrente locais são úteis para fazer gradientes decampo (unidade T/m) com correntes relativamente pequenas, por exemplomenor que 100 mA. É vantajoso usar campos pequenos a fim de minimizar oscampos e particularmente os campos em plano aplicados ao sensor, emparticular no caso que é um sensor magnético. A aplicação de campos altospode mudar a sensibilidade do sensor, em particular a sensibilidade de umsensor magnético, e causar mudanças de sua estrutura magnética, por exemplomudanças de parede de domínio, voltas magnéticas, histerese.

Além disso, pode ser vantajoso gerar ditos campos no chip desensor de forma que ditos campos sejam bem definidos que evitam tolerânciasmecânicas apertadas no cartucho e estação de leitura.Na ausência de outro meio gerador de campo, um fio decorrente 19 com seção transversal retangular, como é o caso no exemplo dadona Figura 5, pode gerar os campos mais altos e gradientes de campo maisaltos em suas bordas. Isto significa que partículas ou contas 13 perto dasbordas do fio de corrente 19 serão atraídas mais fortemente do que partículasou contas 13 no meio do fio de corrente 19 (veja mais adiante).

Em uma concretização adicional do segundo aspecto dapresente invenção, o dispositivo sensor 15 pode incluir como meio gerador degradiente de campo magnético pelo menos dois fios de corrente 22a, 22b epelo menos um elemento de sensor magnético 23, em que pelo menos umprimeiro fio de corrente 22a é posicionado a um primeiro lado A do elementode sensor magnético 23 e pelo menos um segundo fio de corrente 22b éposicionado a um segundo lado B do elemento de sensor magnético 23, comoé ilustrado nas Figuras 6 e 7, onde um exemplo de uma possível configuraçãode sensor de acordo com esta concretização da invenção é ilustrado. Deacordo com concretizações da invenção, o pelo menos um elemento de sensormagnético 23 pode preferivelmente ser um elemento de sensor magneto-resistivo tal como por exemplo um elemento de sensor de GMR, TMR ouAMR.

De acordo com esta concretização da invenção, primeiro umcampo magnético ou combinação de campos magnéticos é aplicada, queinduz a formação de estruturas magnéticas de múltiplas partículas ou cadeiasde contas magnéticas 10, incluindo uma pluralidade de partículas ou contasmagnéticas 13, como descrito anteriormente, e tendo um eixo longosubstancialmente paralelo com a superfície de ligação 40 do dispositivosensor 15. Uma forte força magnética pode então ser gerada ao longo do eixoζ perto da superfície de ligação 40, na área sensível do elemento de sensor 23,por exemplo aplicando correntes em pelo menos um fio de corrente. Umexemplo é usar um campo orientado essencialmente ao longo do eixo ζ(orientação fora de plano) e aplicar correntes em direções opostas nos fios decorrente 22a, 22b. Assim, estruturas magnéticas de múltiplas partículas oucadeias de contas magnéticas 10 atraídas (no caso que os campos são geradospara ter a magnitude mais alta acima do sensor) podem então ser detectadaspor pelo menos um elemento de sensor magnético aplicando correntes nospelo menos dois fios de corrente 22a, 22b na mesma direção, desse modomedindo efetivamente a quantidade de contas ou partículas 13 presentes nasuperfície de ligação 40. Alternativamente, as estruturas de múltiplaspartículas podem ser detectadas, por exemplo, por um elemento de detecçãoóptica.

Também, campos orientados essencialmente ao longo do eixoχ ou y podem ser usados de acordo com a presente invenção, isto é, paraorientação em plano das estruturas de múltiplas partículas magnéticas. Umaforça magnética pode ser gerada ao longo do eixo ζ aplicando correntes empelo menos um fio de corrente 22. A força será atraente quando os campos dofio de corrente 22 aumentam o campo local acima da superfície, assimgerando um gradiente de campo positivo para a superfície de sensor 14. Umadesvantagem de aplicar campos em plano é que estes estão ao longo dadireção sensível do sensor magnético e influenciarão as propriedades de umdispositivo sensor magnético 15. Uma solução é separar em tempo os doisprocessos: atuar e detectar seqüencialmente as partículas.

Figura 6 mostra uma possível configuração de um dispositivosensor magnético 15 para atração e detecção integradas de contas oupartículas magnéticas 13 orientadas em estruturas magnéticas de múltiplaspartículas. O dispositivo sensor magnético 15 neste exemplo pode incluir umelemento de sensor magnético 23 e pelo menos um primeiro e segundo fios decorrente 22a, 22b. Esta pode ser uma configuração de sensor preferida paraatrair contas ou partículas magnéticas 13 em estruturas magnéticas demúltiplas partículas 10 perto da superfície de ligação 40. Uma mesmacorrente, mas em direções opostas, é aplicada ao primeiro e segundo fios decorrente 22a, 22b posicionados em ambos os lados A, B do elemento desensor magnético 23. O benefício disto será descrito em seguida. Para afacilidade de explicação, a discussão seguinte será feita por meio de umaúnica conta 13 e com campos gerados só por fios no chips locais. Porém, épara ser entendido que isto também pode ser aplicado às estruturasmagnéticas de múltiplas partículas 10 da presente invenção e pode sergeneralizado quando mais meios geradores de campo são adicionados.

Em geral, a força magnética em uma única conta 13 é dadapor:

Fmagn = -Vw = -V(m.B) (9)

em que Fmagn é a força magnética aplicada à conta magnética13 para atraí-la para a superfície de ligação 40, u a energia potencialassociada com o momento magnético m da conta ou partícula 13 e B o campomagnético aplicado.

No caso de um dispositivo sensor de excitação integrada 15,isto é, onde o meio gerador de gradiente de campo magnético estáincorporado no dispositivo sensor 15, como é o caso nesta concretização, eonde as contas ou partículas magnéticas 13 são superparamagnéticas, a forçamagnética em uma única conta 13 se reduz a:

<formula>formula see original document page 40</formula>

em que xbead é a suscetibilidade magnética da conta e H aintensidade de campo magnético. Por exemplo, para contas de 300 nmobteníveis de Ademtech, xbead iguala 4,22.10".

A força de atração da equação (10) pode ser dividida emcomponentes χ e z, isto é, em um componente horizontal e vertical:

<formula>formula see original document page 40</formula>Figura 7 mostra uma seção transversal do dispositivo sensor 15da Figura 6. Um elemento de sensor magnético 23 e um primeiro e segundofios de corrente 22a, 22b estão posicionados em cima de um substrato 24. Alinha tracejada, indicada por número de referência 14, representa a superfíciede sensor do dispositivo sensor. Uma porção da superfície de sensor 14 é asuperfície de ligação 40 incluindo locais de ligação (não representados emdetalhes). Um sistema de coordenadas foi introduzido na Figura 7 a fim defazer a explicação seguinte mais clara.

Figura 8 mostra a força magnética vertical FmagniZ (x) (veja equação (12)), isto é, a força magnética na direção perpendicular à superfíciede sensor 14, a direção ζ como indicado pelo sistema de coordenadas naFigura 7, como uma função da posição da partícula ou conta magnética 13 nadireção sensível do sensor, a direção x. Para a construção da Figura 8, Fmagn,ζ édeterminado a uma distância de 0,64 μιη da superfície de ligação 40 (isto é, ζ= 0,64 μιη). Para a situação presente, as correntes de excitação no primeiro esegundo fios de corrente 22a, 22b fluem em direções opostas como explicadoacima com respeito à Figura 6 e como indicado na Figura 8 por ® e Θ. Alémdisso, o gráfico na Figura 8 é válido para correntes de excitação Iwi = - Iw2 =50 mA e para partículas magnéticas de 300 nm obteníveis de Ademtech. Poreste meio, é Iwi a corrente pelo primeiro fio de corrente 22a e Iw2 a correntepelo segundo fio de corrente 22b. Pode ser visto da Figura 8 que a forçamagnética vertical Fmagt1jz (x) é muito menor a posições no meio dos fios decorrente 22a, 22b do que nas bordas dos fios de corrente 22a, 22b. Partículasou contas magnéticas 13 assim sentirão uma força maior na direção ζ quandoelas estão perto das bordas dos fios de corrente 22a, 22b do que quando elasestão perto do centro dos fios de corrente 22a, 22b. Conseqüentemente,partículas magnéticas 13 serão atraídas mais perto para as bordas dos fios decorrente 22a, 22b do que para o centro ou meio dos fios de corrente 22a, 22b(veja mais adiante).Figura 9 mostra a força magnética horizontal correspondenteFmagn.x 00 (equação (11)), isto é, a força magnética na direção sensível dodispositivo sensor magnético 15, a direção χ como ilustrada na Figura 7 pelosistema de coordenadas, e isto como uma função da posição das contasmagnéticas 13 na direção x. Novamente, para a construção da Figura 9, Fmagnjx(x) é determinado a uma distância de 0,64 μιη da superfície de ligação 40 (istoé, z = 0,64 μιη). Pode ser visto da Figura 9 que a força magnética horizontalFmagn,x (x) é muito maior no meio do primeiro e segundo fios de corrente 22a,22b do que é nas bordas dos fios de corrente 22a, 22b. Isto significa quepartículas ou contas magnéticas 13 localizadas acima do centro dos fios decorrente 22a, 22b serão mais transportadas na direção χ do que partículas oucontas magnéticas 13 localizadas acima das bordas dos fios de corrente 22a,22b. O mesmo acontece às estruturas magnéticas de múltiplas partículas 10formadas. Forças atuando em uma estrutura magnética de múltiplas partículas10 são maiores do que forças atuando em uma única conta 13 (se a estruturamagnética de múltiplas partículas 10 por exemplo incluir uma pluralidade decontas 13 do mesmo tipo como a comparada), devido aos momentosmagnéticos maiores de uma estrutura magnética de múltiplas partículas 10.

Figura 10 mostra a magnitude, indicada por curva 25, e fase,indicada por curva 26, da força magnética resultante (combinação Fmagnj2 (x)da Figura 8 e Fmagnjx (x) da Figura 9). Da Figura 10, está claro que acima docentro dos fios de corrente 22a, 22b o campo magnético é orientado em planoperfeito (0o). As curvas descritas na Figura 8, Figura 9 e Figura 10 são obtidassob a condição que nenhuma estrutura de múltiplas partículas é formada e quenenhum campo magnético externo é aplicado.

Por causa das forças acima descritas, as partículas ou contasmagnéticas 13 são transportadas através da superfície de sensor 14 para asbordas do primeiro e segundo fios de corrente 22a, 22b.

As partículas ou contas 13 também são afetadas por forçagravitacional. A força gravitacional nas partículas ou contas magnéticas 13,Fgravj iguala:

Fgrav= |π.Γ3.Δρ.§= 1,5.10"15 [N] (13)

em que r é o raio da partícula ou conta magnética 13, Δρ adiferença de densidade de massa entre a conta e o fluido, e g é a aceleraçãodevido à gravidade (9,81 N/kg). Como resultado, a distância de aproximação,ξ na superfície 14 do dispositivo sensor 15, também chamada às vezesdistância de atração, e também chamada como a distribuição de alturabarométrica local, iguala:

<formula>formula see original document page 43</formula>

A distância de aproximação ou a distribuição de alturabarométrica ξ é ilustrada na Figura 11, que ilustra a altura barométrica devidoà força magnética vertical Fmagn>z (x) mais gravitação. Esta curva é obtida soba condição que nenhuma estrutura de múltiplas partículas é formada e quenenhum campo magnético externo é aplicado. Desta figura pode ser concluídoque, para a configuração com as dimensões descritas nas Figuras 6 a 12, nagama de -3μηι < χ < 18 μηι, que é uma largura de fio adicionada a ambos oslados de uma estrutura de fio de sensor, exceto em posições no meio doprimeiro e segundo fios de corrente 22a, 22b, a altura barométrica local oudistância de aproximação ξ < 100 nm. Como resultado, as partículas ou contasmagnéticas 13 são atraídas muito perto da superfície de ligação 40, quefacilita a ligação bioquímica eficiente. Figura 12 ilustra o comprimentobarométrico local na direção da força total, isto é, o comprimento barométricodevido à força magnética mais gravitação. A diferença entre a Figura 11 eFigura 12 é que na Figura 11, forças magnéticas verticais, a gravidade e umadistribuição de contas na direção ζ são consideradas, portanto chamada aaltura barométrica, enquanto Figura 12 está considerando uma distribuição decontas na direção da força, que não é perpendicular ao sensor. Portanto, isto échamado comprimento barométrico.

A gama acima obtida (-3 μm < χ < 18 μm), que é uma largurade fio adicionada a ambos os lados da estrutura de fio de sensor, se adaptabem na curva de resposta de modo comum do dispositivo sensor 15, descritona Figura 17, que é obtida quando no primeiro e segundo fios de corrente 22a,22b correntes de uma amplitude igual fluindo em uma mesma direção sãoaplicadas, como é ilustrado na Figura 13. A curva de modo comum é asensibilidade de detecção do sensor como uma função da posição das contasna superfície de sensor sob a condição que as correntes em ambos os fios decorrente estão fluindo na mesma direção (portanto modo comum). Estaconfiguração permite a detecção de partículas ou contas magnéticas 13. NaFigura 14, Figura 15 e Figura 16 respectivamente, a força magnética vertical,a força magnética horizontal e a força magnética total são ilustradas para ocaso onde correntes iguais fluem na mesma direção pelo primeiro e segundofios de corrente 22a, 22b. Figura 17 ilustra a curva de resposta de modocomum no plano yz para a configuração de sensor na Figura 13. Na Figura 18,a altura barométrica ou distância de aproximação das partículas ou contasmagnéticas 13 no caso de correntes com mesma amplitude aplicada na mesmadireção em ambos o primeiro e segundo fios de corrente 22a, 22b. A curva naFigura 18 mostra que as partículas ou contas magnéticas 13 são muito menosatraídas à superfície de ligação 40, de forma que ligação não é ótima.

Esta concretização da invenção tem a vantagem que ambos omeio para atração de contas 13 e meio para detecção de contas 13 sãointegrados no substrato de sensor magnético 24. Nesta concretização, nenhummeio de atuação externo é requerido para atração das contas 13.

Porém, de acordo com uma concretização adicional dainvenção, campos magnéticos externos adicionais podem ser aplicados aodispositivo sensor 15 como descrito na concretização anterior para porexemplo realizar uma atração ainda mais rápida de partículas ou contasmagnéticas 13 do volume para a superfície de ligação 40 ou para agitação.Um campo magnético externo adicional com baixo gradiente, porém, nãorealiza a força requerida para atrair as partículas ou contas magnéticas 13perto da superfície de ligação 40. Preferivelmente, campos de CA podem serusados para estes campos magnéticos externos adicionais. Campos de CC,que podem se originar de por exemplo imãs permanentes, deslocarão acaracterística de mudança de resistência R(H) do elemento de sensormagnético 23 e introduzirão variações de ganho. Pelo contrário, campos deCA só introduzirão componentes de freqüência adicionais, que podem ou nãointerferir com o mecanismo de detecção e podem ou não introduzir erros deganho. Portanto, preferivelmente campos de CA podem ser usados que têmuma freqüência tal que o mecanismo de detecção não seja afetado. Alémdisso, o ataque e caimento do envelope de tais campos magnéticos externosadicionais deveriam ser relativamente lentos comparados à freqüência atual afim de não gerar formação magnética no sensor 10. Troca abrupta de camposmagnéticos introduzirá campos magnéticos remanecentes no sensor.Aumentando e diminuindo lentamente a amplitude, este efeito pode serevitado.

Em outra concretização da presente invenção, o mecanismo deatração-detecção de partícula ou conta magnética pode ser implementadolocalmente e seqüencialmente em tempo em um biochip de multi-sensor,incluindo uma pluralidade de dispositivo sensores 15. Cada vez que umdispositivo sensor 15 no chip é energizado ou usado para a atração e/oudetecção de partículas ou contas magnéticas 13, combinações de conta-anticorpo visadas se ligam muito firmemente na superfície de ligação 40desse dispositivo sensor 15. No mesmo período de tempo, os outrosdispositivos sensores 15 não usados no biochip incluem partículas ou contasmagnéticas 13 frouxamente ligadas não especificadas, que podem serafastadas facilmente. Deste modo, cada dispositivo sensor 15 no biochip podeser usado separadamente, de forma que o biochip seja aplicável parapropósitos de monitoração contínua ou periódica.

Toda vez que uma medição é executada por um dosdispositivos sensores 15 no biochip, as moléculas e contas ligadas nãoespecificadas 13 nos outros dispositivos sensores 15 (não usados) sãoafastadas antes de uma próxima medição. Como uma variação, o mesmodispositivo sensor 15 pode ser usado várias vezes, onde as contas ligadasfirmemente não são removidas, mas usadas como um ponto de partida(calibração) para uma próxima medição.

Para dispositivos sensores 15 com uma sensibilidade nãouniforme pela superfície de sensor 14, os campos magnéticos aplicadosdeveriam ser arranjados de um modo a dar a densidade mais alta de partículasou contas ligadas 13 nas regiões de alta sensibilidade do dispositivo sensor 15(veja mais adiante).

Anteriormente cálculos de distribuição de força forammostrados e comparados às áreas de sensibilidade mais alta. Estruturasmagnéticas, tais como partículas magnéticas individuais ou estruturasmagnéticas de múltiplas partículas ou cadeias de contas magnéticas 10, serãoatraídas à superfície de ligação 40, onde as partículas ou contas 13 podem serdetectadas pelo detector ou elemento de sensor 23. De acordo comconcretizações da invenção, a força atraente (Fmagn z) pode ser forte bastantepara trazer as partículas ou contas 13 à superfície de sensor 14 dentro de umagama na ordem de nanômetros, isto é, na gama do tamanho de moléculasbiológicas com a qual a superfície de sensor 14 pode ser modificada a fim deformar a superfície de ligação 40 assim para ligar as moléculas visadaspresentes no fluido a ser analisado, que são ligadas a partículas ou contasmagnéticas 13.

Para dispositivo sensor 15 com uma sensibilidade uniformepela superfície de ligação, a cobertura de superfície por partículas ou contasmagnéticas 13 deveria ser tão uniforme quanto possível, isto é, estruturasmagnéticas, tais como partículas magnéticas individuais ou estruturasmagnéticas de múltiplas partículas ou cadeias de contas magnéticas 10,deveriam não ser atraídas só nas bordas dos dispositivos sensores. Umadistribuição de partícula uniforme pode ser alcançada sob as condiçõesseguintes:

As forças em plano nas partículas ou contas 13 deveriam serdesprezíveis (Fmagnjx= Fmagnjy « 0).

A força atraente nas partículas ou contas 13 deveria seruniforme pela superfície de ligação 40 (Fmagnj2= constante).

Usando a equação (1) e o fato que o momento magnético m éproporcional ao campo magnético aplicado B, pode ser achado que:

<formula>formula see original document page 47</formula>

No caso de simetria de translação ao longo do eixo y, equações(15) a (17) podem ser simplificadas assumindo By = 0 e d/dy = 0:

<formula>formula see original document page 47</formula>

em que a equação (20) é derivada da equação de Maxwell VB = 0.

De acordo com concretizações da presente invenção, possíveisarranjos de fios de corrente 22 que podem ser usados de acordo com apresente invenção para gerar tais campos que conduzem a uma atraçãouniforme pela superfície de sensor 14, estão esboçados nas Figuras 19 e 20,que mostram vistas de seção transversal de possíveis configurações de fios decorrente para gerar uma distribuição de partícula homogênea na superfície desensor 14 do dispositivo sensor 15. Nestas figuras, as correntes nos fios decorrente 22 correm em uma direção perpendicular ao plano do papel.

De acordo com concretizações da invenção, a variação degradiente de campo magnético na direção χ (e assim a força magnética nadireção x) pode ser reduzida introduzindo fios de corrente 27 adicionais, porexemplo adicionando um fio de corrente 27 abaixo do fio de corrente 22(Figura 19) ou adicionando fios de corrente 27a, 27b próximos ao fio decorrente 22 (Figura 20). Alternativamente, fios de corrente adicionadospodem ser uma pluralidade de fios de corrente, um denominado segmento defios de corrente.

No caso da Figura 19, a distribuição de corrente não retangularresultante pode gerar uma distribuição mais homogênea de partículas oucontas 13 na superfície de ligação 14 do dispositivo sensor 15 do que umúnico fio de corrente 22 com seção transversal retangular. Na concretizaçãoda Figura 19, o campo magnético gerado é mais homogêneo do que em umaconcretização com um único fio de corrente 22 porque a relação de aspecto dacombinação de fio de corrente chega a um. Quanto mais próxima a relação deaspecto do fio de corrente (ou combinação de fio de corrente) está a um, maishomogêneo o campo magnético gerado é. O campo magnético maishomogêneo seria obtido por um fio de corrente circular, se a superfície deligação 40 fosse circular igualmente e centrada ao redor do fio de corrente. Ascombinações de fios de corrente como mostrado na Figura 19 e Figura 20podem ser por exemplo usadas em vez de cada um dos fios de corrente naFigura 7. Alternativamente, as combinações de fios de corrente comomostrado na Figura 19 e Figura 20 podem ser por exemplo usadas per se pertode um elemento de sensor magnético único.

Figura 21 mostra um fio de corrente 22 que atrai umagrupamento de partículas ou contas 13 à superfície de ligação 14, enquantoas partículas ou contas 13 estão sendo detectadas por um elemento de sensor23. Fio de corrente 22 pode ter uma resistência elétrica mais baixa do que oelemento de sensor 23, de forma que o fio de corrente 22 seja mais adequadopara a geração de campos magnéticos.

Como explicado acima com respeito ao segundo aspecto da presente invenção, um campo magnético em plano pode criar estruturasmagnéticas de múltiplas partículas em plano ou cadeias de contas magnéticas10. Estas estruturas magnéticas de múltiplas partículas ou cadeias de contasmagnéticas 10 podem, em algumas concretizações, ser atraídas à superfície desensor 14 por gradientes de campo magnético orientados em uma direção substancialmente perpendicular à superfície de sensor 14 induzidos por, porexemplo, fios de corrente 22 perto da superfície de sensor 14. Os gradientesde campo magnético induzidos por fios de corrente 22 podem, no caso de umfio de corrente circular 22 e desconsiderando efeitos de matriz das cercanias,ser essencialmente simétrico axialmente. Isto significa que também há umgradiente em plano que exerce forças substancialmente perpendicularmenteao eixo das estruturas magnéticas de múltiplas partículas ou cadeias de contasmagnéticas 10 na superfície de sensor 14. Isto conduzirá a uma distribuiçãonão homogênea das estruturas magnéticas de múltiplas partículas ou cadeiasde contas magnéticas 10. A solução para este problema é usar um arranjo unidimensional 28 de fios de corrente 22a, 22b, 22c e tratar estes fios decorrente 22a, 22b, 22c de uma maneira seqüencial. Isto é ilustrado na Figura22. A parte direita deste desenho mostra uma seção transversal do arranjo 28de fios de corrente 22a, 22b, 22c. O gradiente em plano é variado. Asestruturas magnéticas de múltiplas partículas ou cadeias de contas magnéticas 10 estão rolando sobre a superfície de sensor 14 a fim de criar um movimentorolante contínuo e deste modo melhorar a cinética de ligação como todas aspartes das estruturas magnéticas de múltiplas partículas ou cadeias de contasmagnéticas 10 entram em contato íntimo com a superfície de ligação 40 nestemovimento rolante. A direção principal do campo magnético é indicada porseta 29.

Uma concretização adicional de acordo com a presenteinvenção é uma combinação vantajosa da primeira e segunda concretizações.Elementos de sensor magneto-resistivos 23, por exemplo, são sensíveis a campos em plano. No caso que grandes campos são precisados paramanipulação de partícula, estes são aplicados preferivelmente fora de plano.

Nesta concretização, os campos magnéticos requeridos para aetapa de processo de 'atração' são aplicados fora de plano. Depois disso, adireção do campo magnético é mudada para uma direção em plano para aetapa de processo de 'ligação' (como na segunda concretização).Preferivelmente, o campo magnético aplicado é girado assim para manter ascadeias 10 de contas 13, mas as reorienta de forma que seu eixo longo estejase achando essencialmente em plano, em uma direção substancialmenteparalela à superfície 14 do dispositivo sensor 15. Um exemplo é esboçado naFigura 23, que mostra um dispositivo sensor 15 e dois meios geradores degradiente de campo magnético externos, no exemplo dado duas bobinasexternas 16a, 16b. Usando duas bobinas 16a, 16b, um campo magnético emplano pode ser induzido causando as estruturas magnéticas de múltiplaspartículas ou cadeias de contas magnéticas 10 de partículas ou contas 13(formadas em um campo fora de plano aplicado externamente) girarem e seacharem planas com respeito à superfície de ligação 40. O gradiente de campomagnético atrai as estruturas magnéticas de múltiplas partículas ou cadeias decontas magnéticas 10 à superfície de sensor 14 do dispositivo sensor 15.

Em outras concretizações de acordo com a presente invenção,campos externos uniformes, campos externos não uniformes ou fios decorrente no chip podem ser usados para atuar as partículas magnéticas 13.Figura 24 ilustra exemplos de seqüências de sinais para excitar o meiogerador de campo diferente. Curva 30 ilustra correntes no chip em fios decorrente 22a, 22b para a atração de partículas ou contas magnéticas 13 para asuperfície de sensor 14. Curva 31 ilustra a seqüência de excitação de umapequena bobina externa. Parte 31 a de curva 31 representa a atração das contasdo volume à superfície de sensor 14 e parte 31b representa a força de repulsãono volume. Curva 32 ilustra a seqüência de excitação para uma bobina grandepara magnetizar as partículas ou contas 13 e formar colunas ou cadeias 10.

A presente invenção foi descrita principalmente usandosensores magneto-resistivos 23 para a detecção de partículas ou contasmagnéticas 13. Porém, tem que ser notado que as contas 13 também podemser detectadas por outros meios de sensor magnético, tais como, por exemplo,com sensores de Hall, bobinas, etc.

Como descrito anteriormente, em concretizações de acordocom esta presente invenção, rotação aumentada das contas 13 também podeser usada para melhorar a velocidade da etapa de 'ligação'.

O segundo aspecto da presente invenção mostra vantagensdiferentes. Devido ao volume maior e forças de cisalhamento maioresresultantes, as estruturas de múltiplas partículas 10 são mais sensíveis asetapas de lavagem de fluido do que partículas únicas 13. Isto pode resultar emlavagem mais efetiva e ligação menos não específica.

Além disso, forças gravitacionais podem ser mais altas paraestruturas de múltiplas partículas 10 do que para partículas individuais 13. Apresente invenção, nos aspectos diferentes, foi focalizada no uso de forçasmagnéticas. Porém, forças gravitacionais precisarão ser corrigidas e podemser usadas com vantagem (por exemplo para a etapa de 'atração').

Outra vantagem de usar estruturas de múltiplas partículas deacordo com o segundo aspecto da invenção, é que agregados 10 de contasmagnéticas 13 têm um momento magnético maior (coletivo) econseqüentemente podem ser manipuladas usando gradientes de campomenores que aqueles requeridos para manipular contas individuais 13. Estesgradientes de campo magnéticos podem, por exemplo, ser produzidos por umímã ou bobina colocada em baixo do dispositivo sensor 15 e/ou por fios decorrente no chip 22a, 22b.

Contas magnéticas 13, como usadas em quaisquer do primeiroou segundo aspectos da invenção, podem ser atraídas a uma superfície desensor 14 de uma amostra de grande volume, usando forças magnéticassomente ou em combinação com os processos de sedimentação e difusão.Além disso, cadeias 10 de contas magnéticas 13 de acordo com o segundoaspecto da invenção podem ser atraídas para a superfície de ligação 40, quecria localmente uma alta concentração de contas, um bom contato entre ascontas e superfície de ligação de sensor 40, e assim uma taxa de ligaçãoaumentada.

Os processos das contas 13 perto da superfície de sensor 14(por exemplo atração, ligação, severidade e suas repetições) podem todos sermedidos como uma função de tempo. Os dados são indicativos da cinética dosprocessos. A cinética depende da concentração visada na solução, e como talos dados podem indicar o que a concentração visada era assim que o sinalaparece acima do ruído. Também, a medição de cinética permite a mediçãoem uma grande gama dinâmica, porque uma alta concentração visada serádetectada muito rapidamente (por exemplo em alguns segundos) enquantobaixas concentrações visadas podem ser detectadas depois de um tempo deprocessamento muito mais longo (por exemplo, minutos a horas). Também, acinética e sinais de ruído podem ser analisados como um controle dequalidade, para verificar se o ensaio evoluiu corretamente e assegurar aousuário final que o resultado de teste é confiável.

E para ser entendido que embora concretizações, construçõesespecíficas e configurações preferidas, como também materiais, foramdiscutidos aqui para dispositivos de acordo com a presente invenção, váriasmudanças ou modificações em forma e detalhe podem ser feitas sem partir daextensão e espírito desta invenção. Por exemplo, a invenção foi descrita pormeio de detecção magnética das partículas magnéticas 13. A detecçãomagnética pode ser feita por sensores magnéticos integrados na partedescartável (o chip e/ou o cartucho), mas tem que ser entendido que ossensores magnéticos também podem fazer parte do sistema de leitorreutilizável (por exemplo, como uma cabeça de leitura que é trazida perto docartucho). Além disso, de acordo com a invenção, as partículas magnéticas 13também podem ser detectadas de qualquer outro modo adequado, porexemplo por meio de detecção óptico. O detector óptico pode fazer parte dosistema de leitor reutilizável ou descartável (o chip e/ou o cartucho).

Claims

1. Dispositivo sensor (15) para detectar partículas magnéticas(13), o dispositivo sensor (15) tendo uma superfície de ligação (40) comlocais de ligação na mesma, caracterizado pelo fato de compreender:pelo menos um elemento de sensor (23) para detectar apresença de partículas magnéticas (13);meio para atrair estruturas magnéticas para e sobre a superfíciede ligação (40) do dispositivo sensor (15), ditas estruturas magnéticasincluindo pelo menos uma partícula magnética (13);meio para re-arranjar e tornar aleatória a posição de partículasmagnéticas individuais (13) com respeito aos locais de ligação na superfíciede ligação (40) para dar locais de ligação em todas as partículas individuais(13) uma probabilidade significativa de ter um tempo de contato com locaisde ligação na superfície de ligação (40).

2. Dispositivo sensor (15) de acordo com reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que as partículas magnéticas (13) estão presentesem volume de amostra, em que dito meio para re-arranjar e tornar aleatória aposição de partículas magnéticas individuais (13) é adaptado tal que partículasmagnéticas individuais (13) sejam afrouxadas da superfície de ligação (40) talque 90% das partículas magnéticas individuais (13) que fazem parte de umaestrutura magnética (10) fiquem dentro de 10% do volume de amostra.

3. Dispositivo sensor (15) de acordo com quaisquer dasreivindicações prévias, caracterizado pelo fato de compreenderadicionalmente meio gerador de campo adaptado para formar estruturasmagnéticas de múltiplas partículas (10) tendo um eixo longo substancialmenteparalelo com a superfície de ligação (40) do dispositivo sensor (15), ditasestruturas de múltiplas partículas (10) incluindo uma pluralidade de partículasmagnéticas individuais (13).

4. Dispositivo sensor (15) de acordo com reivindicação 3,caracterizado pelo fato de que o meio gerador de campo adaptado para formarestruturas magnéticas de múltiplas partículas (10) é um meio gerador decampo magnético no chip ou fora do chip.

5. Dispositivo sensor (15) de acordo com quaisquer dasreivindicações 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que as estruturas demúltiplas partículas (10) são cadeias de partículas magnéticas.

6. Dispositivo sensor (15) de acordo com quaisquer dasreivindicações prévias, caracterizado pelo fato de que o meio para atrair ditasestruturas magnéticas para e sobre a superfície de ligação (40) do dispositivosensor (15) é um meio no chip ou fora do chip.

7. Dispositivo sensor (15) de acordo com reivindicação 6,caracterizado pelo fato de que o meio para atrair ditas estruturas magnéticaspara e sobre a superfície de ligação (40) do dispositivo sensor (15) é umelemento no chip ou fora do chip tendo uma permeabilidade relativa maiorque um.

8. Dispositivo sensor (15) de acordo com reivindicação 7,caracterizado pelo fato de que dito elemento no chip ou fora do chip muda aposição ou forma a fim de variar localmente um gradiente de campomagnético gerado.

9. Dispositivo sensor (15) de acordo com reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o meio para atrair ditas estruturas magnéticaspara e sobre a superfície de ligação (40) do dispositivo sensor (15) inclui umprimeiro fio de corrente (22) e pelo menos um fio de corrente adicional (27).

10. Dispositivo sensor (15) de acordo com reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o meio para atrair ditas estruturas magnéticaspara e sobre a superfície de ligação (40) do dispositivo sensor (15) inclui umarranjo (28) de fios de corrente (22).

11. Método para um processo de biosensor, o processo debiosensor compreendendo detecção de partículas magnéticas (13) por meio deum dispositivo sensor (15) tendo uma superfície de ligação (40) com locais deligação na mesma,caracterizado pelo fato de compreender:atrair estruturas magnéticas incluindo pelo menos umapartícula magnética (13) para e sobre a superfície de ligação (40) dodispositivo sensor (15); ere-arranjar e tornar aleatória a posição das partículasmagnéticas individuais (13) com respeito aos locais de ligação na superfíciede ligação (40) para dar a locais de ligação de todas as ditas partículas (13)uma probabilidade significativa de ter um tempo de contato com locais deligação na superfície de ligação (40).

12. Método de acordo com reivindicação 11, caracterizadopelo fato de que as partículas magnéticas (13) estão presentes em um volumede amostra, em que re-arranja e torna aleatória a posição das partículasmagnéticas individuais (13) é tal que partículas magnéticas individuais (13)sejam afrouxadas da superfície de ligação (40) tal que 90% das partículas (13)fique dentro de 10% do volume de amostra.

13. Método de acordo com quaisquer das reivindicações 11 ou-12, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente aplicar umcampo magnético adaptado para formar estruturas magnéticas de múltiplaspartículas (10) tendo um eixo longo substancialmente paralelo com asuperfície de ligação (40) do dispositivo sensor (15), ditas estruturasmagnéticas de múltiplas partículas (10) compreendendo uma pluralidade departículas magnéticas individuais (13).

14. Método de acordo com reivindicação 13, caracterizadopelo fato de aplicar um campo magnético é executado aplicando um campomagnético formador de cadeia para formar cadeias (10) de partículasmagnéticas.

15. Método de acordo com reivindicação 11, caracterizadopelo fato de atrair ditas estruturas magnéticas para e sobre a superfície deligação (40) é executado aplicando um campo magnético no chip ou fora dochip.

16. Método de acordo com reivindicação 15, caracterizadopelo fato de atrair ditas estruturas magnéticas para e sobre a superfície deligação (40) é executado aplicando um gradiente de campo magnético emuma direção substancialmente perpendicular à superfície de ligação (40) dodispositivo sensor (15).

17. Método de acordo com reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o dispositivo sensor (15) tem pelo menos um elemento desensor magnético (23), o elemento de sensor magnético (23) tendo umadireção sensível, em que atrai ditas estruturas magnéticas para e sobre asuperfície de ligação (40) é executado aplicando um campo magnético nadireção sensível do elemento de sensor magnético (23).

18. Método de acordo com reivindicação 15, caracterizadopelo fato de que o dispositivo sensor (15) inclui pelo menos um primeiro esegundo fios de corrente (22a, 22b), e que atrai ditas estruturas magnéticaspara e sobre a superfície de ligação (40), é executado enviando uma primeiracorrente pelo primeiro fio de corrente (22a) e enviando uma segunda corrente pelo segundo fio de corrente (22b), a primeira e segunda correntes sendoiguais em magnitude.

19. Método de acordo com reivindicação 15, caracterizadopelo fato de que atrai ditas estruturas magnéticas para e sobre a superfície deligação (40) é executado por um arranjo (28) de fios de corrente (22a, 22b).

20. Método de acordo com reivindicação 13, caracterizadopelo fato de aplicar um campo magnético adaptado para formar estruturasmagnéticas de múltiplas partículas (10) tendo um eixo longo essencialmenteem plano substancialmente paralelo com a superfície de ligação (40) dosensor (15) compreende:aplicar um primeiro campo magnético para formação deestruturas de múltiplas partículas fora de plano, eaplicar subseqüentemente um segundo campo magnético paraorientar as estruturas de múltiplas partículas assim para ter um eixo longoessencialmente em plano substancialmente paralelo com a superfície deligação (40) do dispositivo sensor (15).