On chip manipulation of magnetic particles by magnetic domain walls

This thesis deals with the design, fabrication and test of micro and nanoconduits for the magnetic particles manipulation. This manipulation is obtained by controlling the domain walls propagation and the magnetic coupling between them and the functionalized magnetic particles. The scope of this activity is to implement lab-on-chip systems suitable for biochemical applications. Magnetic particles with functionalized surfaces are commonly used as molecular labels. The structures, we have designed, have the potential of improving a number of existing applications, like the transport and sorting of biological molecules. They also can be integrated with microfluidic platforms, unlike other more sophisticated and complex techniques, for high-throughput single molecule analysis and synthesis. Over the last decade the domain walls, which constitute the boundary between domains in ferromagnetic samples, have been intensively studied. Novel domain types emerge in nano and micro-structures: geometry dominate the wall spin structure. In soft ferromagnetic nano and micro-wire, shape anisotropy forces the magnetization to lie parallel to the wire axis. The wall spin structure can be controlled by the lateral dimensions and by the thickness of the wire, while the position of the wall depends on geometric variations such as constraints, corners or protrusions, that imply potential changes. Therefore the geometric constraints are stable equilibrium positions for domain walls even in the absence of an external applied field. The domain walls can then be used as mobile interfaces: they behave like quasi-particles that can be precisely manipulated by external magnetic fields or by spin-polarized currents. The transport of magnetic particles in solution was realized upon such nano and micro-structures made of permalloy (Ni80Fe20). Permalloy is a soft magnetic material. Hence planar strips, made of this material, have been shown to form excellent conduits for domain walls, that can be nucleated and moved in a high controllable way under the action of an externally applied magnetic field. The magnetic particles motion follows that of the domain walls because of the strong interaction between the magnetic particles (beads) and the field gradient, emanating from the domain walls. The domain walls motion takes place via jumps between neighbour pinning sites (e.g. corners of a zig-zag conduit) or continuously on a curved structure (by applying a rotating magnetic field). The realization of parallel conduits permits the transport of large populations of beads. The main issues faced and solved in this thesis are: Design of the bifurcations geometry, used for the transport of the magnetic particles, via simulation platforms like OOMMF (Object Oriented MicroMagnetic Framework) and Mathematica. The micromagnetic configuration can be simulated with OOMMF in order to optimize the conduit geometry providing the desired domain walls manipulation. The magnetic field generated in the space surrounding the wall, its gradient and thus the attractive force on the particle are also calculated using finite element methods implemented with Mathematica. Fabrication of micro and nano-structures of permalloy on silicon oxide substrate via optical and electron beam lithography, respectively. These structures are then capped with a thin protecting layer of SiO2. Fabrication of microfluidic cell in PMMA or in PDMS. The microfluidic cell in PMMA is fabricated via laser milling. The microfluidic cell in PDMS is fabricated via soft lithography. Test and optimization of the domain walls propagation at the bifurcation, under the action of external magnetic fields, via magnetic force microscope. During this activity we have defined the intensities and the directions of the external magnetic field necessary to obtain the above mentioned functionalities. Calculation of the magnetic attractive force of vortex (micro conduit) and transverse (nano conduit) domain walls by calculating the drag force needed to release magnetically trapped particles in solution. The analysis is carried out using optical microscope videos and images. Application of the method of domains wall propagation to manipulation experiments. Functionalized magnetic beads are dragged in solution by the motion of domain walls; they may be sent in different conduits through bifurcations, or they be brought up at the same point of a conduit to allow synthesis reactions. The analysis is conducted under the optical microscope.

Questo lavoro di tesi riguarda la progettazione, la fabbricazione e la verifica di micro e nano condotti per la manipolazione di particelle magnetiche mediante il controllo della propagazione delle pareti di dominio e l'accoppiamento magnetico tra queste e particelle magnetiche funzionalizzate. Lo scopo di questa attività è quello di implementare un sistema integrabile lab-on-chip per applicazioni biologiche, le particelle magnetiche funzionalizzate sono infatti comunemente usate come markers molecolari. Queste strutture hanno le potenzialità per migliorare applicazioni esistenti, come il trasporto e la selezione di molecole biologiche, e sono integrabili con piattaforme microfuidiche, a differenza di altre tecniche più sofisticate e complesse, consentendo l'analisi e la sintesi di un elevato numero di singole molecole. Nell'ultimo decennio le pareti di dominio, che costituiscono il confine tra domini in campioni ferromagnetici, sono state intensamente studiate. In nano e micro strutture, emergono nuovi tipi di dominio: è la geometria a dominare la struttura di spin della parete. In nano e micro condotti ferromagnetici l'anisotropia di forma costringe infatti la magnetizzazione a giacere allineata all'asse del condotto. La struttura di spin di una parete può essere controllata tramite le dimensioni laterali e lo spessore del nanocondotto, mentre il posizionamento della parete dipende da variazioni geometriche come costrizioni, protrusioni o angoli i quali implicano variazioni di potenziale. I vincoli geometrici rappresentano quindi posizioni di equilibrio stabile per le pareti anche in assenza di campo esterno applicato. Le pareti di dominio possono essere quindi usate come interfacce mobili: esse si comportano come quasi-particelle che posso essere precisamente manipolate tramite campi magnetici esterni o correnti polarizzate in spin. Il trasporto di particelle magnetiche in soluzione è stato realizzato al di sopra di nano e micro strutture in permalloy (Ni80Fe20). Il permalloy è un materiale magnetico soft, quindi strisce planari di questo materiale sono eccellenti condotti per le pareti di dominio che possono essere nucleate e spostate in modo controllato sotto l'azione di un campo magnetico applicato. Il moto delle particelle magnetiche (beads) segue quello delle pareti di dominio a causa della forte interazione fra esse e il gradiente di campo emanato dalle pareti. Il moto delle pareti avviene attraverso salti tra vincoli geometrici vicini (angoli successivi di un condotto a zig-zag) oppure in modo continuo su una struttura curva (mediante l'applicazione di un campo magnetico costante in modulo, ma rotante). La realizzazione di condotti paralleli permette il trasporto di una larga popolazione di particelle. I maggiori problemi affrontati e risolti in questa tesi sono: Progettazione delle geometrie delle biforcazioni impiegate per il trasporto delle particelle magnetiche tramite l'utilizzo di software di simulazione come OOMMF (Object Oriented MicroMagnetic Framework) e Mathematica. Simulando con OOMMF le configurazioni micromagnetiche è possibile ottimizzare la geometria che fornisce la desiderata manipolazione delle pareti di dominio. Mediante metodi di calcolo ad elementi finiti implementati in ambiente Mathematica viene inoltre calcolato il campo magnetico generato nello spazio circostante la parete, il suo gradiente e quindi la forza attrattiva sulla particella. Fabbricazione di micro e nano strutture in permalloy su substrati di ossido di silicio mediante litogra a ottica ed elettronica, rispettivamente. Le nanostrutture sono poi coperte da un sottile strato protettivo di SiO2. Fabbricazione di celle microfluidiche in PMMA o in PDMS. La cella microfluidica in PMMA è realizzata tramite laser milling. La cella microfluidica in PDMS è realizzata tramite soft lithography. Test e ottimizzazione della propagazione delle pareti di dominio alla biforcazione, sotto l'azione di campi magnetici esterni, tramite una caratterizzazione con microscopio a forza magnetica. Durante questa attività sono state definite le intensità e le direzioni del campo magnetico necessario ad ottenere le funzionalità sopra menzionate. Calcolo della forza magnetica delle pareti di dominio a vortice (micro condotti) e trasversali (nano condotti) mediante il calcolo della forza di trascinamento necessaria a rilasciare particelle intrappolate magneticamente. L'analisi è stata condotta utilizzando immagini e video ottenuti con un microscopio ottico. Applicazione della tecnica di propagazione dei domini ad esperimenti di manipolazione. Particelle magnetiche funzionalizzate vengono trascinate in soluzione dal moto delle pareti di dominio e possono essere indirizzate in condotti diversi tramite biforcazioni, oppure essere portate nello stesso punto su di un condotto per permettere reazioni di sintesi. L'analisi è stata condotta sullo stage di un microscopio ottico.