On-Chip Magnetorelaxometry Using Planar Hall Effect Magnetic Field Sensors

I de senere år er der opstået en interesse for at udvikle lab-on-a-chip systemer, der potentielt kan benyttes som point-of-care biosensorer. Fordelen ved point-of-care biosensorer er at de straks kan analysere prøver udtaget fra patienter og der derved undgas spildtid ved at sende prøven til et laboratorium for at blive analyseret. Mange forskellige udlæsningsmetoder kan benyttes til point-of-care biosensorer, heriblandt magnetiske udlæsningsmetoder, hvilke er specielt interessante da de fleste biologiske prøver er umagnetiske. Målet med denne afhandling er at udforske mulighederne og begrænsningerne ved at brugeplanar Hall effekt magnetisk felt sensorer til at måle magnetorelaksometry af magnetiske kugler. Dette kan benyttes som udlæsningsmetode for volumen-baseret biodetektion, ved at måle ændringer af magnetiske kuglers hydrodynamiske diameter forsaget af binding til analytter. Traditionelt måles magnetorelaksometry ved at måle AC susceptibilitet med store dyre instrumenter, der ikke let kan integreres med lab-on-a-chip systemer. Fordelene ved planar Hall effekt sensorer er at de er små og derfor let integreres som udlæsningsmetode i lab-on-a-chip systemer.I denne afhandling er den teoretiske baggrund udledt for hvordan magnetorelaksometry måles med planar Hall effect sensorer. Dette inkluderer en beskrivelse af relaksationsmekanismer for magnetiske kugler i både tids og frekvens domænerne, hvordan planar Hall effekt sensorer kan måle relaksation af magnetiske kugler uden brug af eksterne magnetfelter samt estimater for dekræfter, der påvirker magnetiske kugler i nærheden af planar Hall effekt sensorer.Temperatur afhængigheden af målinger med planar Hall effekt sensorer er undersøgt. Herunder hvordan sensor signalerne afhænger af temperaturen og hvordan den Brownske relaksation af magnetiske kugler påvirkes. Det vises at magnetiske kuglers hydrodynamiske diametre kan bestemmes udfra AC susceptibilitetsmålinger med planar Hall effect sensorer, når temperaturenog væskens viskositet er kendte.AC susceptibilitetsmålinger på magnetiske kugler er påvist mulige for to forskellige sensor geometrier, planar Hall effekt kryds sensorer og planar Hall effekt bro sensorer. Med de benyttede geometrier, viste bro sensorerne at give seks gange signalet målt med kryds sensorerne uden at tilføje signifikant mere støj til målingerne. Et studie hvor koncentrationen af magnetiske kugler med diametre på 40 nm blev varieret viste, at hydrodynamiske diametre kan bestemmes for koncentrationer over 64 μg/mL, og tilstedeværelsen af magnetiske kugler kan spores ned til 16 μg/mL. Når det er sagt, så giver højere koncentrationer større signaler og hermed kan de hydrodynamiske diametre bestemmes mere nøjagtigt.Herudover er det påvist at planar Hall effekt sensorer kan benyttes i frekvens området fra DC til 1 MHz. Dette brede frekvensområde tillader at måle den Brownske relaksation of magnetiske kugler med diametre fra 10 nm til 250 nm. Det viste sig dog at 250 nm ikke er egnede til målinger med planar Hall effect sensorer, da de bliver indfanget af magnetostatiske kræfter fra sensor stacken.Eksperimenter udført med magnetiske kugler med streptavidin blandet med biotin-konjugeret bovine serum albumin viser at planar Hall effekt sensorer kan måle tilstedeværelsen af biotinkonjugeret bovine serum albumin i nanomolar området. Til slut er målinger med planar Hall effect sensorer foretaget for at detektere DNA coils fremstillet ved rolling circle amplicering. Disse resultater viser at DNA coils kan detekteres ned til koncentrationer pa 4 pM, hvilket er sammenligneligt med hvad der er opnået på lignende prøver målt med kommercielt tilgængeligt måleudstyr. Planar Hall effect sensorer har dog den fordel at de er betydelig mindre, simplere og potentielt billigere.In recent years there has been an increasing interest in developing lab-on-a-chip devices that potentially can be used as point-of-care biosensors. The advantage of point-of-care biosensors is that they can analyze samples obtained from patients immediately, cutting away the time needed for sending the sample to a laboratory for analysis. Many different read out techniques can be used for point-of-care biosensors, among these are magnetic readouts, which are especially interesting because most biological samples are non-magnetic. The goal of this thesis is to explore the possibilities and limitations of using planar Hall effect magnetic field sensors to measure magnetorelaxomety of magnetic beads. This can be used as the readout principle for volume-based biosensing, by detecting changes in the hydrodynamic diameter of magnetic beads due to binding of analytes. Traditionally magnetorelaxomety is measured by AC susceptibility measurements performed with large expensive instruments, which cannot easily be integrated with a lab-on-a-chip system. The advantages of planar Hall effect sensors are that they are small and can easily be integrated as the readout method for a lab-ona-chip device.In this thesis, the theoretical background for how magnetorelaxometry is measured using planar Hall effect sensors is derived. This includes a description of the relaxation mechanism of magnetic beads in both the time and frequency domains, how the planar Hall effect sensors are utilized for measuring the relaxation of magnetic beads without the need of any external fields and estimates of the forces that influence magnetic beads near a planar Hall effect sensor. The temperature dependence of measurements using planar Hall effect sensors is investigated.This is done both with respect to how the sensor signals depend on temperature and how temperature influences the Brownian relaxation of magnetic beads. It is shown that the hydrodynamic diameter of the magnetic beads can be extracted from AC susceptibility measurements with planar Hall effect sensors when the temperature and dynamic viscosity of the liquid in which the beads are suspended are known.AC susceptibility measurements of beads are shown to be possible using two different sensor geometries, planar Hall effect cross sensors and planar Hall effect bridge sensors. For the geometries used, the bridge sensor yields an amplification of the bead signals by a factor of six compared to the cross sensor without significant noise being added to the measurements. A study varying the concentration of magnetic beads with a nominal diameter of 40 nm shows that the hydrodynamic diameters can be extracted reliably for concentrations down to 64 _g/mL, and the presence of beads can be detected down to 16 _g/mL. However, higher bead concentration leads to higher signal and thereby hydrodynamic diameters can be extracted more reliably.Furthermore, it is shown that the planar Hall effect can be operated at frequencies ranging from DC to 1 MHz. This wide range of frequencies allows for measuring Brownian relaxation of magnetic beads with nominal diameters ranging from 10 nm to 250 nm. However, it is not appropriate to use beads as large as 250 nm with the planar Hall effect sensors as they are captured by magnetostatic forces from the sensor stack.Experiments with streptavidin coated beads and biotin-conjugated bovine serum albumin show that planar Hall effect sensors can detect the presence of biotin-conjugated bovine serum albumin in the nanomolar range. Finally, measurements are performed to detect DNA-coils formed by rolling amplification using planar Hall effect bridge sensors. These results show that DNA-coils can be detected in concentrations down to 4 pM, which is comparable to what has been obtained for similar samples using commercially available measurement equipment. However, the planar Hall effect sensor have the advantage of being considerably smaller, much more simple and potentially cheaper.<br/