基于颗粒的液体阵列技术提供了多种超越固定阵列的优势，例如部分附着的分批法、合成的简化、实施过程中成本的减少、自动化的简化以及增加的容易程度(即，可以向混合物中加入另一种颗粒)。固定阵列通常比液体阵列需要较廉价的读数设备(reading device)，并更顺应于档案存储，而且它们在需要高倍增(例如，基因表达)的应用中占据主导地位的原因是对部分的鉴别是通过位置来确认的，从而实际上允许使用固定阵列平台进行无限次的分析——通常用于基因表达的固定阵列显示了数千种不同部分的100s。相反，液体阵列要求每一个颗粒被编码以对每个颗粒所表现的部分进行鉴别。
已经使用了多种方法来解决液体阵列的编码和解码问题。一种广泛使用的方法是向磁珠中掺入荧光团(由流明克斯(Luminex)、英杰公司通过量子点(Invitrogen via Quantum Dots)，以及碧迪生物科学所使用(BD Biosciences))。荧光团以不同的比例混合从而产生编码结构和改变。使用基于荧光激活细胞分选仪(Fluorescence Activated Cell Sorters，FACS)的技术读出这些混合的荧光团所发射的波长和强度。虽然有效，但该技术受到染料的数量和可以被毫无疑义编码的强度的限制。目前，该方法的这种限制为100-200个编码。
生物阵列溶液公司(BioArray Solutions)已经使用了表面附近颗粒的由光控制的电动力学组装(Light-controlled Electrokinetic Assembly of Particles nearSurfaces，LEAPS)来在表面上形成磁珠阵列(WO 97/40385)。然而，这种LEAPS方法在可用的编码类型方面仍然受到与基于磁珠的技术相同的限制。
结合了平面阵列的优势和编码的微颗粒的系统将解决现有方法中许多固有的问题。伊鲁米娜有限公司(Illumina，Inc.)通过使用蚀刻的玻璃纤维来提供产生微磁珠阵列的方法已经部分地实现了该目标(例如，由费格森等人的“高强度光纤DNA随机微球阵列”，分析化学(Anal.Chem.)，72：5618-5624(2000)(“High-density fiber-optic DNA random microsphere array”，Ferguson et al.Anal.Chem.，72：5618-5624(2000))。该方法涉及将捕获分子(capture molecule)(例如，寡核苷酸)与微颗粒在溶液中结合然后将微颗粒持久地附着在与被蚀刻的玻璃纤维直接接触的固体载体上。对微颗粒上的捕获分子的鉴别可以通过其所结合的光纤电缆对颗粒进行的“可视化(visualization)”来进行鉴别。然而，这种结合是不可逆的并且在进行阵列时，颗粒保持为平面阵列的一部分——对它的鉴别是与其固定位置有关的。虽然通过液体方法或3D方法便利了阵列的制备，但在实际上阵列还是作为2D固定阵列使用。
赛维拉(Cyvera)(现在属于Illumina的一部分)已经开发了一种使用成形为罐形的微颗粒的技术，它能通过使用布拉格光栅(美国专利申请2005/0220408A1)而被特有地鉴别。该技术不依赖于荧光染料的编码并因此固有地具有更大范围的编码空间。其它的公司已经开发了不依赖于使用荧光团的编码的微颗粒。纳米束公司(Nanoplex)使用了长且纤细的光刻法制备的颗粒，该颗粒通过区分由金属形成的条形码图案的荧光和反射而被鉴别。目前，它们能特定地标记这些颗粒中的1000种，并具有专有软件来鉴别这些颗粒的位置，并当它们以无序方式固定在96孔板或类似的底部后约1秒内对这些颗粒进行编码。斯玛特磁珠科技(SmartBeads Technologies)已经微制造铝颗粒(例如，具有100×10×1微米的尺寸的条纹颗粒)，该颗粒使用多孔放置进行编码，并在以低密度散射于平面表面上后使用光学读数设备(例如CCD)进行解码。然而，通常来说，上述这些以及类似的微制造颗粒具有的优势在于它们具有以近于无限数量的图案进行编码的可能，但在编码的颗粒的混合物的分析的容易度上具有难度。由于这些颗粒倾向于为扁平物体，它们除了更难以分散之外，还倾向于易于发生聚合或重叠。
使微颗粒以有序方式成阵列以进行分析的能力是有利。奥维亚生物科技公司(Aviva Biosciences)和民谷荣一(Eiichi Tamiya)研究小组已经对光学编码的平面颗粒进行了生产和阵列。Tamiya小组产生并利用了化学特性来使颗粒成阵列(“用于倍增DNA杂交检测的编码的微颗粒阵列的微制造”，智等人，化学通讯，2448-2450(2005)(“Microfabrication of encoded microparticle arrayfor multiplexed DNA hybridization detection”，Zhi et al，ChemicalCommunications，2448-2450(2005))。奥维亚生物科技公司利用了它们的微颗粒的磁性(即，具有用于鉴别的2D条形码的封装在二氧化硅中的磁条)来形成在磁场存在下具有部分重叠的微颗粒的线性阵列或“链”使得它们的编码被读出(美国专利7,015,047)。还能在特定设计的槽内以非重叠方式形成这些磁性颗粒的线性阵列(美国专利7,015,047)。为了避免2D条形码的妨碍作用，对奥维亚微颗粒进行阵列的另一种方法涉及将过量的“附加物(accessory)”或空白颗粒(仅含有磁条的完全透明的SiO2)掺入微颗粒混合物中。这减少了编码微颗粒重叠的部分的可能性并提高了可读性(美国专利7,015,047)。
虽然已经开发了使用由磁条或电磁板组成的阵列芯片(arraying chips)对磁珠进行阵列的方法，但是这些途径也受到了使用其他的基于磁珠的液体阵列方法相同的编码和检测的限制。
本申请参考了各种专利、专利申请和出版物。通过引用这些项目的全部而将其结合于此。当参考文献中的定义或使用的术语通过引用而结合于本文中时与本文提供的对该术语的定义不符或相反时，使用本文对该术语提供的定义而不使用参考文献对该术语的定义。

本发明提供的系统和方法中，颗粒或其他的含有预定的择优取向磁化轴的微型设备被置于在磁场内具有离散的区域和取向的阵列中。
优选的微型设备为基本上的矩形，具有基本扁平的顶部和底部表面。最长的线性尺寸优选不超过1mm，更优选少于500μM，再更优选为不超过250μM，并且最优选不超过150μM。
优选的微型设备可以具有任何预定的磁性取向偏向，在一些实施例中，这种偏向可以为沿微型设备长轴放置的偏向，在另一些实施例中可以为沿微型设备长轴以外的其他轴放置的偏向。所述预定的磁性取向偏向可以以任何合适的方式实现，例如通过在制造所述微型设备过程中将磁条平躺放置。优选将磁条置于偏离微型设备中心处，但是所述磁条可以具有任何合适的尺寸和取向。
所述微型设备可以使用磁性的、光可识别的(photorecognizable)触板或其他编码方案被编码成实际地支持至少102、103、106或更多的用于磁码的选择，高达1010或更多的用于光可识别码的选择(例如利用传统的2D的条纹码，例如公用的矩阵式二维条码(DataMatrix code))，和高达106或更多的用于触板编码的选择的编码空间的方式。
所述微型设备还可以有利地包括一个或多个化学活性位点。
所设计的形成微型设备的阵列的方法包括：提供能够产生磁力的离散的区域的阵列；提供外磁场发生器以引导阵列的形成；以及使包括预定的优先的磁化轴的微型设备成阵列。在特别优选的实施方式中，所述微型设备可以在至少两个、四个、八个、十二个或更多的离散的取向上被引导。当排列于阵列设备上时，所述微型设备可以完全与阵列的磁性元件重叠。
本发明主题的另一方面，改变微型设备取向的方法包括将微型设备置于阵列中，并依次施加至少第一磁场和第二磁场，从而使所选择的成阵列的微型设备被重新取向至少90°。认为该方法在已成阵列的微型设备具有低于500μM的最大线性尺寸的情况下是特别有效的，所述阵列基本上置于平面上，并且所选择的微型设备被重新取向地与所述平面垂直。在所述微型设备被上下翻转的情况下，重新取向的完成可以伴随或不伴随有微型设备在阵列中的位置发生改变。化学活性位点可以参与组合化学从而使至少102、103或甚至106个微型设备包括互相区别的聚合物和互相区别的磁性、光识别性、电接触或其他的编码。
优选的阵列设备包括被空隙间隔的交替的较长的磁条和较短的磁条，至少一些较长磁条的平均长度低于500μM，并且至少一些的较短的条的平均长度低于最长磁条的50％。较长磁条可以有利地以ABABAB方式(即，长-短-长-短)交替，或以其他的方式(例如AABAAB，长-长-短-长-长-短)交替。所述空隙的相对大小可以是显著的。为了协助微型设备的取向和重新取向，所述较短的条优选小于较长的条之间的空隙的60％。在另一方面，微型设备优选具有大于所述空隙的长度从而桥接所述空隙。
所设计的系统包括：磁场发生器；具有产生磁力的离散的区域的阵列芯片；和微型设备组，微型设备组中的每一个微型设备具有预定的优先的磁化轴。在优选的系统中，至少一些的微型设备的长度足以横跨第一离散的区域和第二离散的区域之间空隙。优选的系统还使用了具有化学活性位点的微型设备。
所设计的微型设备的阵列可以结合有液体阵列和固定阵列的多个优点。单个的微型设备通过磁性组装可逆地成阵列于阵列基底上，并可以控制所述微型设备的取向。还提供了优选的实施方式来生产微制造的微型设备以进行基于磁性组装的排列。
为了总结所要求的发明及其所具有的超过现有技术的优势的目的，本文描述了本发明的主题的某些目的和优势。当然地，应该理解的是并非必要地根据任何一种具体的实施方式来实现所有的目的或优点。例如本领域技术人员将因此意识到，本发明的概念可以以实现或最佳化本文所教导的一个优点或一组优点而不必同时实现本文所教导或提出的其他的目的或优点的方式来实施或进行。
本文所描述的所有的实施方式属于本发明主题的范围内。参考附图，从以下对优选实施方式的具体描述，这些和其他的实施方式将对本领域技术人员来说变得显而易见，本发明的主题不限于所公开的任何具体的实施方式。

图1为通过在外磁场内含有优先的磁化轴的被编码的微型设备形成的“链阵列”的示意图。箭头表示磁场方向。
图2为使用美国专利7,015,047中描述的“附加物微型设备”示意性地描述了磁性自组装。
图3示意性地描述了微型设备的磁性组装以形成平面阵列。
图4实际地描述了微型设备的磁性组装以形成平面阵列。
图5为含有两个三指(three-fingered)磁条和字母数字编码的具有对齐的磁条(alignment bar)的圆形微型设备的图，从下部被照明；放大倍数500×。
图6为示意性地描述了含有被排列的磁条的微型设备。上图表现了阵列芯片的一部分；下图表现在所述阵列芯片相同的部分上成阵列的微型设备。
图7为具有垂直于微型设备长轴的磁条的微型设备的图；从下部被照明；放大倍数500×。
图8为含有不同长度和字母数字编码的矩形磁条的微型设备的图；从下部被照明；放大倍数500×。
图9为含有两个三指磁条的和字母数字编码的具有对齐的磁条的矩形微型设备的图，从下部被照明；放大倍数500×。在右下方的微型设备为“面朝上”。左上方的微型设备为“面朝下”。
图10为实际描述微型设备的磁性组装如本文所描述地形成平面阵列，但在磁性元件之间不具有完全的匹配。微型设备含有10微米宽的磁条和30微米的空隙，而阵列芯片中的磁条的宽为12微米且相距32微米的空隙。
图11为存在横列场(arraying field)(x-轴)和竖列场(lifting field)(z-轴)的阵列芯片上的微型设备。左图：没有竖列场；中图：相同视图上的具有正向竖列场；右图：相同视图上的具有负向竖列场。
图12为实际描述微型设备的磁性组装过程以形成“面朝上”的平面阵列。左图：面朝上和面朝下排列的微型设备的混合物；中图：相同视图上的施加仅使面朝下微型设备竖列的竖列场；右图：相同视图上的使横列场转向并关闭竖列场后——所有的微型设备为面朝上。
图13为实际地描述了“面朝下”平面阵列。左图：阵列的面朝上微型设备；右图：相同视图上的施加竖列场、使横列场转向并关闭竖列场后——所有的微型设备为面朝下。
图14示意性地说明了使用具有磁性元件的微型设备的磁性组装，所述磁性元件被定位从而使它们相对于任何转动是不对称的。
图15为示意性地说明了含有定位的磁性元件以使它们相对于x、y平面上的任意转动是不对称的面朝上微型设备和面朝下微型设备的阵列。
图16为示意性地说明了微型设备相对于阵列元件的四个取向：左上——面朝上并且顶边朝上；右上——面朝下且顶边朝上；左下——面朝上且顶边朝下；右下——面朝下且顶边朝下。
图17为实际地描述微型设备的磁性组装过程以通过原地翻转形成“面朝上”的平面阵列。左图：面朝上和面朝下排列的微型设备的混合物；中间靠左图：相同视图上的施加仅使面朝下的微型设备竖列的竖列场；中间靠右图：相同视图上的减少了竖列场后；右图：相同视图上的使横列场转向并关闭竖列场之后——所有微型设备为面朝上，并在阵列中位于所述翻转过程之前同一位置上。
图18为非对称的微型设备的实施例。微型设备可以包括非对称形状或者非对称排列的磁性元件或者具有二者。微型设备现对于x、y平面内的旋转是非对称的。
图19为示意性地说明了微型设备的磁性组装以形成平面阵列，其中，微型设备中的磁条同时部分地和完全地与阵列芯片上的磁条重叠。左图表示了阵列芯片的一部分，右图表示了在阵列芯片的相同部分上排列的微型设备。
图20为实际地描述了微型设备的磁性组装以形成图19中示意性表示的平面阵列，其中微型设备中的磁条与阵列芯片上的磁条完全重叠。上图：表现了面朝上和面朝下排列的微型设备的混合物的阵列芯片的部分；中图：相同视图下的施加仅使面朝下微型设备竖列的竖列场；下图：相同视图下的使横列场转向并关闭竖列场之后——所有的微型设备为面朝上，并在阵列中位于所述翻转过程之前同一位置上。
图21为示意性地描述了微型设备相对于阵列元件的定位(alignment)，其中磁性元件含有互补的孔，上部分表示了成阵列的微型设备而下部分表示未被占用的阵列位点。
图22为示意性地描述了微型设备的磁性组装以形成平面阵列，其中微型设备中的磁条和阵列芯片含有互补的孔。左图表示了阵列芯片的一部分，右图表示了在阵列芯片相同部分上成阵列的微型设备。
图23为实际地描述了微型设备的磁性组装以形成图22中示意性表示的平面阵列，其中，微型设备中和阵列芯片中的磁条含有互补的孔。从下部照明表示了微型设备和阵列芯片中的孔的重叠。
图24为示意性地描述了微型设备相对于阵列元件的定位，其中磁性元件含有非对称地位于微型设备中的孔：上部分表示了成阵列的微型设备，下部分表现了未被占用的阵列位点。
图25为示意性地描述了微型设备相对于阵列元件的定位，其中仅阵列芯片上的磁性元件具有孔：上部分表示了成阵列的微型设备，下部分表示了未被占用的阵列位点。
图26为示意性地描述了微型设备相对于阵列元件的定位，其中，仅微型设备上的磁性元件具有孔：上部分表示了成阵列的微型设备，下部分表示了未被占用的阵列位点。
图27示意性地描述了低矫顽磁力微型设备在高矫顽磁力阵列芯片上成阵列。上图表示了当外场的排列与阵列芯片上的磁性元件的磁化的方向平行时微型设备的阵列化。下图表示了当外场的排列与阵列芯片上的磁性元件的磁化的方向反向平行时微型设备的阵列化。箭头表示外磁场的方向。
图28示意性地描述了低矫顽磁力微型设备在高矫顽磁力阵列芯片上的排列，其中阵列元件被排列为在相邻的元件之间提供不明确限定的空隙。微型设备在外场中阵列化，所述外场的阵列化与阵列芯片上的磁性元件的磁化的方向反向平行。箭头表示外磁场的方向。

实施方式是针对用来形成磁性组装的微型设备阵列的设备和方法及其使用。为了清楚地并以非限定的方式进行空开，将具体描述分为以下的小段。
定义
除非另有说明，本文中使用的所有的技术和科学术语具有其通常为本发明所属领域技术人员通常知晓的意思。本文提及的所有的专利、申请、公开的申请和其他的出版物通过引用而被整体地结合于此。如果在本申请中所作出的定义与上述通过引用而被整体地与本文结合的专利、申请、公开的申请和其他的出版物中作出的定义相反或不符时，采用本申请中作出的定义取代通过引用而结合于此的定义。在本申请中未作出定义而在通过引用而被结合于此的定义之间存在矛盾的情况下，将采用在美国专利7,015,047中给出的定义取代其他的定义。
本文中使用的材料的“矫顽磁力”指的是使该材料的磁性达到饱和后将该材料的磁性减少至0所需施加的磁场强度。矫顽磁力通常测量为奥斯特单位。必须对材料施加大于该材料的矫顽磁力的磁场以迫使该材料改变其磁性方向。“高矫顽磁力”材料通常指的是的永磁体。
本文中使用的“预定的优先的磁化轴”表示的是能通过为设备的制造过程和设计的知识预先确定的优先的磁化轴。微型设备的“预定的优先的磁化轴”是优选设计的基础方面。例如，本申请中陈述的多个实施例中所使用的CoTaZr的条形元件具有平行于磁条长轴的预定的优先的磁化轴。“预定的优先的磁化轴”是微型设备的一个特性，该特性依赖于微型设备的磁性元件的形状、组成和结构形式。本申请中陈述的多个实施例中所使用的CoTaZr的条形元件具有平行于磁条长轴的预定的优先的磁化轴，相反地，具有磁性材料随机分布的磁珠不具有预定的优先的磁化轴。沿预定的优先的磁化轴感应的磁性(在其绝对值上)大于或至少等于沿微型设备的任意的其他轴上所感应的磁性。通常来说，为了使本发明的磁性设备在施加的磁场和感应的磁场的互相作用下旋转或发生自取向，沿微型设备的预定的优先的磁化轴所感应的磁性(在其绝对值上)应该比沿该微型设备的至少一个其他轴上所感应的磁性至少要大20％。优选地，沿本发明的微型设备的预定的优先的磁化轴所感应的磁性(在其绝对值上)应该比沿该微型设备的至少一个的其他轴上所感应的磁性至少要大50％、70％或90％。甚至更优选地，沿本发明的微型设备的预定的优先的磁化轴所感应的磁性(在其绝对值上)应该比沿该微型设备的至少一个其他轴上所感应的磁性至少高2倍、5倍、10倍、20倍、50倍或甚至100倍。
A.用于形成微型设备阵列的系统
在外磁场存在时，具有预定的优先的磁化轴的磁性材料将使其预定的优先的磁化轴与所述外磁场对齐，除非受到阻碍——这与观察到指南针在地球磁场中的对准相似。如果将大量的含有这种磁体的微型设备放在一起并向这些微型设备施加外磁场，且它们没有受到阻碍，它们将沿其优先的磁化轴形成“链”。链的长度和磁性区域端点的重叠程度依赖于外场的强度、磁性材料的物理性状、磁性材料的在微型设备中的排列和磁性材料的磁特性。图1表示了含有在施加外磁场时形成“链”的磁条的微型设备的示意图。
具有预定的优先的磁化轴的磁性材料可以被“阵列”为链的形式。如果这种微型设备含有光学可识别(即，光可识别)编码，当“链阵列”形式中的微型设备的重叠的程度没有遮蔽这些编码时，这些编码可以以其“链阵列”形式被读出。图1表示了当这些编码被部分地遮蔽的情况。美国专利7,015,047中提出了这些概念。此外，该专利提出不含有光编码的透明的“附加物”微型设备可以与光编码的微型设备混合以产生具有“链阵列”，该“链阵列”中产生依次连接的光编码的微型设备的概率低(图2)。本发明的实施方式通过将这些“附加物”微型设备的磁性区域结合到单个固定基底载体中，来替代美国专利7,015,047中的在自组装过程中使用透明“附加物”微型设备作为“间隔物”。因此，所得到的“链”含有以下的交替图案：(1)嵌入所述基底载体中的磁性单元，和(2)在所述微型设备内的磁性单元。所述基底载体，或“阵列芯片”含有可磁化材料的阵列，例如图3和图4所示类型的磁条的图案。图3表示了这种阵列过程的示意性实施例。图4表示了该过程的实际实施例，其中70×90×3微米的微型设备被排列在含有12×152微米的钴-钽-锆(CoTaZr)阵列的基底上。图4中的微型设备含有两条12×76微米的CoZaTr条上。
本发明的主题的一个实施方式包括扁平的或基本扁平的非磁性基体具有如之前所描述的“磁性”特征的图案。这种特征可以由任意的铁磁性的、亚铁磁性的或永磁性的材料得到。优选的材料为高持久性的铁磁性的材料，例如，CoTaZr或NiFe。优选该特征是具有优先的磁化轴的条形。所述基底可以由任何扁平或接近扁平的材料组成。优选的材料包括硅、硅的氧化物、氮化硅、玻璃和塑料。
虽然第一种实施方式的条图案与其他人使用的用来捕获磁珠的磁条图案相似(例如，美国专利申请2002/0081714；耶伦等人，应用物理学杂志，7331-7333(2003)(Yellen et al.J.Appl.Phys.7331-7333(2003)；罗伯特等人，电气与电子电磁学报，3006-3008(2004)(Roberts et al.IEEE Trans.Magn.，3006-3008(2004)))，但是在本文所讨论的主题与其他在先研究之间还是存在一些重要的不同。在先研究依赖于磁条所产生的场对磁珠产生限制，并需要特别地使导致磁珠发生聚集的磁场梯度被最小化，然而在本发明的优选实施方式中存在相当可观的磁场梯度。更值得注意地，在先研究中磁场源存在于基底(阵列芯片)表面上，而本发明中微型设备自身能够产生的场可与在基底表面上产生的场相比或更大。此外，在先研究中产生的磁捕集(magnetic trapping)阵列在其本质上完全是吸引力，而根据本发明多个方面的优选的磁条的交错排列还利用了阵列芯片和微型设备之间的磁斥力来进行阵列过程。
如本发明所设计地，由于至少阵列在基底上的微型设备中的一些强烈地互相作用，因此它们在外场的存在下自发地排成列，并且不需要像基于磁珠的方法所要求通过流体流动从而实现芯片表面的分散。由任意的被适当阵列的微型设备产生的排斥场使单个微型设备占据在其所阵列的位置上。这些微型设备不会如在磁珠的描述一样(例如，美国专利申请2002/0081714)被从阵列的磁条端部延伸的“局部场”捕获或捕集，而是通过微型设备和阵列芯片中磁条的实体重叠而被磁性结合。但在先研究(例如，美国专利申请2002/0081714；Yellenet al.应用物理杂志(J.Appl.Phys).7331-7333(2003)；Roberts et al.IEEE Trans.Magn.，3006-3008(2004))中使磁条的间隔大于磁性微型设备的大小，优选实施方式使所述间隔稍小以与通过最小化由重叠的方式产生的互相作用能量所发生的阵列过程达到一致。考虑到以上所列举的微型设备和阵列芯片的特性，由于是通过磁性组装来形成阵列而不是通过捕获或捕集来形成阵列，本发明的主题将得到更适宜的描述。
本发明的主题和在先公开的利用磁条来阵列磁性微型设备的研究中的基本区别包括：
(1)本发明主题的实施方式除了吸引力还使用了斥力来对微型设备进行阵列。
(2)与其中磁性材料随机地分布在各个磁珠内的基于磁珠的方法相比，微型设备内的磁性材料被特定控制的分布极大地改变了阵列过程的实质。
(3)将特定的磁性设备引导至阵列芯片上的不同区域的能力不是建立在磁性材料的大小或总量的基础上，而是基于磁性材料在微型设备内的分布。
(4)控制阵列于在阵列芯片上的微型设备的导向的能力。
一方面，本发明的主题是提供一种用来形成微型设备阵列的系统，该系统包括：a)多个含有一个或多个磁性区域的微型设备；b)含有多个磁性区域的基底，所述磁性区域以某种方式与所述微型设备上的磁性区域互补；和c)外磁场发生器。
微型设备的详细描述。微型设备包括可磁化物质，其中，所述微型设备具有优先的磁化轴。可以将其他的特征结合到微型设备中，包括但不限于光可识别编码图案。这种包括光可识别编码图案的微型设备的性质在美国专利7,015,047中有列举。美国专利7,015,047讨论了与磁性组装兼容的微型设备的次级结构。
微型设备可以为任意形状。它们可以但不是必须地具有平坦表面；它们可以与磁珠类似。优选采用扁平盘状。环形、正方形、椭圆形、长方形、六边形、三角形和不规则形状的微型设备都适应于磁性组装阵列过程。矩形盘状的微型设备示于图1-4所给出的实施例中。图5表示了圆盘状的微型设备的实施例。所述微型设备可以为任意合适的尺寸。例如，微型设备的厚度可以为约0.1微米至约500微米。优选地，微型设备的厚度可以为约1微米至约200微米。更优选地，微型设备的厚度可以为约1微米至约50微米。在一种具体的实施方式中，微型设备为表面积为约10平方微米至约1000000平方微米(例如，1000微米×1000微米)的矩形。在另一种具体的实施方式中，微型设备为具有约1微米至约500微米的单维尺寸的不规则形状。
微型设备可以含有一个或多个可磁化元件。微型设备可以具有优先的磁化轴。据以一个磁化区域的微型设备代表了最简单的实施例。图6表示了具有被阵列的单个磁条的微型设备的示意性说明。
与在槽内对微型设备进行阵列(美国专利7,015,047)不同的是，在磁性组装阵列过程中，优先的磁化轴与微型设备的长轴相同没有特别的优势。图7表示了磁条垂直于微型设备长轴的微型设备。此外，微型设备不需要明确的长轴(例如，图5所示的环形微型设备)。在微型设备内的各个磁性元件可以为任意宽度、长度、厚度和形状。图8表示了具有不同长度的磁条的微型设备的实施例。图9表示了具有平行于微型设备的长轴的三指磁条的微型设备的实施例。微型设备内的各个磁性元件可以由具有相似或不同磁性特性的不同材料组成。
本发明的微型设备可以使用任何合适的可磁化材料。在一种实施例中，所用的可磁化物质为永磁质、铁磁质、亚铁磁质或超顺磁质。优选地，所述可磁化物质为过渡金属(例如铁、镍、铜、钴、锰、钽和锆)的组合物或其合金。在一种优选的实施例中，所述可磁化物质为金属氧化物。更优选的材料包括镍-铁(NiFe)和钴。另一种优选的材料包括钴的合金，例如CoTaZr、钴-铁(CoFe)、钴-镍-铁(CoNiFe)、钴-铌-锆(CoNbZr)、钴-铌-铪(CoNbHf)和钴-钽-铪(CoTaHf)。优选该特征为具有优先的磁化轴的条形。术语“条(bar)”除了矩形之外，还包括杆状和仍然表现有优先的磁化轴的稍微不规则的形状，例如，伸长的锥形。磁条不必须为实心的，而且可以具有如下文所描述的断口(cutout)或孔。所述可磁化物质可以完全位于(封装于)包含有该微型设备的不可磁化基底内部、完全位于包含有该微型设备的不可磁化基底外部但仍保持接触、或其间的任何位置。优选所述可磁化物质具有图案，例如使用微切削加工或平版印刷技术，从而其三维形状是微型设备设计的已知特征。
由于使用微型设备以液体阵列形式来进行分析，因此利用传统的液体和磁珠处理设备(例如，吸移管管理器)可以有利地将它们进行常规地等分或分配。因此，希望在磁场不存在时它们不会自身发生联系。因此，低矫顽磁力(即，当撤去外磁场后剩下中等磁性)是所期望的品质。钴合金(例如CoTaZr和铁的氧化物(Fe3O4)是满足该标准的磁性材料的优选的实施例)。
在一种优选的实施方式中，微型设备包括由多层形成非磁性的基底，如美国专利7,015,047中所描述。该非磁性基底还可以具有其他特征，包括光学编码图案(如图5、图7和图8中所示)。还可以具有其他的特征，并且与平面微制造的设备兼容的特征(例如用于微型机电系统(MEMS))的宽度范围可以与所述微型设备的非磁性基底结合。在一种优选实施方式中，微型设备包括允许微型设备内的MEMS型传感器得到利用的电触板和电路。该电路含有电传导材料，所述电传导材料优选封装在微型设备基底内从而仅使触板和传感器元件暴露在微型设备的表面上。可以使用微型设备表面上的触板通过阵列芯片上的互补触板将微型设备与电源和/或传感设备相连。在一种优选的实施方式中，电路以独特的构造置于各个微型设备内，因此可以使用微型设备触板和阵列芯片上的互补触板之间的连接来确定微型设备的特征。
在一种实施方式中，微型设备包括适合用于化学或生物部分附着的化学活性表面。在另一种实施方式中，该表面位于孔或凹陷内。在一种实施方式中以硅烷(例如，氨丙基三甲氧基硅烷、缩甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷(glycidoxypropyltrimethoxy silane))的形式制得该表面。在另一种实施方式中，通过含有硫醇的试剂(例如，11-巯基十一烷酸(11-mercaptoundecanoic acid))的方式制得活性表面。在另一种实施方式中，活性表面为自组装的单层(例如，如“自组装单层的形成和结构”，乌尔曼，化学评述，96：1533-1554(1996)(“Formation and structure of self-assembled monolayers”，Ulman，Chem.Rev，96：1533-1554(1996)和“硫醇盐的自组装单层在金属上作为纳米技术形式”，拉弗等人，化学通讯，105：1103-1169(2005)(“Self-assembled monolayers ofthiolates on metals as a form of nanotechnology”，Love et al.Chem.Rev.105：1003-1169(2005))中所评述的)。可以使用分批技术在微型设备上产生活性表面(例如，一组置于合适试剂(如硅氧烷)的水溶液中的微型设备以在微型设备所暴露的二氧化硅表面上产生活性表面)。可选择地，可以在微型设备从晶片释放出以前(在制造过程中或之后)产生活性表面。可以使晶片上的所有微型设备具有活性表面(例如，通过气相或液相硅烷化)或在晶片的特定部分上使用位置特异性沉积(例如喷墨)或掩膜(例如光刻法)以使活性表面仅产生于晶片上的微型设备的次级结构或甚至在单个微型设备的特定位置上。在另外的实施方式中，可以使用这种位置特异性的处理来在单个微型设备上产生独特的化学化合物。该技术被广泛用于制备DNA微阵列，并是众所周知的技术(例如，“空间寻址组合文库”，皮龙，化学评述，97，473-488(1997)(“Spatiallyaddressable combinatorial libraries”，Pirrung，Chem.Rev.，97，473-488(1997))和“寡核苷酸微阵列原位合成”，高等人，生物聚合物，73：579-596(2004)(“Insitu synthesis of oligonucleotide microarrays”，Gao et al，Biopolymers，73：579-596(2004))。在进一步的实施方式中，单个微型设备上的活性表面的位置可以具有图案。可以通过掩膜的方法来产生该图案，其中，使用一种材料来保护表面不被修饰，例如说，可以使用一层光致蚀刻剂来包围二氧化硅孔，然后在对孔表面进行硅烷化之后可以将光致蚀刻剂溶解掉以露出未被硅烷化的表面。还可以通过使用不同的材料来实现图案化，例如可以在二氧化硅表面上产生金表面，与羧酸化的烷基硫醇(carboxylated alkyl thiol)的反应产生的羧酸化表面将仅覆盖金。单个微型设备可以具有一个或多个图案化的活性表面。该方法较完善地记载于制备和化学文献中(特别是用于制备DNA和蛋白质微阵列时)。在另一种实施方式中，化学活性表面与用于固相合成的连接子分子相对应。许多这种连接子分子是组合化学领域(例如，诸如荣格，G，组合化学，魏因海姆，威利出版社，1999(Jung，G.，Combinatorial Chemistry，Weinheim，Wiley-VCH，1999)；“用于药物发明和化学生物的化学文库的综合评述；2006”，杜蕾等人，组合化学杂志，9：855-902(2007)(″Comprehensive survey of chemicallibraries for drug discovery and chemical biology；2006″by Dolle et al.Journal ofCombinatorial Chemistry，9：855-902(2007)))的技术人员所公知的。
将具有磁性元件的微型设备置于外磁场内时，除非受到了阻碍，微型设备中会感应出磁极。因为微型设备具有优先的磁化轴，微型设备将会发生旋转以使其优先的磁化轴与外磁场的磁力线位于同一直线上。当置于旋转的外磁场中时，与常规的磁珠不同的是，微型设备将发生旋转并且有效地起到小型搅拌板的作用。因此，除了对阵列方面的任何的考虑之外，希望微型设备对外磁场做出强烈的响应。由高饱和磁化强度的材料(例如CoTaZr合金)组成的磁性元件是一种优选的实施方式。
阵列芯片的详细描述。阵列芯片由磁性和非磁性材料组成。任何合适的可磁化材料可以用于阵列芯片。在一种实施例中，所使用的可磁化物质为永磁质、铁磁质、亚铁磁质，或超顺磁质。优选地，所述可磁化物质为过渡金属(例如铁、镍、铜、钴、锰、钽和锆)的组合物或其合金。在一种优选的实施例中，所述可磁化物质为金属氧化物。更优选的材料包括NiFe和钴。另一种优选的材料包括钴的合金，例如CoTaZr、CoFe、CoNiFe、CoNbZr、CoNbHf和CoTaHf。优选该特征为具有优先的磁化轴的条形。在许多应用中，期望阵列芯片中具有剩余磁化强度的品质。与微型设备相似的是，阵列芯片内的可磁化物质可以完全位于(封装于)包含有该阵列芯片的不可磁化基底内部、完全位于包含有该阵列芯片的不可磁化基底外部但仍保持接触、或其间的任何位置。一种优选的实施方式中，将磁性元件置于玻璃基底顶部并将它们用二氧化硅进行封装从而所述二氧化硅形成了平坦的或基本平坦的表面。
虽然本申请所列举的实施例使用了含有CoTaZr条的阵列芯片，所述CoTaZr条具有低剩磁和低矫顽磁力，这些特性不是用于磁性阵列组装所必须的。由于高矫顽磁力将导致微型设备在没有外磁场时，磁性地组装成链或发生聚集，通常不希望微型设备含具有这种高矫顽磁力；虽然，希望包含在阵列设备内的磁性元件具有上述品质以允许撤去进行阵列的场时已组装的阵列保持完整。然而，也可以对阵列进行分析干燥，并且在扁平微型设备和阵列芯片的表面之间的粘附力足以在大多数不存在连续施加的外磁场的情况下的实验条件下将阵列的微型设备保持在原位。这些粘附力可以通过一定条件或存在试剂的情况下得到增强，其中，干燥过程在表面上产生薄膜。
阵列芯片内的单个磁性元件可以由不同的设计著称。磁性元件可以为任意的形状和大小。每个磁性元件可以与所有其他的元件不同，或包括这种元件。各个磁性元件可以由具有相似或不同磁性特性的不同材料组成。优选所述磁性元件具有优先的磁化轴的条形。术语“条(bar)”除了矩形之外，还包括杆状和仍然表现有优先的磁化轴所谓稍微不规则的形状，例如，伸长的锥形。条不必须为实心的，而且可以具有如下文所描述的断口(cutout)或孔。
一种优选的实施方式为由高持久的铁磁性材料组成的条的磁性元件。这些磁条可以为矩形或基本为矩形，如图5和图8中的实施例所示。如图5所示的并在美国专利7,015,047中描述的具有“指(finger)”的条是另一种优选的实施方式。这些指可以为短的(例如，磁条全长的1-2％)或长的(例如，几乎包括了磁条的全长)或两者之间的任何值。
不可磁化基底可以由任何材料组成，包括硅、二氧化硅、氮化硅、塑料、玻璃、陶瓷、聚合物、金属(例如，金、铝、钛等)或其他类似材料或这些材料的组合。在一种优选的实施例中，所述材料为二氧化硅。在另一种优选的实施例中，所述材料为玻璃。基底可以由单层组成或者可以由多层组成。阵列芯片基底可以为，但不是必须为平坦或基本平坦的。阵列芯片上可以存在凹陷以与允许微型设备“就座”以保证所述微型设备精确的排列，这是某些应用所需要的。这些凹陷，例如说，可以具有平坦表面以放置被扁平化(flat-ish)的微型设备，或者这些它们可以为球形意放置磁珠或珠形的微型设备。在一种优选的实施方式中，所述凹陷被设计为与各个平坦微型设备的形状相匹配，例如，矩形孔来保持图7、图8和图9中所示类型的矩形微型设备。
每单位截面积的阵列位点的数量依赖于阵列芯片上的磁性元件的大小和间隔。例如说，图4所示类型的对大小为70×90微米微型设备进行阵列的阵列芯片可以在每平方毫米上阵列接近70个微型设备。在其它的实施方式中，该密度会大得多。例如说，图6中示意性示出类型的微型设备大小为5×10微米，可以以每平方毫米约10000个微型设备的密度进行阵列。
阵列芯片可以含有其他不是必须的特征以促进阵列过程。与平面微制造的设备兼容的特征(例如用于微型机电系统(MEMS)(例如在刘，C.MEMS基础，皮尔逊·普伦蒂斯·霍尔出版社，上萨德尔河，新泽西，2006(Liu，C，Foundations of MEMS，Pearson Prentice Hall，Upper Saddle River，NJ，2006)；贾德-尔-霍克，M，MEMS(机械工程学)，CR出版社，博卡拉顿，2006(Gad-el-Hak，M.，MEMS(Mechanical Engineering)，CRC Press，Boca Raton，2006)中所评述的))的宽度范围可以与阵列芯片的非磁性基底结合。一种优选的实施例为微槽。这种槽可以用于运输和/或除去试剂和其他材料，例如来自阵列芯片表面的微型设备。另外优选的实施方式包括电子的和光学的微传感器(包括用于MEMS的那些)(例如，如加德纳，J.W等人，微传感器、MEMS和智能设备，约翰威利与桑出版公司，西萨塞克斯，2001(Gardner，J.W.et al.，Microsensors，MEMS，and Smart Devices，John Wiley & Sons，West Sussex，2001)中所评述的)。
在一种优选实施方式中，微型设备包括电接触和电路。该电路允许电脉冲通过阵列芯片输送到阵列上特定位置上。电路由电传导材料组成，所述电传导材料优选封装在阵列芯片的基底内从而仅有触板暴露在阵列芯片的表面上。可以使用阵列芯片的外边缘或表面上的触板来将阵列芯片与电源和/或传感设备相连。阵列内的连接板可以用于制造与阵列芯片表面上的成阵列的微型设备的触板。该电路和电接触可以用于电源和/或接受来自微型设备内的MEMS型传感器的信号。在一种优选的实施方式中，这些电板可以用于鉴别微型设备。当具有电触板的微型设备阵列于具有互补的触板的阵列芯片上时，可以通过阵列芯片和成阵列的微型设备输出电信号。在一种优选的实施例中，阵列芯片上的触板的图案是没有变化的(在阵列上的各个位置上是相同的)，而图案微型设备是不同的从而对阵列芯片位置的电特性(例如电阻或导电率)将允许对阵列的微型设备的鉴别得到确定。
在一种优选的实施方式中，阵列芯片具有一系列的分离的阵列。这种阵列可以通过槽或壁在不可磁化基底的表面上分离，或者可以仅被空的空间间隔开。在壁的情况下，所述壁可以由任何与基底表面兼容的材料制成，包括氧化硅、氮化硅、塑料、玻璃、陶瓷、聚合物、金属(例如，金、铝、钛等)或其他类似材料或这些材料的结合。一种优选的实施方式为SU-8。
在另一种优选的实施方式中，将模板置于阵列芯片上以将单个阵列物理地分离为隔间。这种模板可以由广泛的材料制成，包括塑料和金属。PDMS(聚二甲基硅氧烷)是优选的材料。
在另一种优选实施方式中，阵列芯片具有标记、编码或定位记号以协助成阵列的微型设备的读数和分析。
阵列芯片的磁性元件应该与微型设备上的磁性元件互补，但是在尺寸或形状上不是必须精确地与微型设备上的那些磁性元件相匹配的。例如说，如图10所示地，具有10微米宽和30微米间隔的磁条的微型设备成功地磁性组装在12微米宽且间隔32微米的磁条上。
制造。可以使用各种处理中的任意的方法来制备微型设备和阵列芯片。在优选的实施方式中，使用不同的常规微机械加工和半导体制造方法制造微型设备和阵列芯片。这些方法在美国专利7,0157,047和美国专利申请2002/0081714以及在讨论了光刻法或MEMS制造技术的评述和教科书(例如，在班克斯，D，微工程学、MEMS和接口技术：实用指导，CRC出版社，2006(Banks，D.，Microengineering，MEMS，and Interfacing：A Practical Guide，CRC Press，2006))中描述和引用。
磁场发生器的详细描述。可以通过电磁体、永磁体或这两种的组合来产生驱动磁性组装阵列过程的所需要的磁场。使用了以下列举的实施例中全部的三种方法以成功地产生了微型设备的组装阵列。与磁性组装过程兼容的外磁场的强度是非床宽的，并且成功地使用了小至2Oe和大到300Oe的外磁场。该范围外的场强也应该是可接受的。
在一种优选的实施方式中，磁场发生器包括一组嵌套的电磁感应圈(例如，亥姆霍兹线圈)，该电磁感应圈沿多个轴(例如，x、y、z)产生磁场。在另一种优选的实施方式中，磁场发生器包括单个嵌套的成套的电磁感应圈，与亥姆霍兹线圈相似，但是其中各个可能包括亥姆霍兹线圈的线圈可以被独立地调节。在进一步优选的实施方式中，磁场发生系统包括能够产生正极性或负极性输出的直流(DC)电源。在另一种优选的实施方式中，磁场发生系统包括交流(AC)电源或连接到能够驱动电磁感应线圈的放大器的频率发生器。在进一步优选的实施方式中，磁场发生系统包括适于产生消磁缓冲的AC电源。
磁性阵列。阵列芯片上的磁性元件被固定。在“附加物”微型设备系统(图3)中，只要磁力足以克服阻碍微型设备组装的非磁力(包括微型设备之间的粘附力、粘滞曳力和重力)，存在于任意方向上的外磁场时都能发生磁性自组装。
在本发明的主题的一种优选的实施方式中，其中，磁性组装发生在阵列芯片和微型设备之间，除了克服能阻碍组装的非磁力，在彼此吸引的微型设备(自组装)之间和受到阵列芯片上的磁化的元件吸引的微型设备(阵列)中也存在磁性竞争。微型设备将取向为外场方向，阵列芯片上的磁性元件的取向保持不变。在最佳的阵列条件下，外场与阵列芯片的磁性元件的主轴平行或基本平行地排列。在这些条件下，阵列芯片和微型设备内的磁性元件的磁极在一条线上，因此使受到能量驱动的磁性组装的强度最大，并使自聚集的微型设备和阵列表面之间的互斥作用的强度最大化。
对于具有可磁化元件的阵列芯片(例如，可磁化条)，由微型设备内和在阵列芯片上的磁性元件产生的场的相对强度依赖于用来形成磁性元件的材料的量、磁性元件的几何形状以及所用磁性材料的磁性特性。在图5、图7、图8和图9所示实施例中，所有的磁条由相同的材料——CoTaZr制成。该材料，特别是比例为92∶4∶4的合金，具有高饱和磁化强度、极少的剩磁并且没有磁致伸缩。所用阵列芯片上的磁性元件的厚度或深是微型设备内的磁性元件的2倍(即，0.8微米对0.4微米)，并且长度比微型设备内的磁性元件的长2.5倍，宽比微型设备内的磁性元件的宽1.2倍。通常地，期望在阵列芯片内的磁性区域的端部产生的长臂微型设备内的磁性区域产生的场要大2-4倍。如下文描述地，如果这些倒转上述比列，阵列过程也应该运行良好。
B.形成微型设备阵列的方法
另一方面，本发明的主题在提供一种形成微型设备阵列的方法，该方法包括：a)提供多个微型设备，各个微型设备包括可磁化元件，其中，所述微型设备具有预定的优先磁化轴；b)提供阵列芯片，所述阵列芯片具有多个固定的磁性元件，所述磁性元件与所述微型设备的磁性元件互补；c)一个或多个外场发生器；d)将所述多个微型设备引导至所述阵列芯片上；以及e)在所述阵列芯片上通过磁力和/或其他力操作所述微型设备，由此，所述力的效果的组合、所述阵列芯片的磁性元件的分布以及所述微型设备的磁性元件的分布基本上将所述微型设备以图案的方式展示于所述微芯片的表面上。
基本的阵列过程涉及在微型设备内和阵列芯片内的两组互补磁性元件的组装。可以使用一个或多个磁场发生器来进行阵列过程。为了简便，考虑三个独立的磁场是最简单的，这三个磁场各自指向笛卡尔坐标系的x、y或z轴。可以由亥姆霍兹线圈产生的均匀的、本质为单向性的场。可以使用一组三个嵌套的亥姆霍兹线圈来产生在此进行示例性讨论的磁性阵列所需的吃力。可以通过改变通过各个线圈熟悉欧诺个的电流来迅速地改变各个磁场的强度。通过使用继电器或双极电源(允许负压的电源)，可以使磁场的方向反向。
第一外磁场(“横列场”)的方向沿阵列芯片内的磁条的轴以驱动阵列过程。为了清楚起见，将阵列轴定位为与x轴重叠。第二外磁场(“竖列场”)的方向垂直于阵列芯片的平面(沿z轴)。第三外磁场(“旋转场”)在阵列芯片的平面内，并且其方向与阵列条的轴垂直(沿y轴)。横列场用于驱使微型设备和阵列芯片之间的磁性组装以产生被适当阵列的微型设备，如图4和图10所示。竖列场和旋转场用来移动被不适当阵列的微型设备，并将它们沿阵列芯片移动直至它们被适当地阵列。
磁性组装。其他人已经证实磁珠的磁性阵列利用了“局部磁场”，其中，磁珠在包括相似于图4所示的固定阵列的相邻的磁条之间被捕获(美国专利申请2002/0081714；“在图案化的磁性薄膜上印刷超顺磁的胶状微型设备阵列”，耶伦等人，应用物理学杂志7331-7333(2003)(″Printing superparamagneticcolloidal microdevice arrays on patterned magnetic film″Yellen et al.J.Appl.Phys.7331-7333(2003)；用于高通量DNA检测的图案化的磁条阵列，罗伯特等人，电气与电子电磁学报，3006-3008(2004)(″Patterned magnetic bar array forhigh-throughput DNA detection″by Roberts et al.IEEE Trans.Magn.，3006-3008(2004))))。由美国专利申请2002/0081714所定义的“局部磁场”是“一种实际上存在于第一次性区域的北极和第二次性区域的南极之间体积内的磁场”。
另一方面，主导的磁性互相作用需要位于磁性元件之间的空间内，而不是在这些元件内。此外，与磁性捕获不同的是，如以上所描述地，当磁性吸引力占据主导时，本文陈述的磁性组装过程中排斥磁性贡献是该过程的关键。因此，即使当微型设备之间的吸引力大于微型设备和阵列表面之间的吸引力位于阵列芯片表面的微型设备在外磁场内仍然可以得到有效的阵列。这是由于微型设备的自聚集可能需要在阵列芯片的磁性区域和自聚集的微型设备之间的不期望的互斥作用。例如说，认为图4和图10所示的阵列具有沿x轴的均匀磁场(在图4和图10中磁条的长轴)。阵列对抗自组装所需的相关自由能关系为用于阵列的能量EAR小于自组装的能量ESA，加上在阵列芯片和微型设备之间的互斥作用的能量ERI。这些互相作用中各个的强度将与磁极强度的乘积成比例；mMD用于微型设备而mAc用于阵列芯片。相关的关系式如下：
(1)EAR∝mMD·mAC；ESA ∝mMD·mMD；ERI∝mMD·mAC
其中ERI与其他两个能量术语异号。基于这些关系，在mMD＞＞mAC时倾向于发生微型设备之间的自组装而在mAC＞＞mMD时倾向于发生阵列。当mMD和mAC数量级相似时，自组装能量的总和ESA和排斥作用能量的总和ERI能有效地抵消因而特别倾向于发生阵列。此外，当mMD＝mAC时，引导阵列的互相作用的强度(即，EAR和ERI)达到最大值。因此，如果阵列芯片上和微型设备内的磁性元件和相差了很大的程度(即，数量级)，则磁性组装的过程的有效性较低。当微型设备内的磁性元件压倒性地占据了主导作用，则主要的互相作用僵尸微型设备的自聚集。当阵列芯片的磁性区域压倒性地占据了主导作用，则可以观察到微型设备的堆垛；在数量级上相似但与ESA异号的互斥作用防止了多个微型设备在阵列芯片上占据在同一阵列位置上。这种额外的排斥过程是基于磁珠的阵列和本文描述的磁性组装阵列之间的另一个基本区别。
通过磁性组装进行的阵列。在本文所陈述的磁性组装阵列过程中，磁性特征具有优先的磁化轴。在施加的外场H存在时，磁性特征内的场H’由于退磁因子而与所施加的场不同。对于铁磁体材料和亚铁磁体材料，H’比H小。磁性特征的形状和组成决定了其退磁因子和在磁性特征表面上的“磁荷(magnetic charge)”的分布。
有许多电脑程序可以用来对磁性组装阵列过程及其磁性元件进行建模，例如FEMM(http://femm.foster-miller.net)、MagNet(http://www.infolytica.com)、FEMLAB(http://www.femlab.com)(“磁性学和微流体”，帕米，芯片实验室，6：24-38(2006)(″Magnetism and micro fluidics″by Pamme Lab Chip，6：24-38(2006)))。本领域的技术人员将能够使用这些程序对微型设备和阵列芯片进行建模。然而，一些简单的假设允许对磁性组装进行的阵列过程推断出了定性和半定量的结论。
例如说，对图3、图4、图6和图10所示类型的成阵列的可磁化条的情况进行考虑。在分隔开的条的端部之间的互相作用的距离远低于条的长度和在各个条内相对磁极间的距离。因此，存在沿磁条的长轴方向的均匀的外磁场的情况下，阵列状态中的每个重叠的磁条之间的力可以接近为隔离的磁极之间的互相作用(即，库仑定律)(“两个磁体和球轴承：对镜像法的简单证明”，普恩，美国物理学杂志，71：943-947(2003)(″Two magnets and a ball bearing：A simpledemonstration of the method of images″by Poon Am.J.Phys.，71：943-947(2003)))，从而，
$\left(2\right),F\propto \frac{m_1{m}_2}{r^2}$
其中，F为两个磁极之间的力，r为它们之间的距离，而m1和m2为分别的磁极强度。
在图3、图4和图10所示的阵列过程中，当这些图中所示的微型设备是处于它们合适的阵列形式时，存在四个这种互相作用。
考虑悬浮于理想条件下的流体(例如，等密度流体、表面张力可忽略不计并且不存在粘附力)中的单独的未受到阻碍的微型设备在三个嵌套的正交亥姆霍兹线圈中心(能够产生单向均匀磁场)。沿x轴施加均匀外磁场。由于场是均匀的，因此在微型设备上不存在平移的力，但是会存在一个扭矩，τ。
(3)τ＝μBsinθ
其中，μ为磁极的大小，B为磁场强度，且θ为磁场和磁极之间的角度。微型设备将旋转至其磁性元件与外场在一条直线上，例如，磁条将与x轴在一条直线上(扭矩变为0)。
当沿y轴施加第二均匀外场时，单独的微型设备将受到另外的如等式3所描述的扭矩的作用。微型设备将发生旋转以将扭矩降低到0。因此，如果在x和y方向上的场的大小相等，所述微型设备的取向将与x和y轴呈45°角。如果场是同时施加的，则会发生随机的向平衡位置的旋转。如果场是顺次施加的，由于第一场已经在磁性元件中形成了极性，当施加第二场时，所有的微型设备将以相同的方向向新的平衡位置发生旋转。相似地，沿z轴施加另一个均匀的外场时，微型设备将再次达到平衡位置以消除在微型设备上的阻力。
现在考虑相同的过程，不同的是，加入图3、图4和图10中所示类型的阵列芯片中的磁条与x轴成一条直线。当场是沿x轴施加时，微型设备将与阵列芯片的磁性元件互相租用，并实现阵列的构造。沿y轴施加的第二场将向阵列的微型设备施加扭矩。然而，即使沿y轴的场的大小等于沿x轴的场，微型设备也不会发生旋转。这是由于横列力(arraying force)将微型设备保持在原地的结果。旋转杯量化(即，直到由沿y轴的场产生的扭矩超过使微型设备保持阵列的横列力)。一旦扭矩超过微型设备的阈值，微型设备将旋转至与y轴基本共线。即使在理想模型中，这也不是一个热力学可逆过程。等式2中所示的横列力取决于阵列状态中磁极之间的距离。一旦微型设备旋转到阵列状态之外，磁荷之间的距离将变大。因此，在y方向施加足以打乱微型设备阵列的场后，该场大小的稍微的减少不会引起微型设备的阵列。
类似地，沿z轴施加的第二外场将导致量化的移动，但是该过程要复杂得多。微型设备旋转以与z轴共线不会引起微型设备失去与阵列芯片表面任何可能的接触。任何直立的微型设备(即，基本上与z轴共线)将保持与阵列芯片的磁性元件的强烈的磁性互相作用，如图11所示。
实际上，将有许多微型设备置于阵列芯片表面上。沿x轴的均匀场不会使每一个微型设备发生横列，这是由于不是所有微型设备位于或接近空横列位置。在y和z方向上的非横列场在阵列芯片表面上移动微型设备并促进有效的横列。横列场还可以用于移动非横列的微型设备并促进横列，这是由于可以向横列场中引入场梯度而不会对阵列过程产生不利影响，例如，通过每秒中快速地循环横列场的方向多次。其它的单独的或与磁场结合的力也可以用来对排错的微型设备进行再定向。这种力包括振动力和流动力(fluidic force)、声波力(acoustic force)、介电泳力(diaelectrophoretic force)等，如美国专利申请20020137059中描述的。该过程还能用来除去有缺陷的或损坏的微型设备并引导取向，如下文所描述的。在一种实施例中，其它的力是由阵列芯片在存在磁场发生器的情况下进行移动所所产生的。这种移动可以涉及任意方向的移动，在一种优选的实施方式中，该移动涉及阵列芯片的旋转。
另一方面，不包括在使用单个微型设备的简单实施例中，是多个微型设备的磁性自组装。如以上所描述，仅存在横列场时，微型设备不会发生自组装(由于磁性距离的微型设备和阵列芯片的磁性元件之间的排斥)。当沿z轴施加场时，发生非常小的自聚集。这是因为微型设备位于阵列芯片的表面并且可以在阵列芯片上被磁性元件拖到阵列芯片上的空位处。因为与沿z轴共线的微型设备是直立的，它们与阵列芯片表面直接接触的表面很少。因此，微型设备倾向于易于在阵列芯片表面分散，并在阵列芯片上找到空闲的磁极对发生直接的互相作用。虽然一些自组装的微型设备的直立的链能在指向z轴的强磁场存在下较早地在阵列过程中，经过几个循环的对直立场(即，z轴)的改变后，基本上所有的微型设备能被磁性地结合到表面上。相反地，当沿y轴施加强磁场时，由于使不希望的自聚集的微型设备和阵列芯片之间的磁性排斥被最小化，因此可以发生显著的自组装。
实践中，打乱(disarraying)z轴阵列可以被简单地反转，由于沿x轴的取向是保持的并且由于沿z轴的磁性减少，重力和浮力协助了使微型设备指向阵列芯片表面。因此，在x-z平面内施加在最有情况下与z轴共线时足以使排错的微型设备直立的旋转磁场能够产生有效的阵列。适当阵列的微型设备，当由于沿z轴的磁场而被打乱时，在它们的直立位置上沿x轴可以具有相同的取向，该取向在磁条件空隙的左侧或右侧，可以通过改变x或z场(如图11所示)的方向来控制所述位置。对于沿y轴的旋转，在微型设备和阵列芯片表面之间存在潜在的互相粘附作用。
可以使用量化的打乱阵列的效果来驱动阵列化过程。一旦微型设备被阵列化，沿着y和z轴施加稍微低于打乱已适当阵列化的微型设备的阈值的场能导致将不适当的阵列或损坏的微型设备移出阵列芯片的表面。即使在不均匀的外场中，微型设备可以在阵列芯片的表面上移动，所述阵列芯片受到没有被微型设备占据的阵列芯片内的磁性元件产生的磁场吸引。
可以利用在x-y平面内的非均匀场以更有效地将微型设备分布在阵列芯片的表面上。在一种优选实施方式中，在x和y方向是施加交替的长梯度。这种场可以使用亥姆霍兹线圈或包括那些具有磁芯并且能快速地使磁场方向逆转的类似的线圈来产生。这种场还可以通过使用单个电磁感应圈(例如，其中线圈能够被独立地赋予能量的亥姆霍兹型设计或例如可商购自瓦瑞奥梅格(variomag)的电磁搅拌器)，或者通过使用可移动的永磁体(例如，那些可商购用于化学实验室的发动机驱动的电磁搅拌器)，或永磁性线圈和电磁感应线圈的结合而产生。
所述阵列过程中一个重要变量的参数为覆盖在阵列芯片和微型设备内的磁性元件上的非磁性层的厚度。如等式2所示，阵列互相作用的强度取决于距离平方的倒数。在磁性组装状态下，该距离等于覆盖磁性元件的用于封装的非磁性材料的厚度的总和，即

其中，dMD表示的是在微型设备上封装层的厚度，dAC表示的是在阵列芯片上封装层的厚度。这些厚度影响了微型设备自聚集的强度以及在阵列芯片和为设备之间的横列力，即，用于自聚集的力FSA可以被表示为：
$\left(5\right),F_{\mathrm{SA}}\propto \frac{1}{{(d_{\mathrm{MD}}+d_{\mathrm{MD}})}^2}$
如先前所讨论的，当阵列超越了自聚集占据了主导作用时发生最佳阵列。从等式4和等式5看出，这在dMD＞＞dAC时发生。然而，无论dMD比dAC大多少，力的比值不会超过接近4的因子。由于在刺激之间的距离的增加导致了在阵列芯片和微型设备之间互相作用的减弱，绝对值大的dMD是不希望的。对这种距离的合适的选择依赖于具体的应用、磁性元件的大小、材料的磁性特性，以及微型设备的大小和密度。对于图7、图8和图9所示类型和大小的微型设备，发现值为约1-2微米的dMD与小于2微米的dAc发挥较好的作用。该范围外的值也能发挥较好的作用。随着微型设备的尺寸的减少，dMD的最佳值可以为小于1微米。
将磁性元件从微型设备端部分离的非磁性材料的量会影响在存在足以打乱微型设备排列的沿z轴的场时将微型设备保持在阵列芯片表面的相互作用的强度。可以与磁性元件的饱和磁性强度和磁性材料的形状和数量一起使用这些参数来对阵列过程进行微调。
粘附。在非理想条件下的真实流体中，微型设备之间和微型设备和阵列芯片之间的粘附力可以很大(“粘性连接科学”，柏克曼，学术出版社，纽约1961(“The science of adhesive joints″by Bikerman Academic Press，NY 1961”))。这对于高表面张力的流体(例如水)是特别正确的。表面之间的粘附力垂直于微型设备的扁平表面。粘附力是由于各种力导致的，包括毛细管力、范德华力和化学力(“批判性评论：微机结构表面中的粘附力”，马勃典和豪，真空科学与科学技术杂志.B，15：1-20(1997)(″Critical review：Adhesion in surfacemicromechanical structures″by Maboudian & Howe J.Vac.Sci.Technol.B，15：1-20(1997)))。粘附力的强度基本上依赖于溶剂(例如，表面张力)的特性和表面的特性(例如，粗糙度、硬度、亲水性)。
虽然阵列芯片表面和微型设备之间存在粘附力，但是微型设备之间的粘附力表现出对微型设备的解离和阵列化的主要障碍。这是由于阵列芯片是静止的。当施加合适的磁场时，排错的粘附的微型设备可以受到抵抗粘附力的强大的磁力(例如，竖列力)。在微型设备-微型设备粘附的情况下，微型设备能同步地在所施加的磁场内移动从而可以仅施加部分的磁力来克服粘附力。
比如说，首先考虑在三个嵌套的正交亥姆霍兹线圈中心的非磁性基底上的真实流体内的磁性自组装的微型设备。磁力驱动了自组装链的形成，并且微型设备之间的粘附力支持了微型设备链的形成。在均匀磁场中，各个微型设备上施加了相同的扭矩。结果，抵抗无限链长度的主要力量是由流体和微型设备链之间的产生的剪切力。该剪切力依赖于旋转的速度、流体的特性以及有关的表面积。对于平躺在x-y平面并且在该平面内旋转的微型设备来说，有关的表面积是沿着微型设备的边缘的。对于直立并在x-y平面内旋转的微型设备来说，该表面为朝向微型设备的面。多于图7、图8和图9中所示类型的微型设备(60×75×3微米)的第一个近似值(忽略在微型设备自组装过程中发生的表面重叠的效果)，在直立的微型设备上的剪切力至少为那些平躺的微型设备上的剪切力的20×以上。因此，期望直立的微型设备的旋转将产生比平躺的微型设备的旋转产生更短的链长。
用阵列芯片代替上述实施例中的非磁性基底导致有额外的力施加在磁性组装的微型设备链上。在主导横列场存在时，一些的微型设备将与阵列芯片的磁性元件磁性组装。
然而，随着占据的增加，从磁性阵列的微型设备产生的排斥力导致了阵列效力的降低，这些互斥作用将微型设备链推出表面。这在沿z轴存在相当大的场时时尤其正确的。此外，剩余的自聚集微型设备很可能比初始的混合物更难以发生解离，这是因为松散联系的微型设备易于最先发生阵列。如等式5以及以上所描述的磁性自组装过程是依赖于距离的。因此，均匀磁场存在下，通过将微型设备保持在x、y平面上来协助真实流体的磁性阵列。
一种提高成阵列效率的方法是改变溶液条件，例如说，通过减少液体-表面界面处的表面张力。实现该目的一种方式是通过向水性溶液使用纯的有机溶剂或添加剂，例如乙腈、醇类(甲醇、乙醇、异丙醇等)或洗涤剂。例如甲醇和乙腈的添加剂也增加了水性溶液的粘性，这产生了更大的剪切力也有助于分离粘附的微型设备。
还可以利用表面粗糙度。表面特性也可以通过化学处理进行调节。例如说，可以使用硅氧烷来产生易于发生或不易于发生粘附(取决于溶液条件)的亲水性(包括带电表面)或疏水性表面。该方法已是表面化学和微制造领域中公知的。然而，许多表面处理可以与一些应用结合；因此希望提供一种用来破坏实际上与所有的表面和化学发生作用的粘附力的有力的步骤。
由于单个微型设备不会强烈地发生聚集，一旦在悬浮于溶液中而没有施加分离它们的力(例如，磁力、流体力、化学力(包括蒸发和给予溶剂的力，例如疏水性))时，磁性自组装增加了粘附强度。相似地，在横列场存在下，阵列芯片表面上的未自聚集的微型设备不会自聚集到任何可估计的程度。因此，由于粘附力是进行阵列的主要阻碍，在横列力存在下对粘附力的破坏将显著地加速并增加阵列过程。
一种破坏这种粘附性互相作用的方式是通过施加磁力。在变化的磁场梯度存在时(例如由实验室搅拌器所产生的)，微型设备将受到沿自组装链不同位置处各不相同的净力(net force)。这使链上的不同的微型设备上产生了不同的磁力，并起到破坏对粘附性互相作用的促进。旋转磁场梯度的更重要的方面在于，当磁场改变时，微型设备中存在有滞后。这导致了链上不同部分受到了不同的磁场，在粘附的微型设备之间产生了互斥作用。这些排斥力足以克服粘附力。
一种优选的实施方式是沿着x轴、y轴和z轴产生变化的磁场梯度的磁场发生器。优选地，可以调整该设备产生的场从而它们不足以打乱已经适当阵列的微型设备的排列，但是足以移动排错的微型设备。
例如说，这种微型设备可以由永磁体或磁性搅拌器上的组装的磁体组成。阵列芯片可以位于设备之上。在一种优选的实施方式中，旋转磁体和阵列芯片之间的距离是可调的一促进对阵列芯片受到的磁场的效率进行调节。第二磁性设备(例如，电磁感应圈或永磁体)产生固定横列场。在一种优选的实施方式中，场由电磁感应线圈或允许对横列场的强度进行调节的成对的线圈产生。在另一种优选的实施方式中，该设备在x-y平面上通过一组能依次被赋予能量的小磁线圈产生旋转场。除了线圈阵列和可调节的阵列芯片之间的距离，可以控制提供给线圈的能量以促进对阵列芯片受到的有效磁场的调节。这种小线圈的阵列被广泛用于可商购的磁力搅拌器。
当不期望自组装的持续状态时，具有沿x、y和z轴的场梯度的旋转场也是一种混合微型设备的优选实施方式。由于这种情况通常存在于微型设备以液体阵列形式持续的链状态使得微型设备表面区域被保护而不与周围的流体发生互相作用。特别地，持续的链状态为不希望的情况可以包括所有的处理和阵列步骤，包括微型设备表面修饰、部分附着、样品筛选、鉴定开发等。
虽然阵列和组装的磁能通常为吸引力，当在均匀磁场内使用低矫顽磁力材料时，在改变的磁场的存在下(例如永磁体的旋转或磁线圈内的电流反向)，可以使磁力即刻变成斥力。这种排斥能在克服微型设备之间的粘附力并如以上所述促进阵列过程中发挥了关键作用。对于第一近似值，可以认为该排斥能的大小等于吸引能的并且超过足以克服微型设备表面粘附力。
引导微型设备取向。用以驱动阵列过程的二次场的使用清楚地展示了其自身在至少一些优选的实施方式中能引导组装的阵列中的微型设备的侧边。在面朝上和面朝下的微型设备之间进行区分的能力是通过微型设备内的磁性元件的非对称性排列来达到的。一旦这种不对称的实施例是沿z轴不对称的(微型设备的厚度)，在微型设备的面朝上表面和面朝下的表面以及微型设备内的磁性元件之间的距离存在差别。图9表示了用于阵列试验的相同类型的面朝上和面朝下的微型设备的实施例。对磁极之间距离的阵列力的灵敏度在等式2中得到体现。如等式4所示，该距离依赖于封装阵列芯片和微型设备中的磁性元件的层的厚度。图9所示类型的微型设备的二氧化硅顶层(朝上的面)的厚度(1.8微米)比起二氧化硅底层(朝下的面)的厚度(1.0微米)要厚。图10所示的阵列芯片被最大为约0.4微米的二氧化硅层覆盖。因此，在它们所阵列的位置中，面朝上的微型设备的磁条与阵列芯片上的磁条相隔1.4微米，而面朝下的微阵列的磁条与阵列芯片上的磁条相离2.2微米。这种在距离上的差别(1.4微米对2.2微米)在适当的横列场存在下是足够大的，竖列力(例如磁力、流体力或其他力)可以被引导使得在面朝下位置阵列的微型设备直立离开阵列芯片的表面，并且在面朝上位置阵列的微型设备保持在它们所阵列的位置上。这种面朝上阵列的过程示于图12中。在该过程中，成阵列的面朝上和面朝下微型设备的混合物受到仅使面朝下的微型设备竖立的竖列场(z-轴)的作用。反转横列场(通过改变通过阵列线圈的电流的方法)并随后关闭竖列场使以前面朝下的微型设备变为面朝上。
此外，需要面朝下的取向，一旦完成面朝上阵列过程，所述微型设备可以通过改变外磁场而被翻转，如图13所示。在图13所示的过程中，所有的微型设备受到了竖列场(z轴)的作用，该竖列场将这些微型设备从表面上竖立起来。使横列场方向随后关闭竖列场使先前为面朝上的微阵列变得面朝下了。设想的是，约1％的厚度差可以用来引导面朝上/面朝下的取向。在一种优选的实施方式中，这种厚度差大于10％。在进一步优选的实施方式中，这种差值大于50％。再进一步优选的实施方式中，该差值大于100％。
在x-y平面(微型设备的正面)内不对称的磁性元件的使用也可以用来引导微型设备的取向。例如，如图8所示类型的微型设备可以在一个离散的取向(取决于阵列芯片上的磁性元件)上被引导。图14示出了示意性对这种阵列过程的示意性说明。通过使用x-y平面内的不对称性来引导微型设备的取向与前述利用了阵列对距离的依赖性来控制侧边的方法独立，从而允许同步地使用这两种方法。
除了面朝上和面朝下，微型设备还有多种可能的离散的取向。如图14示意性示出地，微型设备可以相对于x和y轴(微型设备的宽和长)被取向。图15示出了在阵列形式中面朝上和面朝下微型设备的示意性说明。此外，当微型设备的磁性元件相对于微型设备的宽度和厚度时不对称的，通过适当地选择阵列元件可以讲起在相对于图16所示的阵列元件的4个取向中的一个上进行引导。微型设备和阵列元件内的磁性元件不需要平行或垂直于微型设备或阵列芯片的边缘。因此，微型设备可以获得相对于在阵列芯片平面内的任意固定线上的任意取向。
此外，可以在阵列芯片的平面外的不同角度上对微型设备进行取向。无论是面朝上和面朝下取向的微型设备都能立于图11所示的边缘上，对边缘的选择是通过外磁场的方向所确定的。此外，通过改变磁场强度，微型设备倾斜的角度可以在0-90°范围内变化(平躺到完全直立)。这在图11中得到了证实，其中，在中部和右侧平面不仅是磁场的方向被改变了(不同的边缘位于阵列芯片的表面上)，而且竖列场(z轴)相对于横列场(x轴)的强度在右侧平面上被减少从而微型设备位于小于90°的角。
面朝上/面朝下的比例还可以受到非磁性方法的影响。图9所示类型的微型设备还具有不均匀的密度，该微型设备的二氧化硅顶层(上表面)的厚度(1.8微米)比其二氧化硅的底层(下表面)的厚度(1.0微米)要厚。磁条的密度约为9g/cm3，而二氧化硅的密度约为2g/cm3。这使微型设备为“底部重”，即，它们的大部分的重量在它们的下半部。所以，当微型设备被释放到溶液中并允许被安置时，它们优先地以面朝上取向放置。
图12和图13所示的面朝上/面朝下阵列的实施例仅说明了操作具有磁性元件的微型设备的取向的一种方法，所述磁性元件沿着微型设备的厚度(z轴)相对于其位置是不对称的。在该实施例中，由于翻转导致微型设备移动到阵列中临近其原始位置的位置，因此阵列上微型设备的面朝下的位置是不同的。在一种优选的实施方式中，微型设备被原位翻转从而它们在翻转后占据在阵列中的相同的位置。这可以通过许多方法来实现。一种情况下，通过使横列场(x轴)发生转向之前减少竖列场(z轴)的强度来进行原位翻转过程，而不是在转向过程中平稳的改变横列场来代替在逐步跳过，这些步骤包括将电源向阵列线圈提供的电流设定为0电流。图17示出了使用该过程被原位翻转的微型设备的实施例。还可以如下文所讨论地，通过阵列芯片构造中的改变而促进原位翻转。
可以通过利用沿微型设备的任意轴上的均匀性差别来实现对微型设备的特定取向，所述均匀性差别使它们在微型设备和阵列芯片之间的互相作用的强度之间存在不同。此外，如果阵列过程在与微型设备形状互补的孔或凹陷内进行，则可以使用不对称成型的微型设备来消除对称性。在此讨论中指的是微型设备的整体均匀性。因此，如果对称的平面和磁性元件的轴以及形状不重合，则均匀的磁条和均匀形状可以产生非对称的微型设备。图18示出了多个这种不对称微型设备。这些实施例是用于说明性而绝不是穷举的。
磁性互补。撇开对整体磁性强度的考虑，相对于微型设备中的磁条长度的阵列芯片上的磁条长度是重要的。微型设备同时由通过微型设备之间和微型设备与阵列芯片之间磁性区域的重叠或磁性区域的重叠的附近产生的吸引力和排斥力而被引导在位置上。优选地，位于微型设备上的和阵列芯片上的原件具有相似的长度(在一个或两个因子内)。由于“磁荷”在磁性区域的端部附近几种，长磁条在其中央区域吸引小得多的磁条。认识到由于这些互相作用弱于适当阵列的取向，因此可以使用移除磁力来进行扰乱是非常重要的。然而，当磁条的长度相似时，完全重叠的磁条之间不再有吸引力。在阵列芯片的堆垛构造中利用了互斥作用，磁性元件如图10所示。由于较长的磁性区域降低了阵列密度，通常优选较短的磁条。
当予小得多的磁条重叠时，可以使用长磁条促进磁性相互作用的能力来产生增加了所需的阵列互相作用的整体强度并提高了整理效率的阵列芯片图案。在该过程中，阵列的微型设备的磁条完全地与较小的磁条重叠而仍然通过部分地与两个其它磁条的重叠来参与对互相作用的促进，图19示出了具有磁条的芯片上的阵列过程的示意性实施例，所述磁条比将要被阵列的微型设备上的磁条要小。图20示出了利用该类型的磁条图案的阵列芯片的实施例。在一种优选的实施方式中，阵列上被完全重叠的磁条小于在阵列的微型设备上的重叠磁条的长度的50％。通过利用阵列芯片进行的阵列利用了部分和完全重叠的结合，这极大地促进了具有沿z轴不对称地放置的磁条的微型设备的原位翻转，如图20所证实地，60×70×3微米的具有二氧化硅顶层(上表面)的厚度(1.8微米)比二氧化硅底层(下表面)的厚度(1.0微米)要厚的微型设备的原位翻转。虽然图20所示的过程与图17所示的过程非常相似，但是在图20所示类型的阵列芯片上加入小磁条促进了原位翻转过程，并且甚至完全直立(与阵列芯片的表面成90°直立)的微型设备可以在这种阵列芯片上被原位翻转。在一种优选的实施方式中，阵列芯片具有交替的大小磁条。在进一步优选的实施方式中，所述小磁条比所述较大磁条之间的空隙要小60％。沿成套的磁性元件之间阵列轴最佳的空隙间隔依赖于多种因素。这些因素包括磁性元件的形状和组成(在微型设备和阵列芯片中)以及横列场的强度。因为阵列过程涉及刺激之间的强烈的互相作用，所以空隙间隔应该通常比微型设备中的互补磁性元件的长度要小。可以利用为了计算磁场而设计的标准程序通过计算机来计算该距离。距离还可以通过实验测量。相似地，最佳的磁条大小可以方便地通过计算机方式和实验方式而测定。宽范围的空隙和磁条大小是与阵列过程相容的，并且它们不需要与最富有能量的优选尺寸相对应。
在一种优选的实施方式中，磁性元件具有孔或空隙。在磁场中，磁性材料与非磁性材料的互相作用(例如存在于孔中)比两个磁性材料之间的互相作用要弱。因此，可以用孔来引导微型设备的位置并产生不对称的磁条构造以促进微型设备的取向。图21示出了微型设备和具有互补孔的部分的阵列芯片的示意图。孔的基本重叠在平行于阵列芯片上的磁条的优先轴的磁场中产生负有能量的最稳定状态。图22表示了成阵列于阵列芯片上的微型设备的说明性实施例，所述阵列芯片形成有互补孔的图案的磁条和小中心磁条用于重叠。图23表示了图22中示例性示出的阵列的微型设备的实际的实施例。从下方的照明证实了孔的排列。图24表示了形成有不规则的孔的图案的磁条的微型设备在互补组的阵列磁条上进行阵列。然而，阵列芯片和微型设备中的磁性元件不是必须具有互补的孔的。图25和图26示意性地示出了其中使用孔来引导微型设备的房子的实施例，但是仅阵列芯片或微型设备(不是同时)包括具有孔的磁性元件。
阵列芯片矫顽磁力。磁性元件在阵列芯片上的适当的排列依赖于阵列芯片上的磁性元件的磁性特性以及微型设备的磁性元件的磁性特性。如以上所讨论地，一种用于微型设备的优选的实施方式为，所述微型设备的磁性元件具有低矫顽磁力和低剩磁从而它们不会在外场存在时发生强烈的自组装。对于这种类型的微型设备，可以使用具有大范围的磁性材料的分拣芯片(sorting chips)。一种优选的实施方式是，在分拣芯片中的磁性元件具有低的矫顽磁力。为了使微型设备阵列于具有低矫顽磁力的元件的阵列芯片上，利用了磁性重叠，其中指北极与指南极重叠。图3表示了使用低矫顽磁力元件的阵列过程的示意性实施例。图4、图10、图11、图12、图13、图17、图20和图23所示的实施例与该情况相符。
另一种优选的实施方式是阵列芯片中的磁性元件具有高矫顽磁力。为了是微型设备阵列于具有高矫顽磁力元件的分拣芯片上，利用了磁性重叠。与在低矫顽磁力的磁性元件之间发生的磁性重叠不同的是，在低矫顽磁力的磁性元件和高矫顽磁力的磁性元件之间的磁性重叠依赖于外磁场的特定方向。图27表示了在高矫顽磁力的磁化方向的平行和反向平行上作用外场中利用这种磁条的磁条阵列的示例性实施例。
对于高矫顽磁力阵列元件来说，排列不需要存在空隙。一种优选的实施方式是磁性元件被排列为在相邻的元件之间提供的边界不明确的空隙的排列。图28表示了其中微型设备和阵列芯片达到了上述标准的微型设备被阵列的示例性实施例。
程序控制移动(Programmed Movement)。在一种优选的实施方式中，磁场发生器是可控的从而可以以程序控制的方式(例如，通过一组可由数字控制的电源功能的电磁感应圈的方法)顺次执行对磁场的改变。大部分的早期讨论关注随着磁场在平行和垂直于阵列芯片的优先的磁化轴的平面内的改变的微型设备的行为。这是为了进行清楚的解释而做出的，并且在一种优选的实施方式中，场梯度在3维内发生改变(例如，沿x轴、y轴和z轴)。在进一步优选的实施方式中，横列场的方向是脉冲的。这种脉冲优选在1Hz或更高的频率下进行。这保持了横列场而向非横列的微型设备上产生扭矩。在另一种优选的实施方式中，沿非横列轴(例如，y轴和z轴)的场在横列场存在时(脉冲的或稳定的)发生改变(场的方向和/或振幅)。这种程序控制的场的改变可以用于将微型设备通过磁性方式分布于阵列芯片表面上，同时将微型设备引导为阵列的状态。例如说，通过脉冲调整沿全部三个轴的磁场的方向，微型设备可以分散在阵列芯片的表面上并且通过将y场以固定间隔设定为0而在同一固定间隔内提高z场，可以讲微型设备以竖立形式被引导到阵列位点(例如，如图11的中图所示)。随后可以将z场设定为0以驱动竖立的微型设备达到阵列的状态(例如，如图12的中图所示)。可以重复该过程以驱动任何非横列的微型设备达到横列状态。这种循环可以在不到1秒的时间内进行。许多其它类型的微型设备的程序控制的移动也是可能的。比如说，微型设备可以被引导为沿平行于阵列芯片的优先的磁化轴的阵列芯片上“行走”。这种行走移动与图12所示类型的移动类似，其中直立的微型设备被翻转到邻近的阵列位点，但是在行走移动中不除去竖列场从而使微型设备在移动到相邻位点的过程中保持直立。可以重复该过程从而在需要时引导微型设备从阵列芯片的一端行走到另一端。
文库合成
阵列在文库合成和筛选领域提供了显著的优势。可以通过直接在微型设备上合成化合物来得到文库。固相合成法是广泛使用的并且可以构建微型设备表面化学从而与现有的固相方案相容。最广泛用来产生基于颗粒的文库的技术为“分配-混合”(split-and-mix)合成法，其中，在各个合成循环开始之前随机地分配混合的磁珠，并在循环完成时将磁珠集合起来，按需要将该过程持续进行多个循环。理想地，这使得每个磁珠仅具有一种化合物(对这点的忽视来自于未完成的连接步骤)。然而，除非所产生的文库是“完全组合的”，否则不能确定包含于分配-混合文库中的特定的化合物，这意味着文库需要包括所有可能的构件块(building block)的组合(例如，氨基酸、核苷酸等)。由于这种组合的文库在实现中时非常大的并且实际上随机文库中的组合物是未知的。通过在各个分配和混合步骤之前和/或之后进行阵列，并通过鉴别微型设备的编码图案来对微型设备的身份进行追踪可以确定随机文库的精确的组合物。此外，这种信息允许知道在各个编码的微型设备上的化合物进行的鉴别促进了筛选过程。在合成过程中的每一个步骤中对微型设备进行阵列的另外的好处是除了鉴别微型设备，在每一个单独的微型设备上的合成步骤的结合的效率可以通过使用非破坏性分析(例如，染色法或荧光法)而被确定。例如说，在肽合成的情况下，建立了能够用来确定单个磁珠水平上的链接的完成程度的分析(“一珠一化合物组合法”，拉姆等人，化学评述，97：411-448(1997)(″Theone-bead-one-compound combinatorial method″by Lam et al.Chem.Rev.97：411-448(1997)))。然而，在随机磁珠文库中，由于使用目前的磁珠编码技术来例行地对整个文库进行解码是不可行的，因此这种信息的利用受到了限制；在95％的磁珠上测定连接步骤的效率大于95％不能确定在任意单个磁珠上的主要副产品的组合物的水平或纯度。当对获得自检索文库(例如，对功能或活性进行筛选)的结果进行翻译时，所这种颗粒特异性的信息是非常重要的。例如说，由于在合成的各个步骤中发生的不完全的反应，一组具有的主要产物存在很大差别的微型设备可能含有大量的相似副产物。通过追踪合成中各个步骤中的这种信息可以记录副产物的分布。微型设备含有传感器或其他类型的微型电子机械系统(MEMS)设备的能力通过允许微型设备同时起到用于合成的基底和分析设备的作用而在检索文库中提供了额外的优势。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，除了以上已描述之外的修改也没有背离本发明观点。此外，对这些公开进行解释时，所有的术语应该被理解为与上下文相符的最可能广泛的形式。具体来说，术语“单数形式的含有(comprises)”和“分词形式的含有(comprising)”应该被理解为指的是非排他性方式中的元件、组成或步骤，表示可以存在、利用所指的元件、组成或步骤，或者与其他的未特别提及的元件、组成或步骤组合。当具体的权利要求提及至少一种选自由A、B、C......和N所组成的组的某事物，该内容应该被理解为仅需要选自该组中的一种元素，而非A加N，或B加N等。
本申请要求于2007年1月24日递交的美国临时申请序列号no.60/886370和2007年1月24日递交的美国临时申请序列号no.60/886373的优先权。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种形成微型设备阵列的方法，该方法包括：
提供具有能够产生磁力的磁性元件的离散的区域的阵列；
提供外磁场发生器以引导所述阵列的形成；以及
通过将微型设备吸引到所述离散的区域来使制备的微型设备成阵列，所述微型设备包括预定的优先的磁化轴。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微型设备在阵列中的取向可以被引导为所述微型设备的至少两个离散的取向。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微型设备在阵列中的取向可以被引导为所述微型设备的至少四个离散的取向。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微型设备在阵列中的取向可以被引导为所述微型设备的至少八个离散的取向。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微型设备在阵列中的取向可以被引导为所述微型设备的至少十二个离散的取向。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微型设备的最长线性尺寸为500微米。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述成阵列的微型设备完全与阵列的磁性元件重叠。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述成阵列的微型设备包括图案化的磁条。
9.一种改变微型设备取向的方法，所述微型设备的最长线性尺寸低于500μM，该方法包括：
在磁性元件的离散的区域将所述微型设备置于阵列中；以及
依次施加至少第一磁场和第二磁场，从而使被选择的成阵列的微型设备进行至少为90°的重新取向。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述阵列基本设置于平面内，并且所述被选择的微型设备被重新取向为与所述平面垂直。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述被选择的微型设备被上下翻转。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述被选择的微型设备被上下翻转但不改变它们在阵列中的位置。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，单个所述微型设备包括利用了支持至少103个选择的磁性编码空间的编码。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述单个微型设备中的每一个包括化学活性位点。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述微型设备中的至少100个包括彼此区别的聚合物和彼此区别的编码。
16.一种磁性阵列设备，该磁性阵列设备包括：
空隙间隔的交替的较长磁条和较短磁条的阵列，
至少一些所述较长磁条的平均长度小于500μM，并且至少一些所述较短磁条的平均长度低于最长磁条长度的50％。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述较长磁条和较短磁条以ABABAB方式交替。
18.根据权利要求16所述的设备，其中，所述较长磁条和较短磁条以不同于ABABAB的方式交替。
19.根据权利要求16所述的设备，其中，该设备还包括位于相邻的较长磁条末端之间的空隙，并且其中所述较短磁条的长度小于所述空隙的60％。
20.一种包括权利要求16所述的设备的系统，其中，在所述设备上有多个长度大于所述空隙的微型设备成阵列。
21.一种制品，该制品包括最长线性尺寸不超过1mm、厚度小于50μM的微型设备组，以及偏离于所述微型设备中心设置的磁性材料条。
22.根据权利要求21所述的制品，其中，所述微型设备组的元件的最长线性尺寸不超过500微米。
23.根据权利要求21所述的制品，其中，所述微型设备组的元件利用了支持至少103个选择的磁性编码空间。
24.根据权利要求21所述的制品，其中，所述微型设备组的元件包括彼此区别的聚合物和彼此区别的编码。
25.根据权利要求21所述的制品，其中，所述微型设备组的元件包括化学活性位点。
26.一种系统，该系统包括：
磁场发生器；
具有产生磁力的磁性元件的离散的区域的阵列芯片；以及
微型设备组，该微型设备组中的每一个微型设备具有预定的优先的磁化轴。
27.根据权利要求26所述的系统，其中，至少一些所述微型设备的长度足以跨越所述第一离散的区域和第二离散的区域之间的空隙。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，至少一些所述微型设备具有化学活性位点。