GMR生物傳感器的原理及研究

1 引言

1988年，在法國(guó)巴黎大學(xué)物理系Fert教授科研組工作的巴西學(xué)者M(jìn).N.Baibich研究Fe/Cr磁性超晶格薄膜的電子輸運(yùn)性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)了巨磁阻(GMR)效應(yīng)，即材料的電阻率隨著材料磁化狀態(tài)的變化而呈現(xiàn)顯著改變的現(xiàn)象。

這一發(fā)現(xiàn)引起了許多國(guó)家科學(xué)家的關(guān)注，巨磁電阻效應(yīng)及其材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究迅速成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)自此以后，10多年來(lái)，巨磁電阻效應(yīng)的研究發(fā)展非常迅速，并且基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究幾乎齊頭并進(jìn)，已成為基礎(chǔ)研究快速轉(zhuǎn)化為商業(yè)應(yīng)用的國(guó)際典范目前，GMR材料已在磁傳感器、計(jì)算機(jī)讀出磁頭、磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器等領(lǐng)域得到商業(yè)化應(yīng)用。

利用GMR材料制作的傳感器稱作巨磁阻傳感器，它具有靈敏度高、探測(cè)范圍寬、抗惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，可利用半導(dǎo)體曝光和刻蝕工藝，使該元件集成化、小型化，其性價(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他幾種磁場(chǎng)傳感器本文綜述一種將GMR傳感器和生物技術(shù)相結(jié)合的新型傳感器——GMR生物傳感器該傳感器應(yīng)用于生物檢測(cè)領(lǐng)域，是一種對(duì)磁標(biāo)記的生物樣本進(jìn)行檢測(cè)的傳感器，由免疫磁性微球(IMB)、高磁靈敏度的GMR傳感器以及相關(guān)讀出電路三部分構(gòu)成。

2 免疫磁性微球

1979年，John Ugelstad等人成功地制備了一種均勻性和粒度適宜的聚苯乙烯微球，將其磁化并與抗體連接后，即成為一種分離細(xì)胞效果極佳的免疫磁標(biāo)記——dynabeads從此，免疫磁標(biāo)記得到廣泛應(yīng)用，并引發(fā)了生物分離技術(shù)上的一次革命免疫磁標(biāo)記的特點(diǎn)主要有分離速度快、效率高、可重復(fù)性好、操作簡(jiǎn)單、不需要昂貴的儀器設(shè)備、不影響被分離細(xì)胞或其他生物材料的生物學(xué)性狀和功能。

免疫磁性微球，或稱免疫磁標(biāo)記，是表面結(jié)合有單克隆抗體的磁性微球，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究比較熱門的一種新的免疫學(xué)技術(shù)它以免疫學(xué)為基礎(chǔ)，滲透到病理、生理、藥理、微生物、生化及分子遺傳學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，其應(yīng)用口益廣泛，尤其在免疫學(xué)檢測(cè)、細(xì)胞分離、蛋白質(zhì)純化等方面取得巨大的進(jìn)展現(xiàn)在國(guó)外已經(jīng)有多家公司專門生產(chǎn)磁標(biāo)記產(chǎn)品，如比較著名的Dynal，Nanomag，Micromer公司等國(guó)內(nèi)生產(chǎn)該方面產(chǎn)品的公司有寧波新芝生物科技股份有限公司、杭州聯(lián)科生物技術(shù)有限公司、深圳納微生物科技有限公司等圖1是一些免疫磁標(biāo)記的磁化曲線，其中，Dynal公司的M-280是目前最常用于GMR生物傳感器檢測(cè)的免疫磁標(biāo)記，直徑2.8μm，具有超順磁性。

免疫磁標(biāo)記技術(shù)的基本原理如下：免疫磁標(biāo)記既可結(jié)合活性蛋白質(zhì)(抗體)，又可被磁鐵所吸引，經(jīng)過一定處理后，可將抗體結(jié)合在磁標(biāo)記上，使之成為抗體的載體，磁標(biāo)記上抗體與特異性抗原物質(zhì)結(jié)合后，則形成抗原-抗體-磁標(biāo)記免疫復(fù)合物免疫磁標(biāo)記的功能基團(tuán)主要與蛋白質(zhì)結(jié)合，但是借助親和素-生物素系統(tǒng)，還能使免疫磁標(biāo)記與非蛋白質(zhì)結(jié)合，如各種DNA，RNA分子等.從而使免疫磁標(biāo)記發(fā)揮更大作用。

3 高靈敏度的GMR傳感器

目前，由實(shí)驗(yàn)和理論研究所得出具有GMR效應(yīng)的磁有序材料主要有四種類型：多層膜結(jié)構(gòu)、自旋閥結(jié)構(gòu)、磁性合金顆粒結(jié)構(gòu)以及顆粒-薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)四種結(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)，而GMR生物傳感器大多采用多層膜結(jié)構(gòu)或自旋閥結(jié)構(gòu)。

美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室于1998年率先提出利用GMR效應(yīng)和免疫磁標(biāo)記實(shí)現(xiàn)GMR牛物傳感器的設(shè)想他們通過測(cè)量DNA、抗原-抗體、施體和受體等的實(shí)驗(yàn)，證明了其原理的可行性，從而進(jìn)一步提出了磁標(biāo)記陣列計(jì)數(shù)器(BARC)，并研制出DNA陣列芯片圖2是美圍海軍實(shí)驗(yàn)室和NVE公司聯(lián)合設(shè)計(jì)的第三代BARC陣列芯片，其平面布局如圖2(a)所示，圖2(b)是圖2(a)的局部放大，它采用半導(dǎo)體工藝在硅基片上集成了64路GMR傳感器，每一路傳感器都是由總長(zhǎng)為8 mm、寬為1.6μm磁阻條來(lái)回曲折地分布在直徑為200μm的圓形區(qū)域內(nèi)(圖2(c))，其磁電阻值為42 kΩ，飽和磁化強(qiáng)度和GMR效應(yīng)(△R/R)分別為30 mT和15%，每一個(gè)傳感器可以單獨(dú)完成一種檢測(cè)傳感器采用磁性層/非磁性層/磁性層的多層膜結(jié)構(gòu)，被非磁性層隔開的兩個(gè)磁性層之間反平行耦合。

除了美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室和NVE公司以外，美國(guó)斯坦福大學(xué)、德國(guó)比勒非爾德大學(xué)、葡萄牙里斯本大學(xué)等也對(duì)GMR生物傳感器展開研究在國(guó)內(nèi)，對(duì)GMR生物傳感器展開研究的有中國(guó)科學(xué)院電工研究所、清華大學(xué)、電子科技大學(xué)等，雖然取得了一定的進(jìn)展，但是缺乏和生物技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，發(fā)展比較落后。

GMR傳感器檢測(cè)過程如圖3所示首先，在傳感器表面生成用于特定檢測(cè)的生物探針(圖3(a))，再使檢測(cè)試液流過傳感器表面，試液中特定的目標(biāo)分子將被探針捕獲(圖3(b))，然后加入免疫磁性微球，免疫磁性微球與目標(biāo)分子發(fā)生作用完成標(biāo)記(圖3(c))此時(shí)，需要采用垂直于傳感器表面的外加梯度磁場(chǎng)將未參與標(biāo)記的多余免疫磁性微球分離，這樣可以減小檢測(cè)時(shí)的背景噪聲，從而提高檢測(cè)的精確度然后，再用外加的交變磁場(chǎng)將磁標(biāo)記磁化，磁化的磁標(biāo)記產(chǎn)生的附加交變磁場(chǎng)引起傳感器磁電阻的變化，通過讀取磁電阻的變化可以判定待檢試液中是否有目標(biāo)分子，并根據(jù)磁電阻變化的幅度可以判斷待檢試液中目標(biāo)分子的濃度等情況。

4 信號(hào)檢測(cè)電路

磁電阻的變化需要轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一是惠斯登橋路結(jié)構(gòu)，如圖4(a)所示，另一種是采用I-V轉(zhuǎn)換法，如圖4(b)所示。

兩種方式的輸出信號(hào)都是在檢測(cè)信號(hào)中除去參考信號(hào)代表的背景噪聲，然后將其放大但是由于材料、器件的物理原因產(chǎn)生的噪聲是不可能完全消除的，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)非常弱時(shí)，由于信噪比太低，上述的電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的讀出，此時(shí)必須采用鎖相放大技術(shù)才能讀出信號(hào)，其檢測(cè)過程如圖4(c)所示鎖相放大技術(shù)是用于微弱信號(hào)檢測(cè)的有效方法之一，它采用互相關(guān)技術(shù)將待測(cè)信號(hào)中和參考信號(hào)同步的信號(hào)放大并檢測(cè)出來(lái)。

鎖相放大器由信號(hào)通道、參考通道和相關(guān)器(又稱鑒相器)三部分組成，信號(hào)通道的作用是將弱信號(hào)放大到足以推動(dòng)相關(guān)器工作的電平，并兼有抑制和濾除部分干擾及噪聲的功能;相關(guān)器是一種完成被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算的單元電路，由乘法器和積分電路組成;參考通道提供一個(gè)和被測(cè)信號(hào)頻率相同的周期信號(hào)。

目前，對(duì)GMR生物傳感器的信號(hào)檢測(cè)大多采用市場(chǎng)上常見的通用型鎖相放大器，其滿刻度靈敏度可達(dá)到nV量級(jí)，但它們大多是模塊化的測(cè)試儀器，體積過大，價(jià)格昂貴，不宜于產(chǎn)品的市場(chǎng)化為此，非常有必要設(shè)計(jì)一種專用于GMR傳感器芯片和半導(dǎo)體技術(shù)具有良好的兼容性，可將其與鎖相放大IC芯片采用MCM技術(shù)封裝在一起，這將大大提高GMR生物傳感器的實(shí)用性、普及性。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，巨磁電阻生物傳感器集成物技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、磁性薄膜技術(shù)以及微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)于一身，通過對(duì)免疫磁標(biāo)記的檢測(cè)，可精確判定待檢試液的成分及所含成分的濃度等情況，是GMR傳感器在生物檢測(cè)領(lǐng)域的一次成功拓新由于它具有靈敏度高、分辨力強(qiáng)、價(jià)格低廉、設(shè)備小型化及測(cè)量過程自動(dòng)化等諸多優(yōu)點(diǎn)，在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)及國(guó)防等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大，并且隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，它的集成度和靈敏度還將有更進(jìn)一表示問候步的提高但是，目前對(duì)GMR生物傳感器的研究，國(guó)內(nèi)外都尚處于基礎(chǔ)階段研究，離實(shí)用化還有一定的距離。