GMR生物傳感器的原理及研究現(xiàn)狀

　　1 引言

　　1988年，在法國巴黎大學(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，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)用于生物檢測領(lǐng)域，是一種對磁標(biāo)記的生物樣本進(jìn)行檢測的傳感器，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，是近年來國內(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、細(xì)胞分離、蛋白質(zhì)純化等方面取得巨大的進(jìn)展?，F(xiàn)在國外已經(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為8 mm、寬為1.6μm磁阻條來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。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。

　　除了美國海軍實(shí)驗(yàn)室和NVE公司以外，美國斯坦福大學(xué)、德國比勒非爾德大學(xué)、葡萄牙里斯本大學(xué)等也對GMR生物傳感器展開研究。在國內(nèi)，對GMR生物傳感器展開研究的有中國科學(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傳感器檢測過程如圖3所示。首先，在傳感器表面生成用于特定檢測的生物探針(圖3(a))，再使檢測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，這樣可以減小檢測時(shí)的背景噪聲，從而提高檢測的精確度。然后，再用外加的交變磁場將磁標(biāo)記磁化，磁化的磁標(biāo)記產(chǎn)生的附加交變磁場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 信號檢測電路

　　磁電阻的變化需要轉(zhuǎn)化成電信號，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都是在檢測信號中除去參考信號代表的背景噪聲，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)檢測信號非常弱時(shí)，由于信噪比太低，上述的電路無法實(shí)現(xiàn)對信號的讀出，此時(shí)必須采用鎖相放大技術(shù)才能讀出信號，其檢測過程如圖4(c)所示。鎖相放大技術(shù)是用于微弱信號檢測的有效方法之一，它采用互相關(guān)技術(shù)將待測信號中和參考信號同步的信號放大并檢測出來。

　　鎖相放大器由信號通道、參考通道和相關(guān)器(又稱鑒相器)三部分組成，信號通道的作用是將弱信號放大到足以推動(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)器是一種完成被測信號與參考信號互相關(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)和被測信號頻率相同的周期信號。

　　目前，對GMR生物傳感器的信號檢測大多采用市場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，但它們大多是模塊化的測試儀器，體積過大，價(jià)格昂貴，不宜于產(chǎn)品的市場化。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

　　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)以及微弱信號檢測技術(shù)于一身，通過對免疫磁標(biāo)記的檢測，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GMR生物傳感器的研究，國內(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。