GMR生物傳感器的原理及研究

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。