CN100561225C - 巨磁电阻生物芯片检测分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明是检测设备领域中的一种巨磁电阻生物芯片检测分析仪，由壳体和安装在壳体上的控制面板、显示装置以及安装在壳体内的电源电路、主体电路、均匀磁强激发装置组成，其中的主体电路由依次连接的巨磁电阻生物芯片、模数转换芯片、微处理芯片，分别与微处理芯片连接的显示芯片、存储器，以及辅助电路组成；其特征在于巨磁电阻生物芯片上设有形状为通道型或星型的反应池，反应池表面固定有生命科学有关靶分子/有毒/有害/有益的化学分子。本发明的巨磁电阻生物芯片检测分析仪能够多样本、多靶点、低浓度、快速、实时、准确地对生命科学有关物质分子和有毒/有害/有益的化学分子进行定性和定量分析。

Description

巨磁电阻生物芯片检测分析仪

所属技术领域：

本发明属于检测设备领域，具体是一种巨磁电阻生物芯片检测分析仪。

背景技术：

尽管基于荧光技术的生物芯片成功地应用于生物医学研究中，但开发新型、有独特益处、低成本的生物芯片种类仍然有着巨大的市场动力。基于荧光技术的DNA生物芯片面临的技术挑战包括缺乏定量分析，不同生物芯片平台之间的实验结果比较存在困难，以及所用仪器昂贵，如芯片扫描仪，带来的普及上的困难。检测平台受到源于底物高荧光背景的干扰，而且要求所用的生物标记的稳定性要好，因为荧光标记对光敏感，当样本暴露在光线下会出现荧光漂白现象。

磁场传感器，如超导量子介入装置(superconducting quantuminterference devices，SQUIDS)和诱导线圈(induction coils)，已经用于生物诊断，但它们的应用受限于其体积大、灵敏度低以及耗电量高。应用磁电阻材料就可克服这些缺点。

因磁场而引起物质电阻改变的现象叫做磁(电)阻效应。这个现象在1856年首次由Thomson报道。但直到20世纪末期，随着固态技术的进步，如制造极薄的软磁阻铁磁体薄膜(Ni₈₀Fe₂₀)，才使得磁阻效应的原理在技术上得到广泛应用。1980年代抗铁磁间层与铁磁层更迭铺设以及巨磁电阻效应(giant magnetoresistive，GMR，effect)的发现，打开了磁阻效应在高灵敏度磁纳米结构的应用范围，包括磁记录介质，阅读磁头和磁随机存贮器(magnetic random access memory，MRAM’s)。巨磁电阻效应来源于载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同，因而导致的电阻值的变化。这是巨磁电阻传感器和旋转阀传感器的理论基础。大多数计算机都用这两种传感器做磁头来记录磁道上的边缘磁场。各向异性磁(电)阻效应(anisotropic magnetoresistiveeffect，AMR)来源于物质电阻在磁场的方向相对于电流方向由平行改为横断向时的改变。这种效应体现在铁磁合金材料中，如NiFe(镍铁合金)、NiFeCo(镍铁钴合金)，并且还是单层薄膜传感器的基础，如平面Hall传感器(planar Hall sensor)及环状AMR传感器(AMR ringsensor)。

生物传感器可定义为是一个“简单的分析设备或装置，是一个整合或连接了物理化学传导器的生物(或生物相关的)敏感器件”。1996年电磁学开始应用于开发生物传感器和生物芯片。这项技术是基于用微技术制造的高灵敏度磁场传感器，检测具有生物功能性的磁微米球或磁纳米球。尽管这项技术还很稚嫩，但它提供了一种高灵敏度的检测(理论上可达到检测单分子相互作用的水平)、稳定的标记系统、低磁场背景以及廉价的仪器配置。除了低成本，磁电阻生物芯片立竿见影的优点在于它是一个结合了磁场发生的芯片结构，因而可以在传感器位置迅速集中有磁标记的生物分子，从而大量降低杂交或其它分子识别过程所需时间。Nanogen公司已经商业化了用电子吸引力的原理达到缩短杂交时间目的的生物芯片，但是他们仍然用昂贵的荧光检测方法。磁电阻传感技术是多种多样的，目前在研的磁电阻传感器包括大型巨磁电阻传感器和旋转阀，AMR传感器以及Hall crosses。有希望的还有平面Hall效应传感器以及隧道结。1998年，美国海军研究实验室的工作报道首次展示了巨磁电阻技术用于生物检测的广阔前景。中国专利02139363.X采用的是由感应铁磁层/隧道势垒层/固定铁磁层组成的隧道结生物芯片载体及采用该芯片载体对生物分子进行检测的方法。但这些芯片用于反应的部分为简单的平面，因此不能进行定量分析。

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，为人们提供一种能够多样本、多靶点、低浓度、快速、实时、准确地对生命科学有关物质分子进行定性和定量分析的巨磁电阻生物芯片检测分析仪。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

发明内容：

本发明的巨磁电阻生物芯片检测分析仪由壳体和安装在壳体上的控制面板、显示装置以及安装在壳体内的电源电路、主体电路、均匀磁强激发装置组成，其中的主体电路由依次连接的巨磁电阻生物芯片、模数转换芯片、微处理芯片，分别与微处理芯片连接的显示芯片、存储器，以及分别与巨磁电阻生物芯片、模数转换芯片、微处理芯片、显示芯片、存储器、均匀磁强激发装置连接的辅助电路组成；其特征在于巨磁电阻生物芯片上设有形状为通道型或星型的反应池，反应池表面固定有生命科学有关靶分子/有毒/有害/有益的化学分子。

上述方案中，通道型反应池为：巨磁电阻生物芯片上有多个彼此平行、断面呈无底边倒梯形结构的通道，每一个通道内均匀地分布多个巨磁电阻生物传感器；巨磁电阻生物传感器的正上方呈凸形结构；每一个传感器都有地址编码，可单独记录其产生的信号；在芯片上设置参比传感器，以惠斯通电桥的方式量化传感器上产生的信号。

上述方案中，星型反应池为：以巨磁电阻生物芯片中心为圆心向四周辐射状排列多个巨磁电阻生物传感器，辐射长度不等。

上述方案中，与每个巨磁电阻生物传感器相连的各电极引线为一个惠斯通电桥，包括一个输入、两个输出，每组输出电路中含0.1～100μM²的巨磁电阻材料。

上述方案中，反应池表面固定生命科学有关靶分子/有毒/有害/有益的化学分子的方法是：铺设薄层金、薄层二氧化硅或铺设粘结剂层来固定生命科学有关靶分子/有毒/有害/有益的化学分子；该分子的位置与巨磁电阻生物传感器的位置相对应；巨磁电阻生物芯片表面的其它位置由光阻材料覆盖。

上述方案中，生命科学有关靶分子为寡核苷酸、核酸、蛋白质、多糖。

上述方案中，辅助电路含有放大电路、滤波去噪电路。

上述方案中，存储器存储有数模转换、采集、分析软件、知识库及数据库。

上述方案中，均匀磁强激发装置为亥姆赫兹线圈。

本发明的巨磁电阻生物芯片检测分析仪的工作过程如下：

待测样本的特定试剂处理和磁标记：待测样本，包括生物的或非生物的样本，针对每一类生命科学的靶分子，需要经过特定的试剂处理，以减少样本与巨磁电阻生物芯片杂交/结合的干扰。处理后的样本再进行磁性颗粒的标记。所用磁性颗粒包括磁微米球和磁纳米球。带有磁标记的样本加入反应池中，与巨磁电阻生物芯片上的靶分子通过特异的生物化学反应进行杂交/结合反应。未结合的磁珠和样本通过缓冲液洗去。通过由亥姆霍兹线圈组成的均匀磁强激发装置产生匀强磁场磁化磁珠，因此磁化磁珠产生的磁场引起的巨磁阻材料的电阻变化可以快速、定向、实时地被检测到。在这种检测方式里，DNA的杂交和检测只需在很低浓度下，如很少数目的DNA分子，即由一个巨磁电阻生物芯片在数分钟内完成。

直接检测方式：铺设了磁场传感器的芯片被覆互补寡核苷酸序列或抗体的特异阵列。含待测DNA或抗原蛋白质的样本标记磁微米珠或磁纳米珠后，加到芯片上与芯片杂交。在未结合的样本分子被洗去后，结合的信号由结合处的传感器传导。在外加固定磁场的作用下，传感器通过自身电阻的改变检测到磁标记的存在和位置，并以电压的形式输出。

间接检测方式-杂交后巨磁电阻生物芯片的检测：待测样本分子标记上一个小生化分子标记，如生物素。待生物素化的待测分子结合到芯片表面的互补探针分子，再加入磁标记功能性的亲合素。通过生物素与亲合素的结合，检测样本信号。一个亲合素有四个生物素的结合位点，而且两者的结合具有很强的亲和力和结合强度。而且，生物素可用作核酸和蛋白质的生化标记，因此可以用磁标记功能性的亲合素检测生物素化的待测分子。标记产生的磁场由传感器检测。

信号输出及处理：巨磁电阻生物传感器芯片包含一系列输入及输出管脚及直流供电电路及一些调控电路，芯片上可以整合产生磁场的电路和信号放大电路，也可以将这些电路以辅助电路的形式提供。

每个传感器都有输出巨磁电阻效应信号的惠斯通电桥。当给固定有磁标记样本的巨磁电阻生物芯片加上外加电场，巨磁电阻传感器将巨磁电阻多层膜结构中电阻的变化转化为电压输出。检测本发明所提及的巨磁电阻生物芯片信号的惠斯通电桥共有四个桥臂。这样在有外加电场引起的外加磁场出现时，样本巨磁电阻生物传感器发生阻值变化，使电桥给出输出信号。由于四个桥臂电阻性能一致性好，所以可以消除环境条件变化对输出信号的影响。

巨磁电阻生物芯片输出的信号通过放大或者不经过放大，经过去噪电路等处理后，以串行或并行方式输入模数转换芯片，进行采集频率为100KHZ～400KHZ的模数转换，转换为数字信号。

信号分析：由模数转换芯片输出的数字信号在地址译码器等辅助电路的作用下，输入微处理芯片，利用存储器中已经存储的知识库和分析软件对信号进行定性、定量分析。

结果显示：分析结果可以通过显示芯片或其他输出设备(包括LED、VGA显示器)进行显示，也可以控制打印电路直接打印。

本发明的巨磁电阻生物芯片检测分析仪根据芯片上所被覆的生物相关分子的不同而有多种多样的用途，如生命科学研究、医学临床检验、法医学检验、生物武器探测、药物研发中的化合物筛选、残留农药、药物药理学谱、药物毒理学谱、食品中残留生物种类、以及大气层中对人体、植物或微生物有益/有害物质的检测。

巨磁电阻单核苷酸多样性检测芯片可用于疾病检查。现代生物医学研究进展表明，许多疾病的发生是与疾病相关基因中单核苷酸的多样性有密切关系。虽然用于检测DNA变异位点的芯片只需要定性的信号(是或否)，但它要求在两条DNA链上能分辨出极小的差别。因为有很大数量的单核苷酸多样性或其它突变与普通疾病有关，因此芯片上最好能含有更多的传感区，相应地也需要很多的探针。这对于磁阻芯片的井发是一个很大的技术挑战，因为一张芯片上传感器需要有效的多路传输。

巨磁电阻蛋白质芯片可用于蛋白质微检测。蛋白质芯片具有独特的挑战，主要设计蛋白质复杂的二级和三级结构，要求成功识别具有更高的精确度。我们相信磁电阻生物芯片在高灵敏度的蛋白质微检测上具有很广泛的应用。

巨磁电阻抗原或抗体免疫检测芯片、巨磁电阻药物受体筛选芯片、巨磁电阻药物毒理谱芯片、巨磁电阻生物武器探测芯片，均有广泛的用途。

因此，本发明的巨磁电阻生物芯片检测分析仪能够多样本、多靶点、低浓度、快速、实时、准确地对生命科学有关物质分子和有毒/有害/有益的化学分子进行定性和定量分析。

附图说明：

图1是本发明的复合式多层巨磁电阻膜结构示意图。

图2是本发明的巨磁电阻生物芯片载体结构示意图。

图3是本发明的基片结构示意图。

图4是本发明的通道型反应池示意图。

图5是本发明的星型反应池示意图。

图6是本发明的均匀磁强激发装置示意图。

图7是本发明的主体电路框图。

具体实施方式：

下面通过附图和实施例进一步描述本发明，本发明不仅限于所述实施例。

图1～图7中，1：巨磁电阻生物传感器；2：薄层金；3：生物薄膜；4：通道；5：基片；6：加样点；7：磁芯片；8：反应池；9：巨磁电阻生物芯片；10：辅助电路；11：模数转换芯片；12：带存储器的微处理芯片；13：辅助电路；14：辅助电路；15：显示芯片。

实施例一

如图1～图4、图6、图7所示，本例的巨磁电阻生物芯片检测分析仪由壳体和安装在壳体上的控制面板、显示装置以及安装在壳体内的电源电路、主体电路、均匀磁强激发装置组成，其中的主体电路由依次连接的带反应池8的巨磁电阻生物芯片9、模数转换芯片11、带存储器的微处理芯片12，与微处理芯片连接的显示芯片15，以及分别与巨磁电阻生物芯片9、模数转换芯片11、微处理芯片12、显示芯片15、均匀磁强激发装置连接的、含有放大电路、滤波去噪电路的辅助电路10、13、14组成；其中，反应池形状为通道型，反应池表面固定有生命科学有关靶分子。

本例中，巨磁电阻生物芯片由巨磁电阻生物芯片载体和固定于反应池表面的生命科学有关靶分子组成；巨磁电阻生物芯片载体由单晶硅基片5，基片5上的反应池和反应池下方的巨磁电阻生物传感器1及与巨磁电阻生物传感器1相连的各电极引线组成；其中，巨磁电阻生物传感器1是一个由更迭铺设的多层铁磁体和多层非磁材料构成的复合式多层巨磁电阻膜结构。

复合式多层巨磁电阻膜结构中的多层铁磁体的每一层铁磁体是一个夹层结构，中间层是NiFeCo合金，两侧是CoFe合金；非磁材料为CuAgAu合金，铺设厚度为1～3纳米。

巨磁电阻生物传感器要被覆200～1000纳米的氮化硅作为保护层。

与每个巨磁电阻生物传感器相连的各电极引线为一个惠斯通电桥，包括一个输入、两个输出，每组输出电路中含0.1～100μM²的巨磁电阻材料。

生命科学有关靶分子为寡核苷酸、核酸、蛋白质、多糖。

存储器存储有数模转换、采集、分析软件、知识库及数据库。

巨磁电阻生物芯片均匀磁强激发装置：使用一对相同的线圈，二者彼此平行且同轴，二者之间有磁芯片7。这样的线圈对在其半径等于线圈间距的条件下，称为亥姆赫兹线圈(如图6所示)。线圈中通以相同方向的电流，产生的磁强在线圈间是均匀的。为获得较强的磁强，亥姆赫兹线圈对中的任一个线圈由导线绕成多匝相同半径的圆环组成。设计中所用的线圈易于制作，且成本低。

巨磁电阻生物芯片载体的制作方法是在基片上由真空沉积依次形成复合式多层巨磁电阻膜结构，再铺上氮化钽，硅化铬和氮化硅以及光阻材料。

反应池表面固定生命科学有关靶分子的方法是：铺设薄层金层2来固定生命科学有关靶分子；靶分子的位置与巨磁电阻生物传感器1的位置相对应；巨磁电阻生物芯片表面的其它位置由光阻材料覆盖。

具体操作如下：

在基片上喷射一层氮化硅，应用粒子溅射技术依序溅射沉积巨磁电阻多层膜结构，包括更迭铺设的多层铁磁体和多层非磁材料。每一层铁磁体是一个三明治薄膜结构，中间层是NiFeCo，两侧是CoFe，非磁材料为CuAgAu(如图1所示)。然后，采用粒子束蚀刻技术处理薄膜，得到巨磁电阻生物传感器微阵列，并在每一个传感器上打孔连线。为防止巨磁电阻生物传感器导线之间在缓冲液中导电及被腐蚀，用氮化硅填满镂空部分。巨磁电阻生物传感器正上方的氮化硅层比周围略高，呈凸形结构，以增加待测样本结合芯片上靶分子的几率，促使少数因偶然因素而附着在传感器上的磁珠更有效地被缓冲液洗去。在氮化硅层上方且对应于传感器正上方，喷涂薄层金2，以利于与生命科学有关的靶分子的固定。在氮化硅层上方的其它地方涂上一层光阻材料(photoresist mask)，阻止磁珠与芯片的非特异结合(如图2和图3中所示)。芯片上结构的整合性用显微镜观察和电阻测量来评估。

通道型反应池由多个彼此平行的通道组成，每一个通道的下方均匀地分布多个巨磁电阻生物传感器。每个传感器上可以结合1000以上的靶分子。通道断面呈梯形结构，便于流体流动。通道之间由壁垒相隔。通道的上方用一活动面板密封。每一个传感器都有地址编码，可单独记录其产生的信号。在芯片上设置参比传感器，以惠斯通电桥的方式量化传感器上产生的信号。图4所示为16x 6的通道型反应池，包含十六个通道，每个通道中有六个传感器。

带通道型反应池的巨磁电阻生物芯片能够同时对多种待测样本作定性和定量分析。在不同的通道中固定相同或不同的探针(即生命科学有关靶分子/有毒/有害/有益的化学分子)，与荧光检测芯片类似，可以完成定性分析。由于一个通道中只有一种探针，对收集的信号进行数据分析时，变得非常直接，避免了荧光检测等芯片数据分析时的复杂性，具有显著的优点。在相邻的两个通道中固定相同的探针，把稀释前和稀释一百倍后的样品分别在上述的两个通道中分析，记录一个通道中每个传感器上接收的靶分子数，画出分子数-位置曲线，分析曲线的梯度变化，并同稀释样品曲线的初值和梯度相比较，从而达到对样品定量分析的目的。

对上述提到的定量分析作两点补充说明。一、由于样品的多样性，不同的样品需要稀释不同的次数，才可以定量分析。因此，上述提到定量分析中相邻两个通道中固定相同的探针，随着样品不同，固定相同探针的通道数将变化，可能只要一个通道，也可能需要二个以上。二、一个传感器上生物分子与探针结合很多的情况下，产生的信号与结合的靶分子数并非线性关系，需要用模板样品事先对仪器刻度，并把刻度所得的曲线存入数据库中，正确地数字化传感器上接收的信号。

实施例二

如图5所示，本例的巨磁电阻生物芯片检测分析仪中的反应池为星型，以基片5中心为圆心向四周辐射排列巨磁电阻生物传感器，辐射长度不等。当在芯片加样点6处加入磁标记的待测样本后，巨磁电阻生物芯片则将各个特异性的杂交/结合信号传导给信号采集系统。例如，当采集系统采样率为100KHz时，设置0.01毫秒内产生杂交/结合反应的信号强度为1个单位，这样根据整个反应过程中产生的信号强度，实现对待测样本的定量测定。

其余同实施例一。

实施例三

本例中，巨磁电阻生物芯片由巨磁电阻生物芯片载体和固定于反应池表面的生命科学有关靶分子组成；反应池形状为通道型；生命科学有关靶分子为寡核苷酸；采用铺设粘结剂层的方式将寡核苷酸固定于反应池表面。

具体操作为：将粘结剂(如导电胶或混合有纳米金属粉或陶瓷颗粒的环氧树脂胶、聚胺酯胶、聚酯胶)用溶剂(如丙酮、四氯化碳、乙醇、二甲苯等完全挥发的有机溶剂)进行稀释；然后涂覆、喷涂、镀、点样或喷印到反应池表面，然后在粘结剂完全固化之前，将寡核苷酸涂覆、喷涂、镀、点样或喷印到粘结剂层；待粘结剂完全固化之后，寡核苷酸就固定于反应池表面了。

本例其余同实施例一。

Claims (7)

1.一种巨磁电阻生物芯片检测分析仪，由壳体和安装在壳体上的控制面板、显示装置以及安装在壳体内的电源电路、主体电路、均匀磁强激发装置组成，其中的主体电路由依次连接的巨磁电阻生物芯片、模数转换芯片、微处理芯片，分别与微处理芯片连接的显示芯片、存储器，以及分别与巨磁电阻生物芯片、模数转换芯片、微处理芯片、显示芯片、存储器、均匀磁强激发装置连接的辅助电路组成；其特征在于巨磁电阻生物芯片上设有形状为通道型或星型的反应池，反应池表面固定有生命科学有关靶分子/有毒/有害/有益的化学分子；其中，通道型反应池为：巨磁电阻生物芯片上有多个彼此平行、断面呈无底边倒梯形结构的通道，每一个通道内均匀地分布多个巨磁电阻生物传感器；巨磁电阻生物传感器的正上方呈凸形结构；每一个传感器都有地址编码，可单独记录其产生的信号；在芯片上设置参比传感器，以惠斯通电桥的方式量化传感器上产生的信号；星型反应池为：以巨磁电阻生物芯片中心为圆心向四周辐射状排列多个巨磁电阻生物传感器，辐射长度不等。

2.根据权利要求1所述的巨磁电阻生物芯片检测分析仪，其特征在于与每个巨磁电阻生物传感器相连的各电极引线为一个惠斯通电桥，包括一个输入、两个输出，每组输出电路中含0.1～100μM²的巨磁电阻材料。

3.根据权利要求1所述的巨磁电阻生物芯片检测分析仪，其特征在于反应池表面固定生命科学有关靶分子/有毒/有害/有益的化学分子的方法是：铺设薄层金、薄层二氧化硅或铺设粘结剂层来固定生命科学有关靶分子/有毒/有害/有益的化学分子；该分子的位置与巨磁电阻生物传感器的位置相对应；巨磁电阻生物芯片表面的其它位置由光阻材料覆盖。

4.根据权利要求1或3所述的巨磁电阻生物芯片检测分析仪，其特征在于生命科学有关靶分子为寡核苷酸、核酸、蛋白质、多糖。

5.根据权利要求1所述的巨磁电阻生物芯片检测分析仪，其特征在于辅助电路含有放大电路、滤波去噪电路。

6.根据权利要求1所述的巨磁电阻生物芯片检测分析仪，其特征在于存储器存储有数模转换、采集、分析软件、知识库及数据库。

7.根据权利要求1所述的巨磁电阻生物芯片检测分析仪，其特征在于均匀磁强激发装置为亥姆赫兹线圈。

Images