CN101004416A - Gmr 自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测方法及系统，用于对一检测模块进行检测，检测模块上连接着至少一个检测GMR自旋阀芯片以及至少一个参考GMR自旋阀芯片，检测GMR自旋阀芯片的表面包括一层富含氨功能基团的活性保护膜，该GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测系统包括：用于收容检测模块的螺线管、与螺线管相连并使螺线管内部产生稳恒磁场的磁场驱动电路、与检测模块相连以获取和分析检测GMR自旋阀芯片的电阻值变化的数据处理电路、以及一对检测GMR自旋阀芯片的温度漂移进行补偿的平衡电桥电路。通过等离子体磁过滤气相沉积法的改性，使活性保护膜表面富含氨功能基团，提高了活性保护膜的生物活性，进一步提高了检测灵敏度。

Description

GMR 自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种生物免疫检测方法及系统，尤其是关于一种采用GMR(巨磁致电阻)自旋阀的生物免疫检测方法及系统。

背景技术

21世纪是生物科技时代，生物传感器则是处在生命科学、信息科学等多学科交叉区域的一项非常活跃和具有市场前景的研究领域，它的研究重点主要是广泛地应用各种生物活性材料与传感器相结合，从而开发具有识别功能的换能器，并成为制造新型分析仪器和分析方法的原创技术。现在，生物传感器已经在工业控制，医疗诊断，环境检测，食品药品分析等取得广泛的应用。

由于待测目标物与固定在换能器表面的生物识别组分多在溶液中进行识别反应，因此保护膜的制备非常重要。满足生物传感器要求的保护膜必须满足以下条件：良好的保护性，确保换能器不会在前期的清洁过程和后续的液相反应中被腐蚀；膜面应具有一定的生物活性，确保生物识别组分的固定；保护膜的厚度不能太厚，以免影响换能器对待测目标物与生物识别组分选择性相互作用产生的响应信号的捕捉。

现有技术中的换能器表面通常设有两层以上的膜，靠近换能器的内层的膜作为保护膜，用以保护换能器不被腐蚀；外层的膜作为生物敏感膜，用以接挂生物活性组分，这样就使得换能器表面的膜的厚度较大，通常在1000nm以上，从而造成整个传感器的灵敏度不高。但是，现有技术的保护膜也不能做的太薄，一旦做到400nm左右，其就无法有效的保护换能器不受腐蚀，更重要的是，其接挂的生物活性组分将明显的减少，从而导致传感器不能有效的工作。

20世纪70年代中期以来，生物技术、生物电子学和微电子学不断渗透、融合，致使生物传感器不再限制于生物反应的电化学过程，而是根据生物学反应中产生的各种信号(如光效应、热效应、场效应、质量变化、以及磁阻变化)来设计各种精密的探测装置。

磁免疫生物传感器的设想，率先是美国海军实验室于1998年提出利用GMR(巨磁致电阻)效应和免疫磁珠实现的。他们用80×5μm²的条形GMR传感器阵列实现直径为2.8μm的磁珠的检测，每个GMR最灵敏地能检测到至少1个磁珠的存在。

GMR传感器的检测原理是：磁场可以使很多金属的电阻发生变化，这种现象称为磁致电阻效应。如果以磁电阻率η：

η＝(R_H-R₀)/R₀＝(ρ_H-ρ₀)/ρ₀

(其中R_H(ρ₀)为磁场为H时的电阻(率)，R₀(ρ₀)为磁场为零时的电阻(率))来表征磁致电阻效应大小的话，一般不超过2％～3％。

GMR效应主要指磁性多层膜和颗粒膜等的与电子自旋相关的磁致电阻效应。可定性地以一多层膜结构——两层铁磁性金属(FM)薄膜之间以非铁磁性金属(NM)薄膜隔开来示意GMR结构模型，如图1(a)-图1(d)所示。在多层膜中非铁磁层金属层对自旋方向相反的两组传导电子的影响是相同的，故只考虑铁磁层金属层的影响。当非铁磁性金属薄膜的厚度控制在某一范围时，上下两铁磁性金属薄膜层通过中间非铁磁性金属层的交换作用，会耦合成反平行的磁化方向。此时，两种自旋状态的传导电子都在穿过磁矩取向与其自旋相同的铁磁金属层后，在另一个磁矩方向相反的铁磁金属层那里受到强烈的散射。此时，宏观上来说，多层膜处于高阻抗状态，可见图1(b)的电阻网络，其中R＞r。若施加足够大的外磁场，则会破坏铁磁性金属薄膜之间的耦合作用，使其磁化方向与外磁场相互平行。此时，尽管一部分自旋方向与磁矩方向相反的传导电子在每一层铁磁层都受到强烈的散射作用，但是与磁矩方向相同的那一部分传导电子则可以轻易的穿过多层铁磁金属层。也就是说，有一半传导电子存在低电阻通道，在宏观上多层膜处于低电阻状态，如图1(c)所示。这样，随着外磁场的影响，多层膜就呈现出GMR效应。综上所述，若要最大限度地发挥GMR对磁场的响应能力，应该控制外磁场方向平行于FM2层磁矩，而且在这个方向上磁场的分量要在GMR的工作区域之内。在磁免疫生物传感器的检测中，当磁标记通过抗体-抗原免疫反应挂接到GMR自旋阀表面后，磁标记在外磁场激励下形成的磁边缘场对GMR组件产生作用并改变其电阻。

自旋阀是GMR效应的一个具体器件，它由一个非磁性导体层分隔两个磁性层。与Fe-Cr一类多层膜系统中通常很强的AF交换作用相比，自旋阀的磁性层不耦合或仅发生弱的耦合，因此可以使磁致电阻在几十个奥斯特而不是几十个千奥斯特的磁场中发生变化。由于两个磁性层中，一层是软磁材料，另一层是硬磁材料或者是被钉扎的铁磁材料，所以，一个中等的磁场就能使这两个磁性层的磁矩间夹角发生变化。

“自旋阀”是由Dieny等人在1991提出的巨磁阻磁头设计概念，自旋阀多层膜的结构包括了(铁磁层一501/分隔层502/铁磁层二503/反铁磁层504)，如图2(a)至图2(c)所示。铁磁层一不受反铁磁层影响故又称为自由层(free layer)，由易磁化的软磁材料所构成，易受外加磁场而改变磁化方向，而与钉扎层形成磁化方向平行或反平行。常用之铁磁性材料有铁、铬与钴；铁磁层二则受反铁磁层作用而产生磁滞回路偏移现象，目的是为了与自由层形成磁化方向平行或反平行故又称为钉扎层(pinnedlayer)。分隔层(spacer layer)则区隔两铁磁层，通常使用Cu作为自旋阀的分隔层有最好巨磁阻效果。图2(b)和图2(c)分别为自旋阀于室温时的磁滞曲线图和磁阻变化曲线图。

当自旋阀被作磁场传感器时，应选择相对于磁场敏感的钉扎层方向。自由层的静寂态，可以设计成(通过样品形状或磁场感生各向异性)具有不同的取向。

第一种情况，如图2(d)和图2(e)所示，在H_y＝0时，M₁‖Hy和M₂⊥M₁；第二种情况，如图2(f)和图2(g)所示，H_y＝0时，M₁⊥H_y和M₂‖M₁。其中，H_y表示外磁场方向(沿着图中的空心箭头)，M₁代表钉扎层磁化方向，M₂代表自由层磁化方向。

在第一种情况中，可以用M/Ms＝cosψ＝H/Ha来描述M₂的磁化过程。磁场与对M₁的易轴垂直于参考的磁化强度的自旋阀的关系可以由下式表示：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}=\frac{\mathrm{\Δ\ρ}}{\mathrm{\ρ}}\left(\frac{1-H/\mathrm{H\α}}{2}\right)$

因此，在这种结构中的自旋阀的MR_R与外磁场呈线性关系，见图2(e)，这种自旋阀的特性可以用于弱磁场的矢量和标量测量。

在另一种情况下，M₂的磁化过程为M/Ms＝sinψ＝H/Ha，磁致电阻与磁场成平方关系，见图2(g)。磁场与对M₁的易轴垂直于参考的磁化强度的自旋阀的关系则可以由下式表示：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}=\frac{\mathrm{\Δ\ρ}}{\mathrm{\ρ}}\left[\frac{1-\sqrt{1-{(H/\mathrm{Ha})}^2}}{2}\right])$

上述磁化过程说明，旋转180°后，磁化强度仅有一半变化，所以因子为1/2。第二种情况下自旋阀具有更高的磁灵敏度，其磁阻与磁场成平方关系，属于非线性变化，因此这一特性更适合应用于微量磁标记探测。

尽管在自旋阀中两个磁性层被认为是非耦合的，但实际上，这类装置显示随Cu厚度变化弱的振荡耦合。Lottis等人认为，如果参考层未被适当钉扎，它能对外磁场做出反应，减少ψ从而减小GMR比率。若进行钉扎后，由于钉扎层使得相对角度ψ可以在一定范围内改变，不会由于耦合而做出响应，因此可达到较高的GMR比率。正因如此，自旋阀对于同等大小的磁场变化会产生的更大的磁阻响应(在敏感区域)，故在各种具有GMR效应的结构材料中，自旋阀是磁免疫传感器的理想选择。

美国专利5,981,297公开了一种采用磁检测标记的生物传感器，但是该专利技术存在以下几点不足：首先，该专利使用的不是自旋阀，因此灵敏度不高；其次，由于该专利没有揭示如何通过改善介于磁阻元件与绑定分子之间那层绝缘材料的厚度和活性来提高生物传感器的灵敏度；而且，该专利也没有揭示如何通过改善检测系统中螺线管结构来提高检测的精度；此外，该专利也没有揭示如何通过平衡电桥电路解决GMR自旋阀芯片的温度漂移带来的误差。

因此，提供一种高灵敏度、高精度的GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测方法及系统成为业界急需解决的问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种高灵敏度的GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测方法。

本发明的另一个目的是提供一种采用本发明方法的GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测系统。

本发明的一种技术方案是：提供一种用于判断一种待测样本中是否含有两种或者两种以上目标抗原的GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测方法，该方法包括：

(一)、将两个或者两个以上初始GMR自旋阀芯片设于一检测模块上，测得这些初始GMR自旋阀芯片的磁敏感区；

(二)、在每个初始GMR自旋阀芯片的巨磁阻层表面形成活性保护膜；

(三)、在H₂和N₂的混合气氛下，通过等离子体磁过滤化学气相沉积使每个初始GMR自旋阀芯片的活性保护膜的表面富含氨功能基团；

(四)、将两个或者两个以上初始GMR自旋阀芯片分为两组或者两组以上，在每组初始GMR自旋阀芯片的活性保护膜的表面接挂可与其中一种目标抗原进行碱基配对的检测抗体形成第一抗体层；

(五)、将每个初始GMR自旋阀芯片的第一抗体层与待测样本充分接触后清洗，测量每个初始GMR自旋阀芯片的电阻值；

(六)、将经过测量的每个初始GMR自旋阀芯片的第一抗体层与至少一个表面包被着与该第一抗体层相应二抗的超顺磁磁珠充分接触后形成两组或两组以上检测GMR自旋阀芯片；

(七)、将检测模块置于一检测系统的螺线管内，检测系统通过磁场驱动电路使螺线管内产生磁场强度与磁敏感区一致的稳恒磁场；

(八)、检测系统通过数据处理电路与检测模块相连并通过数据处理电路获取稳恒磁场是否使每个检测GMR自旋阀芯片产生了电阻值变化并对应判断出每个检测GMR自旋阀芯片上是否连接有超顺磁磁珠。

其中，磁敏感区可以是一个磁场强度范围也可以是一具体磁场强度值。同一模块上可以包括2组、3组、4组、5组或者更多组检测GMR自旋阀芯片，每组检测GMR自旋阀芯片用于检测同一种待测样本中的其中一种目标抗原，每组检测GMR自旋阀芯片可以是一个也可以是多个，优选地是每组包括两个或者两个以上初始GMR自旋阀芯片，比如3个、4个、5个或者更多个。

检测模块上可以集成更为密集的GMR自旋阀芯片阵列，比如包括64、100、200或更多个GMR自旋阀芯片。检测模块的尺寸可以根据阵列的大小随意调整，比如可以采用面积为1平方厘米～10平方厘米的长方形模块。

其中，各组检测GMR自旋阀芯片制备过程中使用的超顺磁磁珠表面包被的二抗是分别与该组检测GMR自旋阀芯片要检测的那种目标抗原相对应并可以发生碱基配对反应的二抗。

其中，初始GMR自旋阀芯片和超顺磁磁珠都是本领域中常用的元件，可从商家直接获得。初始GMR自旋阀芯片包括但不限制于中国专利申请第02147695.0号所公开的深圳市华厦磁电子技术开发有限公司研制的那种自旋阀。

具体地，等离子体磁过滤化学气相沉积时的H₂和N₂的混合气氛为H₂和N₂的体积比1.2∶1～5∶1，优选地为2∶1，活性保护膜的表面形成的氨功能基团的含量为3％～60％，具体可选择5％～30％。

具体地，稳恒磁场的磁场强度为5～100，具体可选择6～30奥斯特，优选地为10～25奥斯特，活性保护膜的厚度在100纳米到500纳米之间，优选的厚度在200纳米到350纳米之间。

可供选择地，活性保护膜为通过旋转涂覆法制备的环氧丙烯酸树脂膜，此时的等离子体磁过滤化学气相沉积的溅射功率为5～12W，激发电流2～8A，溅射气压10～50Pa，基底偏压5～15V，改性时间10～60分钟。

可供选择地，活性保护膜为通过射频磁控溅射沉积法制备的聚四氟乙烯膜，此时等离子体磁过滤化学气相沉积的溅射功率为6～10W，激发电流5～10A，溅射气压10～30Pa，基底偏压0V，改性时间10～20min。

可供选择地，活性保护膜为通过等离子体磁过滤化学气相沉积法制备的类金刚石膜，此时用于形成氨功能基团的等离子体磁过滤化学气相沉积的溅射功率为6～10W，激发电流3～8A，溅射气压10～30Pa，基底偏压5～15V，改性时间10～30min。

进一步地，若产生了电阻值变化，检测系统将根据电阻值变化判断出检测GMR自旋阀芯片上连接的超顺磁磁珠的数量。

可供选择地，本发明可以采用各种类型的GMR自旋阀芯片，包括但不限制于本发明所具体描述的GMR自旋阀芯片。

可供选择地，可以先分别制备各组检测GMR自旋阀芯片，然后将它们设于一个检测模块上。

本发明的另一种技术方案是：提供一种采用本发明方法的GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测系统，包括：连接着两个或者两个以上检测GMR自旋阀芯片以及至少一个参考GMR自旋阀芯片的检测模块、用于收容检测模块的螺线管、与螺线管相连并使螺线管内部产生稳恒磁场的磁场驱动电路、以及与检测模块相连以获取和分析检测GMR自旋阀芯片的电阻值变化的数据处理电路，其特征在于：每个检测GMR自旋阀芯片的表面包括一层富含氨功能基团的活性保护膜，两个或者两个以上检测GMR自旋阀芯片分为两组或者两组以上，各组检测GMR自旋阀芯片分别接挂着不同的第一抗体层。

GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测系统进一步包括一通过参考GMR自旋阀芯片对检测GMR自旋阀芯片的温度漂移进行补偿的平衡电桥电路。

具体地，螺线管的内径为6～8毫米，匝数为600～800匝，螺线管的层数为3～5层，绕成螺线管的漆包线的直径为0.2～0.5毫米。

可供选择地，检测模块上连接着至少四个检测GMR自旋阀芯片，所有检测GMR自旋阀芯片均接挂着相同的第一抗体层，从而可以提高检测的精度。

可供选择地，检测模块上连接着至少四个检测GMR自旋阀芯片，每个检测GMR自旋阀芯片上分别接挂着不同的第一抗体层或者每两个或者两个以上的检测GMR自旋阀芯片上接挂着相同的第一抗体层，这样，可以采用一个检测模块对多种目标抗原进行检测，即通过一次检测可以判断多种目标抗原的存在情况，提高了检测效率，降低了成本。比如：在实际应用中，可以制备多个针对不同病症的检测GMR自旋阀芯片，通过一次血样采集检测确定被采样者是否患有被检测的病症以及患病的轻重程度。本发明的系统可以在治病诊断中使用也可以在正常体检中使用。

可供选择地，当一种病症难以用一种检测GMR自旋阀芯片准确测定时，可以采用多种检测GMR自旋阀芯片进行检测，然后对这些检测结果进行组合分析，确定被采样者是否患有一种或几种病症以及患病的轻重程度。组合分析过程可以由医生配合完成。

本发明的GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测系统还可以用于检测本发明以外的检测GMR自旋阀芯片。

本发明的各种参数可以根据初始GMR自旋阀芯片和/或超顺磁磁珠的类型不同而相应改变。

本发明的有益效果是：通过等离子体磁过滤气相沉积法的改性，使本发明的活性保护膜表面富含氨功能基团，提高了活性保护膜的生物活性；本发明采用阵列检测方法，通过一个检测模块对多种目标抗原进行检测，提高了检测效率，降低了成本；本发明方法制备的活性保护膜的厚度在500nm以下，并且比较致密，一方面保证了GMR自旋阀芯片不会被溶液腐蚀，另一方面提高了GMR自旋阀芯片的灵敏度；本发明的螺线管设计使螺线管内部产生了稳恒磁场，能够有效地匹配GMR自旋阀芯片的磁敏感度；本发明采用平衡电桥电路通过参考GMR自旋阀芯片对检测GMR自旋阀芯片的温度漂移进行补偿，进一步提高了检测精度。

以下结合附图和实施例，来进一步说明本发明，但本发明不局限于这些实施例，任何在本发明基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利要求书中所要求保护的范围。

附图说明

图1(a)-图1(d)是现有技术的GMR原理示意图。

图2(a)-图2(g)是现有技术的GMR自旋阀原理示意图。

图3是本发明采用的自旋阀结构示意图。

图4是本发明采用的自旋阀巨磁电阻材料的磁滞回线特性曲线图。

图5是本发明使用的等离子体磁过滤化学气相沉积设备的示意图。

图6是本发明的GMR自旋阀芯片表面结合了超顺磁磁珠的示意图。

图7是本发明的GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测系统的检测流程图。

具体实施方式

实施例1

本发明提供一种用于判断待测样本(比如血液样本)中是否含有八种目标抗原(比如病毒分子)的GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测方法，该方法包括：

将八个初始GMR自旋阀芯片连接于一个检测模块上，测得这八个初始GMR自旋阀芯片的磁敏感区，初始GMR自旋阀芯片可以直接从商家获得，并且可以采用本领域的现有技术在检测模块上集成芯片阵列。在本实施例中，初始GMR自旋阀芯片采用的是中国专利申请第02147695.0号所公开的深圳市华厦磁电子技术开发有限公司研制的自旋阀，其结构如图3所示，它包括钉扎层1、被钉扎层2、非磁间隔层3和自由层4。在自旋阀结构的自由层中，使用了低矫顽力的铁磁材料NiFeMoMn，从而得到了一种有较低矫顽力的自旋阀巨磁电阻材料。它可满足磁场传感器的特殊需要。其磁滞回线特性曲线如图4所示，该材料磁场灵敏度高达7％Oe，矫顽力比自由层含CoFe、NiFe材料的自旋阀有明显降低，是制作磁传感器的理想材料，用于顶自旋阀、底自旋阀、反平行顶自旋阀和反平行底自旋阀均具有较好效果。

同时在检测模块的每个初始GMR自旋阀芯片的巨磁阻层表面形成活性保护膜，该活性保护膜为通过旋转涂覆法制备的环氧丙烯酸树脂膜，比如，首先将5g环氧丙烯酸树脂(EBECRYL600)溶于8ml的乙二醇甲醚中，磁力搅拌3小时后加入0.2g光引发剂(Irgacure184)，继续磁力搅拌1小时后在6000转/分钟的转速下旋转涂膜，N2氛下紫外光固化仪固化30秒，得到厚度250nm左右的活性保护膜。

在H₂和N₂的混合气氛下，通过等离子体磁过滤化学气相沉积法同时使每个初始GMR自旋阀芯片的活性保护膜的表面富含氨功能基团。采用的等离子体磁过滤化学气相沉积设备如图5所示，该设备包括石墨阳极环101、磁场线圈105、腔室106、石墨阴极109等。初始GMR自旋阀芯片108放置在腔式106中，且活性保护膜面向上，H₂和N₂的混合气体从入口进入腔室106反应后从抽吸口107离开腔室106。此时的等离子体磁过滤化学气相沉积的溅射功率为8W，激发电流5A，溅射气压30Pa，基底偏压10V，改性时间30分钟。等离子体磁过滤化学气相沉积时的H2和N2的混合气氛为H₂和N₂的体积比为2∶1，活性保护膜的表面形成的氨功能基团的含量为18.66％。

在每个初始GMR自旋阀芯片的活性保护膜的表面分别接挂可与八种目标抗原中的其中一种进行碱基配对的检测抗体形成第一抗体层。

将第一抗体层与待测样本充分接触，比如，将检测模块在待测样本溶液中浸泡30分钟免疫应答反应完成后，振荡清洗3次。若待测样本中含有其中一种或多种目标抗原，则各种目标抗原将分别与对应的检测抗体发生碱基配对反应而接挂在第一抗体层上；若待测样本中不含有任何一种目标抗原，则第一抗体层不会发生反应；然后通过清洗去掉第一抗体层表面的没有发生反应的待测样本。

测得每个初始GMR自旋阀芯片的电阻值。

分别将经过测量的每个初始GMR自旋阀芯片的第一抗体层与若干个对应的超顺磁磁珠充分接触。具体地，请参照图6，以其中一个初始GMR自旋阀芯片为例进行介绍，初始GMR自旋阀芯片200包括巨磁阻层203，巨磁阻层203采用图3所示的结构。活性保护膜205形成在巨磁阻层203的上表面，活性保护膜205上接挂着第一抗体层207。超顺磁磁珠300的表面包被着可与目标抗原发生碱基配对反应的二抗307。图6示意性地显示了第一抗体层207表面接挂有目标抗原400的情形，此时，当二抗307与第一抗体层207接触后，二抗307将与目标抗原400发生碱基配对反应从而间接接挂在第一抗体层207表面，进而超顺磁磁珠300被连接在第一抗体层207表面；若第一抗体层表面没有目标抗原，则第一抗体层表面也不会连接超顺磁磁珠；经过该步骤处理后的GMR自旋阀芯片就形成了可在以下步骤中使用的检测GMR自旋阀芯片。

将检测模块置于一检测系统的螺线管内，检测系统通过磁场驱动电路使螺线管内产生磁场强度与初始GMR自旋阀芯片的磁敏感区一致的稳恒磁场。具体地，稳恒磁场的最大磁场强度为25奥斯特。

检测系统通过数据处理电路与检测模块相连并获取稳恒磁场是否使某个检测GMR自旋阀芯片产生了电阻值变化并对应判断出这个检测GMR自旋阀芯片上是否连接有超顺磁磁珠，从而可以进一步判断出待测样本中是否含有某种目标抗原。

实施例2

本实施例与实施例1相似，不同之处在于：

活性保护膜为通过射频磁控溅射沉积法制备的聚四氟乙烯膜，其中，溅射气压8Pa，射频电压700V，射频电流170mA，自偏压200V，溅射时间30分钟。

此时等离子体磁过滤化学气相沉积的溅射功率为8W，激发电流6A，溅射气压20Pa，基底偏压0V，改性时间15min。

实施例3

本实施例与实施例1相似，不同之处在于：

活性保护膜为通过等离子体磁过滤化学气相沉积法制备的类金刚石膜，其中，溅射功率为8W，激发电流5A，溅射气压20Pa，基底偏压-20V，沉积时间2小时。

此时用于形成氨功能基团的等离子体磁过滤化学气相沉积的溅射功率为8W，激发电流5A，溅射气压20Pa，基底偏压10V，改性时间15min。

实施例4

本实施例与实施例1、实施例2或实施例3相似，不同之处在于：

通过集成芯片技术将三十六个初始GMR自旋阀芯片集成到一个3平方厘米左右的检测模块上，形成一个3×12的阵列，定标测得三十六个初始GMR自旋阀芯片的磁敏感区。

采用不同的第一抗体层和对应二抗，将三十六个初始GMR自旋阀芯片分别制备成三十六种检测GMR自旋阀芯片，每种检测GMR自旋阀芯片用于检测待测样本中的三十六种目标抗原中的其中一种。

其中，通过精密点样技术在三十六个初始GMR自旋阀芯片的活性保护膜的表面分别接挂一种检测抗体。并且通过微通道技术使检测模块上的每个初始GMR自旋阀芯片与待测样本充分接触进行免疫应答反应。

实施例5

本实施例与实施例4相似，不同之处在于：

检测模块上连接着的三十六个检测GMR自旋阀芯片共分为十二组，每组的三个检测GMR自旋阀芯片上接挂着相同的第一抗体层。则每组检测GMR自旋阀芯片用于检测待测样本中的十二种目标抗原中的其中一种。

实施例6

本实施例与实施例1、实施例2、实施例3、实施例4或实施例5相似，不同之处在于：

检测模块上进一步连接着参考GMR自旋阀芯片，采用平衡电桥电路通过参考GMR自旋阀芯片对检测GMR自旋阀芯片的温度漂移进行补偿，从而提高检测精度。

实施例7

本实施例提供了一种采用本发明方法的GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测系统。该系统用于对一检测模块进行检测，检测模块上连接着四个检测GMR自旋阀芯片以及两个参考GMR自旋阀芯片。

该GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测系统包括：用于收容检测模块的螺线管、与螺线管相连并使螺线管内部产生稳恒磁场的磁场驱动电路、以及与检测模块相连以获取和分析检测GMR自旋阀芯片的电阻值变化的数据处理电路、以及一通过参考GMR自旋阀芯片对检测GMR自旋阀芯片的温度漂移进行补偿的平衡电桥电路。

稳恒磁场是由高精度的恒流源电路驱动密绕螺线管，在螺线管内放置检测模块的区域内产生稳恒磁场。磁场范围囊括GMR自旋阀芯片的磁敏感区，最大磁场强度为25奥斯特，磁场精度达到0.1奥斯特。此外，由于GMR自旋阀工作的磁敏感区的磁场只有13奥斯特左右，如此弱磁场容易受到外部噪声的干扰，本发明进一步加入了屏蔽、隔绝外部磁场干扰的元件，保证GMR自旋阀受到的磁场的可控性与稳定性。

由于GMR自旋阀芯片具有很大的磁敏感度，并且对磁场的强度和方向的扰动变化非常敏感，因此需要设计出合适的螺线管。螺线管支架由环氧树脂做成，这种材料具有非常低的磁化率，并且很好的绝缘性与加工方便性。把环氧树脂加工成中空的圆桶状，在圆桶的外围密绕漆包线。当电流通过漆包线时在环氧树脂圆桶内就形成了纵向的磁场，密绕的线圈很好地隔绝了外围磁场的干扰，同时保证了螺线管内部磁场的均匀性。

对于具体螺线管的规格参数，针对m层螺线管：

mφ＝r₂-r₁

H_m＝gr₁I_m/φ²

电源输出功率：

$P_o=\frac{8\mathrm{\ρ}{H}_m^{2}L}{m^2\mathrm{\φ}}\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[r_1+\frac{\mathrm{\φ}}{2}+(n-1)\mathrm{\φ}]=\frac{8\mathrm{\ρ}{H}_m^{2}L}{m^2\mathrm{\φ}}({\mathrm{mr}}_1+\frac{m^2}{2}\mathrm{\φ})$

$P_o={4\mathrm{\ρH}}_m^{2}L(\frac{{2r}_1}{\mathrm{m\φ}}+1)$

因此，针对电源最大输出电流/最大输出电压的匹配、散热的效能和螺线管磁体的锻炼效应、供给电源的成本、导线成本等参数。对螺线管进行如下设计：

需要达到的最大磁场值是H＝30Oe

m(层数)	φ(mm)	r2(mm)	Im(A)	Hm(A/m)	N(匝数)	Vm(V)	P0(W)
								4	0.3	7.2	0.179	2387	667	1.226	0.2194

其中φ是漆包线的直径，r₂是围绕成线圈的直径，I_m是系统最大电流值，P₀是最大功率。

平衡电桥电路是检测系统的核心。检测模块和检测仪内部的半桥电路组成完整的平衡电桥。发明人对选用的华夏公司的GMR自旋阀芯片进行了一系列实验检测，发现这种磁阻芯片存在明显的温度漂移，并且由于芯片在磁敏感区内磁阻关系非常敏感，容易受到扰动导致阻值抖动明显。平衡电桥利用参考GMR自旋阀芯片的补偿，很好地解决了以上地问题，大大提高了测量的精度与可靠性。

数据处理电路主要是处理电桥两臂输出的差分信号。通过仪器运算放大器，低噪声运算放大器，对电桥输出的电压信号进行电压增益和低通滤波处理。经过处理后的信号分辨率有了很大的提高，电桥系统整体分辨率达到0.1％。

模拟数据通过MEGA16单片机的A/D模块进行数据转换。转换的数据值根据检测需要进行了一点的运算处理。然后通过USB接口，LCD显示屏输出测量数据。

当磁珠接挂在GMR自旋阀表面，磁珠在磁场下产生计划磁场，结果导致GMR自旋阀表面磁场值减小。在磁珠接挂前后，利用电桥法分别测量GMR自旋阀表面的外加磁场上升到磁敏感点时的GMR自旋阀电阻值的大小。电阻值的变化，定性地反映了GMR自旋阀表面磁珠接挂的数量。

如图7所示，该GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测系统的操作流程为：先将检测模块放入螺线管内，然后输入检测模块的敏感磁场值，接下来选通其中一个要检测的GMR自旋阀芯片，调节微调变阻器把电桥调节到平衡点附近开始检测，检测完毕后分析检测结果，最后选通另一个GMR自旋阀芯片重复上述步骤。

Claims (10)

1、一种用于判断一种待测样本中是否含有两种或者两种以上目标抗原的GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测方法，该方法包括：

(1)将两个或者两个以上初始GMR自旋阀芯片设于一检测模块上，测得这些初始GMR自旋阀芯片的磁敏感区；

(2)在每个所述初始GMR自旋阀芯片的巨磁阻层表面形成活性保护膜；

(3)在H₂和N₂的混合气氛下，通过等离子体磁过滤化学气相沉积使每个所述初始GMR自旋阀芯片的所述活性保护膜的表面富含氨功能基团；

(4)将所述两个或者两个以上初始GMR自旋阀芯片分为两组或者两组以上，在每组所述初始GMR自旋阀芯片的所述活性保护膜的表面接挂可与其中一种所述目标抗原进行碱基配对的检测抗体形成第一抗体层；

(5)将每个所述初始GMR自旋阀芯片的所述第一抗体层与所述待测样本充分接触后清洗，测量每个所述初始GMR自旋阀芯片的电阻值；

(6)将经过测量的每个所述初始GMR自旋阀芯片的所述第一抗体层与至少一个表面包被着与该第一抗体层相应二抗的超顺磁磁珠充分接触后，形成两组或两组以上检测GMR自旋阀芯片；

(7)将所述检测模块置于一检测系统的螺线管内，所述检测系统通过磁场驱动电路，使所述螺线管内产生磁场强度与所述磁敏感区一致的稳恒磁场；

(8)将所述检测系统通过数据处理电路与所述检测模块相连，并通过所述数据处理电路获取所述稳恒磁场是否使某个所述检测GMR自旋阀芯片产生了电阻值变化，并对应判断出这个所述检测GMR自旋阀芯片上是否连接有所述超顺磁磁珠。

2、如权利要求1所述的GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测方法，其特征在于，所述H₂和N₂的混合气氛为H₂和N₂的体积比1.2∶1～5∶1，所述活性保护膜的表面形成的所述氨功能基团的含量为3％～60％。

3、如权利要求2所述的GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测方法，其特征在于，所述稳恒磁场的磁场强度为5～100奥斯特，所述活性保护膜的厚度在100纳米到500纳米之间。

4、如权利要求3所述的GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测方法，其特征在于，所述活性保护膜为通过旋转涂覆法制备的环氧丙烯酸树脂膜。

5、如权利要求3所述的GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测方法，其特征在于，所述活性保护膜为通过射频磁控溅射沉积法制备的聚四氟乙烯膜。

6、如权利要求3所述的GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测方法，其特征在于，所述活性保护膜为通过等离子体磁过滤化学气相沉积法制备的类金刚石膜。

7、一种采用权利要求1～6之一所述方法的GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测系统，包括：连接着两个或者两个以上检测GMR自旋阀芯片的检测模块、用于收容所述检测模块的螺线管、与所述螺线管相连并使所述螺线管内部产生稳恒磁场的磁场驱动电路、以及与所述检测模块相连以获取和分析所述检测GMR自旋阀芯片的电阻值变化的数据处理电路，其特征在于：所述每个检测GMR自旋阀芯片的表面包括一层富含氨功能基团的活性保护膜，所述两个或者两个以上检测GMR自旋阀芯片分为两组或者两组以上，所述各组检测GMR自旋阀芯片分别接挂着不同的第一抗体层。

8、如权利要求7所述的GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测系统，其特征在于，所述检测模块进一步包括至少一个参考GMR自旋阀芯片，所述检测系统进一步包括一通过所述参考GMR自旋阀芯片对所述检测GMR自旋阀芯片的温度漂移进行补偿的平衡电桥电路。

9、如权利要求7所述的GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测系统，其特征在于，所述螺线管的内径为6～8毫米，匝数为600～800匝，所述螺线管的层数为3～5层。

10.如权利要求7所述的GMR自旋阀磁标记免疫生物传感器阵列检测系统，其特征在于，所述检测模块上连接着至少四个所述检测GMR自旋阀芯片，每个检测GMR自旋阀芯片上分别接挂着不同的第一抗体层或者每两个或者两个以上的检测GMR自旋阀芯片上接挂着相同的第一抗体层。

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