CN101341399A - 磁化学传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于磁化学传感器的传感器元件，其包括第一凝胶样材料(10)、特别是可膨胀性水凝胶如聚丙烯酰胺，以及颗粒形式的磁性第二材料(20)、特别是磁铁矿(Fe₃O₄)纳米颗粒，所述第二材料与分析物例如葡萄糖的受体一起包埋在所述第一材料中。GMR元件(50)来检测由于与所述分析物的相互作用而引起的磁场的变化。应用包括生物传感器、DNA测试装置和高通量筛选。

Description

磁化学传感器

本发明涉及用于检测样品中的一种或多种分析物的装置的领域，特别涉及用于检测水溶液中的生物分子的装置的领域。

本发明涉及检测液体中的分析物，特别涉及检测水溶液中的生物分子。

US 5,821,129披露了一种磁化学传感器，在此通过引用将其并入本申请。该装置布局使得传感器和传感器读出部分在空间上是分离的，使得能够进行遥感。但是，当采用US 5,821,129中的传感器进行持续监测人体内的生理参数时，其存在缺陷。例如，通过向叠加的传感器结构施加磁场以及从包括卷曲结构的检测单元中测定电压来完成传感器读出。这种方法妨碍了所述装置的小型化。此外，所述装置需要由至少三层组成的传感器单元，其中两层是磁性的，以及一层是应答于特定的刺激。本发明认为遥感对于长期植入是不合乎需要的，其需要植入完整的装置。

因此，本发明的一个目的是提供容许更快速的检测以及对于大多数应用可以被小型化的磁化学传感器。

通过本发明的权利要求1的传感器实现了这个目的。

因此，本发明提供了磁化学传感器，特别是用于确定液体样品中至少一种分析物的存在、特性、数量和/或浓度的磁化学传感器，其包括：

(a)第一材料，其中第一材料是适用于根据其与所述至少一种分析物的相互作用而改变其物理性能的弹性材料；

(b)第二材料，其包埋于第一材料内，其中第二材料是磁性材料。

对于大多数应用而言，本发明的传感器显示出以下优点中的至少一个优点：

●所述弹性材料中的高含水量使得生物污垢(biofouling)受到抑制；

●所述弹性材料中的高含水量引起高生物兼容性；

●所述弹性材料的小厚度引起快速应答；

●高准确性；

●小的形状系数；

●廉价的系统设计。

在本发明中，术语“弹性”特别地表示、包括和/或描述了材料的性能，其可以是至少部分弹性变形的，即变形是至少部分(或完全)可逆的(恢复其原来的形状、大小、尺度)。在本发明中，“弹性”特别地表示、包括和/或描述完全可逆的形状恢复过程。

在本发明中，术语“磁性”特别地表示、包括和/或描述材料的性能，其表现出净永久磁偶极矩。

在本发明的优选的实施方式中，第二材料包括超顺磁性材料。在本发明中，术语“超顺磁性”特别地表示、包括和/或描述了该材料在存在磁场的情况下只表现出了净磁偶极矩。

已经显示出这对于本发明内的多种应用都是有利的，特别是当磁场是由激发金属线递送的时候(例如参照图3)。当关闭磁场时，颗粒的净磁偶极矩再次变为零，传感器没有检测到磁场。这种现象容许调节信号以及按特殊的频率进行读出，通过这种方式可以很大程度上抑制噪音。

在本发明的优选的实施方式中，第二材料包括永久磁化材料。

本发明内的多种应用已经显示出，通过这样做，由于第二材料的高磁力矩可以提高信噪比。此外，在本发明的多种应用中，都可以降低电力以及便利读出电子设备。

在本发明优选的实施方式中，当与至少一种分析物相互作用时，第一材料可以改变其大小和/或厚度。

在本发明的一个实施方式中，提供了小颗粒形式的第二材料，所述小颗粒分散于第一材料内，并且不能扩散或迁移出第一材料。

在本发明的一个实施方式中，提供了凝胶形式的第一材料。

在本发明的进一步的实施方式中，有着变化的方向，其中主要是第一材料应答于至少一种分析物的出现而发生的方向变化。优选地，第一材料的变化包括收缩和/或膨胀。

在本发明的进一步的实施方式中，所述装置包括具有传感器方向的传感器，而变化方向基本上垂直于传感器方向。

术语“传感器方向”特别地表示和/或包括其中当传感器本身在一个或两个维度上的延伸程度要大于其它两个(或一个)维度，使得传感器或者有些扁平状或者形成针状时，“传感器方向”是其中传感器具有最大延伸的方向。

在本发明的一个实施方式中，第二材料的饱和磁化强度为≥0.1x10⁵A/m且≤2x10⁶A/m。

在本发明的一个实施方式中，第二材料的饱和磁化强度为≥1.5x10⁵A/m且≤8x10⁵A/m。

在本发明的一个实施方式中，第二材料的饱和磁化强度为≥3x10⁵A/m且≤6x10⁵A/m。

在本发明的一个实施方式中，第二材料的饱和磁化强度为≥4x10⁵A/m且≤5.5x10⁵A/m。

在本发明的一个实施方式中，第二材料的Langevin磁化率(在施用零磁场时的磁化率)为≥10^-5且≤10⁵。

在本发明的一个实施方式中，第二材料的Langevin磁化率(在施用零磁场时的磁化率)为≥10^-4且≤10⁴。

在本发明的一个实施方式中，第二材料的Langevin磁化率(在施用零磁场时的磁化率)为≥10^-3且≤10³。

在本发明的一个实施方式中，第二材料在所述第一材料内的浓度(表示为占总体积的百分比)为≥0.1％且≤20％。

在本发明的一个实施方式中，第二材料在所述第一材料内的浓度(表示为占总体积的百分比)为≥1％且≤15％。

在本发明的一个实施方式中，第二材料在所述第一材料内的浓度(表示为占总体积的百分比)为≥5％且≤10％。

在本发明的一个实施方式中，第二材料的磁化强度(A/m)和浓度(占总体积的百分比)的乘积为≥10³且≤4*10⁷。

在本发明的一个实施方式中，第二材料的磁化强度(A/m)和浓度(占总体积的百分比)的乘积为≥10⁴且≤8*10⁶。

在本发明的一个实施方式中，第二材料的磁化强度(A/m)和浓度(占总体积的百分比)的乘积为≥5*10⁴且≤7*10⁵。

在本发明的一个实施方式中，第二材料的平均粒度为≥1nm且≤40nm。

在本发明的一个实施方式中，第二材料的平均粒度为≥5nm且≤30nm。

在本发明的一个实施方式中，第二材料的多分散性为≥1％且≤40％。

在本发明的一个实施方式中，第二材料的多分散性为≥10％且≤25％。

在本发明的一个实施方式中，第二材料的磁各向异性常数为≥1*10³J/m³且≤1*10⁵J/m³。

在本发明的一个实施方式中，第二材料的磁各向异性常数为≥5*10³J/m³且≤5*10⁴J/m³。

在本发明的一个实施方式中，第二材料的磁各向异性常数为≥8*10³J/m³且≤1.2*10⁴J/m³。

在本发明的一个实施方式中，提供了层形式的第一材料。

术语“层”表示和/或特别地包括第一材料在一个维度上的厚度要比在其他所有维度上的厚度≥0％且≤50％。

对于本发明内的一些应用而言，为了获得最佳的装置性能，层的厚度被限定于一个范围内：一方面如果层太薄，会造成信号低和敏感性不足；但是如果层太厚，长弥散时间会造成慢应答。

在本发明的一个实施方式中，提供了厚度≥0.5μm 且≤40μm的层形式的第一材料。

在本发明的一个实施方式中，提供了厚度≥5μm且≤30μm的层形式的第一材料。

在本发明的一个实施方式中，提供了厚度≥10μm且≤20μm的层形式的第一材料。

在本发明的一个实施方式中，第一材料包括水凝胶材料。

在本发明中，术语“水凝胶材料”表示和/或特别地包括该材料包括在水中形成了水膨胀网络的聚合物。

术语“水凝胶材料”在本发明中还特别地表示至少一部分水凝胶材料包括在水中形成水膨胀网络和/或水溶性的聚合物链的网络的聚合物。优选地，膨胀状态的水凝胶材料包括≥50％水和/或溶剂，更优选≥70％，以及最优选≥90％，其中优选的溶剂包括有机溶剂，优选是有机极性溶剂，以及最优选是链烷醇如乙醇、甲醇和/或(异)丙醇。

在本发明中，术语“水凝胶材料”表示和/或特别地包括水凝胶是应答性的，这表示在特殊的参数发生改变之后显示出了形状和总体积的变化。这些参数可以是物理性质(温度、压力)或化学性质(离子浓度、pH、分析物浓度)或生化性质(酶活性)。

在本发明的一个实施方式中，所述水凝胶材料包括选自由聚(甲基)丙烯酸材料、硅凝胶材料、取代的乙烯材料或其混合物组成的组中的材料。

在本发明的一个实施方式中，所述水凝胶材料包括被取代的乙烯材料，优选的是乙烯己内酰胺和/或被取代的乙烯己内酰胺。

在本发明的一个实施方式中，所述水凝胶材料包括由至少一种(甲基)丙烯酸单体和至少一种多功能的(甲基)丙烯酸单体的聚合所制成的聚(甲基)丙烯酸材料。

在本发明的实施方式中，所述(甲基)丙烯酸单体选自包括(甲基)丙烯酰胺、丙烯酸酯、羟乙基(甲基)丙烯酸酯、乙氧基乙氧基乙基(甲基)丙烯酸酯或其混合物的组。

在本发明的一个实施方式中，所述多功能的(甲基)丙烯酸单体是二(甲基)丙烯酰基和/或三(甲基)丙烯酰基和/或四(甲基)丙烯酰基和/或五(甲基)丙烯酰基单体。

在本发明的一个实施方式中，所述多功能的(甲基)丙烯酸单体选自包括二(甲基)丙烯酰胺、四乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、三乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、二乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、三丙二醇二(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯、多乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、乙氧基化的二联酚-A-二(甲基)丙烯酸酯、己二醇二(甲基)丙烯酸酯或其混合物的组。

在本发明的一个实施方式中，所述水凝胶材料包括：阴离子性聚(甲基)丙烯酸材料，优选选自(甲基)丙烯酸、芳基磺酸(特别是苯乙烯磺酸)、衣康酸、巴豆酸、磺酰胺或其混合物与至少一种选自中性单体的单体(优选地选自乙酸乙烯酯、羟乙基(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酰胺、乙氧基乙氧基乙基(甲基)丙烯酸酯或其混合物)共聚合；和/或阳离子性聚(甲基)丙烯酸材料，优选选自乙烯吡啶、乙烯咪唑、氨乙基(甲基)丙烯酸酯或其混合物与至少一种选自中性单体的单体(优选地选自乙酸乙烯酯、羟乙基(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酰胺、乙氧基乙氧基乙基(甲基)丙烯酸酯或其混合物)共聚合；或者所述阴离子性聚(甲基)丙烯酸材料和所述阳离子性聚(甲基)丙烯酸材料的混合物。这些共聚物可以作为pH的函数而改变其形状，以及可以应答于所施加的电场和/或电流。因此，这些材料可以被用于本发明内的多种应用。

在本发明的一个实施方式中，第一材料包括水凝胶材料，所述水凝胶材料包括热敏聚合物。

在本发明的一个实施方式中，第一材料包括水凝胶材料，所述水凝胶材料包括选自包括聚-N-异丙基丙烯酰胺(poly-N-isopropylamide，PNIPAAm)的组的单体及其与选自包括聚氧乙烯、三羟甲基丙烷二硬脂酸酯、聚-ε-己内酯或其混合物的组的单体的共聚物。

在本发明的一个实施方式中，所述水凝胶材料是基于热应答单体(所述单体选自N-异丙基丙烯酰胺、二乙基丙烯酰胺、羧异丙基丙烯酰胺、羟甲基丙甲基丙烯酰胺、丙烯酰烷基哌嗪)及其与选自亲水性单体组中的单体的共聚物(所述亲水性单体组包括羟乙基(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酸、丙烯酰胺、聚乙二醇(甲基)丙烯酸酯或其混合物)、和/或其与选自疏水性单体组中的单体的共聚物(所述疏水性单体包括(异)丁基(甲基)丙烯酸酯、甲基甲基丙烯酸酯、异冰片基(甲基)丙烯酸酯或其混合物)。已知这些共聚物是热应答性的，因此可以被用于本发明内的多种应用。

在本发明的一个实施方式中，第一材料包括20℃时的膨胀比(和包埋于第一材料内的第二材料)为≥1％且≤500％的水凝胶材料。

在本发明中，膨胀比特别地包括、表示或指的是根据以下过程得出的测量值：

在温度为50℃时，将第一和第二材料在干燥箱中干燥，以形成膜。将膜浸泡在过量的去离子水中，以去除残余的未反应的化合物。然后将膨胀的聚合物薄膜切割成直径为8mm的圆盘形式，并在50℃干燥，直到重量不再变化。将预先称重的干燥样品(W₀)浸泡在恒温水浴的过量的去离子水中，直到达到膨胀平衡。在经滤纸印迹去除了表面的水之后，测定湿样品的重量(W₁)。用下面的公式计算出平衡膨胀比：

膨胀比＝(W₁-W₀)/W₀

在本发明的一个实施方式中，第一材料包括在20℃的膨胀比(和包埋于第一材料内的第二材料)为≥3％且≤200％的水凝胶材料。

在本发明的一个实施方式中，第一材料包括在20℃的膨胀比(和包埋于第一材料内的第二材料)为≥5％且≤100％的水凝胶材料。

在本发明的一个实施方式中，第一材料包括在20℃的膨胀比(和包埋于第一材料内的第二材料)为≥1％且≤30％的水凝胶材料。

在本发明的一个实施方式中，第一材料包括在20℃的膨胀比(和包埋于第一材料内的第二材料)为≥1％且≤25％的水凝胶材料。

在本发明的一个实施方式中，第一材料包括在20℃的膨胀比(和包埋于第一材料内的第二材料)为≥1％且≤20％的水凝胶材料。

在本发明的一个实施方式中，第一材料包括待检测的分析物的受体。

在本发明中，术语“受体”表示和/或特别地包括在第一材料中存在着一些能够通过例如静水力学相互作用、氢键、化学接纳、分子识别等与所选的分析物相互作用的化学部分。

这种受体系统的实例是“调钙蛋白”，其结合钙以及一类抗精神病分子(指的是酚噻嗪类)(J.D.Ehrick(Nature Materials 298-302页，第4卷，2005年4月))，在此通过引用将其全部内容并入本申请。

在本发明的一个实施方式中，第一材料是聚合材料。

在本发明的一个实施方式中，第一材料是转化率为≥50％且≤100％的聚合材料(和包埋于第一材料内的第二材料)。

在本发明中，转化率特别地包括、表示或指的是依据下面的方法得到的测量值：

在聚合了第一材料以及包埋了第二材料之后，将定量的抑制剂引入到第一材料的样品内，并将样品在冰浴中快速淬火。为了去除剩余的单体和启动剂，用去离子水洗涤样品数次。之后，将样品在70℃的真空干燥箱中干燥，直到重量不再发生任何变化。如下计算出转化率：

转化率＝(P-F)/M₀*100％

其中P是从样品中获得的干燥的共聚体组合物网络的重量，F是掺入第一材料内的第二材料的理论重量，M₀是进料中的单体的重量。

在本发明的一个实施方式中，第一材料是转化率为≥70％且≤95％的聚合材料(和包埋于第一材料内的第二材料)。

术语“基本上”特别地表示和/或包括重量百分比含量≥90％，在一个实施方式中为≥95％，在一个实施方式中为≥99％。

在本发明的一个实施方式中，第一材料的交联密度为≥0.002且≤1，优选地为≥0.05且≤1。

在本发明中，术语“交联密度”表示或特别地包括下面的定义：交联密度δ_X在此被定义为 ${\mathrm{\δ}}_X=\frac{X}{L+X},$ 其中X是多功能单体的摩尔分数，L是形成线性链(＝非多功能的)单体的摩尔分数。在线性聚合物中，δ_X＝0，在完全交联系统中，δ_X＝1。

在本发明的一个实施方式中，第二材料包括涂层。

在本发明的一个实施方式中，第二材料包括涂层，所述涂层被用于增加第二材料附着于水凝胶网络的能力，使得颗粒被固定于网络而不能扩散出网络。

在本发明的一个实施方式中，第二材料包括厚度≥0.1nm且≤10nm的涂层，在一个实施方式中厚度为≥1且≤5nm。

在本发明的一个实施方式中，第二材料包括涂层，所述涂层基本上是由选自无机氧化物、聚合的有机材料、非聚合的有机材料及其混合物的材料组成的。

在本发明的一个实施方式中，第二材料和/或第二材料的核心基本上是由选自包括表现出磁性的铁合金、氧化铁、镍合金、氧化镍、氧化钴、钴合金、稀土氧化物、稀土合金及其混合物的材料制成的。

在本发明的一个实施方式中，第二材料和/或第二材料的核心基本上是由Fe₃O₄制成的。

在本发明的实施方式中，传感器包括至少一个电流输送工具，所述电流输送工具被用于提供电流，以引起第二材料中磁偶极子方向的变化。

在本发明的一个实施方式中，传感器包括至少一个测量工具，所述工具能够依据与所述至少一种分析物的相互作用测量第一材料的物理性质的变化，特别是利用在第一材料的物理性质变化之后的第二材料在第一材料内的位置的变化。

优选地，测量工具选自包括电磁检测仪、AMR、TMR、GMR、Hall传感器、听觉和/或视觉检测仪的组。

在本发明的一个实施方式中，测量工具和第一材料之间的距离为≥100nm且≤1μm，优选为≥200nm且≤500nm。

在本发明的一个实施方式中，测量工具和第一材料之间的距离为≥100nm且≤1μm，优选为≥200nm且≤500nm，以及第一材料的层厚为≥1μm且≤5μm，优选为≥2μm且≤3μm。

但是，在不同的实施方式中，测量工具和第一材料之间的距离为≥1μm且≤5μm，优选为≥2μm且≤3μm。

在本发明的一个实施方式中，测量工具和第一材料之间的距离为≥1μm且≤5μm，优选为≥2μm且≤3μm，以及第一材料的层厚为≥10μm且≤25μm，优选为≥15μm且≤20μm。

本发明人意外发现，在本发明的多种应用中，特别是当GMR元件被用作测量工具时，测量工具和第一材料之间的距离以及第一材料本身的层厚都可以有两个优选的区域。

不受任何理论的束缚，本发明人相信出现这两个区域是因为单个珠信号(nV)对距离GMR元件的距离的转折点，下面的两个实施例II和III都可以解释这一点。

但是，应当强调的是，尽管在本发明内的多个应用中都发现了这个转折点，但是并不是所有的应用都必须找到这种行为。

在本发明的一个实施方式中，传感器包括至少一个测量工具和至少一个GMR元件，其被用于测定第二材料的定向偶极子的杂散磁场的面内分量引起的GMR元件的电阻的变化。

适用于本发明的GMR元件是例如在EP 1459084以及在本申请所引用的文献中所披露的元件，在此通过引用将其全部内容并入本申请。

在本发明的进一步的实施方式中，第一材料至少是被经无粘性材料涂敷的孔所部分包绕，所述无粘性材料的表面张力为≤30mN/m，优选为≤25mN/m。

在本发明的进一步的实施方式中，第一材料被无粘性材料包绕，所述无粘性材料的表面张力为≤30mN/m，优选为≤25mN/m，其所有方向基本上都垂直于变化方向。

在本发明的进一步的实施方式中，无粘性材料是含氟的材料，优选为氟化的单层材料，其优选地是用等离子处理例如CF₄等离子处理或经氟硅烷例如全氟烷基氯硅烷的蒸汽淀积所制成的。

在进一步的实施方式中，装置包括邻近第一材料的基底和/或基体材料，其中装置包括第一材料和基底和/或基体材料之间的至少一个增粘层。

在本发明的一个优选的实施方式中，所述增粘层是单层的。

优选地，至少一个增粘层选自含硅烷层、含硫醇层、含胺层或其混合物。

术语“含硅烷层”特别地表示和/或包括包含以下形式的材料的层：

其中R₁选自包括丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、烯丙基、乙烯基、乙酰基、胺、环氧基或巯基的组。

R₂选自烯烃基、亚芳基、单烷氧基或多烷氧基、单烷基胺或多烷基胺、单酰胺或多酰胺、硫醚、单或多二硫化物。

R₃和R₄独立地选自卤素、R₆-R₇(其中R₆选自包括丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、烯丙基、乙烯基、乙酰基、胺、环氧基或巯基的组，以及R₇选自烷基、芳基、单烷氧基或多烷氧基、单烷基胺或多烷基胺、单酰胺或多酰胺、硫醚、单或多二硫化物的组)、O-R₈(其中R₈选自氢、烷基、长链烷基、芳基、杂芳基、卤素)。

R₅表示基团O-R₉，其中R₉选自氢、烷基、长链烷基、芳基、卤素，和/或R₅是可水解的部分。

通用基团定义：在整个说明书和权利要求书中都已经使用了通用基团例如烷基、烷氧基、芳基。除了有特别的说明，下面是可以被用作本文中披露的化合物中可找到的通用基团的优选基团：

烷基：直链和支链的C1-C8烷基；

亚烷基：选自亚甲基、1，1-亚乙基、1，2-亚乙基、1，1-亚丙基、1，2-亚丙基、1，3-亚丙基、2，2-亚丙基、丁-2-醇-1，4-二基、丙-2-醇-1，3-二基、1，4-亚丁基、环己烷-1，1-二基、环己烷-1，2-二基、环己烷-1，3-二基、环己烷-1，4-二基、环戊烷-1，1-二基、环戊烷-1，2-二基、和环戊烷-1，3-二基；

长链烷基：直链和支链的C5-C20烷基

链烯基：C2-C6链烯基

环烷基：C3-C8环烷基

烷氧基：C1-C6烷氧基

长链烷氧基：直链和支链的C5-C20烷氧基

芳基：选自分子量小于300的同芳香(homoaromatic)化合物

亚芳基：选自1，2-亚苯基、1，3-亚苯基、1，4-亚苯基、1，2-亚萘基(1，2-naphtalenylene)、1，3-亚萘基、1，4-亚萘基、2，3-亚萘基、1-羟基-2，3-亚苯基、1-羟基-2，4-亚苯基、1-羟基-2，5-亚苯基、和1-羟基-2，6-亚苯基

杂芳基：选自吡啶基、嘧啶基、吡嗪基、三唑基、哒嗪基、1，3，5-三嗪基、喹啉基、异喹啉基、喹噁啉基、咪唑基、吡唑基、苯并咪唑基、噻唑基、噁唑烷基、吡咯基、咔唑基、吲哚基、和异吲哚基，其中杂芳香基可以经所选杂芳基环上的任一原子与所述化合物相连。

胺：基团N(R)2，其中每个R都独立地选自：氢、C1-C6烷基、C1-C6烷基-C6H5、和苯基；其中当两个R都是C1-C6烷基时，两个R可以一起形成-NC3到-NC5的杂环，任何剩余的烷基链形成了杂环上的烷基取代基。

卤素：选自F、Cl、Br和I。

聚醚：选自包括-(O-CH₂-CH(R))_n-OH和-(O-CH₂-CH(R))_n-H的组，其中R独立地选自氢、烷基、芳香基、卤素，以及n是从1到250。

除非有特别的说明，下面是对可以用作本文所披露的化合物中可找到的基团的更优选的基团限定：

烷基：直链和支链的C1-C6烷基

长链烷基：直链和支链的C5-C10烷基，优选的是直链的C6-C8烷基

链烯基：C3-C6链烯基

环烷基：C6-C8环烷基

烷氧基：C1-C4烷氧基

长链烷氧基：直链和支链的C5-C10烷氧基，优选的是直链的C6-C8烷氧基

芳基：选自苯基、联苯、萘基、蒽基和菲基

杂芳基：选自吡啶基、嘧啶基、喹啉基、吡唑基、三唑基、异喹啉基、咪唑基、和噁唑烷基，其中杂芳香基可以经所选杂芳基环上的任一原子与所述化合物相连。杂亚芳基：选自吡啶2，3-二基、吡啶-2，4-二基、吡啶-2，6-二基、吡啶-3，5-二基、喹啉-2，3-二基、喹啉-2，4-二基、异喹啉-1，3-二基、异喹啉-1，4-二基、吡唑-3，5-二基、和咪唑-2，4-二基。

胺：基团N(R)2，其中每个R都独立地选自：氢、C1-C6烷基和苄基。

卤素：选自F和Cl。

聚醚：选自包括-(O-CH₂-CH(R))_n-OH和-(O-CH₂-CH(R))_n-H的组，其中R独立地选自氢、甲基和卤素的组，以及n是从5到50，优选地是从10到25。

对于多种应用而言，已经显示出这种含硅烷层有助于连接第一材料和基底和/或基体材料，且基本上不会影响传感器的性能。

术语“含巯醇层”特别地表示和/或包括包含R-SH形式材料的层，其中R选自烷基、长链烷基、链烯基、环烷基。

对于多种应用而言，已经显示出这种含巯醇层有助于连接第一材料和基底和/或基体材料，且基本上不会影响传感器的性能。如果使用含巯醇层，基体材料表面选自结合硫醇的材料，特别地，基体材料表面是Au表面。

术语“含胺层”特别地表示和/或包括包含R₁-NH-R₂形式的材料的层，其中R₁选自烷基、长链烷基、链烯基、环烷基、聚醚，以及R₂选自氢、烷基、长链烷基、链烯基、环烷基、聚醚。

对于多种应用而言，已经显示出这种含胺层有助于连接第一材料和基底和/或基体材料，且基本上不会影响传感器的性能。如果使用含胺层，基体材料表面优选地装配有结合胺的基团，优选地是环氧基和/或反应性酯、卤化物和/或胺。

本发明还涉及利用上面所述的传感器确定样品中至少一种分析物的存在、特性、数量和/或浓度的方法，该方法包括步骤：

a)容许第一材料和至少一种分析物接触，以引起第一材料的物理性能发生变化

b)施加电流，以引起第二材料的磁偶极子方向发生变化

c)测量第二材料的定向偶极子的杂散磁场的面内分量所引起的GMR元件的电阻变化

本发明的传感器和/或方法可以应用于多种系统和/或应用，包括下面的一种或多种系统和/或应用：

●用于分子诊断的生物传感器

●快速灵敏地检测复杂生物学混合物和体液(例如血液、尿液或唾液)中的蛋白质和核酸

●用于化学、药学或分子生物学的高通量筛选装置

●测试装置，例如用于例如犯罪学中的DNA或蛋白质测定、现场测定(医院内测定)、中心实验室或科研中的诊断性检测

●用于心脏病学、感染性疾病和肿瘤学、食品、和环境诊断中的DNA或蛋白诊断质的工具

●用于组合化学的工具

●分析装置

上面提及的部件、以及权利要求的部件以及在所述实施方式中的用于本发明的部件在其大小、形状、材料选择和技术思想方面都没有特别的例外，这样可以不受限地应用相关领域已知的选择标准。

在权利要求书、附图和下面的附图说明和实施例中都阐述了本发明目的的附加的细节、特征、特性和优点，实施例以示例的方式显示了本发明的传感器的优选的实施方式。

图1显示了本发明的第一个实施方式的传感器的高度示意性的横截面图。

图2显示了本发明的第二个实施方式的传感器的示意性的横截面图。

图3显示了本发明的第三个实施方式的传感器的示意性的横截面图。

图4显示了本发明的实施例II的实施方式中的单个珠信号(nV)对GMR元件与珠的距离(μm)的图表；和

图5显示了本发明的实施例III的实施方式中的单个珠信号(nV)对GMR元件与珠的距离(μm)的图表。

图1显示了本发明的第一个实施方式的传感器1的高度示意性的横截面图。所述传感器包括第一材料10以及包埋于其中的第二材料的颗粒20，应用颗粒20的方式使得它们在第一材料内不会迁移。颗粒20在本实施方式中是随机排列的，但是在本发明的进一步的实施方式中(附图中没有显示)，提供了有结构模式的颗粒20。

在基体材料30上提供了第一材料，所述基体材料30作用为保护电线40和GMR传感器50。基体材料30本身被放置于基底60上。

在本发明的一个实施方式中，GMR传感器50和第一材料10之间的距离为≥100nm和≤1μm，优选为≥200nm和≤500nm。

所述基体或者具有朝向第一材料的突起的至少一部分基体优选是由SiO₂制成的，以提供对第一材料的良好的粘附。基底材料可以是任何合适的材料，优选地是硅。

图2显示了本发明的第二个实施方式的传感器1’的高度示意性的横截面图。

为了避免重复，不讨论图2中与图1的实施方式(基本上)相同的部件。

图2的实施方式与图1的实施方式有所不同的是在基底和第一材料之间提供了含硅烷层35。应当注意的是，为了可视性目的，图2中的含硅烷层35的尺度被极大地放大，在本发明的大多数实际应用中，含硅烷层35为单层。

此外，图2的实施方式包括在非变化方向的方向(在本实施方式中为垂直方向)上提供了无粘性材料70。在此，为了可视性目的，无粘性材料70的尺度也被极大地放大。无粘性材料基本上保证了第一材料的均匀膨胀和/或收缩。

从图2(结合图1)可以看出，传感器方向基本上与变化方向垂直(在本实施方式中为水平方向)。

无粘性材料本身是由侧壁80提供的，所述侧壁可以是任一合适的材料。在一些应用中，抗性材料例如SU-80已经显示出了优势，并因此构成了本发明的优选的实施方式。

图3显示了本发明的第三个实施方式的传感器1”的高度示意性的横截面图。为了避免重复，不讨论图3中与图1和/或图2的实施方式(基本上)相同的部件。

图3的实施方式与图1的实施方式有所不同的是在一个GMR元件50之间存在着两根电线40a、40b。

应当注意的是，图3中的尺度和大小都是高度示意性的，可能与本发明的实际应用中的尺度和大小有所不同。

实际上，在本发明的一个优选的实施方式中，GMR元件和/或电线的宽度为≥2μm和≤10μm，在本发明的进一步的实施方式中，GMR元件和电线之间的间隔为≥0.5μm和≤2μm。

此外，显而易见的是，在本实施方式中同样可以存在(或加入)含硅烷层和无粘性材料(如图2所示)。

实施例

此外，通过下面的实施例可以更好的了解本发明，这仅仅是示例的方式。

实施例I

在本实施例中，使用了图1的传感器。

第一材料是提供了葡萄糖受体的聚丙烯酰胺水凝胶，第二材料是由平均直径为15nm的Fe₃O₄颗粒组成的。第二材料的体积百分比为10％，第一材料的初始厚度为15μm。

如下测定葡萄糖浓度。电流被导向通过电线(其中电流的方向垂直于纸平面)。这引起了第二材料的磁偶极子方向的变化，GMR传感器可以检测到所述变化。在GMR元件上所产生的电压降取决于第一材料和葡萄糖的反应，其中葡萄糖浓度的下降造成了第一材料的扩张，这就引起了GMR元件的电阻的增加。当给元件施加恒定电流时，会造成元件上电压降的增加。

在本实施例中，电压增加是在每1％体积变化引起电压增加10毫伏的范围之内。

实施例II

在本实施例中，使用图3的传感器。

GMR传感器50和第一材料10之间的距离为0.5μm。电线40a、40b的厚度为250nm，以及GMR传感器50的厚度为49nm。

GMR传感器的宽度为6μm，电线的宽度为7μm，以及GMR元件和电线的间隔为1μm。

图4显示了实施例II的实施方式中的单个珠信号(nV)对GMR元件与珠的距离的曲线图。可以清楚地看到，转折点是在5μm附近，且该曲线在3μm附近经过0V。

因此，有利于本发明的实施方式是层10的最大高度约为5-6μm。

实施例III

在本实施例中也使用了图3的传感器。

GMR传感器50和第一材料10之间的距离为3μm。电线40a、40b的厚度为250nm，以及传感器50的厚度为49nm。

GMR传感器的宽度为3μm，电线的宽度为3μm，以及GMR元件和电线的间隔为1μm。

图5显示了实施例III的实施方式中的单个珠信号(nV)对GMR元件与珠的距离的曲线图。可以清楚地看到，转折点是在3μm附近，且该曲线在2.5μm附近经过0V。

但是，因为GMR传感器50和第一材料10之间的距离被选定为3μm(即已经在转折点之“上”)，因此对于该实施方式，有利的是层10的最大高度约为15-20μm。

实施例II和III之间的差别是在实施例II中测定了“下降支”，而在实施例III中使用了“上升支”。但是，本领域任何技术人员都容易明白两个实施例都给出了合理的数据。要依据实际应用的所需参数决定传感器的实际设定。

本发明人还发现在本发明内的多种应用中，GMR元件和电线的宽度均可影响“转折点”。

当测量工具和第一材料之间的距离为≥1μm且≤5μm，优选≥2μm且≤3μm时，GMR元件和/或电线的宽度为≥1μm且≤5μm，优选≥2μm且≤3μm都是特别优选的。

当测量工具和第一材料之间的距离为≥100nm且≤1μm、优选≥200nm且≤500nm时，特别优选GMR元件和/或电线的宽度≥3μm且≤10μm、优选≥5μm且≤8μm。

在上面详细描述的实施方式中的元件和特征的具体组合只是举例说明的，用本说明书和或在此引用的专利/申请中的其他教导对这些教导的互换和替代也是明确考虑的。因为本领域技术人员明白，本领域技术人员能够对在此所述的内容进行变化、修改和其他的操作，只要不偏离请求保护的本发明的精神和范围。因此，前面的描述只是示例性的，并不视为限制性的。在下面的权利要求书和与之等价的部分定义了本发明的范围。此外，说明书和权利要求书中所用的参考标记并不限制请求保护的本发明的范围。

Claims (10)

1.磁化学传感器，其特别用于确定液体样品中的至少一种分析物的存在、特性、量和/或浓度，所述传感器包括：

(a)第一材料，其中第一材料是弹性材料，其根据与所述至少一种分析物的相互作用而改变其物理性质；

(b)第二材料，其包埋于所述第一材料中，其中所述第二材料是磁性材料。

2.权利要求1的传感器，其中所述传感器包括至少一个电流输送工具，用于提供电流以引起第二材料中的磁偶极子方向的变化；和/或所述传感器包括至少一个测量工具以及至少一个GMR元件，用于测量第二材料的定向偶极子的杂散磁场的面内分量所引起的GMR元件的电阻的变化。

3.权利要求1或2的传感器，其中所述第二材料的饱和磁化强度为≥1×10⁵A/m且≤1×10⁶A/m。

4.权利要求1到3中任一项的传感器，其中所述第二材料在所述第一材料中的浓度为≥1％且≤20％。

5.权利要求1到4中任一项的传感器，其中所述第二材料的磁化率和浓度的乘积为≥10³且≤4*10⁷。

6.权利要求1到5中任一项的传感器，其中所述第二材料的平均粒度为≥1nm且≤40nm。

7.权利要求1到5中任一项的传感器，其中所述第二材料的磁各向异性常数为≥1*10³J/m³且≤1*10⁵J/m³。

8.一种利用权利要求1到7中任一项的传感器测量样品中至少一种分析物的存在、特性、量和/或浓度的方法，所述方法包括步骤：

(a)容许所述第一材料和至少一种分析物接触，以引起第一材料的物理性质的变化；

(b)施加电流，以引起第二材料的磁偶极子方向的变化；

(c)测量第二材料的定向偶极子的杂散磁场的面内分量所引起的GMR元件的电阻的变化。

9.权利要求8的方法，其中当所述第一材料与至少一种分析物相互作用时所述第一材料会改变其大小和/或厚度。

10.一种整合了权利要求1到7中任一项的传感器和/或适用于实施权利要求8和9的方法以及被用于下面的一种或多种应用的系统：

●用于分子诊断的生物传感器

●快速灵敏地检测复杂生物学混合物例如血液或唾液中的蛋白质和核酸

●用于化学、药学或分子生物学的高通量筛选装置

●测试装置，例如用于例如犯罪学中的DNA或蛋白质测定、现场测定(医院内测定)、中心实验室或科研中的诊断性检测

●用于心脏病学、感染性疾病和肿瘤学、食品、和环境诊断中的DNA或蛋白质诊断的工具

●用于组合化学的工具

●分析装置。

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