CN101614700B - 基于gmr自旋阀免疫生物传感器的检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测方法及系统，将该GMR自旋阀免疫生物传感器置于复合扫描磁场内，测量该传感器表面滴加免疫磁珠前后磁敏感点对应的磁场偏移量之差，计算免疫磁珠数量。该基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测系统包括GMR自旋阀免疫生物传感器组、与该传感器组相连的恒流源、信号放大模块以及多路选通模块、用于放置该传感器组的螺线管、与该螺线管相连的复合磁场产生模块以及与该信号放大模块、复合磁场产生模块、多路选通模块相连的系统控制与算法处理模块。本发明通过对免疫磁珠进行定量检测来间接地反映待测抗原、病菌、病毒的浓度或具体数量，精度高、成本较低。

Description

基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种生物免疫检测方法及系统，尤其涉及一种基于GMR自旋阀免疫生物传感器的生物免疫检测方法及系统。

背景技术

现有技术中，GMR自旋阀免疫生物传感器原理性结构和工作方式如图1所示。图中，1为非待测生物体，通常在单晶硅衬底8上制备多层结构的GMR自旋阀免疫生物传感器件7，然后在该传感器件上做一层保护层6，如氮化硅、二氧化硅等，同时再做一层支撑层(为了更好的与生物分子连接)或生物固定层5，最后通过生物固定层5固定待测病原体的免疫抗体4。当待测样品中的病原体3(抗原)流经传感器表面时与被固定的抗体4产生抗原-抗体免疫应答反应，此抗原3进一步与免疫磁珠2上的二抗结合，形成“一抗-抗原-二抗-免疫磁珠”联合体。免疫磁珠2的存在改变外磁场的局域空间分布，被传感器探测到，输出电信号的变化，产生“抗原→固定免疫磁珠→电信号输出”这一一对应的响应关系，从而判断待测样品之中是否存在待测抗原。

在GMR自旋阀免疫生物传感器的检测中，当免疫磁珠通过抗体-抗原免疫反应挂接到GMR自旋阀免疫生物传感器表面后，免疫磁珠在外磁场激励下形成的极化磁场在传感器平面上的分量对GMR组件产生作用并改变其电阻。

图2是本发明采用的GMR自旋阀免疫生物传感器的磁阻关系特征曲线图，其中曲线斜率最大点即直线和曲线的交点为磁敏感点。

现有技术的检测，就是在免疫磁珠接挂前后，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(如图2)的时候GMR自旋阀电阻值的大小。电阻值的变化，定性地反映了GMR自旋阀表面免疫磁珠接挂的数量。

在收录于《生物化学传感器》期刊的一篇名为《GMR生物传感器的原理及研究现状》中，介绍了两种将信号检测方式：惠斯登桥路结构以及I-V转换法，用于将免疫磁珠作用在GMR自旋阀传感器上之后，GMR自旋阀传感器的磁电阻的变化转化成电信号。

中国发明专利200710026331.2公开了一种GMR自旋阀免疫生物传感器阵列检测方法及系统，其中所述检测系统包含连接着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、用于使螺线管产生稳恒磁场的磁场驱动电路以及获取GMR自旋阀芯片的电阻值变化的数据处理电路，所述检测模块至少包含一个参考GMR自旋阀芯片，所述检测方法利用GMR自旋阀芯片的电阻值的变化来定性判断一种待测样本中是否含有两种或两种以上目标抗原，因而该发明专利所述的检测方法和系统只能实现免疫磁珠的定性检测。

现有技术最大不足，在于其检测精度只能达到定性检测要求，远远不能满足应用的需要，并且需要额外的参考GMR自旋阀芯片给出参考电阻值，增加了系统的成本。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种通过对免疫磁珠进行定量检测，来间接地反映出待测抗原、病菌、病毒的浓度或具体数量的可定量检测的、成本较低的基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测方法及系统。

为实现上述目的，本发明的一种技术方案为：一种基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测方法，该方法包括：

(1)将所述GMR自旋阀免疫生物传感器置于一复合扫描磁场内，给所述GMR自旋阀免疫生物传感器提供恒定电流，对应于所述复合扫描磁场，测量所述GMR自旋阀免疫生物传感器的多个电压输出，以用来确定所述GMR自旋阀免疫生物传感器在复合扫描磁场下的电压输出值。

(2)将所述多电压输出进行信号放大之后，再经正交矢量算法计算后得到新的多个电压输出信号，此算法作用在于把交流磁场信号分量从原始信号与背景噪声中提取出来。

(3)找出所述新的多个电压输出信号的最大值，及最大值对应的磁场偏移量以用来找出磁敏感点所对应的磁场偏移量。

(4)在所述GMR自旋阀免疫生物传感器表面滴加免疫磁珠，使所述免疫磁珠和待测抗原或病菌或病毒一对一的结合，重复所述(1)至(3)的过程，得到所述GMR自旋阀免疫生物传感器表面滴加免疫磁珠后的新的磁场偏移量，以用来获得滴加免疫磁珠后的所述GMR自旋阀免疫生物传感器的磁敏感点对应的磁场偏移量。

(5)计算(3)至(4)所述GMR自旋阀免疫生物传感器表面滴加免疫磁珠前后的磁场偏移量之差，该差值正比于免疫磁珠数量。

(6)标定(5)所述差值与免疫磁珠数量的关系并计算出相对应的免疫磁珠数量。

该复合扫描磁场为：

$H={\stackrel{\‾}{H}}_0+\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{H}s}{\mathrm{\Δn}}n+\widetilde{H_L}$

其中H₀为常量，作用为设定直流扫描磁场的起始点；

n为变量，为程控扫描磁场步长，且定义该程控扫描磁场步长n为磁场偏移量，

为单步的直流磁场强度，

为常量。

所述GMR自旋阀免疫生物传感器的多个电压输出为：

V_gmr＝I(R₀+ΔR)＝IR₀+Acos(2πf_mt)

其中R₀为GMR传感器在没有外加磁场下的电阻，ΔR为受磁场影响下的电阻改变值。

该正交矢量算法是将所述GMR自旋阀免疫生物传感器的多个电压输出分别与正弦信号与余弦信号相乘，所述正弦信号、余弦信号和所述复合扫描磁场的交流磁场同频率，得到中间结果D1和D2，并分别对D1和D2进行积分平均处理，得到D3与D4，该经正交矢量算法计算后得到新的多个电压输出信号为 $V_{\mathrm{out}}=\sqrt{{D_3}^2+{D_4}^2}.$

所述经正交矢量算法计算后得到新的多个电压输出信号V_out与IR₀无关，并且正比于传感器受到螺线管恒定交变磁场强度影响而产生的ΔR，也就是正比于上式中的A。

本发明的另一种技术方案为：提供一种采用所述发明方法的基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测系统，包括：GMR自旋阀免疫生物传感器组、与所述GMR自旋阀免疫生物传感器组相连并为该传感器组提供恒定电流的恒流源、与所述GMR自旋阀免疫生物传感器组相连且用于放大其输出信号的信号放大模块、与所述GMR自旋阀免疫生物传感器组相连且用于选通相应GMR自旋阀免疫生物传感器的多路选通模块、用于放置所述GMR自旋阀免疫生物传感器组的螺线管、与所述螺线管相连并使所述螺线管内部产生磁场的复合磁场产生模块、以及与所述信号放大模块、复合磁场产生模块、多路选通模块相连的系统控制与算法处理模块。

该GMR自旋阀免疫生物传感器组包含一个或多个该GMR自旋阀免疫生物传感器，该恒流源包含基准电压源以及反馈放大器，以用来实现多通道的检测。

该信号放大模块包含仪表放大器、滤波器以及24位模数转换器，以用来对所述GMR自旋阀免疫生物传感器的微弱输出进行放大、滤波以及进行模数转换，从而送至所述的系统控制与算法处理模块。该多路选通模块为一个或多个继电器，以用来实现多通道数据检测中的相应GMR自旋阀免疫生物传感器的选通。

该复合磁场产生模块包含运算放大器、和所述运算放大器输入端相连的16位数模转换器、12位数模转换器和基准电压源、以及和所述运算放大器输出端相连的功率放大器。

该系统控制与算法处理模块包括FPGA模块，该系统控制与算法处理模块还包括USB接口、LCD显示屏和键盘接口，以用来实现整个控制系统的软件硬件控制，同时还可以实现与微机的自由数据交换以及所得计算结果的实时显示。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明能够通过对免疫磁珠进行定量地检测，从而间接地反映出待测样本中抗原、病菌、病毒的浓度或具体数量，跟现有技术相比，本发明不使用参考GMR芯片，无需电桥，节省了成本。

附图说明

图1为本发明GMR自旋阀免疫生物传感器原理性结构和工作方式示意图；

图2为本发明GMR自旋阀免疫生物传感器的磁阻关系特征曲线示意图；

图3为本发明正交矢量算法框图；

图4为本发明基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测系统框图；

图5为本发明基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测系统的操作流程图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

实施例1

本实施例提供了一种基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测方法，该方法用于对免疫磁珠进行定量检测，从而间接地反映出待测抗原、病菌、病毒的浓度或具体数量。它的目的在于将免疫磁珠作用在GMR自旋阀传感器上的磁信号准确地转换成电信号，并且通过算法处理使得电信号强度能跟免疫磁珠有明确的数量对应关系，即免疫磁珠的定量检测。

该方法利用所述GMR自旋阀免疫生物传感器置于一连续变化的复合扫描磁场内，将所述GMR自旋阀免疫生物传感器的多个输出经正交矢量算法处理后，找出最大值及最大值对应的复合磁场偏移量，计算在滴加免疫磁珠前后，该复合磁场的直流扫描磁场分量偏移量的差值，通过标定该差值与免疫磁珠数量的关系，则能通过测定所述差值求出相对应的免疫磁珠数量。

该方法包括：首先将所述GMR自旋阀免疫生物传感器置于一复合扫描磁场内，该复合扫描磁场为：

$H={\stackrel{\‾}{H}}_0+\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{H}s}{\mathrm{\Δn}}n+\widetilde{H_L}$

其中H₀为常量，作用为设定直流扫描磁场的起始点。

n为变量，为程控扫描磁场步长，

为单步的直流磁场强度。

为常量。

其次，给所述GMR自旋阀免疫生物传感器提供恒定电流I，测量所述GMR自旋阀免疫生物传感器的电压输出V_gmr。

V_gmr＝I(R₀+ΔR)＝IR₀+Acos(2πf_mt)

其中：R₀为GMR自旋阀免疫生物传感器在没有外加磁场下的电阻，ΔR为受复合扫描磁场影响下的电阻改变值。

然后对输出信号V_gmr进行放大，经正交矢量算法计算后得到新的电压输出信号V_out。该正交矢量算法如图3所示：

此算法在算法处理模块中使用硬件实现，通过硬件分别产生一个与复合扫描磁场的交流磁场分量同频率的正弦信号与余弦信号，并且分别与输入信号V_gmr相乘，得到中间结果D1和D2，分别对D1和D2进行积分平均处理，得到D3与D4，最终新的电压数据输出为：

$V_{\mathrm{out}}=\sqrt{{D_3}^2+{D_4}^2}.$

该正交矢量算法的作用在于把交流磁场信号分量从原始信号与背景噪声中提取出来，输出信号V_out与交流磁场的相位无关，从而忽略相位误差的影响，同时输出信号V_out也与IR₀无关，并且正比于GMR自旋阀免疫生物传感器受到复合扫描磁场强度影响而产生的ΔR，也就是正比于上式中的A。在不同的复合扫描磁场下，信号V_out只与GMR自旋阀免疫生物传感器本征的R-H曲线相关，即同一磁场强度下的V_out正比于该点R-H曲线的斜率大小，而在R-H曲线中，斜率最大点位于敏感区中央，即V_out max对应着敏感区中央。此时，找出同所述复合扫描磁场一一对应的多个电压输出信号V_out的最大值V_out max，及最大值对应的磁场偏移量n1。

再次，在所述GMR自旋阀免疫生物传感器表面滴加免疫磁珠，免疫磁珠在复合扫描磁场的作用下感应出极化磁场Hj，极化磁场Hj在所述GMR自旋阀免疫生物传感器敏感方向跟复合扫描磁场方向相反，极化磁场强度正比于免疫磁珠数量，而所述GMR自旋阀免疫生物传感器在复合扫描磁场与极化磁场的共同作用下，R-H曲线相对于本征R-H曲线沿横轴平移，平移幅度正比于极化磁场Hj，则平移幅度正比于免疫磁珠数量。

重复上述步骤，得到所述GMR自旋阀免疫生物传感器表面滴加免疫磁珠后的新的磁场偏移量n2，然后计算所述GMR自旋阀免疫生物传感器表面滴加免疫磁珠前后的磁场偏移量之差，Δn＝n2-n1该差值Δn正比于免疫磁珠数量。

最后通过标定该差值Δn与免疫磁珠数量的关系并计算出相对应的免疫磁珠数量。

实施例2

本实施例提供了一种采用该发明方法的基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测系统。该系统用于对免疫磁珠进行定量检测，从而间接地反映出待测抗原、病菌、病毒的浓度或具体数量。

如图4所示，该系统包括：GMR自旋阀免疫生物传感器组、与所述GMR自旋阀免疫生物传感器组相连并为该传感器组提供恒定电流的恒流源、与所述GMR自旋阀免疫生物传感器组相连且用于放大其输出信号的信号放大模块、与所述GMR自旋阀免疫生物传感器组相连且用于选通相应GMR自旋阀免疫生物传感器的多路选通模块、用于放置所述GMR自旋阀免疫生物传感器组的螺线管、与所述螺线管相连并使所述螺线管内部产生磁场的复合磁场产生模块、以及与所述信号放大模块、复合磁场产生模块、多路选通模块相连的系统控制与算法处理模块。

其中，的GMR自旋阀免疫生物传感器组包含一个或多个GMR自旋阀免疫生物传感器，用来实现单通道或者多通道的数据检测，而该恒流源由基准电压源以及反馈放大器组成，为传感器提供恒定电流；

信号放大模块由仪表放大器，滤波器以及位模数转换器组成，先将微弱的GMR自旋阀免疫生物传感器组的电压输出信号进行适当增益与滤波，然后通过24位模数转换器输入到系统控制与算法处理模块。

该多路选通模块由一组继电器组成，系统控制与算法处理模块通过控制这些继电器从而实现对GMR自旋阀免疫生物传感器组的无损选通。

该复合磁场产生模块由16位数模转换器、12位数模转换器、基准电压源、运算放大器以及功率放大器组成。系统控制与算法处理模块通过16位数模转换器产生直流扫描信号，通过12位数模转换器产生交流正弦信号，基准电压源产生直流偏置信号，所述三路信号再通过运算放大器加法混合后通过功率放大器进行电流放大后输入到螺线管中产生相应复合扫描磁场。

该系统控制与算法处理模块包括FPGA模块，通过在FPGA模块中植入软核实现相关的控制功能，同时在FPGA模块中硬件实现正、余弦信号的产生以及正交矢量相关算法的实现。此外，它还同时提供USB对计算机的接口，以及LCD和键盘接口，同时满足实验室应用需求以及户外携带应用需求。

如图5所示，该基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测系统的操作流程为：

首先将GMR自旋阀免疫生物传感器组送进螺线管内，启动整个系统，然后该系统控制与算法处理模块发出控制信息经多路选通模块选通待测GMR自旋阀免疫生物传感器K(K＝1，2，3，4......)。此时系统控制与算法处理模块控制复合磁场产生模块产生复合扫描磁场，同时，信号放大模块将GMR自旋阀免疫生物传感器产生的微弱信号经过仪表放大器低噪声放大，再经滤波后，通过24位模数转换器将信号传输到系统控制与算法处理模块中。系统控制与算法处理模块通过采用正交矢量相关算法对其进行处理，对应于不同的扫描磁场，产生相应的一系列的电压输出信号数组，并且一个电压输出信号对应一点扫描磁场。

扫描结束后，系统控制与算法处理模块对电压输出信号数组进行处理，寻找其中的最大值，并记录其对应的扫描磁场值n1K。此时系统控制与算法处理模块判断是否继续测量另外一组数据，如果需要则选通另外的GMR自旋阀免疫生物传感器，重复以上步骤，如果不需要继续测量另外一组数据则转入下一步操作流程。

紧接着将GMR自旋阀免疫生物传感器组拿出，进行生物处理以及免疫磁珠绑定。将带有免疫磁珠的GMR自旋阀免疫生物传感器组重新送进螺线管内，再次启动系统。

系统控制与算法处理模块选通待测GMR自旋阀免疫生物传感器K，重复以上全部信号处理步骤，得到扫描磁场值n2K，并输出与免疫磁珠数量成正比的一组或多组数据ΔnK＝n2K-n1K。

然后系统控制与算法处理模块通过查找标定好的ΔnK和免疫磁珠数量的关系计算出免疫磁珠数量，并将其输出到计算机或者LCD显示屏。

本发明所述的GMR是Giant Magneto Resistive的缩写，中文全称“巨磁阻”。

Claims (10)

1.一种基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测方法，该方法包括：

(1)将所述GMR自旋阀免疫生物传感器置于一复合扫描磁场内，给所述GMR自旋阀免疫生物传感器提供恒定电流，对应于所述复合扫描磁场，测量所述GMR自旋阀免疫生物传感器的多个电压输出；

(2)将所述多电压输出进行信号放大之后，再经正交矢量算法计算后得到新的多个电压输出信号；

(3)找出所述新的多个电压输出信号的最大值，及最大值对应的磁场偏移量；

(4)在所述GMR自旋阀免疫生物传感器表面滴加免疫磁珠，使所述免疫磁珠和待测抗原或病菌或病毒一对一的结合，重复所述(1)至(3)的过程，得到所述GMR自旋阀免疫生物传感器表面滴加免疫磁珠后的新的磁场偏移量；

(5)计算(3)至(4)所述GMR自旋阀免疫生物传感器表面滴加免疫磁珠前后的磁场偏移量之差，该差值正比于免疫磁珠数量；

(6)标定(5)所述差值与免疫磁珠数量的关系并计算出相对应的免疫磁珠数量。

2.根据权利要求1所述的基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测方法，其特征在于：该复合扫描磁场为，

$H={\stackrel{\‾}{H}}_0+\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{H}s}{\mathrm{\Δn}}n+\widetilde{H_L}$

其中H₀为常量，作用为设定直流扫描磁场的起始点；

n为变量，为程控扫描磁场步长，且定义该程控扫描磁场步长n为磁场偏移量，

为单步的直流磁场强度，

为常量。

3.根据权利要求1所述的基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测方法，其特征在于：所述GMR自旋阀免疫生物传感器的多个电压输出为，

V_gmr＝I(R₀+ΔR)＝IR₀+Acos(2πf_mt)

其中R₀为GMR传感器在没有外加磁场下的电阻，ΔR为受磁场影响下的电阻改变值。

4.根据权利要求1所述的基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测方法，其特征在于：该正交矢量算法是将所述GMR自旋阀免疫生物传感器的多个电压输出分别与正弦信号与余弦信号相乘，所述正弦信号、余弦信号和所述复合扫描磁场的交流磁场同频率，得到中间结果D1和D2，并分别对D1和D2进行积分平均处理，得到D3与D4，所述经正交矢量算法计算后得到新的多个电压输出信号为 $V_{\mathrm{out}}=\sqrt{{D_3}^2+{D_4}^2}.$

5.一种采用权利要求1至4任一项所述方法的基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测系统，其特征在于：GMR自旋阀免疫生物传感器组、与所述GMR自旋阀免疫生物传感器组相连并为该传感器组提供恒定电流的恒流源、与所述GMR自旋阀免疫生物传感器组相连且用于放大其输出信号的信号放大模块、与所述GMR自旋阀免疫生物传感器组相连且用于选通相应GMR自旋阀免疫生物传感器的多路选通模块、用于放置所述GMR自旋阀免疫生物传感器组的螺线管、与所述螺线管相连并使所述螺线管内部产生磁场的复合磁场产生模块、以及与所述信号放大模块、复合磁场产生模块、多路选通模块相连的系统控制与算法处理模块。

6.根据权利要求5所述的基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测系统，其特征在于：该GMR自旋阀免疫生物传感器组包含一个或多个该GMR自旋阀免疫生物传感器，该恒流源包含基准电压源以及反馈放大器。

7.根据权利要求5所述的基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测系统，其特征在于：该信号放大模块包含仪表放大器、滤波器以及24位模数转换器，该多路选通模块为一个或多个继电器。

8.根据权利要求5所述的基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测系统，其特征在于：该复合磁场产生模块包含运算放大器、和所述运算放大器输入端相连的16位数模转换器、12位数模转换器和基准电压源、以及和所述运算放大器输出端相连的功率放大器。

9.根据权利要求5所述的基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测系统，其特征在于：该系统控制与算法处理模块包括FPGA模块。

10.根据权利要求9所述的基于GMR自旋阀免疫生物传感器的检测系统，其特征在于：该系统控制与算法处理模块还包括USB接口、LCD显示屏和键盘接口。

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