CN103987654A - 用于高吞吐量生物分子测试的磁性生物医学传感器和感测系统 - Google Patents

用于高吞吐量生物分子测试的磁性生物医学传感器和感测系统 Download PDF

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Abstract

一种磁性生物传感器，可以包括磁性叠层，该磁性叠层包括自由层、固定层和在自由层和固定层之间的非磁性层。在没有外部磁场的情况下，自由层或固定层中的至少一个可以具有分别定向在自由层或固定层的主平面以外的磁矩。磁性生物传感器还可以包括被置于磁性叠层上的样品容器、被附着到磁性叠层上面的样品容器的底面的多个捕获抗体；以及磁场发生器，其配置为产生与自由层或固定层的主平面基本垂直的磁场。

Description

用于高吞吐量生物分子测试的磁性生物医学传感器和感测系统
技术领域
本公开涉及用于磁性生物分子感测的系统和技术。
背景技术
检测和量化超低浓度的生物分子的生物测定在很多领域中是非常需要的，包括基础医学、疾病控制和诊断、药物发现和环境监控。生物测定可以被用于基于寡核苷酸之间的特定相互作用的疾病或病原检测，诸如DNA-DNA或RNA-RNA相互作用；小分子-生物分子相互作用；适体-生物分子相互作用；蛋白质相互作用等等。
磁性生物感测技术利用磁场来检测和量化生物分子。在一些实现方式中，诸如磁性纳米粒子(MNP)或磁性微珠之类的磁性标签可以被附着于试剂中的化验物上。未被附着磁性标签的相同化验物可能存在于血清样品中。试剂和血清样品可以被引入包括磁性传感器和多个捕获分子的传感器中，所述多个捕获分子被配置为例如利用共价或离子键合来捕获化验物。磁性传感器可以包括磁矩沿特定方向被固定的磁性层(固定层)和磁矩在外部磁场的影响下自由旋转的磁性层(自由层)。当外部施加的场被施加于传感器(例如使用电磁铁或永磁铁)时，自由层的磁矩旋转到由被施加于该层的有效磁场决定的方向，所述有效磁场可以包括来自外部施加的场的分量、来自任何磁性物体(例如传感器表面上的磁性粒子)的磁场、由在读取过程中流经磁性传感器的电流所产生的磁场以及由磁性传感器的其它磁性层(例如固定层)所产生的磁场。然后，血清样品中的化验物的浓度可以利用磁性生物传感器而被确定，因为当被键合到磁性标记上的化验物被捕获分子捕获时，自由层的磁矩的方向将在磁性标记的影响下旋转。磁性生物传感器和相关技术的更多细节在通过引用被合并于此的美国临时申请No.61/534,636中被描述。
在一些磁性生物传感器中，平面内外部磁场配置被使用(即，外部磁场沿与自由层和固定层的主平面平行的方向被施加于传感器)。针对该配置的仪器设备和工作原理在图1中被示意性地示出。在该配置中，包括一个或多个样品10的样品盘18被置于在两个相对的磁铁12和14之间的一个或多个磁性传感器(未被示出)上，所述磁铁产生由箭头16表示的平面内磁场(即，在相对于自由磁性层的主平面的平面内)。这种平面内配置可以被用于有限尺寸的测试盘(例如长度为2-5厘米(cm))，但是不能与大样品盘(例如长度为50cm)一起使用，除非大磁铁12和14被使用，这与台式系统不兼容。因为需要均匀、相对较大的(例如大约20奥斯特(Oe)到大约100Oe)平面内磁场以准确检测被测试样品中的生物分子，所以需要大磁铁。这种利用大电磁铁的配置不仅不适合于台式操作，而且需要大量功率来操作大电磁铁。
发明内容
本公开描述了一种磁性生物感测系统，其中与自由层和固定层的主平面垂直的外部磁场(垂直磁场)被施加于磁性传感器。这样的系统可以方便同时测试大量样品，因为足够大的更均匀的磁场可以同时被施加于更多的传感器。在一些示例中，利用新的磁性生物感测系统，台式生物医疗检测系统可以同时并且在相对较短的时间内(例如5分钟内)测试超过数千个样品。此外，这里所描述的磁性生物感测系统可以允许例如通过被编程的机器人来自动处理样品和测试。现有技术的传感方案和仪器设备不能同时测试这么大量的样品。
在一些实现方式中，磁性生物感测系统利用多个磁性传感器，其中(针对每个磁性传感器)自由层或固定层中的至少一个具有平面外磁性各向异性(即该层的易磁化轴定向在该层的主平面以外)。此外，外部磁场沿与自由层和固定层的主平面垂直的方向被施加于磁性传感器。当样品保持盘的方向使得其主平面总体与多个传感器的自由层和固定层的主平面平行时，与样品保持盘的主平面垂直的外部磁场也被施加。这个布置将产生外部磁场的磁铁置于传感器下面，传感器在样品盘下面。这可以允许使用更接近于磁铁的大的被自动控制的样品盘(与平面内磁场配置相比)并且导致在样品盘中的所有样品上的磁场的基本均匀性，因为每个样品与磁铁的距离基本相同。
这里所描述的磁性生物感测系统可以结合不同类型的磁性传感器被使用，例如可以具有旋转阀结构的磁性隧道结(MTJ)传感器、可以具有旋转阀结构的巨磁阻(GMR)传感器、可以具有旋转阀结构的霍尔传感器、巨磁阻抗(GMI)传感器等。磁性生物感测系统可以利用多探针台或站台，用于电子控制与磁性传感器电极的简单可靠的连接和断开连接。
磁性生物感测系统可以磁化和捕获具有磁性标签的生物分子到磁性生物传感器的顶层或涂层，所述磁性标签例如磁性纳米粒子(MNP)或者包括磁性微珠的稍微大点的磁性粒子。磁性生物传感器可以被设计为捕获被附着于MNP上的生物分子，MNP通常从几纳米到小于大约100纳米(nm)变化，并且更常见的是在1到10nm量级上。作为另一示例，生物传感器可以被配置为捕获被附着到磁性微珠上的生物分子，磁性微珠可以在小于1微米(μm)到2μm的量级上(例如大约100nm到大约2000nm)。
在一方面，本公开描述了一种包括磁性叠层的磁性生物传感器，所述磁性叠层包括自由层、固定层和介于自由层和固定层之间的非磁性层。在没有外部磁场的情况下，自由层或固定层中的至少一个可以具有分别定向在自由层或固定层的主平面以外的磁矩。磁性生物传感器还可以包括被置于磁性叠层上的样品容器、被附着到磁性叠层上面的样品容器的底面的多个捕获抗体，以及磁场发生器，该磁场发生器被配置为产生与自由层或固定层的主平面基本垂直的磁场。
在另一方面，本公开描述了一种磁性生物传感器阵列，该磁性生物传感器阵列包括沿磁性生物传感器阵列的至少一个周边被放置的多个电极，样品容器，以及多个磁性生物传感器，每个磁性生物传感器与样品容器相邻地被放置并且包括磁性叠层，该磁性叠层包括自由层、固定层和自由层与固定层之间的非磁性层。在没有外部磁场的情况下，自由层或固定层中的至少一个可以具有分别定向在自由层或固定层的主平面以外的磁矩。磁性生物传感器阵列还可以包括被附着到多个磁性生物传感器上面的样品容器的底面的多个捕获抗体。
在另一方面，本公开描述了一种磁性感测系统，该系统包括探针阵列和磁性生物传感器阵列，所述探针阵列包括多个探针。磁性生物传感器阵列可以包括沿磁性生物传感器阵列的至少一个周边被放置的多个电极，样品容器，以及多个磁性生物传感器，每个磁性生物传感器与样品容器相邻地被放置并且包括磁性叠层，该磁性叠层包括自由层、固定层和自由层与固定层之间的非磁性层。在没有外部磁场的情况下，自由层或固定层中的至少一个可以具有分别定向在自由层或固定层的主平面以外的磁矩。磁性生物传感器阵列还可以包括被附着到多个磁性生物传感器上面的样品容器的底面的多个捕获抗体。多个电触点沿传感器芯片的至少一个边被放置并且被配置为接收多个探针中的相应的探针。磁性生物感测系统还可以包括电机，该电机被配置为移动探针阵列去往和远离磁性生物传感器阵列以将多个探针与多个电触点接合和分离；以及磁场发生器，该磁场发生器位于磁性生物传感器阵列下面以沿与磁性生物传感器阵列的主平面垂直的方向施加电磁场。
在另一方面，本公开描述了一种用于形成磁性生物传感器的方法。该方法可以包括形成包括自由层、固定层和自由层与固定层之间的非磁性层的磁性叠层。在没有外部磁场的情况下，自由层或固定层中的至少一个可以具有分别定向在自由层或者固定层的主平面以外的磁矩。该方法还可以包括在磁性叠层上放置样品容器并且将多个捕获抗体附着到磁性叠层上面的样品容器的底面。
一个或多个示例的细节在下面的附图和描述中被给出。根据描述和附图以及根据权利要求，本公开的其它特征、目的和优点将变得清楚。
附图说明
图1是其中外部磁场被定向为关于传感器的自由层在同一平面内的示例磁性生物感测系统的示意图。
图2A和2B是图示了磁性生物传感器可以用来检测样品中的化验物的浓度的示例技术的概念图。
图3A-3D是图示了磁性生物传感器可以用来检测样品中的化验物的浓度的另一示例技术的概念图。
图4是其中外部磁场被定向为关于传感器的自由层的主平面垂直的示例磁性生物感测系统的示意图。
图5A-5D是具有用于多个样品的并行测试的垂直施加的磁场的磁性生物感测系统的示例的图像。
图6是具有在固定层中的平面内磁性各向异性和自由层中的平面外磁性各向异性的磁性生物传感器的概念图。
图7是具有在固定层中的平面外磁性各向异性和自由层中的平面内磁性各向异性的磁性生物传感器的概念图。
图8是用于示例磁隧道结(MTJ)结构的叠层材料的示意图，在自由层中为平面内磁性各向异性，在固定层中为平面外磁性各向异性。
图9是响应于平面外所施加的磁场、针对具有大约60nm直径的圆形磁隧道结(MTJ)设备的示例性磁阻与所施加的磁场的曲线的图。
图10A和10B分别是示例探针阵列的示意图和示例探针阵列的图像。
图11A和11B分别是用于将探针相对于彼此固定到位的示例三层站台和针对探针中的一个探针的示例尖端样式的示意图。
图12A和12B分别是包括没有和具有到多个探针的电连接的多个个体磁性生物传感器的示例磁性生物传感器阵列的概念图。
图12C和12D分别是其中探针站台不接触和接触磁性生物传感器阵列的示例探针站台和磁性生物传感器阵列的图像。
图13是包括旋转样品保持器和可移动探针装置的示例磁性生物传感器系统的概念图。
图14是示例高吞吐量磁性生物传感器系统的概念图。
图15是被配置为被夹在磁场发生器之间的示例磁性生物传感器阵列的示意图。
图16A-16F是包括被夹在磁性生物传感器阵列上面和下面的磁场源的示例多重磁性生物传感器系统的图像。
图17是示例磁性生物传感器系统的示意图。
图18是在平台中连接的多个磁性生物传感器系统的示例的示意图。
图19是包括在固定层中的平面外磁矩和自由层中的平面外磁矩的，具有垂直磁性各向异性的示例磁性生物传感器的概念图。
图20是包括在固定层中的平面外磁矩和自由层中的平面外磁矩的，用于具有垂直磁性各向异性的磁性生物传感器的示例磁性隧道结叠层的概念图。
图21是针对与图20中所示的示例一致的磁性生物传感器、响应于平面外所施加的磁场的示例归一化的隧道磁阻(TMR)与所施加的磁场的曲线的图。
图22是可用在具有沿基本垂直于磁性叠层的方向被施加的外部磁场的磁性生物传感器中的另一示例磁性隧道结叠层的概念图。
图23是针对与图22中所示的示例一致的磁性隧道结叠层、响应于平面外所施加的磁场的示例磁阻与所施加的磁场的曲线的图。
图24是图示了用于生成图23中所示的磁阻与所施加的磁场的曲线的磁性隧道结叠层和磁场源的示例配置的概念图。
图25是针对与图22中所示的示例一致的磁性隧道结叠层、响应于平面外所施加的磁场的示例磁阻与所施加的磁场的曲线的图。
图26是图示了用于生成图25中所示的磁阻与所施加的磁场的曲线的磁性隧道结叠层和磁场源的示例配置的概念图。
图27是可以被用在具有沿基本垂直于磁性叠层的方向施加的外部磁场的磁性生物传感器中的另一示例磁性隧道结叠层的概念图。
图28是针对与图27中所示的示例一致的磁性隧道结叠层、响应于平面外所施加的磁场的示例磁阻与所施加的磁场的曲线的图。
图29是图示了被用于生成图28中所示的磁阻与所施加的磁场的曲线的磁性隧道结叠层和磁场源的示例配置的概念图。
图30是针对与图27中所示的示例一致的磁性隧道结叠层、响应于平面外施加的磁场的示例磁阻与所施加的磁场的曲线的图。
图31是图示了被用于生成图30中所示的磁阻与所施加的磁场的曲线的磁性隧道结叠层和磁场源的示例配置的概念图。
图32是针对与图27中所示的示例一致的磁性隧道结叠层、响应于平面内施加的磁场的示例磁阻与所施加的磁场的曲线的图。
图33是图示了被用于生成图32中所示的磁阻与所施加的磁场的曲线的磁性隧道结叠层和磁场源的示例配置的概念图。
图34是图示了不同尺寸的反应容器之间的差异的概念图。
图35是包括多个个体磁性生物传感器的示例磁性生物传感器阵列的概念图。
图36是包括用于将样品分发到多个样品容器中的多个分发器的示例磁性生物感测系统的概念图。
图37是可以被用于蛋白质复用的示例磁性生物传感器阵列的概念图。
图38是示出了被键合的磁标记的抗原对交流信号的影响的归一化的幅度对相位的示例图。
图39是图示了被配置为检测雌二醇的磁性生物传感器的示例配置的概念图。
图40是包括多个微流体通道的示例基板的概念图。
图41是图示了另一示例磁性生物传感器的概念图。
图42是被并联连接的图41中所示的多个传感器的概念图。
具体实施方式
本公开描述了磁性生物分子传感器和磁性生物分子感测系统。在一个或多个方面，本公开描述了一种包括具有自由层、固定层或者这两者的磁性传感器的磁性生物分子传感器，具有在磁性稳定状态下(例如在没有外部磁场的情况下)定向在所述层的主平面以外的磁矩。在一些示例中，自由层、固定层或者这两者的磁矩在磁性稳定状态下可以定向为与该层的主平面基本垂直。
自由层、固定层或者这两者的磁矩的平面外定向可以便于沿与自由层的主平面垂直的方向将外部磁场施加于磁性传感器。通过沿与自由层的主平面垂直的方向施加外部磁场，被配置为同时处理多个样品(例如数十、数百或数千个样品)的系统可以被构建。例如，该系统可以包括磁场源、被置于磁场源上的多个磁性生物传感器，以及用于被置于多个磁性生物传感器上的多个样品的样品保持器。在该配置中，磁场源与多个磁性生物传感器中的每个磁性生物传感器之间的距离可以基本相同，这可以使得多个磁性生物传感器中的每个磁性生物传感器被暴露于基本相同的所施加的磁场中。因而，多个样品可以被多个磁性传感器并行处理。
样品保持器可以包括多个样品容器，每个样品容器被配置为保持样品。在一些实现方式中，样品容器可以是反应阱，其中样品被放置并且在整个测试过程中都留在那里。在各种示例中，样品容器可以被配置为保持少量的样品(例如纳升(nL)或微升(μL))或者更大量的样品(例如毫升(mL))。不同尺寸的样品容器可以被用于不同类型的样品测试。例如，小体积样品保持器可以被用于药物发现，而更大体积的样品保持器可以被用于诊断测试。
在一些实现方式中，样品容器可以是样品流经的微流体通道。一系列传感器可以沿微流体通道的底部被基本对齐以检测移动经过微流体通道的化验物。按照这种方式，磁性生物分子传感器可以被用在各种测试应用中。
图2A和2B是图示了磁性生物传感器20可以用来检测样品中的化验物的浓度的一种技术的概念图。图2A和2B中概念性地图示的技术可以被称为通过竞争的检测。如图2中所示，磁性生物传感器20可以包括磁性叠层22和样品容器24。在图2中所示的简化示例中，磁性叠层22包括固定磁性层26、非磁性层28和自由磁性层30。在一些实现方式中，磁性叠层22可以包括附加的层。可被用在磁性生物传感器20中的其它磁性叠层的示例在下面进行描述。
固定磁性层26包括磁性材料，该磁性材料被形成以使得固定磁性层26的磁矩32在固定磁性层26所经受的磁场下基本沿所选择的方向被固定。如图2A和2B中所示，固定磁性层26的磁矩32沿平面内的方向(即在固定磁性层26的主平面内的方向)被固定。在其它示例中，磁矩32可以沿固定磁性层26的平面以外的方向被固定。例如，磁矩32可以以在大约1度与大约90度之间的被倾斜到平面以外的角度被固定(其中90度基本正交于固定磁性层26的主平面)。在一些实现方式中，磁矩32可以沿与固定磁性层26的主平面基本正交(垂直)的方向被固定。在一些示例中，固定磁性层26的磁矩利用磁叠层22中的一个或多个附加层(未被示出)被固定，例如利用反铁磁耦合。
各种磁性材料可以被用于形成固定磁性层26，包括例如钴-铁-硼(CoFeB)合金、钯/钴(Pd/Co)多层结构或者它们的组合等。固定磁性层26的厚度可以取决于例如被用于形成固定磁性层26的材料、非磁性层28的厚度、自由磁性层30的厚度以及其它变量。
非磁性层28提供在固定磁性层26与自由磁性层30之间的间隔。非磁性层28可以包括非磁性材料，例如氧化物或者介电材料。在一些示例中，非磁性层28可以包括氧化镁(MgO)。非磁性层28的厚度可以变化并且基于例如自由磁性层30和固定磁性层26的属性被选择。在示例中，非磁性层28可以由MgO形成并且具有大约1.7nm的厚度。在一些示例中，非磁性层28可以被称为间隔层。
自由磁性层30包括磁性材料，该磁性材料被形成以允许自由磁性层30的磁矩34在外部磁场(即磁性叠层22外部的磁场)的影响下旋转。自由磁性层30还被形成以使得在没有外部磁场的情况(被称为磁性稳定状态)下自由磁性层30的磁矩34定向在所选择的方向。在图2A和2B中所示出的示例中，磁矩34被形成以使得磁性稳定状态与自由磁性层30的主平面垂直。在其它示例中，磁矩32可以具有在自由磁性层30的平面以外的另一方向上的磁性稳定状态。例如，磁矩34可以具有在大约1度与大约90度之间的被倾斜到平面以外的角度的磁性稳定状态(其中90度基本正交于自由磁性层30的主平面)。在其它实现方式中，例如当固定磁性层26的磁矩32沿固定磁性层26的平面以外的方向被固定时，自由磁性层30的磁矩34可以具有与自由磁性层30的主平面平行的磁性稳定状态。
自由磁性层30可以由磁性金属或合金形成，例如CoFeB合金。自由磁性层30的厚度可以基于多个变量被选择，包括所选择的传感机制、被施加于磁性叠层22的外部场、固定磁性层26和非磁性层28的组成和/或厚度等。在一些示例中，自由磁性层30的厚度可以在大约1nm与大约3nm之间，例如大约1.1nm、大约1.3nm、大约1.5nm、大约1.7nm或者大约2nm。
磁性生物传感器20还包括磁场发生器46，该磁场发生器可以包括例如永久磁铁或电磁铁。磁场发生器46产生定向为与自由层30的主平面垂直的基本不变的磁场48。磁场48使自由层30的磁矩34沿与磁场48基本平行的方向偏置。
样品容器24可以由适合于容纳样品的任何材料形成。例如，样品容器24可以由与样品的组份基本无反应的聚合物、塑料或玻璃形成。在一些实例中，样品容器24是反应阱。在其它示例中，样品容器24是微流体通道。样品容器24可以是任何合适的形状，包括例如中空圆筒、中空立方体、细长形通道等。在一些实例中，样品容器24的大小被设计为包含少量样品，例如nL或μL的样品。例如，样品容器24的大小可被设计为包含大约40μL样品。在其它实例中，样品容器24的大小被设计为包含更大量的样品，例如mL的样品。例如，样品容器24可以是具有大约25毫米(mm)的半径和大约2mm的高度的圆柱形阱，该圆柱形阱具有大约3.925mL的体积。
在一些示例中，代替单个样品容器24被耦合到单个磁性叠层22或者与单个磁性叠层22相关联(如图2A和2B中所示)，单个样品容器24可以与多个磁性叠层22相关联或者被耦合到多个磁性叠层22。例如，单个样品容器24可以与至少四个传感器相关联或者被耦合到至少四个传感器，例如25个传感器或者320个传感器。
在样品容器24内并且被附着(例如被化学键合)到样品容器24的表面的是多个捕获分子或捕获抗体44。捕获抗体44可以被选择为捕获被置于样品容器24内的样品中的感兴趣的分子。虽然单一类型的捕获抗体44在图2A和2B中被示出，但是在其它示例中，多种类型的捕获抗体44(例如被配置为捕获感兴趣的不同分子)可以被附着到样品容器24的表面，例如在样品容器24的不同位置处。在一些实现方式中，当样品阱24包括多种不同类型的捕获抗体44时，每种类型的捕获抗体44可以被放置为与不同的磁性叠层22相邻。例如，单一类型的捕获抗体44可以与单个磁性叠层22相关联，并且样品容器24可以与多个磁性叠层22相关联。
在通过竞争的检测的技术中，包括多个未被标记的化验物42或未被标记的抗原42的样品和包括多个有磁标记的化验物36的试剂被混合并保持在样品容器24中，如图2A中所示。磁标记的化验物36包括也被称为有磁标记的抗原38的感兴趣的分子。磁标记的抗原38可以与未被标记的抗原42是相同的分子或者可以拥有与未被标记的抗原42相同的键合特性(以捕获抗体44)。
磁标记的抗原38被键合到磁性纳米粒子(MNP)40。MNP40可以包括高磁矩材料，例如FeCo、FeCoN、FeSi、FeC、FeN及Fe,N,C,Si的组合等。MNP40可以利用各种技术被制造，包括物理蒸汽纳米粒子-沉积。MNP40的大小可以被控制在例如3到100nm的范围内。因而MNP40的大小和形状影响MNP40的磁属性，影响磁性叠层22的操作，所以MNP40的大小和形状可以被控制为基本一致的。在一些示例中，MNP40可以基本为立方体的形状并且具有基本相同的大小，例如由MNP40中相应MNP的宽度限定的大小。
如图2B中所示，磁标记的抗原38和未被标记的抗原42竞争以在捕获抗体44处键合。因此，被捕获抗体44结合的经磁标记的抗原38的数目与样品中的未被标记的抗原42的浓度成反比。MNP40产生磁场，该磁场影响磁矩34的方向。例如，如图2B中所示，被捕获抗体44捕获的经磁标记的化验物36的MNP40所产生的磁场沿图2B的向下方向影响磁矩34。自由层30的磁矩34的这个变化改变了磁性叠层22的磁阻，该磁阻可以通过在磁性叠层22上施加电压并测量所得到的电流来测量。在生成所测得的电流对未被标记的抗原42的已知浓度的校准曲线之后，校准曲线和所测得的磁性叠层22上的电流可被用于确定样品中的未被标记的抗原的浓度。
图3A-3D是图示了磁性生物传感器可以用来检测样品中的化验物的浓度的另一种技术的概念图。图3A-3D中所图示的技术可以被称为三层技术或者三明治技术。
如图3A-3D中所示，在一些实现方式中，除了这里所描述的差别之外，磁性生物传感器50可以与图2A和2B的磁性生物传感器20类似。例如，磁性叠层22可以与针对图2A和2B或者下面所描述的其它示例所描述的磁性叠层22的配置中的任一配置基本相似或相同。类似地，样品容器24和磁场发生器46可以与参考图2A和2B所描述的那些结构相似或相同。
该三层技术与竞争检测(两层)技术的区别在于包括化验物或抗原52的样品首先被保持在样品容器24中，如图3A中所示。然后，抗原52被给予时间以结合到捕获抗体44，如图3B中所示。一旦抗原52已被给予时间以结合到捕获抗体44，样品就被移除，并且在一些实现方式中，样品容器可以用溶剂擦拭以去除任何样品残余。
如图3C中所示，包含过量的有磁性标签的检测抗体54的溶液被引入样品容器24中。有磁性标签的检测抗体54中的每一个包括MNP40和检测抗体56，所述MNP40可以与图2A和2B的MNP40相似或相同。检测抗体56的关键是与抗原52结合。
如图3D中所示，有磁性标签的检测抗体54结合到抗原52。在允许结合发生的足够时间之后，溶液和过量的有磁性标签的检测抗体54可以被移除并且电压被施加在磁性叠层22上以测量磁性叠层22的电阻。如上所述，磁性叠层的电阻是固定层26的磁矩32与自由层30的磁矩34的相对方向的函数。当磁矩34的方向受MNP40所产生的磁场的影响时，电阻可以基于被结合到抗原52的有磁性标记的检测抗体54的数目被改变。例如，如图3D中所示，有磁性标记的检测抗体52的MNP40所产生的磁场沿图3D的向下的方向影响磁矩34。自由层30的磁矩34的这个变化改变了磁性叠层22的磁阻，该磁阻可以通过在磁性叠层22上施加电压并测量所得到的电流来测量。在生成关于所测得的电流与抗原52的已知浓度的校准曲线之后，校准曲线和所测得的磁性叠层22上的电流可以被用于确定样品中的未被标记的抗原的浓度。
图2A、2B和3A-3D中所示的磁性生物传感器20,50可以被用于检测和量化各种抗原的浓度。例如，磁性生物传感器20,50可以被用于基于针对寡核苷酸的特定相互作用来检测抗原，所述特定相互作用例如DNA-DNA或RNA-RNA相互作用；小分子-生物分子相互作用；适体-生物分子相互作用；蛋白质相互作用等等。按照这种方式，磁性生物传感器20,50允许施加与磁性叠层22的主平面(例如自由层30的主平面)垂直的外部磁场。这样的配置可以便于利用单个系统基本同时或并行测试不同样品容器中的多个样品。
图4是图示了其中外部磁场(用箭头62指示)的定向与样品盘64的主平面基本垂直的示例磁性生物感测系统60的示意图。基本垂直或者平面外的配置可以被利用以允许基本同时或并行测试大量样品。
如图4中所示，每个样品可以被包含在磁性生物传感器66中的相应的一个磁性生物传感器中。在一些示例中，每个磁性生物传感器66可以具有与参考图2A和2B或图3A-3D中所示的磁性生物传感器20或50所描述和示出的配置类似的配置，并且每个磁性生物传感器66的配置可以相同或不同。虽然在图4中未被示出，但是每个磁性生物传感器66中的磁性叠层的自由层(例如图2A、2B和3A-3D的自由层30)的主平面的定向可以与样品盘64的主平面基本平行。因而，外部磁场(用箭头62指示)的定向与生物传感器66中的每个相应的生物传感器的自由层的主平面基本垂直。磁性生物感测系统60的这个配置允许将样品盘64放置得更靠近磁场发生器68(例如与图1中所示的平面内配置相比)。
在图4中所示的示例中，磁场发生器68是电磁铁并且包括用于产生磁场的线圈70。在其它示例中，磁场发生器68可以是另一种磁场发生器，例如永久磁铁。该设计还可以提供在磁场发生器68的表面上基本均匀的很大的(例如大约800Oe)平面外磁场。利用磁性生物感测系统60的这个配置，台式类型的生物医疗检测系统可以被构建，该系统可以基本同时或者在短时间段内(例如5分钟内)测试例如超过数十、数百或者数千个样品。此外，在一些实现方式中，磁性生物感测系统60可以允许例如通过被计算机控制的机器人系统来自动处理和测试样品。
图5A-5D是具有用于多个样品的并行测试的垂直施加的磁场的磁性生物感测系统的示例的图像。图5A示出了一种电磁铁组件(磁场发生器)，该电磁铁组件与台式设置兼容并且可以在电磁铁组件的顶部的相当大部分上提供大于500Oe的基本均匀的磁场。如图5B中所示，电磁铁组件的大小被设计为能够容纳蔓延在24个单独的芯片上的1600个磁性生物传感器。在一些示例中，图5B中所示的磁性生物传感器可以具有与磁性生物传感器20或磁性生物传感器50相同或相似的配置。图5C示出了具有384个独立反应阱(例如样品容器)的被置于磁性生物传感器上的样品保持器。每个反应阱可以保持一个样品。图5D示出了完全组件好的磁性生物感测系统。样品保持器被置于磁性生物传感器的顶部上，所述磁性生物传感器被布置在磁铁组件上。这个配置可以允许大量的样品基本同时被测试。
如上所述，为了便于使用平面外磁场结合磁性生物传感器66，生物传感器66的磁性叠层可以包括具有平面外的磁性各向异性(例如在磁性稳定状态下的平面外磁矩)的自由层、固定层或者两者。针对具有平面外各向异性的叠层材料的两个示例配置针对图6和7被描述。
图6是具有在固定层84中的平面内磁性各向异性和自由层88中的平面外磁性各向异性的磁性生物传感器80的概念图。磁性生物传感器80包括基板82，该基板82可以包括例如玻璃、硅或者另一非磁性材料。固定层84被形成在基板82上，该固定层的材料和厚度可以与图2A、2B和3A-3D的固定层26相似或相同。固定层84具有平面内磁性各向异性，这意味着固定层84的磁矩沿平面内的方向被固定。非磁性层84被形成在固定层82上并且材料和厚度可以与图2A、2B和3A-3D的非磁性层28相似或相同。自由层88被形成在非磁性层86上并且材料和厚度可以与图2A、2B和3A-3D的自由层30相似或相同。自由层88具有平面内磁性各向异性，这意味着自由层88的磁矩具有沿自由层88的平面外的反平行方向的稳定状态。如上所述，在一些示例中，自由层88可以具有与自由层88的主平面基本垂直的磁性稳定状态或者可以具有以任意大于0度的角度向自由层88的主平面以外倾斜的磁性稳定状态。
第一电引线90a和第二电引线90b(集合起来为“电引线90”)被形成在自由层30上面。SiO2绝缘层92被形成在电引线90之间。电引线90被用于在磁性生物传感器80的磁性叠层上施加电压，该电压被用于检测磁性叠层的电阻。如上所述，磁性叠层的电阻取决于固定层84和自由层88的磁矩的相对方向。自由层88的磁矩在所施加的场(例如所施加的磁场Happ)或者磁性标签94所产生的磁场作用下旋转。磁性生物传感器80的操作可以与图2A、2B和3A-3D的磁性传感器20和50相似或相同。
图7是具有在固定层84中的平面外磁性各向异性和自由层88中的平面内磁性各向异性的磁性生物传感器100的概念图。除了在固定层84和自由层88的磁性各向异性方面的差别以外，磁性生物传感器100与图6的磁性生物传感器80基本类似。
图8是用于类似于图7的具有在自由层中的平面内磁性各向异性和固定层中的平面外磁性各向异性的示例磁隧道结(MTJ)结构的叠层材料的示意图。MTJ传感器110可以包括基板和底层112。底层112可以包括设置用于形成钴/钯交替层的晶格的材料。固定层113包括10个钴(Co)114和钯(Pd)116的层对。固定层113还包括被形成在顶部Pd层116上的CoFeB层118。在图8中所示的示例中，固定层113具有沿固定层113的主平面以外的方向(例如垂直于固定层113的平面)固定的磁矩。氧化镁(MgO)第一非磁性层120被形成在固定层113(即CoFeB层118)上。CoFeB自由层122被形成在第一非磁性层120上。CoFeB自由层122在没有外部磁场的情况下具有方向在平面内的磁矩。MgO第二非磁性层124被形成在CoFeB自由层122上。在MgO第二非磁性层124的上面形成有第三CoFeB层126，该层通过钌(Ru)层128被反铁磁性地耦合到CoFe层130。CoFe层130与第三CoFeB层126的反铁磁性耦合可以沿所选择的方向(例如在第三CoFeB层126的平面内)固定第三CoFeB层126的磁矩，如图8中所示。PtMn电极层132被形成在CoFe层130上，并且覆盖层134被形成在PtMn电极层132上。在被形成时，这个结构可以在大约300℃被退火大约1小时。在一些实现方式中，具有60nm直径的圆形MTJ设备可以通过电子束光刻来制成。
图9是在平面外所施加的磁场作用下、针对具有60nm直径的圆形MTJ设备的示例性磁阻与所施加的磁场的曲线的图。该MTJ设备具有与图8中所示的MTJ设备类似的结构配置，在没有外部磁场的情况下，固定磁性层113具有固定在平面外的磁矩并且CoFeB自由层具有定向在平面内的磁矩。在点“A”处，自由层和固定层中的磁矩的定向都在平面外，与所施加的磁场平行，并且MTJ设备的电阻为局部最小值。MTJ设备的磁阻随着由于CoFeB自由层的磁矩从垂直于平面旋转到平面以内而引起的不断减小的负磁场基本线性地增大。在点“B”处，CoFeB自由层的磁矩由于所施加的磁场的移除(所施加的场为零)而完全被旋转到平面内。如点“C”处所示，最初沿正方向增大磁场使得MTJ设备的磁阻持续增大一直到在大约1100Oe(点“D”附近)处磁阻突然降低。在该点处，Co/Pd层的磁矩反转。理想情况下，如果两层中的磁矩完全地彼此垂直，则反转不应当改变阻值。阻值的小幅跳动是因为CoFeB自由层的磁化在这个场的作用下已经略微地在平面以外了。沿正方向进一步将磁场增大到大约4,000Oe使磁化和阻值都饱和。在点“E”处，CoFeB自由层和固定层中磁矩完全平行并且MTJ设备再次达到局部最小磁阻。
从点“A”到点“B”并且沿从点“E”到点“F”的相反方向的阻值-所施加的场的环路的部分在平面外的所施加的场的作用下是线性的并且可以被用于磁性生物传感器。但是，针对该环路的线性部分的所施加的场的范围是相当大的。磁性生物传感器呈现基本呈线性的阻值变化的所施加的场的范围可以通过修改磁性叠层的参数来选择，例如通过利用具有较低的各向异性场的其它平面外的磁性材料(例如CoFeB或Heusler合金(Co2FeAl))来代替固定层中的Co/Pd交替层。
为了利用这里所描述的磁性生物传感器配置实现例如基本同时或者在较短的时段内对多个样品的高吞吐量测试，需要一种能够快速可靠地将来自生物传感器阵列的电信号连接到测试仪器的装置。多探针台是用于实现这种布置的一个技术。
图10A和10B分别是示例探针阵列和探针的示意图和图像。图10A示出了探针的各个部分的示例测量值。该探针可以被用作到环绕磁性生物传感器的导电焊盘的电触点，例如用于磁性生物传感器与用于测量磁性生物传感器的阻值的电系统之间的电通信。图10A中所示的第一测量值以英寸为单位并且第二测量值以毫米为单位。
图10B图示了包括多个探针142的示例探针阵列140。探针可以被用于与在包括多个磁性生物传感器的基板上的相应数目的接触焊盘进行电接触。探针被附接到安装盘144上，该安装盘将探针相对于彼此固定到位。探针142包括用于附接到安装盘144的插座(在图10B中未示出)。在一些实例中，探针142的插座足够小以实现在包括多个磁性生物传感器的基板上的多管脚连接。因为基板上的电极可能具有小到大约0.7mm乘大约0.4mm的尺寸，所以连接需要小直径插座。插座的最大直径是在插座的顶部的压环(图10B中未被示出)。压环的外直径为大约0.022英寸(大约0.5588mm)，这可以在相邻管脚之间留出足够的空间。在一些示例中，每个探针的长度为大约1.170英寸(大约29.72mm)，可以节省用于诊断台式系统的空间。
用于每个探针124的额定弹簧力是在0.107″(2.7mm)行程处为1.6盎司(45g)。弹簧可以额定为在2/3行程(.107英寸)处有1,000,000个循环。完整行程为大约0.160英寸(大约4.06mm)。
图11A和11B分别是用于将探针相对于彼此固定到位的示例三层站台和针对探针中的一个探针的示例尖端样式的示意图。三层站台150可以方便实现所有探针152的径直和平行对齐。三层站台150可以包括探针152利用压环162被固定到其上的安装盘154。三层站台还包括第一引导盘156a和第二引导盘156b。安装盘154和第一引导盘156b被第一组间隔件158a分隔开。第一引导盘156a和第二引导盘156b被第二组间隔件158b分隔开。每个探针152还被电连接到引线160，该引线可以电连接到电压源。在一些实例中，利用三层站台150对探针152的对齐可以方便在每个探针152上施加均匀的力(例如当将探针与包括多个磁性生物传感器的基板的电触点接触时)。
在其中三层站台150可以被使用的很多情况下，例如现场水环境测试，电触点的表面可以小于理想情况。图11B中的矛形由于较为锐利的尖端而可以提供在受污染的电触点上的改进的接触。
图12A和12B分别是包括没有和具有到多个探针的电连接的多个个体磁性生物传感器的示例磁性生物传感器阵列的概念图。用于磁性生物传感器阵列170的一种可能的布局可以是64个传感器被置于传感器区域172中并且66个电极174(可以包括两条总线)被置于一个裸片(芯片或基板)中。在一些示例中，其中额外的电极(例如传感器以外的电极174)可以被用于对磁性生物传感器阵列170通电、控制或接地。在一些实现方式中，磁性生物传感器阵列170的尺寸为大约16mm乘16mm。电极174可以沿磁性生物传感器阵列170的周边被放置。沿周边的每个电极174可以被连接到传感器区域172中的传感器，所述传感器区域可以位于磁性生物传感器阵列170的中心位置的区域中。通过这种接触，电极174可以被通电并且可以传送去往和来自每个传感器的信号。例如，所感测的电平可以从生物采样阱内的传感器被传递到相应的电极174，其中所述信号提供关于例如在位于每个传感阱内的生物传感器上的被生物结合到传感芯片的磁性标签的数目的指示。这个数据随后通过被耦合到控制器的探针被传送回计算设备，以使得用户可以访问该数据。
图12B图示了其中多个探针176被使得与相应的电极174接触的示例的示意图。如图12B中所示，探针布置可以包括按照与磁性生物传感器阵列170上的电极174的布置类似的布置被放置的探针176。因此每个探针176与电极174中的相应的一个电极相接触。探针176与电极174之间的这种接触可以是外部仪器设备与磁性生物传感器阵列170的传感器之间的关口，在传感器阵列处生物采样发生。每个电极174被配置为当例如线性致动器臂降低时(降低与每个电极174接触的探针布置)接收相应的探针176，例如如图10C和10D的图像中所示的。在其中旋转台被使用(例如如图13中所示)的示例中，旋转台旋转以使得每个探针布置降至磁性生物传感器阵列170上面。一旦磁性生物传感器阵列170的电极174接收到探针布置中的相应的探针176，对所述磁性生物传感器阵列170的数据传送和通电可以开始。
图12C和12D分别是探针站台不接触和接触磁性生物传感器阵列的示例探针站台和磁性生物传感器阵列的照片。图12C和12D图示了探针站台与磁性生物传感器阵列之间的连接可以怎样被实现以及探针站台移动和各个探针与各个电极之间的接触的过程。
图13是包括旋转样品保持器和可移动探针组件的示例磁性生物传感器系统180的概念图。具体而言，图13图示了使用旋转台182测试GMR和/或MTJ磁性生物传感器阵列184。如图所示，多个样品可以置于旋转台182上。旋转台182的旋转运动的角度和速度被步进电机186控制。产生与旋转台182的平面垂直的磁场的大线圈188可以被置于旋转台下面。通过在旋转台182与线圈188之间留薄的空气间隙，旋转台182可以更容易旋转并且在磁性生物传感器184的平面处的磁场可以仍然是足够大并且基本垂直的。探针站台190的z轴运动(其中只是为了描述的简单，正交的x-y-z轴在图13中被示出)通过控制器196被另一探针站台步进电机192和线性致动器194精确控制。计算机198可以在控制器196内互动以控制步进电机186和192，所述计算机198可以例如是台式机、膝上型计算机、移动计算设备或者数字信号处理器(DSP)。当新样品在探针站台190下面被旋转时，在步进电机192的力量下，线性致动器194将降低探针站台190以与磁性生物传感器阵列184连接。在完成一个测试之后，控制器196向步进电机192和线性致动器194发送信号以抬起探针站台190并且向步进电机186发送信号来旋转旋转台182以将磁性生物传感器阵列184中的下一个磁性生物传感器阵列放在探针站台190下面并重复测试。计算机198可以执行算法或控制软件来控制磁性生物传感器系统180自动地在一个过程中运行多个测试(例如对多个样品和/或多个磁性生物传感器阵列184)。
磁性生物感测系统180被用户200控制，用户200可以将数据输入到计算机198的用户接口中。计算机198输出信号或命令到控制器196，该控制器输出信号以控制步进电机186,192和/或线性致动器194的运动。由计算机198传送给控制器196的数据可以附带地或者替代地涉及控制采样的具体方面或采样参数。一旦采样被磁性生物感测系统180执行，从位于旋转台182或样品平台上的磁性生物传感器阵列184收集的数据可以例如通过被耦合到探针站台190的探针从磁性生物传感器阵列184发送至控制器196。控制器196随后将数据发送给计算机198，使得数据可被用户200和/或计算机198访问以进行化验。
一个或多个处理器可以被用在计算机198、控制器196和/或旋转台182内以控制数据的传送和磁性生物感测系统180，包括旋转台182。
在一些示例中，包括线圈188的电磁铁可以被永久磁铁代替。在一些实现方式中，代替或除了旋转台182可旋转，永久磁铁或电磁铁可以是可移动的以例如在计算机198、控制器196和/或步进电机186的控制下移动到磁性生物传感器阵列184中相应的磁性生物传感器阵列下面。
图14是示例高吞吐量磁性生物感测系统210的概念图。为了能够同时对大量样品进行测试，基于用于磁性生物传感器阵列测试的探针-站台的概念，高吞吐量系统可以被使用。作为示例，高吞吐量磁性生物传感器系统210可以包括可以是电磁铁或永久磁铁的磁场发生器218。被置于磁场发生器218上的可以是多个磁性生物传感器或者多个磁性生物传感器阵列220。系统210还可以包括探针站台214，多个探针216被附接到所述探针站台。探针站台214被附接到线性致动器212，该线性致动器被配置为垂直移动探针站台214以移动多个探针216与磁性生物传感器阵列220的电触点接触和失去接触。在一些示例中，25个磁性生物传感器阵列220可以被置于磁场发生器218的顶面上。每个磁性生物传感器阵列220可以包括例如66个电触点。因而，1650(25乘66)个探针216可以被附接到探针站台214，并且线性致动器212可以驱动探针站台214向上和向下以实现磁性生物传感器阵列220的电触点与探针216之间的连接和断开连接。因为只有探针站台214移动(而不是磁性生物传感器阵列220移动)，所以磁性生物感测系统210可以更稳定(例如与磁性生物感测系统180相比)并且重复测试是可能的。因而，可以高效率地基本上同时测试例如25个样品，并且通过利用附加的磁性生物传感器阵列220和探针216来应用相同的原理，具有更大容量的更大的系统也可能是可行的。
图15是被配置为夹在磁场发生器之间的磁性生物传感器阵列的示意图。磁性生物传感器阵列230包括样品(或者反应)阱236和被置于样品阱236内(例如在阱236的底面)的四个磁性生物传感器组232a-232d中的每一个中的具有四个磁性生物传感器的阵列。每个磁性生物传感器组232a-232d可以包括四个磁性生物传感器。在一些示例中，每个磁性生物传感器组232a-232d的大小可以在大约1.6mm乘大约1.6mm的尺度上。在一些实例中，磁性生物传感器组232a-232d中的相邻组之间的距离可以是例如从中心到中心测出的大约3.5mm。各个磁性生物传感器(例如在组232a-232d内)可以具有所选择的大小，使得传感器足够小以使得多个传感器可以被使用并且该传感器的输出可以足够用于测试的目的。例如，每个传感器的总面积可以为大约100μm乘大约100μm。
磁性生物传感器阵列230的布置也可以是基本上均匀的。例如，传感器组内(例如组232a内)的传感器之间的间隔可以为例如从中心到中心测出的大约0.5mm。如图15中所示，每个传感器被耦合到相应的一个或多个管脚234，所述管脚提供传感器与磁性生物传感器阵列230外部的控制电路之间的电连接。在一些示例中，每个管脚234为大约3.3mm长并且直径为大约0.5mm，并且管脚被间隔开大约1mm的距离(例如从中心到中心测出的距离)。在一些实现方式中，磁性生物传感器阵列230可以具有大约17.3mm的宽度和大约26mm的长度，但是磁性生物传感器阵列的大小在其它示例中可以是不同的。
图16A-16F是包括被夹在磁性生物传感器阵列上面和下面的磁场发生器的示例多重磁性生物传感器系统的图像。图16A示出了具有附接的反应阱的磁性生物传感器阵列。图16B是具有附接的反应阱的磁性生物传感器阵列的顶视图，并且示出了被连接到各个磁性生物传感器的电迹线以及用于将磁性生物传感器连接到外部控制电路的电管脚。图16C是四个磁性生物传感器的放大图像。较浅的线条是Au电极和连接。图16D图示了磁场发生器被夹在磁性生物传感器阵列的任一侧上情形下的被装配在检测系统中的磁性生物传感器阵列。图16D还图示了夹钳电子连接，其中控制器和传感器芯片被配置为当传感器芯片的电极通过夹紧机制被耦合到探针布置时通过多个探针布置进行通信。图16E是示例磁性生物感测系统和它与信号处理芯片和控制器(例如计算机)的连接的图像。图16F是被电连接到执行控制软件的计算机的磁性生物感测系统的图像，所述控制软件例如LabVIEW(可从德州奥斯丁的National InstrumentsCorp.,得到的系统设计软件)。
图17是示例磁性生物传感器系统的示意图。在该示例中，磁性生物传感器系统250可以直接插入到芯片读取器252中。在一些实现方式中，磁性生物感测系统250可以具有与图15中所示的磁性生物传感器阵列230相似或者基本相同的配置。芯片读取器252可以包括被配置为接收磁性生物传感器系统250的管脚254的导电触点，创建用于磁性生物传感器系统250与芯片读取器252之间的通信的触点，例如用于去往和来自磁性生物传感器系统250的数据传送以及为磁性生物传感器系统250通电。诸如通用串行总线(USB)连接器254之类的连接器可以被用于将芯片读取器252连接到诸如计算机之类的计算设备以传送数据。芯片读取器252还可以利用无线遥测技术与计算设备通信。
在一些示例中，磁性生物传感器系统250可以被配置为允许多个磁性生物传感器系统250连接到彼此。图18是在平台256上被连接的多个磁性生物传感器系统250的示例的示意图。磁性生物传感器系统250的这个布置是关于多个磁性生物传感器系统250可以怎样被布置在平台256上以使得每个芯片的采样可以在一个平台上基本同时发生的示例。这样的布置可以被用在超高吞吐量的系统中，例如针对图14所描述的，其中磁性生物传感器系统250也可以被利用。
图19是包括在固定层264中的平面外磁矩和自由层268中的平面外磁矩的、具有垂直磁性各向异性的示例磁性生物传感器260的概念图。除了在固定层264和自由层268的磁性各向异性方面的差别以外，磁性生物传感器260可以与图6的磁性生物传感器80基本类似。
图20是包括在固定层中的平面外磁矩和自由层中的平面外磁矩的、用于与图19的磁性生物传感器260类似的具有垂直磁性各向异性的磁性生物传感器的示例磁性隧道结叠层的概念图。磁性隧道结叠层280包括被用于实现到磁性隧道结叠层280的电连接的顶部引线300和底部引线282。因而，底部引线282和顶部引线300可以包括导电金属。底部引线282和顶部引线300分别挨着钽(Ta)层284和298，每个钽层具有大约5nm的厚度。形成在底部钽层284上的是包括CoFeB合金(例如Co20Fe60B20)的自由层286。
非磁性层288被形成在自由层286上并且可以包括非磁性材料，例如MgO。在一些示例中，MgO的非磁性层288可以具有大约7Ω-um2的电阻率。固定层290被形成在非磁性层288上。固定层290可以包括磁性材料，例如CoFeB合金。CoFeB合金的一个示例是Co20Fe60B20。固定层290可以具有所选择的厚度，例如大约1.5nm。固定层290通过钌(Ru)层292被反铁磁性地耦合到Co/Pd多层结构295。在一些示例中，Ru层292为大约0.3nm厚。Co/Pd多层结构295可以包括多对Co层294和Pd层296，例如10个层对。在一些示例中，每个Co层294的厚度为大约0.3nm并且每个Pd层296的厚度为大约1.0nm。顶部Ta层298被形成在顶部Pd层298上。这个磁性隧道结叠层280以用于建立固定层290和自由层286中的垂直各向异性的材料来配置。在一些示例中，磁性叠层280可以在叠层280形成期间在大约200℃的温度和大约1x10-6Torr的压强下被退火大约2个小时。磁性隧道结叠层280可以被用在本文所描述的任意磁性生物传感器中。
图21是针对与图20中所示的示例一致的磁性生物传感器、响应于平面外所施加的磁场的示例归一化的隧道磁阻(TMR)与所施加的磁场的曲线的图。在一些被测试以产生图21中的曲线的示例磁性隧道结叠层280中，自由层286具有大约1.2nm的厚度。y轴包含针对归一化的磁阻(MR)的值。x轴显示垂直场(Oe)。图21中所示的示例中的磁性隧道结叠层280的灵敏度为大约0.25％/Oe。
图22是可以被用在具有沿基本垂直于磁性叠层的方向被施加的外部磁场的磁性生物传感器中的另一示例磁性隧道结叠层的概念图。磁性隧道结叠层310包括按Ta/Ru/Ta/Ru/Ta的顺序由交替的钽(Ta)层和钌(Ru)层形成的底部引线312，每层大约5nm厚。磁性隧道结叠层310还包括顶部引线328，该顶部引线可以与底部引线312类似地或者使用不同的材料成分而形成。底部引线312和顶部引线328被用于实现到磁性隧道结叠层310的电连接。
被形成在底部引线312上的是17nm厚的铂锰(PtMn)层314。2.5nm厚的钴铁(CoFe)层316被形成在PtMn层314上。包括钴铁硼(CoFeB)合金的固定层320通过0.85nm厚的钌(Ru)层318被反铁磁性地耦合到CoFe层316和PtMn层314。固定层320可以具有大约3nm的厚度和在固定层320的平面中的磁性各向异性。因而，固定层320的磁矩330可以基本上固定在沿平面内的定向。
MgO非磁性层322被形成在固定层320上，并且为大约1.7nm厚。形成在MgO非磁性层322上的是包括CoFeB合金的自由层324。自由层324具有大约1.1nm的厚度。自由层324具有磁矩332，该磁矩332在基本垂直于自由层324的主平面的反平行方向上具有磁性稳定状态。磁性叠层326还包括形成在自由层324与顶部引线328之间的顶部钽(Ta)层。磁性叠层310可以被用在这里所描述的任意磁性生物传感器中。
图23是针对与图22中所示的示例一致的磁性隧道结叠层、响应于平面外所施加的磁场的示例磁阻与所施加的磁场的曲线的图。图24是图示了被用于生成图23中所示的磁阻与所施加的磁场的曲线的磁性隧道结叠层和磁场源的示例配置的概念图。如图24中所示，电磁铁342被配置为产生基本垂直于台344和磁性叠层346的主平面的磁场350。磁性叠层346具有由磁性叠层346的形状各向异性限定的易磁化轴348。对磁性叠层346施加变化的磁场350的结果被显示在图23中，并且图示具有大约0.8％的归一化磁阻的该曲线的较大的基本呈线性的部分。
图25是针对与图22中所示的示例一致的磁性隧道结叠层、响应于平面外所施加的磁场的示例磁阻与所施加的磁场的曲线的图。图26是图示了被用于生成图25中所示的磁阻与所施加的磁场的曲线的磁性隧道结叠层和磁场源的示例配置的概念图。如图26中所示，电磁铁352被配置为产生基本垂直于台354和磁性叠层356的主平面的磁场360。磁性叠层356具有由磁性叠层356的形状各向异性限定的易磁化轴358。对磁性叠层356施加变化的磁场360的结果被显示在图25中，并且图示具有大约0.4％的归一化磁阻的该曲线的较大的基本呈线性的部分。
图27是可以被用在具有沿基本垂直于磁性叠层的方向被施加的外部磁场的这里所描述的任意磁性生物传感器中的另一示例磁性隧道结叠层370的概念图。除了这里所指出的差别以外，磁性隧道结叠层370与针对图22所描述的磁性隧道结叠层310总体上类似。
自由层372被形成在MgO非磁性层322上。自由层372包括CoFeB合金并且具有大约1.7nm的厚度。自由层372具有磁矩374，该磁矩374在基本平行于自由层372的主平面的反平行方向上具有磁性稳定状态。磁性叠层370可以被用在这里所描述的任意磁性生物传感器中。
图28是针对与图27中所示的示例一致的磁性隧道结叠层、响应于平面外所施加的磁场的示例磁阻与所施加的磁场的曲线的图。图29是图示了被用于生成图28中所示的磁阻与所施加的磁场的曲线的磁性隧道结叠层和磁场源的示例配置的概念图。如图29中所示，电磁铁382被配置为产生基本垂直于台384和磁性叠层386的主平面的磁场390。磁性叠层386具有由磁性叠层386的形状各向异性限定的易磁化轴388。对磁性叠层386施加变化的磁场390的结果被显示在图28中，并且图示具有大约11.6％的归一化磁阻的该曲线的较大的基本呈线性的部分。
图30是针对与图27中所示的示例一致的磁性隧道结叠层、响应于平面外所施加的磁场的示例磁阻与所施加的磁场的曲线的图。图31是图示了被用于生成图30中所示的磁阻与所施加的磁场的曲线的磁性隧道结叠层和磁场源的示例配置的概念图。如图31中所示，电磁铁392被配置为产生基本垂直于台394和磁性叠层396的主平面的磁场400。磁性叠层396具有由磁性叠层396的形状各向异性限定的易磁化轴398。对磁性叠层396施加变化的磁场400的结果被显示在图30中，并且图示具有大约25％的归一化磁阻的该曲线的基本呈线性的部分。
图32是针对与图27中所示的示例一致的磁性隧道结叠层、响应于平面内所施加的磁场的示例磁阻与所施加的磁场的曲线的图。图33是图示了被用于生成图32中所示的磁阻与所施加的磁场的曲线的磁性隧道结叠层和磁场源的示例配置的概念图。如图33中所示，第一电磁铁402和第二电磁铁404被配置为产生基本垂直于台406和磁性叠层408的主平面的磁场412。磁性叠层408具有由磁性叠层408的形状各向异性限定的易磁化轴140。对磁性叠层408施加变化的磁场412的结果被显示在图32中，并且图示具有大约33％的归一化磁阻的该曲线的基本呈线性的部分。
如上所述，磁性生物传感器可以包括反应容器，例如反应阱。不同尺寸的反应容器可以被适配用于不同用途。例如，小型反应容器(例如40μL的反应容器)可以很好地适配用于药物发现等。但是，这个尺寸的反应容器可能不能很好地适用于其它用途，例如血液测试。在一些示例中，更大的反应容器可以更好地适合于像血液测试这样的测试。图34是图示了不同尺寸的反应容器之间的差别的概念图。
在图34的示例中，反应容器为反应阱。反应阱422是较大的反应容器并且能够容纳例如大约4mL的流体。反应阱422被附接到磁性生物传感器或磁性生物传感器阵列424。如上所述，在一些实现方式中，磁性生物传感器阵列424可以包括多个生物传感器，并且每个生物传感器可以被配置为检测类似的化验物或不同的化验物。
反应阱426是较小的反应容器并且能够容纳例如大约40μL的流体。反应阱426被附接到磁性生物传感器或磁性生物传感器阵列428。与磁性生物传感器阵列424类似，在一些实现方式中，磁性生物传感器阵列428可以包括多个生物传感器，并且每个生物传感器可以被配置为检测类似的化验物或不同的化验物。
反应阱422和426中的每个反应阱在相应的反应阱422或426所包封的体积内包括被结合到传感器424的表面上的多个捕获抗体430。此外，反应阱422和426中的每个反应阱包含包括多个抗原432的样品。因为在反应阱422中的样品的体积比反应阱426中的样品的体积大大约100倍，所以当每个样品中的抗原432的浓度相同时，反应阱422所包含的抗原432是反应阱426所包含的抗原432的大约100倍。
箭头434和436图示了反应阱422内的样品中的布朗运动的相对强度。因为靠近捕获抗体430的抗原432有机会结合到捕获抗体430，所以(抗原432的)较低浓度的区域将刚好形成在捕获抗体430上方(与样品中的抗原432的体浓度相比)。这将导致布朗运动(即扩散)倾向于捕获抗体430，如箭头434和436所示。这往往会继续驱动抗原432向捕获抗体430移动，可以提高抗原432结合到捕获抗体430的机会。
然而，在反应阱426中，有较少量的抗原432。因而，当抗原432在反应阱426内结合到捕获抗体430时，较小的耗尽区被形成在捕获抗体430上方，并且比反应阱422中更快达到浓度平衡。这可能降低抗原432结合到捕获抗体430的机会。基于这个观察，当测试具有低预期浓度的抗原432的样品时，可优选使用较大的反应阱422。
图35是包括多个个体磁性生物传感器的示例磁性生物传感器阵列的概念图。用于磁性生物传感器阵列440的一种可能的布局可以包括被置于传感器区域442中的320个传感器以及被置于一个裸片(芯片或基板)中的相似数目的电极444(并且可选地包括附加的总线)。在一些示例中，附加的电极(例如所述数量的传感器以外的电极444)可以被用于对磁性生物传感器阵列440通电、控制或接地。在一些实现方式中，磁性生物传感器阵列440的尺寸为大约80mm乘大约80mm。这样的磁性生物传感器阵列440可以与具有大约4mL的体积的样品阱(例如具有大约25mm的半径和大约2mm的高度的阱)(在图35中未被示出)一起使用。
在一些示例中，除了并行地自动测试多个样品以外，系统可以包括自动的样品分发机制。图36是包括用于将样品分发到多个样品容器中的多个分发器的示例磁性生物感测系统的概念图。在一些实现方式中，除了这里所描述的差别以外，图35的磁性生物感测系统450可以类似于图4中所示的磁性生物感测系统210。
磁性生物感测系统450包括可以是永久磁铁或电磁铁的磁场发生器452。被置于磁场发生器452的顶面上的是保持多个磁性生物传感器阵列456的样品盘454。每个磁性生物传感器阵列456包括反应阱(在图35中未被标出)和多个磁性生物传感器(在图35中未被标出)。
磁性生物感测系统450还包括可移动台460。多个样品分发器458和多个探针468被附接到台460。台460被可移动地附接到轨道466。可以是步进电机的第一电机462被配置为沿轨道466垂直地移动台460以使台460去往和离开样品盘454。
第二电机464被配置为可控制地延伸和收回多个样品分发器458中的相应的样品分发器。在延伸的状态中，样品分发器458可以被放置以将样品或试剂溶液分发到相应的一个样品阱中。在被收回的状态中，样品分发器458可以让开以允许探针468接触到磁性生物传感器456上的电触点，例如针对图12A-12D所描述的。在一些示例中，多个样品分发器458可以被放置，使得当样品分发器458被放置时将样品分发到样品阱中。换言之，多个样品分发器458可以被放置在单个样品阱上面。按照这种方式，样品分发器458可以允许可控制地将多个样品中的一个或多个样品分发到每个反应阱中。在一些实现方式中，四个样品分发器458可以被放置在每个样品阱上面，允许可控制地将四个不同的溶液中的一个或多个溶液分发到每个反应阱中。
在一些示例中，磁性生物感测系统450可以被耦合到控制器或计算机(例如类似于图13的磁性生物感测系统)。控制器或计算机可以控制从样品分发器458中对所选择样品的分发以及利用磁性生物传感器456对样品的测试。按照这种方式，磁性生物感测系统450可以便于测试过程的进一步自动化，包括样品的分发。
这里所描述的磁性生物传感器可以在一些实现方式中被用于蛋白质复用。例如，与保持较大量样品(例如4mL)的样品容器相关联的磁性生物传感器阵列可以被用于蛋白质复用。图37是可被用于蛋白质复用的示例磁性生物传感器阵列的概念图。在一些示例中，磁性生物传感器阵列可以包括320个个体磁性生物传感器。如图37中所示，在一些实现方式中，两个相邻列的磁性生物传感器可以被印刷有被配置为检测特定蛋白质的一种捕获抗体。不同的捕获抗体可以被印刷在不同的列对中。每个捕获抗体可以被配置为捕获不同的蛋白质。在一些示例中，每一列的最后一行被保留以用于拦阻控制传感器。
在一些实现方式中，染色可以被用于检测与单一样品中的不同抗原的特定结合。图38是示出了被结合的经磁标记的抗原对交变电流信号的影响的归一化的幅度与相位的示例图。相位可以利用以下技术直接测量出。首先，DC电流被施加于磁性生物传感器的磁性叠层。磁性生物传感器(或者，更具体地，磁性叠层)被暴露于交变电流(AC)场中。图38中所示的AC信号来自于传感器的响应。在经磁标记的抗原粒子被结合到磁性生物传感器的表面上的捕获分子上之后，磁性纳米粒子(MNP)不能像MNP未被结合时那样很容易地旋转了，但是MNP的电子旋转仍然随着变化的AC场而旋转。通过提高AC场的频率(例如在大约100千赫兹(kHz)以上)，MNP的尼尔松弛将跟不上变化的AC场。这导致在磁性生物传感器的响应中的相位延迟(在图38中被示出)。在472之前和474MNP结合之后的相位响应显示结合MNP导致相位延迟。在MNP结合到生物传感器之前的相位响应可以用数学方式被表述为Hocos(ωt)，其中Ho是所施加的(外部)磁场并且ω是角频率(2πf，其中f是AC场的频率)。在MNP结合到生物传感器之后的相位响应可以用数学方式被表述为其中Heff是被MNP施加于生物传感器的有效磁场，并且是相位延迟。不同的MNP将产生不同的相位延迟。因而，通过利用特定MNP标记特定抗体(在三层检测方案中)，磁性生物传感器可以标识出样品中的特定抗原。
图39是图示了被配置为检测雌二醇的磁性生物传感器的示例配置的概念图。雌二醇是与乳腺癌细胞中的雌激素受体结合的主要活性激素。即使是在很低的浓度下，例如在大约1皮摩尔(pM)与大约1纳摩尔(nM)之间，雌二醇也可以刺激肿瘤的生长。在药物治疗之后测试雌二醇对于防止肿瘤的进一步生长可能是很重要的。
如图39中所示，样品阱的底面被涂覆有单克隆抗兔IgG。然后，样品阱利用标准的或者作为样品的示踪剂、抗血清来培养。培养之后，样品阱被清洗以移除所有未被结合的试剂。然后，样品阱利用Ellman试剂(5,5’-二硫代-(2-硝基苯甲酸)或DTNB)被显影，可以对与单克隆抗兔IgG结合的巯基组的浓度数进行量化。替代地，如果雌二醇示踪剂被碘-125链接的雌二醇所代替，则这个方法可以被用于放射免疫化验。
图40是包括多个微流体通道482的示例基板480的概念图。微流体通道482可以是可以与这里所描述的任意磁性生物传感器一起被使用的一种样品容器。虽然在图40中未被所示出，但是多个磁性生物传感器可以被置于每个微流体通道482下面。每个微流体通道482的底面可以包括在多个磁性生物传感器中的每个磁性生物传感器上面的被附着到所述底面的多个捕获抗体。在一些示例中，在多个磁性生物传感器中的每个磁性生物传感器上面的多个捕获抗体在一个微流体通道482内是相同的。在其它示例中，不同的捕获抗体可以被附着在不同的磁性生物传感器上面。类似地，在一些示例中，不同的捕获抗体被附着在微流体通道482中的不同微流体通道中。在其它示例中，相同的捕获抗体被附着在每个微流体通道482中。
微流体通道482可以被用作用于各种情形中的磁性生物感测系统的样品容器，所述各种情形包括基础医学、疾病控制和诊断、药物发现和环境监控。此外，微流体通道482可以被用于测试在一定体积范围内的样品。在一些实例中，微流体通道482的尺寸可以被选择为包含所选择的体积。基板80可以被用于测试的总体积可以通过例如在基板480中形成更多个微流体通道482、增大微流体通道482的大小或者提高样品经过微流体通道的流速而被增大。然而，在一些示例中，增大利用微流体通道482在合理的时间段内所测试的样品的体积的这些选择中的一个或多个选择可能不是可行的。在这些示例中的一些示例中，反应阱或样品阱可以作为替代而被使用，例如图34中所示的反应阱422。
图41是图示了另一示例磁性生物传感器的概念图。磁性生物传感器490包括第一铁磁层492和第二铁磁层494。第一铁磁层492可以拥有在所施加的磁场作用下可以旋转的磁矩510(即，第一铁磁层492为自由层)。在一些示例中，如图41中所示，磁矩510可以具有定向与第一铁磁层492的主平面平行的磁性稳定状态510a(在没有所施加的磁场的情况下)。在其它示例中，磁矩510可以具有定向在第一铁磁层492的主平面以外(例如基本垂直于第一铁磁层492的主平面)的磁性稳定状态510a(在没有所施加的磁场的情况下)。
第二铁磁层494可以拥有磁矩518，在磁性生物传感器490被设计为在使用期间暴露于其中的磁场作用下，磁矩518的定向基本固定(即，第二铁磁层494为固定层)。第二铁磁层494被反铁磁性地耦合到固定磁矩518的定向的反铁磁性层496。如图41中所示，在一些示例中，磁矩518的定向可以在第二铁磁层494的主平面以外，例如基本垂直于第二铁磁层494的主平面。在其它示例中，磁矩518的定向可以平行于第二铁磁层494的主平面。
第一铁磁层492和第二铁磁层494中的每一个可以由以上所描述的铁磁材料形成。
非磁性层500连接第一铁磁层492和第二铁磁层494。第一铁磁层492被形成为与非磁性层500的第一端相邻并且第二铁磁层494被形成为与非磁性层500的第二端相邻。在一些示例中，非磁性层500可以例如由半导体构成，例如石墨、硫化钼(MoS2)或者另一半导体材料。在其它示例中，非磁性层500可以由诸如铜(Cu)、银(Ag)等之类的另一非磁性材料构成。
虽然在图41中未被示出，但是多个捕获抗体可以被附着到第一铁磁层或者形成在第一铁磁层上面的层的表面，例如样品容器的底面(图41中未被示出))上。所述多个捕获抗体可以被配置为捕获或结合到所选择的抗原。如上所述，样品可以包括所选择的抗原，并且试剂可以包括经磁标记的抗原。一种经磁标记的抗原506在图41中示出。经磁标记的抗原506可以包括磁标记，例如被结合到所选择的抗原的MNP或磁性微球。
在使用时，磁性生物传感器490被暴露于所施加的垂直磁场519(例如定向与第一磁性层492的主平面基本垂直的磁场)中。样品和试剂可以被置于样品容器(图41中未示出)中并且所选择的抗原(经磁标记的或者未被标记的)可以被允许结合到捕获抗体。取决于样品中所选择的抗原的浓度，多个经磁标记的抗原506可以被相应数目的捕获抗体捕获。一旦结合完成，样品和试剂可以从样品容器中被移除并且该容器被清洗以去除任何多余的未被标记的抗原以及经磁标记的抗原506。以上技术是两层技术，类似于参考图2A和2B所描述的技术。在其它示例中，磁性生物传感器490可以被用在类似于针对图3A-3D所描述的技术的三层技术中。
如图41中所示，第一铁磁层492可以被连接到电流源502。在未被标记的抗原和经磁标记的抗原506已被允许结合到捕获抗体之后，电流可以由电流源502施加于第一铁磁层492。被捕获的经磁标记的抗原506产生磁场508，该磁场可以影响第一铁磁层492的磁矩510的定向。当电流被施加于第一铁磁层492时，电荷电子(用线512表示)和具有某种自旋状态(例如向上或向下，看哪个方向与第一铁磁层492的磁定向更类似)的散射电子(用线514表示)在包括第一铁磁层492的闭环电路中移动。但是，具有相反自旋的散射电子(用线516表示)将扩散经过石墨层500到达磁性生物传感器490的另一侧(例如到达与第二铁磁层494相邻的石墨层的部分)。磁矩518和与第二铁磁层494相邻的散射电子的自旋相对定向影响被连接到电压源504的闭环电路的阻值。通过测量该阻值，样品中的抗原的浓度可以被确定，例如利用针对图2A,2B和3A-3D所描述的校准曲线。图41中所示的生物传感器配置可以利用电流与平面垂直(CPP)的GMR和MTJ传感器类型两者并且可以与这里所描述的任意样品容器和/或磁性生物感测系统一起被使用。
在一些示例中，生物磁性传感器490可以被集成到包括被并联连接的多个传感器490的更大的传感器中。图42是被并联连接在单一磁性生物传感器520中的多个传感器490的概念图。在图42的示例中，单个检测叠层542被使用，多个传感器叠层522a-522d(总地称为“传感器叠层522”)被连接到单个检测叠层542。每个传感器叠层522包括自由磁性层526a-526d(总地称为“自由磁性层526”)中的相应的一个自由磁性层。每个自由磁性层526被连接到底部电极528a-528d(总地称为“底部电极528”)中的相应的一个底部电极。每个底部电极528被连接到电流源(图42中未被示出)。每个自由磁性层526还被形成为与非磁性层524的端部相邻(例如被连接到或者接近所述端部)。
非磁性层524还被连接到检测器叠层542。在图42的示例中，非磁性层524的另一端与固定磁性层534相邻(例如被连接到或者接近固定磁性层534)，固定磁性层534与反铁磁层536相邻并且被反铁磁性地耦合到反铁磁层536。反铁磁层536被附接到检测器电极538，检测器电极538被电连接到电压源540。非磁性层524还在接近检测器叠层542的位置处被电连接到电压源540。
此外，多个捕获抗体530在每个传感器叠层522上。捕获抗体530可以被附着于非磁性层524的上表面，如图42中所示，或者被附着于被置于生物传感器520上面的样品容器的底面。
与图41中所示的生物传感器490类似，当经磁标记的抗原532已被允许结合到捕获抗体时，磁性标记所产生的磁场可以影响每个自由磁性层526的磁矩的定向。当电流例如利用底部电极528中的相应的底部电极被施加于每个自由磁性层526时，电荷电子和具有某种自旋状态(例如向上或向下，看哪个方向与自由磁性层526的磁定向更类似)的散射电子在包括自由磁性层526和底部电极528的闭环电路中移动。但是，具有相反自旋的散射电子将扩散经过非磁性层524到达与检测器叠层542相邻的磁性生物传感器520的另一侧。固定磁性层534的磁矩和与固定磁性层534相邻的散射电子的自旋的相对定向影响被连接到电压源540的检测器叠层542的阻值。通过测量该阻值，样品中的抗原的浓度可以被确定，例如利用针对图2A,2B和3A-3D所描述的校准曲线。因为多个传感器叠层522被并联连接到单个检测器叠层542，所以磁性生物传感器520可能对于具有低浓度抗原的样品尤其有用，因为在每个传感器叠层522处的散射效果在检测器叠层542处被相加。图42中所示的生物传感器配置可以利用电流与平面垂直(CPP)的GMR和MTJ传感器类型两者并且可以与这里所描述的任意样品容器和/或磁性生物感测系统一起被使用。
多种磁性生物传感器、磁性生物传感器阵列和磁性生物感测系统的替代配置已在这里被描述。虽然不是所有可能的配置都被明确地描述为可以一起使用，但是普通技术人员将理解各种传感器、阵列和系统可以按多种不同的方式被组合。此外，虽然该描述主要针对于样品阱，但是，如上所述，代替或者除了样品阱以外，磁性生物传感器、磁性生物传感器阵列和磁性生物感测系统可以与微流体通道一起被使用。
各种示例已被描述。例如，示例磁性生物传感器、生物传感器阵列和感测系统已被描述。这些示例中的任意示例可以结合其它示例被使用。这些及其它示例在所附权利要求的范围内。

Claims (41)

1.一种磁性生物传感器，包括：
包括自由层和固定层的磁性传感器，其中在没有外部磁场的情况下，所述自由层或所述固定层中的至少一个具有相应地定向在所述自由层或者所述固定层的主平面以外的磁矩；
被置于磁性叠层上的样品容器；
被附着到所述磁性叠层上方的所述样品容器的底面的多个捕获抗体；以及
磁场发生器，被配置为产生与所述自由层或固定层的所述主平面基本垂直的磁场。
2.根据权利要求1所述的磁性生物传感器，还包括被置于所述样品容器中的多个磁标记的抗原，其中所述多个捕获抗体中的至少一个捕获抗体被配置为捕获所述多个磁标记的抗原中的至少一个，其中所述多个磁标记的抗原中的每一个抗原包括与磁性纳米粒子(MNP)结合的抗原，并且其中所述MNP限定小于大约100纳米的直径。
3.根据权利要求1所述的磁性生物传感器，还包括被置于所述样品容器中的多个磁标记的抗原，其中所述多个捕获抗体中的至少一个捕获抗体被配置为捕获所述多个磁标记的抗原中的至少一个，其中所述多个磁标记的抗原中的每一个抗原包括与磁性微珠结合的抗原，并且其中所述磁性微珠限定在大约1微米与大约2微米之间的直径。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的磁性生物传感器，其中在没有所述外部磁场的情况下所述固定层的磁矩定向在所述固定层的主平面以外，并且在没有所述外部磁场的情况下所述自由层的磁矩定向为与所述自由层的主平面平行。
5.根据权利要求4所述的磁性生物传感器，其中在没有所述外部磁场的情况下所述固定层的磁矩定向为基本与所述固定层的主平面垂直。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的磁性生物传感器，其中在没有所述外部磁场的情况下所述自由层的磁矩定向在所述自由层的主平面以外，并且在没有所述外部磁场的情况下所述固定层的磁矩定向为与所述固定层的主平面平行。
7.根据权利要求6所述的磁性生物传感器，其中在没有所述外部磁场的情况下所述自由层的磁矩定向为基本与所述自由层的主平面垂直。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的磁性生物传感器，其中在没有所述外部磁场的情况下所述自由层的磁矩定向在所述自由层的主平面以外，并且在没有所述外部磁场的情况下所述固定层的磁矩定向在所述固定层的主平面以外。
9.根据权利要求8所述的磁性生物传感器，其中在没有所述外部磁场的情况下所述固定层的磁矩定向为基本与所述固定层的主平面垂直，并且其中在没有所述外部磁场的情况下所述自由层的磁矩定向为基本与所述自由层的主平面垂直。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的磁性生物传感器，其中所述磁性传感器还包括非磁性层，其中所述非磁性层形成在所述固定层上，并且其中所述自由层形成在所述非磁性层上。
11.根据权利要求1-9中任一项所述的磁性生物传感器，其中所述磁性传感器还包括非磁性层，其中所述非磁性层形成在所述自由层上，并且其中所述固定层形成在所述非磁性层上。
12.根据权利要求1-9中任一项所述的磁性生物传感器，其中所述磁性传感器还包括：
包括第一端和第二端的非磁性层，其中所述自由层形成为与所述第一端相邻并且所述固定层形成为与所述第二端相邻，
被电耦合到所述自由层和所述非磁性层的第一端的电流源；以及
被电耦合到所述固定层和所述非磁性层的第二端的电压源，其中所述电压源被配置为测量所述固定层和所述非磁性层的第二端的磁阻。
13.根据权利要求12所述的磁性生物传感器，其中所述自由磁性层包括多个自由磁性层，其中所述非磁性层包括多个第一端，并且其中所述多个自由磁性层中的相应的自由磁性层形成为与所述多个第一端中的相应的第一端相邻，并且其中所述自由磁性层中的每个自由磁性层被电耦合到所述电流源。
14.一种磁性生物传感器阵列，包括：
沿所述磁性生物传感器阵列的至少一个周边放置的多个电触点；
样品容器；
多个磁性生物传感器，每个磁性生物传感器放置为与所述样品容器的表面相邻并且包括磁性传感器，所述磁性传感器包括自由层和固定层，其中在没有外部磁场的情况下，所述自由层或所述固定层中的至少一个具有相应地定向在所述自由层或者所述固定层的主平面以外的磁矩；以及
被附着到所述样品容器的表面的多个捕获抗体。
15.根据权利要求14所述的磁性生物传感器阵列，其中所述多个磁性生物传感器中的每个磁性生物传感器包括磁性隧道结传感器、巨磁阻传感器或者霍尔传感器中的至少一个。
16.根据权利要求14或15中任一项所述的磁性生物传感器阵列，其中所述多个电触点中的相应的一个或多个电触点被电耦合到所述多个磁性生物传感器中的相应的一个或多个磁性生物传感器，并且其中所述多个电触点中的相应的电触点被配置为接触多个探针中的相应的探针以将感测到的测试数据传送给计算设备。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的磁性生物传感器阵列，其中所述样品容器包括样品阱或微流体通道中的至少一个。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的磁性生物传感器阵列，其中所述多个捕获抗体包括多个第一捕获抗体和多个第二捕获抗体，其中所述多个第一捕获抗体被附着到在所述多个磁性生物传感器中的第一磁性生物传感器上方的所述样品容器的底面，并且其中所述多个第二捕获抗体被附着到在所述多个磁性生物传感器中的第二磁性生物传感器上方的所述样品容器的底面。
19.根据权利要求14-18中任一项所述的磁性生物传感器阵列，其中所述样品容器限定大约40微升的体积。
20.根据权利要求14-18中任一项所述的磁性生物传感器阵列，其中所述样品容器限定大约4毫升的体积。
21.根据权利要求14-20中任一项所述的磁性生物传感器阵列，其中在没有所述外部磁场的情况下所述固定层的磁矩定向在所述固定层的主平面以外，并且在没有所述外部磁场的情况下所述自由层的磁矩定向为与所述自由层的主平面平行。
22.根据权利要求21所述的磁性生物传感器阵列，其中在没有所述外部磁场的情况下所述固定层的磁矩定向为基本与所述固定层的主平面垂直。
23.根据权利要求14-20中任一项所述的磁性生物传感器阵列，其中在没有所述外部磁场的情况下所述自由层的磁矩定向在所述自由层的主平面以外，并且在没有所述外部磁场的情况下所述固定层的磁矩定向为与所述固定层的主平面平行。
24.根据权利要求23所述的磁性生物传感器阵列，其中在没有所述外部磁场的情况下所述自由层的磁矩定向为基本与所述自由层的主平面垂直。
25.根据权利要求14-20中任一项所述的磁性生物传感器阵列，其中在没有所述外部磁场的情况下所述自由层的磁矩定向在所述自由层的主平面以外，并且在没有所述外部磁场的情况下所述固定层的磁矩定向在所述固定层的主平面以外。
26.根据权利要求25所述的磁性生物传感器阵列，其中在没有所述外部磁场的情况下所述固定层的磁矩定向为基本与所述固定层的主平面垂直，并且其中在没有所述外部磁场的情况下所述自由层的磁矩定向为基本与所述自由层的主平面垂直。
27.根据权利要求14-26中任一项所述的磁性生物传感器阵列，其中所述多个磁性生物传感器中的至少一个磁性生物传感器中的磁性传感器还包括非磁性层，其中所述非磁性层被形成在所述固定层上，并且其中所述自由层被形成在所述非磁性层上。
28.根据权利要求14-26中任一项所述的磁性生物传感器阵列，其中所述多个磁性生物传感器中的至少一个磁性生物传感器中的磁性传感器还包括非磁性层，其中所述非磁性层被形成在所述自由层上，并且其中所述固定层被形成在所述非磁性层上。
29.根据权利要求14-26中任一项所述的磁性生物传感器阵列，其中所述多个磁性生物传感器中的至少一个磁性生物传感器中的磁性传感器还包括：
包括第一端和第二端的非磁性层，其中所述自由层形成为与所述第一端相邻并且所述固定层形成为与所述第二端相邻，
被电耦合到所述自由层和所述非磁性层的第一端的电流源；以及
被电耦合到所述固定层和所述非磁性层的第二端的电压源，其中所述电压源被配置为测量所述固定层和所述非磁性层的第二端的磁阻。
30.根据权利要求29所述的磁性生物传感器阵列，其中所述自由磁性层包括多个自由磁性层，其中所述非磁性层包括多个第一端，并且其中所述多个自由磁性层中的相应的自由磁性层形成为与所述多个第一端中的相应的第一端相邻，并且其中所述自由磁性层中的每个自由磁性层被电耦合到所述电流源。
31.一种磁性生物感测系统，包括：
包括多个探针的探针阵列；
根据权利要求14至30中任一项所述的磁性生物传感器，其中所述多个电触点沿传感器芯片的至少一个边放置并且被配置为接收所述多个探针中的相应的探针；
电机，配置为移动所述探针阵列去往和远离所述磁性生物传感器阵列以将所述多个探针和所述多个电触点接合和分离；以及
磁场发生器，位于所述磁性生物传感器阵列下面以沿与所述磁性生物传感器阵列的主平面垂直的方向施加电磁场。
32.根据权利要求31所述的磁性感测系统，其中根据权利要求14至30中任一项所述的磁性生物传感器阵列包括多个根据权利要求14至30中任一项所述的磁性生物传感器阵列。
33.根据权利要求31或32所述的磁性生物感测系统，还包括旋转台，其中所述多个磁性生物传感器阵列被置于所述旋转台上，并且其中所述旋转台被配置为旋转所述多个磁性生物传感器阵列中的在所述探针阵列下面的相应的一个磁性生物传感器阵列。
34.根据权利要求33所述的磁性生物感测系统，还包括控制所述旋转台的旋转的步进电机。
35.根据权利要求31-34中任一项所述的磁性生物感测系统，还包括线性致动器或电机中的至少一个，其中所述线性致动器或所述电机中的所述至少一个移动所述探针阵列。
36.根据权利要求31-35中任一项所述的磁性生物感测系统，其中所述探针阵列还包括被配置为将溶液分发到所述样品容器中的多个样品分发器。
37.一种用于形成磁性生物传感器的方法，所述方法包括：
形成包括自由层和固定层的磁性传感器，其中在没有外部磁场的情况下，所述自由层或所述固定层中的至少一个具有相应地定向在所述自由层或者所述固定层的主平面以外的磁矩；
在所述磁性叠层上放置样品容器；并且
将多个捕获抗体附着到所述磁性叠层上方的所述样品容器的底面。
38.根据权利要求37所述的方法，还包括：
放置磁场发生器，所述磁场发生器被配置为产生与所述磁性叠层相邻的所述自由层或固定层的主平面基本垂直的所施加的磁场。
39.根据权利要求37或38所述的方法，其中所述磁性传感器包括巨磁阻(GMR)磁性传感器、磁隧道结(MTJ)磁性传感器、巨磁阻抗(GMI)磁性传感器或霍尔磁性传感器之一。
40.根据权利要求37-39中任一项所述的方法，其中形成包括所述自由层和所述固定层的所述磁性传感器包括形成磁性传感器包括：
形成包括第一端和第二端的非磁性层；
形成与所述第一端相邻的所述自由层；
形成与所述第二端相邻的所述固定层；
将电流源耦合到所述自由层和所述非磁性层的第一端；以及
将电压源耦合到所述固定层和所述非磁性层的第二端，其中所述电压源被配置为测量所述固定层和所述非磁性层的第二端的磁阻。
41.根据权利要求40所述的方法，其中所述自由磁性层包括多个自由磁性层，其中所述非磁性层包括多个第一端，并且其中所述多个自由磁性层中的相应的自由磁性层形成为与所述多个第一端中的相应的第一端相邻，并且其中所述自由磁性层中的每个自由磁性层被电耦合到所述电流源。
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