CN110274951A - 一种磁标签及其检测系统、检测方法、制备方法 - Google Patents

一种磁标签及其检测系统、检测方法、制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请实施例公开了一种磁标签及其检测系统、检测方法、制备方法，用于巨磁阻生物传感器，所述磁标签为Fe3O4纳米棒，所述Fe3O4纳米棒的长度为50nm～4μm。本申请实施例提供的磁标签为棒状结构，由于棒状纳米颗粒具有形貌和磁各向异性，退磁因子小，轴向磁化强度高，产生的弥散磁场较球形的大，进而引起更大的磁电阻变化，从而获得更低的检出限。因此，将其应用于生物检测中可以提高检测精度，更加易于单个颗粒和生物样本的检出，尤其适用于超低浓度检测。

Description

一种磁标签及其检测系统、检测方法、制备方法
技术领域
本申请涉及生物检测技术领域，特别是涉及一种磁标签及其检测系统、检测方法、制备方法。
背景技术
巨磁阻效应(Giant Magneto-Resistive，GMR)是指材料的电阻率随着材料磁化状态的变化而呈现显著改变的现象。基于GMR的磁免疫生物传感器，具有灵敏高、生物特异性好、需要生物样本少、适宜于自动化分析、探测范围宽和制备成本低等优点，在科学研究和免疫诊断应用等方面得到了广泛的应用。
在GMR生物传感器中磁性颗粒往往被用作磁标签来标记生物待测物，GMR生物传感器通过感应附着在生物待测物上的磁性颗粒来测试待测物的浓度，因此磁性颗粒的磁性与尺寸成为了对GMR生物传感器检测的主要影响因素。
现有技术中的磁性颗粒通常为球形或立方体形，球形颗粒或立方体形颗粒由于空间上的对称性，退磁因子大，往往产生的弥散磁场较小，导致检测灵敏度较低。
发明内容
本申请实施例中提供了一种磁标签及其检测系统、检测方法、制备方法，以利于解决现有技术中磁性颗粒检测灵敏度较低的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种磁标签，用于巨磁阻生物传感器，所述磁标签为Fe3O4纳米棒，所述Fe3O4纳米棒的长度为50nm～4μm。
优选地，所述Fe3O4纳米棒的长度为300nm，直径为60nm。
本申请实施例提供的磁标签为棒状结构，由于棒状纳米颗粒具有形貌和磁各向异性，退磁因子小，轴向磁化强度高，产生的弥散磁场较球形的大，进而引起更大的磁电阻变化，从而获得更低的检出限。因此，将其应用于生物检测中可以提高检测精度，更加易于单个颗粒和生物样本的检出，尤其适用于超低浓度检测。
第二方面，本申请实施例提供了一种磁标签的制备方法，所述磁标签用于巨磁阻生物传感器，所述方法包括：
步骤S101：将铁氧体和磷酸盐溶于去离子水中，搅拌均匀后移入反应釜中高温反应，反应后取出生成物进行离心，将离心后的沉淀干燥后得到α-Fe2O3粉末，形貌为棒状；
步骤S102：将所述α-Fe2O3粉末放入管式炉，通入氩氢混合气体，在500℃进行还原反应，反应结束待冷却至室温，得到Fe3O4粉末，形貌为棒状，所述Fe3O4粉末即上述第一方面任一项所述的磁标签。
优选地，所述步骤S101具体为：将FeCl3·6H2O和NH4H2PO4溶液溶解在去离子水中，超声搅拌1个小时后转移到反应釜中，在200℃下反应2h，反应结束后取出样品，用三遍水三遍酒精洗涤离心，转速为6000r/min，继而放入50℃真空干燥箱中干燥，干燥结束后冷却至室温即得到α-Fe2O3，所述NH4H2PO4溶液的浓度为0.05mol/L。
优选地，所述步骤S102具体为：将所述α-Fe2O3粉末放入管式炉，通入5％H295％Ar混合气体，气体流量为70m3/h，在500℃左右进行还原反应，保温1h，反应结束待冷却至室温，得到Fe3O4粉末，形貌为棒状。
本申请实施例采用水热法，通过添加一定的表面活性剂调控形貌，制备出分散性良好的前驱体α-Fe2O3纳米颗粒，接着通过还原反应制备Fe3O4纳米棒。通过水热法制备棒状Fe3O4容易调控生成物的尺寸大小和长径比例。α-Fe2O3呈胶体性质，在水热法制备过程中，PO4 3-对其有静电吸引力，PO4 3-吸附在晶面上阻碍了该面的生长，使α-Fe2O3沿主轴生长从而得到棒状形貌。通过改变PO4 3-和Fe3+的摩尔质量比，可改变纳米棒的长径比，获得不同长径比的棒状α-Fe2O3颗粒。通过还原反应，能够将α-Fe2O3充分还原为Fe3O4，并保证棒状形貌不变。
第三方面，本申请实施例提供了一种磁标签的检测系统，包括：直流源、长直螺线管、GMR芯片、电压表、电流表、高斯计和控制终端；
所述直流源与所述长直螺线管相连，用于给所述长直螺线管供电；
所述GMR设置在所述长直螺线管内，所述长直螺线管用于给所述GMR芯片提供偏置磁场，以及给位于所述GMR芯片上的磁标签提供磁化场；
所述电流表与所述GMR芯片相连，用于给所述GMR芯片供电；
所述电压表与所述GMR芯片相连，用于检测所述GMR芯片两端的电压；
所述高斯计与所述GMR芯片相连，用于检测所述GMR芯片的偏执磁场强度；
所述控制终端分别与所述直流源、电压表、电流表、高斯计相连，所述控制终端用于显示所述电压表检测的电压，所述高斯计检测的偏执磁场强度，并控制所述直流源的电流大小。
优选地，所述GMR芯片包括传感器和测试电路，所述传感器采用自旋阀结构，所述测试电路采用惠斯通电桥。
一般球形Fe3O4颗粒磁性较弱，尤其是超顺磁Fe3O4颗粒，往往需要一个垂直的静磁场专门用于磁化颗粒，这样球形颗粒才能够激发更大的弥散场，从而降低系统检出限、提高检测精度。而本申请实施例提供的Fe3O4纳米棒由于自身具有较强的磁性，无需单独较大的外磁场的激发，针对这种纳米棒本申请实施例提供了一种新的面内直流检测系统，基于GMR效应，传感器采用自旋阀结构。系统中恒流源为螺线管提供稳定的直流电源，螺线管给芯片提供操作偏置磁场，同时又给磁性纳米棒提供磁化场。电流表为传感器惠斯通电桥提供稳恒的电流，读取电压表的读数变化，就可知GMR传感器的电阻变化。
第四方面，本申请实施例提供了一种磁标签的检测方法，采用上述第三方面任一项所述的系统，所述方法包括：
步骤S201：将所述磁标签配成酒精颗粒溶液，滴加到所述检测系统的GMR芯片上；
步骤S202：通过长直螺线管提供偏置磁场，使得GMR芯片上的磁标签有序排列，沿所述磁标签的易轴进行GMR电压信号的检测。
优选地，所述步骤S201具体为：将所述磁标签配成不同溶度梯度酒精颗粒溶液，依次滴加到所述检测系统的GMR芯片上。
优选地，所述偏置磁场大小为1.5Oe。
磁性纳米棒在GMR芯片上的排列可分为棒的轴向沿着芯片的敏感方向和非敏感方向(芯片对磁场的敏感和非敏感方向相互垂直)，当棒的轴向沿着芯片的敏感方向时，弥散场更易被GMR芯片感知，能够获得更大的输出信号；反之，如果轴向沿着芯片的非敏感方向时则不利于检测精度的提高。而面内直流检测系统采用一个螺线管不仅提供芯片的操作偏置磁场同时磁化纳米棒，也保证了纳米棒的弥散场沿着芯片的敏感方向，有利于提高检测精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a-1e为本申请实施例提供的一种磁标签的电镜图；
图2为本申请实施例提供的一种磁标签的制备方法流程示意图；
图3为本申请实施例提供的一种磁标签的检测系统结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种磁标签的检测方法流程示意图；
图5为传感器输出电压(Vout)及其导数随外加磁场的变化趋势示意图；
图6为本申请实施例提供的不同浓度酒精颗粒溶液检测示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
首先，对本申请实施例涉及的概念进行简单介绍。
巨磁阻效应：材料的电阻率随着材料磁化状态的变化而呈现显著改变的现象。
自旋阀结构：铁磁层/隔离层/铁磁层/反铁磁层结构。通过降低多层膜层间交换耦合来实现低场下相邻铁磁层磁化方向的相对变化，以提高GMR生物传感器的灵敏度。
惠斯通电桥：一种由4个电阻组成用来测量其中一个电阻阻值(其余3个电阻阻值已知)的装置，4个电阻组成一个方形。
易轴和难轴：若铁磁体沿某一轴或方向最容易被磁化则称为磁易轴或磁易方向，反之则谓磁难轴或磁难方向。
检出限：一定的分析步骤下，能够合理的检测出的最小的分析信号求得的最低浓度。
线性区间：GMR传感器的输出电压差与浓度的关系曲线中，有一段线性关系区间，这个区间为线性区间。
为了解决现有技术中，球形颗粒或立方体形颗粒由于空间上的对称性，退磁因子大，往往产生的弥散磁场较小，导致检测灵敏度较低的问题。本申请实施例提供了一种用于巨磁阻生物传感器的新型各向异性磁标签，所述各向异性磁标签为Fe3O4纳米棒，以下结合附图对本申请实施例提供的新型各向异性磁标签进行介绍。
图1a-1e为本申请实施例提供的一种磁标签的电镜图，如图1a-1e所示，本申请实施例提供的磁标签为棒状结构，由于棒状纳米颗粒具有形貌和磁各向异性，退磁因子小，轴向磁化强度高，产生的弥散磁场较球形的大，进而引起更大的磁电阻变化，从而获得更低的检出限。因此，将其应用于生物检测中可以提高检测精度，更加易于单个颗粒和生物样本的检出，尤其适用于超低浓度检测。
对于磁标签的尺寸，本申请实施例给出了几种可能的实现方式，例如，在图1a中，Fe3O4纳米棒的长度为4μm；在图1b中，Fe3O4纳米棒的长度为1μm；在图1c中，Fe3O4纳米棒的长度为500nm；在图1d中，Fe3O4纳米棒的长度为300nm；在图1e中，Fe3O4纳米棒的长度为100nm。
需要指出的是，在实际应用中，磁标签的大小需要与被测对象相匹配，如果磁标签过大，会导致被测对象负荷过重，如果磁标签过小，则磁标签的磁性减弱，不利于检测。上述磁标签的尺寸只是本申请实施例所列举的具体实现方式，并不应将其作为本申请保护范围的限制，本领域技术人员可以根据被测对象对磁标签的尺寸进行相应选择或调整，在不脱离本申请主旨思想的前提下，其均应当处于本申请的保护范围之内，Fe3O4纳米棒的长度可以为50nm～4μm中的任意数值。例如，当被测物为生物蛋白时，Fe3O4纳米棒的长度优选为300nm，直径为60nm。
与上述磁标签相对应，本申请实施例还提供了一种磁标签的制备方法，图2为本申请实施例提供的一种磁标签的制备方法流程示意图，如图2所示，其主要包括以下步骤。
步骤S101：将铁氧体和磷酸盐溶于去离子水中，搅拌均匀后移入反应釜中高温反应，反应后取出生成物进行离心，将离心后的沉淀干燥后得到α-Fe2O3粉末，形貌为棒状。
具体地，选用的铁源为FeCl3·6H2O，磷酸盐为NH4H2PO4，量取适量的FeCl3·6H2O和0.4ml的NH4H2PO4溶液(0.05mol/L)溶解在40ml的去离子水中，超声搅拌1个小时后转移到反应釜中，在200℃下反应2h，反应结束后取出样品，用三遍水三遍酒精洗涤离心，转速为6000r/min，继而放入50℃真空干燥箱中干燥8h，干燥结束后冷却至室温即得到α-Fe2O3。
步骤S102：将所述α-Fe2O3粉末放入管式炉，通入氩氢混合气体，在500℃左右进行还原反应，反应结束待冷却至室温，得到Fe3O4粉末，形貌为棒状。
具体地，将所述α-Fe2O3粉末放入管式炉，通入5％H295％Ar混合气体，气体流量为70m3/h，在500℃左右进行还原反应，保温1h，反应结束待冷却至室温，得到Fe3O4粉末，形貌为棒状。
本申请实施例采用水热法，通过添加一定的表面活性剂调控形貌，制备出分散性良好的前驱体α-Fe2O3纳米颗粒，接着通过还原反应制备Fe3O4纳米棒。通过水热法制备棒状Fe3O4容易调控生成物的尺寸大小和长径比例。α-Fe2O3呈胶体性质，在水热法制备过程中，PO4 3-对其有静电吸引力，PO4 3-吸附在晶面上阻碍了该面的生长，使α-Fe2O3沿主轴生长从而得到棒状形貌。通过改变PO4 3-和Fe3+的摩尔质量比，可改变纳米棒的长径比，获得不同长径比的棒状α-Fe2O3颗粒。通过还原反应，能够将α-Fe2O3充分还原为Fe3O4，并保证棒状形貌不变。
与上述磁标签相对应，本申请实施例还提供了一种磁标签的检测系统，图3为本申请实施例提供的一种磁标签的检测系统结构示意图，如图3所示，本申请实施例提供的一种磁标签的检测系统包括直流源101、长直螺线管102、GMR芯片103、电压表104、电流表105、高斯计106和控制终端107；
所述直流源101与所述长直螺线管102相连，用于给所述长直螺线管102供电；
所述GMR芯片103设置在所述长直螺线管102内，所述长直螺线管102用于给所述GMR芯片103提供偏置磁场，以及给位于所述GMR芯片103上的磁标签提供磁化场；
所述电流表105与所述GMR芯片103相连，用于给所述GMR芯片103供电；
所述电压表104与所述GMR芯片103相连，用于检测所述GMR芯片103两端的电压；
所述高斯计106与所述GMR芯片103相连，用于检测所述GMR芯片103的偏执磁场强度；
所述控制终端107分别与所述直流源101、电压表104、电流表105、高斯计106相连，所述控制终端107用于显示所述电压表检测的电压，所述高斯计106检测的偏执磁场强度，并控制所述直流源的电流大小。
具体地，所述GMR芯片包括传感器和测试电路，所述传感器采用自旋阀结构，所述测试电路采用惠斯通电桥。
一般球形Fe3O4颗粒磁性较弱，尤其是超顺磁Fe3O4颗粒，往往需要一个垂直的静磁场专门用于磁化颗粒，这样球形颗粒才能够激发更大的弥散场，从而降低系统检出限、提高检测精度。而本申请实施例提供的Fe3O4纳米棒由于自身具有较强的磁性，无需单独较大的外磁场的激发，针对这种纳米棒本申请实施例提供了一种新的面内直流检测系统，基于GMR效应，传感器采用自旋阀结构。系统中恒流源为螺线管提供稳定的直流电源，螺线管给芯片提供操作偏置磁场，同时又给磁性纳米棒提供磁化场。电流表为传感器惠斯通电桥提供稳恒的电流，读取电压表的读数变化，就可知GMR传感器的电阻变化。
基于上述检测系统，本申请实施例提供了一种磁标签的检测方法，图4为本申请实施例提供的一种磁标签的检测方法流程示意图，如图4所示，其主要包括以下步骤。
步骤S201：将所述磁标签配成酒精颗粒溶液，滴加到所述检测系统的GMR芯片上。
步骤S202：通过长直螺线管提供偏置磁场，使得GMR芯片上的磁标签有序排列，沿所述磁标签的易轴进行GMR电压信号的检测。
在具体实现方式中，将磁场从+95Oe到-95Oe，然后又回到+95Oe的区间内变化，传感器展示出良好的开关特性。图5为传感器输出电压(Vout)及其导数随外加磁场的变化趋势示意图，对磁场变化曲线进行一阶微分后可以找到曲线最灵敏的磁场位置在0至+3Oe之间，在进行输出电压随时间变化的关系曲线时，选取偏执磁场1.5Oe。具体地，电流表为GMR芯片提供10μA的稳恒电流。
将制得的Fe3O4配成0.005ng/ml—1mg/ml 12个不同的溶度梯度酒精颗粒溶液，依次滴加到自旋阀生物传感器检测系统的GMR芯片上进行检测。图6为本申请实施例提供的不同浓度酒精颗粒溶液检测示意图，不同浓度的磁性颗粒产生不同的弥散场，引起不同的电压变化，继而显示在电压表上。由于对不同浓度的酒精颗粒溶液进行检测时，会输出不同的电压，因此，可以根据已知浓度测量进行一个输出电压和浓度的标定，然后测试未知浓度待测样本的浓度。
磁性纳米棒在GMR芯片上的排列可分为棒的轴向沿着芯片的敏感方向和非敏感方向(芯片对磁场的敏感和非敏感方向相互垂直)，当棒的轴向沿着芯片的敏感方向时，弥散场更易被GMR芯片感知，能够获得更大的输出信号；反之，如果轴向沿着芯片的非敏感方向时则不利于检测精度的提高。而面内直流检测系统采用一个螺线管不仅提供芯片的操作偏置磁场同时磁化纳米棒，也保证了纳米棒的弥散场沿着芯片的敏感方向，有利于提高检测精度。
最后，还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种磁标签，用于巨磁阻生物传感器，其特征在于，所述磁标签为Fe3O4纳米棒，所述Fe3O4纳米棒的长度为50nm～4μm。
2.根据权利要求1所述的磁标签，其特征在于，所述Fe3O4纳米棒的长度为300nm，直径为60nm。
3.一种磁标签的制备方法，所述磁标签用于巨磁阻生物传感器，其特征在于，所述方法包括：
步骤S101：将铁氧体和磷酸盐溶于去离子水中，搅拌均匀后移入反应釜中高温反应，反应后取出生成物进行离心，将离心后的沉淀干燥后得到α-Fe2O3粉末，形貌为棒状；
步骤S102：将所述α-Fe2O3粉末放入管式炉，通入氩氢混合气体，在500℃进行还原反应，反应结束待冷却至室温，得到Fe3O4粉末，形貌为棒状，所述Fe3O4粉末即权利要求1-2任一项所述的磁标签。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
所述步骤S101具体为：将FeCl3·6H2O和NH4H2PO4溶液溶解在去离子水中，超声搅拌1个小时后转移到反应釜中，在200℃下反应2h，反应结束后取出样品，用三遍水三遍酒精洗涤离心，转速为6000r/min，继而放入50℃真空干燥箱中干燥，干燥结束后冷却至室温即得到α-Fe2O3，所述NH4H2PO4溶液的浓度为0.05mol/L。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
所述步骤S102具体为：将所述α-Fe2O3粉末放入管式炉，通入5％H295％Ar混合气体，气体流量为70m3/h，在500℃左右进行还原反应，保温1h，反应结束待冷却至室温，得到Fe3O4粉末，形貌为棒状。
6.一种磁标签的检测系统，其特征在于，包括：直流源、长直螺线管、GMR芯片、电压表、电流表、高斯计和控制终端；
所述直流源与所述长直螺线管相连，用于给所述长直螺线管供电；
所述GMR芯片设置在所述长直螺线管内，所述长直螺线管用于给所述GMR芯片提供偏置磁场，以及给位于所述GMR芯片上的磁标签提供磁化场；
所述电流表与所述GMR芯片相连，用于给所述GMR芯片供电；
所述电压表与所述GMR芯片相连，用于检测所述GMR芯片两端的电压；
所述高斯计与所述GMR芯片相连，用于检测所述GMR芯片的偏执磁场强度；
所述控制终端分别与所述直流源、电压表、电流表、高斯计相连，所述控制终端用于显示所述电压表检测的电压，所述高斯计检测的偏执磁场强度，并控制所述直流源的电流大小。
7.根据权利要求6所述的检测系统，其特征在于，所述GMR芯片包括传感器和测试电路，所述传感器采用自旋阀结构，所述测试电路采用惠斯通电桥。
8.一种磁标签的检测方法，其特征在于，采用权利要求6-7任一项所述的检测系统，所述方法包括：
步骤S201：将所述磁标签配成酒精颗粒溶液，滴加到所述检测系统的GMR芯片上；
步骤S202：通过长直螺线管提供偏置磁场，使得GMR芯片上的磁标签有序排列，沿所述磁标签的易轴进行GMR电压信号的检测。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述步骤S201具体为：将所述磁标签配成不同溶度梯度酒精颗粒溶液，依次滴加到所述检测系统的GMR芯片上。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述偏置磁场大小为1.5Oe。
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