CN1645142A - 高灵敏度巨磁电阻和隧穿磁电阻生物传感器 - Google Patents

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CN1645142A CN 200510005035 CN200510005035A CN1645142A CN 1645142 A CN1645142 A CN 1645142A CN 200510005035 CN200510005035 CN 200510005035 CN 200510005035 A CN200510005035 A CN 200510005035A CN 1645142 A CN1645142 A CN 1645142A
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王磊
王明
李飞飞
丰家峰
韩秀峰
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Institute of Electrical Engineering of CAS
Institute of Physics of CAS
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Institute of Physics of CAS
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Abstract

本发明公开了一种高灵敏度巨磁电阻和隧穿磁电阻生物传感器，包括：GMR传感器或TMR传感器和保护层，保护层覆盖在所述GMR或TMR传感器上；其中，所述保护层由塑性材料制成，其厚度小于100nm。本发明采用聚二甲基硅氧烷等塑性材料作为保护层和生物适应层，可以将检测信号提高27倍以上，检测灵敏度最大可达10－5Oe；相对于其他氮化硅作为保护层的传感器而言，不仅简化了工艺，而且降低了成本。

Description

高灵敏度巨磁电阻和隧穿磁电阻生物传感器
技术领域
本发明涉及一种磁敏生物传感器。
背景技术
1986年德国科学家Grunberg小组发现在Fe/Cr/Fe三层膜中观察到两个铁层之间通过铬层产生耦合。1988年法国科学家Fert小组在[Fe/Cr]周期性多层膜中观察到：当施加外磁场时其电阻下降，变化率相对于传统的磁电阻效应大一个数量级以上。因此称之为巨磁电阻效应(giantmagnetoresistance，GMR)。1995年日本科学家Miyazaki等人发现了隧穿磁电阻效应(Tunneling magnetoresistance，TMR)。自巨磁电阻和隧穿磁电阻效应被发现以来，由于其高磁场灵敏度很快被广泛应用到磁敏传感器领域，如计算机磁头、磁性编码器、位置传感器、无刷直流电机、VCD、DVD、电流计、指南针等等。到目前为止GMR和TMR技术主要应用于信息技术领域，而在其他领域如医学、生物、化学、环境检测方面的应用还相对甚少。
GMR和TMR传感器本身所及有的一些特点(或优点)使得这种技术非常适合作为生物分子识别器件的应用。GMR和TMR传感器灵敏度高，适合低场信号检测，生物分子产生的信号是非常微弱的，因此高灵敏度的检测器件对于生物分子识别是非常重要的；GMR和TMR传感器的体积小、能耗低，这样使得采用GMR和TMR技术的生物分子识别器件的结构更为紧凑、携带方便、使用寿命更长；GMR和TMR传感器可以在一些极端的环境下(潮湿、酸碱、毒性、黑暗等)使用，这增加了基于巨磁电阻和隧穿磁电阻效应的纳米生物分子识别器件的适用范围。
1996年，D.R.Baselt等人就提出利用GMR效应对生物分子进行识别的想法，1998年相关的工作正式发表，他们将这项技术申请了专利(USPatent 5,981,297)。国际上开展GMR生物分子识别器件研究的主要有美国海军实验室的研究小组和葡萄牙里斯本高科技研究所的研究小组。美国的科学家开发了被称为Bead Array Counter(The Bead Array Counter)的阵列式的生物传感器，它集成了64个GMR传感器，整个敏感区的直径为200微米，可用来识别2.8微米的磁性标记物，这个器件可用于DNA分子识别、生物战争中的病原体检测等；葡萄牙的科学家采用自旋阀式的GMR传感器阵列检测到了250nm的磁性标记物的信号，他们设计的器件尺寸为8×8mm2，带有6个2×6μm2的GMR传感器，上面集成了磁性微粒操控结构。国内涉及这方面的内容的专利有两篇，姜熙福等人在专利“生物传感器及传感单元阵列”(申请号：200310113330，公开号：1510417)中提出了采用磁性隧道结或巨磁阻器件作为生物传感器检测单元的想法，陈超等人在专利“磁隧道结生物芯片载体和采用该载体的芯片及制作方法和对生物分子进行检测的方法”(申请号：02139363，公开号：1475806)中提出了磁性隧道结作为生物芯片载体的想法，对使用该芯片进行生物分子检测的方法及生物分子的处理方法进行了详细地说明。目前生物传感器芯片采用自旋阀式的GMR传感器作为生物分子识别器件，巨磁阻效应一般在5％～15％，饱和场不超过30mT，因此检测灵敏度和监测范围受到限制，由于传感器灵敏度与被探测物的距离成反比，所以尽量减小传感器与被探测生物分子的距离是提高生物传感器探测灵敏度的重要手段。目前GMR生物传感器基本上采用氮化硅作为保护层，再于其上喷镀一层金膜，进一步在金膜上通过生物、化学的方法加工出生物膜，这几层膜结构加起来的厚度超过了300nm，增加了传感器与待测点的距离，降低了检测信号的强度。并且，氮化硅的生长、加工工艺复杂，厚度和均匀性难于控制，以其作为保护层的生物传感器在使用时还需要预先进行复杂的表面修饰过程。这类器件温度稳定性较差，能耗和背景噪声相对较高，因此影响检测结果的准确性。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种高灵敏度巨磁电阻和隧穿磁电阻生物传感器，该传感器采用塑性材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚碳酸酯polycarbonate、聚甲基丙烯酸甲酯poly(methylmethacrylate)(PMMA)、聚苯乙烯polystyrene、硝化纤维nitrocellulose、聚乙烯poly(ethylene)、聚四氟乙烯poly(tetrafluoroethylene)作为保护层和生物适应层，可以将检测信号提高27倍以上，检测灵敏度最大可达10-5Oe。
为实现上述目的，本发明是一种高灵敏度巨磁电阻和隧穿磁电阻生物传感器包括：GMR传感器或者TMR传感器和保护层，保护层覆盖在所述GMR或TMR传感器上；其中，所述保护层由塑性材料制成，其厚度小于100nm。
上述塑性材料为聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯polycarbonate、聚甲基丙烯酸甲酯poly(methyl methacrylate)(PMMA)、聚苯乙烯polystyrene、硝化纤维nitrocellulose、聚乙烯poly(ethylene)、聚四氟乙烯poly(tetrafluoroethylene)。
本发明采用聚二甲基硅氧烷等塑性材料作为保护层和生物适应层，可以将检测信号提高27倍以上，检测灵敏度最大可达10-5Oe；相对于其他氮化硅作为保护层的传感器而言，不仅简化了工艺，而且降低了成本。
附图说明
图1为生物磁传感器原理示意图；
图2为阵列式生物传感器及其信号处理示意图。
具体实施方式
本发明是一种高灵敏度巨磁电阻和隧穿磁电阻生物传感器，这种传感器采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为保护层和生物适应层，其厚度小于100nm，减小了传感器与待测生物分子之间的距离，可以将检测信号提高27倍以上。Polydimethylsiloxane(PDMS)中文名为聚二甲基硅氧烷，具有良好的生物适应性和气体通透性；良好的绝缘性和热学稳定性。PDMS具有很好的柔性，这样使得它可以与相对粗糙的表面很好的接触，PDMS还可以提供一个化学惰性的表面，可通过对其表面进行修饰来改变其表面特性，以便进行不同目的的生物、化学方面的研究工作；这样，相对于其他氮化硅作为保护层的传感器而言，简化了工艺，降低了成本。
本发明设计上采用自旋阀式隧道结或GMR元件阵列，单个磁隧道结或GMR元件大小为微米、亚微米或纳米尺寸，磁电阻效应＞10％，检测灵敏度为最大10-5Oe。图2为阵列式生物传感器及其信号处理示意图。如图2所示，扫描电源分别对每个小隧道结单元或GMR元件Rn10通过脉冲电流，再通过多路开关检测每个小单元的电压变化后，可提取出不同位点的响应信号，经过预处理、放大、滤波的过程将获得的有用信号保存至计算机进行分析，以获取生物分子方面的信息；其中每一路开关对应一个隧道结单元或GMR元件。
传感器件加工在硅基片上，先长好隧道结或巨磁电阻薄膜，利用平面光刻技术加工相关的管脚、引线等。再覆盖上PDMS，PDMS保护层是通过喷涂工艺加工而成的，厚度在0～100nm。
生物分子识别系统的工作方式是这样的：如图1所示，GMR传感器1上覆盖有一层PDMS生物保护层6，操控标记好的样品溶液进入传感器件所在的生物分子识别区，传感器件上绑定有特定的已知受体4、5，能特异的与相应的靶分子2、3结合，如标记好的样品溶液含有能特异的与传感器件上绑定的已知受体相结合的靶分子2、3，则二者结合，然后清除掉未结合的样品，传感器件将检测到靶分子2、3上标记的磁微球7产生的磁场信号，达到检测出生物分子识别的目的。
本发明也可以用同聚二甲基硅氧烷(PDMS)类似的塑性材料制成，如聚碳酸酯polycarbonate、聚甲基丙烯酸甲酯poly(methyl methacrylate)(PMMA)、聚苯乙烯polystyrene、硝化纤维nitrocellulose、聚乙烯poly(ethylene)、聚四氟乙烯poly(tetrafluoroethylene)等，获得的结果均相同。

Claims (5)

1、一种高灵敏度巨磁电阻和隧穿磁电阻生物传感器，其特征在于，包括：GMR传感器或TMR传感器和保护层，保护层覆盖在所述GMR或TMR传感器上；其中，所述保护层由塑性材料制成，其厚度小于100nm。
2、如权利要求1所述的高灵敏度巨磁电阻和隧穿磁电阻生物传感器，其特征在于，所述塑性材料为聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、硝化纤维、聚乙烯、聚四氟乙烯。
3、如权利要求2所述的高灵敏度巨磁电阻和隧穿磁电阻生物传感器，其特征在于，该传感器由阵列式的巨磁电阻材料或隧道结材料组成，每一个材料都有一个与其对应的开关，用于控制通过该传感材料的电流。
4、如权利要求3所述的高灵敏度巨磁电阻和隧穿磁电阻生物传感器，其特征在于，该生物传感器还包括一个信号预处理电路，信号放大电路和滤波电路。
5、如权利要求4所述的生物传感器，其特征在于，该生物传感器最终输出的信号通过计算机相应的软件处理。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101042360B (zh) * 2007-04-20 2010-12-01 中国科学院电工研究所 一种基于巨磁电阻的传感器
US8384374B2 (en) 2007-11-14 2013-02-26 Dongguan Bosh Biotechnologies, Ltd. Apparatus for automatically testing integrated CMOS magnetoresistive biochips
CN104919612A (zh) * 2013-03-15 2015-09-16 马格雷股份有限公司 磁隧道结传感器及使用方法

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Applicant before: Research Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences

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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication