基于GMR傳感器陣列的生物檢測研究

0 引 言
    生物傳感器的研究具有巨大的應(yīng)用前景，近年來，隨著電子自旋現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，結(jié)合了半導(dǎo)體微電子工藝制備的GMR設(shè)備，在生物檢測領(lǐng)域引起了人們越來越濃厚的研究興趣，使其成為傳統(tǒng)生物檢測方法的替換方案之一。由于其獨特的物理特性，GMR傳感器比電子傳感器更靈敏、可重復(fù)性強(qiáng)，具有更寬的工作溫度、工作電壓和抗機(jī)械沖擊、震動的優(yōu)異性能，而且GMR傳感器的工作點也不會隨時間推移而發(fā)生偏移。GMR傳感器的制備成本和檢測成本低，對樣本的需求量很小。由GMR傳感器組成的陣列，還可以結(jié)合現(xiàn)有的IC工藝，提高整體設(shè)備的集成度，進(jìn)行多目標(biāo)的檢測。同時，對比傳統(tǒng)的熒光檢測法，磁性標(biāo)記沒有很強(qiáng)的環(huán)境噪聲，標(biāo)記本身不會逐漸消退，也不需要昂貴的光學(xué)掃描設(shè)備以及專業(yè)的操作人員。因此，無論是傳感器本身的性能，還是磁性標(biāo)記的特點，都決定了GMR傳感器陣列在生物檢測領(lǐng)域的研究具有較高的應(yīng)用價值和實踐意義。

1 巨磁阻陣列傳感器生物檢測的基本原理
1．1 巨磁阻(GMR)效應(yīng)
    1988年派瑞松大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了GMR效應(yīng)，這是一種在鐵磁性層與非鐵磁性層交替疊置的結(jié)構(gòu)中觀測到的量子效應(yīng)，是指某些磁性或合金材料的磁電阻在一定磁場作用下急劇減小，而Aρ／ρ急劇增大的特性，一般增大的幅度比通常的磁性與合金材料的磁電阻約高10倍。GMR效應(yīng)的理論很復(fù)雜，許多機(jī)理至今還不清楚，目前普遍接受的解釋是兩流模型，如圖1所示。多個鐵磁層中的磁矩方向由施加的外磁場控制，當(dāng)鐵磁性層的磁矩反平行排列時見圖1(a)，載流子受到的自旋散射最大，多層膜電阻最高；當(dāng)鐵磁性層的磁矩平行排列時見圖1(b)，載流子受到的自旋散射最小，多層膜的電阻最低

目前，按其結(jié)構(gòu)、GMR材料可分為具有層間偶合特性的多層膜(例如Fe／Cr)、自旋閥多層膜(例如FeMn／FeNi／Cu／FeNi)、顆粒型多層膜(例如Fe-Co)和鈣鈦礦氧化物型多層膜(例如AMnO3)等。
1．2 巨磁阻(GMR)的電子特性
    圖2是一個典型的多層GMR材料在外加磁場下的電阻變化情況。圖2中的輸出表明，無論是正向還是反向的外加磁場變化，都能帶來相同的磁阻變化，也就是說GMR效應(yīng)是全極性的。曲線的斜率體現(xiàn)了磁性敏感程度，通常以V(mV)／Oe為單位。當(dāng)阻值不隨磁場繼續(xù)變化時，磁性材料就達(dá)到了其磁性飽和區(qū)。兩條曲線中的偏移是磁性材料的磁滯導(dǎo)致的，從零磁場到飽和磁場所帶來的阻值變化就稱為磁阻。

l.3 GMR陣列傳感器生物檢測的基本模式
    用GMR陣列傳感器進(jìn)行生物檢測，是以磁性顆粒為標(biāo)記物，采用直接標(biāo)記法或兩步標(biāo)記法，在施加一定方向的外加磁場的情況下，用磁敏傳感器對磁性標(biāo)記產(chǎn)生的寄生磁場進(jìn)行檢測，從而實現(xiàn)對生物目標(biāo)定性定量分析。圖3分別介紹了磁性標(biāo)記法檢測的具體步驟：直接標(biāo)記法 如圖3(a)所示，直接標(biāo)記法是將標(biāo)記物直接結(jié)合到探針上。首先在傳感器表面結(jié)合特定的生物探針，再將已預(yù)先綁定磁性顆粒的樣本溶液加入傳感器的反應(yīng)池中，溶液中特定的目標(biāo)分子被探針捕獲，完成標(biāo)記。
    兩步標(biāo)記法 如圖3(b)所示，以DNA檢測為例，第一步將已知序列的DNA探針鏈結(jié)合在包埋了自旋閥傳感器的芯片表面，加入用生物素標(biāo)記的DNA目標(biāo)鏈溶液，進(jìn)行充分雜交；第二步，加入被抗生物素包裹的磁性顆粒，形成生物素一抗生物素共價鍵，從而選擇性地捕獲磁性標(biāo)記。
    標(biāo)記反應(yīng)完成后，用外加梯度磁場將未參與標(biāo)記的多余磁性顆粒分離，再施加激勵磁場將磁標(biāo)記(磁性顆粒)磁化，磁化的磁標(biāo)記產(chǎn)生的寄生磁場引起傳感器阻值的變化，從而導(dǎo)致反映生物反應(yīng)的信號輸出。

2 GMR生物檢測系統(tǒng)設(shè)計
    當(dāng)前，國際國內(nèi)已經(jīng)開展了基于不同技術(shù)的生物磁場檢測設(shè)備研究，涉及自旋閥傳感器(Spin Valves)、感應(yīng)傳感器(Inductive Sensors)、超導(dǎo)量子干涉儀(SQUIDs)、各向異性磁阻(AMR)環(huán)式傳感器、小規(guī)模的霍耳組合傳感器(Hall Crosses)以及隧道結(jié)(TMR)傳感器等。
    1998年，作為美國國防部高級研究規(guī)劃局(DAR-PA)支持項目，美國海軍研究實驗室與NVE公司合作，由David R．：Baselt等開展了基于巨磁阻技術(shù)的生物傳感器研究，并設(shè)計制備了兩代GMR傳感器的磁珠陣列計數(shù)器(．BARcⅡ，BARcⅢ)進(jìn)行生物雜交分析，并用于測量在單個分子水平上的DNA-DNA，以及抗體抗原對和受體一配體對的結(jié)合力。德國比勒菲爾德(Bielefeld)大學(xué)、美國佛羅里達(dá)州立大學(xué)、美國斯坦福大學(xué)、葡萄牙國立計算機(jī)系統(tǒng)與工程研究所(INESC一MN)等研究機(jī)構(gòu)也相繼開展了磁性傳感器陣列的生物檢測研究。國內(nèi)多所高校和研究所，如中科院物理研究所、清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)例、電子科技大學(xué)、中山大學(xué)等，自2005年起，對巨磁阻生物傳感器陣列設(shè)計、傳感器材料的選取、磁性標(biāo)記與傳感器尺寸關(guān)系、輸出信號處理等方面進(jìn)行了廣泛的研究，實現(xiàn)了單個納米尺度顆粒的檢測，并申請了相關(guān)的專利。
    上述研究中采用的陣列方案和傳感器形態(tài)各異，從布局上可以類分為規(guī)則排列陣列或分區(qū)排列陣列；矩形傳感器或蛇形傳感器。
    圖4(a)是Guanxiong Li等在約7 mm×8 mm的芯片表面上制備的自旋閥傳感器陣列，陣列包含60個亞微米級的條形自旋閥傳感器，呈2個縱列排列，每列30個傳感器單元，每個單元兩頭通過ion束沉積厚約300 nm的鋁作為引線，而中間未被覆蓋的條形區(qū)域作為生物反應(yīng)區(qū)，用于感應(yīng)與其易軸同向的磁場分量。
    圖4(b)是David R．Baselt等設(shè)計制備的含66個GMR單元的傳感器陣列(BARCⅢ)，分為8個反應(yīng)區(qū)，每區(qū)8個單元，可進(jìn)行多路檢測。其單元呈圓形，直徑為200μm，由長8 mm寬1．6μm的電阻蛇形蜿蜒而成。

通常，整個GMR生物檢測系統(tǒng)由微流部分、GMR陣列、驅(qū)動部分、分析處理部分組成。為了減少外界環(huán)境對傳感器輸出穩(wěn)定性的影響，傳感器單元往往與參考單元一起組成惠斯通電橋。如圖5所示，GMR電阻對組成惠斯通半橋，其中一個電阻表面覆蓋軟磁性屏蔽層，不受外加磁場的影響；另一個電阻作為應(yīng)變電阻，在GMR效應(yīng)作用下，阻值隨外加磁場變化，導(dǎo)致電橋輸出微伏級的差分電壓值，輸出的電壓經(jīng)過過濾、放大等處理后，再輸送到后端的采集檢測設(shè)備，做進(jìn)一步分析。
2005年，加利福尼亞大學(xué)物理系D．K．wood等人研制的亞微型新一代GMR生物傳感器，可實現(xiàn)對小尺寸磁珠(直徑200 nm)的探測，且靈敏度更高雖然磁性生物檢測系統(tǒng)取得一定的成績，但距離實用化仍有很大的距離。
    綜合現(xiàn)有技術(shù)，提高磁性生物檢測系統(tǒng)的性能，可以在傳感器特性、磁性顆粒的選擇以及外圍電路的設(shè)計等方面進(jìn)行改進(jìn)。
3.1 傳感器靈敏度
    GMR傳感器靈敏度是指其對微弱信號的感應(yīng)能力。由于磁性標(biāo)記體積非常小，所以產(chǎn)生的寄生磁場也非常微弱，因此必須選用靈敏度高的磁性材料制備傳感器。衡量GMR性能的兩個最基本參數(shù)是：
    (1)在一定溫度下所能達(dá)到的最大GMR值；
    (2)獲得最大GMR效應(yīng)所需施加的飽和外磁場強(qiáng)度。
    在各種巨磁電阻材料中，多層膜和顆粒膜飽和磁場高達(dá)數(shù)特斯拉，其磁場靈敏度低；氧化物陶瓷類材料飽和場極高，難以實現(xiàn)實用化；自旋閥材料飽和磁場較低，僅為幾個或幾十奧斯特，但室溫下GMR不高。因此，尋求GMR值高，飽和磁場低，磁場靈敏度高的合金體系或人工薄膜結(jié)構(gòu)是GMR傳感器生物檢測實用化的難點和重點。
   目前。從制作的難易程度、性能的穩(wěn)定性等方面來考慮，傳感器陣列多采用GMR多層膜耦合結(jié)構(gòu)和自旋閥結(jié)構(gòu)，隨著研究工作的逐步深入，將來具有更高磁阻率的結(jié)構(gòu)，如隧穿磁阻(TMR)、稀土氧化物、微晶或非晶軟磁合金薄膜，以及利用巨磁阻抗效應(yīng)(GMI)的高靈敏傳感器，將在磁性生物陣列檢測中得以應(yīng)用。
3.2 磁性微粒的尺寸與磁性含量
    在整個系統(tǒng)中，生物特異性反應(yīng)通過磁性微粒的存在與數(shù)量來體現(xiàn)。目前采用的磁性顆粒(如γ一Fe2O3，F(xiàn)e3O4，NiFe等)可分為微米級和亞微米級兩類，較大的磁性顆粒(約1～3μm)在形狀上比較容易實現(xiàn)統(tǒng)一，雖然磁性物質(zhì)含量較低(約15％)，但相對較大的體積，磁性微粒在傳感器表面產(chǎn)生的磁場分量仍然較大，另外，大體積也便于顯微計數(shù)。其缺點是無法高密度地綁定在傳感器表面，因此檢測到的生物分子較少。納米尺度的磁性顆粒具有很高的磁性含量(70％～80％)，但是由于制備工藝的限制，同一批次，其大小和形狀都有較大差異，對定量分析非常不利。而且，體積小的納米磁性顆粒容易快速簇集，導(dǎo)致輸出的信號失真。但是，采用敏感度更高的傳感器和更先進(jìn)的檢測分析系統(tǒng)，可以部分滿足小體積磁性顆粒的應(yīng)用要求，2005年，美國斯坦福大學(xué)Guanxi(mg Li等實驗驗證了當(dāng)自旋閥傳感器陣列尺寸與磁性顆粒尺寸(直徑為16 nm的超順磁Fe3O4顆粒)相近時，傳感器輸出信號與綁定的顆粒數(shù)量呈比較理想的正比關(guān)系，從而體現(xiàn)了采用小體積納米磁性標(biāo)記，自旋閥傳感器陣列在生物檢測中的定量分析能力。
3.3 傳感器陣列的物理參數(shù)
     GMR傳感器合適的層厚可以保證兩個磁性層反平行耦合，從而保證在沒有外加磁場的情況下，設(shè)備處于高電阻值狀態(tài)。另外，因為GMR傳感器的電阻值主要取決于電子自旋散射，所以其層厚必須比大部分材料中電子的平均自由程(約幾個納米)小，典型的GMR磁性傳感器的層厚大約是2～6 nm。
    同時，采用與生物分子尺度相同的傳感器(蛋白質(zhì)、DNA、RNA和病毒等都在1～100 nm的尺度范圍)，能夠有效增加檢測的靈敏度。目前，受制于制備的復(fù)雜性，減小傳感器的尺寸仍然十分困難，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)應(yīng)用傳統(tǒng)的光學(xué)光刻技術(shù)，受光波波長和數(shù)值孔徑等因素的限制，難以制作線寬小于100 nm的圖案。然而更先進(jìn)的極端遠(yuǎn)紫外光刻、電子束直寫、離子投影光刻技術(shù)、X光光刻、電子束投影等技術(shù)雖然能克服上述限制，但系統(tǒng)復(fù)雜，造價十分昂貴。因而，基于傳統(tǒng)光刻技術(shù)上改進(jìn)的浸沒式光刻系統(tǒng)、微接觸印刷、納米壓印光刻等新的制備技術(shù)，將是基材表面批量獲取納米量級GMR傳感器陣列中最具潛力的技術(shù)。
    除傳感器本身的物理參數(shù)外，GMR傳感器對磁場的距離也非常敏感，磁性顆粒的寄生磁場隨其與傳感器敏感層的距離呈3階衰減，所以，應(yīng)盡量減小傳感器與磁性標(biāo)記之間的距離，以減少對傳感器靈敏度的過高要求。但是，在實際檢測中，為了防止傳感器表面被生物溶液侵蝕和牢固結(jié)合生物探針，又必須在傳感器表面覆蓋保護(hù)層(7 nm。PEI／PMMA；1μm氮化硅)和生物結(jié)合層(金屬材料、玻璃、石英或表面為氧化硅的硅片)。因此，超薄惰性材料和生物結(jié)合材料的發(fā)現(xiàn)與工藝的提高也是提高磁性生物檢測系統(tǒng)性能必不可少的條件。
3.4 外加磁場
    檢測中需要外加激勵磁場磁化超順磁顆粒，針對不同的磁性傳感器，磁性激勵場可以平行于傳感器表面，也可以垂直于傳感器表面。平行方式相對優(yōu)于垂直方式，當(dāng)傳感器上方不存在磁性微粒時，平行方式不會產(chǎn)生信號輸出，而且激勵場即使有一定的角度偏轉(zhuǎn)，也不會導(dǎo)致片上分量的產(chǎn)生。另外，激勵場可以采用直流激勵場或交流激勵場，在交流激勵場作用下，傳感器輸出交流信號，通過鎖相放大技術(shù)，可以獲得較高的信噪比，方便信號的提取。但是，相比DC激勵場而言，AC激勵場會導(dǎo)致電磁干擾，需要在后端設(shè)計交流。EMI濾波及整流濾波電路，增加了電路復(fù)雜性。另外，外加交流激勵磁場頻率需要均衡考慮，如果過高，系統(tǒng)中的感性阻抗元件(如電磁鐵等)會使電橋輸出的信號大幅減弱；如果激勵磁場頻率太低，又會增加1／f噪聲。對于某些GMR傳感器，還需要外加偏置磁場，用于固定自由層、控制傳感器工作在線性區(qū)間以及防止磁性微粒的初始極化。然而亞微米級的傳感器，由于其自由層已處于單磁疇狀態(tài)，可以不施加偏置場，從而提高自由層磁化時的自由度，增加傳感器在易軸的敏感性。
3.5 采用信號放大技術(shù)
     由于GMR傳感器陣列輸出的信號非常微弱，并且信號中不可避免地存在1／f噪聲和散粒噪聲，為了精確測量掩埋在噪聲中生物信號的幅值及相位，通常用前置低噪聲放大器、帶通濾波器、可控增益放大器、相敏檢測電路、正交移相電路、差分直流放大電路等組成的鎖相放大設(shè)備來抑制差模噪聲和共模噪聲，對傳感器輸出的信號進(jìn)行預(yù)處理。

4 結(jié) 語
    利用GMR傳感器組成陣列，對磁性標(biāo)記的生物分子的檢測進(jìn)行研究工作已經(jīng)開展了近十年，這里就檢測方法的基本原理、發(fā)展情況、影響檢測效果的各項因素進(jìn)行介紹和分析。目前制約GMR傳感器陣列生物檢測性能的關(guān)鍵是制備工藝和材料的問題，在進(jìn)一步的研究中，需要采用生物分子尺度相同、高靈敏的新型GMR傳感器，研究新的生物機(jī)能性保護(hù)膜，在避免互擾的基礎(chǔ)上，在芯片上布局更密集、有效生物結(jié)合面更大的陣列，改善傳感器的線性度，保證亞微米級的超順磁顆粒形態(tài)的均一，才能有效促進(jìn)GMR傳感器陣列在生物檢測上的應(yīng)用。