專利名稱：高靈敏度巨磁電阻和隧穿磁電阻生物傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁敏生物傳感器。
背景技術(shù)：
1986年德國科學(xué)家Grunberg小組發(fā)現(xiàn)在Fe/Cr/Fe三層膜中觀察到兩個鐵層之間通過鉻層產(chǎn)生耦合。1988年法國科學(xué)家Fert小組在[Fe/Cr]周期性多層膜中觀察到當(dāng)施加外磁場時其電阻下降，變化率相對于傳統(tǒng)的磁電阻效應(yīng)大一個數(shù)量級以上。因此稱之為巨磁電阻效應(yīng)(giantmagnetoresistance，GMR)。1995年日本科學(xué)家Miyazaki等人發(fā)現(xiàn)了隧穿磁電阻效應(yīng)(Tunneling magnetoresistance，TMR)。自巨磁電阻和隧穿磁電阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來，由于其高磁場靈敏度很快被廣泛應(yīng)用到磁敏傳感器領(lǐng)域，如計算機(jī)磁頭、磁性編碼器、位置傳感器、無刷直流電機(jī)、VCD、DVD、電流計、指南針等等。到目前為止GMR和TMR技術(shù)主要應(yīng)用于信息技術(shù)領(lǐng)域，而在其他領(lǐng)域如醫(yī)學(xué)、生物、化學(xué)、環(huán)境檢測方面的應(yīng)用還相對甚少。
GMR和TMR傳感器本身所及有的一些特點(diǎn)(或優(yōu)點(diǎn))使得這種技術(shù)非常適合作為生物分子識別器件的應(yīng)用。GMR和TMR傳感器靈敏度高，適合低場信號檢測，生物分子產(chǎn)生的信號是非常微弱的，因此高靈敏度的檢測器件對于生物分子識別是非常重要的；GMR和TMR傳感器的體積小、能耗低，這樣使得采用GMR和TMR技術(shù)的生物分子識別器件的結(jié)構(gòu)更為緊湊、攜帶方便、使用壽命更長；GMR和TMR傳感器可以在一些極端的環(huán)境下(潮濕、酸堿、毒性、黑暗等)使用，這增加了基于巨磁電阻和隧穿磁電阻效應(yīng)的納米生物分子識別器件的適用范圍。
1996年，D.R.Baselt等人就提出利用GMR效應(yīng)對生物分子進(jìn)行識別的想法，1998年相關(guān)的工作正式發(fā)表，他們將這項(xiàng)技術(shù)申請了專利(USPatent 5,981,297)。國際上開展GMR生物分子識別器件研究的主要有美國海軍實(shí)驗(yàn)室的研究小組和葡萄牙里斯本高科技研究所的研究小組。美國的科學(xué)家開發(fā)了被稱為Bead Array Counter(The Bead Array Counter)的陣列式的生物傳感器，它集成了64個GMR傳感器，整個敏感區(qū)的直徑為200微米，可用來識別2.8微米的磁性標(biāo)記物，這個器件可用于DNA分子識別、生物戰(zhàn)爭中的病原體檢測等；葡萄牙的科學(xué)家采用自旋閥式的GMR傳感器陣列檢測到了250nm的磁性標(biāo)記物的信號，他們設(shè)計的器件尺寸為8×8mm2，帶有6個2×6μm2的GMR傳感器，上面集成了磁性微粒操控結(jié)構(gòu)。國內(nèi)涉及這方面的內(nèi)容的專利有兩篇，姜熙福等人在專利“生物傳感器及傳感單元陣列”(申請?zhí)?00310113330，公開號1510417)中提出了采用磁性隧道結(jié)或巨磁阻器件作為生物傳感器檢測單元的想法，陳超等人在專利“磁隧道結(jié)生物芯片載體和采用該載體的芯片及制作方法和對生物分子進(jìn)行檢測的方法”(申請?zhí)?2139363，公開號1475806)中提出了磁性隧道結(jié)作為生物芯片載體的想法，對使用該芯片進(jìn)行生物分子檢測的方法及生物分子的處理方法進(jìn)行了詳細(xì)地說明。目前生物傳感器芯片采用自旋閥式的GMR傳感器作為生物分子識別器件，巨磁阻效應(yīng)一般在5％～15％，飽和場不超過30mT，因此檢測靈敏度和監(jiān)測范圍受到限制，由于傳感器靈敏度與被探測物的距離成反比，所以盡量減小傳感器與被探測生物分子的距離是提高生物傳感器探測靈敏度的重要手段。目前GMR生物傳感器基本上采用氮化硅作為保護(hù)層，再于其上噴鍍一層金膜，進(jìn)一步在金膜上通過生物、化學(xué)的方法加工出生物膜，這幾層膜結(jié)構(gòu)加起來的厚度超過了300nm，增加了傳感器與待測點(diǎn)的距離，降低了檢測信號的強(qiáng)度。并且，氮化硅的生長、加工工藝復(fù)雜，厚度和均勻性難于控制，以其作為保護(hù)層的生物傳感器在使用時還需要預(yù)先進(jìn)行復(fù)雜的表面修飾過程。這類器件溫度穩(wěn)定性較差，能耗和背景噪聲相對較高，因此影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種高靈敏度巨磁電阻和隧穿磁電阻生物傳感器，該傳感器采用塑性材料，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、硝化纖維nitrocellulose、聚乙烯poly(ethylene)、聚四氟乙烯poly(tetrafluoroethylene)作為保護(hù)層和生物適應(yīng)層，可以將檢測信號提高27倍以上，檢測靈敏度最大可達(dá)10-5Oe。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是一種高靈敏度巨磁電阻和隧穿磁電阻生物傳感器包括GMR傳感器或者TMR傳感器和保護(hù)層，保護(hù)層覆蓋在所述GMR或TMR傳感器上；其中，所述保護(hù)層由塑性材料制成，其厚度小于100nm。
上述塑性材料為聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯polycarbonate、聚甲基丙烯酸甲酯poly(methyl methacrylate)(PMMA)、聚苯乙烯polystyrene、硝化纖維nitrocellulose、聚乙烯poly(ethylene)、聚四氟乙烯poly(tetrafluoroethylene)。
本發(fā)明采用聚二甲基硅氧烷等塑性材料作為保護(hù)層和生物適應(yīng)層，可以將檢測信號提高27倍以上，檢測靈敏度最大可達(dá)10-5Oe；相對于其他氮化硅作為保護(hù)層的傳感器而言，不僅簡化了工藝，而且降低了成本。


圖1為生物磁傳感器原理示意圖；圖2為陣列式生物傳感器及其信號處理示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是一種高靈敏度巨磁電阻和隧穿磁電阻生物傳感器，這種傳感器采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為保護(hù)層和生物適應(yīng)層，其厚度小于100nm，減小了傳感器與待測生物分子之間的距離，可以將檢測信號提高27倍以上。Polydimethylsiloxane(PDMS)中文名為聚二甲基硅氧烷，具有良好的生物適應(yīng)性和氣體通透性；良好的絕緣性和熱學(xué)穩(wěn)定性。PDMS具有很好的柔性，這樣使得它可以與相對粗糙的表面很好的接觸，PDMS還可以提供一個化學(xué)惰性的表面，可通過對其表面進(jìn)行修飾來改變其表面特性，以便進(jìn)行不同目的的生物、化學(xué)方面的研究工作；這樣，相對于其他氮化硅作為保護(hù)層的傳感器而言，簡化了工藝，降低了成本。
本發(fā)明設(shè)計上采用自旋閥式隧道結(jié)或GMR元件陣列，單個磁隧道結(jié)或GMR元件大小為微米、亞微米或納米尺寸，磁電阻效應(yīng)＞10％，檢測靈敏度為最大10-5Oe。圖2為陣列式生物傳感器及其信號處理示意圖。如圖2所示，掃描電源分別對每個小隧道結(jié)單元或GMR元件Rn10通過脈沖電流，再通過多路開關(guān)檢測每個小單元的電壓變化后，可提取出不同位點(diǎn)的響應(yīng)信號，經(jīng)過預(yù)處理、放大、濾波的過程將獲得的有用信號保存至計算機(jī)進(jìn)行分析，以獲取生物分子方面的信息；其中每一路開關(guān)對應(yīng)一個隧道結(jié)單元或GMR元件。
傳感器件加工在硅基片上，先長好隧道結(jié)或巨磁電阻薄膜，利用平面光刻技術(shù)加工相關(guān)的管腳、引線等。再覆蓋上PDMS，PDMS保護(hù)層是通過噴涂工藝加工而成的，厚度在0～100nm。
生物分子識別系統(tǒng)的工作方式是這樣的如圖1所示，GMR傳感器1上覆蓋有一層PDMS生物保護(hù)層6，操控標(biāo)記好的樣品溶液進(jìn)入傳感器件所在的生物分子識別區(qū)，傳感器件上綁定有特定的已知受體4、5，能特異的與相應(yīng)的靶分子2、3結(jié)合，如標(biāo)記好的樣品溶液含有能特異的與傳感器件上綁定的已知受體相結(jié)合的靶分子2、3，則二者結(jié)合，然后清除掉未結(jié)合的樣品，傳感器件將檢測到靶分子2、3上標(biāo)記的磁微球7產(chǎn)生的磁場信號，達(dá)到檢測出生物分子識別的目的。
本發(fā)明也可以用同聚二甲基硅氧烷(PDMS)類似的塑性材料制成，如聚碳酸酯polycarbonate、聚甲基丙烯酸甲酯poly(methyl methacrylate)(PMMA)、聚苯乙烯polystyrene、硝化纖維nitrocellulose、聚乙烯poly(ethylene)、聚四氟乙烯poly(tetrafluoroethylene)等，獲得的結(jié)果均相同。
權(quán)利要求
1.一種高靈敏度巨磁電阻和隧穿磁電阻生物傳感器，其特征在于，包括GMR傳感器或TMR傳感器和保護(hù)層，保護(hù)層覆蓋在所述GMR或TMR傳感器上；其中，所述保護(hù)層由塑性材料制成，其厚度小于100nm。
2.如權(quán)利要求1所述的高靈敏度巨磁電阻和隧穿磁電阻生物傳感器，其特征在于，所述塑性材料為聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、硝化纖維、聚乙烯、聚四氟乙烯。
3.如權(quán)利要求2所述的高靈敏度巨磁電阻和隧穿磁電阻生物傳感器，其特征在于，該傳感器由陣列式的巨磁電阻材料或隧道結(jié)材料組成，每一個材料都有一個與其對應(yīng)的開關(guān)，用于控制通過該傳感材料的電流。
4.如權(quán)利要求3所述的高靈敏度巨磁電阻和隧穿磁電阻生物傳感器，其特征在于，該生物傳感器還包括一個信號預(yù)處理電路，信號放大電路和濾波電路。
5.如權(quán)利要求4所述的生物傳感器，其特征在于，該生物傳感器最終輸出的信號通過計算機(jī)相應(yīng)的軟件處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高靈敏度巨磁電阻和隧穿磁電阻生物傳感器，包括GMR傳感器或TMR傳感器和保護(hù)層，保護(hù)層覆蓋在所述GMR或TMR傳感器上；其中，所述保護(hù)層由塑性材料制成，其厚度小于100nm。本發(fā)明采用聚二甲基硅氧烷等塑性材料作為保護(hù)層和生物適應(yīng)層，可以將檢測信號提高27倍以上，檢測靈敏度最大可達(dá)10
文檔編號G01N33/52GK1645142SQ20051000503
公開日2005年7月27日 申請日期2005年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月31日
發(fā)明者王磊, 王明, 李飛飛, 豐家峰, 韓秀峰 申請人:中國科學(xué)院物理研究所