自旋閥GMR傳感器及免疫磁珠檢測

楊　峰

(四川文理學(xué)院 國有資產(chǎn)管理處，四川 達(dá)州 635000)

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自旋閥GMR傳感器及免疫磁珠檢測

楊峰

(四川文理學(xué)院 國有資產(chǎn)管理處，四川 達(dá)州 635000)

摘要:巨磁阻(GMR)生物傳感器的直接檢測對象是免疫磁珠，對免疫磁珠的檢測水平直接決定著生物樣品檢測的質(zhì)量. 因此，基于GMR生物傳感器的免疫磁珠檢測研究具有重要意義. 本文介紹了自旋閥GMR生物傳感器對免疫磁珠檢測的原理； 利用課題組自行研制的自旋閥GMR芯片搭建免疫磁珠檢測系統(tǒng)； 用搭建的檢測系統(tǒng)進(jìn)行了免疫磁珠檢測實驗. 實驗結(jié)果表明： 自旋閥GMR傳感器表面的免疫磁珠濃度越大時，其輸出信號的變化量也越大.

關(guān)鍵詞:巨磁阻； 自旋閥； 生物檢測； 免疫磁珠； 生物傳感器

0引言

巨磁阻生物傳感器主要由GMR傳感器和信號檢測電路組成，其檢測對象是含有免疫磁珠標(biāo)記的生物樣品[1]. GMR傳感器具有靈敏度高、 探測范圍寬、 抗惡劣環(huán)境和制備成本低等優(yōu)點[2,3]，而且可以采用現(xiàn)有的微電子加工工藝制造，使得GMR傳感器易于集成化. 目前，巨磁阻材料有多層膜、 自旋閥和隧道結(jié)等多種結(jié)構(gòu)類型，用它們制作的GMR傳感器均可用于生物樣品的探測[4-8].

用GMR生物傳感器進(jìn)行生物檢測的一般步驟是： ① 在傳感器表面固定用于特定檢測的生物探針； ② 將生物樣品的目標(biāo)分子與免疫磁珠結(jié)合完成磁標(biāo)記； ③ 當(dāng)完成磁標(biāo)記的待測生物樣品試液流過傳感器表面時，樣品試液中的目標(biāo)生物成分將被固定在傳感器表面的生物探針捕獲； ④ 在施加的外部激勵磁場的作用下免疫磁珠產(chǎn)生附加磁場，它會使GMR傳感器輸出信號發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對生物樣品的探測[9]. 可見GMR傳感器的直接檢測對象是免疫磁珠，對免疫磁珠的檢測水平將直接決定著對生物樣品的檢測質(zhì)量.

1自旋閥GMR傳感器檢測免疫磁珠的原理

1.1自旋閥GMR傳感器

本實驗中所使用的GMR芯片是半橋結(jié)構(gòu)形式的，包含兩個自旋閥結(jié)構(gòu)GMR. 兩個自旋閥GMR的敏感軸相互平行，但是它們的釘扎方向相反. 當(dāng)無外磁場時它們的電阻值大致相等. 首先將GMR芯片粘貼在事先根據(jù)它的引腳特點制作好的PCB板上. 然后采用線徑為50 μm的金線將電極引出，再焊接到PCB板的電極上，以便于從PCB板上更大的電極上引出連接線. 最后，利用兩個普通電阻與GMR芯片的兩個磁電阻構(gòu)成惠斯通電橋. 為了使設(shè)計的惠斯通電橋在沒有外磁場時輸出為零，需要調(diào)整外加的兩個電阻的阻值使電橋處于平衡狀態(tài). 圖1 為GMR芯片實物圖.

設(shè)計好的GMR惠斯通電橋原理如圖2 所示，R1和R2為自旋閥結(jié)構(gòu)的GMR，它們的電阻值在無外磁場時相等，敏感方向互為反平行. 當(dāng)外加磁場的方向與自旋閥GMR的敏感方向相同時，其電阻值增大； 當(dāng)外加磁場的方向與自旋閥GMR的敏感方向相反時，其電阻值減小. 對于同一大小、 方向的外磁場，兩個自旋閥GMR的電阻值變化量相等. 這樣設(shè)計芯片是為了提高傳感器輸出信號的靈敏度.R3和R4為普通電阻. 沒有磁場時，惠斯通電橋處于平衡狀態(tài)，沒有信號輸出.

圖1　GMR芯片實物圖Fig.1　Picture of the GMR chip

圖2　GMR惠斯通電橋原理圖Fig.2　Principle diagram of the GMR Wheatstone Bridge

在電橋a，b兩端施加直流電壓Vd. 當(dāng)在平行于自旋閥GMR的敏感方向施加磁場H時，R1和R2的電阻值將發(fā)生變化，一個增大另一個減小，設(shè)變化量為ΔR0，則有

(1)

而R3和R4的電阻值不隨外加磁場而變化，設(shè)其阻值為R，那么有

(2)

電橋c，d兩端的輸出電壓信號為

(3)

設(shè)在某一磁場大小范圍內(nèi)，自旋閥GMR的電阻值的變化量ΔR0與磁場B之間存在一個線性變化關(guān)系

(4)

式中： k為常量. 將式(4)帶入式(3)中，則有

(5)

式中：k,Vd和R0都為常量，所以，自旋閥GMR傳感器的輸出電壓信號與外加磁場成正比關(guān)系.

1.2免疫磁珠檢測的原理

圖3　免疫磁珠檢測原理圖Fig.3　The principle diagram of immune magnetic beads detection

免疫磁珠具有超順磁性[10]，也就是當(dāng)有外磁場時顯示有磁性，而沒有磁場時不顯磁性. 當(dāng)對放置在GMR傳感器表面的免疫磁珠施加激勵磁場時，免疫磁珠就會產(chǎn)生感應(yīng)磁場. 當(dāng)沿著GMR的敏感方向施加外磁場B時，免疫磁珠在GMR傳感器表面產(chǎn)生的感應(yīng)磁場B′與外磁場B的方向相反，就會削弱外磁場B對GMR傳感器的作用，如圖3 所示.

在用自旋閥GMR傳感器對免疫磁珠進(jìn)行檢測時，它的輸出信號可以近似看成是單個免疫磁珠引起的自旋閥GMR傳感器輸出信號的累加. 由式(5)可得單個免疫磁珠時輸出信號的變化量為

(6)

當(dāng)GMR傳感器表面有n個免疫磁珠時，其輸出信號的變化量為

(7)

所以，當(dāng)自旋閥GMR表面上免疫磁珠的數(shù)量越多時，施加免疫磁珠前后自旋閥GMR傳感器輸出信號的變化量就越大. 反過來也可以通過比較施加免疫磁珠前后GMR傳感器輸出信號變化的大小，來確定免疫磁珠的濃度或數(shù)量信息.

2實驗及結(jié)果分析

2.1自旋閥GMR傳感器特性測試

用自旋閥GMR傳感器做免疫磁珠檢測實驗之前，需要確定惠斯通電橋自旋閥GMR傳感器的輸出特性，即找出傳感器的輸出電壓信號與外加磁場之間的變化曲線，確定出傳感器的線性工作區(qū)域.

我們設(shè)計制作了亥姆霍茲線圈，并搭建測試平臺. 采用+5V直流電壓源為自旋閥GMR傳感器供電，并將其放置在亥姆霍茲線圈中央，使自旋閥巨磁電阻的敏感軸與亥姆霍茲線圈的主軸平行，如圖4 所示. 亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的均勻磁場的方向就平行于巨磁電阻的敏感軸.

圖4　自旋閥GMR傳感器特性測試Fig.4　Characteristics test of the spin valve GMR sensor

圖5　自旋閥GMR傳感器特性曲線Fig.5　Characteristic curve of the spin valve GMR sensor

用恒流源對亥姆霍茲線圈供電，改變通過亥姆霍茲線圈的電流的大小就可以改變磁場的大小. 磁場的大小用高斯計實時測量，用電壓表測量自旋閥GMR傳感器輸出電壓信號的大小. 這樣就可以測出自旋閥GMR傳感器的輸出電壓信號與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系，確定其線性變化區(qū)域.

實驗時，首先在磁場為0～30Gs范圍內(nèi)每隔1Gs取一點，得到自旋閥GMR傳感器的輸出電壓信號與外加磁場之間的關(guān)系曲線，如圖5 所示. 當(dāng)外磁場為零時，傳感器有0.7mV的電壓信號輸出，這是由于電橋的各臂電阻不是完全精確匹配造成的. 由測試曲線可以看出，自旋閥GMR傳感器在外加磁場為14～18Gs范圍內(nèi)存在線性區(qū)，且在該區(qū)域內(nèi)自旋閥GMR傳感器的靈敏度也最高.

為了更加精確地確定出自旋閥GMR傳感器的線性區(qū)，實驗條件不變，但是外加磁場從14～18Gs之間每隔0.1Gs取一點，記錄下對應(yīng)的傳感器輸出電壓信號，得出輸出電壓-外加磁場關(guān)系曲線，如圖5 左上角. 從圖5 中可以看到自旋閥GMR傳感器的輸出電壓信號與外加磁場之間存在著很好的線性對應(yīng)關(guān)系. 在該區(qū)間作線性擬合得出的擬合直線為

(8)

由式(8)可見擬合直線的斜率為11.393 55，即磁場每變化1Gs，自旋閥GMR傳感器的輸出信號變化11.393 55mV. 擬合直線的線性相關(guān)度為0.999 7，可以認(rèn)為在磁場為14～18Gs范圍內(nèi)，傳感器的輸出電壓信號與外加磁場成正比關(guān)系.

2.2免疫磁珠檢測

用直流電源為亥姆霍茲線圈供電，產(chǎn)生一個17Gs的均勻磁場，使自旋閥GMR傳感器工作在線性區(qū). 用高精度數(shù)字電壓表測量傳感器的輸出電壓.

實驗采用的是粒徑為3～4μm的聚苯乙烯免疫磁性微球. 用乙醇按一定比例將其稀釋后，由單道移液器注入到GMR傳感器表面上. 圖6 為顯微鏡下觀察到的自旋閥GMR傳感器表面的磁珠分布情況.

沒有加入免疫磁珠時，自旋閥GMR傳感器有一個基底信號V1輸出. 當(dāng)注入的次數(shù)越多時，傳感器表面的免疫磁珠數(shù)就越多，其產(chǎn)生的感應(yīng)磁場也就越大. 設(shè)傳感器的輸出信號為V2. 根據(jù)第二部分的理論可知，免疫磁珠在自旋閥GMR傳感器表面產(chǎn)生的感應(yīng)磁場方向與外加激勵磁場的方向相反，即感應(yīng)磁場削弱了外磁場的作用，所以有V2

圖6　GMR傳感器表面的磁珠Fig.6　The exterior magnetic beads of GMR sensor

試驗次數(shù)輸出信號V2/mV變化量ΔV/mV160.872.13259.573.43358.394.61457.025.98555.957.05

由實驗結(jié)果可見，當(dāng)向傳感器表面注入免疫磁珠時，傳感器的輸出信號有明顯的變化. 且隨著注入免疫磁珠次數(shù)越多(即傳感器表面免疫磁珠的數(shù)量越多)，傳感器輸出信號的變化量也越大.

3結(jié)束語

設(shè)計制作了惠斯通電橋自旋閥GMR傳感器，并對其進(jìn)行特性測試，找出它的線性工作區(qū)； 然后在傳感器的線性工作區(qū)內(nèi)，進(jìn)行了免疫磁珠檢測實驗，實驗結(jié)果表明： 當(dāng)傳感器表面上免疫磁珠數(shù)量增多時，傳感器輸出信號的變化量也越大，與理論分析相符合.

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Spin Valve GMR Sensor and Immune Magnetic Beads Detection

YANG Feng

(National Asset management Office, Sichuan University of Arts and Science, Dazhou 635000, China)

Abstract:The direct detection object of the GMR biosensor is immune magnetic beads, and the level of immune magnetic beads detection directly decides the quality of biological sample detection. Therefore, the research of immune magnetic beads detection based on GMR biosensor is of great significance. First, this paper introduces the principle of immune magnetic beads detection by using Spin Valve GMR sensor; Then, built the immune magnetic beads detection system with the spin valve GMR chip, which was developed by our research group; Finally, immune magnetic beads detection experiment was carried out on the detection system. The experiment results show that: when the concentration of immune magnetic beads on the surface of the spin valve GMR sensor is higher,the output signal variation is greater.

Key words:GMR; spin valve; biological detection; immune magnetic beads; biosensor

中圖分類號:TP212.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.02.007

作者簡介：楊峰(1986-)，男，碩士生，主要從事儀器科學(xué)與技術(shù)及其應(yīng)用研究.

基金項目：四川文理學(xué)院青年啟動項目資助(2014Z006Q).

收稿日期:2015-08-10

文章編號:1671-7449(2016)02-0132-05