基于ＧＭＲ的磁標(biāo)記自旋閥生物傳感器技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)及應(yīng)用前景研究

摘要：磁標(biāo)記自旋閥GMR，生物傳感器向著實(shí)時(shí)處理、多功能化、智能化、小型化、高靈敏度和準(zhǔn)確性、易操作、低價(jià)格方向發(fā)展。在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的前景非常廣闊。

關(guān)鍵詞：OME生物傳感器；磁標(biāo)記自旋閥

當(dāng)前，磁標(biāo)記自旋閥GMR生物傳感器向著實(shí)時(shí)處理、多功能化、智能化、小型化、高靈敏度和準(zhǔn)確性、易操作、低價(jià)格的方向發(fā)展。在各種生物傳感器中，磁標(biāo)記自旋閥GMR生物傳感器具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和更高的性價(jià)比，因此，其在市場(chǎng)上的前景是十分廣闊和誘人的。隨著各方面技術(shù)的發(fā)展和完善，對(duì)磁標(biāo)記自旋閥GMR生物傳感器的研究和應(yīng)用將逐漸趨于成熟，其在醫(yī)學(xué)、生物科技和環(huán)境檢測(cè)等方面必將迎來(lái)更加廣闊的前景。

一、生物傳感器

生物傳感器是由固定化的細(xì)胞、酶或共其他生物活性物質(zhì)與換能器(如電極、熱敏電阻、離子敏場(chǎng)效應(yīng)管)相配合組成的傳感器。它是近年來(lái)生物醫(yī)學(xué)和電子學(xué)、工程學(xué)相互滲透而發(fā)展起來(lái)的一種新型信息技術(shù)。生物傳感器是選用選擇性良好的生物材料作為分子識(shí)別元件，通過(guò)埋入或簡(jiǎn)單結(jié)合的途徑，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換元件將生物的或由其派生出的敏感基元與理化換能器結(jié)合起來(lái)形成的小型分析儀器。生物傳感器的研究開(kāi)端于20世紀(jì)60年代。1962年克拉克等人報(bào)道了用葡萄糖氧化酶與氧電極組合檢測(cè)葡萄糖的結(jié)果，可認(rèn)為是最早提出了生物傳感器(酶?jìng)鞲衅?的原理。

生物傳感器能把生化反應(yīng)非電參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)而加以放大、顯示、檢測(cè)等處理，因此具有成本低、體積小、特異性能強(qiáng)、靈敏度高、響應(yīng)速度快、選擇性好、可靠性強(qiáng)和使用壽命長(zhǎng)等等綜合性能指標(biāo)，它既適用于生物醫(yī)學(xué)的研究和臨床微量、超微量自動(dòng)化檢測(cè)與監(jiān)測(cè)；又適于大容量自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量控制之用。生物傳感器目前已成功地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、國(guó)防、醫(yī)藥、家用電器等多個(gè)領(lǐng)域。

1.生物傳感器的基本工作原理。生物傳感器通過(guò)生物分子識(shí)別部件將被感知物質(zhì)的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電信息。生物識(shí)別元件是生物傳感器的關(guān)鍵，它可以是酶、微生物和組織活細(xì)胞、細(xì)胞器、抗原或抗體以及某些化學(xué)受體等等。配合的生化反應(yīng)包括免疫反應(yīng)、表面離子體振子諧振、生物發(fā)光、酶反應(yīng)、養(yǎng)分或毒性引起的呼吸變化等。信號(hào)轉(zhuǎn)換元件選擇能與生物識(shí)別元件的響應(yīng)相耦聯(lián)的化學(xué)或物理傳感器。一個(gè)典型的生物傳感器應(yīng)當(dāng)由生物分子識(shí)別和信息轉(zhuǎn)換部件組合構(gòu)成。

2.生物傳感器的主要工藝。一是微電子技術(shù)、微機(jī)械加工技術(shù)；二是敏感膜固定修飾技術(shù)；三是光纖技術(shù)；四是新的封裝工藝諸如陽(yáng)極粘合、倒裝焊接，多芯片組裝等工藝。

3.生物傳感器的發(fā)展。生物傳感器則作為生物技術(shù)支撐及關(guān)鍵設(shè)備之一，必然會(huì)得到極大的發(fā)展，成為生物技術(shù)發(fā)展中出現(xiàn)的新產(chǎn)業(yè)鏈，它們將進(jìn)一步與信息技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展成為生物技術(shù)的數(shù)字工程。21世紀(jì)生物傳感器技術(shù)必將是介于信息和生物技術(shù)之間的新增長(zhǎng)點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的臨床診斷、工業(yè)控制、食品和藥物分析(包括生物藥物研究開(kāi)發(fā))、環(huán)境保護(hù)以及生物技術(shù)、生物芯片等研究中有著廣泛的應(yīng)用前景。

二、GMR生物傳感器

1988年，在法國(guó)巴黎大學(xué)物理系Fert教授科研組工作的巴西學(xué)者M(jìn).N.Baibich研究(Fe/Cr)磁性超晶格薄膜的電子輸運(yùn)性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)了巨磁阻(Giant Magnetoresistance縮寫(xiě)為GMR)效應(yīng)，即材料的電阻率隨著材料磁化狀態(tài)的變化而呈現(xiàn)顯著改變的現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)，引起了許多國(guó)家科學(xué)家的關(guān)注，巨磁電阻效應(yīng)及其材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究迅速成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。自此以后的十多年來(lái)，巨磁電阻效應(yīng)的研究發(fā)展非常迅速，并且基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究幾乎齊頭并進(jìn)，已成為基礎(chǔ)研究快速轉(zhuǎn)化為商業(yè)應(yīng)用的國(guó)際典范。目前，GMR材料已在磁傳感器、計(jì)算機(jī)讀出磁頭、磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器等領(lǐng)域得到商業(yè)化應(yīng)用。

利用GMR材料制作的傳感器稱(chēng)作巨磁阻傳感器，它具有靈敏度高、探測(cè)范圍寬、抗惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)可利用半導(dǎo)體曝光和刻蝕工藝，使該元件集成化、小型化。其性能價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他幾種磁場(chǎng)傳感器。本文綜述一種將GMR傳感器和生物技術(shù)相結(jié)合的新型傳感器——GMR生物傳感器。該傳感器應(yīng)用于生物檢測(cè)領(lǐng)域，是一種對(duì)磁標(biāo)記的生物樣本進(jìn)行檢測(cè)的傳感器。其構(gòu)成有免疫磁性微球(Immunomagnetic Beads縮寫(xiě)為IMB)、磁靈敏度高的GMR傳感器以及相關(guān)讀出電路三部分。

1.免疫磁性微球。1979年，John Ugelstad等成功地制備了一種均勻性和粒度適宜的聚苯乙烯微球。將其磁化并與抗體連接后，即成為一種分離細(xì)胞效果極佳的免疫磁標(biāo)記——Dynabeads。從此，免疫磁標(biāo)記得到廣泛應(yīng)用，并引發(fā)了生物分離技術(shù)上的一次革命。免疫磁標(biāo)記的主要特點(diǎn)有：分離速度快、效率高、可重復(fù)性好、操作簡(jiǎn)單、不需要昂貴的儀器設(shè)備、不影響被分離細(xì)胞或其他生物材料的生物學(xué)性狀和功能。

免疫磁性微球，或稱(chēng)免疫磁標(biāo)記，是表面結(jié)合有單克隆抗體的磁性微球，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究比較熱門(mén)的一種新的免疫學(xué)技術(shù)。它以免疫學(xué)為基礎(chǔ)，滲透到病理、生理、藥理、微生物、生化及分子遺傳學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，其應(yīng)用日益廣泛，尤其在免疫學(xué)檢測(cè)、細(xì)胞分離、蛋白質(zhì)純化等方面取得巨大的進(jìn)展。

免疫磁標(biāo)記技術(shù)的基本原理如下：免疫磁標(biāo)記既可結(jié)合活性蛋白質(zhì)(抗體)，又可被磁鐵所吸引，經(jīng)過(guò)一定處理后，可將抗體結(jié)合在磁標(biāo)記上，使之成為抗體的載體，磁標(biāo)記上抗體與特異性抗原物質(zhì)結(jié)合后，則形成抗原一抗體一磁標(biāo)記免疫復(fù)合物。免疫磁標(biāo)記的功能基團(tuán)主要與蛋白質(zhì)結(jié)合，但是借助親和素一生物素系統(tǒng)，還能使免疫磁標(biāo)記與非蛋白質(zhì)結(jié)合，如各種DNA，RNA分子等，從而使免疫磁標(biāo)記發(fā)揮更大作用。

2.高靈敏度的GMR傳感器。GMR傳感器檢測(cè)過(guò)程：首先，在傳感器表面生成用于特定檢測(cè)的生物探針，再使檢測(cè)試液流過(guò)傳感器表面，試液中特定的目標(biāo)分子將被探針捕獲，然后加入免疫磁性微球，免疫磁性微球與目標(biāo)分子發(fā)生作用完成標(biāo)記。

目前，由實(shí)驗(yàn)和理論研究所得出具有GMR效應(yīng)的磁有序材料主要有四種類(lèi)型：多層膜結(jié)構(gòu)、自旋閥結(jié)構(gòu)、磁性合金顆粒結(jié)構(gòu)以及顆粒一薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)。四種結(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)，而GMR生物傳感器大多采用多層膜結(jié)構(gòu)或自旋閥結(jié)構(gòu)。

3.信號(hào)檢測(cè)電路。磁電阻的變化需要轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，有兩種實(shí)現(xiàn)方式。一是惠斯通橋路結(jié)構(gòu)，另一種是采用I-V轉(zhuǎn)換法。

兩種方式的輸出信號(hào)都是在檢測(cè)信號(hào)中除去參考信號(hào)代表的背景噪聲，然后將其放大。但是由于材料、器件的物理原因產(chǎn)生的噪聲是不可能完全消除的，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)非常弱時(shí)，由于信哚比太低，上述的電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的讀出，此時(shí)必須采用鎖相放大技術(shù)才能讀出信號(hào)。

目前，對(duì)GMR生物傳感器的信號(hào)檢測(cè)大多采用市場(chǎng)上常見(jiàn)的通用型鎖相放大器，其滿刻度靈敏度可達(dá)到nV量級(jí)。

三、磁標(biāo)記自旋閥GMR生物傳感器

隨著近年來(lái)納米材料與生物檢測(cè)技術(shù)的結(jié)合，生物分子的檢測(cè)也有了重要的發(fā)展，一種基于巨磁阻(GMR)效應(yīng)，利用磁標(biāo)記俘獲和探測(cè)生物原子的磁生物傳感器——磁標(biāo)記自旋閥GMR生物傳感器，逐漸成為研究的熱點(diǎn)，為生物傳感器的研究提供了新的發(fā)展方向。

磁標(biāo)記自旋閥GMR生物傳感器具有靈敏度高、生物特異性好、適于自動(dòng)化分析及可實(shí)時(shí)檢測(cè)等特點(diǎn)，在科學(xué)研究和免疫診斷應(yīng)用等方面有其獨(dú)特的技術(shù)價(jià)值和科學(xué)意義，因此，近年來(lái)其發(fā)展十分迅速，并且取得眾多可喜的成果。

1.磁標(biāo)記自旋閥GMR生物傳感器的工作原理。磁標(biāo)記自旋閥GMR傳感器使用夾心標(biāo)記法，用磁微球標(biāo)記作為標(biāo)記物，以自旋閥GMR磁敏感元件進(jìn)行檢測(cè)，其工作原理如下：

(1)被測(cè)對(duì)象磁性化：特異性抗原物質(zhì)先與傳感器上的一抗結(jié)合，后結(jié)合磁微球標(biāo)記的二抗，即具有超順磁性的納米磁珠，最終結(jié)合成穩(wěn)定的一抗/抗原/二抗的夾層式聯(lián)合體；

(2)施加一定的驅(qū)動(dòng)力(如施加梯度磁場(chǎng))，除去未結(jié)合的磁珠；

(3)施加交流磁場(chǎng)，磁化磁珠形成磁邊緣場(chǎng)使對(duì)磁場(chǎng)敏感的傳感器元件的電阻值發(fā)生改變，輸出響應(yīng)信號(hào)，這樣，由生物識(shí)別的免疫化學(xué)反應(yīng)信號(hào)就可轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢硇盘?hào)輸出，進(jìn)而確定磁珠的具體位置及密度。

2.磁標(biāo)記自旋閥GMR生物傳感器的研究進(jìn)展及應(yīng)用前景。1998年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室的Dayid R.Baselt等人研制出了第一個(gè)磁標(biāo)記自旋閥GMR生物傳感器。但由于信噪比的限制，當(dāng)時(shí)只能實(shí)現(xiàn)每80×5μm²的區(qū)域上探測(cè)到直徑為2.8μm的一個(gè)磁珠。此后，世界各地的研究機(jī)構(gòu)延續(xù)這種構(gòu)思，大力研究和開(kāi)發(fā)磁標(biāo)記自旋閥GMR生物傳感器，其研究思路可分為對(duì)磁珠密度的探測(cè)和對(duì)單一磁珠的探測(cè)兩方面。前者用于醫(yī)學(xué)診斷、免疫分析、環(huán)境檢測(cè)、生物化學(xué)戰(zhàn)的快速預(yù)警、流行性病毒的快速檢測(cè)和診斷分析等領(lǐng)域，后者則用于細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、蛋白質(zhì)研究等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。

磁生物傳感器在實(shí)際應(yīng)用中具有廣闊的市場(chǎng)前景，而決定其在市場(chǎng)上有無(wú)競(jìng)爭(zhēng)力的一大因素就是性價(jià)比。現(xiàn)有的磁生物傳感器包括超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)(SQUID)、霍爾元件、各項(xiàng)異性(AMR)生物傳感器和磁標(biāo)記自旋閥GMR生物傳感器等。雖然超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)具有相對(duì)高的靈敏度，但是需要在低溫下操作，而且儀器昂貴，不能大范圍普及；而霍爾元件和各向異性(AMR)生物傳感器因其所探測(cè)的磁場(chǎng)范圍相對(duì)較小，也未能很好的應(yīng)用。然而，磁標(biāo)記自旋閥GMR生物傳感器與一般磁生物傳感器相比，有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

(1)磁阻材料的優(yōu)勢(shì)：一是要實(shí)現(xiàn)弱磁場(chǎng)下微弱生物信號(hào)的探測(cè)，除了靈敏度高以外，還要求磁阻材料的磁電阻率高，且飽和磁電阻率所對(duì)應(yīng)的飽和磁場(chǎng)低。各種磁阻材料中，自旋閥GMR是磁生物傳感器的理想選擇；二是自旋閥GMR材料具有高交換場(chǎng)、低矯頑力，而且磁電阻曲線有比較大的線性范圍，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的探測(cè)。

(2)磁標(biāo)記的優(yōu)勢(shì)：一是磁標(biāo)記非常穩(wěn)定，不受化學(xué)反應(yīng)或光漂白的影響；二是通過(guò)施加磁場(chǎng)，磁標(biāo)記能實(shí)現(xiàn)在芯片上的操縱，可用以進(jìn)行分子定位或識(shí)別；三是靈敏度高，有望不必通過(guò)聚合酶鏈反應(yīng)(Polymerase Chain Reaction，PCR)擴(kuò)增即可實(shí)現(xiàn)生物信息從樣品中的提取；四是強(qiáng)磁場(chǎng)能夠移除帶有磁標(biāo)記的被分析物，從而確保生物傳感器可重復(fù)使用。

(3)工藝方面的優(yōu)勢(shì)：一是磁標(biāo)記自旋閥GMR生物傳感器可用光刻蝕方法進(jìn)行微加工；二是與IC工藝兼容，可直接將生物信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并加以檢測(cè)，適于自動(dòng)化分析，且不必依賴于昂貴、高精度的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。

(4)操作上的優(yōu)勢(shì)：一是不僅方便、靈敏、快捷、且集成度高，因而在快速和大批量的生物檢測(cè)中非常有價(jià)值；二是便攜式室；三是單片多通量檢測(cè)。

此外，磁標(biāo)記自旋閥GIVR生物傳感器較之其他生物傳感器具有更高的性價(jià)比，因此，在市場(chǎng)上的前景是十分廣闊和誘人的。