專利名稱：用于測(cè)量微陣列上磁性納米粒子面密度的傳感器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于感應(yīng)隨機(jī)放置的納米尺度的磁性粒子的方法和裝置。尤其涉及磁性探測(cè)裝置和將生物分子結(jié)合在微陣列或生物芯片上的方法。
微陣列或生物芯片的引入正使對(duì)DNA(脫氧核糖核酸)、RNA(核糖核酸)和蛋白質(zhì)的分析發(fā)生巨大變化。應(yīng)用有例如人類基因型分析(genotyping)(例如在醫(yī)院或通過各個(gè)醫(yī)生或護(hù)士)，細(xì)菌的篩選(bacteriological screening)、生物學(xué)和藥理學(xué)研究。
生物芯片，也被稱作生物傳感器芯片、生物學(xué)微芯片、基因芯片或DNA芯片，其最簡(jiǎn)單的形式包括襯底，在該襯底上附著了大量不同的探針分子在芯片上良好確定區(qū)域上，待分析的分子或分子片段能夠結(jié)合到探針分子上，如果它們能很好的匹配。例如，DNA分子片段結(jié)合到一個(gè)單獨(dú)的互補(bǔ)的DNA(c-DNA)分子片段上。結(jié)合反應(yīng)的發(fā)生可以被探測(cè)到，例如通過使用耦合到待分析分子上的熒光標(biāo)記。這提供了在短時(shí)間內(nèi)分析大量平行的不同分子或分子片段中的少量的能力。一個(gè)生物芯片可以控制對(duì)1000個(gè)或更多不同的分子片段的化驗(yàn)。作為例如人類基因工程以及對(duì)基因和蛋白質(zhì)的功能的后續(xù)研究的結(jié)果，希望在后十年，可從生物芯片的使用得到的信息的有用性快速地增加。
Motorola的子公司Clinical Micro Sensors(CMS)已經(jīng)證明了一種用于電子探測(cè)樣品分子與探針分子的結(jié)合的方法，D.H.Farkas在“DNA的生物電探測(cè)以及分子診斷的自動(dòng)化”(Bioelectricdetection of DNA and the automation of moleculardiagnostics)，The Journal of the Association for LaboratoryAutomation，volume 4，number 5(1999)，pp.20-24中描述了該方法。他們發(fā)展了一種“生物電學(xué)DNA探測(cè)芯片”。該原理需要使用二茂鐵標(biāo)記分子，二茂鐵標(biāo)記分子是電子的源或接收器。俘獲探針附著到生物芯片上的敷金的電極上。俘獲探針是與目標(biāo)DNA或RNA序列的一唯一區(qū)域互補(bǔ)的單股的DNA。當(dāng)含有目標(biāo)DNA的樣品被放入卡盤，電極表面上特定的俘獲探針遇到來自樣品的互補(bǔ)DNA。然后發(fā)生結(jié)合、或雜化作用。系統(tǒng)還包含被稱作信號(hào)探針的DNA序列，其上附著專有的電子標(biāo)記。這些信號(hào)探針也與目標(biāo)DNA序列結(jié)合。目標(biāo)序列與俘獲探針和信號(hào)探針的結(jié)合將電子標(biāo)記連接到表面。當(dāng)一個(gè)小的AC電壓加在電極和芯片上的溶液之間時(shí)，由于標(biāo)記釋放電子，產(chǎn)生能夠通過電極探測(cè)到的特征信號(hào)，通過分子束縛其上的電極的AC電流的發(fā)生，分子片段的結(jié)合被探測(cè)到。這說明了目標(biāo)DNA的存在。在此概念中，該信號(hào)與發(fā)生的結(jié)合反應(yīng)的絕對(duì)數(shù)量成比例。每周期每個(gè)結(jié)合的DNA/c-DNA對(duì)流過的電子的數(shù)量很少(幾個(gè)或幾十個(gè))。前面提到的文章中提到實(shí)際的電流在pA到μA的范圍，不幸的是沒有規(guī)定電極的面積或結(jié)合對(duì)的絕對(duì)數(shù)量(假設(shè)數(shù)量很大)。使用專有信號(hào)處理技術(shù)對(duì)目標(biāo)DNA序列識(shí)別和定量。
第二原理是Bead Array Counter(BARC)生物芯片，D.R.Baselt在“基于磁阻技術(shù)的生物傳感器”(A biosensor based onmagnetoresistance technology)，Biosensors & Bioelectronics13，731-739(1998)中；R.L.Edelstein等在“應(yīng)用于生物競(jìng)爭(zhēng)試劑探測(cè)的BARC生物傳感器”(The BARC biosensor applied to thedetection of biological warfare agents)，Biosensors &Bioelectronics 14，805(2000)中；以及M.M. Miller等在“使用磁性微滴和磁電子探測(cè)的DNA陣列傳感器”(A DNA array sensorutilizing magnetic microbeads and magnetoelectronicdetection)，Journal of Magnetism and Magnetic Materials 225(2001)，pp.138-144中描述了該第二原理。
使用磁阻性材料生產(chǎn)粗糙的、單一成分的微制造的探測(cè)器，將同時(shí)監(jiān)測(cè)幾百、幾千甚至幾百萬(wàn)個(gè)實(shí)驗(yàn)。如

圖1所示，探測(cè)器100具有由個(gè)多微尺寸的磁阻傳感器101構(gòu)成的陣列。為清楚起見，只示出了兩個(gè)探針位置，每個(gè)探針位置有一個(gè)GMR傳感器。這些傳感器101位于襯底表面下很小的深度(＝氮化硅Si3N4鈍化層102加上相對(duì)薄的金層103的厚度)，該襯底表面上附著兩個(gè)探針DNA 104。生物素樣品(biotinylated sample)DNA 105與探針DNA104結(jié)合，如果該對(duì)形成的核苷酸序列是互補(bǔ)的。在探針-樣品DNA雜化作用發(fā)生以后，向溶液中加入自由浮動(dòng)的磁性抗生蛋白鏈菌素覆蓋的微滴106。這些滴通過形成抗生蛋白鏈菌素-生物素鍵結(jié)合到已經(jīng)與探針DNA雜化的樣品DNA上。因此如果存在具有與兩個(gè)探針104都互補(bǔ)的序列的樣品DNA105，樣品DNA105將使滴106附著到傳感器101上。所用的滴106的直徑在1μm的量級(jí)。在滴106中存在納米尺度的磁性粒子(圖中未標(biāo)出)，由于它們的小尺寸這些磁性粒子是超順磁性的。這些納米尺寸的粒子通常是氧化鐵，并分散在聚合物或氧化硅基體內(nèi)、疊層在或敷有聚合物或氧化硅基體，從而形成直徑約1μm的滴。通過使用結(jié)合小的場(chǎng)梯度的小磁場(chǎng)或通過使用緩沖溶液清洗除去沒有結(jié)合的滴。然后，通過在相對(duì)小的、已知的垂直于襯底平面的外磁場(chǎng)下磁化該粒子，在生物芯片上結(jié)合滴的存在被探測(cè)到。
雖然上面給出的例子是用于DNA的探測(cè)，其它的分子例如蛋白質(zhì)也可以通過現(xiàn)有技術(shù)BARC生物芯片探測(cè)。
在上面提到的文章中，通過使用襯底中的巨磁阻(GMR)半惠斯通電橋型傳感器探測(cè)粒子的存在，電阻隨所加場(chǎng)變化的曲線如圖2所示。該半惠斯通電橋包括滴出現(xiàn)在其上的一個(gè)敏感部分，以及滴不存在其上的一個(gè)參考部分。如圖2所示，所用GMR材料的電阻隨場(chǎng)變化的曲線在零場(chǎng)附近幾乎是對(duì)稱的，所以場(chǎng)方向的符號(hào)沒有測(cè)量。GMR材料的電阻響應(yīng)于所施加的正的或負(fù)的場(chǎng)減小大約相同的量。從圖2中可以看到在GMR材料中有一定的磁滯現(xiàn)象，該磁滯現(xiàn)象尤其出現(xiàn)在零場(chǎng)附近。因此，精確探測(cè)小磁場(chǎng)幾乎不可能。
雖然BARC生物芯片原理有用，但是D.R.Baselt在“基于磁阻技術(shù)的生物傳感器”(A biosensor based on magnetoresistancetechnology)，Biosensors & Bioelectronics13，731-739(1998)中的圖9中給出的結(jié)果表現(xiàn)了差的信噪比(SNR)。主要問題在于大(1μm尺度)的滴在溶液中擴(kuò)散慢，所以即使留出相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間用于滴和樣品DNA的結(jié)合，也只有相對(duì)少數(shù)的滴會(huì)與雜化的樣品分子結(jié)合，導(dǎo)致弱的信號(hào)。其次，這些滴本身的磁矩具有一定的分布(在給定的電場(chǎng)下)，當(dāng)每個(gè)傳感器上只出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)滴時(shí)這將負(fù)面影響信噪比。正如作者所說明的，可以通過使用更小的傳感器表面積加強(qiáng)單個(gè)滴測(cè)量的信噪比。然而，當(dāng)使用每個(gè)探針多個(gè)傳感器時(shí)，所需的電子電路變得很復(fù)雜。此外，約1μm的大的磁性粒子的緩慢的布朗運(yùn)動(dòng)意味著磁性粒子需要很長(zhǎng)時(shí)間才能到達(dá)結(jié)合位置。這樣，實(shí)際測(cè)量需要很長(zhǎng)時(shí)間。
Tondra等在“使用巨磁阻傳感器探測(cè)固定的超順磁性納米球化驗(yàn)標(biāo)簽的模式”(Model for detection of immoblizedsuperparamagnetic nanosphere assay labels using giantmagnetoresistive sensors)，J. Vac. Sci.Technol. A 18(4)，Jul/Aug 2000，pp.1125-1129中描述到只要達(dá)到一定的條件，GMR傳感器就能夠探測(cè)任何尺寸的單個(gè)順磁性的滴，其中一條是該傳感器尺寸大約與該滴是同樣的尺寸。滴的半徑為500nm時(shí)該條件易于達(dá)到。通過克服GMR傳感器制作中的技術(shù)困難減小滴半徑到100nm是可能的。進(jìn)一步減小滴半徑到10nm據(jù)說既需要GMR傳感器的制作的進(jìn)步，也需要滴的制作技術(shù)的進(jìn)步。這種辦法的缺點(diǎn)是需要在遠(yuǎn)低于0.5μm的尺度上將探針區(qū)域相對(duì)于GMR傳感器精確定位。
Chemla等在文章“用于同類免疫測(cè)定的超靈敏磁性生物傳感器”(Ultrasensitive magnetic biosensor for homogeneousimmunoassay)，PNAS，December 19，2000，Vol.97，no.26中描述了使用磁性納米粒子的基于SQUID的傳感器。施加面內(nèi)磁場(chǎng)以使附著在襯底上固定區(qū)域上的磁性納米粒子的磁矩不隨機(jī)化。該固定區(qū)域位于井中并且其中以Mylar板為例做了描述。然后將場(chǎng)關(guān)掉。附著的納米粒子的磁偶極子根據(jù)Néel機(jī)制的弛豫產(chǎn)生持續(xù)幾秒的可測(cè)量的通過SQUID的磁通量對(duì)時(shí)間的依賴關(guān)系。該通量被靠近固定區(qū)域邊緣放置的SQUID探針探測(cè)。根據(jù)布朗運(yùn)動(dòng)液體中的超順磁性納米粒子可自由運(yùn)動(dòng)，并且由于沒有施加場(chǎng)而不產(chǎn)生磁場(chǎng)。SQUID通量探測(cè)器的缺點(diǎn)在于它們很貴并且只能在低溫的溫度下工作。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供具有加強(qiáng)的信噪比的用于準(zhǔn)確探測(cè)生物芯片中的磁性粒子的方法和器件。
本發(fā)明的另一目的是提供一種用于探測(cè)生物芯片中的磁性粒子的快速的方法以及相應(yīng)的器件。
本發(fā)明還有一目的是提供用于探測(cè)磁性粒子的方法和器件，其簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)，尤其是不需要各個(gè)的磁性滴相對(duì)于傳感器精確定位。
根據(jù)本發(fā)明，上述目的這樣實(shí)現(xiàn)，通過用于確定直接或間接耦合到目標(biāo)的磁性納米粒子的存在或面密度的磁阻傳感器器件，該磁阻傳感器器件包括襯底，該襯底上附著能夠選擇性結(jié)合目標(biāo)的結(jié)合位置，以及用于檢測(cè)至少當(dāng)耦合到目標(biāo)時(shí)探測(cè)磁性納米粒子的磁場(chǎng)的磁阻傳感器，其中該磁阻傳感器包括第一和第二磁阻感應(yīng)元件對(duì)或第一和第二磁阻感應(yīng)元件組，每一對(duì)與具有至少一個(gè)結(jié)合位置的探針元件關(guān)聯(lián)并與其平行放置，第一和第二磁阻元件或第一和第二磁阻感應(yīng)元件組的輸出供應(yīng)給比較器電路。
本發(fā)明還包括確定襯底上的磁性納米粒子的存在或測(cè)量襯底上的磁性納米粒子的面密度的方法，包括步驟-結(jié)合目標(biāo)到襯底上的選擇性結(jié)合位置，該目標(biāo)使用磁性納米粒子直接或間接標(biāo)記，-感應(yīng)結(jié)合到結(jié)合位置上的磁性納米粒子的存在從而確定用磁性納米粒子標(biāo)記的目標(biāo)的存在或密度，-其中感應(yīng)步驟通過使用磁阻傳感器元件提取兩個(gè)信號(hào)并且確定這兩個(gè)信號(hào)的不同而進(jìn)行，這兩個(gè)信號(hào)來自結(jié)合到一個(gè)結(jié)合位置的納米粒子產(chǎn)生的磁場(chǎng)。
探針區(qū)域和磁阻(MR)傳感器元件的長(zhǎng)和寬的尺寸比其存在和濃度待測(cè)的磁性納米粒子的直徑大很多，該探針區(qū)域即芯片上附著例如抗體的探針元件的區(qū)域。納米粒子的直徑可以在例如1到250nm之間，優(yōu)選在3到100nm之間，最優(yōu)選在10到60nm之間。對(duì)于這樣小的粒子，擴(kuò)散是快的。傳感器元件的長(zhǎng)和寬的尺寸至少是納米粒子的直徑的10倍或更多，優(yōu)選100倍或更多，例如1μm×1μm。對(duì)于傳感元件其它尺寸也是可以的。如果使用不同的尺寸，就會(huì)獲得不同的S/N比。
術(shù)語(yǔ)“微陣列”或“生物芯片”指在平的表面上產(chǎn)生的陣列，該表面組成可通過其位置或在陣列上的x-y坐標(biāo)識(shí)別的若干分立的反應(yīng)或培育室。這種陣列適用于特定結(jié)合對(duì)的成分之間的特定結(jié)合特性的評(píng)估的化驗(yàn)。本發(fā)明非常適合競(jìng)爭(zhēng)分析法或置換分析法。從下面結(jié)合附圖的詳細(xì)的描述中本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，其以舉例的方式說明本發(fā)明的原理。該說明只是為了例子給出，并不限定本發(fā)明的范圍。下面引用的參考圖是指附圖。
圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的BARC芯片的示意圖。
圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的多層GMR傳感器器件的對(duì)所施加的場(chǎng)的響應(yīng)(電阻)曲線。
圖3是生物芯片的透視圖。
圖4A、4B和4C示出了設(shè)有能夠選擇性結(jié)合目標(biāo)樣品的結(jié)合位置的探針元件的詳圖，以及磁性納米粒子以不同方式直接或間接與目標(biāo)樣品的結(jié)合。
圖4D示出了競(jìng)爭(zhēng)性化驗(yàn)的示意圖。
圖5A是圖3中的芯片上的探針區(qū)域的實(shí)施例根據(jù)圖3中的A-A’的剖面圖。
圖5B是圖3中的芯片上的探針區(qū)域的另一實(shí)施例根據(jù)圖3中的A-A’的剖面圖。
圖5C是根據(jù)本發(fā)明的多層GMR傳感器元件的對(duì)所施加的場(chǎng)的響應(yīng)曲線。點(diǎn)示意性地表示每個(gè)磁阻傳感器元件的punt R(H)值。
圖6說明了一種裝置，其中兩個(gè)具有鐵磁芯的線圈用來磁化磁性納米粒子。
圖7示意性地表示惠斯通電橋。
圖8示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的惠斯通電橋的結(jié)構(gòu)，其中所有部分磁性相等。
圖9A和9B分別示出了用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的適合的GMR結(jié)構(gòu)的第一和第二例。
圖10示出了可探測(cè)面密度的上限和下限與磁性粒子的直徑之間的函數(shù)關(guān)系圖。
圖11是說明在GMR傳感器元件的平面內(nèi)的納米粒子的磁場(chǎng)的x分量的圖。
圖12示意性示出了在多個(gè)磁性傳感器元件上的多步結(jié)構(gòu)。
在不同的圖中，相同的參考數(shù)字表示相同或相似的元件。
將就特定的實(shí)施例并參照附圖描述本發(fā)明，但是本發(fā)明并不局限于這些，本發(fā)明僅由權(quán)利要求限定。例如，將參照兩個(gè)磁阻傳感器元件用于每一探針元件描述本發(fā)明，但是本發(fā)明并不僅限于此。例如，可以使用4、6或甚至更多偶數(shù)的傳感器元件用于每一探針元件，并且分成兩組。然后每一組的輸出被傳輸?shù)轿⒎直容^器或加法電路。所述的圖只是示意性的并不具有限定性。圖未按比例畫。
后面的詳細(xì)描述給出具有下面規(guī)定的非限定的例子。
a)生物芯片的面積是1×1mm2，b)在生物芯片面積上有100個(gè)不同的探針，每一探針的面積(寬W1×長(zhǎng)l)為10-2mm2(例如100μm×100μm)，c)在3分鐘的總時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)100次對(duì)每個(gè)探針元件上納米粒子的存在或不存在和/或納米粒子的密度的測(cè)量。
本發(fā)明不限于具有給定尺寸和值的這種系統(tǒng)，本發(fā)明僅由權(quán)利要求限定。
如圖3所示，生物芯片1包括襯底3，在襯底3的表面上至少有一個(gè)，優(yōu)選有多個(gè)探針區(qū)域5。每一探針區(qū)域5包括在至少部分其表面上的優(yōu)選是條形的探針元件7，如圖5A和圖5B中的兩個(gè)實(shí)施例所示，下面將對(duì)其解釋。
如圖4A、4B和4C、4D所示，探針元件7設(shè)有例如結(jié)合分子或抗體的結(jié)合位置9，該結(jié)合位置9能夠選擇性地結(jié)合例如目標(biāo)分子物種或抗原的目標(biāo)樣品11。任何能夠與基體耦合的生物分子在此應(yīng)用中都有潛在的應(yīng)用。例子如下-核酸雙股或單股DNA、RNA或DNA-RNA雜化物，具有或不具有變體。核酸陣列是已知的。
-蛋白質(zhì)或縮氨酸，具有或不具有變體，例如，抗體、DNA或RNA結(jié)合蛋白質(zhì)。最近，已經(jīng)發(fā)表了酵母的完整蛋白質(zhì)組(proteome)的網(wǎng)格。
-低聚或多聚糖或蔗糖-小分子，例如與例如交聯(lián)到基體或通過隔離物分子交聯(lián)的抑制劑、配位基網(wǎng)格上精確放置的條目很可能是化合物庫(kù)，例如縮氨酸/蛋白質(zhì)庫(kù)，低聚核苷酸庫(kù)、抑制劑庫(kù)。
磁性納米粒子15與目標(biāo)11連接存在不同的可能性，這些可能性的例子在圖4A、4B、4C和4D中示出。
在圖4A中，用磁性粒子15標(biāo)記的傳感器分子13能夠選擇性地結(jié)合目標(biāo)11。當(dāng)進(jìn)行隨機(jī)查找時(shí)，例如篩選某一組織浸出物的哪些DNA結(jié)合蛋白質(zhì)與核苷庫(kù)網(wǎng)格結(jié)合，傳感器分子應(yīng)該具有很廣泛的特征。在此例中具有對(duì)氨基群或羧基群的間隔活性的傳感器分子是有用的。其它具有對(duì)蔗糖、DNA的活性基的傳感器分子也是適用的。在直接查找的情況下，可以使用定制的傳感器分子，其中具有抗蛋白質(zhì)庫(kù)的蛋白質(zhì)的篩選對(duì)于假設(shè)的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)之間的相互作用而完成，抗體是一明顯選擇。單細(xì)胞或多細(xì)胞繁殖抗體都可以使用。如圖4A所示，磁性粒子15間接結(jié)合到目標(biāo)樣品11。
在圖4B中，目標(biāo)樣品11分子直接被磁性納米粒子15標(biāo)記。
在圖4C中，目標(biāo)樣品11由標(biāo)記12標(biāo)記。這樣被標(biāo)記的目標(biāo)樣品11(例如biotynilated樣品DNA)選擇性的結(jié)合到結(jié)合位置9。由磁性納米粒子15標(biāo)記的傳感器分子13(例如streptadivin)也能選擇性地結(jié)合目標(biāo)樣品11上的標(biāo)記12。磁性納米粒子15也是間接結(jié)合到目標(biāo)樣品11。
在圖4D中，在液體或氣體中存在目標(biāo)11和由磁性納米粒子15標(biāo)記的目標(biāo)。在競(jìng)爭(zhēng)性分析中，具有磁性納米粒子的目標(biāo)能夠選擇性地結(jié)合，如果它到達(dá)結(jié)合位置9比目標(biāo)到達(dá)結(jié)合位置早。越多的具有磁性納米粒子15的目標(biāo)被結(jié)合，越少的目標(biāo)存在于液體或氣體中。
根據(jù)本發(fā)明，磁性粒子15優(yōu)選是直徑小于1μm、平均磁矩為m的超順磁性納米粒子。所謂納米粒子是指至少有一維在1nm到250nm的范圍，優(yōu)選在3nm到100nm的范圍，更優(yōu)選在10nm到60nm的范圍的粒子。它們優(yōu)選通過圖4A、4B或4C中說明的任何方法或相似的方法，直接或間接附著到生物芯片1的襯底3上的探針元件7。納米粒子15經(jīng)常隨機(jī)地位于芯片1上良好確定的區(qū)域內(nèi)，該良好確定的區(qū)域是探針區(qū)域5。探針區(qū)域5寬為W1長(zhǎng)為7。納米粒子15的面密度是n(納米粒子每m2)。該面密度通常將是時(shí)間的函數(shù)。
探針區(qū)域5可以是單獨(dú)的長(zhǎng)條。除了單獨(dú)的長(zhǎng)條，還可以使用一定數(shù)量一個(gè)接一個(gè)的短一些的條，從而單獨(dú)的探針5所占的總區(qū)域變得比圖3中所示的更方了。由于這并不影響電子靈敏度方面的結(jié)果，下面只是進(jìn)一步闡述了單獨(dú)長(zhǎng)條形探針區(qū)域5的情況。
生物芯片1的作用如下。每一探針元件7都設(shè)有某一類型的結(jié)合位置9。目標(biāo)樣品11存在于或經(jīng)過探針元件7，并且如果結(jié)合位置9和目標(biāo)樣品11匹配，它們相互結(jié)合。其后，磁性納米粒子15直接或間接耦合到目標(biāo)樣品11，如圖4A、4B和4C中說明的。該磁性納米粒子15可以讀出生物芯片1收集的信息。根據(jù)本發(fā)明該磁性納米粒子優(yōu)選超順磁性納米粒子15。超順磁性粒子是鐵磁性粒子，由于在磁化強(qiáng)度測(cè)量的時(shí)間范圍熱引起的磁矩反向頻繁，其時(shí)間平均磁化強(qiáng)度在施加零磁場(chǎng)時(shí)是零。平均反向頻率由下式給出v=v0exp-KVkT]]>其中KV(K是磁各向異性能量密度且V是粒子體積)是要克服的能壘，υ0是反向嘗試頻率(典型值109s-1)。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，為了讀出生物芯片1收集的信息，超順磁性粒子15優(yōu)選垂直于芯片平面磁化。在另外一些實(shí)施例中，納米粒子平行于芯片平面磁化。
根據(jù)本發(fā)明，設(shè)置磁阻(MR)傳感器，例如巨磁阻(GMR)、隧道磁阻(TMR)或各向異性磁阻(AMR)傳感器以讀出生物芯片1收集的信息，從而讀出在探針區(qū)域5上存在或不存在粒子和/或確定或估計(jì)在探針區(qū)域5上的磁性納米粒子的面密度。
作為施加磁場(chǎng)的結(jié)果當(dāng)一層或更多層的磁化方向改變時(shí)，AMR、GMR或TMR材料中的電阻變化。GMR是用于導(dǎo)體夾層在開關(guān)磁性層之間的層狀結(jié)構(gòu)的磁阻，TMR是用于包括磁性金屬電極層和介電夾層的層狀結(jié)構(gòu)的磁-阻。
在GMR技術(shù)中，已經(jīng)發(fā)展了其中兩非常薄的磁性膜靠得很近的結(jié)構(gòu)。該第一磁性膜被釘扎(pinned)，這意味著它的磁性取向是固定的，通常保持它非?？拷粨Q偏磁層(exchange bias layer)-固定該第一磁性膜的磁性取向的反鐵磁性材料層。第二磁性層或自由層具有自由的、可變的磁性取向。在此情況下，源自超順磁性粒子15的磁化強(qiáng)度的改變引起的磁場(chǎng)的改變，引起自由磁性層的磁性取向的旋轉(zhuǎn)，自由磁性層的磁性取向的旋轉(zhuǎn)又增加或減小整個(gè)傳感器結(jié)構(gòu)的電阻。低電阻通常發(fā)生在傳感器和固定層磁性取向相同的時(shí)候。高電阻發(fā)生在傳感器和釘扎層的磁性取向相對(duì)的時(shí)候。
在由被隔離(隧道)壘分開的兩個(gè)鐵磁電極層組成的系統(tǒng)中可以觀察到TMR。此壘必須很薄，即在1nm的數(shù)量級(jí)。只有那樣，電子才能隧穿通過此壘-一個(gè)完整的量子-機(jī)械輸運(yùn)過程。此外，通過使用交換偏磁層也可以改變一層的磁性對(duì)準(zhǔn)而不影響另一層。在此情況下，也是由超順磁性粒子15的磁化強(qiáng)度的改變引起的磁場(chǎng)的改變，引起傳感器膜的磁性取向的旋轉(zhuǎn)，傳感器膜的磁性取向的旋轉(zhuǎn)又增加或減小整個(gè)傳感器結(jié)構(gòu)的電阻。
鐵磁性材料的AMR是電阻與電流和磁化強(qiáng)度方向之間夾角的關(guān)系。這種現(xiàn)象是由于鐵磁材料中電子的散射截面中的不對(duì)稱引起的。
下面，考慮GMR傳感器的實(shí)施例，但是本發(fā)明并不僅限于此。
如圖5A所示，在第一實(shí)施例中，例如GMR傳感器的磁阻傳感器，包括集成在生物芯片襯底3中的距離襯底3的表面下d的例如GMR元件17的第一傳感器元件，和例如GMR19的第二傳感器元件。GMR元件17、19中的每一個(gè)都包括有相同磁化強(qiáng)度方向的釘扎膜，該磁化強(qiáng)度方向平行于或基本平行于x方向，以及自由膜或傳感器膜，該磁化強(qiáng)度方向能夠因?yàn)橥獯艌?chǎng)而發(fā)生變化。為了讀出生物芯片1，結(jié)合到其上的超順磁性納米粒子15被垂直于生物芯片1的平面的平均的外磁場(chǎng)磁化。垂直磁場(chǎng)的使用在條形區(qū)域的兩邊產(chǎn)生平均的凈磁場(chǎng)，該條形區(qū)域被靠近傳感器元件17、19的納米粒子覆蓋。探針區(qū)域只與GMR傳感器條的一半重疊，因而納米粒子在傳感器條中產(chǎn)生的均勻凈場(chǎng)沿著或靠近這些條的中軸最大。如圖11所示，磁化的納米粒子15在下面的GMR膜的平面中產(chǎn)生相反的磁感應(yīng)矢量區(qū)域，并且所產(chǎn)生的磁場(chǎng)被GMR傳感器元件17、19探測(cè)。在圖3、圖5A和5B中已經(jīng)引入坐標(biāo)系統(tǒng)，根據(jù)該坐標(biāo)系統(tǒng)，探針元件7和GMR元件17、19沿y方向延伸7長(zhǎng)度。如果磁阻傳感器元件17、19位于xy平面內(nèi)，GMR傳感器元件17、19只探測(cè)磁場(chǎng)的x分量。磁化的超順磁性粒子15產(chǎn)生的磁場(chǎng)被第一GMR元件17和第二GMR元件19探測(cè)到。在探針元件7的寬度W上，有限的(非無(wú)限的)磁性粒子的空間范圍對(duì)GMR元件17、19的平面中的磁場(chǎng)產(chǎn)生的凈信號(hào)有貢獻(xiàn)。探針元件邊緣的磁性粒子在一邊沒有粒子與其相鄰，因而來自這些粒子的磁場(chǎng)在傳感器元件17、19中具有一個(gè)方向的凈面內(nèi)場(chǎng)分量?？拷鼈鞲衅髟?7、19的中心的粒子的面內(nèi)磁場(chǎng)被兩邊相鄰的粒子中和到一定程度。這樣所有粒子對(duì)傳感器元件17、19中產(chǎn)生的信號(hào)都有貢獻(xiàn)。雖然所有納米粒子對(duì)凈場(chǎng)有一定貢獻(xiàn)，但是靠近探針元件邊緣的的粒子對(duì)總磁場(chǎng)的貢獻(xiàn)更大。由于磁性傳感器元件17、19在中心最敏感，因此在探針元件7邊緣的磁性納米粒子15優(yōu)選在垂直投影上在傳感器元件17、19中心。傳感器的運(yùn)作并不精確地依賴于GMR帶之間的距離W，可以選擇W比納米粒子的直徑大得多。舉個(gè)例子，第一GMR元件17和第二GMR元件19中的釘扎膜可以都朝正的x-方向取向。在圖5A給出的例子中，第一GMR元件17的自由膜或傳感器膜的磁化強(qiáng)度方向也將在正x-方向，并且第二GMR元件19的自由膜的磁化強(qiáng)度方向?qū)⒃谪?fù)x-方向。第一GMR元件17的釘扎膜和自由膜的磁化強(qiáng)度方向一致，第一GMR元件17表現(xiàn)出低電阻。當(dāng)?shù)诙礼MR元件19的自由膜和釘扎膜的磁化強(qiáng)度方向相反，第二GMR元件19表現(xiàn)高電阻。圖5C(a)和(b)分別示出了第一GMR元件17和第二GMR元件19對(duì)納米粒子的磁化導(dǎo)致的磁場(chǎng)的響應(yīng)。如這些圖中所示，磁場(chǎng)依賴于納米粒子放置的位置平行于或反向平行于GMR元件的偏置。
納米粒子15的外部磁化可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何方法完成。尤其是它可以通過兩個(gè)具有鐵磁芯32的線圈30完成，如圖6所示。通過施加例如大約10mA的電流產(chǎn)生垂直于襯底的磁場(chǎng)，用以磁化和排列納米粒子15的磁矩。如果兩個(gè)線圈30的中心都沿垂直于襯底3的一條線放置，如果線圈直徑大約等于或大于線圈之間的距離，并且如果流過兩個(gè)線圈的電流相等，所施加的磁場(chǎng)在等于線圈面積的區(qū)域上非常好的近似垂直于襯底3。創(chuàng)造改變線圈的位置的選擇可能是有用的，通過一個(gè)或兩個(gè)線圈的一個(gè)小的(x，y，z)平移，就可以在探針區(qū)域出現(xiàn)磁場(chǎng)的線性梯度?；蛘呖衫秒娏鞑钤斐商荻?。創(chuàng)造線圈相對(duì)于樣品區(qū)域的取向的小的改變的選擇也可能是有用的，這一小的改變導(dǎo)致小的、良好控制的面內(nèi)場(chǎng)分量。利用磁場(chǎng)和場(chǎng)梯度的結(jié)合，可以確定不同方向上磁性粒子的結(jié)合強(qiáng)度。因?yàn)樵谀骋淮艌?chǎng)下磁性納米粒子失去其結(jié)合性，并且當(dāng)它們運(yùn)動(dòng)到體內(nèi)時(shí)不再被MR傳感器探測(cè)到-離傳感器太遠(yuǎn)而不能被探測(cè)到，所以可以探測(cè)到不好的結(jié)合。當(dāng)DNA的結(jié)合更多的或更少的開啟/關(guān)閉時(shí)，這對(duì)于大的蛋白質(zhì)尤其重要。通過利用小的、良好控制的x方向的面內(nèi)場(chǎng)分量，可以對(duì)零場(chǎng)位置的R(H)曲線的中心的可能的不希望的移動(dòng)進(jìn)行校準(zhǔn)，這種移動(dòng)在交換偏置GMR或TMR傳感器的情況下可能來自自由層和釘扎層之間的剩余磁耦合。
在GMR傳感器的第二實(shí)施例中，如圖5B所示，探針區(qū)域5的表面有緩沖或隔離區(qū)域，該緩沖或隔離區(qū)域阻止或減小任何偶爾在此區(qū)域中的納米粒子的效應(yīng)對(duì)測(cè)量的影響。例如半導(dǎo)體傳感器元件的表面可能被構(gòu)造。該構(gòu)造的目的可以移動(dòng)粒子遠(yuǎn)離傳感器，從而使它們不再影響測(cè)量。這種構(gòu)造可以物理性地完成，例如通過如圖5B所示的臺(tái)階外形，或使用階梯外形，例如通過使用各向異性或各向同性腐蝕溶液蝕刻感應(yīng)元件的半導(dǎo)體材料，例如形成井?；蛘?，探針區(qū)域可以被溝槽包圍，溝槽很深足夠?qū)⑷魏渭{米粒子與傳感器隔離。除了(包括)或除了所述物理構(gòu)造，探針區(qū)域5地表面也可以化學(xué)性或生物化學(xué)性構(gòu)造，例如通過在探針區(qū)域5的探針元件7上，而不在靠近探針元件7的探針區(qū)域的區(qū)域8上設(shè)置結(jié)合點(diǎn)。排斥性材料可以用于這些緩沖區(qū)域。
該傳感器包括薄膜材料，在下面的例子是指GMR材料，但是其它在H＝0周圍具有基本線性的R(H)曲線的薄膜材料，例如AMR、TMR或其它MR材料也是可能的材料。該傳感器通過分隔層40與磁性納米粒子15隔開，分隔層40可以是例如二氧化硅、氮化硅，或例如抗蝕劑或環(huán)氧樹脂的有機(jī)材料。
納米粒子15的磁化由所施加的垂直于生物芯片1的表面(即沿z軸)的外場(chǎng)控制。該傳感器現(xiàn)在暴露在由納米粒子15產(chǎn)生的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的(條平均)面內(nèi)分量在被磁性納米粒子覆蓋的探針區(qū)域的邊緣的下面特別高。使用施加垂直磁場(chǎng)時(shí)傳感器17、19的電阻差的變化，測(cè)量探針元件上納米粒子的面密度。下表面-探針元件7a-上磁性納米粒子15的面密度由密度σ1給出，上表面上的面密度由密度σ2給出。凹形探針區(qū)域(在圖5B中d2≠0)的使用減小了對(duì)留在探針區(qū)域外面的位置的表面上的磁滴的敏感性，即不特別地與探針分子結(jié)合。為了減小在凹形區(qū)域中的流體中的納米粒子的體密度對(duì)信號(hào)的貢獻(xiàn)，可以采用另外的清洗步驟，或通過施加磁場(chǎng)和磁場(chǎng)梯度使粒子離開傳感器表面。
面粒子密度通常在零到103至104粒子每μm2之間的范圍。
實(shí)際上在表面上制作微米或亞微米尺寸的物理結(jié)構(gòu)相對(duì)容易，而制作高質(zhì)量的具有微米或亞微米圖形的生物化學(xué)表面要難得多。
在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，傳感器包括一對(duì)結(jié)構(gòu)上相對(duì)于圖5B所示的探針區(qū)域的一對(duì)傳感器元件17和19。磁性納米滴的面密度由兩個(gè)傳感器17和19的施加垂直磁場(chǎng)時(shí)電阻變化的差別的變化導(dǎo)出。由于傳感器元件17和19對(duì)外場(chǎng)的面內(nèi)分量的效應(yīng)或由熱漂移引起的效應(yīng)同樣敏感，這些不需要的效應(yīng)被抵消。獲得信號(hào)的一個(gè)實(shí)際的辦法是使用傳感器17和19作為惠斯通電橋的元件a和b，如圖7示意性所示，其中元件c和d是(大約)相等的非磁性電阻器，或與傳感器a和b相同類型的磁控電阻器，其電阻在所施加的電場(chǎng)下不變化。這可以通過例如靠近傳感器c和d不使用探針分子，或向c和d傳感器上比c和d傳感器區(qū)域總的寬度寬很多的區(qū)域施加探針分子(從而所有偶極電場(chǎng)的凈效應(yīng)是零)，或通過在傳感器c和d的頂上局部使用厚的蓋層從而大大減小對(duì)磁性粒子存在的靈敏度而實(shí)現(xiàn)。傳感器c和d不需要與傳感器a和b有相同的物理尺寸。不考慮用于獲得信號(hào)的詳細(xì)的實(shí)用方法，我們稱這樣的系統(tǒng)為半-惠斯通電橋。
傳感器元件17和19和名義上相同的傳感器元件17’和19’形成完整的惠斯通電橋是有好處的，如圖8所示。這里元件17、19、17’和19’對(duì)應(yīng)于圖7所示的示意性結(jié)構(gòu)中的元件a、b、d和c。對(duì)于從其獲得面粒子密度的固定的感應(yīng)電流Isena，從如圖8所示的電壓表測(cè)得。這種結(jié)合的實(shí)際實(shí)施在圖12中示意性示出，其中可以看到凹形區(qū)域50的序列。在用于一個(gè)探針元件的兩個(gè)傳感器元件17、19之間或在傳感器17、19的組之間使用微分測(cè)量，優(yōu)點(diǎn)在于不需要參考傳感器元件并且在保持不依賴?yán)鐪囟鹊耐獠坑绊憰r(shí)獲得高探測(cè)靈敏度。完整惠斯通電橋的靈敏度是其它情況相同的半惠斯通電橋靈敏度的兩倍。
比較器的輸出提供例如是否出現(xiàn)納米粒子的指示(當(dāng)它超過最小域值時(shí))或可用于確定或估計(jì)粒子的面密度。
對(duì)于條形的包括釘扎和自由磁性層的GMR和TMR傳感器材料，基本線性的并且無(wú)磁滯現(xiàn)象的電阻與場(chǎng)的關(guān)系曲線可利用磁性裝置獲得，該磁性裝置的交換偏置方向垂直于長(zhǎng)度方向(電流方向)，且自由層的平緩(easy)的磁化強(qiáng)度方向與長(zhǎng)度方向平行。傳感器所敏感的外場(chǎng)指向垂直于條長(zhǎng)度方向。其中自由層的磁化強(qiáng)度方向從平行于旋轉(zhuǎn)到反平行于“釘扎”交換偏置層的方向的場(chǎng)范圍(“開關(guān)場(chǎng)”)，由對(duì)磁各向異性的各種影響的結(jié)合決定，包括例如可能由于在磁場(chǎng)中的生長(zhǎng)引起的本征貢獻(xiàn)，還包括形狀的各向異性。這是所謂的交叉各向異性。為了在零施加電場(chǎng)周圍獲得基本線性的R(H)曲線，由于釘扎層的出現(xiàn)而作用于自由層上的有效磁耦合場(chǎng)應(yīng)該減小到遠(yuǎn)小于開關(guān)場(chǎng)的值。這種耦合來自不同貢獻(xiàn)?？梢酝ㄟ^利用足夠厚的夾層減小由于夾層中的針孔引起的耦合、夾層交換耦合、以及由于非平坦磁性金屬/夾層界面引起的靜磁耦合。與有限條寬有關(guān)的靜磁耦合可以通過調(diào)整自由層和釘扎層的厚度減小，或利用其它可有效減小它們的磁化強(qiáng)度與層厚的乘積的方法減小。不減小這些分開的對(duì)耦合場(chǎng)的影響，而通過設(shè)計(jì)一種其中各種影響符號(hào)相反的系統(tǒng)以減小所有影響的總和也是可能的。已熟知的用于AMR材料的得到零場(chǎng)附近線性R(H)曲線的方法是所謂的軟-相鄰層方法和螺旋狀條紋方法。兩種方法都有效地形成一配置，其中在H＝0時(shí)電流和磁化強(qiáng)度之間的夾角接近45°。
圖9A示出了用于根據(jù)本發(fā)明的傳感器器件的合適的第一個(gè)例子GMR結(jié)構(gòu)60。GMR結(jié)構(gòu)60包括具有主要表面62的熱氧化硅襯底61。在襯底61的主要表面62上，進(jìn)行層的堆疊，即第一(多個(gè))緩沖層63、反鐵磁材料(AF)64、釘扎鐵磁材料(Fpinned)65、非磁性材料(NM)66、自由鐵磁材料(Ffree)67和蓋層68。56、66、67都是金屬。尤其對(duì)于該第一例，所提到的每一層包括下面的材料和厚度對(duì)于緩沖層633nm厚的Ta層63a其頂層上是3nm厚的Ni80Fe20層63b，對(duì)于AF 6410nm厚的Ir20Mn80層，對(duì)于Fpinned層656nm厚的Co層，對(duì)于NM層663nm的Cu層，對(duì)于Ffree層676nm厚的Ni80Fe20層，以及對(duì)于蓋層683nm厚的Ta層。
Ir20Mn80層64是反鐵磁材料(AF)，它使得Co層65的磁化釘扎在垂直于GMR條17、19的長(zhǎng)度的方向。這通過在磁場(chǎng)中生長(zhǎng)Co層65，或通過生長(zhǎng)后在磁場(chǎng)中將系統(tǒng)從所謂的“閉鎖溫度”(對(duì)于所考慮的材料大約是300℃)以上的溫度冷卻實(shí)現(xiàn)。Cu層66將釘扎的Co層65與自由Ni80Fe20層67隔開。當(dāng)晶片沉積后暴露在空氣中時(shí)上面的Ta層68保護(hù)GMR結(jié)構(gòu)60不被氧化。下面的Ta層63a和相鄰的Ni80Fe20層63b幫助建立或生長(zhǎng)合適的微結(jié)構(gòu)和晶向。
圖9B示出了第二例合適的GMR結(jié)構(gòu)69。該GMR結(jié)構(gòu)69包括具有主要表面62的熱氧化的硅襯底61。在襯底61的主要表面62上，進(jìn)行層的堆疊，即第一(多個(gè))緩沖層63、然后是人工的反鐵磁材料(AAF)70、非磁性材料(NM)66、自由鐵磁材料(Ffree)67和蓋層68。尤其對(duì)于該第二例，所提到的每一層包括下面的材料和厚度
對(duì)于緩沖層633nm厚的Ta層63a其頂上是3nm厚的Ni80Fe20層63b，對(duì)于AAF70AF層，例如10nm厚的Ir20Mn80層70a，6nm厚的Co層70b、0.8nm的Ru層70c和6nm的Co層70d，對(duì)于NM層663nm的Cu層，對(duì)于Ffree層676nm厚的Ni80Fe20層，以及對(duì)于蓋層683nm厚的Ta層。
AAF層70具有AF/Co/Ru/Co的形式。選擇Ru層70c的厚度以使兩Co層70b和70d的磁化方向由于Ru層70c上的交換耦合而反平行。AF層70a使得兩Co層70b和70d的磁化垂直于GMR條17、19的長(zhǎng)度軸。
該第二GMR結(jié)構(gòu)69相比于第一GMR結(jié)構(gòu)60的優(yōu)勢(shì)在于該磁性結(jié)構(gòu)相對(duì)于外磁場(chǎng)更穩(wěn)定。此外，由于被Ru層70c分開的兩Co層70b和70d的厚度比，可以選擇在釘扎層70d和自由層67之間的可調(diào)整的耦合。這可以補(bǔ)償Cu層66上釘扎層70d和自由層67之間的小的耦合。選擇所有耦合的總和基本為零，以便在零外加場(chǎng)下(無(wú)粒子)自由層67的磁化恰好垂直于釘扎層70d中的一層(并因此平行于條17、19的軸)。Cu層66越薄，磁阻越大，而且自由和釘扎層65和67(或70d和67)之間的平行耦合也越大。(厚度從3nm算起)。對(duì)于源于AAF70的靜磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的符號(hào)和大小可以通過改變70b和70d的厚度差而改變，也可以對(duì)此校正，這將使得MR傳感器件的靈敏度更高。
納米粒子15的直徑(未在圖3中示出)比W小很多。小很多的意思是至少10倍，優(yōu)選100倍或更小。
有三種操作模式，每一種都是本發(fā)明的單獨(dú)的實(shí)施例在施加垂直于傳感器元件平面的磁場(chǎng)時(shí)測(cè)量電阻變化。上面已經(jīng)給出了三種可能的實(shí)施例通過使用單獨(dú)的元件測(cè)量，通過對(duì)傳感器元件17、19的輸出的微分比較(半惠斯通電橋)，或通過使用完整的惠斯通電橋(見前面)。
磁場(chǎng)關(guān)閉后測(cè)量磁化強(qiáng)度。在這種情況下，傳感器元件17、19測(cè)量的場(chǎng)是由那些結(jié)合到探針上的粒子的磁化強(qiáng)度的緩慢衰減(熱弛豫)引起的。未被結(jié)合的粒子由于它們快速的隨機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)磁化強(qiáng)度的衰減快得多。因此在關(guān)閉施加的磁場(chǎng)后不久，它們的凈磁化強(qiáng)度可以忽略。微分比較探測(cè)(半和完整惠斯通電橋)也可以用在這種模式中。
面內(nèi)磁場(chǎng)關(guān)閉后測(cè)量磁化強(qiáng)度。這是一個(gè)比較不優(yōu)選的實(shí)施例。面內(nèi)磁化強(qiáng)度在傳感器元件17、19中引起面內(nèi)磁場(chǎng)。然而，該面內(nèi)磁場(chǎng)不像靠近磁偶極子的端部的磁場(chǎng)那么強(qiáng)，因而這種技術(shù)的靈敏度要低一些。來自所測(cè)量的納米粒子的磁場(chǎng)也是由那些結(jié)合到探針的粒子的磁化強(qiáng)度的緩慢衰減(熱弛豫)引起的。未被結(jié)合的粒子由于它們快速的隨機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)磁化強(qiáng)度的衰減也快得多。因此在關(guān)閉磁場(chǎng)后不久，它們的凈磁化強(qiáng)度可以忽略。然而，在這種模式中傳感器17、19的輸出幾乎相同，因此可以使用一單獨(dú)的放在中間的傳感器元件代替使用兩個(gè)傳感器。在半-惠斯通電橋中，這個(gè)傳感器電阻的變化可以與名義上相同的(參考)傳感器的電阻的變化比較，該(參考)傳感器位于芯片上沒有探針分子的區(qū)域下，因而不存在滴。相似地，可以使用位于探針區(qū)域下面的a和d傳感器，以及位于芯片上沒有探針分子的區(qū)域下的b和c傳感器建立完整的惠斯通電橋。
在本發(fā)明中，所有這些模式都考慮到了。為了能夠向一個(gè)器件提供所有的三種模式，傳感器件可以裝備產(chǎn)生垂直與探針元件的平面的磁場(chǎng)(模式1和2)的裝置，或產(chǎn)生平行于在納米粒子的面內(nèi)的探針元件的平面的磁場(chǎng)的裝置(模式3)，或可選擇在需要時(shí)裝備兩種裝置。相似地，可以設(shè)置開關(guān)從而能夠分別測(cè)量傳感器條的電阻，或例如能夠測(cè)量電阻差或和。
對(duì)于不同的模式，超順磁性粒子15的所需磁特性，更具體說是它們的弛豫時(shí)間分布是不同的，如下所述。
當(dāng)探針元件7在y方向上足夠長(zhǎng)并且粒子密度n足夠大時(shí)，由于納米粒子15的位置的隨機(jī)性而對(duì)GMR信號(hào)的影響達(dá)到平衡。典型的設(shè)計(jì)是探針元件7在y方向上的長(zhǎng)度l＝1mm，并且在x方向上的寬度W＝3。每個(gè)GMR元件17、19的寬度w可以是w＝3μm，其在x方向上大約一半位于探針元件7下面。如果探針區(qū)域5占用的總的寬度W1由每個(gè)探針元件7的寬度W決定，兩個(gè)GMR元件17、19的每一個(gè)的寬度的一半加上為了消除交叉場(chǎng)效應(yīng)占用的5μm的余量，在1×1mm2的生物芯片1上有足夠的空間容納100個(gè)相互相鄰的探針區(qū)域5。在單位面積有很多粒子的情況下，圖5A和5B中使用場(chǎng)力線示意性地示出了用于納米粒子15的條平均場(chǎng)，該納米粒子15具有沿正z軸方向的磁化強(qiáng)度。它等于在條邊緣的兩條平行的電流線引起的磁場(chǎng)，電流是I＝m×n。(等式1)顯然，為了獲得盡可能大的磁場(chǎng)，每個(gè)超順磁性粒子15的磁矩m對(duì)于給定的粒子15的體積應(yīng)該盡可能的大。
GMR元件17、19探測(cè)該磁場(chǎng)的x分量，該磁場(chǎng)對(duì)于第一GMR元件17是正的，對(duì)于第二GMR元件19是負(fù)的。如果坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)設(shè)在第一GMR元件17的中間，則在元件17中的場(chǎng)的平均x分量是Hx,av=12π1w∫-w/2w/2dxm×n×dx2+d2=22πm×nw×arctanw2d]]>(等式2)因此，可以通過使GMR元件17、19的寬度w小，并且使GMR元件17、19在襯底表面下的深度d小于或大約等于w來增加Hx，av。只要探針元件7的寬度W大約等于或大于GMR元件17、19的寬度w和GMR元件17、19在襯底表面下的深度d，使探針元件7的寬度W變小不會(huì)改變?cè)贕MR元件17、19中的每一個(gè)處感應(yīng)到的場(chǎng)。然后，在探針元件7的中部上的納米粒子15引起的磁場(chǎng)不被探測(cè)。否則，信號(hào)將隨著探針元件7的寬度W的減小而減小。因此，除非可能由于實(shí)際的原因例如構(gòu)圖技術(shù)，因此使探針元件7的寬度W遠(yuǎn)大于GMR元件17、19的寬度w不總是有利的。
GMR元件對(duì)17、19中的信號(hào)是相反的，可以用其制造各部分磁性相等的惠斯通電橋裝置，即其中所有支路中有相等的交換偏置方向。圖8給出了這種惠斯通電橋的一個(gè)例子。由于去除了一個(gè)穩(wěn)定的(non-active)參考MR元件，信號(hào)加倍，并且消除了公共模式信號(hào)(例如由于面內(nèi)外場(chǎng)或由于熱漂移)。
信號(hào)電壓由下式給出Vs=2×Isense×ΔR=2×Isense×(ΔRR)max×Hx,avΔHmax×lw×Rsheet,]]>(等式3)
其中Isense是感應(yīng)電流，Rsheet是GMR表面電阻， 是使用完整的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)的磁阻比率，以及(ΔH)max是元件完全開關(guān)的場(chǎng)范圍。如果形狀各向異性決定此范圍，則(ΔH)max=2×twMsat,]]>(等式4)其中t和Msat分別是自由磁性層的厚度和飽和磁化強(qiáng)度。
結(jié)合(等式1)-(等式4)，可以得到Vs=1π×m×n×arctanw2d×(ΔRR)max×Isenset×Msat×lw×Rsheet]]>假設(shè)電子噪聲來源于熱噪聲。r.m.s熱噪聲電壓為VN=4kTRΔf≅4kTlwRsheet1tmeas]]>其中有效測(cè)量時(shí)間tmeas等于測(cè)量信號(hào)的時(shí)間，假設(shè)只是在測(cè)量之前可以假設(shè)磁化強(qiáng)度等于零(因?yàn)榱Ｗ邮浅槾判缘?。這定義了參考標(biāo)準(zhǔn)。信噪比等于SNR＝VS/VN。
對(duì)于系統(tǒng)的適當(dāng)?shù)淖饔?，?duì)于第一模式(在施加電場(chǎng)期間測(cè)量磁化強(qiáng)度)優(yōu)選所有粒子的超順磁性弛豫時(shí)間比在其間施加電場(chǎng)并進(jìn)行測(cè)量的時(shí)間周期要小的多，至少小5倍，優(yōu)選小10倍或更小。由此，粒子的磁化強(qiáng)度在場(chǎng)開和關(guān)的瞬間開和關(guān)。在這種情況下，粒子之間的磁偶極作用在測(cè)量后可忽略，并且結(jié)合反應(yīng)可以繼續(xù)進(jìn)行而不受測(cè)量中的這種作用的干擾。這需要納米滴中的磁性粒子的體積V和磁性各向異性常數(shù)K的乘積足夠小。在該第一種操作模式中，在測(cè)量中不結(jié)合到芯片1上的粒子15不應(yīng)該存在于芯片的界面。這可以通過僅在每次測(cè)量前的清洗步驟完成，或通過恰在施加場(chǎng)加上平行于法線方向的場(chǎng)梯度的場(chǎng)后從芯片1臨時(shí)移走非結(jié)合粒子完成。合力應(yīng)該足夠轉(zhuǎn)移粒子到芯片表面上幾微米(在那里它們的偶極場(chǎng)在表面小，并且在那里它們的位置相對(duì)于GMR元件17、19足夠隨機(jī)，從而也是由于此原因凈信號(hào)是可以忽略的)。另一方面，此力應(yīng)該比斷開鍵所需的力小。
在第二(和第三)種操作模式(在關(guān)閉場(chǎng)后測(cè)量磁化強(qiáng)度)中，在周期tf期間第一次施加場(chǎng)，并且在關(guān)閉該場(chǎng)后，在周期p×tmeas≈tf期間進(jìn)行衰減的信號(hào)的p測(cè)量。理想地，在磁化場(chǎng)剛剛關(guān)閉后，所有超順磁性粒子15應(yīng)該完全被磁化，但是執(zhí)行了p測(cè)量的程序后，所有粒子15應(yīng)該已經(jīng)失去了它們的磁化強(qiáng)度。否則，粒子15就會(huì)在測(cè)量周期中間的反應(yīng)周期期間相互磁作用。這就意味著只有弛豫時(shí)間小于tf的粒子能用。通過在連續(xù)的測(cè)量周期內(nèi)施加具有交變符號(hào)的場(chǎng)，可以阻止一小部分不需要的弛豫時(shí)間大于tf的結(jié)合粒子15建立起一總磁矩，該總磁矩隨完成的測(cè)量周期數(shù)單調(diào)增加，并且在施加場(chǎng)的周期中間不衰減到零。另一方面，弛豫時(shí)間應(yīng)該大于tmeas，因?yàn)槿绻贿@樣甚至關(guān)閉場(chǎng)后的第一測(cè)量也不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)。
實(shí)際上，上文意味著弛豫時(shí)間應(yīng)該在1ms到1s之間(見下文)。相比于第一種操作這是更困難要求。在此范圍之外的粒子對(duì)信號(hào)沒有貢獻(xiàn)，并且在理想情況下不存在。因此粒子直徑應(yīng)該是非常好的近似單分散性。制造這種粒子的方法是已知的，并在S.Sun等的“單分散FePt納米粒子和鐵磁性納米晶體超晶格”(Monodisperse FePtNanoparticles and Ferromagnetic Nanocrystal Superlattices)，Science 287，1989-1992(2000)中做了描述。
計(jì)算了下表規(guī)定的系統(tǒng)的SNR，給定系統(tǒng)參數(shù)例如，市場(chǎng)上可買到的35nm磁性粒子，例如磁鐵(Fe3O4)粒子。
所指的磁矩m是飽和磁矩，當(dāng)所加磁場(chǎng)高于1.2kA/m時(shí)已經(jīng)獲得了該飽和磁矩。每個(gè)MR元件上的電壓是10V。在測(cè)量中每個(gè)探針的功率是20mW。數(shù)值結(jié)果如下Vs＝8.8×10-16×n[V]VN=1.3×10-8×1tmeas[V]]]>SNR=6.8×10-8×n×tmeas]]>如果假設(shè)探測(cè)納米粒子15需要的最小SNR是10(20dB)，那么納米粒子的最小可探測(cè)密度，nmin是 在10-8m2(100μm×100μm)的探針面積上可探測(cè)的粒子的最小數(shù)是 如果每探針面積的絕對(duì)粒子數(shù)太少，上面的理論失效。下限可以是50。這意味著增加測(cè)量時(shí)間tmeas將會(huì)導(dǎo)致納米粒子的最小可探測(cè)數(shù)的減少，直到tmeas在1ms的量級(jí)。幸運(yùn)的是，這樣的測(cè)量時(shí)間遠(yuǎn)低于測(cè)量的目標(biāo)重復(fù)時(shí)間(3分鐘測(cè)量100次)。使用更大的測(cè)量時(shí)間是沒有用的。因而，可以斷定對(duì)于所用的參數(shù)，且當(dāng)tmeas＞1ms時(shí)，可以準(zhǔn)確測(cè)量的粒子的最小數(shù)目，探針面積上50，由統(tǒng)計(jì)決定而不是由GMR傳感器的靈敏度決定。
粒子的最大可測(cè)面密度等于下面兩種密度中最低的那種密度，在該密度以上粒子之間的磁偶極相互作用，或位阻現(xiàn)象變得很強(qiáng)。對(duì)于35nm粒子這可能是100粒子每μm2的量級(jí)的密度。
密度，在該密度以上源于粒子的場(chǎng)使GMR元件飽和。如果Hx，av＞1/2ΔHsat，即在960粒子每μm2的量級(jí)的密度下，在所用的連續(xù)近似中出現(xiàn)這種情況。
這兩種密度中的每種都不依賴于測(cè)量時(shí)間tmeas。在所給例子的情況中，通常是粒子間的相互作用而不是GMR飽和場(chǎng)決定粒子的最大可測(cè)量數(shù)目。
假設(shè)100個(gè)探針并且每個(gè)探針的占空比是1∶1000(每秒一次測(cè)量，1ms的持續(xù)時(shí)間)，則對(duì)于第一種操作模式時(shí)間平均功率耗散是2mW。相似地，對(duì)于第二種操作方式，功率耗散是p×2mW，其中p是每周期的1ms測(cè)量間隔的數(shù)量。
對(duì)于第二種操作模式，1/f噪聲可能變得重要，尤其如果測(cè)量信號(hào)衰減的周期變成1s。
上面的結(jié)果可以如下歸納?？商綔y(cè)的粒子面密度應(yīng)該不低于密度n-(stat)，該n-(stat)對(duì)應(yīng)于每探針≈50粒子的統(tǒng)計(jì)確定值，在該統(tǒng)計(jì)值以下上面的理論失效。對(duì)于面積等于104μm2的探針，n-(stat)＝0.005/μm2?？蓽y(cè)得的粒子面密度肯定比密度n+(int)小，在密度n+(int)粒子間相互作用或位阻現(xiàn)象太大。假定n+(int)≈1.25×105/d2，d是以nm為單位的粒子直徑。因此，不依賴于所用GMR元件的靈敏度、測(cè)量時(shí)間和粒子的磁矩，動(dòng)態(tài)范圍的最高可能寬度是
從這一觀點(diǎn)出發(fā)，使用小粒子是有利的，因?yàn)樗黾觿?dòng)態(tài)范圍的寬度。然而，實(shí)際的密度下限可能不是由n-(stat)給定，而是由依賴于GMR傳感器靈敏度的值n-(sens)＝nmin給定。這是如果n-(sens)＞n-(stat)的情況。n-(sens)的值反比于粒子體積和測(cè)量時(shí)間的平方根。此外，如果n+(satur)＜n+(int)，實(shí)際的密度上限并不由n+(int)給定，而是由GMR元件飽和時(shí)的密度n+(satur)給定。對(duì)于假設(shè)的條件，n+(satur)＝4.11×107/d3。
圖10是面密度(粒子/μm2)與粒子直徑(nm)之間的函數(shù)關(guān)系圖。對(duì)于所考慮的系統(tǒng)，對(duì)于上表給出的參數(shù)值，并對(duì)于1ms的測(cè)量時(shí)間，可以從該圖推導(dǎo)出動(dòng)態(tài)范圍與磁性粒子直徑之間的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于較大的粒子直徑，由于磁阻元件的飽和，動(dòng)態(tài)范圍的上限由n+(satur)給定；對(duì)于較小的粒子直徑，由于粒子間的相互作用或位阻現(xiàn)象，動(dòng)態(tài)范圍的上限由n+(int)給定。對(duì)于較大的粒子直徑，由于粒子在探針區(qū)域上的統(tǒng)計(jì)(隨機(jī))位置，動(dòng)態(tài)范圍的下限由n-(stat)給定；對(duì)于較小的粒子直徑，由于磁阻元件的靈敏度，動(dòng)態(tài)范圍的下限由n-(sens)給定。整體靈敏度上限由線30給定，并且整體靈敏度下限由線31給定。35nm的粒子的動(dòng)態(tài)范圍由雙箭頭32給定。從圖10中可以看出，對(duì)于假設(shè)的1ms的測(cè)量時(shí)間，35nm的粒子半徑是最優(yōu)的。MR元件飽和場(chǎng)的減小或粒子磁化強(qiáng)度的增加導(dǎo)致n-(sens)和n+(satur)線平行下移。系統(tǒng)的這兩項(xiàng)改進(jìn)分別地或結(jié)合在一起能夠移動(dòng)最優(yōu)直徑到最多大約10nm，達(dá)到2×105的動(dòng)態(tài)范圍。
應(yīng)當(dāng)說明的是，為簡(jiǎn)單起見，假設(shè)了磁化場(chǎng)能夠完全磁化粒子。對(duì)于115kA/m的最大磁化場(chǎng)，當(dāng)粒子半徑小于大約10nm時(shí)該假設(shè)失效。因此，n-(sens)線的實(shí)際值大于圖10中所示的值。
雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例示出并描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下可以在形式上和細(xì)節(jié)上作各種改變和修改。
權(quán)利要求
1.磁阻傳感器器件，用于確定直接或間接與目標(biāo)(11)耦合的磁性納米粒子(15)的存在或其面密度，該磁阻傳感器器件包括襯底(3)，該襯底(3)具有附著在其上的能夠選擇性結(jié)合目標(biāo)(11)的結(jié)合位置(9)，以及用于檢測(cè)至少在耦合到目標(biāo)上時(shí)的磁性納米粒子(15)的磁場(chǎng)的磁阻傳感器，其中該磁阻傳感器包括多對(duì)第一和第二磁阻感應(yīng)元件(17，19)或第一和第二組磁阻感應(yīng)元件，每一對(duì)與具有至少一個(gè)結(jié)合位置的探針元件關(guān)聯(lián)并與其平行放置，第一和第二磁阻元件或第一和第二組磁阻感應(yīng)元件的輸出供給比較器電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻傳感器器件，還包括用于產(chǎn)生垂直于磁阻感應(yīng)元件的磁場(chǎng)的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻傳感器器件，其中有具有至少一個(gè)探針元件(7)的探針區(qū)域(5)并有從基本垂直的投影看到的在磁阻感應(yīng)元件(17，19)與探針區(qū)域(5)之間的重疊區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻傳感器器件，還包括用于產(chǎn)生平行于磁阻感應(yīng)元件的磁場(chǎng)的裝置。
5.根據(jù)前面權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的磁阻傳感器器件，其中感應(yīng)元件的寬度和長(zhǎng)度的尺寸至少是納米粒子(15)的平均直徑的10倍或更多，優(yōu)選100倍或更多。
6.根據(jù)前面權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的磁阻傳感器器件，其中該器件是微陣列。
7.根據(jù)前面權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的磁阻傳感器器件，其中該多個(gè)磁阻感應(yīng)元件(17，19)是巨磁阻(GMR)元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中的任一項(xiàng)的磁阻傳感器器件，其中該多個(gè)磁阻感應(yīng)元件是隧道磁阻(TMR)元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到7中的任一項(xiàng)的磁阻傳感器器件，其中該多個(gè)磁阻感應(yīng)元件是各向異性磁阻(AMR)元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2和7到9中的任一項(xiàng)的磁阻傳感器器件，其中一對(duì)磁阻感應(yīng)元件形成惠斯通電橋或半惠斯通電橋。
11.根據(jù)前面權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的磁阻傳感器器件，其中一對(duì)第一和第二磁阻感應(yīng)元件(17，19)或成組的第一和第二磁阻感應(yīng)元件中的每一個(gè)傳感器以相同方向偏置。
12.根據(jù)權(quán)利要求1、10的磁阻傳感器器件，其中每一磁阻感應(yīng)元件包括磁阻材料條，該磁阻材料具有線性電阻與磁場(chǎng)的關(guān)系曲線并且基本沒有磁滯現(xiàn)象。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻傳感器器件，其中比較器電路與襯底中存在的另一電子電路集成。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的磁阻傳感器器件，其中磁阻感應(yīng)元件(17，19)的寬度是探針元件(7)的寬度的至少50％，優(yōu)選至少60％，最優(yōu)選至少70％。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的磁阻傳感器器件，其中磁阻感應(yīng)元件(17，19)到探針元件(7)的距離比該磁阻感應(yīng)元件的寬度小。
16.根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)的磁阻傳感器器件，其中磁性納米粒子(15)是超順磁性的。
17.根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)的磁阻傳感器器件，其中傳感器器件具有構(gòu)造的表面。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的磁阻傳感器器件，其中構(gòu)造的表面具有臺(tái)階外形。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的磁阻傳感器器件，其中構(gòu)造的表面具有梯度的外形。
20.根據(jù)權(quán)利要求17到19中的任一項(xiàng)的磁阻傳感器，其中構(gòu)造的表面是化學(xué)構(gòu)造表面。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的磁阻傳感器，其中通過只在該表面的一部分上具有結(jié)合位置獲得該化學(xué)構(gòu)造表面。
22.用于確定襯底上磁性納米粒子的存在或其面密度的方法，包括步驟-結(jié)合目標(biāo)(11)到襯底上的選擇性的結(jié)合位置(9)，目標(biāo)樣品(11)直接或間接使用磁性納米粒子(15)標(biāo)記，-感應(yīng)被結(jié)合到結(jié)合位置的磁性納米粒子(15)的存在，以確定用磁性納米粒子標(biāo)記的目標(biāo)(11)的存在或密度-其中感應(yīng)步驟通過使用磁阻感應(yīng)元件提取兩個(gè)信號(hào)完成，這兩個(gè)信號(hào)由結(jié)合到一個(gè)結(jié)合位置的納米粒子產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)出；以及-確定兩個(gè)信號(hào)之間的差別
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中垂直于磁阻感應(yīng)元件施加磁場(chǎng)。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中平行于磁阻感應(yīng)元件施加磁場(chǎng)。
25.根據(jù)權(quán)利要求22到24中任一項(xiàng)的方法，其中感應(yīng)步驟通過磁阻傳感器完成，該磁阻傳感器包括多個(gè)巨磁阻(GMR)感應(yīng)元件。
26.根據(jù)權(quán)利要求22到24中任一項(xiàng)的方法，其中感應(yīng)步驟通過磁阻傳感器完成，該磁阻傳感器包括多個(gè)隧道磁阻(TMR)感應(yīng)元件。
27.根據(jù)權(quán)利要求22到24中任一項(xiàng)的方法，其中感應(yīng)步驟通過磁阻傳感器完成，該磁阻傳感器包括多個(gè)各向異性磁阻(AMR)感應(yīng)元件。
28.根據(jù)權(quán)利要求22、25到27中的任一項(xiàng)的方法，其中感應(yīng)步驟通過惠斯通電橋或半惠斯通電橋完成。
29.根據(jù)權(quán)利要求22到28中的任一項(xiàng)的方法，其中結(jié)合和感應(yīng)步驟在微陣列(1)上的多個(gè)探針元件(7)處完成。
30.根據(jù)權(quán)利要求22到29中的任一項(xiàng)的方法，其中磁性納米粒子是超順磁性的。
31.探測(cè)流體中的目標(biāo)的方法，包括步驟-結(jié)合目標(biāo)(11)到襯底上的選擇性的結(jié)合位置(9)，目標(biāo)樣品(11)直接或間接使用磁性納米粒子(15)標(biāo)記，-感應(yīng)被結(jié)合到結(jié)合位置的磁性納米粒子(15)的存在，以確定用磁性納米粒子標(biāo)記的目標(biāo)(11)的存在或密度-其中感應(yīng)步驟通過使用磁阻傳感器元件提取兩個(gè)信號(hào)完成，這兩個(gè)信號(hào)由結(jié)合到一個(gè)結(jié)合位置的納米粒子產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)出；以及確定兩個(gè)信號(hào)之間的差別
32.如權(quán)利要求31的方法，其中流體是血液。
33.如權(quán)利要求31的方法，其中流體是尿。
34.包括如權(quán)利要求1-21中的任一項(xiàng)的磁阻傳感器器件的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)是血液測(cè)試儀。
35.用于探測(cè)流體中選定類型的分子的方法，其中向該流體中引入含有納米粒子的試劑，該試劑與所述的選定類型的分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此形成目標(biāo)；由此該目標(biāo)通過根據(jù)權(quán)利要求31到33的方法被探測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于生物分子在生物芯片上的結(jié)合的磁性探測(cè)方法和器件。描述了用于測(cè)量微陣列上磁性粒子面密度的磁阻傳感器器件，該磁性納米粒子(15)直接或間接耦合到目標(biāo)樣品(11)。磁阻傳感器器件包括襯底(3)，該襯底(3)具有附著其上的能夠選擇性地結(jié)合目標(biāo)樣品(11)的結(jié)合位置(9)，以及用于探測(cè)耦合到目標(biāo)樣品的納米粒子(15)的磁場(chǎng)的磁阻傳感器。該磁阻傳感器包括多個(gè)磁阻感應(yīng)元件(17，19)，其寬度和長(zhǎng)度尺寸至少是納米粒子(15)的直徑的10倍或更多，優(yōu)選100倍或更多。對(duì)相應(yīng)的方法也做了描述。
文檔編號(hào)G01R33/12GK1608206SQ02825869
公開日2005年4月20日 申請(qǐng)日期2002年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月21日
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