KY交換相互作用（參見例如，S. S.P.Parkin等，Phys .Rev. Lett .，64 (19): 2304( 1990))和靜磁相互作用（J.C. Slonczewski等，IEEE Trans .Magn·，24(3):2045 (1988))來實現(xiàn)反鐵磁性耦合。在某些情況下，反鐵磁性耦合的強度為中等以使顆粒能被約 1000e的外部磁場飽和（即，所有層的磁化變得平行）。在某些情況下，這可通過調(diào)節(jié)層厚度 和通過使間隔層合金化來實現(xiàn)。
[0068] 在特定實施方式中，為有助于納米顆粒的生物偶聯(lián)，將金帽（或功能上類似或等價 的材料的帽)添加于反鐵磁性堆疊物(stack)頂部從而可通過金-硫鍵使納米顆粒與生物分 子偶聯(lián)。此外，還可將適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┤菀椎刭x予納米顆粒從而使其可溶于水。還可以用 Au或其它惰性薄層使納米顆粒的邊緣鈍化以獲得化學(xué)穩(wěn)定性。
[0069] 可采用任何常規(guī)方案來制造上述納米顆粒。例如，在某些實施方式中，堆疊膜 (film stack)可由沉積于超光滑基質(zhì)（或釋放層)上的納米級鐵磁層和間隔層構(gòu)成。在某些 情況下，可通過印記、蝕刻、自組裝等來形成掩膜層。隨后，將掩膜層和不需要的堆疊膜除去 并徹底洗掉。然后將釋放層除去，揭起作為掩膜的負(fù)像的納米顆粒。最后對這些顆粒賦予表 面活性劑和生物分子。在某些情形中，超光滑基質(zhì)可在徹底清洗和化學(xué)機械拋光(CMP)后再 度使用。
[0070] 在其它實施方式中，用消減制造法來制造納米顆粒。在該情形中，將堆疊膜和掩膜 層先后直接沉積于釋放層上。透過掩膜層將堆疊膜蝕刻并最終從基質(zhì)釋放。與添加制造法 中的情形相反，這些納米顆粒從掩膜層的正像產(chǎn)生。
[0071] 在某些實施方式中，適用于本發(fā)明的磁性納米顆粒的尺寸與待操作的靶標(biāo)生物分 子的尺寸相當(dāng)，從而使納米顆粒不會干擾如DNA雜交等生物過程。結(jié)果，在某些實施方式中， 磁性納米顆粒的尺寸為約5nm~約250nm(平均直徑），例如約5nm~約150nm，包括約5nm~約 20應(yīng) 。例如，平均直徑為511111、611111、711111、811111、911111、1〇11111、1111111、1211111、1311111、1411111、1511111、1611111、 17nm、18nm、19nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、70nm、80nm、90nm、 100nm、110nm、120nm、130nm、140nm和150nm的磁性納米顆粒以及平均直徑在上述值的任意 兩個之間的納米顆粒適用于本發(fā)明。此外，除球形以外，適用于本發(fā)明的磁性納米顆粒可為 盤形、桿形、螺旋形或纖維形。
[0072] 在某些實施方式中，合成的反鐵磁性納米顆?？纱笥谄胀ㄨF磁性納米顆粒。這是 由于為防止團集(clumping)，納米顆粒必須在零外加場中沒有任何凈磁矩(或具有極小磁 矩）。反鐵磁性顆粒必須在任何尺寸下在零磁場中都具有零磁矩。相反，對于鐵磁性顆粒，其 尺寸可以低于"超順磁性極值"，在某些情況下為約20nm以下，例如約15nm以下，包括約lOnm 以下。
[0073]在某些實施方式中，可使用大型晶片和標(biāo)準(zhǔn)真空薄膜沉積法來大量制備上述合成 納米顆粒。例如，假設(shè)每個顆粒占據(jù)晶片上60nmX60nm的正方形，使用6英寸圓晶片可以以 約5 X 1012顆粒/輪的速度制備直徑30nm的納米顆粒。
[0074]高靈敏度自旋閥檢測器
[0075] 自旋閥檢測器是由如銅等非磁性層間隔開的兩層鐵磁層的金屬多層薄膜結(jié)構(gòu)。被 稱為扎層（pinned layer)的一層鐵磁層的磁化被固定于特定方向上，而被稱為自由層 (free layer)的另一層鐵磁層的磁化能在外加磁場下自由旋轉(zhuǎn)。自旋閥的電阻取決于自由 層磁化相對于扎層磁化的取向。當(dāng)兩種磁化平行時，電阻最低；當(dāng)其反平行(antiparallel) 時，電阻最高。電阻的相對變化稱為磁電阻(magnetoresistancem，MR)比。在某些情況下，自 旋閥的MR比在小磁場(例如，1 OOOe)中能達(dá)到高于約10 %。因此，自旋閥能充當(dāng)用于對與作 為標(biāo)記的DNA片段相連并固定于傳感器表面上的小磁性顆粒進行檢測的傳感元件。由于所 述顆粒是磁性的（在DC偏壓場或AC反饋場(tickling field)下），其會產(chǎn)生磁場。然后該磁 場可影響自由層磁化的取向，從而導(dǎo)致自旋閥電阻的變化。
[0076] 在某些實施方式中，自旋閥檢測器的操作描述如下：1)DC偏壓場(Hb)下的磁性納 米顆粒在其周圍產(chǎn)生磁場。2)該磁場會影響緊靠其下方的自旋閥的電阻。3)施加 AC反饋場 (Ht)將會迫使顆粒的磁矩振蕩，從而產(chǎn)生來自自旋閥的振蕩MR信號。在某些實施方式中，在 面內(nèi)模式中，因磁性納米顆粒產(chǎn)生的自旋閥檢測器信號具有與AC反饋場Ht相同的頻率f，而 在垂直模式中該信號具有Ht頻率的兩倍頻率。4)使用鎖定放大器或頻譜分析儀來選取具有 高信噪比的振蕩信號。
[0077] 在某些實施方式中，自旋閥的磁電阻（MR)比為約1%~約20%，例如約3%~約 15%，包括約5%~約12%。因此，在某些實施方式中，自旋閥能在狹窄帶寬（即約1Hz或更 低）中或利用鎖定檢測來檢測尺寸為約l〇nm的單個磁性納米顆粒。在這些情況下，通過縮窄 噪聲帶寬，即使對于單個納米顆粒檢測也能獲得足夠的信噪比（SNR)。
[0078]自旋閥檢測可采用面內(nèi)模式進行（參見例如，Li等，J · Appl · Phys · Vo 1 · 93 (10): 7557(2003))。在其它實施方式中，當(dāng)因檢測系統(tǒng)中的AC反饋場而產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)信 號顯著時，可使用垂直模式，盡管垂直模式會給出稍小的信號幅度。EMI信號易于處在AC反 饋場的頻率f的中心，因此如果通過于頻率2f進行鎖定檢測則可將其消除或極大地減少。此 外，在某些情況下，可使用二橋電路來消除任何剩余EMI。甚至已經(jīng)發(fā)表了更復(fù)雜的采用AC 調(diào)制傳感電路和于兩個不同頻率的AC反饋場的彳目號米集和處理方法(例如，S_J Han，H. Yu， B·Murmann，N·Pourmand和S·X·Wang，IEEE International Solid-State Circuits Conference(ISSCC)Dig.Tech.Papers，San Francisco Marriott，CA，USA，2007年2月11日 ~15日）。
[0079] 在某些實施方式中，除自旋閥自身的幾何形狀和偏壓場以外，因磁性標(biāo)簽而產(chǎn)生 的來自自旋閥檢測器的信號還取決于磁性標(biāo)簽和自旋閥自由層之間的距離。隨著從顆粒中 心至自旋閥自由層中間平面的距離增加，來自單個磁性顆粒的檢測器電壓信號減小。
[0080] 在某些實施方式中，自旋閥中的自由層處在扎層頂部以便協(xié)助檢測磁性納米顆 粒，這是因為來自磁性顆粒的傳感磁場隨傳感器與顆粒之間的距離而單調(diào)地下降。此外，對 磁性顆粒與自由層頂表面之間的距離(包括保護自旋閥的鈍化層的厚度）的最小化有助于 磁性顆粒的檢測。
[0081] 在某些情況下，在檢測器測試的操作期間，DNA(或蛋白）溶液流經(jīng)傳感器表面上以 使得所關(guān)注的分析物可與傳感器上的相應(yīng)捕獲試劑進行親和性結(jié)合。因此，傳感器表面的 腐蝕是一個顧慮，因為檢測器表面的降解可通過減少來自生物結(jié)合事件的信號或通過降解 檢測器自身而降低靈敏度。
[0082] 在某些實施方式中，為減少傳感器表面的腐蝕，磁性檢測方案可包括向檢測器表 面添加相對厚的鈍化層。在保持高靈敏度和充分保護以對抗降解之間存在折衷。因此，在某 些實施方式中，檢測器將超?。醇sl〇nm或更薄)鈍化層與極小的磁性納米顆粒標(biāo)簽(即，其 平均直徑為約20nm或更小)結(jié)合，由此獲得小于約30nm的顆粒中心至檢測器的距離(包括約 10nm的介入DNA片段長度），該距離對于提供單個標(biāo)簽檢測所必需的靈敏度來書已足夠近。 在某些實施方式中，適用于本發(fā)明公開的檢測器的超薄鈍化層(例如，Ta、Au或氧化物)的厚 度可為約lnm~約10nm，例如約lnm~約5nm，包括約lnm~約3nm。在某些實施方式中，適用于 本發(fā)明公開的檢測器的超薄鈍化層(例如，Ta、Au或氧化物）的厚度可以為約10nm~約50nm， 例如約20nm~約40nm，包括約25nm~約35nm 〇
[0083] 高靈敏度磁性隧道結(jié)(MTJ)檢測器
[0084] MTJ檢測器的構(gòu)造與自旋閥檢測器相似，不同之處在于用諸如氧化鋁或MgO的薄絕 緣通道屏障（insulating tunnel barrier)來替代非磁性間隔體，且傳感電流垂直于膜平 面流動。兩個鐵磁性電極之間的電子穿透(e 1 ectron tunne 1 ing)通過兩個鐵磁性電極的相 對磁化進行控制，即，穿透電流(tunneling current)在兩個電極平行時較高，而在兩者反 平行時較低。在某些實施方式中，MTJ檢測器由底部電極、包括通道屏障的磁性多層和頂部 電極構(gòu)成。在某些情況下，]^17檢測器具有超過200%的磁電阻比（3.11^(^，]\!^731^?^， Y.M.Lee，F(xiàn).Matsukura，Y.Ohno，T.Hanyu和H.Ohno,IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，第54卷，第5期，991-1001(2007))和固有較大裝置電阻，從而產(chǎn)生較高的輸出電壓 信號。
[0085]在某些實施方式中，MTJ檢測器具有雙層頂部電極。第一層可以是有助于結(jié)合DNA 或蛋白捕獲探針的金薄層（約l〇nm以下）。第二層可以是不與生物分子探針結(jié)合的鋁、銅或 其它導(dǎo)電金屬，包括但不限于鈀、鈀合金、鈀氧化物、鉑、鉑合金、鉑氧化物、釕、釕合金、釕氧 化物、銀、銀合金、銀氧化物、錫、錫合金、錫氧化物、鈦、鈦合金、鈦氧化物及其組合。在某些 情況下，通過剝離（lift-off)法或通過蝕刻均勻的第二層來在第二層中創(chuàng)建尺寸稍小于 MTJ的孔隙。在這些實施方式中，納米顆粒標(biāo)簽與自由磁性層的頂部表面之間的距離可為約 6nm~約100nm，例如約6nm~約40nm，包括約6nm~約30nm (例如，約6nm~約20nm，包括約6nm ~約10nm)。此外，這一設(shè)置可有助于減少或避免頂部電阻內(nèi)的電流擁擠（current crowding)(參見例如，van de Veerdonk，R.J.M.等，Appl · Phys · Lett ·，71:2839( 1997))，除 非使用非常薄的金電極否則就可能發(fā)生上述電流擁擠。除了傳感電流垂直于膜平面流動之 外，MTJ檢測器可與自旋閥檢測器相似地以面內(nèi)模式或垂直模式進行運作。如上文有關(guān)自旋 閥檢測器的討論那樣，在某些實施方式中，可將垂直模式用于EMI排斥，而類似地，也可以對 MTJ檢測器應(yīng)用超薄鈍化。另外，MTJ檢測器上的第一頂部薄金電極還能適合導(dǎo)電、超薄鈍化 及特異性生物分子探針連接的三重目的。
[0086] 在某些實施方式中，于相同的檢測器寬度和顆粒-檢測器距離，MTJ檢測器可給出 比自旋閥檢測器更大的信號。例如，對于運行于在250mV偏壓下MR為250%且Hb = 350e和Ht =1000e rms的具有0.2μηιΧ0.2μηι的結(jié)面積(junction area)和lkOhm-μπι2的電阻-面積乘 積的MTJ檢測器，來自其中心與自由層中間平面相距35nm的單個直徑llnm的Co納米顆粒的 電壓信號約為200μν，這在某些情況下比相似尺寸的自旋閥檢測器的信號高出超過一個數(shù) 量級。
[0087] 實用性
[0088] 本發(fā)明的方法、系統(tǒng)和試劑盒可用于其中需要確定樣品中一種或多種分析物的存 在或不存在和/或?qū)ζ溥M行定量的各種不同應(yīng)用中。在某些實施方式中，所述方法針對檢測 樣品中的一組生物標(biāo)記物，例如，2種或更多種的不同蛋白生物標(biāo)記物。例如，可將本發(fā)明的 方法用于血清樣品中的2種或更多種疾病生物標(biāo)記物的快速臨床檢測中，例如，可將其用于 診斷受試對象的疾病狀況、用于正在進行的對受試對象的疾病狀況的管理或治療等。
[0089] 在某些實施方式中，本發(fā)明的方法、系統(tǒng)和試劑盒可用于檢測生物標(biāo)記物。在某些 情況下，本發(fā)明的方法、系統(tǒng)和試劑盒可用于檢測特定生物標(biāo)記物的存在或不存在以及特 定生物標(biāo)記物在血液、血漿、血清或其它體液或分泌物中的濃度的增加或減小，所述其它體 液或分泌物諸如但不限于唾液、尿液、腦脊液、淚液、汗液、胃腸道液、羊膜液、粘膜液、胸膜 液、皮脂腺油和呼出氣等。
[0090] 生物標(biāo)記物的存在或不存在或生物標(biāo)記物的濃度的顯著變化可用于診斷疾病風(fēng) 險、個體中疾病的存在或者為個體的疾病設(shè)計治療。例