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

摘要：磁標(biāo)記自旋閥GMR，生物傳感器向著實時處理、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生物傳感器向著實時處理、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生物傳感器具有獨特的優(yōu)勢和更高的性價比，因此，其在市場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)境檢測等方面必將迎來更加廣闊的前景。

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、離子敏場效應(yīng)管)相配合組成的傳感器。它是近年來生物醫(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別元件，通過埋入或簡單結(jié)合的途徑，通過信號轉(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)合起來形成的小型分析儀器。生物傳感器的研究開端于20世紀(jì)60年代。1962年克拉克等人報道了用葡萄糖氧化酶與氧電極組合檢測葡萄糖的結(jié)果，可認(rèn)為是最早提出了生物傳感器(酶傳感器)的原理。

生物傳感器能把生化反應(yīng)非電參量轉(zhuǎn)換成電信號而加以放大、顯示、檢測等處理，因此具有成本低、體積小、特異性能強、靈敏度高、響應(yīng)速度快、選擇性好、可靠性強和使用壽命長等等綜合性能指標(biāo)，它既適用于生物醫(yī)學(xué)的研究和臨床微量、超微量自動化檢測與監(jiān)測；又適于大容量自動化工業(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、國防、醫(yī)藥、家用電器等多個領(lǐng)域。

1.生物傳感器的基本工作原理。生物傳感器通過生物分子識別部件將被感知物質(zhì)的非電信號轉(zhuǎn)換成可測量的電信息。生物識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。信號轉(zhuǎn)換元件選擇能與生物識別元件的響應(yīng)相耦聯(lián)的化學(xué)或物理傳感器。一個典型的生物傳感器應(yīng)當(dāng)由生物分子識別和信息轉(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)之間的新增長點，在國民經(jīng)濟中的臨床診斷、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性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)了巨磁阻(Giant Magnetoresistance縮寫為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。自此以后的十多年來，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)用的國際典范。目前，GMR材料已在磁傳感器、計算機讀出磁頭、磁隨機存取存儲器等領(lǐng)域得到商業(yè)化應(yīng)用。

利用GMR材料制作的傳感器稱作巨磁阻傳感器，它具有靈敏度高、探測范圍寬、抗惡劣環(huán)境等優(yōu)點。同時可利用半導(dǎo)體曝光和刻蝕工藝，使該元件集成化、小型化。其性能價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他幾種磁場傳感器。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)用于生物檢測領(lǐng)域，是一種對磁標(biāo)記的生物樣本進(jìn)行檢測的傳感器。其構(gòu)成有免疫磁性微球(Immunomagnetic Beads縮寫為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)記的主要特點有：分離速度快、效率高、可重復(fù)性好、操作簡單、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，是近年來國內(nèi)外研究比較熱門的一種新的免疫學(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)等各個領(lǐng)域，其應(yīng)用日益廣泛，尤其在免疫學(xué)檢測、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傳感器檢測過程：首先，在傳感器表面生成用于特定檢測的生物探針，再使檢測試液流過傳感器表面，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，由實驗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，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.信號檢測電路。磁電阻的變化需要轉(zhuǎn)化成電信號，有兩種實現(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都是在檢測信號中除去參考信號代表的背景噪聲，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)檢測信號非常弱時，由于信哚比太低，上述的電路無法實現(xiàn)對信號的讀出，此時必須采用鎖相放大技術(shù)才能讀出信號。

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

三、磁標(biāo)記自旋閥GMR生物傳感器

隨著近年來納米材料與生物檢測技術(shù)的結(jié)合，生物分子的檢測也有了重要的發(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，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、適于自動化分析及可實時檢測等特點，在科學(xué)研究和免疫診斷應(yīng)用等方面有其獨特的技術(shù)價值和科學(xué)意義，因此，近年來其發(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，其工作原理如下：

(1)被測對象磁性化：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)動力(如施加梯度磁場)，除去未結(jié)合的磁珠；

(3)施加交流磁場，磁化磁珠形成磁邊緣場使對磁場敏感的傳感器元件的電阻值發(fā)生改變，輸出響應(yīng)信號，這樣，由生物識別的免疫化學(xué)反應(yīng)信號就可轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢硇盘栞敵?，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，美國海軍實驗室的Dayid R.Baselt等人研制出了第一個磁標(biāo)記自旋閥GMR生物傳感器。但由于信噪比的限制，當(dāng)時只能實現(xiàn)每80×5μm²的區(qū)域上探測到直徑為2.8μm的一個磁珠。此后，世界各地的研究機構(gòu)延續(xù)這種構(gòu)思，大力研究和開發(fā)磁標(biāo)記自旋閥GMR生物傳感器，其研究思路可分為對磁珠密度的探測和對單一磁珠的探測兩方面。前者用于醫(yī)學(xué)診斷、免疫分析、環(huán)境檢測、生物化學(xué)戰(zhàn)的快速預(yù)警、流行性病毒的快速檢測和診斷分析等領(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。

磁生物傳感器在實際應(yīng)用中具有廣闊的市場前景，而決定其在市場上有無競爭力的一大因素就是性價比?，F(xiàn)有的磁生物傳感器包括超導(dǎo)量子磁強計(SQUID)、霍爾元件、各項異性(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)量子磁強計具有相對高的靈敏度，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的磁場范圍相對較小，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，有其獨特的優(yōu)勢：

(1)磁阻材料的優(yōu)勢：一是要實現(xiàn)弱磁場下微弱生物信號的探測，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應(yīng)的飽和磁場低。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、低矯頑力，而且磁電阻曲線有比較大的線性范圍，可實現(xiàn)對微弱信號的探測。

(2)磁標(biāo)記的優(yōu)勢：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；二是通過施加磁場，磁標(biāo)記能實現(xiàn)在芯片上的操縱，可用以進(jìn)行分子定位或識別；三是靈敏度高，有望不必通過聚合酶鏈反應(yīng)(Polymerase Chain Reaction，PCR)擴增即可實現(xiàn)生物信息從樣品中的提取；四是強磁場能夠移除帶有磁標(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：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)換為電信號并加以檢測，適于自動化分析，且不必依賴于昂貴、高精度的光學(xué)測量系統(tǒng)。

(4)操作上的優(yōu)勢：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中非常有價值；二是便攜式室；三是單片多通量檢測。

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比，因此，在市場上的前景是十分廣闊和誘人的。