基于巨磁電阻傳感器的磁珠檢測方法

黃 晗， 高曉光， 何秀麗， 賈 建， 李建平

(1.中國科學院 電子學研究所 傳感技術國家重點實驗室，北京 100190； 2.中國科學院大學，北京 100190)

0 引 言

巨磁電阻(giant magnetoresistance,GMR)生物傳感器具有檢測速度快、靈敏度高、生物特異性強、所需樣品量小的優點，而且儀器易于小型化和集成化[1～3]，非常適合現場快速檢測。美國海軍實驗室于1998年首先提出了利用GMR效應[4]和免疫磁標記進行生物檢測的設想，并通過測量DNA驗證了其可行性[5]。2002年，美國斯坦福大學Li G X等人提出了交流磁場激勵方法，借助鎖相放大器實現對2.8 μm粒徑磁珠的檢測[6]。2014年，Cheng C Y等人利用簡單的永磁體裝置實現了對納米磁珠的檢測。

GMR生物傳感器利用對磁珠的檢測間接實現對生物樣品的分析，傳感器對磁珠的檢測能力決定著對生物樣品的檢測限及靈敏度[7]。除了GMR傳感器自身性能外，磁場激勵模式及信號檢測方法也是影響磁珠檢測效果的重要因素。由于激勵磁場均勻性對磁珠檢測影響很大，目前研究中大多采用亥姆霍茲線圈產生激勵磁場[7,8]，導致整個檢測裝置體積較大。

此外，目前廣泛使用的微米粒徑磁珠在進行小分子檢測時靈敏度和特異性下降，運用納米磁珠作為標記物正成為GMR生物傳感器的發展方向[9]。然而隨著磁珠粒徑的減小，磁珠磁化后產生的磁場變化也十分微弱，對磁珠檢測也提出了更高的要求。

針對生物磁珠檢測需求，本文根據所用的GMR傳感器工作原理及特點，研究不同磁場激勵方式及輸出信號處理方法，設計制作了磁珠檢測裝置，實現了納米磁珠檢測。

1 GMR傳感器磁珠檢測方法

1.1 多層膜GMR傳感器

本文選用多層膜GMR傳感器實現磁珠檢測，其GMR敏感薄膜由鐵磁層和非鐵磁層交替生長組成，在零磁場下呈現高阻態，在一定外加磁場下呈現低阻態，其電阻值隨外加磁場在薄膜水平面分量的變化如圖1所示。

圖1 多層膜GMR薄膜電阻值隨外磁場的變化

方便起見采用NVE公司多層膜GMR傳感器(AA002-02)裸片進行磁珠檢測，該傳感器由4個多層膜GMR電阻條構成惠斯通電橋結構，其結構及等效電路如圖2所示。傳感器芯片上兩端的GMR電阻條受到聚磁層屏蔽作用而基本不受外磁場影響，為惠斯通電橋中參考電阻R1和R2，中間位置的2個電阻處于聚磁層磁場強化區，其電阻值隨外磁場的變化而變化，是惠斯通電橋中的敏感電阻Rx。GMR敏感電阻器表面有約100 nm厚的氮化硅絕緣膜保護，其所在的區域大小約200 μm×35 μm，傳感器的線性區為1.5～10.5 Oe。當沿著GMR電阻條方向施加磁場，處于聚磁層磁場強化區的GMR電阻條阻值減小，由于多層膜GMR電阻變化具有全極性的特點，電阻條阻值的變化只與電阻條方向上的磁場大小相關，而與其方向無關，因此GMR傳感器電橋輸出信號只反映施加在GMR電阻條方向上磁場的大小。

圖2 GMR傳感器示意

1.2 磁場激勵模式比較

免疫磁珠為超順磁材料，本身沒有磁性，在檢測的過程中需要對磁珠施加激勵磁場。根據激勵磁場方向，其模式可分為水平模式與垂直模式[10]。

為了保證傳感器正常工作，要求激勵磁場在傳感器敏感方向的分量在傳感器線性區內。水平模式下施加最大激勵磁場約為10 Oe；垂直模式能施加的激勵磁場大小取決于磁場傾斜程度，本文施加200 Oe的垂直激勵磁場。仿真時只對單個磁珠產生的附加磁場進行分析，計算GMR薄膜各個位置電導率的變化，進而得到磁珠導致GMR阻值的變化值。利用COMSOL軟件對2種激勵模式下磁珠產生附加磁場的仿真結果如圖3所示。結果表明：在垂直模式下磁珠在傳感器上產生的信號約為水平模式的44倍。對于多層膜GMR傳感器，垂直施加激勵磁場，可以大幅提高磁珠產生的附加磁場大小，因此，本文采用垂直模式對磁珠進行檢測。

圖3 磁珠產生的附加磁場

1.3 信號檢測方法

GMR傳感器噪聲主要由白噪聲和1/f噪聲組成。1/f噪聲存在于所有磁性和非磁性系統中，概括性描述[11]為

(1)

式中γH為Hooge常數；V為工作電壓；f為工作頻率；NC為引入的計算常數。從式(1)可以看出，影響1/f噪聲的主要因素為工作電壓與工作頻率，噪聲的大小與工作電壓成正比，與工作頻率成反比。

為了有效降低傳感器的1/f噪聲，在電橋兩端施加頻率為ω0的正弦調制電壓

ui=Usin 2πω0t

(2)

假設在磁場作用下GMR電阻條阻值的變化為ΔR， GMR電阻值為

Rx=R+ΔR

(3)

傳感器電橋的輸出信號為

(4)

在GMR電阻的線性范圍內，電阻值的變化量ΔR與沿傳感器敏感方向的外磁場Bx的大小存在線性關系

ΔR=kBx

(5)

式中k為比例系數。

若外磁場為直流磁場，敏感方向分量的大小為B1，由于ΔR?R，由式(2)～式(5)得

(6)

傳感器輸出的正弦信號幅值與外磁場大小呈線性關系。

(7)

傳感器輸出信號

(8)

對式(8)進行傅里葉展開得到

sin 2π(ω0-ω1)t]

(9)

可知，外磁場的大小與ω0+ω1，ω0-ω1的幅值成正比，而施加的偏置磁場僅與ω0頻率分量的信號相關。

采用交流磁場激勵能夠大幅降低傳感器的1/f噪聲，提高傳感器的探測能力[12]，并且采用交流磁場測量可以避免地磁場、工頻噪聲與高頻電磁噪聲的干擾。由于對傳感器電橋工作電壓與外加磁場進行交流調制均能降低傳感器的噪聲，本文采用電橋工作電壓及激勵磁場雙調制的方法，通過分析ω0與ω1的和頻信號來計算磁珠產生的附加磁場，既可減小1/f噪聲與環境雜散磁場的影響，還可進一步減小激勵磁場電源、電橋電源中頻率為ω0和ω1的噪聲干擾影響，大幅提高了傳感器的信噪比。

2 實驗部分

2.1 實驗裝置

實驗裝置結構如圖4所示，包括激勵磁場模塊、GMR傳感器及信號檢測模塊。

圖4 實驗裝置結構示意

實驗中利用金絲球焊將2個傳感器裸片封裝于一塊印刷電路板(printed circuit board,PCB)板上，分別作為實驗和對照傳感器。

激勵磁場由帶有氣隙的電磁鐵產生，其尺寸為120 mm×90 mm×50 mm，比常規使用的亥姆霍茲線圈體積更小。電磁鐵氣隙寬度10 mm，電磁鐵匝數245匝，仿真結果表明:該電磁鐵氣隙中心±2 mm范圍內，垂直磁場大小的變化率僅為0.5 %，可以認為PCB上的2只GMR傳感器處于同一勻強激勵磁場內。為了方便激勵磁場參數調整，利用TDA2030a音頻功放電路放大信號發生器(Agilent 33500B)產生的正弦信號以驅動電磁鐵。

信號檢測模塊包括基于AD620的微弱信號放大器、PCIe—6351(NI公司，基本性能)數據采集及個人計算機。GMR傳感器電橋輸出信號經放大后以10 kHz采樣率輸入計算機進行信號處理。

2.2 磁珠檢測方法

實驗采用的磁珠(倍思樂公司Affimag SLE)飽和磁化率大于27.2 emu/g。在實驗傳感器的GMR敏感電阻條表面滴加0.2 μL磁珠溶液，溶液干燥后磁珠分布在GMR電阻條上。在外加磁場激勵下磁珠產生磁信號被傳感器檢測出來，利用數據采集卡分別采集滴加磁珠前后的信號，其差值作為磁珠產生的信號。實驗后酒精擦拭傳感器表面，并酒精超聲2 min除去GMR表面附著的磁珠。

3 結果與討論

3.1 直流與交流激勵磁場的對比

分別在直流激勵磁場和交流激勵磁場下進行1 μm粒徑磁珠的檢測，傳感器電橋電壓均采用1 kHz的正弦交流調制。

對于直流激勵，給傳感器表面的磁珠施加200 Oe的直流磁場，傳感器輸出的信號為正弦交流信號。在計算機上對采集到的信號進行頻譜分析，計算出磁珠產生的信號值。對于交流激勵，利用電磁鐵在磁珠上產生頻率為200 Hz，峰值為200 Oe的交流磁場。傳感器輸出的信號為2個頻率信號的包絡。利用計算機對信號進行解析，得到磁珠產生的信號。

表1為直流激勵磁場下0.5 g/L磁珠溶液測量結果。從表1可知，采用差分測量的信號標準差小于實驗傳感器輸出的標準差。說明GMR傳感器在測量過程中會受到環境雜散磁場的影響，且由于每次實驗時無法保證傳感器處于激勵磁場同一位置，傳感器位置的差異也會帶來測量誤差。而2只傳感器受到這2個因素的影響大致相當，采用差分測量可以有效減小這些因素帶來的誤差，降低磁珠的檢測限。

表1 直流激勵磁場下0.5 g/L磁珠測量結果

通過分析計算可得，滴加0.2 μL 0.5 g/L的磁珠溶液后，磁珠在GMR傳感器表面的覆蓋率(磁珠覆蓋的面積與GMR電阻條區域面積的比值)約為13.5 %，傳感器表面磁珠數量約為1 200個。測量得到傳感器的基值信號標準差為1.96 mV。計算得到該方法對粒徑1 μm磁珠的檢測限約為200個。

表2為交流磁場激勵下的0.1 g/L的磁珠溶液測量結果，傳感器的基值信號標準差為0.226 mV，磁珠測量的檢測限約為30個。

表2 交流激勵磁場下0.1 g/L磁珠檢測結果

*基值及滴加磁珠后信號均為實驗和對照傳感器的差分信號。

由表2可知，在交流激勵磁場下GMR傳感器對磁珠的檢測限較直流激勵磁場下的檢測限小一個量級，并且基值信號標準差更小。這是因為直流磁場激勵下，磁珠附加磁場信號受到電路噪聲與環境磁場的干擾，傳感器輸出的信噪比低。交流磁場激勵下磁珠產生交流附加磁場，傳感器輸出為交流信號，通過頻譜分析可提取出與磁珠附加磁場相關的微弱信號，有效的減少了噪聲干擾，提高傳感器輸出的信噪比。

3.2 微米磁珠檢測

利用雙調制的方法檢測了0.1～0.5 g/L 5種不同濃度的1 μm磁珠溶液，每個濃度進行5次實驗，取平均值作為測量結果，圖5為GMR傳感器差分信號強度與磁珠濃度關系的曲線。GMR傳感器的輸出信號隨著磁珠濃度的增加而增加，在0.1～0.4 g/L的范圍內呈線性關系，擬合指數R2=0.996 1。

圖5 傳感器對1 μm磁珠的響應—濃度曲線

隨著磁珠溶液濃度的增加，傳感器表面磁珠團聚現象變得明顯，磁珠的團聚使GMR的信號減小[13]。這是影響傳感器響應—濃度曲線線性度的主要因素。

3.3 納米磁珠檢測

在傳感器表面滴加0.5 g/L粒徑為200 nm的磁珠溶液，對其進行5次測量，得到實驗組與對照組差分信號如表3所示。

表3 GMR傳感器對200 nm磁珠的響應

從表3可以看到，GMR傳感器在滴加磁珠后產生了響應，并且傳感器在超聲清洗過后恢復了原始信號。磁珠受團聚等因素影響，一些實驗中產生的信號偏差較大。

4 結 論

本文分析了多層膜GMR傳感器的響應特點，設計了采用電磁鐵激勵的磁珠檢測裝置，對比不同激勵磁場下對磁珠的檢測效果。利用差分模式和雙調制的檢測方式有效降低了環境雜散磁場及電路中電磁噪聲的影響，實現微米磁珠的定量檢測和納米磁珠的定性檢測。

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