1 引 言 基于GMR效應(yīng)的自旋閥生物磁傳感器由于自身靈敏度高、線性程度好、易于集成等特點(diǎn)，與早期的電化學(xué)分析、壓電晶體檢測(cè)方法相比具有檢測(cè)精度高的明顯優(yōu)點(diǎn)，與當(dāng)前較成熟的熒光檢測(cè)生物系統(tǒng)相比又不必依賴于龐大、精密的光學(xué)系統(tǒng)，因而其研究和應(yīng)用前景被國(guó)內(nèi)外眾多研究單位和學(xué)者所關(guān)注和看好。1998年美國(guó)Naval Research Labo-ratory研制出了第一代BARC（bead array counter）芯片，到今天已經(jīng)發(fā)展到能夠?qū)崿F(xiàn)DNA檢測(cè)及納米磁球檢測(cè)。 2 生物傳感器制備及測(cè)試 由于被檢測(cè)信號(hào)較小僅為μV量級(jí)，在設(shè)計(jì)上采用惠斯登交流電橋作為檢出結(jié)構(gòu)，并且搭建了完備的檢測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)由GMR檢測(cè)電橋、驅(qū)動(dòng)部分和檢測(cè)部分組成?；菟沟请姌蛴上嗤腉MR自旋閥敏感電阻Rsen，Rref和外部可調(diào)參考電阻R1，R2組成，其中電橋的上半橋臂，即磁敏感電阻Rsen，Rref，采用三步光刻法集成在芯片上，其自旋閥結(jié)構(gòu)為Ta／NiFe／CoFe／Cu／CoFe／MnIr／Ta，磁阻變化率MR可達(dá)9.2％，性能見圖2。 在測(cè)試過程中，由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生交流信號(hào)，通過電流放大單元驅(qū)動(dòng)電磁鐵，產(chǎn)生固定頻率的交變勵(lì)磁場(chǎng)。將濃度為200 μg／mL、直徑2 μm的超順磁性免疫磁球以酒精溶液的形式加在Rsen上。在外界交變勵(lì)磁場(chǎng)的作用下，附著在Rsen表面的磁球被磁化，產(chǎn)生一個(gè)同頻率的微小附加場(chǎng)，使Rsen，Rref兩橋臂感應(yīng)到的磁場(chǎng)大小產(chǎn)生差異，進(jìn)而導(dǎo)致交流檢測(cè)電橋的輸出信號(hào)發(fā)生變化。交流電橋的信號(hào)最終用鎖相放大器檢出后輸出到計(jì)算機(jī)記錄，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)免疫磁球溶液的檢測(cè)。此外，由于作為磁球溶劑的酒精也會(huì)對(duì)傳感器的輸出信號(hào)產(chǎn)生影響，因此先須測(cè)試酒精對(duì)輸出信號(hào)的影響才能最終確定免疫磁球的輸出信號(hào)幅度。 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論 3.1 不含免疫磁球溶液的測(cè)量 為了排除免疫磁球之外的其他因素對(duì)生物傳感器輸出結(jié)果的影響，先進(jìn)行了對(duì)不含免疫磁球溶液的測(cè)量，具體結(jié)果見圖3。從圖中可以看出，在檢測(cè)過程中有一個(gè)幅值約為20μV的本底信號(hào)存在，這主要是由于Rsen，Rref兩橋臂不能夠完全匹配引起的。雖然在實(shí)驗(yàn)開始之前進(jìn)行了電橋的直流調(diào)平，但由于兩橋臂的磁阻曲線不能完全重合，所以對(duì)交變勵(lì)磁場(chǎng)的響應(yīng)也就不能完全一致。而且由于不同的芯片上Rsen，Rref的匹配程度不同，本底信號(hào)在每次實(shí)驗(yàn)中大小也并不一致，但在每次具體的實(shí)驗(yàn)中，本底信號(hào)是穩(wěn)定的。在滴加溶液過程中輸出信號(hào)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大約50 μV的短暫尖峰后又回到本底的水平，這主要是由于在溶液滴加過程及其揮發(fā)過程中，傳感器表面會(huì)產(chǎn)生溫度變化而導(dǎo)致的，但這個(gè)尖峰信號(hào)并不能穩(wěn)定保持，所以對(duì)最后的測(cè)量結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響。 3.2 含有免疫磁球溶液的測(cè)量 在Rsen表面滴加1μL、質(zhì)量濃度為200 μg／mL的免疫磁球溶液后，生物傳感器表面形貌見圖4，其輸出如圖5所示。 從圖5中可以看出，在第一次滴加時(shí)附著在GMR生物傳感器表面的磁球使得電橋輸出達(dá)到300μV，由于傳感器表面積相對(duì)磁球來說較大，在以后的第二，三次滴加中仍然有部分磁球附著到了傳感器表面，使得傳感器的輸出進(jìn)一步加大，最終達(dá)到450μV。此時(shí)雖然傳感器表面沒有被磁球完全覆蓋，但由于新滴加上的液體對(duì)表面原有磁球也有一定的沖洗作用，因而在繼續(xù)第四次滴加時(shí)，傳感器表面磁球的數(shù)量沒有進(jìn)一步增加，傳感器信號(hào)輸出達(dá)到最大值，考慮到本底信號(hào)的影響，由免疫磁球產(chǎn)生的最終信號(hào)幅值應(yīng)為300μV。該檢測(cè)結(jié)果與INESC的Graham小組用直流方式對(duì)于2 μm磁球的檢測(cè)結(jié)果類似。 3.3 信號(hào)隨勵(lì)磁頻率的變化 在實(shí)驗(yàn)中，勵(lì)磁場(chǎng)頻率的選取也會(huì)對(duì)傳感器信號(hào)的輸出產(chǎn)生影響。當(dāng)外加勵(lì)磁場(chǎng)變化頻率過高時(shí)，由于系統(tǒng)中電磁鐵等感性阻抗元件的影響，使得電橋的輸出信號(hào)大幅減弱。但考慮到系統(tǒng)的電路噪聲，尤其是在頻率越低時(shí)1／f噪聲會(huì)急速增加的影響，所施加的勵(lì)磁頻率也不宜過低，外加勵(lì)磁頻率對(duì)于輸出的影響見圖6。在實(shí)驗(yàn)中選取的頻率是信號(hào)和噪聲都適中、信噪比最大的70 Hz。 4 結(jié) 論 利用由三步光刻工藝制備GMR傳感器，采用交流檢測(cè)的方式對(duì)于直徑2 μm、濃度為200μg／mL的生物免疫磁球進(jìn)行了初步檢測(cè)。結(jié)果顯示，不含磁球的溶液會(huì)造成信號(hào)的波動(dòng)，但不能影響傳感器的最終穩(wěn)定輸出，傳感器表面附著磁球后產(chǎn)生了350μV的信號(hào)輸出，并隨著滴加次數(shù)的增多信號(hào)增大至450μV，最終達(dá)到飽和。此外較高和較低的頻率會(huì)分別造成傳感器輸出信號(hào)的下降和系統(tǒng)噪聲的上升，合適的頻率也是優(yōu)化輸出信號(hào)的重要條件。