无外场磁性生物传感器制造技术

一种磁性生物传感器（100），其包括磁性结构，例如GMR自旋阀传感器（10、20、30、40），其具有凹槽表面以在生物学上将磁性标签（50）键合到凹槽内的生物物质（80）。凹槽（90）在磁性结构内，以便来自磁性结构的杂散场（110）磁化所述凹槽（90）内的磁性标签（50）。磁性标签（50）可以是磁性纳米颗粒或磁性微珠。该技术可以减少或消除任何外部磁场发生器的使用，例如电磁体或电流线。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】无外场磁性生物传感器本申请要求2011年9月14日提交的第61/534,636号申请的利益，其全部内容合并于此以供参考。
本专利技术涉及磁性生物传感器。
技术介绍
用关注点（point-of-care）设定在超低量下检测和量化生物分子的生物鉴定和生物传感器在许多领域非常需要，包括基本的医学科学、疾病控制和诊断、药物发现和环境监测。生物鉴定能够被用于基于生物组分之间的具体相互作用的原理而进行疾病或病原体检测。抗体-抗原相互作用是能够使用的生物分子之间的具体相互作用的一个实例。生物相互作用的其它实例包括例如DNA-DNA或RNA-RNA相互作用的低聚核苷酸之间的相互作用、小分子-生物分子相互作用、适体-生物分子相互作用、蛋白质相互作用等。磁性生物传感器包括巨型磁阻（GMR）传感器、磁性隧道结（MTJ）传感器、霍尔生物传感器或巨型磁阻抗（GMI）生物传感器。结合磁性生物传感器和磁性纳米颗粒（MNP）的磁性生物传感是已经集中研究的领域。在现有磁性生物传感方案中，当存在靶向生物分子时，其键合（bond）到独立磁场传感器或传感器阵列的生物学功能化表面。功能化MNP键合到这些靶向生物分子。来自具体键合的磁化MNP的偶极子场将改变磁性生物传感器的传感层上的整个有效磁场。这引起磁性生物传感器的磁化配置的变化，因此从生物传感器生成电信号，其能够与MNP的数目定量地关联。通常，如图7和8中所示，需要强大的外部施加的磁场，并且该磁场作为使MNP磁化的唯一源。因此，在传统的磁性生物传感方案中，对外部磁场发生器的必需性降低了用于磁性生物传感器的许诺的可携带性特征，并且增加了整个系统的功率消耗。为使MNP磁化，也已经提出通过生物传感器上的嵌入电流线生成磁场。这能够消除外部电磁体的使用。然而，仍旧存在对于大功率消耗的需要。通常在传感芯片上需要存在大电流，诸如几十毫安，以便为使MNP磁化产生足够大的磁场。这种大电流引起加热效应，也可能导致保护层和生物试样之间的介电中止。
技术实现思路
大体上，描述了磁性生物传感技术，其利用来自磁性生物传感器的杂散场来磁化生物分子并给生物分子键合磁性标签，磁性标签诸如磁性纳米颗粒（MNP）或包括磁性微珠的略大的磁性颗粒。该技术可以减少或消除任何外部磁场发生器的使用，例如电磁体或电流线。该技术可以利用磁性生物传感器中的具体的图案化结构，例如凹槽。该具体图案化结构可以使用离子铣削及其他光刻过程。更具体地，描述了磁性纳米颗粒检测方案，其避免对任何外部生成的磁场的需要。传统的磁性生物传感方案采用外部施加磁场发生器来使超顺磁MNP磁化。这导致额外的功率消耗，这可以是采用磁性生物传感器的关注点应用的关键因素。本文中所述的检测方案引入了生物传感器中的图案化凹槽结构，其利用来自磁性器件的杂散场使MNP磁化。下面基于自旋阀巨磁阻（GMR）传感器件描述实例。对于这个结构，来自自由层和钉扎层（pinnedlayer）的杂散场被用于磁化位于凹槽内侧的MNP。已经进行微磁模拟来计算这个检测方案的信号水平。这个模拟从一个半径为8nm氧化铁磁性纳米颗粒产生8.9x10-5磁阻比（MR）变化的最大信号。如果使用现有技术电子电路用于信号处理，那么这个信号水平对于用于大约10个这种纳米颗粒的检测足够高。这个新的探测方案不限于GMR器件，并且适用于其他自旋电子和磁性传感器件，诸如磁性隧道结（MTJ）器件、具有夹层结构的霍耳传感器和巨型磁阻抗（GMI）器件。例如，该生物传感器可以利用具有自旋阀结构的GMR传感器件、具有自旋阀结构的MTJ传感器件、具有自旋阀结构的GMI传感器件或具有自旋阀结构的霍尔传感器件。该生物传感器可以包括磁性传感器件，其在霍尔传感层下面具有软磁层。在这个实例中，软磁层响应于传感电流，并生成磁场。对于一些磁性传感方案，像霍尔传感器或半导体层，可以只需要单个层。传感层下面的单个软磁层可以被利用以生成磁场。在附图和下面描述中阐述本专利技术的一个或多个实施例的细节。本专利技术的其他特征、目的和优点将从下列描述和附图以及从权利要求中显而易见。附图说明图1A和1B分别以从上到下视图和侧视图描绘了传统的磁性生物传感器的实例。图2A和2B分别以从上到下和侧视图描绘了使用所提出的生物传感方案的实例磁性生物传感器，其包括在生物传感器上形成的凹槽。图3说明了具有凹槽结构的实例磁性生物传感器，并且为生物传感器结构和凹槽结构定义尺寸。图4A和4B是使用所提出磁性生物传感器执行的计算机模拟的结果的图表。图4A图解了来自使用100nm的固定凹槽宽度和变化凹槽长度的传感器的信号。图4B图解了来自使用200nm的固定凹槽宽度和变化凹槽长度的传感器的信号。图5是由所提出的磁性生物传感器产生的信号的模拟的图表，在凹槽结构内部键合了作为磁性标签位置函数的单个磁性标签。图6是由所提出的磁性生物传感器产生的信号的模拟的图表，该信号作为在凹槽结构内部键合的磁性标签数目的函数。图7说明了使用外部磁场磁化该磁性标签的现有技术生物传感方案。图8说明了常规（现有技术）磁性生物传感器。图9A和9B说明了利用所提出的磁性生物传感检测方案的实例手持装置。图9A描绘了与手持装置结合的实例磁性生物传感器。图9B说明了该手持装置的方面。图10A和10B说明了所提出的磁性生物传感器的两个实例配置。图10A示出了条型磁性生物传感器，其中形成凹槽图形，以包括磁性生物传感条围绕的多个平行线形凹槽。图10B示出第二实例提出的磁性生物传感器，其中该磁性生物传感衬底被用凹口图案化。图11说明了通过具有由多个凹口形成的凹槽图形的实例所提出磁性生物传感芯片506的解绑磁性标签的实例流动方向。图12说明了被配置以便磁性标签仅键合到生物传感器表面的实例所提出的磁性生物传感器。图13说明了被配置以便磁性标签仅键合在生物传感器的凹槽中的实例所提出的磁性生物传感器。图14说明了被配置以便磁性标签能够键合到生物传感器的表面和生物传感器的凹槽中两者的实例所提出的磁性生物传感器。图15说明了被连接到两个电极的所提出的磁性生物传感芯片的实例。图16说明了被连接到多个电极的多个所提出的磁性生物传感芯片的实例。图17是由所提出的磁性生物传感器产生的信号的模拟的图表，在凹口结构内部键合单个磁性标签，其中该凹口结构具有100nm的固定长度和100和400nm之间的变化宽度。图18是随着变化强度的外部磁场被施加到系统的实例提出的生物传感器中的杂散场的强度图表。图19是随着变化强度的外部磁场被施加到系统的常规磁性生物传感器中的杂散场的强度图表。图20示出使用所提出磁性生物传感方案的布局和暗场显微镜图像，这些图像被用于产生条型生物传感器。图21和22示出随着磁性标签被引入系统，来自使用所提出的磁性生物传感方案的实例条型传感器的实时信号。图21示出对于具有200nm凹槽的传感器的结果，并且图22示出对于具有100nm凹槽的传感器的结果。具体实施方式为了易于描述，术语磁性纳米颗粒将在描述中被用于指连到生物分子的磁性标签。然而，这个做法未将磁性标签仅限制于传统上被描述为纳米颗粒的颗粒。本专利技术也考虑诸如微珠的其他尺寸的磁性颗粒。本领域技术人员将已知为调整该器件的各种部件的尺寸，以接受其他尺寸的颗粒。图1A和1B分别以从上到下和横截面视图示出使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物传感器，包括：磁性结构，具有表面；凹槽，在所述表面内形成；和生物物质；其中，所述生物物质在生物学上键合在所述凹槽内或上方的磁性标签，并且所述凹槽位于所述磁性结构内，以便来自所述磁性结构的杂散磁场磁化所述凹槽内或上方的所述磁性标签。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.14 US 61/534,6361.一种生物传感器，包括：磁性结构，包括表面和具有自由层和钉扎层的自旋阀结构；凹槽，在所述表面内形成；和生物物质，其中，在来自所述自由层和所述钉扎层两者的杂散磁场穿过所述凹槽用于磁性标签的磁化的位置处，所述生物物质在生物学上键合在所述凹槽内的所述磁性标签。2.根据权利要求1所述的生物传感器，其中所述磁性标签被来自所述自由层和钉扎层两者的所述杂散磁场和外加磁场两者磁化。3.根据权利要求1所述的生物传感器，其中所述磁性标签包括磁性纳米颗粒(MNP)，其直径小于100纳米。4.根据权利要求1所述的生物传感器，其中所述磁性标签包括磁性微珠，其直径在1和2微米之间。5.根据权利要求1所述的生物传感器，其中所述凹槽被形成为延伸穿过所述自由层和至少一部分所述钉扎层。6.根据权利要求1所述的生物传感器，其中所述自由层的厚度为1到10nm，并且所述钉扎层厚度为10到50nm。7.根据权利要求1所述的生物传感器，其中所述凹槽深度为5到100纳米。8.根据权利要求1所述的生物传感器，其中所述生物传感器包括具有所述自旋阀结构的巨磁阻(GMR)传感器件、具有所述自旋阀结构的磁性隧道结(MTJ)传感器件、具有所述自...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建平，李远鹏，王一，
申请(专利权)人：明尼苏达大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US