[发明专利]磁传感器装置

说明书

本发明涉及磁传感器装置以及制造和操作其的方法。更具体而言，本 发明涉及一种磁传感器装置、包括至少一个这种磁传感器装置的生物芯片 以及用于在样本流体中检测和/或量化目标部分(moiety)的方法。根据本 发明的磁传感器装置、生物芯片和方法可以用于分子诊断、生物样品分析 或化学样品分析中。

基于AMR(各向异性磁致电阻)、GMR(巨磁电阻)和TMR(隧道磁致电 阻)元件的磁致电阻传感器目前正在变得越来越重要。除了诸如硬盘磁头 和MRAM的已知高速应用之外，在分子诊断(MDx)、IC中电流感测、汽车等 领域中出现了新的较低带宽的应用。

引入包括这种磁致电阻传感器的微阵列或生物芯片正在使对DNA(脱氧 核糖核酸)、RNA(核糖核酸)和蛋白质的分析发生革命性变化。应用例如 有人的基因型分析(例如在医院中或由医生或护士个人进行)、细菌筛选、 生物和药理研究。在灵敏度、特异性、集成度、易用性和成本方面，这种 磁致电阻生物芯片对于例如生物分子诊断具有有前景的性质。

生物芯片也称为生物传感器芯片、生物微芯片、基因芯片或DNA芯片， 其最简单的形式由衬底构成，在衬底上大量的不同探针分子附着于芯片上 明确限定的区域上，如果待分析的分子或分子碎片与探针分子完美匹配， 那么它们就会结合到一起。例如，DNA分子的片段会结合到一个唯一的互补 DNA(c-DNA)的分子碎片。例如，利用诸如荧光标记或磁性标签的耦合到 待分析的分子的标记可以检测出结合反应的发生。这提供了在短时间内并 行分析少量的很多不同分子或分子碎片的能力。

在生物传感器中进行化验。化验通常涉及若干流体致动步骤，即，使 材料运动的步骤。这种步骤的范例是混合(例如为了稀释，或为了将标签 或其他试剂溶解到样本流体中，或标记，或亲合力结合)或更新反应面附 近的流体，以免扩散变成反应的速度限制因素。优选地，致动方法应当有 效、可靠而廉价。

一个生物芯片可以支持对1000种或更多不同分子碎片的化验。由于诸 如人类基因组计划的计划以及对基因和蛋白质的功能的追踪研究的结果， 预计通过利用生物芯片而变得可以得到的信息的有用性将在今后十年间得 到迅速增强。

可以使用由例如100个基于例如超顺磁珠检测的传感器的阵列构成的 生物传感器来同时测量溶液(例如血液)中很多不同生物分子(例如蛋白 质、DNA)的浓度。这可以通过如下步骤来实现：将超顺磁珠附着到待判定 的目标分子，利用外加磁场磁化该磁珠并利用例如巨磁致电阻(GMR)传感 器来检测磁化珠的磁场。

图1示出了具有集成的磁场激励的磁致电阻传感器10。集成的磁场激 励是指在磁致电阻传感器10中集成了磁场生成装置。磁致电阻传感器10 包括形成磁场生成装置的两个电导体1和形成磁致电阻传感器元件的GMR 元件2。在磁致电阻传感器10的表面3上提供结合位点4，例如其上附着 有磁性纳米颗粒6的目标分子5可以结合到结合位点上。流经导体1的电 流产生使磁性纳米颗粒6磁化的磁场。磁性纳米颗粒6产生由图1中的场 线7表示的磁矩m。然后磁矩m产生双极性磁场，该磁场在GMR元件2的位 置具有平面内磁场分量8。于是，磁性纳米颗粒6反应出由流经导体1的电 流感应出的磁场9，在GMR元件2的敏感x方向上产生磁场分量8，也称为 磁场的x分量H_ext。然后，磁场的x分量H_ext被GMR元件2感测到，且其取 决于磁致电阻传感器10表面3上存在的磁性纳米颗粒6的数量N_np以及导体 电流的大小。

为了加快生化化验，样本中所有的目标分子和磁性颗粒必须在较短时 间内接近有效传感器区域。对这种生物传感器的另一要求是能够在生物传 感器中致动小的流体体积，例如1微升(例如为了试剂混合、搅拌、均化)， 而不干扰磁生物传感器。

对这些要求的最新解决方案为磁性和机械致动(泵浦)，这使得药筒和 读取器设计都变复杂了。此外，这些解决方案难以施加小的样本体积，例 如1微升的体积。

对于以上要求的另一已知解决方案是利用样本体积外的外场发生装置 (例如线圈)。为了进行搅拌，可以在流体中提供转轮或高密度的磁性颗粒。 然而，需要大的磁场来在样本体积中的磁珠上产生合理的力，且必需采取 特殊措施以免影响GMR性质。