[发明专利]磁传感器设备

说明书

本发明涉及磁传感器，尤其涉及向磁传感器的灵敏区域吸引磁或可磁 化对象。本发明此外还涉及用于检测和/或量化样本流体中的磁或可磁化对 象的方法。根据本发明的磁传感器设备和方法可以用于分子诊断、生物样 本分析或化学样本分析中。

基于AMR(各向异性磁致电阻)、GMR(巨磁电阻)和TMR(隧道磁致电 阻)元件或霍尔传感器的磁传感器目前受到了人们的重视。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中的电流感测、 汽车等领域中出现了新的相对低带宽的应用。

引入包括这种磁传感器的微阵列或生物芯片使得诸如DNA(脱氧核糖核 酸)、RNA(核糖核酸)和蛋白质的生物分子的分析发生了革命性变化。例 如，这些应用是人类基因分型(例如在医院中或由医生或护士个人进行)、 细菌筛查、生物和药理研究。例如，这种磁生物芯片对生物或化学样本分 析而言在灵敏度、特异性、集成性、易用性和成本方面有着很有前景的属 性。

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片段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互补 DNA(c-DNA)的分子片段。例如，利用耦合到待分析的分子的例如萤光标 记或磁标签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片段的能力。

在生物传感器中进行测定。测定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或更新反应面附近的流体(例如稀 释，或将标签或其他试剂溶解到样本流体中，或做标签或亲合力结合)，以 免扩散成为反应速度的限制因素。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种或更多不同分子片段的测定。作为诸 如人类基因组计划以及对基因和蛋白质功能的追踪研究的结果，预计通过 使用生物芯片可获得的信息的可用性将在今后十年间得到迅速增强。

可以使用基于例如超顺磁珠检测的由例如100个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确定 的目标分子，利用外加磁场磁化该磁珠并利用例如巨磁电阻(GMR)传感器 来检测该磁化珠的磁场。

图1示出了具有集成的磁场激励的磁致电阻传感器10。具有集成的磁 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 的电流产生使磁纳米颗粒6磁化的磁场。磁纳米颗粒6产生由图1中的磁 力线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，磁纳米颗粒6产生由流经导体1的电流 诱发的磁场9，导致在GMR元件2的灵敏x方向(由图1中的附图标记8表 示)上产生磁场分量，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的表面3处存在的磁 纳米颗粒6的数量N_np以及导体电流的大小。

图2示出了根据现有技术的传感器设备10的截面图。其包括GMR传感 器元件2和两个导体1。在通过导体1传送电流时，磁颗粒6被朝向传感器 表面3吸引到导体1上方的位置。

图3示出了在200nm Ademtech颗粒的情况下，作为传感器表面3上磁 颗粒的x位置的函数的每磁颗粒6的GMR传感器元件2的信号，其中GMR 传感器元件2的长度1为100μm、灵敏度s_GMR＝0.003Ωm/A，Iwire，1＝80mA_pp， Iwire，2＝80mA_pp且I_sense＝2.4mA_pp。从该图可以看出，该GMR传感器元件2在 GMR传感器元件2的边缘处和GMR传感器元件2和导体1之间获得了介于 0.0045和0.006μV/颗粒的最高信号。图3中的虚线表示GMR传感器元件2 测量到的平均信号，大约为2.8nV/颗粒。