[发明专利]无外场磁性生物传感器

说明书

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。

技术领域

本发明涉及磁性生物传感器。

背景技术

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。

发明内容

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（pinned layer）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发明的一个或多个实施例的细节。本发明的其他特征、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。