专利名称：磁隧道结生物芯片载体和采用该载体的芯片及其利记博彩app和对生物分子进行检测的方法
技术领域：
本发明涉及一种磁隧道结生物芯片载体和采用该载体的芯片及其利记博彩app和对生物分子进行检测的方法。
用于连接、吸附或包埋各种生物分子使其以水不溶性状态行使功能的固相材料统称为载体。目前已有包括无机材料、天然有机聚合物、人工合成的有机高分子聚合物、各种高分子聚合物膜等材料制备的上百种载体并被用于各种物质的固定化载体。生物芯片是二十世纪八十年代末兴起的集现代生命科学、信息科学、微电子学、微机械加工技术等为一体的生物分子微分析处理平台，具有信息高度集成和并行化处理等重要特点，是现代生命科学、医学及药物开发研究的重要平台和工具。制作生物芯片的一个重要环节是选择一种载体并在其表面固定各种不同的活性生物分子，如蛋白质、核酸、酶、多肽、抗原、抗体等，但在已有的上百种载体中，真正适合生物芯片使用的只有少数几种，如玻璃片、硅片、金属片、各种有机高分子制成的薄膜等。目前生物芯片用载体材料必须符合下列要求(1).载体表面要经过一定的处理，使之能够具有静电反应或进行化学反应的活性基团，以便与生物分子相偶联。
(2).使单位载体上结合的生物分子达到最佳容量。
(3).载体应为惰性并具有足够的稳定性包括对机械、物理和化学的稳定性。
(4).载体具有良好的生物兼容性。此外，由于目前生物芯片检测大多采用光学检测的方法，包括透射光和反射光。这种检测方法还要求所用生物芯片具有良好的光学性质，能适应透射或反射光的测量。玻璃片是目前应用较好的一种载体，它较尼龙等聚合物材料有一定优点。但目前包括玻璃片在内的所有载体，只是单纯作为生物芯片的载体使用，这种芯片的检测则需使用价格昂贵的扫描仪来完成。
巨磁电阻(Giant Magnetoresistance，简称GMR)材料是指在外磁场作用下电阻发生显著变化的一类功能材料，自1988年M.N.Baibich在(Fe/Cr)n超晶格多层膜结构的材料中发现巨磁电阻效应以后，人们相继在“铁磁金属/非磁性金属导电膜/铁磁金属”的自旋阀(Spin Valve，SP)、“铁磁金属/非磁性金属”的颗粒膜以及“铁磁金属/非磁性金属氧化物绝缘膜/铁磁金属”的磁隧道结(Magnetic TunnelJunction，MTJ)中均发现了巨磁电阻效应。其中磁隧道结的综合技术指标在各种GMR材料中居于领先地位，受到了材料界及电子工业界的广泛关注。
感应铁磁层、非磁性金属氧化物绝缘层、固定铁磁层组成核心三明治薄膜，这种膜材料制作的磁隧道结可产生巨磁电阻效应，中间的非磁性金属氧化物绝缘层又称为隧道势垒层，隧道势垒层极薄，厚度约1～4nm，以保证在两个铁磁层中产生自旋电子的隧穿效应。在电子的自旋极化隧穿过程中，巨磁电阻效应来自两个铁磁层中多数自旋向上电子和少数自旋向下电子态密度(Density of States，简称DOS)的不对称性。在不考虑自旋翻转散射(Spin-flip)的理想状况下，隧穿过程中电子的自旋极化隧穿几率仅依赖于两个铁磁层中磁化强度的相对取向。在磁化强度的方向相互平行时，两个铁磁层材料能带中多数电子的自选取向相同，费米面(Fermi)附近可填充态的数目之间具有最大匹配程度，使隧穿电流最大，隧穿电阻最小。反之，当磁化强度方向反平行时，由于两个铁磁层材料能带的电子态密度间的不匹配导致隧穿电流最小，而隧穿电阻最大。科学家将此现象解释为自旋电子穿过磁化方向相反的铁磁层时，产生较强的散射呈现高电阻，自旋电子穿过磁化方向相同的铁磁层时，自旋电子散射较弱，呈低电阻。因此，当施加外磁场作用，使磁化强度从平行态转动到反平行态，或从反平行态转动到平行态时，会产生磁电阻的变化，由于磁隧道结中电子的输运机制是隧道效应，所以这种巨磁电阻效应又被称为隧道型磁电阻(Tunnel Magnetoresistance，简称TMR)。由于具有可控的高结电阻、低功率损耗、饱和场以及相对较高的场灵敏度，所以使磁隧道结成为目前最灵敏的磁场感应器件。
在磁隧道结传感器中，一个铁磁层的磁矩是固定的或针扎固定的，而另一个铁磁层的磁矩可随外磁场而任意旋转。当在两个铁磁层之间加上电位时，传感器电阻随着穿过铁磁层间绝缘层的隧道效应电流而改变。巨磁电阻效应通常用电阻的相对变化率即磁阻率来表示，见下式ΔR＝(Ra-Rρ)/Ra其中，Rρ和Ra分别表示在外磁场作用下两个铁磁层磁化强度方向111111平行和反平行时的电阻值。
Biabich等于1988年最早报道了用复杂和昂贵的分子束外延(Molecular BeamExtention，MBE)技术制备的Fe(25nm)/Co(1nm)/Fe(25nm)三明治结构，相对磁电阻为1.5％的GMR效应的薄膜系统，随后发展的较为简单的溅射制作技术，使多层膜制作技术流程大大简化。在室温下得到的巨磁电阻达20％左右的磁隧道结装置在1995年才报道。为观察到显著的巨磁电阻效应，制备的磁隧道结要求(1).达到铁磁薄膜层的自旋极化率要大，即制备过程中避免氧化；(2).氧化物势垒足够高，即致密且无针孔等缺点，使电子以隧穿形式输运；(3).在外磁场下，两个铁磁层的磁化强度可任意平行或反平行排列。近年来，随着磁隧道结组成材料的发展和加工工艺的不断改进，得到一系列室温下巨磁电阻效应较高的隧道结。为使两个铁磁层的磁化强度能够平行或反平行排列，其采用了沉积钉扎层、沉积反铁磁耦和层，通过控制制备条件使铁磁层具有不同的矫顽力等技术得到了各种不同的磁隧道结。除组成磁隧道结的核心三明治薄膜之外，磁隧道结加工中有时还会增加感应铁磁层的保护层，也称加盖层，固定磁化强度方向的反铁磁耦合层，也称反铁磁层，或利于得到致密薄膜的晶种层等各种功能薄膜层。由核心三明治薄膜和其它功能薄膜层共同组成的材料称为多层膜材料。由这种多层膜材料加工的磁隧道结与外接电源、检测器连接的装置称为磁隧道结装置。
图1是通过反铁磁耦和层固定其中一个铁磁层的隧道结装置结构示意图。该磁隧道结装置16由磁隧道结15通过导线3和导线10与电源2及信号检测器1连接构成。电源2用于提供检测电流Is，信号检测器1则用于测定在外磁场存在的情况下由于感应铁磁层5磁化方向的变化所产生巨磁电阻值的大小。磁隧道结15主要由铁磁电极13、铁磁电极14、隧道势垒层6及导线3和10组成。铁磁电极14由固定铁磁层7、反铁磁层8和晶种层9构成。固定铁磁层7和反铁磁层8耦和，使其磁化强度方向12得以固定；晶种层9主要用于优化界面结构；铁磁电极13主要由感应铁磁层5和加盖层4组成，加盖层4用于磁隧道结15表面的保护。感应铁磁层5与固定铁磁层7通过非磁性、绝缘的隧道势垒层6隔开。在没有外加磁场的情况下，11所示为感应铁磁层5的磁化强度方向；12所示为固定铁磁层7的磁化强度方向，其垂直纸平面由外向里，此时，两个铁磁电极13、14的磁化强度方向11、12相互垂直。
具有巨磁电阻效应的传感器装置，主要用于检测磁场的存在、强弱、方向和变化等，与传统的磁电阻传感器相比，巨磁电阻由于其灵敏度高、可靠性好、测量范围宽、寿命长、体积小、抗恶劣环境等特点，已广泛应用于磁传感器、高密度和超高密度计算机读出磁头(Read Head)和磁随机存储器(Magnetic RandomAccess Memory，MRAM)等领域。1994年美国的IBM公司首次使用巨磁电阻效应的自旋阀读出磁头，取得每平方英寸10亿位的硬盘面密度纪录；至1996年，硬盘的面密度已达每平方英寸50亿位。预期将来硬盘密度的容量将实现每平方英寸4,000乃至10,000亿位。与此同时，巨磁电阻材料加工制作的磁随机存储器，也受到了计算机领域的关注，预计MRAM的采用可实现10Gbit/cm2的存储密度和0.5ns的存储速度，因此磁读出磁头和磁随机存储器在新一代计算机的研究和开发中有着重要的价值和应用前景。
巨磁电阻材料在微弱磁场的传感方面具有一定的优势，为此，1998年，D.R.Baselt等利用自旋阀结构的材料研究了基于巨磁电阻效应的生物芯片，并将其称为微球阵列计数仪(Bead ARray Counter，BARC)，虽然自旋阀材料制备工艺较为成熟，但这种基于自旋阀结构的生物传感技术仍存在以下不足(1).自旋阀的磁电阻变化率较小，通常仅为5～10％，因此基于该种巨磁电阻效应的生物芯片灵敏度较低；(2).自旋阀结构的材料功耗高，输出电压低，背景噪音高，而较高的背景噪音会影响测定结果的准确性；(3).由于灵敏度的限制，该技术是用微米级的磁性颗粒作为被测生物分子的标记物，通过磁性颗粒产生的较弱外磁场对生物分子进行检测，巨磁电阻的变化率仅为4％，若使用更小的纳米磁性颗粒作为标记，则检测不到巨磁电阻值得变化。
本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处，而提供一种利用磁隧道结制备的高密度或超高密度的磁隧道结生物芯片载体和采用该载体的芯片及其利记博彩app和对生物分子进行检测的方法。本发明检测灵敏度高，准确度高，检测设备简单。
本发明的目的可通过以下措施来达到首先通过公知的磁隧道结制作技术得到一定密度的磁隧道结，并设计相应的电路；对其进行一定的表面处理后，将生物分子如蛋白质、核酸、多糖等通过生物芯片点样仪固定在磁隧道结的表面；被测定生物靶分子进行纳米或微米级磁性颗粒的标记；标记有磁性颗粒的生物靶分子与固定在磁隧道结生物芯片上的识别分子进行孵育反应，除去一些非特异性的分子；将反应后的磁隧道结生物芯片，插入电路中进行电阻或电压的测定，根据产生电信号的位置和强度，确定磁隧道结生物芯片上各种生物大分子种类和含量。
一种磁隧道结生物芯片载体，主要由磁隧道结15构成，该磁隧道结15主要包括铁磁电极13、非磁性绝缘的隧道势垒层6、基底17及设置于基底17上的铁磁电极14；所述的铁磁电极13主要包括感应铁磁层5，所述的铁磁电极14主要包括固定铁磁层7，所述的隧道势垒层6设置于感应铁磁层5与固定铁磁层7之间构成核心三明治薄膜；其特殊之处在于所述的磁隧道结15表面喷涂有生物分子固定层18，构成磁隧道结生物芯片载体19。
上述铁磁电极14可包括耦和于固定铁磁层7表面的反铁磁层8。
上述铁磁电极13的感应铁磁层5表面可设置加盖层4。
上述铁磁电极14的底层可设置晶种层9。
上述感应铁磁层5可为矫顽力较小且巨磁电阻效应较大的铁磁材料；上述固定铁磁层7可为巨磁电阻效应较大的铁磁材料；上述隧道势垒层6可为金属氧化物。
上述隧道势垒层6的厚度以1～4nm为宜；上述隧道势垒层6的金属氧化物可为Al2O3、AlN或MgO等。
一种磁隧道结生物芯片，其特殊之处在于它包括磁隧道结生物芯片载体19和可寻址生物分子20，所述可寻址生物分子20固定于磁隧道结生物芯片载体19表面。
一种磁隧道结生物芯片载体的利记博彩app，其特殊之处在于该方法的制作步骤如下1].磁隧道结薄膜材料的制作(1).用磁控溅射或离子束溅射的高真空或超高真空溅射机在基底17表面溅射一层固定铁磁层7；(2).在固定铁磁层7表面用氮反应或自然氧化、等离子体氧化的方法制备出隧道势垒层6；(3).在隧道势垒层6表面溅射一层感应铁磁层5，形成磁隧道结多层膜材料的核心三明治薄膜；2].磁隧道结的制作
(1).采用光蚀刻法，让光线透过刻有线路图的掩膜照射在多层膜材料表面，刻蚀镂空，得到均布的、面积微小的磁隧道结15的微阵列；所述的光蚀刻是采用紫外光、极紫外光、X-光或离子束投影光进行刻蚀；3].磁隧道结生物芯片载体的制作在磁隧道结15表面，喷涂生物分子固定层18形成磁隧道结生物芯片载体19。
上述磁隧道结薄膜材料的利记博彩app包括可在固定铁磁层7底部设置一层与之耦合的反铁磁层8构成磁隧道结多层膜材料。
上述磁隧道结薄膜材料的制作可包括在该核心三明治薄膜材料的底层通过溅射的方法制作一层晶种层9构成磁隧道结多层膜材料。
上述固定铁磁层7的磁化强度方向12可采用针扎或反铁磁耦和形式固定。
上述用氧化或等离子体氧化的方法制备隧道势垒层6可包括，先沉积一层隧道势垒层6所用金属单质，然后采用自然氧化或等离子体氧化的方法制备出金属氧化物形成隧道势垒层6；上述用氮反应的方法制备隧道势垒层6，敷设时可用反应溅射或直接溅射的方法将金属氮化物直接沉积在固定铁磁层7表面。
上述磁隧道结15的制备可包括在磁隧道结微阵列表面喷涂加盖层4，填平刻蚀镂空部分，并在磁隧道结15的位置打孔，使磁隧道结15裸露出来。
一种磁隧道结生物芯片的利记博彩app，其特殊之处在于该方法是将可寻址生物分子20固定在磁隧道结生物芯片载体19表面，形成磁隧道结生物芯片。
上述将可寻址生物分子20固定在磁隧道结生物芯片载体19表面可通过物理吸附或化学键合的方法。
上述通过物理吸附或化学键合的方法可以是利用生物芯片点样仪，通过有序排列的点样针，将可寻址生物分子20排列在磁隧道结生物芯片载体19上。
上述可寻址生物分子可为蛋白质、核酸、寡核苷酸、多糖等。
一种采用磁隧道结生物芯片对生物分子进行检测的方法，其特殊之处在于该方法的检测步骤如下(1).磁性纳米粒子对靶分子的标记用磁隧道结作为生物芯片载体19，采用纳米或微米级磁性颗粒作为靶分子的标记物，将被检测靶分子标记在具有超顺磁性的纳米或微米级磁性颗粒上，在颗粒表面包覆聚合物，并修饰功能基团，通过亲和或共价结合标记在生物分子上，使磁性微粒在抗体分子上固定化；(2).可寻址生物分子20和被检测的目的分子之间反应，将标记在被测定靶物质上的微米级或纳米级磁性颗粒固定在生物芯片表面；(3).加外磁场对顺磁性的磁性颗粒产生磁化作用，外磁场方向与磁隧道结平面相互垂直；(4).通过检测生物化学反应后附着在磁隧道结表面磁性微粒所产生磁场对隧道结感应铁磁层5的作用所引起磁电阻的变化，记录检测过程中电信号，测定出被检测生物分子的种类及含量。
本发明与现有技术相比具有如下优点1.灵敏度高；本发明磁隧道结的磁电阻变化可达20～40％，因此，磁隧道结生物芯片检测灵敏度高，可做到单分子检测；2.准确度高；本发明磁隧道结生物芯片信噪比高，背景干扰小，因此具有更高的准确度；3.本发明磁隧道结不单作为生物芯片载体使用，还兼作电磁学方法检测目的生物分子的重要器件；4.与目前常用的生物芯片检测荧光扫描仪相比，该本发明的检测装置简单便携，如可使用信号放大器测定；也更适应于临床现场和战地、疫区检验等方面的病原微生物的检测；5.由于每一个磁隧道结都可构成一个磁感应装置，故可得到高密度和超高密度的磁隧道结生物芯片；6.本发明的载体可制作众多基因芯片，如寡核苷酸芯片、cDNA芯片、蛋白芯片、多糖芯片等，并可广泛应用于核酸表达谱研究、DNA临床检测、抗原/抗体检测、多肽检测以及生物战剂检测等诸多领域。
附面说明如下图1为本发明磁隧道结装置的结构示意图；图2为本发明磁隧道结生物芯片的结构示意图。
下面将结合具体实施例对本发明作进一步详述1.本发明磁隧道结生物芯片载体的制备工艺如下1].磁隧道结薄膜材料的制备磁隧道结多层膜材料，可在一种基底17表面上，利用已有的磁控溅射或离子束溅射的高真空或超高真空溅射机来制备。通常感应铁磁层5使用矫顽力较小且巨磁电阻效应较大的材料；固定铁磁层7使用巨磁电阻效应较大的材料，其磁化强度方向11可采用针扎或反铁磁耦和等形式得以固定。隧道势垒层6可采用金属氧化物，使用最多的为Al2O3；还可使用AlN，MgO等。隧道势垒层6应致密，厚度为1～4nm，可采用已有的自然氧化、反应溅射、直接溅射沉积、等离子体氧化等多种方法制备。如利用等离子体氧化法制备势垒层，一般先溅射沉积一层铝，在保持原有真空度的情况下用机械手将样品移入与溅射腔相连的等离子体氧化腔，精确控制氧化过程，如氧气压、样品与溅射靶之间的距离等，得到1～2nm厚的Al2O3隧道势垒层6；为使磁隧道结装置16具有较高的磁阻率，可在基底表面先制备晶种层9，以使其它各层材料致密、均匀、光滑，沿一定的方向生长。
用上述已有技术可以制备具有感应铁磁层5/隧道势垒层6/固定铁磁层7结构特征的诸如Co/Al2O3/Ni80Fe20和Co、Fe掺杂/Al2O3/Ni80Fe20的多层膜和具有感应铁磁层5/隧道势垒层6/固定铁磁层7/反铁磁层8结构特征的如CoFe/Al2O3/CoFe/MnIr等材料的多层膜材料。也可采用现有多层膜制备技术，用自行设计的材料，制备如图2所示的多层膜材料。
2].磁隧道结的制备目前磁隧道结主要采用光蚀刻技术制造，即让光线透过刻有线路图的掩膜照射在磁隧道结多层膜表面以得到磁隧道结微阵列。目前主要采用紫外光进行光刻操作，研究人员也在研究利用极紫外光刻、离子束投影光刻技术等新技术制作磁隧道结。
采用上述光刻蚀或离子束刻蚀技术制备的磁隧道结，面积越小，其检测灵敏度就越高。在通过蚀刻得到磁隧道结的微阵列后，为防止感应铁磁层5的氧化，还需加镀二氧化硅等构成保护层，填平蚀刻镂空的部分，并在磁隧道结的位置打孔，使磁隧道结上导线相连通。
3].磁隧道结生物芯片载体的制作依上述方法得到的磁隧道结，经过一定的表面处理后形成了磁隧道结生物芯片用载体，所有不破坏其结构，又可在磁隧道结上进行物理吸附或化学反应的方法都可使用。
方法1多层膜材料经过蚀刻加工得到磁隧道结后，表面喷涂一层氮化硅(SiN3)以防止腐蚀，然后在其表面再喷镀一层薄金，其厚度在300nm～1μm左右，可使用热喷涂或电子束喷涂的技术。
方法2采用目前处理玻璃片或硅片的方法，对磁隧道结的表面进行一定的化学处理，使其带有一定的化学功能基团如氨基、羧基等。在得到磁隧道结后，表面喷涂一层二氧化硅(SiO2)，然后将二氧化硅表面用浓酸处理，使其表面的羟基活化，加入硅烷化试剂N-(2-(氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷(N-(2-aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane)，在酸性介质中反应20min，得到表面修饰有氨记得磁隧道结。除上述硅烷化试剂之外，还可使用如下试剂，3-氨丙基三甲氧基硅烷(3-aminopropyltrimethoxysilane)，3-氨丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyltriethoxysilane)等。在带有氨基的磁隧道结载体表面，加入戊二酸酐等试剂与氨基反应，又可将其转化为羧基。
2.磁隧道结生物芯片的制备经过表面处理后的生物芯片载体19，可通过物理吸附或化学键合的方法用来制备不同的生物芯片。即将不同种类的可寻址生物分子20如蛋白质、核酸、寡核苷酸、多糖等固定在磁隧道结生物芯片载体表面，形成一类新的生物芯片产品，即磁隧道结生物芯片。如磁隧道结蛋白质芯片、磁隧道结多肽芯片、磁隧道结DNA芯片、磁隧道结寡核苷酸芯片、磁隧道结多糖芯片等。这种生物芯片制作大多是利用已有的生物芯片点样仪，通过有序排列的点样针，将生物样品有规律地排列在磁隧道结生物芯片载体19上。
可根据要求，通过生物芯片点样仪制备出高、中、低密度不同的磁隧道结生物芯片产品。目前点样仪规格不同，因此点制样点大小也有所不同，样点直径范围可在75μm～200μm之间。每个点的面积为128μm×128μm计，点与点之间的距离为2μm，则每平方厘米可点近6000个点。因此，完全可制作出一定大小可以覆盖人类或小鼠全部基因序列或点制上万点蛋白质样品的磁隧道结生物芯片。由于每个磁隧道结均是一个巨磁电阻的感应器，可有对应的电磁学信号输出，因此，只要有一个靶分子被固定在其表面，就可以测定出结果。制作磁隧道结生物芯片的方法如下方法1抗体或蛋白质大分子结构中含有巯基，寡核苷酸探针合成时可在3或5末端进行巯基化修饰，由于金与这些含巯基的生物分子有较强的亲和能力，可将上述样品如含巯基的寡核苷酸样品5000～30,000种，用多孔板中溶解，然后用点样仪将样品整齐排列在具有金涂层的的磁隧道结生物芯片载体表面，形成磁隧道结寡核苷酸芯片。磁隧道结寡核苷酸芯片的一部分结构如图2所示。其中载体内部制作有规则排列的磁隧道结，在磁隧道结载体表面含有一层金，由此使得巯基化的寡核苷酸探针在其表面得以固定。
方法2可通过磁隧道结生物芯片载体上的化学功能基团将生物活性分子共价偶联在载体表面。如利用带有双功能基团的偶联剂戊二醛分子上的两个醛基，分别与载体上的氨基和蛋白质或抗体分子中氨基反应，将蛋白质或抗体固定在生物芯片载体表面进行固定化，可得到磁隧道结蛋白质或抗体芯片。
方法3在含有羧基功能基团的磁隧道结载体表面，可利用偶联剂1-EDC介导，通过载体表面羧基与氨基标记的生物分子形成酰胺键而将生物分子固定在载体表面。
3.本发明磁隧道结生物芯片的检测方法本发明磁隧道结生物芯片在检测时与磁记录材料有以下不同1].所加外磁场对顺磁性的磁性颗粒产生磁化作用，而不直接对磁隧道结的感应铁磁层5产生影响。外磁场方向与隧道结平面的相互垂直的。
2].通过检测生物化学反应后附着在磁隧道结表面磁性微粒所产生磁场对隧道结感应铁磁层5的作用而引起磁电阻的变化，可测定出被检测生物分子的种类及含量。
以直径约12纳米的钴粒子在磁隧道结表面的作用为例由于粒径非常小，热能足以使钴粒子的磁矩指向任何方向，这样钴粒子在室温下表现出超顺磁性而非铁磁性。如果我们加一个磁场H，那么可以测到的钴粒子磁矩是μ*＝μ[coth(μH/kT)-kT/μH]其中μ是钴粒子的磁矩，k是波尔兹曼常数，T是温度。方括号内的函数被称为朗之万(Langevin)函数。如果H＝0，朗之万函数是零，钴粒子便表现出超顺磁性的特征。本实施例中，标记时所有钴粒子均为顺磁性，但在检测过程中又需要使钴粒子表现足够的铁磁性，即要求朗之万函数达到0.8以上，μH/kT＞5对于一个12纳米直径的钴粒子而言，其体积是V＝9×10-19cm3，磁化强度是M＝1400emu/cm3，若忽略钴粒子的磁各向异性能，那么μ＝MV＝1.26×10-15emu，所需的外加磁场是H＞5kT/μ＝166Oe。在该磁场里钴粒子可测到的磁矩是0.8μ＝1.0×10-15emu。
一个钴粒子相当于一个磁偶极，它产生的磁场与其磁矩成正比，而与其至观察点的距离的立方成反比。假如钴粒子位于磁隧道结30nm之上，那么钴在磁隧道结内所产生的磁场强度是H＝μ/r3＝1.0×10-15emu/(30×10-7cm)3≈36Oe
磁隧道结可设计成精确测量钴粒子所产生磁场的形状。一个0.5微米边长的磁隧道结具有0.5兆欧的电阻，在500毫伏结电压之下，外加磁场可以引起幅度达20％×500毫伏＝100毫伏的电压信号。由于，钴粒子所产生磁场的范围有限，大约只占磁隧道结面积(0.25平方微米)的4％，因此可通过磁隧道结测到的净信号是4％×100毫伏＝4毫伏。该信号较强，足以用现代电子器件，如简单的放大器来精确测定。
检测过程中的两个关键步骤1].磁性纳米粒子对靶分子的标记对被检测靶分子用一类具有超顺磁性的颗粒标记，这些无机磁性材料表面经聚合物包覆，并修饰有COOH，NH2等功能基团，通过亲和或共价结合标记在生物分子上。含有羧基末端的磁性微粒在末端修饰氨基的寡核苷酸探针上的标记过程，两者通过形成共价酰胺键而连接，是包覆由亲和素的磁性微粒在生物素化抗体分子上的标记过程，由于亲和素-生物素牢固的相互作用，使磁性微粒得以在抗体分子上固定化。标记物应当达到粒径均一，不聚集，稳定性好的特点。
2].生物芯片的检测该检测方法采用电磁学原理，即主要检测纳米粒子在被外磁场磁化后自身产生的磁场对磁隧道结生物芯片载体感应铁磁层5的影响所产生的巨磁电阻值。可寻址的生物分子和被检测的目的分子之间反应，将标记在被测定靶物质上的微米级或纳米级磁性颗粒固定在生物芯片表面，利用信号放大器对检测过程中电信号的变化进行测定。
对大规模的生物芯片而言，需设计一系列的接线片，并通过地址译码器将每一个磁隧道结通过导线接通。每个隧道结与接线片之间可通过0.5μm宽的联络导线包括行线与列线，用7数位的地址译码器连绕。在连接线路之外，还需加工出信号放大器组成的集成电路，需要检测时，可将磁隧道结插入事先刻好的印刷电路中，通过选择任何一根横排导线和一根竖排导线来读取它们交叉点(即磁隧道结)的电信号对生物芯片上发生的反应进行确定。
4.举例例1.磁隧道结寡核苷酸芯片制备图5所示的复合薄膜材料，其中基底层可为SiO2等材料，最下层Ta为基底上的导线，FeMn层反铁磁层8，目的是使固定铁磁层77CoFe的磁化强度方向11保持一定，FeMn反铁磁层8以下的NiFe为晶种层9。中间Al2O3为隧道势垒层6，NiFe和CoFe共同组成感应(自由)铁磁层，最上层的Ta为感应铁磁层5的保护层。
磁隧道结生物芯片载体的制备包括首先，在基底材料上蚀刻底电极，将制备好的磁隧道结膜材料置于电极之上，通过光蚀刻在膜材料上加工出一定密度的磁隧道结，在隧道结表面进行SiO2覆盖，然后打孔，最后在上面盖上上电极。
在加工好的磁隧道结表面喷一层薄金，按照需要合成巯基修饰的寡核苷酸探针，并用点样仪将不同的探针固定在隧道结表面，干燥后，将隧道结寡核苷酸芯片包装保存以备检测。
例2.磁隧道结蛋白质芯片参照Moodera等人发明文献中的方法，制备具有CoFe/Al2O3/NiFe结构的磁隧道结复合薄膜材料，用离子束蚀刻的方法制备隧道结。将隧道结置于底层电极之上，然后加一层带有氨基的SiO2保护膜，以戊二醛为偶联剂，利用蛋白质上的氨基将其偶联在磁隧道结的表面，并通过一定的表面固定化处理后，包装保存。
例3.用磁隧道结寡核苷酸芯片对基因的检测利用生物素标记的引物，对测定样品进行RT-PCR，然后与寡核苷酸芯片上的探针进行杂交反应，缓冲液清洗，除去非特异性反应物，然后将亲和素包覆的磁性颗粒置于寡核苷酸芯片进行孵育，风干后，置于检测装置中，检测其电压值的大小。
权利要求
1.一种磁隧道结生物芯片载体，主要由磁隧道结(15)构成，该磁隧道结(15)主要包括铁磁电极(13)、非磁性绝缘的隧道势垒层(6)、基底(17)及设置于基底(17)上的铁磁电极(14)；所述的铁磁电极(13)主要包括感应铁磁层(5)，所述的铁磁电极(14)主要包括固定铁磁层(7)，所述的隧道势垒层(6)设置于感应铁磁层(5)与固定铁磁层(7)之间构成核心三明治薄膜；其特征在于所述的磁隧道结(15)表面喷涂有生物分子固定层(18)，构成磁隧道结生物芯片载体(19)。
2.如权利要求1所述的磁隧道结生物芯片载体，其特征在于所述的铁磁电极(14)包括耦和于固定铁磁层(7)表面的反铁磁层(8)。
3.如权利要求1或2所述的磁隧道结生物芯片载体，其特征在于所述的铁磁电极(13)的感应铁磁层(5)表面设置有加盖层(4)。
4.如权利要求3所述的磁隧道结生物芯片载体，其特征在于所述的铁磁电极(14)的底层设置有晶种层(9)。
5.如权利要求4所述的磁隧道结生物芯片载体，其特征在于所述的感应铁磁层(5)为矫顽力较小且巨磁电阻效应较大的铁磁材料；所述的固定铁磁层(7)为巨磁电阻效应较大的铁磁材料；所述的隧道势垒层(6)为金属氧化物。
6.如权利要求5所述的磁隧道结生物芯片载体，其特征在于所述隧道势垒层(6)的厚度为1～4nm；所述隧道势垒层(6)的金属氧化物为Al2O3、AlN或MgO。
7.一种采用如权利要求1所述磁隧道结生物芯片载体的芯片，其特征在于它包括磁隧道结生物芯片载体(19)和可寻址生物分子(20)，所述可寻址生物分子(20)固定于磁隧道结生物芯片载体(19)表面。
8.一种如权利要求1所述磁隧道结生物芯片载体的利记博彩app，其特征在于该方法的制作步骤如下1].磁隧道结薄膜材料的制作(1).用磁控溅射或离子束溅射的高真空或超高真空溅射机在基底(17)表面溅射一层固定铁磁层(7)；(2).在固定铁磁层(7)表面用氮反应或自然氧化、等离子体氧化的方法制备出隧道势垒层(6)；(3).在隧道势垒层(6)表面溅射一层感应铁磁层(5)，形成磁隧道结多层膜材料的核心三明治薄膜；2].磁隧道结的制作采用光蚀刻法，让光线透过刻有线路图的掩膜照射在多层膜材料表面，刻蚀镂空，得到均布的、面积微小的磁隧道结(15)的微阵列；所述的光蚀刻是采用紫外光、极紫外光、X-光或离子束投影光进行刻蚀；3].磁隧道结生物芯片载体的制作在磁隧道结(15)表面，喷涂生物分子固定层(18)形成磁隧道结生物芯片载体(19)。
9.如权利要求8所述磁隧道结生物芯片载体的利记博彩app，其特征在于所述的磁隧道结薄膜材料的制作包括在固定铁磁层(7)底部设置一层与之耦合的反铁磁层(8)构成磁隧道结多层膜材料。
10.如权利要求8或9所述磁隧道结生物芯片载体的利记博彩app，其特征在于所述磁隧道结薄膜材料的制作包括在该核心三明治薄膜材料的底层通过溅射的方法制作一层晶种层(9)构成磁隧道结多层膜材料。
11.如权利要求10所述磁隧道结生物芯片载体的利记博彩app，其特征在于所述固定铁磁层(7)的磁化强度方向(12)采用针扎或反铁磁耦和形式固定。
12.如权利要求11所述磁隧道结生物芯片载体的利记博彩app，其特征在于所述用氧化或等离子体氧化的方法制备隧道势垒层(6)包括，先沉积一层隧道势垒层(6)所用金属单质，然后采用自然氧化或等离子体氧化的方法制备出金属氧化物形成隧道势垒层(6)；所述用氮反应的方法制备隧道势垒层(6)，敷设时用反应溅射或直接溅射的方法将金属氮化物直接沉积在固定铁磁层(7)表面。
13.如权利要求8或9所述磁隧道结生物芯片载体的利记博彩app，其特征在于所述磁隧道结(15)的制备包括在磁隧道结微阵列表面喷涂加盖层(4)，填平刻蚀镂空部分，并在磁隧道结(15)的位置打孔，使磁隧道结(15)裸露出来。
14.一种如权利要求2所述磁隧道结生物芯片的利记博彩app，其特征在于该方法是将可寻址生物分子(20)固定在磁隧道结生物芯片载体(19)表面，形成磁隧道结生物芯片。
15.如权利要求14所述磁隧道结生物芯片的利记博彩app，其特征在于所述的将可寻址生物分子(20)固定在磁隧道结生物芯片载体(19)表面是通过物理吸附或化学键合的方法。
16.如权利要求14或15所述磁隧道结生物芯片的利记博彩app，其特征在于所述的通过物理吸附或化学键合的方法是利用生物芯片点样仪，通过有序排列的点样针，将可寻址生物分子(20)排列在磁隧道结生物芯片载体19上。
17.如权利要求16所述磁隧道结生物芯片的利记博彩app，其特征在于所述的可寻址生物分子为蛋白质、核酸、寡核苷酸、多糖。
18.一种采用如权利要求2所述磁隧道结生物芯片对生物分子进行检测的方法，其特征在于该方法的检测步骤如下1].磁性纳米粒子对靶分子的标记用磁隧道结作为生物芯片载体(19)，采用纳米或微米级磁性颗粒作为靶分子的标记物，将被检测靶分子标记在具有超顺磁性的纳米或微米级磁性颗粒上，在颗粒表面包覆聚合物，并修饰功能基团，通过亲和或共价结合标记在生物分子上，使磁性微粒在抗体分子上固定化；2].可寻址生物分子(20)和被检测的目的分子之间反应，将标记在被测定靶物质上的微米级或纳米级磁性颗粒固定在生物芯片表面；3].加外磁场对顺磁性的磁性颗粒产生磁化作用，外磁场方向与磁隧道结平面相互垂直；4].通过检测生物化学反应后附着在磁隧道结表面磁性微粒所产生磁场对隧道结感应铁磁层(5)的作用所引起磁电阻的变化，记录检测过程中电信号，测定出被检测生物分子的种类及含量。
全文摘要
一种磁隧道结生物芯片载体和采用该载体的芯片及其利记博彩app和对生物分子进行检测的方法。该磁隧道结生物芯片，由多层膜材料加工制成，其主要组成部分包括固定铁磁层、感应铁磁层及将两者隔开的隧道势垒层。在一定尺寸的多层膜材料如1cm×1cm上可加工出不同密度的磁隧道结微阵列，每个隧道结的面积最小可达0.5μm×0.5μm。本发明以经过表面处理后的磁隧道结微阵列作为生物大分子的固定载体，利用磁性颗粒对磁隧道结表面的作用产生的巨磁电阻作为检测信号，实现了在磁隧道结生物芯片上对各种生物大分子种类和含量的检测。
文档编号C12Q1/68GK1475806SQ0213936
公开日2004年2月18日 申请日期2002年8月15日 优先权日2002年8月15日
发明者陈超, 崔亚丽, 王善祥, 陈 超 申请人:陈超, 陈 超